振沖碎石樁法加固軟弱地基技術(shù)應(yīng)用研究

摘 要：在公路工程施工的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到與地基加固有關(guān)的工程問(wèn)題。為了推廣交通建設(shè)中的振沖碎石樁法加固軟弱地基技術(shù)，本文根據(jù)近年來(lái)對(duì)碎石樁加固軟弱地基技術(shù)的應(yīng)用和研究，對(duì)其加固原理以及設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)等進(jìn)行全面的總結(jié)，以供參考。

關(guān)鍵詞：振沖碎石樁法；軟弱地基；施工

中圖分類(lèi)號(hào)：TV54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0100-03

Research on the Application of Vibro Replacement Stone

Column Method to Reinforce Soft Foundation

CHEN Rui

（Branch Office of Zheng-luo Section， Henan Zhongyuan Experssway Co.， Ltd.，

Xuchang Henan 461000）

Abstract： In the course of highway engineering construction， the engineering problems related to foundation reinforcement are often encountered. In order to popularize the vibro replacement stone pile method to reinforce soft foundation in traffic construction， based on the application and research of gravel pile strengthening soft foundation technology in recent years， the reinforcement principle， design， construction and detection were summarized in this paper.

Keywords： vibro replacement stone column；soft foundation；construction

1 振沖碎石樁法加固軟弱地基的原理

振沖碎石樁法加固砂類(lèi)土地基，主要是通過(guò)振沖器的強(qiáng)力震動(dòng)，迫使飽和砂層發(fā)生液化，砂顆粒重新緊密排列，孔隙減少。同時(shí)，依靠振沖器的水平動(dòng)力，在施加碎石填料的情況下，使砂類(lèi)土地基擠密，該方法又被稱為振沖擠密法[1]。對(duì)于黏性土地基而言，主要是通過(guò)振沖法置換部分軟土，加速地基土的排水固結(jié)，達(dá)到提高由碎石樁和樁間土構(gòu)成的復(fù)合地基承載力的目的，該方法又被稱為振沖置換樁[2]。

2 振沖碎石樁法加固軟弱地基的設(shè)計(jì)

2.1 一般設(shè)計(jì)原則

對(duì)于加固范圍、樁點(diǎn)布置形式及樁距、樁徑、樁長(zhǎng)、填料及施工質(zhì)量控制參數(shù)等設(shè)計(jì)遵循以下原則。

2.1.1 加固范圍。一般按結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)形式確定，如為獨(dú)立基礎(chǔ)，加固范圍一般不超出基地面積；若為條形基礎(chǔ)，可適當(dāng)超出基地面積；浮筏、板式、十字交叉或柔性基礎(chǔ)，一般按整個(gè)結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)外輪廓線范圍內(nèi)滿堂加固，并在此范圍外再加兩三排保護(hù)樁[3]。

2.1.2 樁點(diǎn)布置形式及間距。依基礎(chǔ)形式選定，獨(dú)立基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)宜選用正方形或矩形布置樁點(diǎn)；對(duì)于大面積滿堂加固的基礎(chǔ)，應(yīng)選擇等邊三角形布置樁點(diǎn)。樁點(diǎn)距一般為1.5～2.5m，具體確定時(shí)應(yīng)遵循荷載大、原地基土強(qiáng)度低的取小值的原則，特別是樁長(zhǎng)不能穿過(guò)軟弱土層時(shí)更應(yīng)取小值，否則取大值[4]。需要注意的是，當(dāng)加固區(qū)臨近有加固經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可參照已有經(jīng)驗(yàn)確定樁距，否則應(yīng)在施工前通過(guò)試樁確定最佳樁距。

2.1.3 樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)。樁長(zhǎng)是指基礎(chǔ)墊層以下的實(shí)際樁長(zhǎng)。應(yīng)依照巖土工程勘察報(bào)告，視軟弱土層的埋深、厚度及墊層底部標(biāo)高來(lái)確定。當(dāng)軟弱土層厚度較薄、埋深較淺時(shí)，樁長(zhǎng)應(yīng)穿過(guò)軟弱層，抵達(dá)下部相對(duì)較硬的持力層0.5～2.0m，最大樁長(zhǎng)不宜超過(guò)10.0m[5]。當(dāng)軟弱土層厚度較大，最大樁長(zhǎng)不能穿過(guò)軟弱層時(shí)，復(fù)合地基起墊層作用，樁長(zhǎng)不宜小于4.0m[6]。

2.1.4 填料與樁徑。按常用75kW振沖器的能量，填料（碎石）的粒徑不應(yīng)大于50mm，一般選擇20～40mm為宜。樁徑與振沖器直徑、地基土的類(lèi)型等有關(guān)，若使用直徑為500mm振沖錘，在硬塑的黏性土層制樁時(shí)，樁徑約600mm；在可塑、軟可塑黏性土段制樁時(shí)，樁徑達(dá)600～800mm；若在軟土或粉土段制樁，樁徑可達(dá)800～1 500mm[7]。同時(shí)，由于施工時(shí)振沖器下降的速度、水壓振密電流、留振時(shí)間不同，即使地基土的類(lèi)別、強(qiáng)度相近，其樁徑也會(huì)不同。為此，只能控制最小樁徑設(shè)計(jì)為≥600mm。

