振沖碎石樁法加固軟弱地基技術應用研究

摘 要：在公路工程施工的過程中，經常會遇到與地基加固有關的工程問題。為了推廣交通建設中的振沖碎石樁法加固軟弱地基技術，本文根據近年來對碎石樁加固軟弱地基技術的應用和研究，對其加固原理以及設計、施工和檢測等進行全面的總結，以供參考。

關鍵詞：振沖碎石樁法；軟弱地基；施工

中圖分類號：TV54 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0100-03

Research on the Application of Vibro Replacement Stone

Column Method to Reinforce Soft Foundation

CHEN Rui

（Branch Office of Zheng-luo Section， Henan Zhongyuan Experssway Co.， Ltd.，

Xuchang Henan 461000）

Abstract： In the course of highway engineering construction， the engineering problems related to foundation reinforcement are often encountered. In order to popularize the vibro replacement stone pile method to reinforce soft foundation in traffic construction， based on the application and research of gravel pile strengthening soft foundation technology in recent years， the reinforcement principle， design， construction and detection were summarized in this paper.

Keywords： vibro replacement stone column；soft foundation；construction

1 振沖碎石樁法加固軟弱地基的原理

振沖碎石樁法加固砂類土地基，主要是通過振沖器的強力震動，迫使飽和砂層發生液化，砂顆粒重新緊密排列，孔隙減少。同時，依靠振沖器的水平動力，在施加碎石填料的情況下，使砂類土地基擠密，該方法又被稱為振沖擠密法[1]。對于黏性土地基而言，主要是通過振沖法置換部分軟土，加速地基土的排水固結，達到提高由碎石樁和樁間土構成的復合地基承載力的目的，該方法又被稱為振沖置換樁[2]。

2 振沖碎石樁法加固軟弱地基的設計

2.1 一般設計原則

對于加固范圍、樁點布置形式及樁距、樁徑、樁長、填料及施工質量控制參數等設計遵循以下原則。

2.1.1 加固范圍。一般按結構物的基礎形式確定，如為獨立基礎，加固范圍一般不超出基地面積；若為條形基礎，可適當超出基地面積；浮筏、板式、十字交叉或柔性基礎，一般按整個結構物基礎外輪廓線范圍內滿堂加固，并在此范圍外再加兩三排保護樁[3]。

2.1.2 樁點布置形式及間距。依基礎形式選定，獨立基礎或條形基礎宜選用正方形或矩形布置樁點；對于大面積滿堂加固的基礎，應選擇等邊三角形布置樁點。樁點距一般為1.5～2.5m，具體確定時應遵循荷載大、原地基土強度低的取小值的原則，特別是樁長不能穿過軟弱土層時更應取小值，否則取大值[4]。需要注意的是，當加固區臨近有加固經驗時，可參照已有經驗確定樁距，否則應在施工前通過試樁確定最佳樁距。

2.1.3 樁長設計。樁長是指基礎墊層以下的實際樁長。應依照巖土工程勘察報告，視軟弱土層的埋深、厚度及墊層底部標高來確定。當軟弱土層厚度較薄、埋深較淺時，樁長應穿過軟弱層，抵達下部相對較硬的持力層0.5～2.0m，最大樁長不宜超過10.0m[5]。當軟弱土層厚度較大，最大樁長不能穿過軟弱層時，復合地基起墊層作用，樁長不宜小于4.0m[6]。

2.1.4 填料與樁徑。按常用75kW振沖器的能量，填料（碎石）的粒徑不應大于50mm，一般選擇20～40mm為宜。樁徑與振沖器直徑、地基土的類型等有關，若使用直徑為500mm振沖錘，在硬塑的黏性土層制樁時，樁徑約600mm；在可塑、軟可塑黏性土段制樁時，樁徑達600～800mm；若在軟土或粉土段制樁，樁徑可達800～1 500mm[7]。同時，由于施工時振沖器下降的速度、水壓振密電流、留振時間不同，即使地基土的類別、強度相近，其樁徑也會不同。為此，只能控制最小樁徑設計為≥600mm。

一般加固區總填料可按下式估算：

Q=[（n×h）×q]×k （1）

式（1）中，Q為總填料量（m3）；n為總樁根數；h為單樁長度（自然地面算起，m）；q為按理論樁徑0.8m計算的每延長米填料量（m3/m）；k為填料附加系數，一般取1.35。

2.1.5 試樁設計。在無設計和施工經驗的場地做加固設計時，應做試樁設計。其設計內容除進行不同樁距的試制樁及效果檢驗外，還應對制樁工藝及最佳施工參數進行選擇[8]。

2.2 碎石樁單樁與復合地基承載力計算

2.2.1 單樁極限承載力計算。碎石樁承載力的發揮主要是依靠周圍土體提供的側向約束力，根據傳遞機理可將碎石樁視作一個三軸壓縮試驗中的圓柱試樣，確定單樁承載力的方法可分為兩大類：一類是圓筒形孔腔擴張理論，另一類是被動土壓力理論。本文采用被動土壓力理論中Braums法計算碎石樁單樁極限承載力。

