振沖碎石樁在軟基處理中的應(yīng)用

李慶賀

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

目前對(duì)于軟土地基處理的方法主要有直接換填、化學(xué)加固、樁基礎(chǔ)擠密[1]等。碎石樁通過振沖擠密、排水減壓、預(yù)先振動(dòng)這3種作用可以使土體更加密實(shí)，降低含水量從而提高軟基強(qiáng)度。考慮到工程經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，振沖碎石樁由于其具有較好的處理效果、經(jīng)濟(jì)適用、且施工時(shí)間較短得到較多工程應(yīng)用，因此本文采用振沖碎石樁對(duì)山西某高速公路所經(jīng)某路段軟基進(jìn)行處理。

1 工程概況

某高速公路在K34+200—K34+312路段所經(jīng)地基為軟土層，根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于軟土評(píng)判指標(biāo)（見表1），該路段軟土層由上往下分別為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布于路基表面至往下1 m深處，顏色呈現(xiàn)黑褐色，根據(jù)含水量測(cè)得其為軟塑狀態(tài)；粉質(zhì)黏土，分布于地下1～6 m處，呈現(xiàn)黑色，軟塑，且具有腥臭味；粉土，分布于地下6～8 m處，灰色，流塑狀態(tài)；粉質(zhì)黏土，分布于地面以下8～12 m處，呈現(xiàn)灰色，流塑狀態(tài)。各土層物理指標(biāo)見表2。該路段軟土地基測(cè)得承載力74 kPa，不滿足設(shè)計(jì)所要求的160 kPa，采用振沖碎石樁對(duì)軟基進(jìn)行處理，使其承載力、工后沉降滿足要求。

表1 軟土判斷指標(biāo)

表2 各土層物理指標(biāo)

2 單樁荷載試驗(yàn)

2.1 碎石樁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方案

根據(jù)施工方案決定采用振沖碎石樁來處理軟土地基，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察確定采用10 m的樁長，現(xiàn)場(chǎng)采用的振沖施工器械為75 kW型，經(jīng)過查閱資料并參考一些成功處理的同類軟土地基工程，采用直徑為1.1 m的碎石樁，樁距為1.7 m，各樁采用等邊三角形進(jìn)行排列[2]，填樁所用集料需要使用含泥量低于5%的碎石，且粒徑范圍為40～150 mm，在樁頂需要預(yù)鋪一定厚度的碎石墊層，具體見圖1。

圖1 三角形布樁樣式（單位：cm）

在碎石樁成型后，需要采用單樁荷載試驗(yàn)對(duì)碎石樁復(fù)合地基抽樣點(diǎn)檢驗(yàn)復(fù)合承載力，再測(cè)量樁土應(yīng)力比看是否在合理范圍2～4內(nèi)，再通過動(dòng)力觸探對(duì)土的密實(shí)性進(jìn)行檢驗(yàn)，將試驗(yàn)值與設(shè)計(jì)值相比較，檢驗(yàn)其是否滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

2.2 單樁承載力試驗(yàn)

對(duì)于復(fù)合地基承載力的測(cè)算，一般需要考慮樁的承載力與樁間土的承載力兩者共同作用，通常分別通過對(duì)碎石樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)樁間土承載力進(jìn)行檢測(cè)，兩者經(jīng)過數(shù)學(xué)算式疊加而表征復(fù)合地基承載力。

本文對(duì)復(fù)合地基承載力進(jìn)行測(cè)算所使用的方法為單樁荷載試驗(yàn)，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，承載板所用面積與單樁置換土面積大小一致，單樁處理面積為（1.05×1.5）2÷4×π=1.94 m2，所以承載板使用1.6 m直徑的圓形承載板，承載板中心與所測(cè)樁中心對(duì)應(yīng)，進(jìn)行逐級(jí)加載，且試驗(yàn)最大加載量不小于地基設(shè)計(jì)承載力所對(duì)應(yīng)的壓力的2倍，根據(jù)地基設(shè)計(jì)承載力所計(jì)算出試驗(yàn)最大加載量為160 kPa×1.94 m2×2=620.8 kN取620 kN，最大加載量分為8級(jí)7次加載，每級(jí)為77.5 kN，首次加2級(jí)155 kN后6次按每級(jí)77.5 kN加入，加載后觀察沉降量，卸載分5次卸載，每次卸載觀察回彈量。將數(shù)據(jù)記錄于表3；圖2為沉降曲線。

