碎石樁在山西中南部鐵路軟基應(yīng)用分析

唐 圣

(中鐵大橋局集團(tuán)第六工程有限公司)

1 工程概況

新建山西中南部鐵路通道湯陰東至日照南段工程，西起湯臺(tái)線(xiàn)湯陰東站，東至日照南站起訖里程為K12 +100～K150 +400 = D1K824 + 000～DK1279 + 800，正線(xiàn)長(zhǎng)度為572.34 km。其中利用湯臺(tái)線(xiàn)增加二線(xiàn)地段136.906 km。該標(biāo)段軟土路基里程范圍為DK853 +400 至DK853 +560 合計(jì)160 m，路基加固措施主要采用碎石墊層和攪拌樁。為滿(mǎn)足軟土路基沉降滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，施工前期必須進(jìn)行軟土路基處理。該段設(shè)計(jì)攪拌樁樁徑為0.4 m，樁長(zhǎng)11～12.8 m 之間，采用正三角形布置，樁間距按照1.4 m 布置，在攪拌樁施工前先在路基外米側(cè)打入一組試驗(yàn)樁，試驗(yàn)樁為2 根，檢測(cè)樁基承載力。

2 碎石樁加固機(jī)理

在軟土路基中碎石樁會(huì)形成一定密實(shí)樁柱體結(jié)構(gòu)，荷載作用下碎石與土能夠形成復(fù)合體系傳遞上部荷載，改善復(fù)合地基工程性能，增強(qiáng)地基承載力。在軟土中壓入碎石不僅能夠增加樁周?chē)馏w的密實(shí)程度、孔隙比減小，壓縮性降低，而且碎石樁還具有良好抗震性能，減少軟土路基不均勻沉降，能夠縮短沉降周期。成樁過(guò)程中由于設(shè)備振動(dòng)、擠壓和擾動(dòng)使樁周?chē)馏w產(chǎn)生附加空隙水壓力，成樁后隨著水壓力消散土體強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，地基加載過(guò)程排水作用使土體孔隙水壓力不斷消散，樁周土體強(qiáng)度不斷增大，復(fù)合地基強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。

3 施工工藝

碎石樁施工流程為測(cè)量放樣、鉆機(jī)就位、沉管、投料、震動(dòng)提升、移位。

測(cè)量放樣:采用全站儀放出碎石樁區(qū)域內(nèi)的控制樁，根據(jù)控制樁帶線(xiàn)尺量碎石樁位;鉆機(jī)就位:通過(guò)起重機(jī)械將碎石樁機(jī)起吊就位，并將鉆管與樁位對(duì)中;沉管:啟動(dòng)碎石樁機(jī)，通過(guò)振動(dòng)錘將鉆管沿導(dǎo)向架方向下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高;投料:鉆管沉入到位后，通過(guò)料斗將碎石投入到鉆管內(nèi);震動(dòng)提升:碎石料投足后，通過(guò)振動(dòng)錘振動(dòng)鉆管，并緩慢提升鉆管，控制提升高度，每次提升1 m 左右時(shí)振動(dòng)下沉，如此來(lái)回抽插3次以上再緩慢提升，保證碎石樁的密實(shí);移位:將鉆管提升懸空，通過(guò)裝機(jī)上卷?yè)P(yáng)機(jī)將裝機(jī)在下一根樁位上就位，重復(fù)上述步驟。

4 試驗(yàn)檢測(cè)分析

4.1 靜載試驗(yàn)

為保證檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)準(zhǔn)確合理可靠，采用樁基測(cè)試分析系統(tǒng)。取DK853 +400 至DK853 +560 段典型特征碎石樁為代表，其中84#樁為里程DK853 +457.839，樁徑設(shè)計(jì)為500 mm，樁體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C20。單樁承載力設(shè)計(jì)值為450 kN，施工記錄樁長(zhǎng)為10.04 m;118#樁里程為DK853 +546.782 樁徑設(shè)計(jì)為500 mm，樁體強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C20。單樁承載力設(shè)計(jì)值為450 kN，施工記錄樁長(zhǎng)為11.16 m。對(duì)84#樁、118#樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖1 所示。

圖1 18#樁、93#樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)

根據(jù)84#樁、118#樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出84#樁加載最大荷載503 kN，在加載到最大荷載時(shí)沉降量為38.64 mm，卸載后塑性變形為26.73 mm，彈 性 變 形 為11.91 mm;樁在不等荷載加載作用下Q－S 曲線(xiàn)變化均勻，說(shuō)明沉降變化均勻，各級(jí)加載后沉降量變化較小，當(dāng)加載至508 kN 時(shí)經(jīng)過(guò)持續(xù)加載120 min 達(dá)到穩(wěn)定，總沉降達(dá)41.86 mm，沉降量為41.86 mm 對(duì)應(yīng)荷載為極限荷載，單樁極限承載力為510 kN ＞450 kN 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 抽芯試驗(yàn)