一般加固區(qū)總填料可按下式估算：

Q=[（n×h）×q]×k （1）

式（1）中，Q為總填料量（m3）；n為總樁根數(shù)；h為單樁長(zhǎng)度（自然地面算起，m）；q為按理論樁徑0.8m計(jì)算的每延長(zhǎng)米填料量（m3/m）；k為填料附加系數(shù)，一般取1.35。

2.1.5 試樁設(shè)計(jì)。在無(wú)設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)的場(chǎng)地做加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做試樁設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)內(nèi)容除進(jìn)行不同樁距的試制樁及效果檢驗(yàn)外，還應(yīng)對(duì)制樁工藝及最佳施工參數(shù)進(jìn)行選擇[8]。

2.2 碎石樁單樁與復(fù)合地基承載力計(jì)算

2.2.1 單樁極限承載力計(jì)算。碎石樁承載力的發(fā)揮主要是依靠周?chē)馏w提供的側(cè)向約束力，根據(jù)傳遞機(jī)理可將碎石樁視作一個(gè)三軸壓縮試驗(yàn)中的圓柱試樣，確定單樁承載力的方法可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是圓筒形孔腔擴(kuò)張理論，另一類(lèi)是被動(dòng)土壓力理論。本文采用被動(dòng)土壓力理論中Braums法計(jì)算碎石樁單樁極限承載力。

假設(shè)極限平衡區(qū)位于樁頂附近，滑面呈漏斗形，樁的破壞長(zhǎng)度h=2rotanδp（ro為樁的半徑）；τM=0，σQ=0；不計(jì)地基土和樁身自重。導(dǎo)出如下單樁極限承載力計(jì)算公式：

qfp=tan2δp×2Cu/sin2σ×[（tanδp/tanσ）+1] （2）

式（2）中，qfp為單樁極限承載力（kPa）；δp為碎石剪切角（°），δp=45°+φ/2；Cu為地基土不排水抗剪強(qiáng)度（kPa），可用十字板現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)取得；σ為滑動(dòng)面與水平面夾角（°），可按tanδp=0.5tanσ（tan2σ-1）計(jì)算取得。碎石樁的內(nèi)摩擦角一般取35°～40°，假定內(nèi)摩擦角φ=38°，用試算法求得σ=61°，qfp=20.8Cu。

2.2.2 復(fù)合地基容許承載力計(jì)算。復(fù)合地基在荷載作用下，應(yīng)力將向碎石集中，其平衡方程為：

σoAo=σPAP+σSAS （3）

式（3）中，σo為復(fù)合地基極限承載力（kPa）；σP為碎石樁單樁極限承載力（kPa）；σS為樁間土極限承載力（kPa）；Ao為加固單元面積（m2）；AP為碎石樁單樁斷面積（m2）；AS為加固單元面積中樁間土所占面積（m2）。

求得復(fù)合地基極限承載力后，再除以2.0～2.5的系數(shù)，即可作為最終復(fù)合地基容許承載力R值。

3 振沖碎石樁法加固軟弱地基的施工

振沖振沖碎石樁法施工過(guò)程主要涉及施工機(jī)具、試樁、施工準(zhǔn)備、碎石樁制作和施工質(zhì)量控制等方面。振沖法對(duì)中、粗砂和礫石地基采取不加填料就地振密的方法，對(duì)粉細(xì)砂或黏土地基則采用加碎石填料振密的方法制成碎石樁[9]。

3.1 制樁作業(yè)步驟

①吊起振沖錘對(duì)準(zhǔn)孔位，開(kāi)泵通水，啟動(dòng)振沖錘，并檢查振沖器空轉(zhuǎn)時(shí)電流是否正常；②成孔，即將振沖器以1～2m/min的速度下沉造孔，至預(yù)定深度；③沖孔，即當(dāng)振沖器下沉至加固深度以上0.3～0.5m處，應(yīng)停止振沖，水泵繼續(xù)給水沖孔，直至泥漿變稀達(dá)到能填料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為止；④填料制樁，即每次填料以堆積孔底1.0m左右厚為原則（0.3～0.5m3），寧少勿多。每填料一次振沖振密一次，此時(shí)水壓應(yīng)調(diào)小至200kPa左右，每次填料量、振密電流、振密時(shí)間和振密深度、厚度均要做好記錄[10]。

