公路振沖碎石樁地基加固施工技術(shù)研究

稅偉

（邢臺(tái)路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 邢臺(tái) 054001）

0 引言

在公路工程路基建設(shè)過(guò)程中，會(huì)遇到軟土地基的問(wèn)題，而軟基普遍具有含水量高、強(qiáng)度低、易受擾動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)路基的正常建設(shè)造成了一定的困難，不僅增加了施工難度，還增加了施工成本。為有效解決軟基問(wèn)題，施工單位需要加強(qiáng)對(duì)振沖碎石樁技術(shù)的研究，此技術(shù)可有效提高軟土地基的承載力和穩(wěn)定性，并減少不均勻沉降，且該技術(shù)施工成本較低，對(duì)公路建設(shè)具有重要意義。

1 工程概況

某高速公路工程合同第5標(biāo)段，起止樁號(hào)為K65+126.03—K65+531.43。工程所在地附近為山前沖積、洪積平原地帶，其地形條件單一，經(jīng)前期勘察人員對(duì)地基調(diào)查結(jié)果得知，該工程地基中的沉積物以沖積形成的低液限粉土及低液限黏土為主，此類(lèi)土質(zhì)具有一定的液化趨勢(shì)，承載力低，且抗剪強(qiáng)度差，不可直接開(kāi)展路基建設(shè)，同時(shí)該區(qū)域地下水位埋深淺，對(duì)地基影響較大，因此，為保證路基的建設(shè)質(zhì)量，根據(jù)工程地質(zhì)情況，經(jīng)多方研究，決定采取振沖碎石樁技術(shù)對(duì)地基進(jìn)行加固處理。

2 振沖碎石樁地基加固施工技術(shù)

2.1 振沖碎石樁施工原理

（1）振沖碎石樁施工技術(shù)主要是采用一種能產(chǎn)生水平振動(dòng)的機(jī)械設(shè)備，先通過(guò)機(jī)械的垂直振動(dòng)作用，以高壓水流邊振邊沖或干法振沖的形式在軟基區(qū)域成孔，然后再向孔內(nèi)分批放入碎石材料，并利用振沖的方式使孔內(nèi)的碎石振密成樁，最終與周?chē)ば酝列纬尚碌膹?fù)合地基。由于碎石在孔內(nèi)的擠壓作用，其周?chē)馏w中的水分、空氣會(huì)受到擠壓，當(dāng)形成復(fù)合地基后，軟基內(nèi)會(huì)形成整體，共同承受外部的荷載，從而實(shí)現(xiàn)軟基加固。

（2）從地基加固機(jī)理的角度出發(fā)，振沖碎石樁的工作可以起到擠密和置換兩種作用，當(dāng)軟基中的土體為飽和黏性土?xí)r，主要加固機(jī)理為置換，其主要置換的是飽和黏性土中的水分，通過(guò)碎石將水分置換出來(lái)，最終達(dá)到加固的目的[1]；當(dāng)軟基中的土體為砂性土?xí)r，主要加固機(jī)理為擠密，通過(guò)碎石樁中碎石材料之間的擠壓力使砂性土的密度增加，最終實(shí)現(xiàn)加固的目的；當(dāng)軟基中土體為非飽和黏性土?xí)r，其加固機(jī)理為擠密和置換共同作用，既能置換其中的水分，又能增加土體的密度，無(wú)論上述哪種軟基類(lèi)型，采用振沖碎石樁技術(shù)均可以使軟基的承載力及穩(wěn)定性得到提升。

2.2 振沖碎石樁設(shè)計(jì)

2.2.1 樁長(zhǎng)及樁徑

施工前要對(duì)碎石樁的樁長(zhǎng)、樁徑合理設(shè)計(jì)，碎石樁的樁長(zhǎng)主要取決于軟基的深度，樁體的長(zhǎng)度需保證可以達(dá)到地基的持力層，以提高地基的穩(wěn)固性。碎石樁的樁徑主要取決于軟基的土質(zhì)因素，軟基土的黏性越大，則碎石樁的樁徑就越大，反之則越小。根據(jù)工程的實(shí)際情況，本次施工碎石樁的樁徑設(shè)計(jì)為0.5m，樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)為8～10m。

