干振复合桩在高速公路构造物软基处理中的应用

2012-07-26刘秀芝

铁道建筑 2012年2期

刘秀芝

(中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000)

1 工程概况

铜陵至汤口高速公路第四合同段，全长 9.820 km，处于江南重丘陵区，山高谷深，地形复杂，地面自然坡度大部分在20°以上。沿线低洼地多水塘稻田，地基软弱，构造物分布密集。有1.7 km处于软土地段，以K99+238—K99+358.5段路基为例:K99+252为一个 4.0 m ×4.0 m 暗盖板涵，涵长 47.29 m;K99+358.5为一个 4.0 m ×3.5 m 暗盖板涵，涵长 52.7 m。该段软基地处“两山一洼”地带，软土深度＞5 m，且横向分布极不均匀，平均填高10 m，原设计为清淤换填素土。为保证软基路段路堤的施工安全、营运稳定，经变更设计，采用干振复合桩处理地基。干振桩设计长度平均10 m，共49 478 m，桩顶设置30 cm碎石垫层，1层土工格室。

2 加固机理

干振复合桩的加固机理是比较复杂的。在成孔时，导管的贯入会对周围土体产生挤密和振实作用，桩周土体孔隙率、颗粒排列将得以改善，并产生一定超空隙水压。干料通过振冲方式灌入桩孔内，经机械振捣变得密实，导管拔除后，桩周水在超空隙水压的作用下向桩内渗入。由于干料本身具有较强的吸水性，使干料桩体能在较短时间内获得水化所需水分，同时还因吸水使桩间土脱水固结，土性得以进一步改善。经水化桩体强度得以发展，同时部分活性材料及水化产物在水的作用下游离扩散，在桩周一定区域内的土体进一步固结并形成一定的强度。可见，干振复合桩加固是一个化学、物理及机械综合作用的结果。从原理上可以看出，干振复合桩比目前国内许多软基处理方法有更大的优势，也可以理解为它是综合了多种加固方案的长处而产生的一种既传统又新颖的加固方法。

干振复合桩的优点在于:①施工机具小型化，施工速度快，就位精度高，相对其他复合桩地基而言，其施工工艺较为合理。②干振复合桩既能有效提高桩间土的力学及物理化学性质，还能因为其适中的强度使桩土之间形成理想的桩土应力关系，进而充分发挥桩土间的承载力。③干振复合桩的工程造价较低，一般相同桩体设计强度下，同体积的材料价格为 CFG桩的60%左右;相同地基设计承载力条件下，工程总造价为CFG桩的85%左右。

3 干振桩复合地基处理方案

软土层厚度＞5 m地段，采用干振复合桩地基处理方案，可有效减小其工后沉降。在一般路堤路段、桥坡段、构造物地基路段有不同的处理方法，本文着重介绍构造物地基的处理方案。

为满足涵洞或通道构造物对地基承载力的要求和保证工后沉降符合设计要求，对软土地基进行加固处理。软基路段涵洞必须是整体式基础，并设置三道沉降缝，以增强其抗变形能力。高填方路段属路基病害易发、多发路段，尤其是山区的软基段，一般分布在“两山一洼”地带，为有效增强路基稳定性，进行加筋补强，一般每加铺一层单向土工格栅可使路堤稳定性增加5%～10%。

软土层厚度＞5 m地段，采用干振桩预压处理方案，成桩直径20 cm，在桩顶做30 cm厚碎石垫层，用于调整桩预应力的分布。其中在涵洞、通道加密处理区A区桩顶铺设20 cm厚土工格室装碎石回填、压实，并在涵洞的中轴线对称布桩。加固处理范围，划分B，A，B段3个加固处理区，A区为加密加强处理区，B区为过渡处理区。设计通过调整桩间距的方法控制构造物处与一般路堤段的差异沉降，控制桩长不变。A区的桩顶高程要满足至少高出涵洞基础的底面高程以上50 cm，开挖基坑时再予以破除，以保证桩头的完好性，桩间距0.8 m。B区的桩顶高程按正常工艺控制到施工作业面，桩间距1.0 m。干振桩处理段和浅层处理段的接头部位，设计采用铺设两层双向土工格栅加强过渡处理。双向土工格栅铺设在桩顶和垫层的顶面，由B段(包含B段)开始铺设，延伸到一般路堤段内5 m。涵洞、通道基底进行干振桩处理之后，原则上不再填土预压及开挖施工，而是在复合地基强度经检验合格后，直接在处理完毕的地基上做涵洞或通道。构造物做好后，再填土至设计高度，见图1。

