碎石桩在超软土地基中的应用

莫文贺，刘兵民

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

我国利用碎石桩加固软土地基已经取得了众多成功的经验，但对于含水量90%以上，不排水抗剪强度小于10 kPa的超软土，碎石桩能否适用，多年来一直存在不同的看法，成功的实例极少。国家行业标准《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》中提出，对不排水抗剪强度小于30 kPa的饱和黏性土地基，应通过现场试验确定碎石桩的适用性。问题的关键就在于两点：成桩效率和成桩质量。

2010年，澳门振华海湾工程有限公司在澳门国际机场临近海域，成功地运用振冲碎石桩法，对3.7万m2的海相淤泥进行了加固，整体效果良好。本文对此做初步介绍，以为今后类似工程项目提供参考。

1 工程概况

澳门地区堤岸地基的处理多采用清淤回填方法。2010年，机场临近海域建造一条1 500 m长海堤，以阻挡岸侧填海挤淤，确保机场设施的安全运营（图1）。海堤中有930 m采用大直径碎石桩加固天然软土地基，从碎石桩的处理规模、软土的性状、碎石桩的技术要求等方面来看，在港澳地区乃至国内应属首例。

1.1 土质情况

施工区属于海岸潮汐地，自地表以下依次为淤泥、淤泥质土、冲积土、残积层和花岗岩基岩。淤泥及其下卧淤泥质土是新近沉积的第四纪海相土层，具有典型的珠江三角洲沉积特征，厚度大，含水量高，长期处于水下饱和状态。主要土层的物理指标如下：

淤泥：淤泥是表层土，处于平均海面以下，深灰色，层厚12～22 m，平均16 m（算术平均值，下同）；含水量98.5%，天然重度15.5 kN/m3，孔隙率2.0，地表以下10 m深度内十字板剪切强度Cu为5 kPa，静力触探锥尖阻力qc为0.25 MPa。淤泥层是此次碎石桩处理的主要对象。

图1 施工区平面位置图

淤泥质黏土：位于淤泥层下部，夹层厚度在0.1～5 m不等，含粉砂较多，灰色，呈局部透镜体分布，十字板剪切强度Cu平均15 kPa，实测静力触探锥尖阻力qc平均为0.65 MPa，差异较大。本次将淤泥质土和上部淤泥一并处理。

冲积黏土：属于淤泥层或者淤泥质土层的下卧层。土黄色，天然重度18.0 kN/m3，静力触探锥尖阻力qc大于1.0 MPa。设计以此冲积黏土作为碎石桩持力层。

1.2 设计要求

建成的海堤是一个挡土结构，选择天然地基并进行碎石桩加固，目的是提高地基的综合抗剪能力。设计把淤泥及淤泥质黏土作为加固对象，以冲积土层为持力层，要求碎石桩自泥面竖直打至持力层。桩尖标高的位置，即碎石桩的桩底深度，按照静力触探锥尖阻力Qc＞1.0 MPa确定。施工前，在碎石桩区以25 m×25 m间距用静力触探摸清土层状况，再按设计要求分小区确定桩底标高。

碎石桩共6 640根，直径1.2 m，正三角形平面布置，间距2.5 m，桩底进入持力层顶部以下至少0.5 m。桩身倾斜度≤1/80，桩心偏移≤150 mm。

碎石桩处理平面范围40 m×930 m，区内淤泥面较为平坦，平均潮位时水深在1.5～3.5 m之间，退潮时可部分出露。施工方案是先清除表层约2.5 m厚的浮淤，形成一条临时航道，水深3～5 m，以船载桩机进行水上施工。

打完碎石桩后，回填护坡成堤，回填厚度自碎石桩顶面以上4.5 m。

2 碎石桩施工

2.1 成桩试验

鉴于目前在淤泥中碎石桩成桩尚无确定的结论，为把握碎石桩在大厚度超软弱淤泥中的成桩效果，印证复合地基上填筑海堤挡土的可靠性，在正式施工前，进行了工艺试验和模拟堆载。试验区10 m×10 m，按同等地质条件和技术要求布置了23根桩。试验对完善施工工艺，确立合适的碎石桩施工方法，建立一套成熟的质量监控机制，提前发现问题并落实应对措施，预先把握好关键环节等起到了良好的作用，为正式施工做好了较为全面的技术准备，总结出一套可行的成桩工艺。

