高速公路碎石樁的檢測試驗原理及方法研究

趙龍

摘要：碎石樁復(fù)合地基是處理高速公路軟土工程的方案之一，而對于碎石樁地基承載力的檢測主要通過單樁極限承載力試驗檢測;獲得加固土密實情況數(shù)據(jù)則需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進行檢測;碎石樁樁體質(zhì)量評價指標(biāo)，則需要采用重型動力觸探試驗檢測密實度及樁體均勻性。本文以常安高速公路軟土地基處理工程為依托，主要研究碎石樁復(fù)合地基完工后，怎樣進行質(zhì)量檢測，評定已處理的軟土路基承載力等狀況，以確定是否能夠達到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：碎石樁復(fù)合地基;單樁極限承載力;標(biāo)準(zhǔn)貫入;重型動力觸探

軟土地基沉降量大、施工過程中固結(jié)時間較長，使其在高速公路建設(shè)中受到一定限制。碎石樁復(fù)合地基作為軟地基處理的一種，需要應(yīng)用碎石及砂等材料將軟土進行置換，利用樁的作用進行振動、擠密從而達到提高地基強度的目的。通過對碎石樁復(fù)合地基，單樁荷載進行現(xiàn)場檢測試驗，獲得樁、土和地基的強度特征，而總結(jié)碎石樁復(fù)合地基處理軟土地基的效果。本文的研究思路及結(jié)論，期望能為山區(qū)高速公路軟土路基的設(shè)計、施工提供借鑒。

1.碎石樁復(fù)合地基承載力和單樁極限承載力的關(guān)系

對軟土地基采用碎石樁進行處理，承載力將會得到大幅度提高。通過計算獲知承載力狀況，具體如下：碎石樁復(fù)合地基承載力由兩部分構(gòu)成，即碎石樁承載力和樁間土承載力，首先需要確定這兩部分承載力并進行疊加，承載力計算公式包括如下兩種：

1.1面積比公式分析

碎石樁復(fù)合地基極限承載力：

1.2應(yīng)力比公式分析

假定荷載作用下碎石樁與土之間的應(yīng)力比n，則可得：

2.單樁荷載現(xiàn)場試驗

2.1單樁載荷試驗原理及方法

（1）本次碎石樁單樁載荷試驗，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗規(guī)程中，關(guān)于復(fù)合地基載荷試驗要點進行。該試驗用于測定復(fù)合土層承載力和變形參數(shù)，需要在承壓板以下應(yīng)力范圍內(nèi)進行。在此過程中承壓板中心在垂直方向上應(yīng)該與碎石樁中心重合，承壓板面積與一根碎石樁處理面積相同。承壓板底面高度應(yīng)該等同于碎石樁頂高度，二者處于同一水平面。試坑尺寸三倍于承壓板尺寸，試驗基準(zhǔn)梁支點在其之外，這樣才能夠保證安全，使試驗不受干擾。試驗場地周邊要保證地基土的的原樣性，確保不擾動。

（2）本工程軟地基處理，采用碎石樁復(fù)合地基。設(shè)計數(shù)據(jù)：①、直徑0.4m;②、樁間距1.2m;③、復(fù)合地基設(shè)計承載力0.2MPa;對工程中復(fù)合地基進行單樁荷載試驗，要求圓形鋼板直徑1.26m，處理面積[3.14*（1.26/2）2=1.24㎡]，試驗反力來源于壓重平臺反力裝置，通過維持荷載法完成逐級加載直至結(jié)束，現(xiàn)場通過分級進行，直到荷載為零。

（3）本試驗荷載加載量，需要超過2倍設(shè)計壓力值，試驗時取值為496KN：單樁處理地基面積1.24㎡×200Kpa×2=496KN。

（4）試驗通過分級進行加荷，開始按2級加載到124KN，以后6級各加載62KN，共8級。

2.2試驗加載裝置方法

（1）見圖1反力裝置為試驗提供反力，讀數(shù)采用試驗用百分表進行讀取。

（2）平臺裝置要求：裝置必須能夠提供足夠反力，至少要超過最大加載1.2倍;進行檢測時已加足壓重并置于平臺之上，保證均勻穩(wěn)固。

（3）通過維持荷載方法進行加載，具體步驟如下：①、加載需要分級進行，通過8級達到最大荷載，首次二級;②、承載板沉降量需要進行多次測量，每次施加荷載后都需要進行，間隔時間為30min;③、相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)沉降量情況決定是否加載下一級荷載，如果一小時內(nèi)不超過0.1mm就可繼續(xù)進行;④、如果有下列情況發(fā)生需要考慮終止實驗：沉降量突然發(fā)生巨大變化，增加幅度較高，承壓板附近樁間土出現(xiàn)被擠出情況;沉降量雖然沒有突然增加但總和已超過直徑6%;加載超過496KN但仍未達到極限荷載;⑤、卸載同樣需要分級進行，根據(jù)最大荷載分5級，卸載過程中需要多次測量回彈量，每卸載一級都需要進行測讀，間隔時間為30min，并且在荷載為0后還需要測讀總回彈量，間隔時間三小時。

