高速公路碎石樁工程的設計及施工技術要點

鄒 磊

碎石樁復合地基是在地基中設置由碎石等組成的縱向增強體(樁體)達到加固土體目的形成的復合地基,其具有良好的透水性,可加速地基固結,提高了地基土的承載力,減少了地基的沉降量。并且由于其施工方便、經濟、適用性廣、快速等特點,最近幾年在高速公路工程中也得到了廣泛應用。

1 碎石樁復合地基加固原理

1.1 對松散砂土加固機理

碎石樁加固松散砂土,主要是處理這種地基的液化效應。松散砂土是單粒結構,屬于典型的散粒體,結構穩定性差,在動力和靜力作用下很容易產生位移而失穩、體積減少,形成液化,強度降低。而碎石樁復合地基抗液化的作用主要體現在三個方面:增加樁周砂土的密實度;通過樁體的排水減少砂土中的超靜孔隙水壓力的增長;樁體可分擔地震水平剪應力作用(樁體減震作用)。

1.2 對黏性土的加固機理

1.2.1 置換作用

對于黏性土地基(特別是飽和軟土),由于土的粘粒含量多,粘粒間結合力強,滲透性低,在振動力和擠壓力的作用下土中水不易排走,所以碎石樁的作用不是地基擠密,而是置換。碎石樁置換法是一種換土置換,即以性能良好的碎石來替換不良地基土。由于碎石樁的剛度比樁周黏性土的剛度要大,而地基中應力按材料變形模量進行重新分配。因此,大部分荷載將由碎石樁承擔,樁體應力和樁間黏性土應力之比值稱為樁土應力比,一般取值2～4。碎石樁在施工制樁過程中,因為振動、擠壓及擾動等原因,樁間土與碎石樁之間會發生孔隙水壓力相互轉化,所以對碎石樁的質量檢驗有一個齡期的問題,一般檢測的間隔時間為3周～4周。

1.2.2 排水作用

飽和黏性土的粘粒含量高,滲透性差,抗剪強度低,對碎石樁的約束能力也有限。由于設置了反濾性和濾透性都較好的碎石樁,使得土體固結排水路徑大大縮短,固結速度顯著提高,土體的強度和對樁體的約束能力也得到提高,從而使復合地基的承載力得到提高,使沉降穩定加快。由于碎石樁是散粒體組成,承受荷載后發生徑向變形,并使周圍黏性土產生被動抗力,如果黏性土的強度過低,不能使碎石樁得到所需的徑向約束力,樁體就會產生膨脹破壞,這樣會影響到加固效果。

2 碎石樁復合地基的設計

2.1 平面布置形式

碎石樁一般呈正三角形或梅花形布置,有時也呈正方形布置。

2.2 樁徑

碎石樁的直徑應根據置換率、成樁方法、施工機械能力等因素來確定,直徑一般采用50cm～100cm,最大直徑可達 200cm。

2.3 樁長

1)軟弱土層厚度小于15 m或在該深度以內有較硬的持力層,應將碎石樁樁端置于較硬土層中。2)在可液化土層中,碎石樁樁長應按抗震要求處理的深度來確定。一般規范要求樁長應穿透液化土層,滿足抗震設計要求。3)按穩定性設計的工程,其碎石樁樁長不得小于最危險滑動面以下2.0m。4)按變形沉降設計的工程,碎石樁的長度應滿足使復合地基的沉降量不超過對構筑物地基容許沉降量的要求。

2.4 樁距計算

計算樁距,首先要考慮置換率:

其中,m為碎石樁置換率;a為樁間土承載力的修正系數,砂土一般取1.2～2.0;n為樁與土應力比,一般取2～4;Δfk=fspk-fsko,fspk為復合地基標準承載力;fsko為天然地基標準承載力。

2.5 碎石樁承載力計算

Hughes和Withers(1974年)用極限平衡理論分析,建議按下式計算單樁的極限承載力qfp:

其中,CU為樁間土的不排水抗剪強度。

根據JGJ 79-2002建筑地基處理技術規范,推薦的碎石樁復合地基承載力特征值計算公式為:

其中,fspk為復合地基承載力特征值;fpk為碎石樁單位面積承載力特征值;fsk為處理后樁間土承載力特征值;m為樁土面積置換率。

2.6 碎石樁處理寬度的確定

地震液化后地基分為液化區、過渡區和加固區三個部分,液化破壞主要是由加固區外側的土首先軟化和液化,中間土失去側向支撐力,因此其穩定性計算模型可以按邊坡的穩定性問題來計算。一般碎石樁處理砂土液化,每邊處理寬度不得少于液化層厚度的1/2,并不小于3m,高速公路道路路堤兩側的處理區域應設置到排水溝外緣。

3 工程應用實例

3.1 工程概況

南惠高速公路K52+704～K52+958段,地處緩丘地帶,地勢平緩,淺部為灰黃色中粗砂,灰黃色,松散,厚約2 m～6m,下為殘坡積砂質黏性土,硬塑,厚約3 m～7m,下伏花崗巖,此段砂土層根據《公路工程抗震設計規定》中的有關規定,中砂層會產生嚴重的砂土液化現象。設計采用振動擠密碎石樁,考慮路堤荷載的大小,原土的強度、樁的承載力及施工工藝,設計樁長3 m～6m,樁徑0.6m,樁間凈距原則上不大于2.5d,樁間距按換算成單樁面積確定,樁位平面上按等邊三角形布置。

碎石樁用碎石要求:采用2cm～5cm的級配碎石,最大粒徑不大于8cm,含泥量不得大于 5%。

3.2 施工工藝及要注意的問題

1)碎石樁施工工藝:施工準備(先鋪設砂礫墊層30cm)→布置樁位→樁機就位→開機→沉管造孔→填碎石料→擠密成樁→關機就位。2)施工前必須進行試樁實驗。驗證設計參數和施工控制的有關參數作為碎石樁施工的控制指標,試樁根數一般為9根～16根。3)機械定位及施工順序。沉管機就位后,沉管中心應對準校位,對位誤差不大于20mm。對位后應校正沉管和樁機挺桿垂直度,保證成樁垂直度在1.5%以內。碎石樁屬于擠土樁,為防止樁體散亂不成型,碎石樁施工順序要采取從外向內、螺旋向中心的順序,要跳打以消除相鄰樁的影響,防止樁身傾斜。4)沉管靜壓及控制。沉管時應先靜壓沉管至一定深度,在確定沉管沒有發生偏移后方可啟動振動錘按正常速度下沉。沉管的深度必須嚴格控制達到設計要求。樁管進入可液化層后,每下沉0.5 m留振30s直至設計深度后稍上提沉管,使沉管下端的活瓣尖樁打開,沉管及樁尖外壁真空破壞,減少起拔摩擦阻力。5)填料控制。碎石樁加固地基的效果取決于碎石投入量,即充盈系數必須滿足設計要求。因此采用復打反插法施工,同時施工過程中控制好碎石的密實度,碎石的灌注量不能小于設計量。沉管至設計深度后停機投料,直至裝滿為止。二次投料要采用空中加料,以避免斷樁造成的承載力不夠。

4 結語

碎石擠密樁處理軟土和砂土液化的地基是一種非常可行且經濟的辦法,對地基土的物理性質的改善、軟土的加速固結及沉降的減少、承載力的提高都有明顯的作用。在公路工程中越來越顯示其重要作用。

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