2.2 施工关键环节

2.2.1 现场施工机具布置

临时改制了两条碎石桩施工船。每条桩船设置3条桩架，各配一组供电、储料/上料船。现场作业面较为狭窄，需要合理布局，以满足施工船抛锚定位，便于供料船进出补料且互不干扰。在工区划分和平面布置上，留有足够的空间，便于人员和设备的周转出入。

2.2.2 开孔

本次采用了底部振冲法，利用桩管和振冲器的自重辅以振冲沉管开孔至设计标高，再反提桩管，碎石材料自料管顶部加入，由管底出料成桩。开孔时，除了注意桩位和垂直度，还需要确保出料口通畅。拉高桩管冲孔会产生堵管，特别是软土夹层及其下卧层土质较硬（Qc＞1.0 MPa），更容易产生难以清除的管塞，造成出料困难，严重影响施工效率。采用跟料成孔，匀速沉管，桩管在软土内和硬质土层的贯入速率明显不同，要注意间歇性小幅度反拉，能有效防止嵌管和管塞；沉管成孔时，水冲一定程度上可以缓解塞管，但会造成泥浆反涌，恶化施工环境，泥浆也容易渗入桩体，影响碎石桩的质量，因此不主张料管内通水冲孔。

2.2.3 桩径控制

使用的碎石桩料管外径约50 cm，底端在耦合振冲装置后可达80 cm（等代直径），理论上，沉管时可以达到80 cm的桩孔，但在这种超软土内，特别是土体剧烈扰动以后，反提桩管时，侧边淤泥会挤入桩孔，实际出料量低于理论计算的方量，因此要形成1.2 m直径碎石桩，还需以留振和反插措施扩充碎石来实现，成桩直径是按单位深度的碎石填充量来反算的。

碎石桩径的均匀连续性是质控要点。淤泥呈流塑状态，侧限很小，易受扰动难以挤密，碎石桩质量不好保证，这也是多年来以碎石桩处理这种软土地基尚无成熟工艺，需要慎重把握的原因。目前，还没有一种有效的仪器实时监测成桩的连续性，桩体外观特征难以直接观察，如何避免碎石桩缩颈、断桩，或者扭曲膨胀等现象，还得依靠地面记录即时把控和桩台施工员的熟练操作来掌握。初步经验是：成桩时匀速上提桩管管内碎石能连续出料，就不易断桩；严格按照单位桩长的碎石量保持留振，控制上提幅度和反插深度/次数，就不易形成缩颈或者膨胀；提拉反插桩管尽量维持原位和竖直（需要考虑船型，抛锚点数，以及潮水和涌浪等环境因素），并且适当控制幅度在1 m高的范围内，减少对下部已成桩体的偏心冲压，就不易造成桩体的扭曲和倾斜。

留振是保证桩径的一个有效措施。此处的留振不是按预设的密实电流控制，而是在成桩深度点上保持连续振动，驻留一定时间，控制填料量，使单位深度的碎石填充量达到预定要求。土质好侧限大时，出料很慢或者驻料，留振不能满足桩径，就要铺以反插。而在软土内，尤其是浅层淤泥内，出料很快，留振时间一定要把握好，否则就会出现膨胀。

桩管进入底部持力层（硬质土层）后，即使在高频振动作用下，仍然不容易将石料抛开形成1.2 m直径的碎石桩，需要多次反插，比较费工，机械故障率也高。对于好的土质，碎石桩挤压破坏了原有结构，原状土的综合力学指标可能并不低于处理后的效果，另一方面，碎石桩属于散体材料形成的，骨料间没有胶结和加筋，和型桩不同，只能承压抗剪，设计上在满足稳定计算的前提下，碎石桩的持力层嵌入深度应当合理选择。海堤项目要求进入持力层0.5 m，持力层的定义是Qc＞1.0 MPa。大功率振冲器会提高硬土层内的成桩效率，但淤泥土质太软，碎石抛撒得太开，却给单位深度的填料控制带来难度，特别是浅层近于流动状态的淤泥内成桩质量更是难以保证，因此有必要根据不同功率的振冲头，找出合适的反插幅度和留振时间。成桩时尽量采取连续多点留振，主要是希望减少土体扰动以致土石混杂，再根据土质变化和下料速率，以连续小幅度反插为辅助手段。