樁芯完整才能滿(mǎn)足提供正常承載力要求，如果樁芯存在質(zhì)量問(wèn)題如斷樁、骨料級(jí)配不良、樁尖是否進(jìn)入持力層、持力層是否滿(mǎn)足承載力都會(huì)直接或間接導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，為此要對(duì)樁進(jìn)行抽芯試驗(yàn)，檢查樁身混凝土粗細(xì)骨料級(jí)配組成、有無(wú)斷樁、樁長(zhǎng)、樁尖是否進(jìn)入持力層以及樁底持力層是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，對(duì)具有代表性樁芯進(jìn)行取樣進(jìn)行外觀檢查并進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抽芯試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1 所示。

表1 抽芯試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)資料匯總表

對(duì)取樣進(jìn)行觀察并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定與表1 設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析84#樁0.00～12.4 m 樁身混凝土完整，長(zhǎng)、短柱狀，局部塊狀，骨料分布均勻，12.4～17.6 m 屬于強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，手捏易散;118#樁0.00～11.70 m 樁身混凝土，長(zhǎng)柱狀，局部塊狀，骨料分布均勻，膠結(jié)一般，11.70～12.00 m 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，手捏易散。

5 軟基沉降觀測(cè)

為控制填土速率，預(yù)測(cè)沉降趨勢(shì)及工后沉降，施工中必須對(duì)軟土路基進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。按照設(shè)計(jì)要求對(duì)填土速率、沉降變形、穩(wěn)定情況進(jìn)行觀測(cè)布置，同時(shí)根據(jù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)具體情況加以調(diào)整確保路堤穩(wěn)定安全，填筑后滿(mǎn)足工后沉降要求并能按期完成。軟土地區(qū)大面積地基處理開(kāi)工前進(jìn)行試驗(yàn)施工，根據(jù)試驗(yàn)取得資料進(jìn)行分析地基處理效果，掌握各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正并指導(dǎo)全線(xiàn)施工。

5.1 地面沉降－時(shí)間－荷載關(guān)系曲線(xiàn)

DK853+480 斷面地面沉降－時(shí)間－荷載關(guān)系曲線(xiàn)觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2 所示。

圖2 地面沉降－時(shí)間－荷載關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2 可以看出碎石樁復(fù)合路基沉降小于30 mm，填筑荷載完成后180 d 內(nèi)沉降基本穩(wěn)定。在路基填筑期間最大沉降速率小于10 mm/d 穩(wěn)定安全。

5.2 孔隙水壓力結(jié)果及分析

在碎石樁復(fù)合地基埋設(shè)孔隙水壓傳感器，深度分別為2、4、6 m，孔隙水壓力變化觀測(cè)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 孔隙水壓力變化曲線(xiàn)

圖3 可以看出隨填土荷載增加，土中孔隙水壓增加，填土間歇期間孔隙水壓消散、減小，再填土孔隙水壓再增加。當(dāng)填土到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)孔隙水壓逐漸消散、減小。

5.3 土壓力觀測(cè)結(jié)果及分析

在碎石樁復(fù)合地基墊層中埋設(shè)土壓力傳感器進(jìn)行土壓力變化觀測(cè)，土壓力加載曲線(xiàn)見(jiàn)圖4 所示。

圖4 土壓力加載曲線(xiàn)

從圖4 可以看出路基填筑完成后隨著土體固結(jié)，樁頭提供承載力逐步減小，樁間土提供承載力逐步增大，樁土應(yīng)力比隨土固結(jié)前期增大后期減小，樁土應(yīng)力比隨著荷載增大而逐漸減小.

6 結(jié) 語(yǔ)

碎石樁加固軟土路基是軟土處理常見(jiàn)方式，不僅可以有效消除路基液化，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)提高軟土路基承載力。碎石樁加固軟土路基施工前要做好施工準(zhǔn)備工作，編制科學(xué)合理的施工組織、質(zhì)量控制及進(jìn)度計(jì)劃，施工中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙及施工組織進(jìn)行，從施工人員、施工材料、施工機(jī)械、施工方法及施工環(huán)境等方面進(jìn)行控制，保證工程順利進(jìn)行。

［1］何頤華，王鐵宏，大直徑擴(kuò)底樁承載力及沉降變形的計(jì)算［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1993，(2):21－23.

［2］孫勇軍.碎石樁處理軟土地基的施工工藝研究［J］. 山西建筑，2007，33(8):130－131.

［3］曾根平.振沖碎石樁在砂土地基處理中的應(yīng)用及加固機(jī)理［J］. 山西建筑，2004，(10).