對公路工程軟基加固施工中碎石樁技術(shù)應用的研究
2015-06-01
1 公路施工中碎石樁的加固原理
碎石樁是指振動、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)成的密實樁體,以提高軟土地基的整體抗剪強度, 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, 以防止沙土振動液 化 ; 2) 形成強度高的擠密碎石樁 , 提高了地基的強度與承載力; 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碎石樁體, 碎石樁與粘性土形成復合地基, 共同承擔上部荷載, 提高了地基承載力和整體穩(wěn)定性。
?、谏喜亢奢d產(chǎn)生對碎石樁的應力集中, 減小粘性土的應力, 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)計計算
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。碎石樁的間距應通過現(xiàn)場試驗確定。對粉土和砂土地基, 不宜大于碎石樁直徑的 4.5 倍; 對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)外緣擴大 1 排～3 排?？梢夯鼗? 在基礎(chǔ)外緣擴大寬度不應小于可液化土層厚度的 1/2, 并不應小于 5m。
2.4 加固深度
①當松軟土層厚度不大時, 碎石樁樁長宜穿過松軟底層;
?、诋斔绍浲翆雍穸容^大時, 對按穩(wěn)定性控制折工程, 碎石樁樁長慶不小于最危險滑動面以下2m 的深度;對變形控制的工程, 碎石樁樁長應滿足處理后地基變形量不超過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對可液化地基, 碎石樁樁長應按要求的抗震處理深度確定;
?、芩槭瘶稑堕L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)的填料量應通過現(xiàn)場試驗確定, 估算時可按設(shè)計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)量應根據(jù)現(xiàn)場具體情況予以增減。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
碎石樁復合地基的承載力, 應通過現(xiàn)場復合地基載荷試驗確定, 初步設(shè)計時, 也可通過下列方法估算：
fspk=mfpk+(1-m)fsk
m =
其中, fspk 為碎石樁復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
的處理地基面積的等效圓直徑m 。
2.7 變形計算
碎 石 樁 地 基 的 變 形 計 算 , 應 按 現(xiàn) 行GB5007 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。復合土層的壓縮模量可按下式計算:
Esp=[1+m(n-1)]Es
其中, Esp 為復合土層壓縮模量, MPa; Es為樁間土壓縮模量, MPa, 宜按當?shù)亟?jīng)驗取值, 如無經(jīng)驗時, 可取天然地基壓縮模量。
3 工程實例
某高等級公路部分所經(jīng)地區(qū)分布有粘質(zhì)黃土、粉質(zhì)粘土、細砂等地層為主, 由于地下水位較高, 地基松軟, 且飽和細砂地震液化層, 路基以填方形式通過, 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, 以滿足高等級公路路基對地基承載力的要求。
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級普通土, σ0=80kPa, 具Ⅰ級非自重濕陷性; 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級普通土, σ0=60kPa～80kPa; 細砂: 厚度 0.5m～1.0m, 黃褐色, 潮濕～飽和, Ⅰ級松土, σ0=150kPa, 飽和細砂為地震可液化層; 卵石土: 厚度大于 3m, 灰色, 飽和, 中密, Ⅲ級硬土, σ0=600kPa。工程范圍內(nèi)地下水埋深 1.0m～1.5m。
4 振動擠密碎石樁施工工藝
4.1 該工程加固處理措施分析
經(jīng)測試驗算, 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, 且下伏飽和細砂層為地震可液化層, 不能滿足路基對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) 清理平整場地, 測量場地平整后的標高, 以便控制樁底、樁頂標高;
2) 測量放樣, 根據(jù)設(shè)計要求對樁位進行平面等邊三角形布置并編號;
3) 大面積施工前, 必須做成樁試驗, 通過試樁得出參數(shù): 每根樁成樁時間需 15min～20min, 碎石投入量按下式計算: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; K 為碎石樁的充盈系數(shù), K≥1.15;
4) 機械設(shè)備采用 DZ40-60 系列走管式振動沉樁機, 移動樁機就位, 保證垂直度要求, 施工時電動沉管機在人工的配合下找準樁位, 人工閉合活瓣式樁尖后開始沉樁, 將樁管振動下沉入土層直至達到設(shè)計深度;
5) 在樁管達到設(shè)計深度后, 人工配合裝載機上料, 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。為使擠出樁管下端的碎石更加密實, 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
1) 通過現(xiàn)場成樁試驗檢驗設(shè)計要求和確定施工工藝及施工控制要求, 為滿足試驗及檢測要求, 試樁數(shù)量應不少于 7 個～9 個。正三角形布置時至少需要 7 個( 即中間 1 個周圍 6 個) 。如發(fā)現(xiàn)問題, 則及時會同設(shè)計人員調(diào)整設(shè)計或改進施工。
2) 檢查各項施工記錄, 如有遺漏或不符合規(guī)定要求的樁, 應補做或采取有效的措施。
3) 復合地基的施工質(zhì)量檢驗, 常用的方法有單樁荷載試驗和動力觸探法試驗; 加固效果檢驗, 常用的方法有單樁復合地基荷載試驗和多樁復合地基大型荷載試驗, 碎石樁復合地樁檢驗一般采用較易實施的重Ⅱ型動力觸探法來檢驗, 貫入量 100mm 時, 擊數(shù)應大于 5 次。
采用樁體重型動力觸探與樁間土標準貫入試驗的方法進行檢測, 檢測試驗點位置在施工現(xiàn)場隨即抽取, 檢測量不少于樁孔總數(shù)的 2%。
為保證施工質(zhì)量, 應在施工中詳細地觀測和記錄。觀測內(nèi)容包括樁管下沉隨時間的變化、灌碎石預定數(shù)量與實際數(shù)量、樁管提升和擠壓全過程等。根據(jù)樁管下沉時間曲線可以估計土層的松軟變化隨時間掌握投料數(shù)量。碎石樁樁頂施工時, 由于上覆壓力的減小, 樁頂形成一個松散層, 加載前應挖除或碾壓密實, 有效地發(fā)揮復合地基的作用。
本工程共抽檢碎石成樁共 60 多根, 經(jīng)檢驗, 全部符合要求, 說明施工中采取的處理措施是合理有效的, 復合地基承載力經(jīng)測試達到了設(shè)計要求。
5 結(jié)語
工程實踐表明, 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或地震所產(chǎn)生的液化。
