碎石桩施工工法解读

碎石桩（gravel pile） ，   是散体桩的一种，以无粘结强度的碎石（卵石）为主要材料，用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石（卵石）挤压入土孔中，形成大直径的碎石所构成的密实桩体，由碎石（卵石）桩和桩间土组成的复合地基加固桩。

按其制桩工艺可分为   振冲（湿法）碎石桩和干法碎石桩两大类。采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩或湿法碎石桩。采用各种无水冲工艺（如干振、振挤、锤击等）制成的碎石桩统称为干法碎石桩。当以砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等为填充料制成的桩称为砂石桩。

图1  碎石桩施工示意图1  

图2  碎石桩施工示意图2  

振动水冲法是1937年由 德国凯勒公司 设计制造出的具有现代振冲器雏形的机具，用来挤密砂石地基获得成功。   20世纪60年代初，振冲法开始用来加固粘性土地基，由于用料是碎石，故称为碎石桩。    

我国应用 振冲法始于1977年。   因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限制，且有软化土的作用。   于是从20世纪80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生，如锤击法、振挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石桩置换法等。  

图3  振动沉管碎石桩施工  

图4  强夯置换碎石桩施工  

 

图5  碎石桩1  

图6  碎石桩2  

 

碎石桩在软土地基的应用

所谓软土地基是指压缩层主要有淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。软土地基在我国分布十分广泛，特别是在东南沿海一带。所以正确处理软土地基是目前我国公路施工中的重要一环。  

所谓碎石桩法是指一种在软弱地基上修筑路堤等构筑物时所用的加固地基的方法，根据地基加固的目的，可分为碎石排水井法与碎石桩法。碎石桩法在缺少级配良好的砂子地区，已经得到普遍应用。加固后的地基土能满足承载力和变形的要求及抗液化的要求，制成的碎石桩是一个良好的排水通道，可降低今后该地区发生地震时的超孔隙水压力。因此，碎石桩地基处理方法自引入我国以来，在大量的工业、民用建筑和水利交通工程地基加固方面迅速推广，取得了良好的的效果。

   

一

振冲法对软土加固作用

 

 

  所谓振冲法是振动水冲法的简称。它是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机后带动偏心块，使振冲器产生高频振动，同时开动水泵，使高压水通过喷射高压水流，在边振边冲的联合作用下，将振冲器沉到土中的预定深度，经过清孔后，就可以从地面向孔中逐渐填入碎石每段填料均在振动作用下被振挤密实，达到所要求的密实度后提升振冲器，如此重复，填料和振密，直至地面，从而在地基中形成一根大直径的很密实的桩体。从而达到加固软基的效果。    

 

 

1. 对粘性土的加固机理  

对于粘性土地基（特别是饱和软土），由于土的粘粒含量多，粒间结合力很强，渗透性低，在振动力的作用下土中水不易排走，所以碎石桩的作用不是使地基挤密，而是置换。施工时通过振冲器借助其自重，水平振动力和高压水将粘性土变成泥浆水排出孔外形成略大于振冲器直径的孔，在成孔中灌入碎石料，并在振冲器的侧向力作用下，将碎石挤入周围孔中，形成具有一定密实度和直径大的桩体，它与原粘土构成复合地基而共同工作。由于碎石桩的刚度比桩周围粘性土的刚度大的多，而地基中应力按材料变形模量进行重新分布。因此，大部分荷载将由碎石桩承担，桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩土应力比，一般为3～5，虽然没有提高粘性土的承载力但整个地基的承载力得以提高了。  

碎石桩有时也用来提高土坡的抗滑能力。   这时桩体的作用象一般阻滑桩那样是提高土体的抗剪强度，迫使滑动面向远离坡面，向深处转移。  
 
 

2. 对砂性土的加固机理  

碎石桩在砂土中主要起挤密作用，主要目的是提高地基土承载力，减少变形和增加抗液化性。碎石桩施工时使饱和松散的砂土颗粒在强烈的高频强迫振动下重新排列致密，且在振孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密度增加，孔隙率降低，干土重度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地基承载力大幅度提高（一般可提高2～5倍）。另外，由于地基宽度显著增加，相对密度也相应提高，因此抗液化的性能也得到了改善。    

 

二

碎石桩的施工及质量控制

 

1.碎石桩的施工  

（1）施工机具介绍  

主要机具是振冲器、吊机或施工专用平车和水泵。  

目前主要振冲器有ZCQ-13，ZCQ-30和ZCQ-55三种，其中ZCQ-30是目前常用的机具。  

（2）施工准备工作  

①三通一平  

施工现场的三通一平是指水通、电通、料通和平整场地，这是施工能否顺利进行的重要保证。  

水通是指一方面要保证供应施工中所需的水量，另一方面也要把施工中产生的泥水开沟引走。压力水由水泵送出通过胶管进入各个振动器的水管。水压需400～600KPa，同时应注意施工中应尽量做到水的重复使用。  

所谓电通是指施工中需要有三相和单相两种电源。两者缺一不可，且电压不能太高，但也不能过低，约在±20v之间。  

料通是指应在加固区附近设置若干个堆料场，且要保证运料线路尽可能短且畅通，同时又不干扰工作线路。料通还包括要有足够多数量，尽量不要发生停工等料现象。  

②桩的定位  

平整场地后，测量地面高程，加固区的高程宜为设计桩顶高程以上1m。如果这一高程低于地下水位，需配备降水设施或适当提高地面高程。最后按桩位设计图在现场用小木桩标出桩位，桩位偏差不得大于3cm。首先将振冲器对准桩位，要求振冲器要垂直落下，且不可出现倾斜现象，否则会偏位和损坏方向节。对好桩位后再次开动水源，电源检查它们是否正常。(ECQ-30振冲器的额定电流为60A，空载电流为25A。)  