表3 單樁荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 沉降曲線

根據(jù)表3可知，當(dāng)荷載加到最大加荷量時(shí)，最大變形達(dá)到59.57 mm，小于承載板直徑的6%（1 600×6%=96 mm），且現(xiàn)在試驗(yàn)過程中樁間土無凸起現(xiàn)象。根據(jù)沉降曲線可知，在加載過程中變形量無急劇變化，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用。同時(shí)可以看出，沉降曲線的斜率變化率小，說明該試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合路基承載力還未達(dá)到破壞點(diǎn)。因此根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79—2012試驗(yàn)要點(diǎn)可知[4]，由于復(fù)合地基在加載過程中未達(dá)到極限，因此地基承載力特征值取s/d=0.010（s為沉降量、d為承載板直徑）所對(duì)應(yīng)的壓力。通過類似10個(gè)試點(diǎn)計(jì)算地基承載力，計(jì)算結(jié)果見表4。若每個(gè)試點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果滿足極差不超過平均值的30%，則復(fù)合地基承載力取各試點(diǎn)平均值。

表4 各試點(diǎn)承載力測(cè)算結(jié)果

從表4可知，各點(diǎn)所測(cè)算結(jié)果皆為超過平均值的30%，所以該路段復(fù)合地基承載力取各點(diǎn)綜合平均值 0.183 MPa，超過設(shè)計(jì)所要求地基承載力0.16 MPa，因此復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比的大小也是評(píng)價(jià)振沖碎石樁要點(diǎn)之一，樁土應(yīng)力比表征碎石樁分擔(dān)土體承載力的大小。樁土應(yīng)力比過大，將導(dǎo)致樁承載力過高，未充分利用樁間土承載力，導(dǎo)致工程浪費(fèi)；反之，樁土應(yīng)力比過小，則容易使樁承載力不能滿足要求或工后沉降過高。因此，在進(jìn)行單樁荷載試驗(yàn)時(shí)，可在樁體與樁間土體中埋入測(cè)力計(jì)，測(cè)出應(yīng)力比數(shù)據(jù)，繪制成曲線圖，見圖3。

圖3 應(yīng)力比變化趨勢(shì)圖

根據(jù)圖3可知，當(dāng)荷載增長到一定程度后，樁土應(yīng)力比變化趨勢(shì)趨于平緩，各樁點(diǎn)在250 kN后應(yīng)力比在3.2～3.6之間波動(dòng)，這與設(shè)計(jì)值3.5接近，因此檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

碎石樁與樁間土的密實(shí)度可用動(dòng)力觸探試驗(yàn)來測(cè)定，對(duì)于樁間土，本文使用N10的輕型觸探試驗(yàn)對(duì)比打入碎石樁后的土體密實(shí)度變化，再通過重型觸探試驗(yàn)與超重型觸探試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)路段任意取3點(diǎn)進(jìn)行碎石樁與樁間土的密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，具體錘擊次數(shù)與深度關(guān)系見圖4～圖6。

圖4 輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)比圖

圖5 樁間土重型錘擊試驗(yàn)結(jié)果

圖6 超重型觸探試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4可知，在振沖碎石樁處理后樁間土錘擊數(shù)在80～100波動(dòng)，而原地基土的擊數(shù)20～30相比較，可以看出振沖碎石樁處理后的地基的抵抗外力荷載壓入變形的能力有很大的提升，這是由于振沖碎石樁對(duì)軟土地基的擠密與排水作用等。

根據(jù)圖5可知，圖5樁間土所取3個(gè)點(diǎn)在地表下0～6 m深度N63.5錘擊數(shù)在5～11波動(dòng)。

圖6中，其N120錘擊數(shù)在3～7波動(dòng)。因此，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021—2009中動(dòng)力觸探試驗(yàn)[5]評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可知，樁間土與碎石樁密實(shí)效果好。

4 結(jié)論

本文采用振沖碎石樁對(duì)軟基進(jìn)行處理，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

a）通過現(xiàn)場(chǎng)單樁荷載試驗(yàn)對(duì)振沖碎石樁復(fù)合地基進(jìn)行承載力檢測(cè)，經(jīng)計(jì)算所測(cè)得復(fù)合地基承載力為0.183 MPa大于設(shè)計(jì)值所要求的0.16 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

b）通過單樁荷載試驗(yàn)對(duì)樁土應(yīng)力比進(jìn)行測(cè)試得知，隨著荷載的不斷提升，樁土應(yīng)力比穩(wěn)定在3.2～3.6之間，與設(shè)計(jì)值3.5相近，碎石樁處理后的復(fù)合地基中，碎石樁具有一定的承載力，樁土應(yīng)力比合理且滿足設(shè)計(jì)要求。

c）通過輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)原土與處理后的樁間土密實(shí)度進(jìn)行對(duì)比表明，碎石樁對(duì)軟基處理后從擊實(shí)次數(shù)可以看出抗壓入變形能力明顯高于未處理的原土。

d）根據(jù)樁間土與碎石樁的動(dòng)力觸探試驗(yàn)可知，樁間土與碎石樁的密實(shí)度良好。