图1 涵洞通道干振复合桩处理设计

4 施工工艺及质量安全控制

4.1 施工工艺

干振复合桩施工采用15型振动沉管，管内投料成桩，成桩工艺如下述。

1)桩机就位，将底端装有活瓣的开启式套管立于桩位上。

2)启动振动锤将套管按设计要求的深度沉入到软土中。

3)将拌合好的混合料通过装料漏斗送入孔中并通过振动将其振实。

4)振动提升套管，使混合料落入孔中。提升速度应慢速进行(1.0～1.5 m/min)，每当提升1 m 后停止提升，这时继续振动20～30 s使混合料密实。

5)成桩完毕后移动桩机至下一桩位，同时对刚施工完毕的干振桩进行检查并作好施工记录(施工时间、桩位编号、入土深度、混合料使用量)。

6)桩体检测合格后，一般场地整平压实后采用机械或人工摊铺碎石;涵洞、通道的A区应破除一定长度的桩头，人工摊铺。采用粒径＜5 cm的碎石，碎石含泥量＜3%，干密度应＞2.20 t/m3。

7)干振复合桩在其桩长一半处，对地基的振动和挤密效果最好，而在桩顶1 m左右的土层，加固效果较差，应采用振动或碾压处理。

4.2 桩体材料的选择原则

1)粉煤灰。粉煤灰是桩体最主要的构成材料，其品质直接影响复合桩的强度和耐久性，一般三级以上粉煤灰均可用于复合桩。低钙粉煤灰的化学成分见表1。在干灰获得比较困难的情况下，也可以采用湿灰或调湿灰，甚至陈灰。但在使用前应对粉煤灰烧失量、细度和抗压强度比等指标进行试验，烧失量控制在12%以内，细度(45 μm筛余)≤25%，28 d抗压强度比≥60%。

表1 低钙粉煤灰的化学组成%

2)石灰。复合桩的石灰通常采用磨细生石灰，为了保证桩体的强度，应筛去粒径＞1 mm的粗颗粒。但生石灰在野外施工现场很难保存，采用熟石灰时，可以通过生石灰自然陈化3～5 d得到，陈化超过7 d后的石灰不应采用。注意剔除筛余粗大或未陈化的石灰颗粒，并避免经陈化或未陈化的石灰受到雨淋。石灰等级划分见表2，须采用二级或二级以上石灰。

表2 生石灰等级 %

3)骨料。骨料最大粒径在15 mm以下为宜，采用中砂作为细骨料，砂率控制在30% ～40%，尽可能采用级配良好的砂石料，如瓜米石。

4)桩体材料配比及强度。复合桩胶凝材料建议配比为粉煤灰∶石灰∶外加剂 =1∶0.24∶0.05，外加剂可选用硫酸钠。复合桩材料建议配合比为胶凝材料∶砂∶石=1∶1∶2。设计给出配合比为参考值，应根据现场试桩情况进行调整。桩体强度以28 d强度作为施工桩强度控制标准，应不低于1 MPa。

4.3 质量控制

1)打桩顺序及其对成桩质量的影响。采用连续施打顺序施工。连续打桩施工时，对相邻桩的振动影响是显著的，通常这种振动对相邻已施工的桩起到辅助再振实的作用。对于含水量丰富的地层，这种辅助振实类似于对湿拌混凝土的附着式振捣，因而使桩身变得更加密实。

2)拔管速度及其对成桩的影响。拔管速度过快，会导致成桩直径较小，甚至产生缩径或断桩;拔管速度过慢，由于振动时间长容易产生离析，会使得桩体下部粗颗粒材料含量较多，桩顶细颗粒材料含量过多而降低强度。因此，一般建议拔管速度为1.0～1.5 m/min。

3)振动沉管干料成桩及其对桩间土的影响。这种施工工艺对桩间土一般有两方面的影响，其一是由于挤密作用而使得桩间土变得更密实;其二是干料吸水作用使桩间土含水量减少而改变桩间土的性质。因此除密实砂土、粉土以外，一般状况下，桩间土的承载力都会得到提高。

4)混合料中石灰质量及其对桩体强度的影响。振动沉管干料成桩所形成的复合桩，其混合材料中的石灰质量对桩体强度的影响是非常明显的，一般采用磨细生石灰的效果最好。但生石灰在野外施工现场很难保存，可以采用熟石灰，注意熟石灰同样需要保存好，一般陈化时间不应超过7 d。

5)施工中应及时清除桩管带出的泥土，以免影响成桩质量。

6)施工中应详细记录成桩长度、时间及每次混合料灌入量，以备出现问题时查找资料和计量时作为计算实际成桩长度的原始资料。

4.4 成桩试验及复合地基试验

成桩7 d后，进行桩体成桩检验，挖开自检，观察桩体的成型情况及桩体的密实程度，如实做好记录。成型的桩体应以整体性和密实性好为标准，如发现桩体不良等情况，应及时制定相应的处理措施。检测桩的龄期达到28 d后，根据桩位图和施工记录等资料，随机选定检测桩进行取芯和标准贯入试验。取芯设备采用双套筒钻头，标贯采用N63.5重锤。

在成桩30 d后，选取试验点采用堆载法进行复合地基载荷试验。其桩径、垂直度、桩身强度均达到设计标准，处理后地基承载力达到160 kPa，满足规范要求。桩间土的孔隙比、含水量较加固前明显降低，土体的密度更高，尤其在桩周一定区域内，土体不但密实少水，而且局部土体板结成块状，形成了一个整体性较强并具有足够刚度和强度的复合地基。