公路工程软弱地基加固施工中碎石桩技术的应用
摘要：公路施工中经常遇到软弱地基，其处理的方法也多种多样。振动挤密碎石桩因其能提高软土地基的整体抗剪强度,减少地基沉降而在公路软土地基中广泛应用。本文详细介绍了碎石桩技术在公路软土路基加固处理中的加固机理和设计验算方法，并结合贵州省S208线（原马合公路段）工程实例,对振动挤密碎石桩技术的施工要点及质量控制、效果检测进行阐述，以供同行参考。
关键词：振动挤密碎石桩，软土路基，加固处理，质量检测
1公路施工中碎石桩的加固原理
碎石桩是指振动、冲击或水冲等方式在松软土地基中成孔后,再将碎石挤压入土孔中,形成大直径的由碎石构成的密实桩体,以提高软土地基的整体抗剪强度,减少地基沉降。其适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基,也可用于处理可液化地基。
1.1沙土类加固机理——挤密
疏松沙土为单粒结构,孔隙大,颗粒位置不稳定,在静力和振动作用下,土粒易位至稳定位置,使孔隙减少而压密。在挤密碎石桩成桩过程中,桩套管挤入沙层,该处的沙被挤向四周而变密。
挤密碎石桩的加固效果包括:1)使松沙地基挤密至小于临界孔隙比,以防止沙土振动液化;2)形成强度高的挤密碎石桩,提高了地基的强度与承载力;3)加固后大幅度减少地基沉降量;4)挤密加固后,地基呈均匀状态。
1.2粘土性加固原理——置换
碎石桩在粘性土地基中,主要利用碎石桩本身的强度及其排水效果。其作用包括:
① 碎石桩置换。在粘性土中形成大直径密实碎石桩体,碎石桩与粘性土形成复合地基,共同承担上部荷载,提高了地基承载力和整体稳定性。
②上部荷载产生对碎石桩的应力集中,减小粘性土的应力,从而减少地基的固结沉降量。经碎石桩处理淤泥质粘性土地基,可减少沉降量20%～30%。③排水固结,碎石桩在粘性土地基中形成排水通道,因而加快固结速率。
2碎石桩设计计算
2.1桩径
碎石桩的直径可采用300mm～800mm,根据地基土质的情况和成桩设备等因素确定。对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。
2.2桩间距与桩位布置方式
碎石桩桩位宜采用等边三角形或正方形布置。碎石桩的间距应通过现场试验确定。对粉土和砂土地基,不宜大于碎石桩直径的4.5倍;对粘性土地基不宜大于碎石桩直径的3倍。
2.3处理范围
碎石桩处理范围大于基底范围,处理宽度宜在基础外缘扩大1排～3排。可液化地基,在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2,并不应小于5m。
2.4加固深度
①当松软土层厚度不大时,碎石桩桩长宜穿过松软底层;
②当松软土层厚度较大时,对按稳定性控制的工程,碎石桩桩长应不小于最危险滑动面以下2m的深度;对按变形控制的工程,碎石桩桩长应满足处理后地基变形量不超过建筑物的地基变形容许值,并满足松软土下卧层承载力的要求;
③对可液化地基,碎石桩桩长应按要求的抗震处理深度确定;
④碎石桩桩长不宜小于4m。
2.5桩体材料
桩体材料可采用碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料,含泥量不得大于5%,最大粒径不得大于50mm。碎石桩桩孔内的填料量应通过现场试验确定,估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数β确定,β可取1.2～1.4。如施工中地面有下沉或隆起现象,则填料数量应根据现场具体情况予以增减。碎石桩桩顶宜铺设一层厚度300mm～500mm的碎石垫层。
2.6地基承载力
碎石桩复合地基的承载力,应通过现场复合地基载荷试验确定,初步设计时,也可通过下列方法估算：
fspk=mfpk+(1-m)fsk
其中,fspk为碎石桩复合地基承载力特征值,kPa;fpk为桩体承载力特征值,kPa;fpk为处理后桩间土承载力特征值,kPa;d为桩体直径,m;de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,m。
2.7变形计算
碎石桩地基的变形计算,应按现行GB5007建筑地基基础设计规范有关规定执行。复合土层的压缩模量可按下式计算:
Esp=[1+m(n-1)]Es
其中,Esp为复合土层压缩模量,MPa;Es为桩间土压缩模量,MPa,宜按当地经验取值,如无经验时,可取天然地基压缩模量。
2.8稳定性计算
当碎石桩用于处理堆载地基时,应进行抗滑稳定性验算(见图1),采用圆弧滑动面法对复合地基的稳定性进行验算时,滑动面上的抗剪强度τsp由碎石桩的抗剪强度τp和桩间土的抗剪强度τs两部分组成:
图1：计算简图
τsp=τp+τs=m(μpp+γpz)tgφpcos2θ+(1-m)c
其中,μp为碎石桩应力集中系数,p为计算深度z处平均应力;γp为桩体的重度;z为计算深度;φp为桩的内摩擦角;θ为剪切滑动面与水平面的夹角;m为面积置换率;c为桩间土的粘聚力。
桩间土的粘聚力c如不考虑荷载产生固结对桩间土强度的提高,则采用天然地基粘聚力c0;如考虑桩间土上作用垂直应力ps=μs产生固结,则桩间土的强度得到提高:
