試論碎石樁技術(shù)在山區(qū)高速公路軟土地基的應(yīng)用

呂 鑫

（山西省振興公路監(jiān)理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在工程界，軟土沒有嚴(yán)格規(guī)范的定義，習(xí)慣上把具有下面特性的土質(zhì)稱為軟土：含水量較大、粒度較細(xì)、孔隙比大、塑性指數(shù)大、滲透系數(shù)小、固結(jié)速度慢、壓縮系數(shù)大、在荷載作用下容易產(chǎn)生較大變形。就公路建設(shè)而言，地基變形和承載力應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)要求。沒有滿足施工要求的土層都稱之為軟土。

本文論述的是碎石樁技術(shù)在山區(qū)高速公路軟土地基的應(yīng)用，在此著重介紹一下山區(qū)軟土路基的破壞形式。

在山區(qū)筑路，最常見的軟土地基一邊近山，另一邊臨河，山區(qū)氣候多變，雨水較多，地下水豐富，滑坡、泥石流等災(zāi)害多發(fā)。綜合以上特點(diǎn)，山區(qū)軟土地基的破壞形式主要有以下3種：

a）路基沉陷 由于排水不暢，路基土層水量飽和，路面荷載作用很容易引發(fā)路基沉陷，造成路面不均勻沉降。

b）剪切拉裂破壞 軟土地基一邊近山另一邊臨河，軟土地基在路面荷載作用下產(chǎn)生剪切效應(yīng)，容易向河道方向側(cè)滑。

c）坍塌滑動(dòng)破壞 軟土地基在水的剝蝕作用下，土體強(qiáng)度減小，路基容易坍塌滑動(dòng)。

1 碎石樁的綜合分析

碎石樁是利用振沖機(jī)具在軟基中成孔之后，將碎石擠進(jìn)土中而形成的大直徑密實(shí)樁體，碎石材料可以選用礫砂、粗砂、中砂、圓礫、角礫、卵石、建筑碎石等作為填充材料。

1.1 碎石樁施工方法

按照不同施工方法，碎石樁施工可分為振沖法、振動(dòng)擠密法、強(qiáng)夯置換法、沉管法。

振沖法是利用振沖器的高頻振動(dòng)以及高壓水流的作用，在軟土地基上形成一個(gè)孔，在孔內(nèi)填入碎石。

振動(dòng)擠密法是利用干法振沖器形成孔，減小土體空隙，同時(shí)在孔內(nèi)填入碎石。

強(qiáng)夯置換法是利用夯錘的重力擊打成孔，然后在孔內(nèi)填入碎石。

沉管法是采用沉管打樁機(jī)在軟土層打成孔洞，填入碎石形成碎石樁。沉管法由于具有定位精確、安全性好、便于操控等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

1.2 碎石樁的施工步驟

在工程施工中，碎石樁技術(shù)的應(yīng)用始終是半理論半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)。其應(yīng)用步驟主要有地基勘察、試驗(yàn)施工、正式施工、質(zhì)量檢測、鋪筑墊層等過程。

地基勘察是對(duì)軟土基現(xiàn)場做地質(zhì)勘查，然后依據(jù)技術(shù)指標(biāo)和成功案例對(duì)碎石樁進(jìn)行布局設(shè)計(jì)；試驗(yàn)施工是在選取的一些點(diǎn)位進(jìn)行試驗(yàn)性質(zhì)的施工，以獲取技術(shù)參數(shù)，完善碎石樁施工設(shè)計(jì)；正式施工是按照設(shè)計(jì)圖的要求認(rèn)真完成碎石樁；質(zhì)量檢測是在施工完成3～4個(gè)星期以后，對(duì)碎石樁進(jìn)行原位測試和單樁靜載試驗(yàn)，對(duì)不合格者必須做修補(bǔ)工作，直至完全合格；鋪筑墊層是在地表鋪設(shè)墊層，形成樁網(wǎng)，與嵌入碎石樁的土層共同形成復(fù)合地基。至此，軟土層地基變成了復(fù)合地基，承載力得到提升，破壞形式幾近消除。