2.2.2 樁體布置及間距

振沖碎石樁的布置形式及樁體間距對(duì)軟土地基加固效果影響較大，目前碎石樁加固技術(shù)常用的布樁形式可分為3種，不同形式下樁體的間距計(jì)算方式也不同。第一種形式為等邊三角形布樁，其樁間距修正系數(shù)為0.95d；第二種為正方形布樁，其樁間距修正系數(shù)為0.89d；第三種布樁形式為梅花形布樁，其樁間距修正系數(shù)為0.92d。根據(jù)工程路基的寬度、長(zhǎng)度等參數(shù)，為確保碎石樁處理效果，本次施工擬采取梅花形布樁方式，各個(gè)樁體之間的距離為1.2m[2]。

2.2.3 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）振沖碎石樁在成孔過(guò)程中主要采取機(jī)械作業(yè)的方式，為確保樁體的施工安全和質(zhì)量，在施工前需要對(duì)施工相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體參數(shù)主要包含3組，分別為造孔電流與造孔水壓、加密電流和加密水壓以及留振時(shí)間，其中造孔電流與造孔水壓參數(shù)的大小主要與軟基土層的硬度、振沖功能的大小有關(guān)，軟基土的硬度越大，則造孔電流與造孔水壓參數(shù)就越大。根據(jù)工程實(shí)際情況，本次施工中振沖機(jī)械的造孔電流控制在50～60A，造孔水壓控制在400～600kPa，當(dāng)土層硬度增加時(shí)，選擇較大的參數(shù)值。

（2）加密電流和加密水壓是指碎石樁施工中加密碎石時(shí)采取的電流和電壓大小，一般情況下其加密電流控制在45～60A，加密水壓控制在400～600kPa。留振時(shí)間是指機(jī)械擠密碎石材料的時(shí)間，這是控制碎石樁密度的終壓參數(shù)，其留振時(shí)間越長(zhǎng)，碎石樁的密度就越大，直至達(dá)到穩(wěn)定值。依據(jù)工程的實(shí)際情況，以及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—91）中的要求，本次碎石樁施工留振時(shí)間控制在30～50s之間[3]。

2.2.4 樁體材料配比

碎石樁加固效果主要取決于碎石材料的大小及用量，考慮到軟基的實(shí)際情況，本次向樁體內(nèi)投放的碎石材料主要分為3個(gè)等級(jí)，分別為70mm以上的大粒徑碎石、30～70mm的中粒徑碎石以及30mm以下的小粒徑碎石。對(duì)工程所在地現(xiàn)有的碎石材料進(jìn)行分析，其中主要以30～70mm的粒徑碎石材料居多，因此，中粒徑碎石從施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采。針對(duì)大粒徑碎石和小粒徑碎石通過(guò)采購(gòu)的方式獲取，向樁體內(nèi)填筑碎石時(shí)通過(guò)大粒徑∶中粒徑∶小粒徑=1∶3∶1的配比開(kāi)展填充作業(yè)。

2.3 振沖碎石樁施工流程

2.3.1 選擇振沖器

振沖碎石樁施工主要依靠機(jī)械作業(yè)，施工前先要選擇振沖器，目前常用的振沖器按功率大小可分為30kW和75kW兩種振沖器。其功率越高成樁后對(duì)周?chē)馏w的影響就越大，且成樁數(shù)量較少能有效節(jié)省施工造價(jià)，但大功率的振沖器對(duì)施工要求更為嚴(yán)苛，對(duì)操作人員技術(shù)水平要求更高，因此，結(jié)合工程實(shí)際情況本次施工選擇功率為30kW的振沖器，每臺(tái)機(jī)械安排有2名操作人員以及4名普通施工人員進(jìn)行作業(yè)。

2.3.2 布置施工場(chǎng)地

正式開(kāi)始振沖碎石樁施工前，施工單位應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的面積大小、工期長(zhǎng)短以及氣候條件對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理。

（1）要保障場(chǎng)地內(nèi)有足夠壓力的水供應(yīng)施工，水量應(yīng)保持在20～30m3/h，水壓控制在40～60kPa；

（2）保障場(chǎng)地內(nèi)的照明條件以及機(jī)械的運(yùn)作，需要設(shè)置備用電源，從而保障機(jī)械的正常運(yùn)行；

（3）場(chǎng)地內(nèi)修筑施工便道，方便機(jī)械入場(chǎng)、材料運(yùn)輸?shù)裙ぷ鞯拈_(kāi)展；

（4）對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行簡(jiǎn)易處理，將場(chǎng)地內(nèi)存在的障礙物、垃圾清除干凈，并依據(jù)施工要求開(kāi)展放樣工作[4]。

