軟土地區(qū)高速公路碎石樁施工技術(shù)研究

張新勝,李吉元,李 輝

（阿拉善盟交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心巴彥浩特公路養(yǎng)護(hù)工區(qū),內(nèi)蒙古 阿拉善左旗 750306）

0 引言

工程領(lǐng)域并沒有對“軟土”的明確定義，通常將含水量大、孔隙比大、壓縮系數(shù)大、滲透系數(shù)小、易在荷載作用下產(chǎn)生較大變形的土質(zhì)統(tǒng)稱為軟土。軟土地區(qū)對高速公路地基工程的破壞形式主要表現(xiàn)為路基沉陷、剪切拉裂破壞、坍塌滑動(dòng)破壞幾種[1]。為有效保證軟土地區(qū)高速公路工程的建設(shè)質(zhì)量，必須采取科學(xué)合理的措施對軟土地基進(jìn)行處治。因此，結(jié)合軟土地區(qū)高速公路樁基施工的實(shí)際情況，研究軟土地區(qū)高速公路工程中碎石樁施工技術(shù)的應(yīng)用，采用碎石樁復(fù)合施工技術(shù)實(shí)現(xiàn)對軟土地區(qū)高速公路工程地基的有效加固，為工程施工質(zhì)量管控提供更有力的保障。

1 碎石樁施工技術(shù)

碎石樁施工技術(shù)是在軟土地基成孔后，借助振沖機(jī)將碎石擠入土體，形成的大直徑密實(shí)樁體。粗砂、礫砂、卵石、角礫、建筑碎石等多種材料均可作為碎石樁施工中的填充材料[2]。

1.1 碎石樁施工方法

通常情況下，根據(jù)采用的設(shè)施不同，碎石樁分為以下幾種施工方法：

（1）強(qiáng)夯置換法。在軟土地基中借助夯錘的重力作用擊打成孔，將碎石材料填充至孔中形成碎石樁。

（2）沉管法。在軟土地基中采用沉管打樁機(jī)成孔，將碎石材料填充至孔中形成碎石樁。

（3）振動(dòng)擠密法。在軟土地基中采用干法振沖器成孔，將碎石材料填充至孔中形成碎石樁；

（4）振沖法。在軟土地基中采用振沖機(jī)，借助高壓水流的高頻振動(dòng)作用成孔，將碎石填充至孔中形成碎石樁。

1.2 碎石樁施工技術(shù)特點(diǎn)

針對軟土地區(qū)高速公路地基工程而言，碎石樁施工技術(shù)用到的機(jī)械裝置都相對輕便，且不具備較高的施工現(xiàn)場要求，應(yīng)用靈活程度較高，作業(yè)不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染。同時(shí)，碎石樁施工過程中，通過在樁頭和樁身周邊填注漿液的方法，能夠顯著增強(qiáng)碎石樁的摩擦力，提高碎石樁的承載性能。此外，碎石樁施工技術(shù)操作便捷，施工流程簡單，便于施工質(zhì)量控制，可有效保證高速公路工程建設(shè)的整體質(zhì)量[3]。

2 碎石樁施工技術(shù)在軟土地區(qū)高速公路工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況與施工布置

以某高速公路工程為案例，工程設(shè)定行車速度75 km/h，路基寬度20.55 m，單向長度15.68 m。該工程處在山間盆地和狹長河谷之間，工程范圍內(nèi)地貌單元復(fù)雜，多為丘陵和低中山，定向起伏變化大，相對高差在320~415 m之間。在案例工程的建設(shè)初期，設(shè)計(jì)的振動(dòng)峰值加速度為0.15 g，沿線抗震烈度5度。因該工程沿線河流多，工程周邊環(huán)境濕度高，且局部區(qū)域水源對地基和表層具有較強(qiáng)的腐蝕性，必然會(huì)對工程施工造成影響。

該工程處在軟土地區(qū)，路基土體包含碎石土、粉質(zhì)黏土及淤泥土等。經(jīng)實(shí)際勘察得知，工程現(xiàn)場的巖層整體硬度較大，相對完整。從鉆探進(jìn)程來看，可將路基巖層分為強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化兩種類型，前者經(jīng)長時(shí)間的溶蝕作用影響，多數(shù)巖體都出現(xiàn)碎裂，而后者則相對完整，質(zhì)地堅(jiān)硬。鉆孔取樣結(jié)果顯示，路基局部巖層存在溶蝕現(xiàn)象，但整體比較穩(wěn)定。同時(shí)現(xiàn)場土體中還存在大量的軟土及淤泥黏土，軟土含水量高、孔隙比大，滲透性低，極可能影響后續(xù)的施工建設(shè)。因此，綜合考慮施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性，選擇碎石樁復(fù)合施工技術(shù)對工程路基進(jìn)行處理。

