碎石桩

碎石桩处理软土路基的工程应用及效果分析
摘要：针对某公路软基加固的工程实践，探讨了采用碎石桩处理软弱地基的施工工艺和工程质量控制措施。

现场检测结果说明，该公路软弱地基加固取得了较好的效果，达到了预期的目的。

关键词：软土路基；碎石桩；加固效果
一、碎石桩加固机理
碎石桩，是指用振动、冲击或水中等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的碎石所构成的密实桩体。

从复合地基的理论角度来看，碎石桩处理饱和软弱地基主要有置换和排水两个作用。

碎石桩在软弱地基中成桩后，形成了碎石桩和桩间土组成的复合地基。

密实的碎石桩置换了与桩体体积相同的软弱土，形成的复合地基承载力比原软弱地基承载力高，而变形量则减少了。

由于碎石桩的刚度比桩周粘性土的刚度大，而地基中应力按材料变形模量进行重新分配，因此，在外部荷载作用下，大部分荷载将由碎石桩承担，桩体应力和桩间粘性土应力之比一般为2～4 。

在成桩过程中，由于振动、挤压或扰动等原因，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。

成桩结束后一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复，另一方面孔隙水压力会向桩体转移消散，结果是有效应力增大，强度提高和恢复，甚至超过原土体强度。

如果在选用碎石桩材料时考虑级配，则所制成的碎石桩是粘土地基中一个良好的排水通道，它能起到排水砂井的效能，且大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速软土的排水固结。

干振碎石桩加固地基的实质是把松散的天然地基变成由碎石桩和挤密后的桩间土组成的共同工作的复合地基，其承载力比天然地基可大幅度提高，建筑物沉降可大幅减少。

干振碎石桩除了置换和排水作用外，还有挤密效应、垫层和加筋作用。

由于干振碎石桩主要在非饱和土中采用，在成孔和挤密碎石的过程中，土体在水平激振力的作用下，产生径向位移，其密度提高，孔隙比减小，承载力比加固前提高60％以上，因此，挤密和振密桩问土是复合地基承载力提高的主要因素。

垫层作用主要指在较厚的软弱土层中，碎石桩没有打穿该软弱土层，这样，整个碎石桩复合地基对于没有加固的下卧层起到垫层的作用，经垫层的扩散作用将建筑物传到地基上的附加应力减小，作用于下卧层的附加应力趋于均匀，从而使下卧层的附加应力在允许范围之内，这样就提高了地基的整体抵抗力，减少了沉降。

碎石桩的加筋作用主要指厚度不大的软弱土层，则碎石桩可穿过整个软弱土层达到其下的硬层上面，此时，桩体在外荷载的作用下就会产生一定的应力集中现象，从而使桩间土承担的压力相应减小，其结果与天然地基相比，复合地基的承载力会提高，压缩量会减小，稳定性会得到加强，沉降速率会加快，还可用来改善土体的抗剪强度，加固后的复合桩土层将可以改善土坡的稳定性，这种加固作用即通常所说的加筋作用。

二、碎石桩设计计算
1、桩径
碎石桩的直径可采用300mm～800mm，根据地基土质的情况和成桩设备等因素
确定。

对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。

2、桩间距与桩位布置方式
碎石桩桩位宜采用等边三角形或正方形布置。

碎石桩的间距应通过现场试验确定。

对粉土和砂土地基，不宜大于碎石桩直径的4.5倍；对粘性土地基不宜大于碎石桩直径的3倍。

3、处理范围
碎石桩处理范围大于基底范围，处理宽度宜在基础外缘扩大1排～3排。

可液化
地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。

4、加固深度
①当松软土层厚度不大时，碎石桩桩长宜穿过松软底层；
②当松软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程，碎石桩桩长应不小于最危险
滑动面以下2m的深度；对按变形控制的工程，碎石桩桩长应满足处理后地基变形量不超过建筑物的地基变形容许值，并满足松软土下卧层承载力的要求；
③对可液化地基，碎石桩桩长应按要求的抗震处理深度确定；
④碎石桩桩长不宜小于4m。

5、桩体材料
桩体材料可采用碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料，含泥量不得大于5%，最大粒径不得大于50mm。

