碎石樁技術在高速公路軟土地基中的運用

牛 瑞

（山西交通控股集團有限公司運城南高速公路分公司,山西 運城 044000）

0 引言

在高速公路工程施工過程中，常常會遇到軟土地基。因軟土地基的黏度系數小、抗剪強度差、孔隙比小、含水量大，故在外界荷載作用下，軟土地基易出現不均勻沉降問題[1]。為提高軟土地基的抗剪強度與承載能力，加固處理軟土地基是很有必要的。碎石樁是當前一種有效的軟土地基加固技術[2]。基于此，該文就碎石樁技術在高速公路軟土地基中的運用展開了探討，以供同行業者參考。

1 碎石樁技術的定義與加固原理

1.1 碎石樁技術的定義

碎石樁技術是指在軟基加固路段中進行振動成孔，然后在孔中加入預先準備好的碎石，以形成一個較大直徑的碎石樁體。

實際上，碎石樁是散體樁的一種，根據制樁工藝的不同，碎石樁大致可劃分為兩種不同的類型。第一，干法碎石樁，即采用錘擊、振擠、干振等多種無水沖工藝制作形成的碎石樁；第二，振沖(濕法)碎石樁，即采用振動加水沖制樁工藝形成的碎石樁[3]。

在碎石樁施工中，碎石的粒徑應控制在2～6 cm之間，因碎石之間的咬合力非常強，故在成樁后，碎石樁的強度非常高。

1.2 碎石樁技術的加固原理

1.2.1 沙土類的加固原理

在疏松沙土地基中，孔隙率高，疏松沙土為單粒結構，顆粒位置的穩定性較差。疏松沙土在振動、靜力作用下可移動位置，降低孔隙率，提高地基的密實度，最終達到穩定位置。擠密碎石樁在成樁過程中，需在沙層內置入樁套管，進而會擠壓周邊疏松沙，使疏松沙變得更加密實，提高地基的承載能力與強度。經過加固處理后，可降低地基的不均勻沉降量。

1.2.2 黏性土的加固原理

在黏性土地基中采用碎石樁技術，可形成大直徑的碎石樁體，黏性土與碎石樁形成一個復合地基，可提高地基的穩定性與承載能力；在碎石樁中，上部荷載可集中應力，降低黏性土的應力，進而降低地基的固結沉降量。與此同時，在黏性土地基中，碎石樁還可形成排水通道，加快排水固結的速度[4]。

2 工程案例

某一高速公路工程，設計速度80 km/h，雙向四車道，總長度20.5 km。根據地質勘察報告可知，在該工程部分施工路段中分布有細砂土層、粉質黏土層、黏質黃土層等，因地表水較豐富、地下水位較高，地基較松軟，以填方路基為主，路堤高度在2～7 m之間，地表以耕地居多。經過測試驗算后，該工程軟土地基的承載力約為65 kPa，地基承載力較差。綜合考慮后，為提高地基的承載能力，決定采用碎石樁技術加固處理軟土地基。

在該碎石樁施工中，呈等邊三角形設置碎石樁樁位，樁體間距確定為2 m，樁直徑確定為80 cm。在路堤兩側坡腳外3 m之間范圍中設置碎石樁，將碎石樁打入軟土地基，碎石樁樁長應高出卵石土層的頂面，在碎石樁的頂部鋪設30 cm碎石墊層。

3 碎石樁技術的一般要求

第一，為避免出現卡孔現象，選用粒徑＜6 cm的碎石，填料的含泥量小于10%，嚴禁使用易風化的石料，在填料中不得含有任何植物殘體等物質。

第二，精準確定樁位，樁位的誤差不得超出15 cm，碎石樁樁體垂直度的偏差應控制在1.5%之內。

第三，在沉管施工過程中，應掌握好施工節奏，樁管方向確定后，方可按照規定速度進行沉管；在沉管過程中，若遇到可液化層，需將樁管全部打入可液化層，并需繼續下沉5 m、留振30 s，直至液化層完全被沉樁所穿透。

