挤密碎石桩在高速公路软基处理中的应用

1 概述
　　粉性和砂性土地基在我国沿海和江河冲积平原地区大量分布，这种土的变形、承载力和液化问题受到了工程界的普遍关注。目前对加固软土地基所采用的方法有粉喷桩、振冲碎石桩、砂桩等，但随着环保要求的不断提高，其中振冲碎石桩正逐渐被振动沉管挤密碎石桩所代替。
　　振动沉管挤密碎石桩是利用振动式打桩机，使沉管不断振动和反插，制成密实的碎石桩柱体，碎石桩与桩周土互相挤密，形成碎石桩复合地基。由于碎石桩强度比原地基高，又使桩周土互相挤密，这样形成的复合地基就具有较高的强度和较小的压缩性，达到加固软土地基的目的。
　　某高速公路填土路基穿过多年淤积河流地段的农田，路基端与2公里长的桥头相接，该路基系为高填土路基，高有10m左右。高填土路基在地面处产生较大的应力，而该段地基的地质情况如图2(a)所示，显然地基承载力不能满足要求，需做加固处理。按照图纸设计要求，碎石桩加固桩位采用正三角形布置，呈梅花形，桩径为φ0.5m，桩长为7.5～8.5m，间距为1.3m，见图1。
　　2 挤密碎石桩的加固机理及加密效果的计算
　　2.1 加固机理
　　干振挤密碎石桩通过机械振动挤压成孔，并将碎石压入软土中，使原状土受挤压产生径向位移，土体颗粒重新排列，土的孔隙减小，密实度提高，同时碎石桩还置换了一部分软土，形成碎石桩柱。碎石桩是柔性的离散体，它承受竖向作用力发生径向膨胀时，桩周围的土体具有明显的约束作用。按等量变形原则，桩及桩周土构成复合地基，共同承受上部荷载，由于桩体的压缩模量比桩间土大，所以通过基础传给复合地基的外加压力，随桩及桩间土的等量压缩，应力会集中到桩体上，桩间土应力相应减少，因此比天然地基具有更大的承载力和抗剪强度，从而使建筑物的整体沉降量和差异沉降量显著减少。同时，还由于桩柱体形成了垂直排水通道而加快地基的排水固结作用，从而加快地基沉降。
　　2.2 加密效果的计算
　　2.2.1 复合地基承载力计算
　　假定桩和桩间土是共同作用的，在外荷载作用下，桩与桩间土满足变形协调条件，根据力的平衡原理，建立方程：
　　P0A0=PsAs+PtAt
　　P0、Ps、Pt分别是复合地基、加固后桩间土和碎石桩的承载力。
　　令A0=As+At，η=Pt/Ps，a=At/A0，得到：
　　P0=Ps[1+(η-1)a]
　　同理根据等应变条件，可得到：
　　E=[1+(η-1)a]Es
　　Es是加固后桩间土的变形模量。
　　2.2.2 桩间土加密效果的计算
　　图1为本工程的布桩情况，桩距为L，桩径为d，则单桩处理范围为图示正六角形所示。
　　设加固层土体初始厚度为h0、土层初始化平均孔隙比为e0、加固后土层竖向变形量为s、加固后达到的平均孔隙比为e1，则加固后土层发生的体积应变为：
　　ε=△v/v0=(e0-e1)/(1+e0)
　　对三角形布桩而言v0=L2h0/2。
　　则△ｖ=v0=L2h0 ………………（1）
　　△v应等于碎石桩体侧向排土挤密引起的体积减少值和土层竖向发生振密变形而引起的体积减少值之和。
　　对三角形布桩：
　　△v=d2（h0-s）+L2s/2 …………………（2）
　　式（1）应等于式（2）
L2h0=+
　　整理后可得：
　　e1=e0-（1+e0）
　　e1值越小，表示加密效果越好，桩周土密度越高，也即加固后Ps和Es值越高，这样根据计算得到的e1值可大致分析出挤密碎石桩加固地基的效果。
　　3 挤密碎石桩施工
　　3.1 机械性能
　　采用DZ60—JY120t型静压沉管灌注桩机施工，机上配备一台45EKS型振动锤，锤重3790kg，输出功率45kW，额定电流120A，最大压桩力可达1200kN，采用直径φ480mm桩管，下面为平底活页式桩尖。
　　3.2 施工准备
　　施工前先将场地清理整平，清除场地内石块、杂草及树根等，然后根据设计铺设砂砾垫层，进行施工放样，确定桩位及桩号。
3.3 施工工艺
　　施工顺序应从两侧向中心进行，相邻两根桩必须跳跃间打。首先桩机就位，校正桩管垂直度及桩长标志。开始边振动、边下沉，直至设计深度。后稍提升桩管，使桩尖打开，停止振动，灌料（按总方数的1/2）。然后启动拔管，边振动、边拔管，每拔管1m，留振1min，至桩管内碎石全部投完时，进行数次反插。进行第2次投料（按总方数的1/2）。启动拔管，边振动、边拔管，每拔管1m，留振1min，至桩管拔出地面。再提升桩管，高于地面，停止振动，按设计数量从孔口补足填料。最后启动反插，孔口加压至前机架抬起，完成一根桩的施工。
