浅析碎石桩加固松软地基处理的作用

浅析碎石桩加固处理松软地基的作用

泉州南惠高速公路NHA5驻地监理办王庆新

一、前言

在我国沿海及内陆地区广泛分布着软弱粘性土层及夹砂层。由这些土形成的地基在构筑物及外部荷载作用（列车、地震等）下会产生较大的沉降，而且沉降持续时间较长，这对工后沉降要求高的地基（如建筑物、涵洞基底等）很难满足。另外，对于松散的砂层，在地震等外部荷载作用下可能会发生震动液化，造成地基下沉量聚增，这对构筑物的使用来说是不安全的。泉州南惠工程要求，涵洞部位工后沉降量S≤20cm，因此，在涵洞前后范围内进行地基加固，碎石桩就是其中一种。

碎石桩，是处理软弱地基的一种经济、简单、有效的方法。对于松砂地基，可通过挤压、振动等作用，使松砂达到密实，从而增加地基承载力，降低孔隙比，减少建筑物沉降，并提高砂基抗震动液化的能力；用于处理软粘土地基，可起到置换和排水的作用，加速土的固结，形成置换桩与固结后软粘土的复合地基，显著地提高地基抗剪强度。这种桩施工机具常规，操作工艺简单，场地干净，可就地使用廉价地材，加速进度、降低工程成本，应用较为广泛。

泉州南惠工程NHA5合同段K32+017～050、K32+548～619，设计碎石桩桩径0.6m、桩长5m、间距1.6m，共14965延米。该地地处缓丘地带，地势平缓，浅部为灰黄色中粗砂，灰黄色松散、厚约2～6m，下为残破积砂质粘性土、硬塑、厚约3.～7m，下伏花岗岩，我驻地办根椐碎石桩施工原理，通过试桩，针对施工中出现问题给以解决，不断完善工艺，总结出碎桩加固松软地基处理的一些方法和作用，现浅析如下：

二、施工方法特点和作用

1、本工法直接利用ZJK-100型高效能振动打桩机为成孔设备，并利用其振动下压的作用使碎石桩桩体被挤密振密，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土产生的振动超过孔隙水压力，使水迅速地由碎石桩底排除，桩体起到置换与排水的作用。

2、本工法针对松软砂粘土中砂夹层较厚的情况，试桩过程中曾试着用预制钢筋砼桩尖代替活瓣桩尖，但效果不甚明显，后仍采用施工方便的活瓣桩尖。

3、本工法对地质条件尤其敏感，针对不同的地质条件，施工时不同桩段采用不同的施工参数来控制，且施工参数由现场试桩来确定。

三、适用范围

本工法适用于地下水位较低的松散砂土、粉土、黏性土、素填土、杂填土。对灵敏度高的软弱粘性土，当其天然结构受扰动破坏后，土的强度下降，压缩系数增大，压缩模量降低，短期内难以恢复，效果较差，不宜使用。

四、工艺原理

不同的地质条件，其加固机理不相同。

对松散砂土地基，疏松的单粒结构间孔隙较大，颗粒位置不稳定，在动载或静载作用下很容易发生位移，因而会产生较大的变形。特别是在振动荷载作用下（如地震、列车振动）更为显著，其体积可减小20％。所以，疏松的砂性土在未经处理的情况下不能作为建筑地基。碎石桩加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承载力和变形模量，并增强抗液化性。其抗液化的加固机理有下列三个方面：

1、挤密效应

砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化，并重新排列致密，且在桩孔中填入大量的粗骨料后，被强大的水平力挤入周围土层中，使砂土的相对密度增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能得以改善，使地基承载力大幅度提高，因此抗液化的性能得到改善。

2、排水减压效应

碎石桩桩内充填反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并加快地基的排水固结。

3、预震效应

经试验，在一定的循环次数下，当两试样的相对密度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46％。从而得出了砂土液化的特性，除了与土的相对密度有关外，还与其振动应变史有关的结论。在振动法施工中，振动器以每分钟1150次的振动频率，12.1m/s2的垂直加速度和400KN激振力沉入土中时，使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。