該工程中碎石樁施工是施工重難點(diǎn)，涉及的軟土地區(qū)范圍較大，碎石樁施工具有較高的難度。為保證工程軟土地區(qū)地基具有均勻受力，選擇以分離式的方式對路基進(jìn)行構(gòu)建，建設(shè)單幅10.5 m的路基承壓結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的極限荷載為20級[4]。工程設(shè)計(jì)階段，將地基左右兩側(cè)邊緣距離設(shè)定為20.55 m，邊緣化為0.25。通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的測定，利用式（1）即可計(jì)算出樁基的沉降高度H：

式中，m——邊緣距離；n——塌方的高度；β1——樁體的預(yù)設(shè)承載力；β2——樁體的實(shí)測承載力。經(jīng)計(jì)算，樁基的實(shí)際沉降高度處在標(biāo)定范圍內(nèi)，可采用填土法對沉降高度進(jìn)行調(diào)整，營造出更為穩(wěn)定的施工環(huán)境，完成施工布設(shè)。

2.2 降落樁管安裝

在碎石樁復(fù)合施工之前，需要安裝降落樁管，將樁管視為一個(gè)定向基底以增強(qiáng)碎石樁的穩(wěn)固效果，保證路基受力均勻。首先，結(jié)合工程路基施工的實(shí)際情況與復(fù)合碎石樁處理技術(shù)，對地基土體進(jìn)行改良，于標(biāo)定位置處鋪設(shè)加筋材料，提高樁基穩(wěn)定性。之后，對基體和增強(qiáng)體兩部分地基進(jìn)行設(shè)定，與碎石樁、樁管形成聯(lián)系。在碎石樁下方位置挖掘基坑，對作用力的覆蓋方向進(jìn)行設(shè)置。通過對單樁基荷載值的計(jì)算，結(jié)合垂直地基和復(fù)合地基之間的距離，對樁管設(shè)置位置進(jìn)行調(diào)整，荷載變化情況如圖1所示。最后，依照樁體基座位置將降落樁管移動(dòng)至基座側(cè)后面，便于后續(xù)施工的開展。

圖1 降落樁管荷載變化

2.3 樁頭搭接處理

考慮軟土地區(qū)高速公路工程地基施工易出現(xiàn)裂縫或塌陷的情況，在安裝完降落樁管后，對碎石樁樁頭進(jìn)行基礎(chǔ)搭接處理。在樁體上鉆出直徑1 mm的孔洞，在樁架和樁模上對承壓點(diǎn)予以標(biāo)記，由內(nèi)至外地進(jìn)行鄰孔縮孔處理。在此基礎(chǔ)上搭接樁頭和下設(shè)的降落樁管，待確定樁位中心點(diǎn)之后，對樁孔邊緣側(cè)開挖尺寸線進(jìn)行設(shè)定。在此過程中需對下方基坑范圍進(jìn)行合理擴(kuò)張，通過降落樁管和樁頭的有效搭接，提高施工現(xiàn)場環(huán)境的穩(wěn)定性。需要注意的是，樁頂標(biāo)高偏差允許在±25 mm之內(nèi)，一旦樁孔中心出現(xiàn)偏差則需對樁徑的數(shù)值變化進(jìn)行重新計(jì)算，確保樁徑符合施工要求[5]。

2.4 定位放線

為進(jìn)一步提高碎石樁在高速公路工程應(yīng)用中的綜合承壓性能，在實(shí)際施工中結(jié)合夯實(shí)水泥土樁的位置，通過多向定位放線對碎石樁樁體的核心承壓點(diǎn)進(jìn)行確定。結(jié)合定位放線點(diǎn)與基準(zhǔn)控制點(diǎn)，對實(shí)際測定區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，采用灌注混凝土和白灰的方式對樁體進(jìn)行加固，利用木質(zhì)短棍進(jìn)行輔助，形成網(wǎng)格狀的樁基格柵，也就是加筋墊層處理，如圖2所示。

圖2 加筋墊層圖示

此環(huán)節(jié)中對樁位的偏差控制在±35 mm。結(jié)合工程中碎石樁的實(shí)際沉降，對樁基格柵進(jìn)行填土，采用格室填充法，分階段對樁基格柵進(jìn)行填土，先完成各格室的定向回填，再逐個(gè)進(jìn)行攤鋪、壓實(shí)，實(shí)現(xiàn)對加筋墊層處理效果的優(yōu)化。

2.5 樁身注漿

待上述步驟完成之后，根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工要求進(jìn)行樁身注漿處理，實(shí)現(xiàn)對碎石樁的定向加固。在樁身注漿過程中需要對樁體、樁身內(nèi)部空間及樁孔進(jìn)行注漿，提高樁基質(zhì)量。實(shí)際工程施工中，先測定碎石樁樁間土體的承載力情況，控制在125~320 MPa之間。之后結(jié)合定位放線的中軸線對注漿的水平節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定。最后采用靜力觸探法同時(shí)對多個(gè)碎石樁進(jìn)行注漿操作，分析碎石樁的誤差情況，如表1所示。