2.2.4 碎石桩密实度

碎石桩密实度和周围土性相关，土质较好，按设定的振密电流保持留振，可以使碎石桩密实，但对于淤泥这种超软土，控制稳定的振密电流操作难度较大，长时间留振后，碎石桩整体密实度提高幅度有限，却使碎石不断挤入周边淤泥，造成膨胀，容易导致碎石夹杂淤泥，还会将周围已成碎石桩挤压变形。海堤项目碎石桩施工不是以预定密实电流为主控指标，而是按照单位桩长碎石量为主控制质量，还要保证桩体均匀连续，尽量不混杂淤泥。

成桩时，振密电流有规律变化，留振期间振密电流值明显增长，稳定趋势快，就说明填充的碎石没有和淤泥严重混杂。施工员应密切观察料管出料状态，即时结合电脑记录，控制留振时间，发现电流值变化失常迅速处理。操作上，在料管出料顺畅的前提下，留振点间距尽量小。若取1 m桩长为间隔留振，每一留振点上维持10～15 s，土层下部留振时间长些，越近淤泥表层留振时间应短些，这样，成桩留振电流的变化就容易监控，有利于提高碎石桩的质量。

观察试验区出露桩头发现，由于淤泥极为软弱，桩体1.2 m直径范围内的碎石密实度差异较大，越是桩体外围，密实度越低，泥石夹杂越严重。提高碎石桩的整体密实度，除了注意小幅度反插和小间距留振，碎石材料粒径要按要求的2.0～7.5 cm级配混合，并适当提高充盈率为1.05。

2.2.5 打桩顺序

海堤项目在安排打桩顺序时，考虑到尽可能减免挤淤造成临近的已成桩变形，总体上采用逐排连续打桩，无需跳打，无需间歇。

2.2.6 常见施工故障

碎石桩施工机械设备故障多，尤其是水上作业，一旦出现问题，检修和更换零部件耗时，严重降低施工效率。就海堤这个项目，振冲器故障占总体的75%以上，较易检修的上料系统、供电系统、给排水设施的故障仅占15%左右，其余提升设备和数字传输仪器等故障约为10%。要减低设备故障率，除了施工前充分准备，还应考虑现场检修维护措施的落实，如场地、人员、维修设备以及备用件的储备等。正常情况下，30%的振冲器备用量基本上可以满足现场需要。

2.3 施工效率

成桩效率是关注的另一重点。由于上料系统自动化程度低，又是水上作业，特别是首次在淤泥里成桩，施工人员首先要培训和尽快熟练，重点放在保证碎石桩质量上，通过示范、交底和观摩等，使各班组做到程序合拍，各环节有效磨合，解决现场一些常见问题都有章法可循，这是保证施工效率的前提。合理布置作业面，加强移机就位和供料等辅助环节的配合，是提高工效的保障。

本项目高峰时有6条桩机同时作业，正常情况下，每天作业10 h，平均可完成45根碎石桩。海上施工影响效率的因素很多，如恶劣天气，机械故障，石料补给不及时等，综合考虑这些因素，平均单机1 h可完成1根长度20 m的碎石桩。