第四，在整個沉樁過程中，若電流＞120 A或難以沉樁時，需立即停止沉樁施工；若在沉樁過程中遇到大孤石，應選用位移處理施工方法。

第五，配置空壓機、振動打樁機、鏟式裝載機、起重機等施工機械，其中振動打樁機是由振動套管、裝砂料斗、振動機等構成的；利用吊鉤、緩沖器進行吊起，沿著導桿，在上、下方向進行移動，套管的下端裝有砂塞或底蓋；配置具有高壓空氣的噴氣裝置，以便于沉入套管或者快速排出碎石。

4 施工要點

4.1 樁位的測量放樣

根據施工要求，精準放線定位樁位，復核施工場地中的控制點、軸線。若復核結果均正確，測量技術人員應利用經緯儀、鋼卷尺，測量放樣樁位，并標記樁位位置，埋設樁尖，樁位測量放樣的誤差不得超出20 mm。樁位定位結束后，應在24 h內進行打樁，在整個施工過程中，應經常復核樁位，提高樁位的定位精準度。

4.2 樁機就位

在樁機就位過程中，沉管應始終保持對中與垂直，樁機機架需始終保持穩固與水平，利用吊錘檢測樁孔的垂直度，樁孔垂直度的偏差應控制在樁長的1.5%之內，樁位誤差不得超出20 cm；在打樁過程中，需隨時檢查樁孔的垂直度[5]。

4.3 振動成孔

樁機就位結束后，應在自由狀態下對正樁位，利用沉管、錘中的自重，首先靜壓1～2 m，然后振動下沉沉管，收緊鋼絲繩，提高沉管的下沉速度。值得注意的是，沉管每下沉50～100 cm時，應留振5～10 s，直至沉管達到設計深度。

4.4 停振灌料

第一，填料的粒徑大小不得超過2～6 cm，并應具有良好的級配，填料的含泥量應小于10%。若填料中含有雜物，受到一定程度的污染，則在投入施工前需沖洗填料。

第二，在投入施工填料前，施工單位需檢查填料，若發現填料出現風化現象，嚴禁用于施工中。

第三，沉管下沉至設計深度后，施工單位需立即進行投料，直至填滿整個樁孔。為避免附著在管壁、孔口的泥土混入樁孔填料中，需徹底清理干凈這些泥土。

第四，在樁孔中投入足夠的填料，其中灌入量應大于0.2 m2/延米；每1個樁的填料量應大于或等于樁孔體積。

4.5 反插補料

第一，灌料結束后，需振動拔管，每次拔管的高度不得超過50～100 cm，然后反向插入樁管30～50 cm，并進行持續振動5～10 s。

第二，反向插入樁管，將所有樁管內的石料投出，在第1次投料中，成樁長度應控制在樁管長度的50%內。

第三，第1次投料結束后，利用料斗進行第2次投料。

第四，從地面上全部拔出樁管后，停止振動，然后在孔口位置處進行投料，直至地面，依次重復以上步驟。

值得注意的是，樁管的反插速度與提升速度需保持均勻，拔管速度控制在1 m/min左右；若樁管需穿過淤泥夾層，需適當降低拔管速度，并且還需降低拔管的反插深度與高度[6]。

