碎石樁在甘泉堡神信鐵路專用線軟土地基處理中的應(yīng)用

吳玉明

摘 要：在新疆甘泉堡神信鐵路路基設(shè)計中，大范圍采用碎石樁處理軟土地基，并取得了成功，較好地解決了鐵路穿越甘泉堡地區(qū)大面積軟土地基的問題。文章結(jié)合試驗段路基，闡述了碎石樁處理軟土地基的加固原理，介紹了碎石樁處理軟土地基的設(shè)計、施工工藝及質(zhì)量檢測，通過軟土地基處理前后檢測結(jié)果的對比分析，對碎石樁處理軟土地基的效果進(jìn)行了評價，為該地區(qū)其它類似工程的設(shè)計與施工有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軟土地基；碎石樁；施工工藝；質(zhì)量檢測

1 碎石樁處理軟土地基的加固原理

碎石樁加固軟土地基主要是與天然軟土地基形成一種復(fù)合地基，從而提高地基承載力、減少沉降量、提高地基土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)了地基土地的抗滑穩(wěn)定性。碎石樁對軟土地基的加固作用主要有置換、擠密、振密、排水、墊層及加筋等。

1.1 置換作用

通過成樁機(jī)械將不良地基強(qiáng)制排開并置換，以性能良好的砂石來替換不良的軟弱粘性土。而碎石樁的剛度比樁間土的剛度大，在荷載作用下，為了保持樁土變性的協(xié)調(diào)，地基中的應(yīng)力向樁身發(fā)生集中，從而相應(yīng)減小了樁間土承受的應(yīng)力，使復(fù)合土體的承載力較原地基有所提高，沉降量得到下降。樁的置換作用的大小主要取決于樁間土對樁體的約束力。

1.2 擠密作用

下沉樁管時樁管對周圍土體產(chǎn)生很大的橫向壓力，將土體中等于樁管體積的土擠向周圍土體使之密實；灌注碎石后振動、反插也使周圍土體受到擠密，從而提高了地基強(qiáng)度。側(cè)向約束力對碎石樁性狀影響至關(guān)重要，如樁側(cè)土對碎石柱的約束力很小，不但形不成應(yīng)力向樁體集中，而且還影響碎石樁對樁間土的擠密作用。

1.3 振密作用

碎石樁主要靠樁的擠密和施工中的振動作用使樁周圍土的密度增大，從而使地基的承載能力提高，壓縮性降低。當(dāng)被加固土為液化地基時，由于土的空隙比減小、密實度提高，可有效消除土的液化。

1.4 排水作用

在軟粘土中，碎石樁是粘性土地基中一個良好的排水通道，碎石樁的反濾性和滲透性都比較好，它能起到排水砂井的作用，使得土體固結(jié)排水路徑大大縮短，固結(jié)速度大大提高。

1.5 墊層作用

對于較厚的軟弱土層中，碎石樁不能穿透整個土層，加固過的地基部分對于下臥層起到墊層的作用，墊層將荷載擴(kuò)散，使擴(kuò)散到下臥層頂面的應(yīng)力減弱并使分布趨于均勻，從而提高地基的整體抵抗力，減小其沉降量。

1.6 加筋作用

對于厚度不大的軟弱土層，碎石樁可以穿透整個軟弱土層并置于其下的硬底層上，樁體在外荷載的作用下就會產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使樁間土承擔(dān)的壓力相應(yīng)減小，復(fù)合地基的承載力會提高，壓縮量會減小，穩(wěn)定性會得到加強(qiáng)，沉降速率會加快，可以提高土體抗剪強(qiáng)度，加固后的復(fù)合樁土層能改善土坡的穩(wěn)定，像抗滑樁一樣迫使滑動面遠(yuǎn)離坡面、向深處轉(zhuǎn)移，這種加固作用即通常所說的加筋作用。

2 工程實例

2.1 概述

新疆甘泉堡神信鐵路專用線全長43km，其中路基長42.2km。線路多穿越農(nóng)田區(qū)和水庫邊緣，沿線特殊巖土主要為軟土（個別地段同時具有地震液化現(xiàn)象），長度累計達(dá)10.7km，約占路基長度的25%，軟土地基處理是本線路基工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，通過反復(fù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后，對本線軟土地基主要采用碎石樁進(jìn)行加固處理，全線碎石樁長度達(dá)90萬延米。下面選取本線碎石樁試驗性施工段DK14+500～DK14+700段作為工程實例來介紹碎石樁的設(shè)計、施工及檢測。

2.2 工程地質(zhì)

