振动沉管碎石桩在高速公路软基处治 中的应用及施工、监理要点云南省公路工程监理咨询公司 李 诚我国地域辽阔，土类众多，其中松、软土占有相当的比例。这些土的强度极低，压缩性较大，抗震性极差。在公路工程建设中经常会遇到类似的软弱土地基，如何对这一类地基进行加固利用，使其既能满足建筑强度和稳定性要求，又能够缩短工期，减少投资，这是地基处治工作中非常重要的环节之一，也是确保工程质量和结构安全的关键所在。振动沉管碎石桩早期主要用于挤密砂土地基，随着现代研究和实践的深化，特别是高效能的专用施工机具出现后，其使用范围不断得到扩大、推广。近些年来，我省高等级公路应用振动沉管碎石桩处治软弱地质构造等不良地基已越来越广泛，实践证明，其效果显著，方法可靠，不失为一种经济、快捷的软弱地基处治办法。砚山平远街高速公路第一合同段K5+050K5+280为一软弱地基，地表为褐黄褐灰色土，呈可硬塑状，经采用振动沉管碎石桩加固地基处治后，效果良好，基础稳定，达到了预期目的。现就这一处治办法谈一谈本人的一点看法，不妥之处请各位同行指证、批评。一、工程地质概况砚山平远街高速公路K5+050K5+280段地表较低凹，据云南省公路规划勘察设计院工程地质勘察报告，地表为褐黄、褐灰色软可塑状粘土，根据静力触探资料，其厚度为0.60.8m，K5+230段软土较厚,最厚达15.6m，平均厚为11.48m，标贯23击，为褐黄、褐灰色软可塑状粘土。根据静力触探资料，其锥尖阻力qc=360870 Kpa，侧壁摩阻力fS=18.6 54.3Kpa，比贯入阻力PS=5401270 Kpa，容许承载力为60120Kpa。下伏基岩为灰岩，弱风化，碎石碎块状，裂隙发育，见溶蚀痕迹和溶蚀小孔，容许承载力为15002000 Kpa（详见图一、工程地质纵剖面图）。图一 工程地质纵剖面图二、振动沉管碎石桩加固作用原理由于淤泥质粘土属饱和软土，碎石桩起着置换软土的作用。对于软弱层不太厚的情况，桩端可以直接作用于下部坚硬岩层，此时复合土层中的桩体在荷载作用下会产生应力集中，由于桩体的压缩模量远比软弱土大，故而通过基础传给复合地基的外加压力随着桩、土的等量变形会遂渐集中到桩上去，从而使软土承担的压力相应减少。结果，与原地基相比，复合地基的承载力明显提高，压缩性显著降低。如果软弱层厚度较大，桩体也可不贯穿整个软弱土层，软弱土层只有部分厚度转变为复合土层并起着垫层的作用，将荷载引起的应力向四周横向扩散，使应力分布趋于均匀，从而提高地基整体的承载力，减少沉降量。在振动沉管过程中，由于振动、挤密、扰动等作用，尽管地基土中会出现较大的附加孔隙水压力，但随着时间的推移，原地基土的结构强度有一定程度的恢复，孔隙水压力遂渐向桩体转移消散，其结果是有效应力增大，颗粒结构重新排列，形成比较稳定的颗粒接触关系，孔隙数量显著减少，土的结构趋于致密，稳定性增强，强度不断增大。碎石桩在地基中还起到竖向排水通道和提高土基抗滑能力的作用，大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，促进了土中孔隙水压力的消散，提高了饱和粘性土排水固结的能力，使沉降稳定加快。三、设计方案一）、填料根据砚平高速公路所处地理、经济的环境，振冲碎石桩使用填料采用25cm的碎石，碎石由岩石或砾石轧制而成，应洁净并具有足够的强度，其颗粒形状具有棱角，不得掺有软质石和其它杂质。计算碎石充盈系数为1.32，碎石灌入量按0.17m3/m计算。