碎石桩桩孔内的填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数β确定，β可取1.2～1.4。

如施工中地面有下沉或隆起现象，则填料数量应根据现场具体情况予以增减。

碎石桩桩顶宜铺设一层厚度300mm～500mm的碎石垫层。

6、地基承载力
碎石桩复合地基的承载力，应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时，也可通过下列方法估算：
fspk=mfpk+(1-m)fsk
其中，fspk为碎石桩复合地基承载力特征值，kPa；fpk为桩体承载力特征值，kPa；fpk为处理后桩间土承载力特征值，kPa；d为桩体直径，m；de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m。

7、变形计算
碎石桩地基的变形计算，应按现行G B5007建筑地基基础设计规范有关规定执行。

复合土层的压缩模量可按下式计算:
Esp=[1+m(n-1)]Es
其中，Esp为复合土层压缩模量，MPa；Es为桩间土压缩模量，MPa，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基压缩模量。

8、稳定性计算
当碎石桩用于处理堆载地基时，应进行抗滑稳定性验算(见图1)，采用圆弧滑动面法对复合地基的稳定性进行验算时，滑动面上的抗剪强度τsp由碎石桩的抗剪强度τp和桩间土的抗剪强度τs两部分组成:
图1：计算简图
τsp=τp+τs=m(μpp+γpz)tgφpc os2θ+(1-m)c
其中，μp为碎石桩应力集中系数，p为计算深度z处平均应力；γp为桩体的重度；z为计算深度；φp为桩的内摩擦角；θ为剪切滑动面与水平面的夹角；m为面积置换率；c为桩间土的粘聚力。

桩间土的粘聚力c如不考虑荷载产生固结对桩间土强度的提高，则采用天然地基粘聚力c0；如考虑桩间土上作用垂直应力ps=μs产生固结，则桩间土的强度得到提高: c=c0+psUtgφc u=c0+μsptgφc u其中，μs为应力降低系数，μs=为固结度；φc u为桩间土固结不排水抗剪内摩擦角。

三、工程实例
1、该工程基本地土质状况
某公路段修建时，该工程部分所经地段分布以粘质黄土、粉质粘土、细砂等地层为主，由于地下水位较高、地表水丰富，地基松软且路基以填方形式通过，路堤高度约2~8m，地表为耕地，承载力不能满足路基要求，故采用碎石桩加固地基，以满足该公路路基对地基承载力的要求。

2、该工程加固处理措施分析
经测试验算，该工程天然地基承载力为40kPa～60kPa，地基承载力较低，地下水位埋深为 1.0m～1.5m，地基松软不能满足路基对地基承载力及沉降的要求，综合考虑后采用碎石桩加固地基，以满足了地基承载力及沉降要求。

设计采用碎石桩桩径为0.8m，间距为2.0m，桩位按等边三角形布置，处理宽度为两侧路堤坡脚外3.0m之间范围，碎石桩桩长打穿松软土地层至卵石土层顶面，碎石桩顶部铺设一层厚0.3m碎石垫层。

四、振动挤密碎石桩施工工艺
1、振动挤密碎石桩施工碎石桩施工工艺流程图见下图2:
图2：振动挤密碎石桩施工工艺流程图
主要施工方法如下:
1)清理平整场地，测量场地平整后的标高，以便控制桩底、桩顶标高；
2)测量放样，根据设计要求对桩位进行平面等边三角形布置并编号；
3)大面积施工前，必须做成桩试验，通过试桩得出参数:每根桩成桩时间需15min～20m in，碎石投入量按下式计算:
S=ApLK
其中，S为填碎石量；Ap碎石桩的截面积；L为碎石桩的桩长；K为碎石桩的充盈系数，K≥1.15；
4)机械设备采用DZ40-60系列走管式振动沉桩机，移动桩机就位，保证垂直度要求，施工时电动沉管机在人工的配合下找准桩位，人工闭合活瓣式桩尖后开始沉桩，将桩管振动下沉入土层直至达到设计深度；
5)在桩管达到设计深度后，人工配合装载机上料，向桩管内加入规定数量的碎石料，防止“断桩”和“缩颈”的发生；
6)起拔振动。

