公路軟土地基碎石擠密樁處治技術(shù)研究

馮 勇

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006)

1 工程簡(jiǎn)介

國(guó)道108線神堂堡至砂河段公路工程，起點(diǎn)樁號(hào)為K353+950，終點(diǎn)樁號(hào)為K405+791.631，總里程53.402 km，雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，整體式路基寬度采用23 m，分離式路基寬度采用2×11.25 m，橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)采用公路—Ⅰ級(jí)。主要工程量有：路基土石方363.89萬(wàn)m3；大中橋1 793.04 m/11座，涵洞81道，平面交叉道77處，通道1道，服務(wù)區(qū)1處，養(yǎng)護(hù)工區(qū)1處，主線收費(fèi)站1處。公路沿線分布有多處軟土地基，主要以軟質(zhì)黏土為主，部分路段有大量淤泥。為有效提高地基承載力，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用碎石擠密樁對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處治。

2 碎石擠密樁設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)樁徑。根據(jù)軟土地基土質(zhì)類別、施工設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)施工條件等確定碎石擠密樁樁徑，通常為300～800 mm。樁基越大地基承載力加固效果越好，如軟基為飽和粘性土應(yīng)適當(dāng)增大樁徑。

(2)樁長(zhǎng)。當(dāng)軟土地基軟土層較薄時(shí)，碎石擠密樁應(yīng)穿透整個(gè)軟土層，達(dá)到下部持力層。當(dāng)軟土地基軟土層較厚時(shí)，應(yīng)綜合考慮軟土地基上部填料的厚度、地基土變形特性等確定樁長(zhǎng)，不低于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2 m，確保地基沉降不會(huì)造成路基路面結(jié)構(gòu)破壞。

(3)樁位布置及樁距。碎石擠密樁樁位布置可采用梅花型和正方形布置。樁距應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，通常不大于3倍樁徑。

(4)處治范圍。碎石擠密樁處治范圍應(yīng)超過(guò)公路地基寬度范圍，通常不低于1.2倍地基寬度，基礎(chǔ)外部樁體主要起側(cè)限作用，降低軟土地基的側(cè)向變形。

(5)墊層。碎石樁施工完成后，挖除樁頂松散土層，鋪設(shè)30～50 cm厚碎石墊層，碾壓密實(shí)，以進(jìn)一步擴(kuò)散軟基土體應(yīng)力、提高排水固結(jié)速度。

(6)加固效果檢測(cè)。碎石擠密樁完工后進(jìn)行地基加固效果檢測(cè)，可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)對(duì)成樁質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)合格方可進(jìn)行下一道工序施工。

3 單樁復(fù)合地基荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)操作過(guò)程中，選擇利用壓重平臺(tái)反力系統(tǒng)進(jìn)行操作，主要由承壓板、組合鋼梁以及液壓千斤頂?shù)认嗷ソM合而成。其中液壓千斤頂自身的最大量程控制在1×106N，以液壓千斤頂為基礎(chǔ)，促使其在擠密樁上可以直接施加垂直方向的荷載，通過(guò)對(duì)精密壓力表的合理利用，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的加載值進(jìn)行準(zhǔn)確有效的分析和控制。最為重要的一點(diǎn)是精密壓力量程控制在100 MPa，其等級(jí)為0.4。擠密樁的沉降值以便是利用基準(zhǔn)梁、百分表進(jìn)行觀測(cè)和分析，其中涉及到的方法在應(yīng)用時(shí)，主要是在試驗(yàn)點(diǎn)的2個(gè)正交直徑方向基礎(chǔ)上，對(duì)稱安裝4個(gè)百分表。需要注意的一點(diǎn)就是百分表在經(jīng)過(guò)萬(wàn)能表架之后，可以直接固定在工字鋼組合而成的基準(zhǔn)梁當(dāng)中，百分表的量程為50 mm，而基準(zhǔn)梁的長(zhǎng)度則為6 m。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)合實(shí)際要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作時(shí)，對(duì)加載方案進(jìn)行編制和落實(shí)，同時(shí)還要對(duì)逐級(jí)加載方法進(jìn)行合理利用。在具體操作中，荷載分級(jí)通?？梢灾苯蛹虞d到最大值，每級(jí)的荷載在達(dá)到比較穩(wěn)定的狀態(tài)后就會(huì)直接開始下一級(jí)的荷載。在整個(gè)操作中，一直加載到最大加載值為止，促使其呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行卸載處理，在卸荷過(guò)程中，也可以利用分級(jí)卸荷的方式，一直到荷載為零為止，后可以停止試驗(yàn)操作。在本次市場(chǎng)試驗(yàn)操作過(guò)程中，其中最大的荷載值為400 kPa，加載的荷載等級(jí)為40 kPa，其中卸載的荷載等級(jí)則為80 kPa。