4.6 加壓成樁

反插結束且補滿石料后，需收緊加壓鋼絲繩、加壓成樁。在整個加壓成樁過程中，施工單位應嚴格控制樁頂的實際標高。

4.7 施工注意事項

第一，在施工前，需進行成樁試驗，一般設置8根試驗樁體。

第二，為保證樁身的連續性與擠密的均勻性，在施工中，應嚴格根據試樁結果與設計參數來進行施工，并且電流值控制在100 A之內。

第三，起重機需始終保持平穩，導向設備垂直于地面，設計樁位與成孔中心的偏差控制在50 cm以內，樁長與樁徑應大于設計值。

第四，碎石灌入量應大于設計值，若難以下料，可在樁管中加入適量的水。

第五，根據成樁試驗結果，在樁管中加入固定量的碎石料。在投料過程中，嚴禁出現縮頸、斷樁等問題[7]。

第六，根據貫入度與設計標高控制樁長。

第七，觀測與記錄施工全過程，為后續施工提供參考資料。

第八，在碎石樁頂施工過程中，若碎石樁頂的覆壓力變小，易出現松散層，故在剛開始施工過程中，應做好預防措施，適當挖除和壓實碎石樁頂。

5 施工質量控制要點

第一，根據施工圖與業主單位提供的全部控制點資料，施工測量技術人員在施工現場測量放樣所有控制點與碎石樁軸線，并采取相應有效的保護措施，以便復核樁位、控制打樁過程。

第二，因在打樁過程中，碎石樁樁體擠密周邊的土體，在一定程度上影響控制點的放樣位置。故在施工過程中，需復測樁位控制點，一旦樁位控制點的高程發生變化或位移，為避免出現偏大誤差，施工單位需及時調整樁位的標高與坐標。

第三，為了解與掌握施工現場地質的具體情況，判斷制定的施工工藝是否合適、可行，在施工前，施工單位需進行試樁試驗，合理明確成樁施工參數，并將其及時反饋給設計單位與業主單位，根據正常樁施工流程進行試樁試驗。

第四，在進行正式施工時，為保證樁身的連續性與擠密的均勻性，應根據預先確定的施工參數進行施工，包括碎石灌入量、樁徑、樁長、樁間距、樁管提升速度及高度、留振時間、擠壓次數、電機工作電流等[8]。

第五，在整個施工過程中，為確保樁身施工的連續性與擠密的均勻性，應根據沉管和擠密的實際情況，合理控制與調整碎石灌入量、樁徑、樁長、樁間距、樁管提升速度及高度、留振時間、擠壓次數、電機工作電流等各種施工參數；樁管下沉至規定深度后，開始將碎石灌入樁管中，然后使用樁架中的振動器進行上下錘擊，按照1.0～1.5 nm/min的速度緩慢拔出樁管，通過振動，將碎石留在樁孔中，形成碎石擠密樁；為確保擠密與出料的順利進行，應選用適宜的樁尖結構；施工單位需詳細記錄各樁的施工過程，并隨時觀測地面與樁頂是否出現平移或隆起等現象[9]。

第六，嚴格控制碎石灌入量。一般來說，應根據碎石處于中密狀態的干密度、樁孔體積來計算碎石灌入量，不得超過設計值的15%。

第七，碎石樁的施工質量應達到施工質量控制標準，如表1所示。

表1 碎石樁施工質量的控制標準

6 碎石樁技術的驗收方法

第一，碎石樁施工結束后，施工單位應詳細記錄全部的施工數據信息，然后進行2次檢查，檢查記錄資料中是否存在漏項等現象，若存在需及時采取有效措施來解決問題[10]。

第二，檢測黏性土的碎石樁結構，為保證碎石樁的施工質量，宜采用初探法實驗技術與單樁荷載技術。錘擊碎石樁5次后，若地基沉降量達到6 cm，表明碎石樁施工質量滿足施工要求；若地基沉降量在6～12 cm之間，表明碎石樁施工質量不滿足施工要求。在這種情況下，為進一步加固軟土地基，需要進行二次施工。

第三，若地基土層為飽和黏性土，在檢驗前，需消散全部孔隙水壓，間隔時間不得小于28 d；若地基土層為砂土、粉土或者雜填土，間隔時間不得小于7 d。

第四，采用動力觸探法檢測樁體，并需對樁間土進行標貫試驗。

第五，在竣工驗收環節，為檢驗復合地基的承載能力，需進行復合地基載荷試驗，單個樁體至少要檢測3個測點，碎石樁樁體試驗數量至少達到總樁數的0.5%。

在該工程中，通過進行驗收檢測后可知，該工程的路基承載能力得到顯著提高，滿足施工要求。其中，碎石樁工程施工數量如表2所示。

表2 碎石樁工程施工數量表

7 結語

綜上所述，在我國高速公路軟基處理中，碎石樁是一種有效的加固處理技術。碎石樁技術的施工工藝簡單，可對軟土地基起到顯著的加固效果，并提高地基的承載能力。該文以某一高速公路工程為例，對碎石樁技術進行了深入研究，對其他類似工程的軟基處理具有一定的借鑒作用。