表1 碎石樁誤差分析

此時(shí)，利用荷載試驗(yàn)法對碎石樁注漿的凝滯情況進(jìn)行測定，若碎石樁注漿已經(jīng)凝滯完成則可在樁外搭建定向支架，進(jìn)一步增大樁基承壓面積，提升注漿效果。

2.6 振沖處理

完成樁身注漿處理后，通過振沖處理實(shí)現(xiàn)碎石樁的復(fù)合施工。首先，在碎石樁樁體上對輔助架進(jìn)行安裝，保證輔助架垂直于基坑。將碎石填料引入基坑，開啟下方導(dǎo)管，在注漿墻孔中提出振沖機(jī)，將提起高度設(shè)置在0.05~0.25 m，與加筋墊層相關(guān)聯(lián)，并將碎石填料逐步引入孔洞之中。此過程需要注意的是，應(yīng)先對基坑下方導(dǎo)管進(jìn)行徹底清理，確保填料的順利引入。之后將填料放置在碎石樁孔洞之中，壓實(shí)、壓平，再放置一層填料壓實(shí)、壓平[6]。利用振沖機(jī)一邊加料，一邊振動(dòng)，逐漸增強(qiáng)振沖強(qiáng)度，切忌振沖處理過程不可損壞碎石樁，待樁基密實(shí)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求后完成施工。最后，在確保成樁后利用混凝土對碎石樁進(jìn)行二次加固，強(qiáng)化復(fù)合施工的效果。

2.7 質(zhì)量檢驗(yàn)

碎石樁復(fù)合施工結(jié)束后，需經(jīng)過3~4周的靜候時(shí)間使碎石樁周圍土體完全固結(jié)。之后，對碎石樁的施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 碎石樁質(zhì)量檢驗(yàn)

碎石樁質(zhì)量檢驗(yàn)過程中，針對表1中不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的項(xiàng)目，及時(shí)上報(bào)并根據(jù)預(yù)案及時(shí)采取補(bǔ)救措施，避免對施工整體質(zhì)量造成影響。

2.8 鋪筑墊層

保證碎石樁復(fù)合施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)之后，對樁基進(jìn)行鋪筑墊層處理。根據(jù)實(shí)際施工設(shè)計(jì)情況，分為兩層進(jìn)行鋪設(shè)，每層厚度設(shè)計(jì)為20 cm。底部墊層采用靜力碾壓進(jìn)行平整，上部墊層采用振動(dòng)碾壓。此環(huán)節(jié)中，墊層寬度應(yīng)超過樁基外邊緣40 cm，并依照1∶1的比例進(jìn)行放坡，保證墊層壓實(shí)度在95%。同時(shí)，考慮工程處在軟土地區(qū)，工程地基的承載性能難免會(huì)受到一定程度的影響，為進(jìn)一步提高軟土的密實(shí)度，利用荷載板在墊層中構(gòu)建范圍更大的石墊，并保證土工格與碎石樁基相平行，如圖3所示。

圖3 碎石樁鋪設(shè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.9 碎石樁復(fù)合施工效果分析

上述所有施工流程結(jié)束之后，對高速公路工程碎石樁復(fù)合施工技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行檢測分析。首先，對碎石樁基加筋墊層的深度進(jìn)行檢測，若加筋墊層的深度小于5.25 m，證明加筋墊層的剛度在合理范圍之內(nèi)；若加筋墊層的深度尚未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則需繼續(xù)增加其厚度，擴(kuò)大碎石樁基的作用范圍。

之后，根據(jù)實(shí)際檢測得到的數(shù)據(jù)，利用式（2）對碎石樁單樁的復(fù)合承載力A進(jìn)行計(jì)算：

式中，o——碎石樁基的高度；v——基坑高度；c——石墊厚度；∫——覆蓋比。

在不同加載重量下對碎石樁復(fù)合施工效果進(jìn)行檢測，測試結(jié)果如表3所示。

表3 測試結(jié)果

由此可見，在不同加載重量的處理環(huán)境下，碎石樁單樁復(fù)合承載力隨最大加載的增加而逐漸增強(qiáng)，證明碎石樁復(fù)合施工技術(shù)在高速公路地基處理工程中的應(yīng)用，能夠顯著提升碎石樁的整體承壓能力，促進(jìn)高速公路工程施工質(zhì)量的提升。

3 結(jié)語

對于軟土地基高速公路工程施工而言，在軟土地基處治中必須采用行之有效的處理措施，為施工質(zhì)量提供有力保障?；诖耍撐脑诜治鏊槭瘶妒┕ぜ夹g(shù)方法及特點(diǎn)的同時(shí)，提出碎石樁復(fù)合施工技術(shù)，對復(fù)合施工中的各環(huán)節(jié)進(jìn)行深入探究，結(jié)果證明碎石樁復(fù)合施工技術(shù)可有效加固軟土地基，顯著提升高速公路工程地基的穩(wěn)定性，強(qiáng)化其承壓能力。