在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方法現(xiàn)在和利用過(guò)程中，要結(jié)合實(shí)際要求，對(duì)沉降值的間隔時(shí)間進(jìn)行讀取和測(cè)量，一般在每級(jí)加載前后，需要對(duì)1次承壓板的沉降量進(jìn)行有效測(cè)量。需要注意的是在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，要對(duì)1次間隔時(shí)間進(jìn)行記錄，一般時(shí)間為30 min?；诖?，在沉降量值小于等于0.1 mm/h的時(shí)候，意味著該級(jí)加載的沉降已經(jīng)達(dá)到一種相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，所以可以立即展開下一級(jí)的荷載施加處理。卸載的級(jí)數(shù)是加載級(jí)數(shù)的一半，每間隔半小時(shí)可以進(jìn)行一次荷載處理，同時(shí)還要對(duì)沉降的回彈量進(jìn)行記錄和分析，一直等到完卸荷載之后，間隔3 h左右，可以對(duì)沉降的總回彈量進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

結(jié)合試驗(yàn)操作記錄以及目前提出的諸多要求，對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)以及其與沉降關(guān)系曲線等進(jìn)行確定，同時(shí)還要對(duì)沉降量與時(shí)間之間的關(guān)系曲線進(jìn)行分析。結(jié)合目前提出的一系列要求以及對(duì)其中隱藏的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，在加載過(guò)程中，前期的陳腔相對(duì)比較緩慢，會(huì)呈現(xiàn)出三條曲線幾乎重疊的狀態(tài)。尤其是在荷載級(jí)數(shù)不斷增加的形勢(shì)下，尤其是在200 kPa之后，沉降速度越來(lái)越快，但是關(guān)系曲線仍然呈現(xiàn)出光滑連續(xù)的狀態(tài)，其中并沒(méi)有任何的激變拐點(diǎn)，在達(dá)到400 kPa的時(shí)候，已經(jīng)明顯超過(guò)設(shè)計(jì)要求的180 kPa的2倍。所以可以滿足中終止加載條件基本要求，所以立即對(duì)其進(jìn)行停止加載，也就意味著其并沒(méi)有達(dá)到極限荷載狀態(tài)，就可以滿足目前公路地基承載力設(shè)計(jì)中的基本要求。在整個(gè)卸載過(guò)程中，三條擬合曲線基本上呈現(xiàn)出平行的狀態(tài)，其中參與的變形回彈量的變化率比較接近，意味著復(fù)合地基的承載力基本上處于相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，承載力的特征值也可以將其作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)和要求來(lái)進(jìn)行確定。

在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分析和沉降觀測(cè)值累計(jì)研究之后，在現(xiàn)有時(shí)間段范圍內(nèi)可以達(dá)到相對(duì)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。尤其是在200 kPa時(shí)150 min達(dá)到加荷沉降穩(wěn)定的基本條件，而其中一級(jí)只用2 h就可以達(dá)到荷載加級(jí)的沉降量問(wèn)林條件。由此可以看出，部分試驗(yàn)點(diǎn)的沉降相對(duì)比較大，在曲線上也可以呈現(xiàn)出來(lái)，尤其是在相同時(shí)間累計(jì)背景下，沉降量相對(duì)比較大，但是并沒(méi)有出現(xiàn)任何的拐點(diǎn)，所以并沒(méi)有平穩(wěn)下沉。由此可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中涉及到的幾個(gè)點(diǎn)，都可以滿足路基復(fù)合地基承載力特征值在確定時(shí)的基本要求。

