碎石桩处理软土路基的加固原理及应用

碎石桩处理软土路基的加固原理及应用

摘要碎石桩复合地基作为复合地基措施的一种，经常被用到软土地基的处理中，其主要以砂、碎石等材料置换软土，或者通过桩的振动、挤密等作用与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。碎石桩不仅可以提高复合地基的承载力，同时也可以减少工后沉降，具有施工方便，节省投资，加固时间比较短等优点。

关键词碎石桩复合地基地基承载力

1碎石桩复合地基发展概况

碎石桩（Gravel Pile）是以碎石（卵石）为主要材料制成的复合地基加固桩。当以砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等为填充料制成的密实桩体称为砂石桩。在密实桩体的帮助下，提高地基的承载能力，因此被称为复合地基。

在最近几年碎石桩加固地基早已普遍的运用到每个土木、交通、土建、水利工程等领域，而且发展越来越成熟，从最初的主要用来加固松砂地基，然后到后来的各种粘性地基。碎石桩加固松砂地基的工作机理主要是振冲挤密作用。然而碎石桩处理粘性土地基的的主要工作机理振冲置换。

2碎石桩复合地基的分类

按施工方法不同，碎石桩复合地基可分为振冲碎石桩复合地基振动挤密碎石桩复合地基、沉管碎石桩复合地基、射水成孔袋装碎石桩复合地基和强夯置换碎石桩复合地基等。这些碎石桩复合地基都属于散体材料桩复合地基。

2.1振冲碎石桩复合地基

按加固机理，振冲法加固地基可分为二类：振冲密实法和振冲置换法。振冲密实法的加固原理是一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔隙减小，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加填料情况下通过填料使砂层挤压加密。振冲置换的加固原理是利用振冲器在高压水流下边振边冲在软弱粘性土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料，制成一根根桩体，碎石桩和原地基土构成碎石桩复合地基。

2.2干法振动挤密碎石桩复合地基

干法振动加固地基工艺是先用于干法振动成孔器成孔，原桩孔位中的土体被挤到周围土体中去，提起振动成孔器，向孔内倒入碎石等坚硬材料并进行捣实，然后提起振动成孔器，继续倒碎石，直至碎石桩形成。碎石桩和挤密的桩间土形成碎石桩复合地基。

2.3沉管碎石桩复合地基

采用沉管打桩机在地基中设置碎石桩，形成复合地基。按施工方法又可分为下述几种：管内投料重锤夯实法和先拔管、后投料复打密实法等。除采用碎石制桩外，近年来还采用钢渣、炉渣、石屑等材料制桩以形成复合地基。

2.4射水成孔袋装碎石桩复合地基

在高含水量的软粘土地基中，采用射水器射水成孔，用土工织物袋围在地基中设置碎石桩，形成袋装碎石桩复合地基；印度曾采用一种板条外用粗金属丝分节捆扎维护的袋装碎石桩。袋装碎石桩主要是为了增加碎石桩四周的约束力。

2.5强夯置换碎石桩复合地基

强夯置换法近年来得到发展。利用重锤夯击成孔，回填碎石等坚硬材料后夯击密实，边夯边填碎石，不断置换，使之形成深度为3~6m，直径为2m左右的碎石桩体，与周围土体形成碎石桩复合地基。

3碎石桩复合地基的工程特性及作用

碎石桩沿轴向是可以变径的，随地基土层强度不同所形成的桩径也不同。虽然碎石桩的刚度较周围地基土的刚度大，但它在受力过程中可以适应较大的变形，是一种柔性桩。碎石桩必须与周围土体共同作用才能显其作用，它是嵌固在土体中的散粒体桩，当碎石桩顶部受到荷载作用时，桩体产生侧向膨胀，而周围土体会阻止其侧向膨胀，从而与周围土体共同作用，达到改善软弱土地基的目的。另外碎石桩的透水性较好，具有良好的排水作用，能加速软土地基的固结。碎石桩的上述特点决定了碎石桩复合地基具有以下工程特性：

3.1沉降量明显减小：由于碎石桩的刚度比周围土体的刚度大得多，碎石对土体的置换作用，使得复合地基的变形模量比天然地基的变形模量有较大提高；同时复合地基作为一个复合土层，相当于在软土地基上形成了一层硬壳，这个硬壳层象垫层一样能起到压力扩散和均布作用。另外，由于碎石桩的桩径随地基土的强度不同而不同，因此将原来不均匀的地基，通过制成不同桩径的桩，使强度不均匀的天然地基变成了强度比较均匀的复合地基，从而减少地基的不均匀沉降。

3.2具有较高的承载力：复合地基是由两种不同刚度的碎石和土体组成，当复合地基受到外力作用时，将发生压力重新分布，从而导致部分压力向刚度较大的碎石桩体上集中，这种压力集中现象必将显著提高地基承载力，减少其沉降量。

3.3排水效果显著：由于碎石的透水性较好，因此振冲碎石桩复合地基的排水性能也得以改善，这为加速软土地基固结，减少地基的工后沉降提供了重要条件。

3.4抗剪性能较好：碎石桩本身的抗剪强度大于软土的抗剪强度，同时软土与碎石桩合成的复合体，其抗剪强度也有相当大的增加，从而改善了复合地基的抗剪性能，这也就提高了地基的稳定性。

上述碎石桩复合地基的工程特性决定了其有如下的作用：

3.5桩体作用：碎石桩复合地基中桩体的刚度比桩间土体大，在荷载作用下，为了保持桩土变形协调，在桩体产生应力集中现象，桩体中的竖向应力将大于桩间土中的竖向应力。在刚性基础下，桩体和桩间土竖向位移相等，比柔性基础下应力集中程度还要高。应力集中现象使桩体承担较大比例的荷载，并通过桩体将荷载直接传递到较深的土层，桩间土应力相应减小。随着桩体刚度的提高，其桩体效用发挥更加明显。

3.6垫层作用：复合地基中的复合土体，宏观地看，其力学性能比原地基好。在荷载作用下，复合土体能起到应力分布均匀，增大应力扩散角的作用。

3.7排水减压效用：砂土液化机理研究表明，当饱和松砂受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时，体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，当砂土液化被触发后，地基抗剪强度急剧下降，形成完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石为粗颗粒料，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道，可以有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土液化，并加速地基排水固结。

3.8挤密作用：对挤密碎石桩，由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙比减小，密实度增大；在灌注碎石后的振动、反插也使周围土体受到挤密，并且很多碎石骨料也被挤入土中。这种强制性的挤密使得砂土的相对密实度显著增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地基承载力和抗液化能力大幅度提高。

3.9加筋作用：在下覆层设置碎石桩，由于碎石桩的模量大于桩间土模量，因此起到加筋作用。在坡角外一定范围内设置碎石桩，使得复合地基的内摩擦角增大，抗剪强度提高，有效地抑制地基的侧向位移。在地震荷载作用下，坡角范围内的碎石桩在起排水作用的同时其加筋作用增强土体稳定性也明显体现出来。

上述五种作用使碎石桩复合地基在提高地基承载力，改善地基的变形特性，减小建筑物在荷载作用下可能发生的沉降和不均匀沉降，改善地基抗液化性能等方面具有较大的潜力和灵活性。

4工程实例

4.1工程概况