　　3.4 质量控制
　　（1） 严格质量要求，确保桩机就位准确，桩管垂直。
　　（2） 施工人员要跟班作业，严格按工艺的每道工序进行施工，并保证每m管桩0.255m3的填料投灌。
　　（3） 应按照“挤密碎石桩穿透软土层并深入持力层内50cm”的原则来施工。
　　（4） 因地表下约2m处有一层厚2.6～3.7m的卵石层，鉴于卵石层厚度不均，以及粒径的差异，致使部分碎石桩无法达到设计深度，故规定：如果加压振动至前机架抬起(工作电流≥100A)，并且持续3min仍无进尺，此时可以停止振压，按实际下沉的深度计算填料数量。
　　4 检测
　　4.1 场地土层情况
　　该段地表为耕植土，厚度为0.3m左右。第2层为高液限粘土，稍湿、含少量砂砾、厚度为0.8～1.0m。第3层为软土层，浅灰黑色、软塑～流塑、饱和、含少量砂、厚度为0.7～0.9m。第4层为卵石层，浅灰色、饱和、中密、厚2.6～3.7m。第5层为软土层，灰黑色、饱和、流塑状、厚度为1.6～4.5m。第6层为卵石层，卵石层下有全风化花岗岩或残积亚粘土层。
　　4.2 试验方法由设计院、监理提出的要求和技术标准，进行单桩和复合地基静荷载试验，以及动力触探Ⅱ检验。具体数据如表1所示。
　　根据设计院技术要求和国家规范规定，静载试验采用慢速维持荷载沉降相对稳定法。加载系统采用液压千斤顶,试验压板采用圆形板，单桩压板直径为φ0.5m、面积为0.196m2，复合地基压板直径为φ1.365m、面积为1.462m2。反力系统采用重平台堆沙荷载法加载，加载量由精密压力表控制，板顶沉降量由百分表读数。动力触探Ⅱ检测采用北京探矿机械厂生产的XJ—100型油压钻机，锤重63.5kg，探头直径φ50mm。
　　4.3 试验结果及分析
　　本次对0237号桩加载至135kN时,沉降量急剧增大，且未达到稳定，故终止加载。经综合分析，取其前一级荷载120kN为该桩的竖向极限承载力值，故其承载力基本值f0=60kN；对0127号、0241号和0439号桩加载至150kN；对0209号桩加载至165kN，且达到相对稳定时，各桩沉降量未见急骤增大，且Q～S曲线均尚规则，故0127号、0241号和0439号桩的竖向极限承载力值为不小于150kN，其承载力基本值f0≥75kN；0209号桩的竖向极限承载力值为不小于165kN，其承载力基本值f0≥83kN。对各组复台地基加载至600kN（0210号桩加至700kN），压板底土未见明显的侧向挤出，沉降量未见急剧增大，且Q～S曲线均尚规则。根据交通部一勘院的“试桩技术要求”和JGJ79-91规范的有关规定，取s/d=0.02所对应的荷载为各组复合地基的承裁力基本值，即：
　　0426号 f0=290kN
　　0108号 f0=410kN
　　0411号 f0=355kN
　　0205号 f0=395kN
　　0210号 f0=340kN
　　经换算各单桩和各组复合地基的承载力基本值分别为：
　　单桩 　　复合地基　　0237号f0=306kN 0426号f0=198kN 　　0127号f0≥382kN 0108号f0=280kN 　　0241号f0≥382kN 0411号f0=242kN 　　0439号f0≥382kN 0205号f0=270kN 　　0209号f0≥382kN 0210号f0=232kN
　　5根单桩承载力基本值的平均值为375kN，各单桩承载力基本值均未超过其平均值的30%，因此，取其承载力基本值的平均值为单桩承载力的标准值，即：fk=375kN>设计值300kN。5组复合地基承载力基本值的平均值为244kN，各级复合地基承载力基本值均未超过其平均值的30%，因此取其承载力基本值的平均值为复合地基承载力的标准值，即fk=244kN>设计值150kN。
　　动探Ⅱ检测结果表明，N63.5的贯入击数大小至少与桩周土的性质有关，其土层越好反映的贯入击数相对越高。
　　5 结语
　　经过现场施工、试验以及理论分析，可得到挤密碎石桩加固软土地基的过程为：a挤密，桩管下沉对桩间土产生横向挤压，从而使桩间土得到挤密；b振密，桩管在下沉和上拔过程中对桩周土产生振动，施加动荷载，从而使桩间土密度得到一定程度的提高。所以用挤密碎石桩加固软土地基时，密实的碎石桩置换地基土后强度得到提高，同时由于桩周土互相挤密，使桩间土强度比原有地基更有所提高。
　　振动沉管挤密碎石桩在该高速公路软土地基加固工程中，所测的几组单桩承载力和复合地基承载力均满足设计承载力的要求，其设计、施工及质量的控制是成功的。