3.4 復(fù)合地基承載力特征值的確定

結(jié)合目前現(xiàn)有的曲線圖展開深入分析時(shí)，其中部分試驗(yàn)點(diǎn)最終加荷到400 kPa的時(shí)候，最終的沉降值為59.44 mm，而在卸荷載之后，其參與沉降則為46.78 mm。基于此，該點(diǎn)的曲線呈現(xiàn)出平緩光滑型的狀態(tài)，其自身的特點(diǎn)并不是很明顯，同時(shí)也沒(méi)有明顯的陡降段，結(jié)合目前建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中提出的一系列要求以及規(guī)定，按照不同的需求對(duì)其中的變形s/d=0.01對(duì)應(yīng)的壓力值進(jìn)行確定，其為233 kPa。除此之外，還要結(jié)合目前提出的一系列要求，按照相對(duì)變形確定的承載力特征值進(jìn)行分析，促使其不能夠超過(guò)最大加載值的一半。在該背景下，將其一半的200 kPa作為該點(diǎn)的復(fù)合地基承載力特征值。

由此可以看出，在實(shí)踐中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法進(jìn)行合理利用，有利于對(duì)特殊路基碎石擠密樁地基承載力、承載力特征值等展開深入分析。在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)操作之后不難看出，在目前現(xiàn)有的單樁試驗(yàn)中，利用200 kPa作為試驗(yàn)段特殊路基碎石擠密樁的復(fù)合地基承載力特征值，其可以滿足目前整個(gè)地區(qū)公路地基承載力在設(shè)計(jì)時(shí)提出的基本要求。對(duì)于特殊路基碎石段來(lái)說(shuō)，必須要結(jié)合實(shí)際要求，對(duì)碎石擠密樁工作展開深入分析，在保證各種不同類型材料資源充足的基礎(chǔ)上，要對(duì)各種含水量比較大的人工填土地基進(jìn)行優(yōu)先處理，避免留下嚴(yán)重的隱患問(wèn)題。除此之外，還要結(jié)合實(shí)際要求，對(duì)樁體的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理利用，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)論，在2.7～4.6 m范圍內(nèi)的樁體密實(shí)呈現(xiàn)出相對(duì)比較精密的狀態(tài)。其他相關(guān)的余樁段樁體密實(shí)度都可以中密或者是密實(shí)的狀態(tài)，此時(shí)可以滿出擠密碎石樁的整體施工質(zhì)量相對(duì)比較良好，同時(shí)還可以達(dá)到良好的承載效果。

4 軟土地基碎石擠密樁處治技術(shù)

4.1 施工準(zhǔn)備

做好施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)施工設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)工作，施工人員、機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，做好料場(chǎng)、攪拌站和項(xiàng)目部建設(shè)工作。原材料進(jìn)場(chǎng)，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理整平，做好施工作業(yè)面準(zhǔn)備。施工人員上崗前必須進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，特殊工種必須持證上崗。施工現(xiàn)場(chǎng)配備履帶式柴油錘打樁機(jī)1臺(tái)、裝載機(jī)1臺(tái)、裝載機(jī)1臺(tái)、自卸汽車3臺(tái)，發(fā)電機(jī)1臺(tái)及相關(guān)輔助施工設(shè)備。進(jìn)場(chǎng)原材料必須有出廠合格證，施工前按照要求對(duì)碎石級(jí)配、含泥量等指標(biāo)進(jìn)行抽檢，在現(xiàn)場(chǎng)開展試驗(yàn)，如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)不能滿足要求，必須到具有相應(yīng)資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。組織施工技術(shù)人員進(jìn)行圖紙審核，將圖紙中的錯(cuò)誤或施工現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)不符等問(wèn)題反饋給設(shè)計(jì)單位，并做好施工變更。由項(xiàng)目部負(fù)責(zé)，進(jìn)行三級(jí)技術(shù)交底，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)施工和管理人員開展技術(shù)培訓(xùn)，對(duì)各工序和質(zhì)量控制要求進(jìn)行文字技術(shù)交底。將施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行對(duì)比，如發(fā)現(xiàn)地基工程地質(zhì)與水文地質(zhì)存在較大差異，應(yīng)及時(shí)向設(shè)計(jì)單位反饋。