3.2 填料方式

目前國(guó)內(nèi)有3種填料方式：①把振沖器提出孔口填料，然后振密，再提出孔口、填料，再振密，依次循環(huán)直至制樁完成；②振沖器不提出孔口，在造孔完成后，只將振沖器向上提升1～2m，然后填料，再下降振沖器振密填料；③一邊振沖器緩慢提升，一邊在孔口向下投料[11]。對(duì)于黏土地基加固宜采用第一種方式，對(duì)于砂土宜采用第二種或第三種方式。

3.3 施工順序

對(duì)于一般黏性土、砂土地基的加固，宜采用由里向外或由一邊向另一邊推進(jìn)的施工順序；對(duì)于軟黏土地基，宜采用間隔跳打法；當(dāng)臨區(qū)有已建結(jié)構(gòu)物時(shí)，宜先打臨近結(jié)構(gòu)物一側(cè)的碎石樁，然后向另一側(cè)推進(jìn)。

3.4 施工質(zhì)量控制

對(duì)碎石樁施工質(zhì)量的控制，主要是對(duì)水、電、料三項(xiàng)因素的控制。其控制值應(yīng)因土質(zhì)的不同而異，一般以現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果確定。

3.4.1 水的控制。主要是控制水的壓力和水量。以在造孔、制樁中水應(yīng)始終充滿孔為原則；水壓在造孔時(shí)大，制樁時(shí)小，土強(qiáng)度高者大，土強(qiáng)度低者小等為原則加以控制[12]。

3.4.2 電的控制。主要指制樁振密時(shí)密實(shí)電流的控制，密實(shí)電流以空載時(shí)電流值10～15A為低限值，一般在樁低取低限值，向上逐漸增大，其值隨樁周?chē)馏w對(duì)填料的約束力大小而變化[13]。

3.4.3 填料的控制。按既定的填料方式填料，對(duì)每次的填料量和總填料量進(jìn)行控制。嚴(yán)格控制填料質(zhì)量，填料粒徑不能超過(guò)50mm，碎石采用新鮮巖石，不得有風(fēng)化巖，含土量應(yīng)小于10%等[14]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)隨之增多，優(yōu)良地質(zhì)地段隨之越來(lái)越少。在不良地質(zhì)地段，采用碎石擠密樁法加固處理工程中軟弱地基具有施工機(jī)具少、施工工藝簡(jiǎn)單、加固費(fèi)用低、工期短等一系列優(yōu)點(diǎn)，有利于廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)與民用建筑地基加固。但是，這種方法也有適用范圍，如果被加固土體的不排水抗剪強(qiáng)度低于19.6kPa，無(wú)法成樁，則不宜采用振沖碎石樁法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李合群.中國(guó)古建基礎(chǔ)木樁加固技術(shù)[J].科技通報(bào)，2017（3）：130-135.

[2]孫禎，上官萍，卓衛(wèi)東，等.抗震加固對(duì)簡(jiǎn)支舊橋地震易損性的影響[J].公路交通科技，2017（3）：87-93.

[3]張劍，葉見(jiàn)曙，王景全，等.預(yù)應(yīng)力混雜碳/玻璃（C/G）纖維布加固RC梁的應(yīng)力重分布[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2017（1）：45-52.

[4]陳彥江，錢(qián)亞運(yùn)，李洪泉，等.基于阻尼特性的RC簡(jiǎn)支梁橋損傷識(shí)別分析及試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊，2017（13）：208-213.

[5]崔東霞，林浩，李登華.固化溫度對(duì)橋梁加固用環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠性能的影響[J].中國(guó)膠粘劑，2017（4）：1-4.

[6]王菊，彭興民，張衛(wèi)軍.基于BIM的橋梁結(jié)構(gòu)加固與改造[J].公路工程，2017（2）：174-181.

[7]王威，張麗媛.軟弱地基處理方法[J].河南科技，2013（8）：143.

[8]王躍文.道路橋梁施工中的軟弱地基處理探討[J].河南科技，2013（5）：138.

[9]趙明華，何瑋茜，劉猛.基于圓孔擴(kuò)張理論的碎石樁承載力計(jì)算方法[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2017（3）：55-60.

[10]劉波，牛運(yùn)華，楊波.振沖置換法在長(zhǎng)江護(hù)岸地基處理中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展，2017（2）：78-81.

[11]賀成斌，趙明華，馬繽輝，等.格柵套筒加筋碎石樁復(fù)合地基沉降計(jì)算方法[J].水利水電科技進(jìn)展，2017（2）：88-94.

[12]閆超，劉松玉，鄧永鋒.一種基于強(qiáng)度折減法的剛性樁復(fù)合地基整體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法研究[J].巖土力學(xué)，2017（3）：875-882.

[13]馬露，王鈺軻，于敏，等.基于有效應(yīng)力法的單樁負(fù)摩阻力計(jì)算[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2017（1）：71-77.

[14]李煥煥，倪萬(wàn)魁，張延磊.基于抗滑樁內(nèi)力計(jì)算方法——“K”法的滑坡穩(wěn)定性預(yù)警判據(jù)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2017（1）：93-98.