碎石樁在甘泉堡神信鐵路專用線軟土地基處理中的應(yīng)用

吳玉明

摘 要：在新疆甘泉堡神信鐵路路基設(shè)計(jì)中，大范圍采用碎石樁處理軟土地基，并取得了成功，較好地解決了鐵路穿越甘泉堡地區(qū)大面積軟土地基的問題。文章結(jié)合試驗(yàn)段路基，闡述了碎石樁處理軟土地基的加固原理，介紹了碎石樁處理軟土地基的設(shè)計(jì)、施工工藝及質(zhì)量檢測，通過軟土地基處理前后檢測結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)碎石樁處理軟土地基的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為該地區(qū)其它類似工程的設(shè)計(jì)與施工有較好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：軟土地基；碎石樁；施工工藝；質(zhì)量檢測

1 碎石樁處理軟土地基的加固原理

碎石樁加固軟土地基主要是與天然軟土地基形成一種復(fù)合地基，從而提高地基承載力、減少沉降量、提高地基土體的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)了地基土地的抗滑穩(wěn)定性。碎石樁對(duì)軟土地基的加固作用主要有置換、擠密、振密、排水、墊層及加筋等。

1.1 置換作用

通過成樁機(jī)械將不良地基強(qiáng)制排開并置換，以性能良好的砂石來替換不良的軟弱粘性土。而碎石樁的剛度比樁間土的剛度大，在荷載作用下，為了保持樁土變性的協(xié)調(diào)，地基中的應(yīng)力向樁身發(fā)生集中，從而相應(yīng)減小了樁間土承受的應(yīng)力，使復(fù)合土體的承載力較原地基有所提高，沉降量得到下降。樁的置換作用的大小主要取決于樁間土對(duì)樁體的約束力。

1.2 擠密作用

下沉樁管時(shí)樁管對(duì)周圍土體產(chǎn)生很大的橫向壓力，將土體中等于樁管體積的土擠向周圍土體使之密實(shí)；灌注碎石后振動(dòng)、反插也使周圍土體受到擠密，從而提高了地基強(qiáng)度。側(cè)向約束力對(duì)碎石樁性狀影響至關(guān)重要，如樁側(cè)土對(duì)碎石柱的約束力很小，不但形不成應(yīng)力向樁體集中，而且還影響碎石樁對(duì)樁間土的擠密作用。

1.3 振密作用

碎石樁主要靠樁的擠密和施工中的振動(dòng)作用使樁周圍土的密度增大，從而使地基的承載能力提高，壓縮性降低。當(dāng)被加固土為液化地基時(shí)，由于土的空隙比減小、密實(shí)度提高，可有效消除土的液化。

1.4 排水作用

在軟粘土中，碎石樁是粘性土地基中一個(gè)良好的排水通道，碎石樁的反濾性和滲透性都比較好，它能起到排水砂井的作用，使得土體固結(jié)排水路徑大大縮短，固結(jié)速度大大提高。

1.5 墊層作用

對(duì)于較厚的軟弱土層中，碎石樁不能穿透整個(gè)土層，加固過的地基部分對(duì)于下臥層起到墊層的作用，墊層將荷載擴(kuò)散，使擴(kuò)散到下臥層頂面的應(yīng)力減弱并使分布趨于均勻，從而提高地基的整體抵抗力，減小其沉降量。

1.6 加筋作用

對(duì)于厚度不大的軟弱土層，碎石樁可以穿透整個(gè)軟弱土層并置于其下的硬底層上，樁體在外荷載的作用下就會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使樁間土承擔(dān)的壓力相應(yīng)減小，復(fù)合地基的承載力會(huì)提高，壓縮量會(huì)減小，穩(wěn)定性會(huì)得到加強(qiáng)，沉降速率會(huì)加快，可以提高土體抗剪強(qiáng)度，加固后的復(fù)合樁土層能改善土坡的穩(wěn)定，像抗滑樁一樣迫使滑動(dòng)面遠(yuǎn)離坡面、向深處轉(zhuǎn)移，這種加固作用即通常所說的加筋作用。

2 工程實(shí)例

2.1 概述

新疆甘泉堡神信鐵路專用線全長43km，其中路基長42.2km。線路多穿越農(nóng)田區(qū)和水庫邊緣，沿線特殊巖土主要為軟土（個(gè)別地段同時(shí)具有地震液化現(xiàn)象），長度累計(jì)達(dá)10.7km，約占路基長度的25%，軟土地基處理是本線路基工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，通過反復(fù)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較后，對(duì)本線軟土地基主要采用碎石樁進(jìn)行加固處理，全線碎石樁長度達(dá)90萬延米。下面選取本線碎石樁試驗(yàn)性施工段DK14+500～DK14+700段作為工程實(shí)例來介紹碎石樁的設(shè)計(jì)、施工及檢測。