假設極限平衡區位于樁頂附近，滑面呈漏斗形，樁的破壞長度h=2rotanδp（ro為樁的半徑）；τM=0，σQ=0；不計地基土和樁身自重。導出如下單樁極限承載力計算公式：

qfp=tan2δp×2Cu/sin2σ×[（tanδp/tanσ）+1] （2）

式（2）中，qfp為單樁極限承載力（kPa）；δp為碎石剪切角（°），δp=45°+φ/2；Cu為地基土不排水抗剪強度（kPa），可用十字板現場剪切試驗取得；σ為滑動面與水平面夾角（°），可按tanδp=0.5tanσ（tan2σ-1）計算取得。碎石樁的內摩擦角一般取35°～40°，假定內摩擦角φ=38°，用試算法求得σ=61°，qfp=20.8Cu。

2.2.2 復合地基容許承載力計算。復合地基在荷載作用下，應力將向碎石集中，其平衡方程為：

σoAo=σPAP+σSAS （3）

式（3）中，σo為復合地基極限承載力（kPa）；σP為碎石樁單樁極限承載力（kPa）；σS為樁間土極限承載力（kPa）；Ao為加固單元面積（m2）；AP為碎石樁單樁斷面積（m2）；AS為加固單元面積中樁間土所占面積（m2）。

求得復合地基極限承載力后，再除以2.0～2.5的系數，即可作為最終復合地基容許承載力R值。

3 振沖碎石樁法加固軟弱地基的施工

振沖振沖碎石樁法施工過程主要涉及施工機具、試樁、施工準備、碎石樁制作和施工質量控制等方面。振沖法對中、粗砂和礫石地基采取不加填料就地振密的方法，對粉細砂或黏土地基則采用加碎石填料振密的方法制成碎石樁[9]。

3.1 制樁作業步驟

①吊起振沖錘對準孔位，開泵通水，啟動振沖錘，并檢查振沖器空轉時電流是否正常；②成孔，即將振沖器以1～2m/min的速度下沉造孔，至預定深度；③沖孔，即當振沖器下沉至加固深度以上0.3～0.5m處，應停止振沖，水泵繼續給水沖孔，直至泥漿變稀達到能填料設計標準為止；④填料制樁，即每次填料以堆積孔底1.0m左右厚為原則（0.3～0.5m3），寧少勿多。每填料一次振沖振密一次，此時水壓應調小至200kPa左右，每次填料量、振密電流、振密時間和振密深度、厚度均要做好記錄[10]。

3.2 填料方式

目前國內有3種填料方式：①把振沖器提出孔口填料，然后振密，再提出孔口、填料，再振密，依次循環直至制樁完成；②振沖器不提出孔口，在造孔完成后，只將振沖器向上提升1～2m，然后填料，再下降振沖器振密填料；③一邊振沖器緩慢提升，一邊在孔口向下投料[11]。對于黏土地基加固宜采用第一種方式，對于砂土宜采用第二種或第三種方式。

3.3 施工順序

對于一般黏性土、砂土地基的加固，宜采用由里向外或由一邊向另一邊推進的施工順序；對于軟黏土地基，宜采用間隔跳打法；當臨區有已建結構物時，宜先打臨近結構物一側的碎石樁，然后向另一側推進。

3.4 施工質量控制

對碎石樁施工質量的控制，主要是對水、電、料三項因素的控制。其控制值應因土質的不同而異，一般以現場試樁結果確定。

3.4.1 水的控制。主要是控制水的壓力和水量。以在造孔、制樁中水應始終充滿孔為原則；水壓在造孔時大，制樁時小，土強度高者大，土強度低者小等為原則加以控制[12]。

3.4.2 電的控制。主要指制樁振密時密實電流的控制，密實電流以空載時電流值10～15A為低限值，一般在樁低取低限值，向上逐漸增大，其值隨樁周圍土體對填料的約束力大小而變化[13]。

3.4.3 填料的控制。按既定的填料方式填料，對每次的填料量和總填料量進行控制。嚴格控制填料質量，填料粒徑不能超過50mm，碎石采用新鮮巖石，不得有風化巖，含土量應小于10%等[14]。

4 結語

隨著經濟建設的快速發展，基礎設施建設隨之增多，優良地質地段隨之越來越少。在不良地質地段，采用碎石擠密樁法加固處理工程中軟弱地基具有施工機具少、施工工藝簡單、加固費用低、工期短等一系列優點，有利于廣泛應用于一般工業與民用建筑地基加固。但是，這種方法也有適用范圍，如果被加固土體的不排水抗剪強度低于19.6kPa，無法成樁，則不宜采用振沖碎石樁法。

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