2.2.1 工點(diǎn)位于沖、洪積平原，地勢南高北低，地形較平坦。本段主要為耕地，種植作物為枸杞，地表植被發(fā)育，交通條件較好。工點(diǎn)范圍地層主要為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)沖、洪積粉土、軟粉土。

（1）粉土（Q3-4al2+pl2）：工點(diǎn)范圍內(nèi)的主要地層，層厚大于10m。褐黃色，土質(zhì)均一，粉感較重，稍密-中密，稍濕-飽和，Ⅱ級普通土，σ0=120Kpa。

（2）軟粉土（Q3-4al2+pl2）：分布于全段范圍內(nèi)，下伏于粉土，頂板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮濕-飽和，稍密，Ps=440～800kPa，Ⅱ級普通土，σ0=60～80Kpa。

2.2.2 不良地質(zhì)及特殊巖土。不良地質(zhì)主要為地震液化現(xiàn)象，工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水埋深2～4m，地下水位至15m深度間為地震液化層。特殊巖土為軟粉土及松軟土。

（1）軟粉土。下伏于粉土，頂板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮濕-飽和，稍密，Ps=440～800kPa，σ0=60～80Kpa。根據(jù)初定測土工試驗資料，其物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計結(jié)果如下：e=0.755，ρ=2.01g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=13.1kPa，φ=13.1°，Cv=1.25x10-3cm2/s，CH=1.25x10-3m2/s，φcu=27.7°。

硬殼物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計結(jié)果如下：e=0.693，ρ=1.9g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=12.6kPa，φ=23.0°，Cv=1.40x10-3cm2/s，CH=1.40x10-3cm2/s。

硬底物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計結(jié)果如下：e=0.53，ρ=2.1g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=22.5kPa，φ=24.0°，Cv=1.82x10-3cm2/s，CH=1.82x10-3cm2/s。

（2）松軟土。下伏于軟粉土層，厚度1～3m，稍密，Ps=840～1450kPa，σ0=90～100kPa。松軟土（水位下）物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計結(jié)果如下：e=0.757，ρ=2.03g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=14.1kPa，φ=15.2°，Cv=1.52x10-3cm2/s，CH=1.52x10-3cm2/s，φcu=27.7°。

2.2.3 水文地質(zhì)特征。地下水位第四系孔隙潛水，地下水位埋深2～4m，水質(zhì)較差，環(huán)境作用等級分別為H2、L2。

2.2.4 地震。地震動峰值加速度0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40s，地震基本烈度七度。

2.3 方案設(shè)計

2.3.1 設(shè)計依據(jù)。（1）《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》TB10001-2005，《鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范》TB10035-2006，《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》TB10106-2010。（2）地基存在軟土及地震液化現(xiàn)象，根據(jù)穩(wěn)定性檢算及沉降計算，地基加固處理之前路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.17、沉降為0.37m，采用碎石樁加固處理后路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.18、沉降為0.22m。

2.3.2 工程措施。（1）路堤基底采用碎石樁加固處理，碎石樁按正三角形（梅花形）布置，樁間距S=1.6m，樁徑d=0.8m，樁長L按軟土地基處理縱斷面圖中所示樁底高程控制，處理寬度為路堤坡腳外不小于2.0m，碎石樁樁頂與路堤基底之間設(shè)置厚0.5m厚的卵礫石墊層，墊層內(nèi)夾鋪兩層經(jīng)編雙向土工格柵，其極限抗拉強(qiáng)度不小于120kN/m，延伸率不大于10%。（2）碎石樁樁體材料應(yīng)采用不易風(fēng)化的性能穩(wěn)定的硬質(zhì)碎石或卵石，含泥量不大于5%，沉管法施工粒徑宜為20～50mm，振沖法施工粒徑宜為20～150mm。（3）碎石樁宜從中間向外圍施工，采用沉管法施工時樁位水平偏差不應(yīng)大于0.3倍套管外徑，套管垂直偏差不應(yīng)大于1%。施工過程中，各段樁體應(yīng)符合密實電流、填料量及留振時間三方面的規(guī)定。（4）碎石樁施工后，應(yīng)將地表以下松散土層挖除或夯壓密實后，鋪設(shè)卵礫石墊層及格柵。

