對(duì)公路工程軟基加固施工中碎石樁技術(shù)應(yīng)用的研究
2015-06-01
1 公路施工中碎石樁的加固原理
碎石樁是指振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在松軟土地基中成孔后, 再將碎石擠壓入土孔中, 形成大直徑的由碎石構(gòu)成的密實(shí)樁體,以提高軟土地基的整體抗剪強(qiáng)度, 減少地基沉降。其適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基, 也可用于處理可液化地基。
1.1 沙土類加固機(jī)理――擠密
疏松沙土為單粒結(jié)構(gòu), 孔隙大, 顆粒位置不穩(wěn)定, 在靜力和振動(dòng)作用下, 土粒易位至穩(wěn)定位置, 使孔隙減少而壓密。在擠密碎石樁成樁過(guò)程中, 樁套管擠入沙層, 該處的沙被擠向四周而變密。
擠密碎石樁的加固效果包括: 1) 使松沙地基擠密至小于臨界孔隙比, 以防止沙土振動(dòng)液 化 ; 2) 形成強(qiáng)度高的擠密碎石樁 , 提高了地基的強(qiáng)度與承載力; 3) 加固后大幅度減少地基 沉降 量 ; 4) 擠 密 加 固 后 , 地基呈均勻狀態(tài)。
1.2 粘土性加固原理――置換
碎石樁在粘性土地基中, 主要利用碎石樁本身的強(qiáng)度及其排水效果。其作用包括:
碎石樁置換。在粘性土中形成大直徑密實(shí)碎石樁體, 碎石樁與粘性土形成復(fù)合地基, 共同承擔(dān)上部荷載, 提高了地基承載力和整體穩(wěn)定性。
②上部荷載產(chǎn)生對(duì)碎石樁的應(yīng)力集中, 減小粘性土的應(yīng)力, 從而減少地基的固結(jié)沉降量。經(jīng)碎石樁處理淤泥質(zhì)粘性土地基, 可減少沉降量 20%～30%。③排水固結(jié),碎石樁在粘性土地基中形成排水通道, 因而加快固結(jié)速率
2 碎石樁設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 樁徑
碎石樁的直徑可采用 300mm～800mm,根據(jù)地基土質(zhì)的情況和成樁設(shè)備等因素確定。對(duì)飽和粘性土地基宜選用較大的直徑。
2.2 樁間距與樁位布置方式
碎石樁樁位宜采用等邊三角形或正方形布置。碎石樁的間距應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。對(duì)粉土和砂土地基, 不宜大于碎石樁直徑的 4.5 倍; 對(duì)粘性土地基不宜大于碎石直徑的 3 倍。
2.3 處理范圍
碎石樁處理范圍大于基底范圍, 處理寬度宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大 1 排～3 排?？梢夯鼗? 在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度不應(yīng)小于可液化土層厚度的 1/2, 并不應(yīng)小于 5m。
2.4 加固深度
①當(dāng)松軟土層厚度不大時(shí), 碎石樁樁長(zhǎng)宜穿過(guò)松軟底層;
?、诋?dāng)松軟土層厚度較大時(shí), 對(duì)按穩(wěn)定性控制折工程, 碎石樁樁長(zhǎng)慶不小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2m 的深度;對(duì)變形控制的工程, 碎石樁樁長(zhǎng)應(yīng)滿足處理后地基變形量不超過(guò)建筑物的地基變形容許值, 并滿足松軟土下臥層承載力的要求;
③對(duì)可液化地基, 碎石樁樁長(zhǎng)應(yīng)按要求的抗震處理深度確定;
?、芩槭瘶稑堕L(zhǎng)不宜小于 4m。
2.5 樁體材料
樁體材料可采用碎石、卵石、角礫、圓礫等硬質(zhì)材料, 含泥量不得大于 5%, 最大粒徑
不得大于 50mm。碎石樁樁孔內(nèi)的填料量應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定, 估算時(shí)可按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以充盈系數(shù) β 確定, β 可取 1.2～1.4。如施工中地面有下沉或隆起現(xiàn)象, 則填料數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況予以增減。碎石樁樁頂宜鋪設(shè)一層厚度 300mm～500mm的碎石墊層。