为使挤出桩管下端的碎石更加密实，边振边拔，拔管速度要均匀，并控制在1.0m/min～1.5m/min内；
5、结束语
工程实践表明，碎石桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基，其挤密效果较好，不仅可以提高地基承载力、减少地基沉降，而且能防止由于振动所产生的液化。

1.1施工放样
在碎石桩施工前，根据路基宽度和设计参数绘出布桩图。

依布桩图放出施工区域大样，在
每区域按设计桩距进行桩位放样。

1.2查明障碍物
地下有无大块石、树根、地下管线等，空中有无高压线。

障碍物均应事先消除。

1.3施工场地
如果施工地面土质较差、承载力较低时，应铺设卵石垫层，以满足施工机械场地的行走要求。

1.4材料要求
施工前要备足卵石。

卵石使用前按规定进行筛分、含泥量等材质试验，并必须满足卵石含泥量不得大于5%，
粒径为0mm～50mm。

1.5施工机械
桩机由振动锤、振动套管的组成，套管的下端装有底盖，桩管采用底端带有活瓣钢制桩靴
的桩管。

1.6对位
根据设计，确定加固机体的位置，桩机井架上必须设置标尺。

桩机就位时必须调平、稳定，确保在施工中不发生倾斜、移位。

1.7沉管振动下沉
桩管入土深度以设计值为主，以持力层标高相对照为辅。

在套管上标有以0.5m为单位的刻度线可观测沉管深度。

1.8试桩试验：
一方面确定施工时采用的施工参数和最佳的施工工艺，一方面摸清处理效果、制桩的难易
程度及可能出现的问题。

建筑地基处理技术规范
8.3.1 砂石桩施工可采用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等成桩法。

当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法
8.3.2 施工前应进行成桩工艺和成桩挤密试验。

当成桩质量不能满足设计要求时，应在调整设计与施工有关参数后，重新进行试验或改变设计。

8.3.3 振动沉管成桩法施工应根据沉管和挤密情况，控制填砂石量、提升高度和速度、挤压次数和时间、电机的工作电流等。

8.3.4 施工中应选用能顺利出料和有效挤压桩孔内砂石料的桩尖结构。

当采用活瓣桩靴时，对砂土和粉土地基宜选用尖锥型；对粘性土地基宜选用平底型；一次性桩尖可采用混凝土
锥形桩尖。

8.3.5 锤击沉管成桩法施工可采用单管法或双管法。

锤击法挤密应根据锤击的能量，控制分段的填砂石量和成桩的长度。

8.3.6 砂石桩的施工顺序：对砂土地基宜从外围或两侧向中间进行，对粘性土地基宜从中间向外围或隔排施工；在既有建（构）筑物邻近施工时，应背离建（构）筑物方向进行。

8.3.7 施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径；套管垂直度偏差不应大于1%。

8.3.8 砂石桩施工后，应将基底标高下的松散层挖除或夯压密实，随后铺设并压实砂石垫层。

8.4.1 应在施工期间及施工结束后，检查砂石桩的施工记录。

对沉管法，尚应检查套管往复挤压振动次数与时间、套管升降幅度和速度、每次填砂石料量等项施工记录。

8.4.2 施工后应间隔一定时间方可进行质量检验。

对饱和粘性土地基应待孔隙水压力消散后进行，间隔时间不宜少于28d；对粉土、砂土和杂填土地基，不宜少于7d。

8.4.3 砂石桩的施工质量检验可采用单桩载荷试验，对桩体可采用动力触探试验检测，对桩间土可采用标准贯入、静力触探、动力触探或其他原位测试等方法进行检测。

桩间土质量
的检测位置应在等边三角形或正方形的中心。

检测数量不应少于桩孔总数的2%。

8.4.4 砂石桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

8.4.5 复合地基载荷试验数量不应少于总桩数的0.5%，且每个单体建筑不应少于3点。

参考文献:
[1]公路路基施工技术规范.JTGF10-2006.[S].北京:人民交通出版社，2006.
[2]王晓谋，彭怀宇.高等级公路软土地基路堤设计与施工技术[M].北京；人民交
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[3]刘玉卓.公路工程软基处理[M].北京:人民集体出版社，2002.。