1、碎石主要技术指标要求；岩石抗压强度碎石压碎值针片状颗粒含量含泥量泥块含量坚固性10的颗粒含量60MPa16%25%5%0.7%5%5%2、碎石通过圆孔筛的颗粒级配规格；筛孔尺寸（mm）累计筛余（按质量百分比计）504031.5252016级配区052045407065908595951003、材料检验频率：碎石桩所用的碎石除岩石强度发生变化检验外，上表所列各项应按每批不超过400m3检验一次。二）、桩的设置（布置）情况碎石桩采用振动沉管成孔，套孔直经为377mm，成桩直经d为400mm，布桩形式采用正三角形，且在坡脚外缘外打23排碎石桩。平均桩长H为4m，桩间距B为1.0m。（如图二、碎石桩深层处治图）。三）、表层处治碎石桩施工完毕，桩头50cm左右为松散状，密实程度较小，应进行碾压使其密实。碎石桩顶铺设60cm厚的碎石垫层和30cm厚的碎石土垫层，在碎石土垫层上铺设两层土工格栅，土工格栅间距为60cm。图二 碎石桩深层处治图四）计算1、桩间距计算桩的平面布置为正三角形（图三），将每根桩承担的处理面积化为一个等面积的等效圆Ae，则Ae分别与正六边形的面积相等，即：图三 加密效果图Ae=3 /2 B2 (1)B=2/3 Ae=1.07Ae (2)式中：Ae为1根碎石桩承担的处理面积，Ae=AP/m；AP为碎石桩的截面面积；m为面积置换率；2、地基承载力计算：根据力的平衡原理作振动沉管碎石桩的受力分析，如图四示。图四 地基应力状态按照最不利情况进行取值计算：PAe=PpAp+Ps（Ae - Ap） (3)即：P=1+m（n-1） Ps (4)式中： P作用荷载；Pp作用于碎石桩的应力；Ps作用于桩间土的应力； m、n值可通过荷载试验求得，或：m=d2/dc=d2/（1.05B）2；n按规范推荐的经验值取值。3、稳定性计算 采用圆弧滑动面法对地基进行稳定验算时（图五），滑动面上的抗剪强度sp由碎石桩抗剪强度p和桩间土的抗剪强度s组成。图五：地基抗剪特性sp=p+s =m（pp+pz）tanPcos2+（1-m）c (5)式中：p为碎石桩应力集中系数，p=n/1+(n-1)m；P为计算深度Z处的平均应力；Z为计算深度；p 为桩体的重度；P为桩的内摩擦角；为剪切滑动面与水平面的夹角；C为桩间土粘聚力。四、施工方法及质量控制要求一）、施工前的准备工作。碎石桩开工前，应认真做好以下各项准备工作：1、承包人按设计要求完成清场，经监理工程师检查验收合格，且在路基两侧顺线路方向开挖排水沟，排出地面积水，降低地表水位，确保地表干燥。2、用于碎石桩的碎石经试验满足要求，并经监理工程师批准。3、选择采用桩机的额定电流不小于60A，振动力不小于90kN，振幅不小于4.3mm，且进场的机械设备调试完毕，可以正常投入使用，施工、技术、质检、试验人员到位。4、试桩的施工方案和试桩分项开工申请经驻地办审核批准。5、清场后打桩设备能直接进入场地施工的，应直接施工碎石桩；对设备难于进场或危及施工安全的，须采取相应措施或报请监理工程师同意，先行填筑一定厚度的碎石垫层或采用其它方式适当处理，以满足设备进场需要和安全施工。二）、试桩试桩的目的是：按照所选的机械性能，按设计要求、规定的施工工艺来验证设计参数，有效控制试桩质量，制造出高密度的碎石桩，提高复合地基承载力；取得满足设计要求的碎石桩施工的控制数据，从而保证碎石桩施工质量，试桩工作必须严肃、认真的开展。1、试桩位置根据地质剖面图和现场地貌特征选择在具有代表性的地点进行，试桩不少于5排，每排不少于6棵桩，按照批准试桩的施工组织设计和工艺要求进行施工，并详细记录提管速度，反插深度及停振时间，停振（密实）电流，反插次数及位置，碎石贯入量，成桩时间。2、由于地表土体侧限相对较小，提管将导致桩间土体松散，为准确反映实际碎石桩情况，试桩结束后在复合地基上铺设30厘米厚的碎石，用振级不小于4吨的压路机碾压810遍，待空隙水消散两周后，采用标贯和静载试验测定单桩、复合地基、桩间土承载力，桩体密实度和连续性。