2.2 工程地質(zhì)

2.2.1 工點(diǎn)位于沖、洪積平原，地勢南高北低，地形較平坦。本段主要為耕地，種植作物為枸杞，地表植被發(fā)育，交通條件較好。工點(diǎn)范圍地層主要為第四系全新統(tǒng)至上更新統(tǒng)沖、洪積粉土、軟粉土。

（1）粉土（Q3-4al2+pl2）：工點(diǎn)范圍內(nèi)的主要地層，層厚大于10m。褐黃色，土質(zhì)均一，粉感較重，稍密-中密，稍濕-飽和，Ⅱ級(jí)普通土，σ0=120Kpa。

（2）軟粉土（Q3-4al2+pl2）：分布于全段范圍內(nèi)，下伏于粉土，頂板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮濕-飽和，稍密，Ps=440～800kPa，Ⅱ級(jí)普通土，σ0=60～80Kpa。

2.2.2 不良地質(zhì)及特殊巖土。不良地質(zhì)主要為地震液化現(xiàn)象，工點(diǎn)范圍內(nèi)地下水埋深2～4m，地下水位至15m深度間為地震液化層。特殊巖土為軟粉土及松軟土。

（1）軟粉土。下伏于粉土，頂板埋深1～2m，厚度1.5～4m，潮濕-飽和，稍密，Ps=440～800kPa，σ0=60～80Kpa。根據(jù)初定測土工試驗(yàn)資料，其物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：e=0.755，ρ=2.01g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=13.1kPa，φ=13.1°，Cv=1.25x10-3cm2/s，CH=1.25x10-3m2/s，φcu=27.7°。

硬殼物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：e=0.693，ρ=1.9g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=12.6kPa，φ=23.0°，Cv=1.40x10-3cm2/s，CH=1.40x10-3cm2/s。

硬底物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：e=0.53，ρ=2.1g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=22.5kPa，φ=24.0°，Cv=1.82x10-3cm2/s，CH=1.82x10-3cm2/s。

（2）松軟土。下伏于軟粉土層，厚度1～3m，稍密，Ps=840～1450kPa，σ0=90～100kPa。松軟土（水位下）物理力學(xué)指標(biāo)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：e=0.757，ρ=2.03g/cm3，ρs=2.70g/cm3，c=14.1kPa，φ=15.2°，Cv=1.52x10-3cm2/s，CH=1.52x10-3cm2/s，φcu=27.7°。

2.2.3 水文地質(zhì)特征。地下水位第四系孔隙潛水，地下水位埋深2～4m，水質(zhì)較差，環(huán)境作用等級(jí)分別為H2、L2。

2.2.4 地震。地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，地震基本烈度七度。

2.3 方案設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)。（1）《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10001-2005，《鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10035-2006，《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》TB10106-2010。（2）地基存在軟土及地震液化現(xiàn)象，根據(jù)穩(wěn)定性檢算及沉降計(jì)算，地基加固處理之前路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.17、沉降為0.37m，采用碎石樁加固處理后路堤的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.18、沉降為0.22m。

2.3.2 工程措施。（1）路堤基底采用碎石樁加固處理，碎石樁按正三角形（梅花形）布置，樁間距S=1.6m，樁徑d=0.8m，樁長L按軟土地基處理縱斷面圖中所示樁底高程控制，處理寬度為路堤坡腳外不小于2.0m，碎石樁樁頂與路堤基底之間設(shè)置厚0.5m厚的卵礫石墊層，墊層內(nèi)夾鋪兩層經(jīng)編雙向土工格柵，其極限抗拉強(qiáng)度不小于120kN/m，延伸率不大于10%。（2）碎石樁樁體材料應(yīng)采用不易風(fēng)化的性能穩(wěn)定的硬質(zhì)碎石或卵石，含泥量不大于5%，沉管法施工粒徑宜為20～50mm，振沖法施工粒徑宜為20～150mm。（3）碎石樁宜從中間向外圍施工，采用沉管法施工時(shí)樁位水平偏差不應(yīng)大于0.3倍套管外徑，套管垂直偏差不應(yīng)大于1%。施工過程中，各段樁體應(yīng)符合密實(shí)電流、填料量及留振時(shí)間三方面的規(guī)定。（4）碎石樁施工后，應(yīng)將地表以下松散土層挖除或夯壓密實(shí)后，鋪設(shè)卵礫石墊層及格柵。