3 技术问题探讨

以往工程土质的原始状态优于淤泥，本工程碎石桩的设计和施工，还是借鉴了以往碎石桩项目的成功经验，实践表明能够适应海相淤泥这种超软土质。

3.1 碎石桩桩径

本项目设计桩径为1.2 m，是《港口工程碎石桩复合地基设计与施工规程》建议的桩径最大值。碎石桩完成后，其空间状态和桩体均匀完整性达不到图纸所示的那样规则。我们曾在试验区碎石桩侧和淤泥交界处做了浅层探摸，碎石桩外部和淤泥交界处存在过渡层，形状极不规则，较为松散，碎石夹泥的现象严重，而碎石桩内部（桩芯）碎石很密实，没有任何夹泥。海堤填筑完成后，在进行静力触探等测试时，经常遇到桩位偏移和泥石夹杂的情况，测试结果较离散，说明过渡层的分布复杂。碎石桩周边这种环状“松散过渡层”约30 cm厚，如果严格按照全断面均匀密实度要求，1.2 m直径碎石桩的“理想桩径”只有0.6 m。淤泥内碎石桩的过渡层很不均匀，希望它越薄越好，施工时可通过谨慎操作尽量减小它的扩展和深入。从另一个角度，松散的过渡层应是淤泥内碎石桩的有机组成部分，它是一个过渡带，对碎石桩的自身稳定，剪力传递，以及淤泥排水固结等，都有积极的作用。可以说没有这个过渡层，在淤泥内振冲碎石桩几乎不现实。如果改用沉管法，合理设置下料管的直径和石料级配，碎石桩侧边过渡层是否可以减除？还有待实践。

提高碎石桩充盈率（充盈系数），应能保证足够密实的桩芯直径，但施工压力较大，一般用1.05左右的充盈率是可以接受的。由此，在设计上，应当预先考虑土质性状对过渡层的影响，在淤泥这种超软土内尽量选择大直径碎石桩，施工上按照一定充盈率以单位深度填充碎石量来控制碎石桩桩径（等代直径）。

海堤项目桩间距2.5 m，三角形布置，相邻桩侧边距离约1.3 m，以浅层探摸结果，还没有发现多桩夹叠、相互交混的现象，碎石桩成型较好，说明这个间距是合理的，类似的工程可以参考取用。

3.2 碎石材料

本工程使用的材料为20～75 mm的新鲜花岗岩碎石，含少许细碎石渣，不含泥，有级配。个别情况下，碎石粒径20～30 mm，级配差一些。这些碎石成桩都很顺利，留振电流变化曲线都能趋于稳定，没有明显的差异，说明成桩密实效果上基本接近。但当碎石材料中75 mm粒径占50%以上，特别是含有较大狭长形石块的时候，卡管的机率上升，严重降低工效。

现场内的淤泥呈流动～流塑状，碎石材料级配差，颗粒偏大，整体孔隙率高，必然增大淤泥挤入碎石桩的机会，造成过渡层太厚，甚至局部缩颈或断桩。角砾状碎石能够利于碎石桩在淤泥内的自身稳定，提高振密效果，成桩的质量容易保证。

3.3 成桩电流

本项目全部选用国产电动振冲器，初期选用的振冲器额定电流较大（300 A以上），后期增添了几套额定电流稍低（约280 A） 的振冲器，二者在施工质量和效率上并无明显差别。振冲器额定功率大，成孔和下料相对较快，施工操作上还是应当谨慎，在控制每米碎石桩耗料量上要把握好。不同型号的振冲器，成桩控制上可能有别，正式施工前，应先试桩，按照碎石填充量来确定留振时间和反插，不宜用预定的振密电流值来定。在满足碎石桩每米填料量的前提下，不同深度的留振时间（振密电流）不同，越是浅层，留振时间越短，振密电流值越小。就这个项目，淤泥内成桩电流值约是额定电流值的50%（表1）。

表1 施工参数一览表

3.4 大直径碎石桩的作用

海堤项目以大直径碎石桩处理淤泥及淤泥质土的主要目的是置换，迅速提高地基的综合抗剪强度，加快筑堤。本项目的稳定分析考虑的就是碎石桩置换效应，而无有效压载的条件下，淤泥的强度短时间内增长幅度很小，特别是淤泥扰动后极不均匀，固结效果难以估计，因此分析并未加入软土固结后的强度增长。试验区打桩完成后模拟堆载，边界侧向位移增量在3 cm以内，停止加载很快稳定，桩区周围没有大面积挤淤，碎石桩复合地基的抗剪挡土作用很明显。原则上，碎石桩通过转移超载能够减少沉降，也可作为软土固结的排水路径，那么，本次施工中淤泥内碎石桩的排水固结和挤密效果又是怎样呢？