1.3 碎石樁的加固作用

1.3.1 擠密作用

任何一種施工方法都很有可能橫向擠壓孔洞周邊的土層，對(duì)于土層本身的密實(shí)度進(jìn)行了增加，增大了彼此間的摩擦力。就路基的承載力而言，土體固結(jié)可以降低沉降機(jī)率，橫向擠壓力可以更好地抵消地層剪切力，有利于地基承載力的增強(qiáng)。

1.3.2 排水作用

一個(gè)個(gè)碎石樁猶如一口口豎井，樁體外面的土層被擠壓密實(shí)，類似井壁，土層中的地下水必然會(huì)流向吸水性能良好的碎石，阻斷了地下水的循環(huán)剪切作用。從成樁角度來講，碎石樁很有可能遭受劇烈振動(dòng)；受到填料帶來的影響，土體周邊很可能引發(fā)擠密效應(yīng)，引發(fā)地基整體土層受到預(yù)震作用，改變了預(yù)應(yīng)力，增強(qiáng)了固結(jié)能力。

1.3.3 置換作用

碎石樁的施工本質(zhì)目的就是把強(qiáng)度大、透水性高的碎石嵌入軟土層，替代相當(dāng)一部分的軟土。在按照施工設(shè)計(jì)要求完成復(fù)合地基之后，猶如許多石質(zhì)立柱與墊層結(jié)合在一起，即使碎石樁周圍土層強(qiáng)度可能有所下降，但是這種地下的“框架結(jié)構(gòu)”一樣能夠起到強(qiáng)有力的支撐作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在一定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，碎石樁復(fù)合地基承載力的增加值與碎石樁的置換率成正比。

1.3.4 加筋作用

在大載荷工程項(xiàng)目中，碎石樁往往被要求穿過軟土層直達(dá)基巖，此時(shí)，上部負(fù)載越大，碎石樁體的應(yīng)力集中現(xiàn)象就越明顯，周圍土體所受負(fù)荷就越小，反映到建筑物上，其沉降效應(yīng)也就越小。這種加固作用稱之為加筋作用。

1.3.5 墊層作用

墊層與碎石樁樁體在地表的部分進(jìn)行緊密連接，形成穩(wěn)固的樁土層。樁土層可以有效地?cái)U(kuò)散應(yīng)力，有效減小沉降的不均勻變化，達(dá)到提高路基承載力的作用。

2 具體的技術(shù)運(yùn)用

2.1 勘察現(xiàn)場地基

該高速公路項(xiàng)目位于山西省境內(nèi)，路基屬于軟土地基，在這其中包含了粉質(zhì)黏土、碎石土以及淤泥土等。具體來講，粉質(zhì)黏土包含了較厚的灰黃色土層，上層應(yīng)當(dāng)屬于耕土并且包含植物根莖。淤泥質(zhì)土整體上呈現(xiàn)黑色、灰綠色與灰色，其中較大比例為粉砂巖或者風(fēng)化性較強(qiáng)的泥巖。此外，碎石土包含了鈣質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖等，其中多半的碎石土都表現(xiàn)為松散狀態(tài)，水分飽和度相對(duì)較大。粉質(zhì)黏土含有碎石，大體占據(jù)了40%左右的比例，整體上可達(dá)10 m的土層厚度。

經(jīng)過勘探可知，現(xiàn)場巖層整體上具有較大的硬度，完整性也相對(duì)較好。從鉆探進(jìn)程來看，可以將其分成中等風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化的巖層類型。其中，強(qiáng)風(fēng)化巖層本身呈現(xiàn)灰黃色與灰白色的色彩；經(jīng)過較長時(shí)期的溶蝕作用，很多巖體都已經(jīng)碎裂。相比而言，中等風(fēng)化巖整體上仍保留了完整性，巖層質(zhì)地堅(jiān)硬且十分新鮮。在完成鉆孔取樣的基礎(chǔ)上，觀察可見局部性的巖層表現(xiàn)為溶蝕現(xiàn)象，然而巖層整體仍然十分穩(wěn)定。此外，施工現(xiàn)場還含有較多軟土以及淤泥黏土，其中的軟土具有較大的孔隙比與較高含水量，同時(shí)又表現(xiàn)為較低的滲透性。因此可見，淤泥質(zhì)的黏土很可能影響到后續(xù)進(jìn)行的高速路建設(shè)。