2.4 碎石樁施工工藝。（1）清理平整施工場地，測量放樣，布置樁位；（2）移動(dòng)樁機(jī)及塔架，把樁機(jī)或樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位；（3）啟動(dòng)振動(dòng)錘，把樁管下沉到設(shè)計(jì)的深度；（4）在下沉過程中的同時(shí)或在下沉到設(shè)計(jì)的深度后，向樁管內(nèi)加入規(guī)定數(shù)量的碎石料；（5）通過空壓機(jī)向樁管內(nèi)充氣，當(dāng)樁管內(nèi)的充氣氣壓達(dá)到樁長所要求的對(duì)應(yīng)的壓力后，停止充氣；（6）啟動(dòng)振動(dòng)器，把樁管提升1～2m，在提升的過程中，樁管的出料活門在氣壓及碎石料的重力作用下自動(dòng)打開，樁管內(nèi)碎石料在氣壓和重力作用下流入鉆孔中；（7）降落樁管，利用振動(dòng)或及樁尖的擠壓作用使碎石密實(shí)；（8）重復(fù)5、6、7三步驟，其中，在步驟5中，充氣的氣壓根據(jù)變化的樁長進(jìn)行調(diào)節(jié)；（9）當(dāng)樁機(jī)內(nèi)碎石料用到規(guī)定程度時(shí)，再向樁管內(nèi)添加碎石料，重復(fù)5、6、7三步驟；（10）樁管提至碎石樁設(shè)計(jì)頂標(biāo)高，制樁完成。

2.5 碎石樁施工參數(shù)

（1）填料量：直徑80cm，碎石樁0.6m3/m；（2）留振時(shí)間20S；（3）空振電流和振密電流：根據(jù)進(jìn)場機(jī)械設(shè)備功率，振密電流與空振電流相減差值不小于30A；（4）反插次數(shù)：每提升1.5～2.5m反插1次；（5）提升速度1.5～2.5m/min。

2.6 碎石樁質(zhì)量檢測

碎石樁施工結(jié)束后，應(yīng)間隔14～21天后進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)執(zhí)行《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》（TB 10106-2010）中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行單樁復(fù)合地基承載力載荷試驗(yàn)和樁身密實(shí)度重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)。單樁復(fù)合地基承載力檢測采用載荷試驗(yàn)方法（快速維持荷載法），樁身密實(shí)度檢測采用重型圓錐動(dòng)力觸探方法（N63.5）。

2.6.1 單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)

表1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)匯總表

（2）載荷試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)。荷載共分8級(jí)施加，壓板應(yīng)力按每級(jí)30kpa等量遞增，第一級(jí)壓板應(yīng)力為40kPa最大壓板應(yīng)力250kPa，最大有效荷載630KN，壓重平臺(tái)堆載800KN。

（3）載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。取P-S曲線上S/D=15‰處（P為壓板應(yīng)力；S為地基沉降量；D為壓板直徑）所對(duì)應(yīng)的壓力值和最大有效荷載的一半，兩值的較小值為碎石樁復(fù)合地基承載力。本次載荷試驗(yàn)點(diǎn)復(fù)合地基承載力不小于125kPa。

2.6.2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

受樁間土地質(zhì)特征、施工質(zhì)量、成樁恢復(fù)期、碎石料粒徑等因素的影響，實(shí)測重型動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)N63.5離散性比較大，因此，采用重型動(dòng)力觸探判定樁身密實(shí)度是否合格還應(yīng)該結(jié)合載荷試驗(yàn)結(jié)果綜合確定，檢測數(shù)據(jù)如下表2所示。

表2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

2.7 檢測結(jié)果分析

按擬定的施工參數(shù)和技術(shù)工藝施工，試驗(yàn)性施工段碎石樁復(fù)合地基承載力大于120kPa，滿足設(shè)計(jì)要求；直徑80cm的碎石樁樁身密實(shí)度可以達(dá)到稍密、局部中密。檢測結(jié)果表明：

（1）碎石樁處理軟土地基后，復(fù)合地基基本承載力得到了有效的提高，達(dá)到了提高承載力的目的。

（2）重型動(dòng)力觸探結(jié)果表明：實(shí)測樁身整體重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)N63.5均大于5擊，樁身密實(shí)度整體評(píng)價(jià)為稍密至中密，結(jié)合載荷試驗(yàn)結(jié)果綜合判定樁身密實(shí)度校正后臨界合格錘擊數(shù)為7擊/10厘米，表明已經(jīng)消除液化。

3 結(jié)束語

3.1 采用碎石樁處理軟土地基，可以改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，加速軟土地基排水固結(jié)的速度，沉降得到有效控制，使軟土地基承載力大大的提高，同時(shí)對(duì)地基土的液化有明顯的處理效果。

3.2 本次試樁結(jié)論為本項(xiàng)目其它軟土地段展開大面積的碎石樁施工提供了成功的施工參數(shù)和施工工藝，采用碎石樁處理軟土地基值得在新疆甘泉堡地區(qū)鐵路工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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