2.6 地基承載力
碎石樁復(fù)合地基的承載力, 應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定, 初步設(shè)計(jì)時(shí), 也可通過(guò)下列方法估算：
fspk=mfpk+(1-m)fsk
m =
其中, fspk 為碎石樁復(fù)合地基承載力特征值, kPa; fpk 為樁體承載力特征值, kPa; fpk 為
處理后樁間土承載力特征值, kPa; m 為面積置換率; d 為樁體直徑, m; de 為 1 根樁分擔(dān)
的處理地基面積的等效圓直徑m 。
2.7 變形計(jì)算
碎 石 樁 地 基 的 變 形 計(jì) 算 , 應(yīng) 按 現(xiàn) 行GB5007 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。復(fù)合土層的壓縮模量可按下式計(jì)算:
Esp=[1+m(n-1)]Es
其中, Esp 為復(fù)合土層壓縮模量, MPa; Es為樁間土壓縮模量, MPa, 宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值, 如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí), 可取天然地基壓縮模量。
3 工程實(shí)例
某高等級(jí)公路部分所經(jīng)地區(qū)分布有粘質(zhì)黃土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂等地層為主, 由于地下水位較高, 地基松軟, 且飽和細(xì)砂地震液化層, 路基以填方形式通過(guò), 路堤高度約 4m, 地表為耕地,承載力不能滿足路基要求, 故采用碎石樁加固地基, 以滿足高等級(jí)公路路基對(duì)地基承載力的要求。
工程范圍內(nèi)主要出露地層為第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)黃土、細(xì)砂、卵石土等, 巖性分述如下: 粘質(zhì)黃土: 分布于公路某段,露于地表, 厚 0.2m～1.0m, 土質(zhì)均勻, 可塑, Ⅱ級(jí)普通土, σ0=80kPa, 具Ⅰ級(jí)非自重濕陷性; 粉質(zhì)粘土: 出露于地表及粘質(zhì)黃土下部, 土質(zhì)均勻, 厚度 1.0m～4.0m, 可塑, Ⅱ級(jí)普通土, σ0=60kPa～80kPa; 細(xì)砂: 厚度 0.5m～1.0m, 黃褐色, 潮濕～飽和, Ⅰ級(jí)松土, σ0=150kPa, 飽和細(xì)砂為地震可液化層; 卵石土: 厚度大于 3m, 灰色, 飽和, 中密, Ⅲ級(jí)硬土, σ0=600kPa。工程范圍內(nèi)地下水埋深 1.0m～1.5m。
4 振動(dòng)擠密碎石樁施工工藝
4.1 該工程加固處理措施分析
經(jīng)測(cè)試驗(yàn)算, 該工程天然地基承載力為60kPa～80kPa, 地基承載力較低, 地下水位埋深為 1.0m～1.5m, 地基松軟, 且下伏飽和細(xì)砂層為地震可液化層, 不能滿足路基對(duì)地基承載力及沉降的要求, 綜合考慮, 可采用碎石樁加固地基, 以滿足地基承載力及沉降的要求。
設(shè)計(jì)采用碎石樁樁徑為0.8m, 間距為2.0m, 樁位按等邊三角形布置, 處理寬度為兩側(cè)路堤坡腳外 3.0m 之間范圍, 碎石樁樁長(zhǎng)打穿松軟土地層至卵石土層頂面, 碎石樁頂部鋪設(shè)一層厚 0.3m 碎石墊層。
4.2 振動(dòng)擠密碎石樁施工碎石樁施工工藝
主要施工方法如下:
1) 清理平整場(chǎng)地, 測(cè)量場(chǎng)地平整后的標(biāo)高, 以便控制樁底、樁頂標(biāo)高;
2) 測(cè)量放樣, 根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)樁位進(jìn)行平面等邊三角形布置并編號(hào);