③振冲成孔  

一切准备好后，开动振冲器同时启动吊车，使振冲器下降，振冲器开孔后，在孔口附近应扩孔。振冲器下降成孔过程应有必要的停留振剂固壁的步骤，同时在施工一定要控制好下降速度，一般控制在1～2m/min左右。成孔水压要保持在60N/cm2以上，工作时可根据要求减小水量，但不得停水，防止泥砂倒灌入水管，然而在接近孔底标高时水压适当减小。每贯入1m，振冲器要提起悬留振冲5～8s时间，待泥浆溢出时再继续贯入。泥浆溢出孔口流入泥浆池内，用专用运输车及时运走，当振冲至设计桩底标高以上30cm时，将振冲器提到孔口，提升速度2～3m/min，再往下沉至孔底，重复1～2次。既起到清孔的作用又达到扩孔的目的。  

（3）碎石桩的制作  

①填料方式  

在地基成孔后，按要求往孔内加填料。过去有三种加料方式，第一种是把振冲器提出孔口，往孔内倒入约1m堆高的填料，然后下降振冲器使填料振实。而后重复进行此操作。第二种是振冲器不提出孔口，只是向上提升约1m左右，然后向孔口倒料，再下降振冲器使填料振实。第三种是边把振冲器缓慢向上提升，边在孔口连续加料。就粘性土地基来说，多数采用第一种加料方式，因为后两种方式桩体质量不易保证。  

②桩的施工顺序  

桩的施工顺序一般采用“由里内外”或“一边推向另一边”的方式，因这样有利于挤走部分软土。如果“由外向里”制桩，中心区的桩很难做好。对抗剪强度很低的软粘土地基，为减少制桩时对原土的扰动，宜用间隔跳打的方式施工。  

③制桩操作步骤  

所谓操作步骤亦指碎石桩施工过程，它包括成孔、清孔、加料和振密，步骤如下：  

第一步：将振冲器对准桩位，开水开电，检查水压、电压和振冲器的空载电流值是否正常。  

第二步：启动施工车或吊机的卷扬机，使振动器以1-2m/min的速度在土层中下沉。下沉时注意不要使电流值超过电机额定值。因为电流值的变化定性地反映出土的强度变化。一旦超过，说明土的强度太大，此时必须采用相应措施以使土松动，而后继续进行。  

第三步：当振冲器达到设计加固深度以上30～50cm，开始将振冲器往上提，直至孔口。  

第四步：重复2、3步骤一至二次。如孔上有泥块堵住，应把它挖去。最后，将振冲器停在设计加固深度以上30～50cm处清孔。  

第五步：清孔一二分钟后，往孔内倒0.15～0.5的碎石，然后用振冲器振密实。同时有部分石料挤入孔壁中得以加固。如此重复上述步骤，一根桩体也就自下而上形成了。  

另外，在填料过程中做到“连续填料，多填慢震”，经过反复地填料及震冲，使得碎石挤压密实成桩。在填料震冲时，密实电流应达到50～60A，水压也应达到60～80N/cm攩2搅，留震时间应大于30s。当振冲器工作时，振冲器电机的电流超过规定值时(50～60)，能自动报警--电铃发出音响，此时提醒操作者应将振冲器向上提起。振实质量由密实电流控制。施工时应注意做好记录，既填好制桩统计图。内容有：桩号、制桩深度、填料量、时间和完成日期。

 

2.施工质量控制  

抓好两个控制，一个管理：施工质量的控制，施工进度的控制，加强现场施工管理。振冲碎石桩的质量最主要的应以桩体充分密实为原则，它与成孔的进度、填料量、留振时间密切相关，只有在一定的填料量的情况下，才能达到一定的密实电流。也需要一定的留振时间，才能把填料振冲成桩。  

要严格把好材料质量关，所以在选碎石时，应按设计要求选择碎石粒径，一般选2～4cm的碎石，并且要级配适中，其最大不得超过5cm，因为，粒径大不振实，同时对机具不利。碎石含泥量不得超过10%。另外。对每根桩的填料量也要进行认真的核实和控制。在施工中应注意在成孔时因出现振冲器受到阻碍，电流值会突然上升，现场警铃不断发出响声，遇到这种情况，不要误认为是正确的，应进行认真地分析原因，查明原因后采取相应措施，同时反复振冲几次，直到电流表上电流值趋于稳定时为止，然后方可继续施工。  

 

注意事项：  

（1）振冲器在土层深处不得断电停振。所以施工前了解供电情况，必要时可自备发电机。  

（2）成孔困难，振冲器不易沉入。主要是水压不够，应加大水压。上层较硬时水压应增大，下降速度应更慢，水压要保持6～8kg/cm2，在现场管路上应装阀门以调节水压水量。  

（3）密实电流长期达不到。通常采取的措施的减小水压。适当增加每次的填料量。反复振冲几次，使其符合密实电流值。  

（4）施工现场四周如有其它原有建筑物，施工时应注意原有建筑物是否出现裂缝或沉陷情况。  

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