2.3.3 成孔

上述準(zhǔn)備完成后開(kāi)始碎石樁成孔作業(yè)。首先將準(zhǔn)備好的振沖器運(yùn)輸?shù)轿唬⑴c設(shè)計(jì)的樁位對(duì)準(zhǔn)，然后檢查機(jī)械的各項(xiàng)性能，接通相關(guān)電路，最后按照設(shè)計(jì)的參數(shù)要求施工。當(dāng)振沖器向下沉入時(shí)，周邊要安排施工人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將振沖器的下沉速度控制在1～2m/s，如檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在參數(shù)超出或低于設(shè)計(jì)的參數(shù)，則應(yīng)立即采取針對(duì)性的措施，減緩會(huì)增加振沖機(jī)的下沉速度，當(dāng)振沖器下沉深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度的30～50cm后，方可將振沖器提起，提升速度控制在5～6m/s。此外，在成孔過(guò)程中，包括電流大小、電壓大小、下沉速度、時(shí)間等所有參數(shù)均要詳細(xì)記錄[5]。

2.3.4 清孔

按照上述的操作流程重復(fù)1～2遍后，即表示沖孔完成，此時(shí)需要安排人員對(duì)成孔的效果進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)項(xiàng)目包括孔深、孔徑、垂直度偏差等。如經(jīng)檢測(cè)成孔質(zhì)量不合格，則施工人員需要返工處理，必要時(shí)應(yīng)重新成孔施工，如經(jīng)檢測(cè)成孔質(zhì)量合格，則要利用水循環(huán)的方式進(jìn)行清孔。先將孔內(nèi)的泥漿變稀，然后持續(xù)此過(guò)程1～2min，待孔內(nèi)清理完成后將振沖器取出，進(jìn)行下一步工序。

2.3.5 制樁

（1）制樁是碎石樁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，此階段的主要工作是向孔內(nèi)填充碎石材料，并使碎石在振沖器的作用下實(shí)現(xiàn)加固周?chē)馏w的效果。向樁體中填充碎石材料可分3次進(jìn)行，第一次填充碎石材料的用量控制在0.5m3，當(dāng)碎石按配比填充完成后放入振沖器，從孔口位置振入孔底，振沖器的作業(yè)參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)完成振沖后再向孔內(nèi)進(jìn)行第二次填料。第二次填料的用量控制在0.5～1.0m3，碎石材料填充后再依據(jù)第一次振密方式作業(yè)，然后再進(jìn)行第三次填料，直至碎石樁成型[6]。

（2）在碎石樁內(nèi)不斷填料振密的過(guò)程中，樁內(nèi)的碎石會(huì)在振沖器的作用下逐漸向周?chē)馏w中擠入，當(dāng)周?chē)妆谕羶?nèi)存在的約束力與振沖形成的振動(dòng)力一致后，則樁體周?chē)鷧^(qū)域穩(wěn)定，此時(shí)表示周?chē)馏w達(dá)到加固的效果，可將振沖器關(guān)閉，并向下一根碎石樁移動(dòng)施工。在全部成樁初期不宜直接進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間應(yīng)在成樁半個(gè)月或一個(gè)月后，以避免對(duì)樁體造成破壞，影響地基加固的效果。

2.4 施工注意事項(xiàng)

2.4.1 試樁作業(yè)

振沖碎石樁施工中涉及的參數(shù)眾多，為確保正式施工中碎石樁的加固效果，在正式施工前，應(yīng)按照相關(guān)施工規(guī)范要求、設(shè)計(jì)的施工參數(shù)、施工流程等進(jìn)行試樁。其主要目的有兩點(diǎn)，其一是對(duì)施工前設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)、施工方案等進(jìn)行驗(yàn)證，如設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際施工存在沖突、差異，則施工單位可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；其二是通過(guò)試樁的方式確定施工中的具體參數(shù)，同時(shí)增加施工人員的經(jīng)驗(yàn)，從而保證在后續(xù)正式施工中可以有計(jì)劃、有安排地開(kāi)展工作，最終保證碎石樁的加固效果。