对粘性土地基(特别是饱和粘土)，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透性低，在振动力或挤压力作用下，土中水不易排走，所以碎石桩不是使地基挤密，而是置换。由于碎石桩较桩周土的刚度大，而地基中应力按材料的变形模量进行重新分配，因此，大部分荷载将由碎石桩承担。这样，经碎石桩处理后，地基的沉降量自然比天然土的沉降量要小很多。

成桩过程中，由于振动、挤压等扰动的原因，桩间土会出现较大的附加孔隙水压力，从而导致原地基土的强度降低。若土的灵敏度较高，则需在较长时间后才能恢复强度。

如果在选用碎石材料时考虑级配，则所形成的碎石桩是粘性土地基中的一个良好排水通道，它能起到排水砂井的作用，且大大缩短了超孔隙水的水平向渗透途径，加速软土固结，使沉降稳定加快。

由于碎石桩属于散体材料桩，承受荷载后会产生径向变形，并引起桩周土产生被动抗力。如果粘性土的强度过低，不能提供碎石桩体足够的反力，桩体就会产生鼓胀破坏，这样将会影响加固效果。

如果软弱土层很厚，桩体可不贯穿整个软弱层，这时加固的复合土层起垫层作用，从而提高地基承载力和减小地基变形。

另外，经碎石桩处理后的地基，其抗剪强度同样得到提高，这时碎石桩起到“加筋”作用。

不论对松散砂土、杂填土或松软砂粘土，碎石桩加固地基均有挤密、置换、排水、垫层和加筋等五种作用，只是对不同的地层各种作用所占的重要性不一样。

五、工艺流程

本工法为振动成桩的重复压拔管法，整体工艺流程如下：

1、地面处理：清除地表种植土，碾压平整场地后换填细粒土路拱，以利今后地基水的排出。填筑路拱横坡根据设计要求而定，但不宜小于2％。填筑宽度不小于路堤加护道底宽。

2、桩位施放：根据相关资料布置矩形控制网，再根据控制网布设细部桩位。经相关技术人员检查无误后方可进行施工，放样后先铺一层30cm砂砾。

3、桩机就位：将导管活瓣桩尖关闭后对准桩位，调平机身，调整导管纵横向的垂直度，确保导管垂直度偏差不大于1.5%。

4、桩管下沉：启动激振器，使导管在自重及振动力作用下贯入土层至设计深度。下沉过程中注意观察电流表读数变化。密实电流达到80～120A，若电流突然增大，需停止下沉，待情况查明后方可继续施工，以防电机被烧坏。

5、加入粗骨料：每次加料量不宜过多，遵循“少吃多餐”的原则，每斗加入量控制在0.5~1.0M3。尤其当加料量快接近设计用量时，更应严格控制加料量。

6、振动拔管、下压、振密：根据试桩确定的工艺性参数来控制每次拔管高度、下压高度和停拔继振时间。当激振器的工作电流达到密实电流时迅速上拔导管，再继续加料、振密，如此反复直至孔口。每提升1m导管反插30cm，留振10～20s,拔管速度1～2m/min，停止振动，立即向管内装入规定数量的碎石，灌满沉管。

拔管过程中，要根据已加入量和已拔管高度来控制能否继续上拔，严防无料时拔管造成“断桩”和“缩颈桩”的发生。

7、桩机移位

成桩后，关闭激振器，移至下一桩位。

8、成桩检测

对松砂地基，由于其超孔隙水压力消散很快，一般成桩后3 ~5天便可检测；对松软砂粘土或软弱粘性土地基，由于其超孔隙水压力消散很慢，扰动后强度恢复需要一段时间，一般需要3~4周时间后方可检测。对碎石桩，成桩一周后进行复合地基承载力和动力触探试验。

9、铺设砂砾垫层：碎石桩经检测合格后，平整场地，然后铺设余下的20cm砂砾垫层。

10、碎石桩成桩工艺流程图如下所示。