碎石桩在湿陷性黄土地基处理中的应用

张 敏

(山西省交通建设质量安全监督局，山西太原 030006)

0 引言

在湿陷性黄土地基的一系列加固措施中，振冲碎石桩法是一种施工工艺简单、加固效果较显著的处理方法，其利用碎石桩体的碎石和桩周地基湿陷性黄土相结合形成复合地基，不但提高了原湿陷性黄土地基的承载能力，同时也减少了地基的下沉量，与粉喷桩、砂井等加固措施相比，具有施工简便、进度快、造价低且行之有效的优势，是目前使用较好的一种加固湿陷性黄土地基的处理方法，工程上已得到广泛应用。

1 加固原理

碎石桩法是指使用冲击或振动荷载将底部装有活瓣式桩靴的桩管挤入需要处理的地层后，通过其在所需处理的地基内部成孔，然后将碎石从桩管顶部的投料口处投入桩管内，采用边向上拔桩管边击实的工艺，使得桩孔内部形成密实的碎石桩，并与桩周的土体一并构成复合地基。

碎石桩的加固原理:

1)通过锤击挤密，使得原地基土与桩体形成复合地基，提高了原地基的整体承载力;

2)通过使用碎石置换了原地基内部的湿陷性黄土，通过相互间的排挤来减少地基的沉降和变形，同时间接提高了地基的承载能力，加固处理后的地基因作用其介质密实度和抗剪性将大为提高，达到对湿陷性黄土地基进行处理的目的。

2 工程地质概况

根据施工现场地质钻探揭露，地层自上而下划分为:①杂填土，以建筑垃圾为主，稍密;②素填土，层厚1.5 m～3.2 m，黄褐，可塑，稍湿;③黄土状土，层厚 5.0 m ～7.5 m，黄褐，可塑，湿，零星蜗牛壳，氧化铁斑块;④中砂，层厚0.8 m～1.2 m，灰黄，稍湿，密实，以石英长石为主，含云母、暗色矿物;⑤粉土，层厚0.5 m～1.0 m，黄灰，湿，中密，以粉粒为主，含云母，稍具韧性;⑥粉质粘土，层厚1.8 m ～2.5 m，黄灰，可塑，湿，云母砂粒，氧化铁条纹，底部 20 cm粉土;⑦中砂，层厚0.5 m ～1.2 m，灰黄，稍湿，密实，以石英长石为主，含云母暗色矿物。

本工程施工场地为严重湿陷性黄土地区，属对建筑物水损害不利地段，为消除地上水和地下水对公路路基的影响，提高天然地基承载力，本次采用振冲碎石桩进行地基处理。

3 施工前准备

3.1 原材料

打桩所投碎石应优先采用石灰石或砾石采用颚式破碎机破碎而成，碎石应洁净、干燥、无风化，具有较高强度，其颗粒形状应具有棱角，并不得掺有软质岩和其他杂质，要求其含泥量不大于5%。本次施工所采用的碎石为粒径为1 cm～3 cm的天然级配石灰岩碎石，最大粒径不大于50 mm。

打桩机械设备采用的是履带式振动沉桩机，自带柴油锤，桩管底部配制活瓣式桩靴，桩管底部配有自制加大料斗，满足单桩所需碎石量。

3.2 施工设计

1)碎石桩长度为6 m～12 m，设计桩径为0.5 m，桩间距为1.4 m，打桩平面上呈梅花形布置(布置区域边界与建筑物基础轮廓线平行);

2)加固宽度应达到坡脚外2 m(不少于1排桩);

3)单桩承载力要求不小于300 kPa，复合地基承载力要求不小于150 kPa。

3.3 试桩

为了保证湿陷性黄土地基处理的质量，同时应对施工机械设备调整保证其施工参数达到最佳，碎石桩在进行大面积施工前必须先进行试桩施工。试桩施工时，应结合施工现场的地形、地质等情况，选择具有代表性的路段，在路基范围外进行碎石桩的试桩施工。

为了使碎石桩的成桩工艺规范化，同时保证碎石桩的地基挤密效果，试桩过程中需要对以下几方面测试项目进行记录和施工效果的比较，主要包括打桩顺序、灌满单桩所需碎石方量、单桩成桩时间、达到处理底层所需深度、拔管时的速率以及挤压时机、次数和时间、试桩成桩质量的检测指标和检测方法等。从而达到使桩体充分密实的各项施工参数，并将其作为后续大面积施工的控制参数和指标。

试桩数量一般宜为9根～16根，应成3×3或4×4布置。施工过程中如不满足施工质量要求应对施工设备进行更换或改装，并改变施工工艺流程，进行不同施工工艺的试桩施工效果的对比，直到所有试桩的质量满足规范要求。

4 施工工艺及施工质量控制

4.1 施工工艺

碎石桩的施工工艺为:原地表和边坡清表→桩机就位→试桩→桩成孔→灌入碎石→桩基验收。具体详细的施工工艺流程如图1所示。

1)首先应施工放样，放样时，用白灰撒点的方法标记桩点位。对施工场地进行清理并整平。对于比较严重的软弱地基，无法支撑打桩机的自重造成打桩机无法在其上就位施工时，可采取铺设一定厚度的碎石垫层。打桩机就位后，应先校正桩管的垂直度保证其不大于1.5%，桩管长度应满足设计桩长的要求。同时，应做好施工场地内的防排水措施;

图1 碎石桩施工工艺流程

2)打桩顺序采取横移退打的方式，自外围侧向中间侧进行。采用汽油锤将打桩机的桩管打入土层，锤击速度宜控制在2 m/min～3 m/min，成孔达到设计标高时，停止锤击;