2.3承載力特征值確定

（1）利用壓力—沉降曲線：如果極限荷載值超過2倍對應(yīng)比例界限值，則復(fù)合地基承載力可取比例界限;如果在2倍以下取值為極限荷載值一半。

（2）如果壓力—沉降曲線平緩光滑，復(fù)合地基承載力特征值可按相對變形值確定：①、如以粘性土為主的地基，可取s/b或s/d等于0.015所對應(yīng)的壓力;②、如地基材料主要為沙土或粉土，可取s/b或s/d等于0.01所對應(yīng)的壓力;③、進行荷載試驗時可以用s表示承壓板沉降量;其寬度與直徑分別由b和d表示，當(dāng)其在2m以上時以2m計算。

（3）設(shè)定單樁靜載試驗點，總數(shù)要超過3點，測定各點數(shù)據(jù)并計算極值，如果在30%平均值以內(nèi)，則復(fù)合地基承載力特征值可取平均值。

2.4試驗結(jié)論分析

進行承載力檢測試驗需要在樁周土體充分固結(jié)后才能進行，碎石樁施工完成后至少一個月時間才能夠滿足條件，以常高速公路軟土地基處理碎石樁工程，典型斷面K25+210為例，見單樁載荷試驗數(shù)據(jù)表1：

其對應(yīng)的荷載沉降曲線如圖2：

通過碎石樁單樁載荷試驗，當(dāng)加載到480KN時測量復(fù)合地基總沉降量，結(jié)果為47.31mm～49.26mm，此時承壓板直徑1260mm，沉降量小于其6%（75.6mm），載荷-沉降關(guān)系曲線沒有陡降情況，不同級載荷時，沉降曲線光滑平坦，沒有明顯下彎情況發(fā)生。這種曲線標(biāo)明施加荷載的試驗點地基沒有進入極限狀態(tài)，尚存在一定承載能力。目前所參照的復(fù)合地基荷載試驗要點中規(guī)定，在該種情況下以末級荷載作為該處極限承載力。即496kN/1.24m2/2=0.2MPa，與S/b=0.015對應(yīng)荷載值，二者之中取小值。見表2碎石樁承載力檢測結(jié)論：

表2中列出8個試驗點地基承載力特征值，將各點極差與30%平均值（0.20MPa）相比都未超過后者水平，根據(jù)復(fù)合地基荷載試驗要點所示承載力特征值可以取平均值，為0.20MPa，檢測結(jié)果達到設(shè)計規(guī)范要求。

3.樁土應(yīng)力比試驗

在給予不同荷載時進行多次檢測，獲得樁土應(yīng)力比。通過埋設(shè)土壓力計觀測樁土應(yīng)力，埋設(shè)位置應(yīng)為樁頂及樁間土處，選擇碎石樁分為K25+205和K25+210兩處，測得不同荷載下的樁土應(yīng)力比并取平均值，用圖3進行表示：

當(dāng)給予荷載最初階段，荷載量逐漸加大同時樁土應(yīng)力也在增加，二者呈現(xiàn)正相關(guān);但當(dāng)荷載繼續(xù)增大到某值時，應(yīng)力局限于某一區(qū)域而呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，約維持在3.5-3.7之間，此時進行試驗驗證，樁土應(yīng)力比檢測值符合設(shè)計要求（設(shè)計要求值3.5）。這一規(guī)律體現(xiàn)在圖6中。由此說明該工程中碎石樁施工符合設(shè)計要求，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種方法對地基起到加固作用，地基承載能力明顯提高。

4.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

對地基土進行處理后，密實狀況發(fā)生改變，具體情況需要通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢測獲得。室內(nèi)土工試驗前需要進行鉆探取土，對處理過的土樣進行數(shù)據(jù)采集，共取土四層進行試驗，分別測得標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，取平均值，與處理前土樣平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)相比，結(jié)果顯示增大將近一倍，這一結(jié)果顯示應(yīng)用碎石樁可使土層密實度明顯增加，大大改善軟土基土密實狀況，檢測數(shù)據(jù)見表3：

5.重型動力觸探試驗

檢測碎石樁樁體密實度及均勻性需要應(yīng)用重型動力觸探試驗儀完成，經(jīng)檢測數(shù)據(jù)分析不同深度土層對于樁體側(cè)向圍固作用力大小存在差異，樁頂下6m層素填土范圍內(nèi)作用較小，與土層較淺及施工擾動有一定關(guān)系，此處標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的指標(biāo)N一般為5～10擊;而6m以下土層的動力觸探擊數(shù)大多在10～30擊，樁周土圍固力隨著土層深度加深而進一步加大，樁體密實度也隨之發(fā)生改變，呈現(xiàn)逐步增高趨勢。表4為碎石樁密實度評價表，體現(xiàn)出樁體均勻性及密實度狀況，由此不難看出樁體各項指標(biāo)符合設(shè)計要求。

6.結(jié)束語

（1）軟土地基處理是高速公路工程建設(shè)中質(zhì)量控制關(guān)鍵點，本文以此為目標(biāo)進行試驗總結(jié)，獲得檢測碎石樁單樁極限承載力的靜載試驗方法。

（2）本文以常安高速軟土地基處理工程為案例，對處理過的軟土地基進行單樁復(fù)合地基靜載試驗，結(jié)果顯示碎石樁復(fù)合地基可以有效提高承載力，滿足高速公路設(shè)計要求;同時檢測樁土應(yīng)力比，結(jié)果顯示碎石樁有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，進一步證實對原地基起到加固作用;對復(fù)合地基土層進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，對碎石樁樁體進行重型動力觸探試驗，測得樁周土體及樁體密實度，結(jié)果顯示滿足設(shè)計要求。

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