试验区碎石桩完成后，地表观察出露的碎石桩头有显著的排水现象，顶部堆载（约20 kPa）静置1个月后沉降稳定，曲线变化合乎规律，总沉降45 cm，沉降值和固结度都超过理论计算。试验区堆载和压载期间，上部软土的侧向变形较大（10 m深度范围内，水平位移10～30 cm），实测沉降量里应包含了相当部分的瞬时变形和侧向变形，这在施工区回填成堤期间的沉降观测也有明显反应（图2），真正的固结沉降的比例多少尚待分析。碎石桩施工时，挤淤和反插扩孔使桩间淤泥土的结构遭到破坏，高频振动器将碎石挤压到土体内，设计桩直径1.2 m，实际碎石桩体很不规则，一方面混有大量碎石的桩间淤泥土严重扰动，另一方桩间土和碎石桩的界面状态复杂，因此，再按照常规的排水固结理论进行这种大直径碎石桩超软土地基的土力学分析时，就应考虑这些特殊因素。

图2 沉降-时间变化曲线

依照传统的理解，淤泥这种饱和软土在成桩如此短时内是难以压缩挤密的，淤泥的涌动总是沿着侧限薄弱的方向等体积位移，深层滑动必然在表面反映，发生挤出，地面隆起，甚至大面积滑动的现象。施工区（930 m×40 m） 约有12万m3碎石充填置换淤泥，打桩后，区内泥面隆起高度平均85 cm，地面发生明显隆起的范围消失在桩区边缘外约25 m处。测量泥面隆起后粗略计算，淤泥隆起量约4万m3，占填充碎石量的1/3，远低于原来的估计。这样平衡下来，施工区约有等同于8万m3碎石的淤泥是在深层被“吸收”，一是挤开的淤泥被“逼入”碎石桩的内部空隙，试验区碎石桩露头边缘处有此现象。如果碎石桩整个深度范围内，桩周过渡层平均约15 cm被淤泥严重混杂，施工区总共约1万m3左右的淤泥挤入碎石桩，其余7万m3的挤淤，将沿侧边水平移动，向四周挤出。淤泥是饱和的，振冲挤淤产生的超静孔隙水若能排出，单位体积内的土颗粒增多，密度增大，即称之为挤密。淤泥受压排水固结很缓慢，成桩1 h左右超静孔隙水压的消散非常有限，沉桩后超孔隙水压力逐渐消散，在施工区界外并没有明显的隆起和滑动，这说明饱和淤泥受挤压时，并非等体积外移，而是受挤密后排出孔隙水，这种碎石和挤淤的平衡分析很粗略，实测结果也存在误差，但总体上观察，碎石桩“挤密淤泥”的现象似乎还是存在的，其综合机理值得深入探讨。

无论是固结还是挤密，淤泥的土体强度应有所增长。但由成堤至设计标高地基沉降基本稳定后的实测十字板和静力触探成果（图3，图4）来看，桩间土强度并无明显提高。这也表明，淤泥内大直径碎石桩主要是通过置换，在周围土体的约束下，受压后局部结构调整，碎石骨料咬合分担荷载，从而快速提供承载力，成桩时的挤密及促进淤泥排水固结为次。

图3 碎石桩前淤泥原状土静力触探成果图

图4 碎石桩之后桩间淤泥土成堤后静力触探成果图

3.5 碎石桩质量指标监测与验收

要保证碎石桩的质量，实现设计意图，碎石桩的桩径、桩长以及间距和倾斜度等都要满足设计要求。本次设计没有对桩体密实度提出明确的指标，但参照以往经验，这种连续下料底部留振加以反插而成的大直径碎石桩，桩芯碎石达到中密以上是完全可以实现的，这在试验区碎石桩露头可以观察到，但碎石桩密实度并没有安排实测，这方面的数据欠缺。用实测指标（如动力触探值）来全面衡量桩的质量，判断碎石桩内部的密实度均匀性，是否夹泥，泥石混杂情况是否严重等，找出缺陷，评价整体质量等级，是很有意义的。但淤泥内大直径碎石桩的桩芯空间形态复杂，桩侧及过渡带的密实度明显差异，不同深度桩体的密实度也不同，实测数据离散性可能很大，应谨慎地综合评价。