比較碎石樁的適用性，綜合考慮工程施工的進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)性，決定采用碎石樁技術(shù)對(duì)該路段進(jìn)行軟基處理的措施，選擇沉管法作為最基本的施工流程。

2.2 前期的施工試驗(yàn)

a）施工放樣，清理并平整場地，在作業(yè)路段鋪設(shè)20～30 cm的碎石墊層。樁機(jī)就位，校正樁管垂直度小于等于1.5%，校正樁管長度符合設(shè)計(jì)樁長。

b）在碎石樁機(jī)架上標(biāo)出沉管長度刻度。

c）用振動(dòng)成樁機(jī)將樁管邊振動(dòng)邊沉入土層，沉入速度控制在2～3 m/min，直至設(shè)計(jì)深度，稍向上提樁管，使樁管下端的活瓣樁尖打開，樁管及樁尖外壁的真空破壞，這樣可以減少起拔摩阻力。

d）停止振動(dòng)，立即往管內(nèi)裝入碎石，按設(shè)計(jì)算好的投石量裝入碎石。起震拔管，為了使樁管內(nèi)碎石密實(shí)，在拔管前先留震1 min，邊振動(dòng)邊勻速拔管，拔管速度控制為1～1.2 m/min，為使擠出拔管下端的碎石更加密實(shí)，每提升1 m留震20～30 min。

e）根據(jù)單樁設(shè)計(jì)碎石用量確定第一次投料的成樁長度（約為樁管長度一半）。進(jìn)行多次反插直至樁管內(nèi)碎石全部投出。

f）再次投料，直至灌滿，啟動(dòng)拔管，并進(jìn)行多次反插至管內(nèi)碎石全部投出，反插深度應(yīng)小于樁管長度，每提升1 m反插0.3～0.5 m，留震10～20 min。

g）提升樁管高于地面停止振動(dòng)，進(jìn)行孔口投料至地表，啟動(dòng)反插并及時(shí)進(jìn)行孔口補(bǔ)料至樁碎石料全部投完為止，在孔口加壓，保證孔口碎石料的密實(shí)。

h）加料時(shí)應(yīng)停機(jī)加料，并注意提升速度，防止因提升過高而出現(xiàn)端樁或縮頸現(xiàn)象，計(jì)算好每次投石量，控制每次投石量在導(dǎo)管內(nèi)堆高應(yīng)小于1.5 m，成樁高度小于34 cm。

i）樁孔內(nèi)的碎石量應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，計(jì)算結(jié)果按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以系數(shù)1.15確定。每米碎石投量按照大于等于0.225 m3/m控制。

j）標(biāo)定出裝料的裝載機(jī)每斗的用量，每斗裝碎石在 0.25～0.28 m3。

k）碎石樁樁長應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)長度施工，當(dāng)進(jìn)尺困難且電機(jī)電流為空載電流2倍或?qū)⑹┕ぜ芏啻雾斊饡r(shí)，可認(rèn)為已到硬土層。

路基采用整體式斷面型式，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為24.5 m，其組成為：2×3.75 m行車道＋2×2.75 m硬路肩+2×0.75 m土路肩+2×0.5 m左側(cè)路緣帶+1.5 m中央分隔帶。本段采用沉管碎石樁處治，沉管碎石樁的直徑為40 cm，間距120 cm，現(xiàn)場整體布置為三角形結(jié)構(gòu)。圖1為碎石樁的大體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 碎石樁分布示意圖（單位：cm）