3、桩体与桩间土形成复合地基，因此检验复合地基的相关指标不得在有任何垫层的基础上实施。桩间土挤密效果试验，可以采用标准贯入试验，轻型触探试验和土工试验方法确定，碎石桩的密实度采用重型动力触探仪测试，单桩和复合地基承载力采用静载试验确定。4、经过检验，碎石桩各项指标满足设计要求后写出试桩报告，监理工程师审批后按试桩的规定和要求进行碎石桩的施工，如果试桩结果不能满足设计要求，应查明原因，属施工工艺问题的，在总结的基础上重打试桩，属原设计参数取值或地质情况变异的，应报监理工程师确定补打和调整桩径、桩距或桩长，确保软基处治质量。三）、施工1、正式施工前，应认真准确地对桩位进行放样，在放样图上认真标识清楚各桩编号，实地用钢钎做好标记，施工中严格控制。每一桩位施工完后，根据放样资料、设计图纸认真核对并作详细标识，防止漏打、重打，严格按设计要求范围进行施工，确保桩位正确无误。2、进场碎石须按要求严格控制各项指标，确保成桩施工质量。3、为确保碎石桩的成桩质量和对软土的挤密效果，提高桩间土承载力，碎石桩的施工次序宜为“由内向外”或“由一边向另一边”的顺序依次成桩，这种顺序易挤走部分软土，便于制桩。在建筑物附近施工时，宜采用跳打方式制桩，确保建筑物安全。4、碎石桩的桩长严格按设计施工，对局部桩长打至基岩的，可适当调整桩长。每桩沉管达到设计或第一次抬机时，承包人须报请现场旁站监理工程师记录并检验签认桩长。5、成孔时的成孔速度应力求均匀，严格控制提管速度。为确保设计碎石桩碎石充盈系数1.32，碎石贯入量0.17m3/m的要求，根据试桩结果，对本路段振动沉管制桩要求为：从底部至距地表下3米范围，提管速度不得大于1m/1.5min，地表3米范围内，提管速度不大于1.0m/min，每提高1m反插0.5m，并停振不少于15s；地面下0.3m停振一次，停振在满足密实电流时方能提管，否则再反插停振。提管后桩顶碎石堆高不小于0.5m，确保碎石灌入量和桩身质量满足设计要求，避免出现桩体不连续、缩径和密实不匀。6、添加碎石时勤加，一次添加的碎石量不宜过多，同时做好耗用碎石的记录，每桩核算一次。若耗用碎石量小于设计用量，应及时查明原因，并应在原桩位或旁边另行补打。7、在雨季期间或桩机无法进入现场而事先铺填碎石的施工地段施工，由于拨管时带起的泥土会污染碎石，导致碎石垫层排水功能失效；要求必须及时清除泥土和被污染的碎石。对未填碎石的地段，拔管带起的松散泥土应及时清除。8、施工中必须认真及时准确地核实每桩长度，密实电流，提管速度，停振时间、反插次数和碎石灌入量，确保按设计桩位打造高强度的碎石桩。9、加强现场施工组织管理，严格按批准的试桩工艺要求认真施工，确保安全生产。四）、碎石桩成桩质量检验1、试验检测在碎石桩施工完成两周后，采用重型动力触探仪测试碎石桩的密实度和均匀性，抽检频率5%，N5次/10cm，连续灌入；桩间土（等边三角形中心土）采用轻型触探仪或土工试验方法测定，单桩承载力、复合地基承载力采用静载试验。具体检测的位置、桩数应选择具有代表性的部分进行。2、工程量验收、计量施工完成后，认真核实现场及“碎石桩放样图”，对漏打桩位及对进行补打。根据各工作日“记录”结果进行工程量汇总，并报监理工程师进行签认。五）、碎石桩桩顶处治1、因碎石桩施工中，振动沉管及机械扰动，桩顶表面50cm左右为松散状，密实程度较低，再加上局部存在因拔管过程中泥土带入表层，污染碎石桩顶面，堵塞排水固积通道等问题。在碎石桩验收完毕应清除桩顶已污染部分，补足干净碎石，并对桩顶原地面进行碾压使