2.4.2 成孔過(guò)程

由于軟基下的土體結(jié)構(gòu)無(wú)法直接觀(guān)察獲取，均要利用相關(guān)的機(jī)械設(shè)備勘探、掃描，其勘探到的地質(zhì)結(jié)果及情況與實(shí)際情況可能存在出入。因此，為避免施工中因此類(lèi)問(wèn)題引發(fā)安全事故，在成孔過(guò)程中應(yīng)注意其施工過(guò)程。如發(fā)現(xiàn)軟基土層土質(zhì)強(qiáng)度較低時(shí)，則可在振沖器下沉到該軟土層時(shí)在孔中填料，并進(jìn)行初步擠振，以避免塌孔問(wèn)題；當(dāng)軟基土質(zhì)強(qiáng)度較高時(shí)，則可將振沖器活接頭上下兩部分用鋼絲繩連接起來(lái)，避免下沉過(guò)程中出現(xiàn)斷繩事故。

2.5 碎石樁復(fù)合地基檢測(cè)

2.5.1 檢測(cè)依據(jù)及流程

為有效判斷本工程振沖碎石樁技術(shù)的施工質(zhì)量，在成樁完成的1個(gè)月后對(duì)樁體外觀(guān)、地基荷載進(jìn)行了檢測(cè)。本次檢測(cè)遵循《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2002）規(guī)范中的要求，采用的設(shè)備包括120cm×120cm荷載板、精密壓力表、百分表等。檢測(cè)過(guò)程中，先對(duì)樁身外觀(guān)進(jìn)行檢測(cè)判斷，然后對(duì)地基展開(kāi)荷載監(jiān)測(cè)，確定地基承載力特征值，并對(duì)施工質(zhì)量作出評(píng)價(jià)。

2.5.2 樁身外觀(guān)檢測(cè)

在碎石樁外觀(guān)質(zhì)量檢測(cè)中，主要采取抽樣檢測(cè)的方式，取樣的間隔為50m，確定取樣的位置后選取樣本并送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中的篩分試驗(yàn)以及含泥量試驗(yàn)，確定樁體中碎石的級(jí)配范圍以及含泥量。經(jīng)檢測(cè)，本工程碎石樁的級(jí)配范圍在規(guī)范要求的5cm以?xún)?nèi)，且含泥量為9.1%，在規(guī)范要求的10%以?xún)?nèi)。此外，碎石樁的樁徑、樁長(zhǎng)、間距、位置等均在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，表明其外觀(guān)質(zhì)量合格[7]。

2.5.3 地基荷載監(jiān)測(cè)

（1）在碎石樁地基荷載試驗(yàn)中，其荷載試驗(yàn)的加荷等級(jí)分為8～12級(jí)，最大的加載壓力不得小于設(shè)計(jì)壓力值的2倍。本工程荷載試驗(yàn)時(shí)采用8級(jí)加載法，每級(jí)加載50.2kN，最大加載保持在400.8kN。每次加載前后均要安排人員對(duì)承壓板的承載量進(jìn)行記錄，且每30min再記錄一次，如加載后1h內(nèi)的沉降量在0.1mm以?xún)?nèi)，則開(kāi)始下一級(jí)加載。如加載中出現(xiàn)沉降量巨大，且周?chē)馏w明顯隆起、承壓板沉降量大于其寬度的6%、未達(dá)到極限荷載，但最大加載壓力已大于設(shè)計(jì)要求壓力的2倍等情況時(shí)，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。待全部加載后進(jìn)行卸荷，卸荷時(shí)分為4級(jí)，每級(jí)卸荷后間隔30min讀記回彈量，待全部卸荷完成后間隔3h再讀記總回彈量。

（2）經(jīng)地基荷載監(jiān)測(cè)后，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2002）的要求確定地基承載力的特征值。其極限荷載為280kPa，根據(jù)上述地基的沉降值大小監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，其沉降量均在設(shè)計(jì)要求的0.1mm/h的范圍內(nèi)，地基的承載力均在極限荷載的一半，即140kPa以上，這證明，該工程軟土地基經(jīng)碎石樁加固后，其地基沉降值與承載力均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，本次施工質(zhì)量合格。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用振沖碎石樁技術(shù)對(duì)公路軟土地基進(jìn)行加固，可以在公路軟基區(qū)域形成一種復(fù)合地基，以增加軟基的穩(wěn)定性及其他性能。這既是一種經(jīng)濟(jì)合理的方法，又是一種行之有效的加固技術(shù)，但要確保該技術(shù)在軟基加固中的應(yīng)用效果，必須結(jié)合工程實(shí)際制定詳細(xì)的施工方案，并在后續(xù)施工中嚴(yán)格把控施工工序及流程，從而保證振沖碎石樁的施工質(zhì)量。