在布置碎石樁的具體操作中，確保碎石樁整體上形成了完整的平面三角形，碎石樁的樁間距為1.2 m，直徑為40 cm，在持力層或者基巖的位置上布置碎石樁。在布置填料的過程中，具體選擇了軋制碎石與未經(jīng)風(fēng)化的礫石作為施工材料，確保控制于40 mm以內(nèi)的最大粒徑。在布置樁基的操作中，應(yīng)當(dāng)建立雙排的碎石樁，必要時(shí)還可以運(yùn)用特定的補(bǔ)救措施。樁頂部鋪設(shè)40 cm厚、公稱最大粒徑20 mm的滿鋪級(jí)配碎石褥墊層。

2.3 正式施工

沉管法屬于干法施工，需要使用的工程機(jī)械主要包括：振動(dòng)打樁機(jī)、起重機(jī)、翻斗車、空壓機(jī)等。

2.3.1 沉管法具體流程

a）對(duì)于樁基位置進(jìn)行確定。

b）開啟打樁機(jī)，把振動(dòng)套管逐漸打入設(shè)計(jì)深度。

c）向套管內(nèi)腔投入一定量的碎石，然后套管進(jìn)行緩慢拉出，確保軟土與碎石能夠結(jié)合在一起。

d）在土層內(nèi)部打入套管，然后緩慢拔出，再次投放碎石。

e）對(duì)于上述步驟進(jìn)行重復(fù)，直到擠密樁形成。

2.3.2 施工中注意事項(xiàng)

a）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，一旦樁身局部地層條件不符合設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)立即反饋并協(xié)同設(shè)計(jì)單位進(jìn)行調(diào)整。

b）嚴(yán)格控制施工誤差，保證樁體施工誤差在技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

2.4 質(zhì)量檢驗(yàn)

碎石樁施工結(jié)束后，一般需要靜候3～4個(gè)星期，這段時(shí)間是碎石樁周圍土體固結(jié)時(shí)間，必須待土體固結(jié)后方可開始質(zhì)量檢驗(yàn)工作。表1為質(zhì)量檢驗(yàn)的具體標(biāo)準(zhǔn)。

表1 碎石樁質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

由于高速公路對(duì)地基承載力的要求是非常高的，因此，必須使用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)儀對(duì)碎石樁樁身密實(shí)度做檢查，還應(yīng)該使用輕便觸探法檢查樁間土的擠密質(zhì)量。對(duì)于表1中不符合標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，必須采取補(bǔ)救措施，否則不能進(jìn)行下一施工步驟。

2.5 鋪筑墊層

待碎石樁質(zhì)量完全達(dá)標(biāo)之后，就可以開始鋪筑墊層。在該施工場地，按照施工設(shè)計(jì)，將墊層分作兩層完成鋪設(shè)，每層20 cm，底層采用靜力碾壓平整，上層采用振動(dòng)碾壓。技術(shù)指標(biāo)為：墊層寬度超出碎石樁外圍邊緣40 cm，按1∶1放坡；壓實(shí)度為95%，檢測頻率為1點(diǎn)/2000 m2。為保證施工質(zhì)量，設(shè)立質(zhì)量觀測站以確保檢測驗(yàn)收。

3 結(jié)論

本文對(duì)碎石樁的加固機(jī)理、形成、設(shè)計(jì)等進(jìn)行了較為全面的分析，并結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，探討了碎石樁施工與質(zhì)量檢測?？梢钥闯?，碎石樁技術(shù)對(duì)于提升山區(qū)高速公路軟土地基的承載力具有顯著的效果。同時(shí)，碎石樁技術(shù)的應(yīng)用不能一成不變，必須理論緊密聯(lián)系實(shí)際，嚴(yán)格遵守施工工藝，靈活觀察并處理突發(fā)情況。只有這樣，才能夠把工程質(zhì)量控制在允許的誤差之內(nèi)，才能夠保證山區(qū)高速公路建設(shè)質(zhì)量。