3)立即往管内灌入碎石，直至管内灌满为止，由于扩孔空间大于管内空间，管顶料斗内应预留一部分碎石。桩身碎石灌入完毕后，采用静止提拔，应缓慢拔管，拔管速度宜为1.2 m/min～1.5 m/min。同时为提高碎石的密实性，每提升1 m应锤击反插一次。并重复进行多次反插，至管内碎石全部投出;

4)当孔口碎石未填满时应进行孔口补料至地表，采用打桩机在孔口加压，以保证孔口碎石的密实性，打桩机移机下位;

5)为提高地基处理的质量和复合地基的整体性，碎石桩施工完毕后，应在其顶部铺设一定厚度的碎石或砂砾垫层。全部处理范围均采用20 t振动压路机重叠轮迹碾压至少2遍。

4.2 施工应注意问题

1)断桩或缩颈。

成桩过程中当地基内部土壤的含水量较大时，打桩机汽油锤的强力振捣会造成土壤进一步液化，或是由于地基底部埋有建筑垃圾、生活垃圾等松散性物质为代表的杂填土，都可能导致打桩机在拔管过程中造成碎石桩的断桩或缩颈现象，影响地基处理效果和施工质量。

因此，应在施工前对施工路段每米深度进行含水量测试，对于含水量大于40%或无法取样进行含水量测试部位，报总监办、管理处进行处理;对于含水量不大于40%的部位，在施工过程中应降低钻进和拔管速度，加强碎石投入量、提升速度和高度、振动力的控制，防止缩颈和断桩的发生。

2)钻孔偏斜。

钻孔偏斜主要是因为钻机安装就位稳定性差，地面松软，作业时钻机安装不稳或钻杆弯曲所致，另外，应保证地下无大的孤石存在。

3)桩孔未填满。

打桩时当桩尖活瓣不能打开，常会造成桩长不够或者灌石量不足的情况。施工时应随时检查桩尖活瓣的能动性和灵活性。

4)承载力不足。

承载力不足的主要原因是设计的桩长施工后未能穿透淤积层，从而形成软弱下卧层，造成处理后的地基承载力不足。施工前应加强地质钻探，对淤积层的深度进行充分了解后，设计的桩长应根据现场实际情况，结合淤积层厚度打桩，将桩基置于坚硬土层或岩层上。

施工过程中应尤其注意以下几个方面:

1)施工过程中应记录打桩顺序、灌满单桩所需碎石方量、单桩成桩时间、达到处理底层所需深度、拔管时的速率以及挤压时机、次数和时间，其中灌满单桩所需碎石方量应由现场试桩确定，设计方量估算时可按桩孔容积乘以一定的充盈系数来确定，充盈系数可取1.2～1.5。如施工过程中地面出现隆起或下沉现象，则填料数量应根据现场具体情况予以调整;

2)机组就位检查桩位桩管直径范围内的地面土质，如遇到较大的硬块，由人工清理后再沉管成桩。如因下部地层不均匀引起的桩管跑偏，应提出桩管，查明原因，向孔内填入较大硬物导顺桩管，确保桩位准确及桩管垂直后再沉管成桩;

3)桩管的提升和反插的速度必须严格控制均匀性，反插应按照由深到浅进行;

4)施工时当打桩进入困难或打桩机架多次顶起时，可认为已穿透湿陷性黄土层达到硬土层或坚硬岩层;

5)对于施工过程中桩管带出的泥土应及时挖除，应保证泥土不得掉入孔内掺入碎石中。

4.3 施工质量检验

1)施工过程中应加强对碎石桩施工质量的把关和监控，如桩距、桩位偏差、桩管垂直度、灌入碎石量、拔管速率、反插等，施工质量检查项目如表1所示。

表1 碎石桩质量检查项目

2)对单桩碎石的灌入量进行检查，灌入量要求不小于0.224 m3/m。

3)碎石桩施工后应隔一段时间后方可进行成桩质量检验，对于湿陷性黄土、粉土、砂土和杂填土地基，一般不宜少于7 d。

4)施工前对桩间土进行标准贯入试验，确定土层的承载力，检验频率不少于总桩数的2%。

5)桩身碎石的密实度检验采用重型动力触探法，对于上述桩间土的标准贯入试验击数达不到要求的点的周围采用动力触探检测2根～3根桩。

6)复合地基承载力检验的数量不少于碎石桩总桩数的0.3%且不少于3点，单桩承载力检验数量不少于总桩数的2%。

5 结语

采用置换碎石桩对于处理湿陷性黄土地基，可消除地基土饱水的液化，提高地基的整体承载力，加固效果非常显著，是一种行之有效的湿陷性黄土地区地基处理方法，建议在类似工程中进行推广应用。碎石桩的施工受多方面因素的影响，施工前应从各方面做好充分的准备，尽可能避免意外情况的发生，这样才能保证湿陷性黄土地基的处理质量。

［1］张艳美，张鸿儒，张旭东，等.碎石桩复合地基抗液化判别方法研究现状与分析［J］.中国安全科学学报，2004，14(8)：29-30.

［2］邱 钰，刘松玉，黄 卫.沉管干振碎石桩对土层振动效应试验研究［J］.中国公路学报，2001，14(4)：41-42.

［3］刘松玉，方 磊，胡学辉.干振碎石桩加固液化地基试验研究［J］.工程地质学报，2000，8(4)：65-66.

［4］朱晓曦.振动挤密碎石桩处理可液化粉土地基试验研究［J］.岩土工程师，1998，10(3)：17-18.

［5］王保田.强夯碎石桩的发展及成桩机理分析［J］.河海大学 学报(自然科学版)，1999，27(6)：59.