碎石桩的桩长、平面间距和倾斜度这些在施工时都容易监控，难点在于如何保证碎石桩的桩径，满足设计要求就是要均匀，不应缩颈和膨胀，更不允许断桩。现在，还无法用直观的实测手段即时记录桩径和密实度变化，只能通过记录单位（每米）填料量、电流变化和留振时间等，以此来判定碎石桩质量。作为验收依据，这些手段仍然是十分必要和可行的。

电流变化和留振时间可在成桩过程中实时监测，自动采集记录数据，可靠度较高，而作为重点的碎石桩单位深度填料量还是由人工计数。其中，下料数量和成桩长度的对应不易准确，记录成果中的填料量随深度变化曲线显得粗糙，难免出现人为的内容，因此，严格管控，如实记录，认真负责是做好这一工作的前提。

碎石桩完成后，要检验复合地基的承载力，静载荷试验应是一种常规有效的方法。本项目试验区预埋观测仪器配合模拟堆载，依据实测数据进行综合分析，对评价碎石桩的效果起到了有力的支持。

3.6 环境与安全问题

就这个项目，淤泥内大直径碎石桩的施工在噪音源及其量级、排污种类以及施工操作安全隐患等方面与常规碎石桩作业并无大的区别，需作特别提及的是振动效应和挤淤。

距离碎石桩区85 m处是机场跑道至停机坪的联络桥，属机场日常运营的重要设施，该联络桥采用D800PHC桩基，建成已近10 a，约6%桩身已发现3 mm宽竖直裂隙，无水平和对角裂隙，对振动和挤淤造成的侧向位移比较敏感，如有异常，容易酿成非常不利的后果。

项目开始前，我们以额定功率180 kW振冲器对临近设施成桩时的振动效应初步分析，机场联络桥处对应点的最大加速度为0.002 2 m/s2，认为不会造成负面影响。碎石桩试验时，淤泥吸能消振的作用比较明显，地面上振点5 m以外振动影响很轻微，衰减很快，这和以往类似工程经验非常一致。实际施工过程中，附近机场设施正常运转，监测资料也表明没有任何异常。

碎石桩挤淤是所关心的另一个问题。按照有关设计文件，联络桥桩身允许的最大横向位移限定在5 mm以内。施工前，曾估计挤淤会在机场联络桥处产生3～5 cm的土体水平位移。离开施工区66 m平行机场联络桥原有一排测斜管，定期观测发现，碎石桩施工期间，施工区淤泥局部隆起平均0.85 m，集中在临时航道内，区界外地面没有明显变化。即使回填成堤时，测斜位移也无异常，水平位移量最大值均低于30 mm（图5），位置都是浅层。由此看来，按照经验方法，以2～3倍淤泥厚度为安全距离是可行的，但不同的构筑物对变形的敏感度和承受能力不同，要分别对待，细化论证。

图5 施工期间近机场联络桥侧斜最大位移变化曲线

3.7 回填速率

淤泥面以下浅层碎石桩密实度低，土的侧限小，回填加载太快容易造成挤桩，碎石一旦和淤泥搅动混杂，碎石桩的承载力急剧下降，就造成浅层挤淤，影响回填，导致复合地基的整体功能下降。回填时，建议在碎石桩顶面/泥面先铺土工布，均匀设置1～2 m厚砂垫层，再分级回填，每级1.5 m厚，间歇15 d。

4 碎石桩应用前景

碎石桩可在短时间内提高地基的承载力，施工工艺和操作监控比较简单，环境污染很小，此前在淤泥内碎石桩成功的实例很少，一度影响了它的推广。本项目遇到的淤泥厚度大，土性差，可以说是超软土的典型代表，能够在这样恶劣的环境中成桩，其它类似的条件应该也能适用。经过这次实践，摸索出一些经验，尚不十分成熟，仅为此后的工程提供参考，期望能够帮助提高技术水平，完善碎石桩施工工艺，有利于生产。

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