4.2 施工放樣

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定碎石擠密樁軸線和樁位，在施工現(xiàn)場(chǎng)建立平面方格網(wǎng)，制定測(cè)量放樣方案。結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，測(cè)量技術(shù)人員使用GPS對(duì)碎石擠密樁處治區(qū)域的道路中線和邊線進(jìn)行精確放樣。碎石擠密樁樁位放樣采用鋼尺定位、白灰標(biāo)記，并釘設(shè)木樁。放樣完成后進(jìn)行自檢，確定樁位定位精度滿足要求后進(jìn)行向測(cè)量監(jiān)理工程師報(bào)檢，抽檢合格后方可開始正式施工。

4.3 柴油錘成孔

根據(jù)測(cè)量放樣確定的樁孔位置，對(duì)履帶式柴油錘打樁機(jī)進(jìn)行定位，使樁機(jī)對(duì)準(zhǔn)打樁線。啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)，根據(jù)樁位操縱導(dǎo)向架移動(dòng)樁管(尖)，對(duì)準(zhǔn)樁孔中心，然后剎緊卷?yè)P(yáng)機(jī)離合器。樁尖對(duì)中樁孔中心后調(diào)整樁管垂直度，垂直度誤差不得超過(guò)5%。施工技術(shù)員應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)管理，在成孔過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并做好數(shù)據(jù)記錄。

4.4 鉆機(jī)就位

調(diào)整鉆機(jī)進(jìn)行定位，使樁尖(活瓣)對(duì)準(zhǔn)樁位，將樁管沉入土0.5～1.0 m，并進(jìn)行垂直度校核。碎石樁施工前對(duì)樁位對(duì)中和垂直度進(jìn)行檢驗(yàn)，確保合格后開始鉆進(jìn)施工。在鉆進(jìn)過(guò)程中做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，記錄樁位偏差和垂直度等技術(shù)指標(biāo)的檢查結(jié)果。樁位水平偏差不得超過(guò)0.3倍套管外徑，垂直度偏差不得超過(guò)1%。

4.5 成孔投料

碎石投料采用人工配合小型裝載機(jī)分批灌入套管中，投料順序是先樁孔外圍或兩側(cè)向投料，后進(jìn)行碎石樁中心投料。當(dāng)碎石擠密樁間距較大時(shí)，可安排投入碎石，同一排應(yīng)隔孔施工。碎石含水量一般控制在7%～9%，如果地基為飽水狀態(tài)，可選用飽水狀態(tài)的碎石。嚴(yán)格控制碎石灌入量，充盈系數(shù)控制在1.2～1.4。通過(guò)樁管上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，樁體長(zhǎng)度不斷增加，貫入樁孔內(nèi)的碎石不斷被擠密。

4.6 質(zhì)量檢驗(yàn)及墊層施工

碎石擠密樁施工完成后，對(duì)樁間距、樁徑和垂直度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)合格后即可進(jìn)行墊層施工。墊層施工前清除碎石擠密樁樁頂和地基表面的松散土體，整平碾壓后攤鋪30～50 cm厚碎石墊層。采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)或圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)等檢測(cè)方法，對(duì)樁身和復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，承載力檢測(cè)合格后方可進(jìn)行下一道工序施工。

5 結(jié) 語(yǔ)

碎石擠密樁是公路軟土地基常用的處治方法之一，通過(guò)碎石置換軟土地基中的軟土和淤泥，可以加速排水固結(jié)，起到擠密、排水降壓的作用，有效提高路基承載力。通過(guò)闡述碎石擠密樁軟基加固機(jī)理，從設(shè)計(jì)與施工兩個(gè)方面全面分析了設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)，可為一線施工提供技術(shù)參考。