3) 大面積施工前, 必須做成樁試驗(yàn), 通過(guò)試樁得出參數(shù): 每根樁成樁時(shí)間需 15min～20min, 碎石投入量按下式計(jì)算:S=ApLK
其中, S 為填碎石量; Ap 碎石樁的截面積; L 為碎石樁的樁長(zhǎng); K 為碎石樁的充盈系數(shù), K≥1.15;
4) 機(jī)械設(shè)備采用 DZ40-60 系列走管式振動(dòng)沉樁機(jī), 移動(dòng)樁機(jī)就位, 保證垂直度要求, 施工時(shí)電動(dòng)沉管機(jī)在人工的配合下找準(zhǔn)樁位, 人工閉合活瓣式樁尖后開始沉樁, 將樁管振動(dòng)下沉入土層直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度;
5) 在樁管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后, 人工配合裝載機(jī)上料, 向樁管內(nèi)加入規(guī)定數(shù)量的碎石料, 防止“斷樁”和“縮頸”的發(fā)生;
6) 起拔振動(dòng)。為使擠出樁管下端的碎石更加密實(shí), 邊振邊拔, 拔管速度要均勻, 并控制在 1.0m/min～1.5m/min 內(nèi);
4.3 施工質(zhì)量檢驗(yàn)
1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)要求和確定施工工藝及施工控制要求, 為滿足試驗(yàn)及檢測(cè)要求, 試樁數(shù)量應(yīng)不少于 7 個(gè)～9 個(gè)。正三角形布置時(shí)至少需要 7 個(gè)( 即中間 1 個(gè)周圍 6 個(gè)) 。如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題, 則及時(shí)會(huì)同設(shè)計(jì)人員調(diào)整設(shè)計(jì)或改進(jìn)施工。
2) 檢查各項(xiàng)施工記錄, 如有遺漏或不符合規(guī)定要求的樁, 應(yīng)補(bǔ)做或采取有效的措施。
3) 復(fù)合地基的施工質(zhì)量檢驗(yàn), 常用的方法有單樁荷載試驗(yàn)和動(dòng)力觸探法試驗(yàn); 加固效果檢驗(yàn), 常用的方法有單樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)和多樁復(fù)合地基大型荷載試驗(yàn), 碎石樁復(fù)合地樁檢驗(yàn)一般采用較易實(shí)施的重Ⅱ型動(dòng)力觸探法來(lái)檢驗(yàn), 貫入量 100mm 時(shí), 擊數(shù)應(yīng)大于 5 次。
采用樁體重型動(dòng)力觸探與樁間土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的方法進(jìn)行檢測(cè), 檢測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)位置在施工現(xiàn)場(chǎng)隨即抽取, 檢測(cè)量不少于樁孔總數(shù)的 2%。
為保證施工質(zhì)量, 應(yīng)在施工中詳細(xì)地觀測(cè)和記錄。觀測(cè)內(nèi)容包括樁管下沉隨時(shí)間的變化、灌碎石預(yù)定數(shù)量與實(shí)際數(shù)量、樁管提升和擠壓全過(guò)程等。根據(jù)樁管下沉?xí)r間曲線可以估計(jì)土層的松軟變化隨時(shí)間掌握投料數(shù)量。碎石樁樁頂施工時(shí), 由于上覆壓力的減小, 樁頂形成一個(gè)松散層, 加載前應(yīng)挖除或碾壓密實(shí), 有效地發(fā)揮復(fù)合地基的作用。
本工程共抽檢碎石成樁共 60 多根, 經(jīng)檢驗(yàn), 全部符合要求, 說(shuō)明施工中采取的處理措施是合理有效的, 復(fù)合地基承載力經(jīng)測(cè)試達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
5 結(jié)語(yǔ)
工程實(shí)踐表明, 碎石樁用于處理松散砂土和塑性指數(shù)不高的非飽和粘性土地基, 其擠密效果較好, 不僅可以提高地基承載力、減少地基沉降, 而且能防止由于振動(dòng)或地震所產(chǎn)生的液化。