c=c0+psUtgφcu=c0+μsptgφcu其中,μs为应力降低系数,μs=为固结度;φcu为桩间土固结不排水抗剪内摩擦角。
3工程实例
3.1该工程基本地土质状况
贵州省S208线马合公路段修建时，该工程部分所经地段分布以粘质黄土、粉质粘土、细砂等地层为主,由于地下水位较高、地表水丰富,地基松软且路基以填方形式通过,路堤高度约2~8m,地表为耕地,承载力不能满足路基要求,故采用碎石桩加固地基,以满足该公路路基对地基承载力的要求。
3.2该工程加固处理措施分析
经测试验算,该工程天然地基承载力为40kPa～60kPa,地基承载力较低,地下水位埋深为1.0m～1.5m,地基松软不能满足路基对地基承载力及沉降的要求,综合考虑后采用碎石桩加固地基,以满足了地基承载力及沉降要求。
设计采用碎石桩桩径为0.8m,间距为2.0m,桩位按等边三角形布置,处理宽度为两侧路堤坡脚外3.0m之间范围,碎石桩桩长打穿松软土地层至卵石土层顶面,碎石桩顶部铺设一层厚0.3m碎石垫层。
4振动挤密碎石桩施工工艺
4.1振动挤密碎石桩施工碎石桩施工工艺流程图见下图2:
图2：振动挤密碎石桩施工工艺流程图
主要施工方法如下:
1)清理平整场地,测量场地平整后的标高,以便控制桩底、桩顶标高;
2)测量放样,根据设计要求对桩位进行平面等边三角形布置并编号;
3)大面积施工前,必须做成桩试验,通过试桩得出参数:每根桩成桩时间需15min～20min,碎石投入量按下式计算:
S=ApLK
其中,S为填碎石量;Ap碎石桩的截面积;L为碎石桩的桩长;K为碎石桩的充盈系数,K≥1.15;
4)机械设备采用DZ40-60系列走管式振动沉桩机,移动桩机就位,保证垂直度要求,施工时电动沉管机在人工的配合下找准桩位,人工闭合活瓣式桩尖后开始沉桩,将桩管振动下沉入土层直至达到设计深度;
5)在桩管达到设计深度后,人工配合装载机上料,向桩管内加入规定数量的碎石料,防止“断桩”和“缩颈”的发生;
6)起拔振动。为使挤出桩管下端的碎石更加密实,边振边拔,拔管速度要均匀,并控制在1.0m/min～1.5m/min内;
7)施工人员要随时用测锤测碎石的下料情况,根据测得的下料情况,如果灌碎石量不满足设计时要求进行反插,直至桩内碎石密实,反插深度要小于桩管长度的1/2,反插和拔管速度要均匀,反插浓度由深到浅,每根桩在保证桩长和碎石灌入量的前提下,总反插次数一般不得少于6次。
8)桩管上下运动,碎石桩不断提高,提升桩尖于地面停止振动,完成此桩。移机进行下一根碎石桩的施工。施工后,应将基底标高下的松散层挖除或夯填密实,随后铺设并压实碎石垫层。
4.2技术要求及质量控制要点
1)填料采用19mm～63mm的碎石为宜,含泥量小于10%,不含有植物残体垃圾等杂质,不宜使用风化易碎的石料,填料的最大粒径一般不大于63mm,粒径过大不仅容易卡孔,而且能使振冲器外壳磨耗;
2)桩位要准确,位移量要小于15cm,垂直度偏差不大于1.5%;
3)沉管开始阶段要轻振慢沉,待桩管方向稳定后再按正常速度沉管;
4)沉桩时遇到可液化层时,当桩管进入可液化层后,每下沉.5m留振30s,直至穿透液化层;
5)在沉桩过程中,如个别桩沉桩困难,如电流大于120A时需立即停机,可能遇到大孤石,应做位移处理。
4.3施工质量检验
1)通过现场成桩试验检验设计要求和确定施工工艺及施工控制要求,为满足试验及检测要求,试桩数量应不少于7个～9个。正三角形布置时至少需要7个(即中间1个周围6个)。如发现问题,则及时会同设计人员调整设计或改进施工。
2)检查各项施工记录,如有遗漏或不符合规定要求的桩,应补做或采取有效的措施。
3)复合地基的施工质量检验,常用的方法有单桩荷载试验和动力触探法试验;加固效果检验,常用的方法有单桩复合地基荷载试验和多桩复合地基大型荷载试验,碎石桩复合地桩检验一般采用较易实施的重Ⅱ型动力触探法来检验,贯入量100mm时,击数应大于5次(见表1)。
表1碎石桩密实度判别标准
采用桩体重型动力触探与桩间土标准贯入试验的方法进行检测,检测试验点位置在施工现场随即抽取,检测量不少于桩孔总数的2%。
为保证施工质量,应在施工中详细地观测和记录。观测内容包括桩管下沉随时间的变化、灌碎石预定数量与实际数量、桩管提升和挤压全过程等。根据桩管下沉时间曲线可以估计土层的松软变化随时间掌握投料数量。碎石桩桩顶施工时,由于上覆压力的减小,桩顶形成一个松散层,加载前应挖除或碾压密实,有效地发挥复合地基的作用。
本工程共抽检碎石成桩共60多根,经检验,全部符合要求,说明施工中采取的处理措施是合理有效的,复合地基承载力经测试达到了设计要求。
5结束语
工程实践表明,碎石桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基,其挤密效果较好,不仅可以提高地基承载力、减少地基沉降,而且能防止由于振动所产生的液化。
参考文献:
[1]公路路基施工技术规范.JTGF10-2006.[S].北京:人民交通出版社,2006.
[2]王晓谋,彭怀宇.高等级公路软土地基路堤设计与施工技术[M].北京;人民交通出版社,2001.
[3]刘玉卓.公路工程软基处理[M].北京:人民集体出版社,2002.