2.4 碎石樁施工工藝。（1）清理平整施工場地，測量放樣，布置樁位；（2）移動樁機(jī)及塔架，把樁機(jī)或樁尖對準(zhǔn)樁位；（3）啟動振動錘，把樁管下沉到設(shè)計的深度；（4）在下沉過程中的同時或在下沉到設(shè)計的深度后，向樁管內(nèi)加入規(guī)定數(shù)量的碎石料；（5）通過空壓機(jī)向樁管內(nèi)充氣，當(dāng)樁管內(nèi)的充氣氣壓達(dá)到樁長所要求的對應(yīng)的壓力后，停止充氣；（6）啟動振動器，把樁管提升1～2m，在提升的過程中，樁管的出料活門在氣壓及碎石料的重力作用下自動打開，樁管內(nèi)碎石料在氣壓和重力作用下流入鉆孔中；（7）降落樁管，利用振動或及樁尖的擠壓作用使碎石密實；（8）重復(fù)5、6、7三步驟，其中，在步驟5中，充氣的氣壓根據(jù)變化的樁長進(jìn)行調(diào)節(jié)；（9）當(dāng)樁機(jī)內(nèi)碎石料用到規(guī)定程度時，再向樁管內(nèi)添加碎石料，重復(fù)5、6、7三步驟；（10）樁管提至碎石樁設(shè)計頂標(biāo)高，制樁完成。

2.5 碎石樁施工參數(shù)

（1）填料量：直徑80cm，碎石樁0.6m3/m；（2）留振時間20S；（3）空振電流和振密電流：根據(jù)進(jìn)場機(jī)械設(shè)備功率，振密電流與空振電流相減差值不小于30A；（4）反插次數(shù)：每提升1.5～2.5m反插1次；（5）提升速度1.5～2.5m/min。

2.6 碎石樁質(zhì)量檢測

碎石樁施工結(jié)束后，應(yīng)間隔14～21天后進(jìn)行質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗應(yīng)執(zhí)行《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》（TB 10106-2010）中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行單樁復(fù)合地基承載力載荷試驗和樁身密實度重型動力觸探試驗。單樁復(fù)合地基承載力檢測采用載荷試驗方法（快速維持荷載法），樁身密實度檢測采用重型圓錐動力觸探方法（N63.5）。

2.6.1 單樁復(fù)合地基載荷試驗

（1）試驗設(shè)備技術(shù)參數(shù)

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)匯總表

（2）載荷試驗技術(shù)參數(shù)。荷載共分8級施加，壓板應(yīng)力按每級30kpa等量遞增，第一級壓板應(yīng)力為40kPa最大壓板應(yīng)力250kPa，最大有效荷載630KN，壓重平臺堆載800KN。

（3）載荷試驗數(shù)據(jù)分析。取P-S曲線上S/D=15‰處（P為壓板應(yīng)力；S為地基沉降量；D為壓板直徑）所對應(yīng)的壓力值和最大有效荷載的一半，兩值的較小值為碎石樁復(fù)合地基承載力。本次載荷試驗點(diǎn)復(fù)合地基承載力不小于125kPa。

2.6.2 重型動力觸探試驗

受樁間土地質(zhì)特征、施工質(zhì)量、成樁恢復(fù)期、碎石料粒徑等因素的影響，實測重型動力觸探數(shù)據(jù)N63.5離散性比較大，因此，采用重型動力觸探判定樁身密實度是否合格還應(yīng)該結(jié)合載荷試驗結(jié)果綜合確定，檢測數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 重型動力觸探試驗數(shù)據(jù)匯總表

2.7 檢測結(jié)果分析

按擬定的施工參數(shù)和技術(shù)工藝施工，試驗性施工段碎石樁復(fù)合地基承載力大于120kPa，滿足設(shè)計要求；直徑80cm的碎石樁樁身密實度可以達(dá)到稍密、局部中密。檢測結(jié)果表明：

（1）碎石樁處理軟土地基后，復(fù)合地基基本承載力得到了有效的提高，達(dá)到了提高承載力的目的。

（2）重型動力觸探結(jié)果表明：實測樁身整體重型動力觸探平均擊數(shù)N63.5均大于5擊，樁身密實度整體評價為稍密至中密，結(jié)合載荷試驗結(jié)果綜合判定樁身密實度校正后臨界合格錘擊數(shù)為7擊/10厘米，表明已經(jīng)消除液化。

3 結(jié)束語

3.1 采用碎石樁處理軟土地基，可以改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，加速軟土地基排水固結(jié)的速度，沉降得到有效控制，使軟土地基承載力大大的提高，同時對地基土的液化有明顯的處理效果。

3.2 本次試樁結(jié)論為本項目其它軟土地段展開大面積的碎石樁施工提供了成功的施工參數(shù)和施工工藝，采用碎石樁處理軟土地基值得在新疆甘泉堡地區(qū)鐵路工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部.TB10035-2006鐵路特殊路基設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2006.

[2]鐵道部.TB10001-2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2005.