采用振冲碎石桩加固软土路堤的复合地基施工技术

□文/张冬艳 陈晓雪

1 工程概况

某高速穿越的地貌单元复杂，为低中山及丘陵地貌，间夹高差及范围不等的山间盆地和狭长河谷，地形起伏变化较大。海拔标高650～1050m，相对高差350～400m。公路沿线抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g，近期地震活动相对较弱。区域属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，平均气温在18.4～19℃，极端最高气温可达38～41.2℃，极端最低气温-4.8～6.5℃。区域内地表水系十分发育，补给来源主要为大气降水，其次为残坡积层及冲洪积层孔隙潜水，溪河流水常年不衰。水质较好，一般对混凝土不具腐蚀性。

设计行车速度80km/h，路基宽度24.5m，分离式路基单幅12.5m；设计载荷汽车超 20级，挂车120级。

路基工程的主要工程量：软基处理左右线路长度560m；填筑方 38万 m3；挖方 49万 m3。

2 工程地质情况

软土路段主要位于沟谷内，上部为水田积水，表层多为耕植土，分布淤泥、淤泥质土，厚度一般为 2.0～4.0m，性质差，强度低，影响路基稳定，易引起不均匀沉降。路基的过大沉降与不均匀沉降给高速行车带来极大不便，需要对软弱路基进行加固处理。

区内地层情况从上至下为：

1）人工素填土，褐色、黄褐色、粘土、粉土为主，含碎石土 15%～25%，稍湿，松散～稍密，局部为杂填土，零星分布，厚度0.3～0.9m；

2）粘土、亚粘土，褐黄色，湿，可塑，厚度 0.6～1.9m；

3）淤泥，深灰色、灰黑色，湿，软塑状，局部呈淤泥质土，层顶埋深 0.7～1.2m，厚度变化较大，标贯试验16次，N=1～3击，平均 1.5击，fk＜40kPa。

3 地基加固方案选择

3.1 加固目的

1）提高地基承载力，使复合地基承载力＞120kPa。

2）减少地基沉降量，将地基工后残余沉降量控制在 10～20cm。

3.2 方案比选

1）袋装砂井。该方法虽价格较廉，但施工需逐级加荷固结，施工进度慢。工后沉降要小于设计限值，固结期时间较长，不满足要求，不宜采用。

2）强夯法。具有施工简便、工期短、施工速度快、造价低等优势；但不适合饱和软土地基，不宜夯实，在技术上不宜采用。

3）换填法。通常被视为最直观有效的地基处理方案。场地软弱层厚度平均9m，若采用换填法，将发生大量的弃土和填土，增大工程量且地下水位以下土层在挖填过程中需采取降水措施，但由于存在施工难度大，造价高等不利因素，也不宜采用。

4）振冲碎石桩法。是一种使用范围较大的地基处理方案，施工速度快，造价低，技术安全可靠且有提高地基强度、减小地基沉降和消除地基液化效果明显等优点。但振冲法存在施工中用水量大和排污的缺陷，受场地环境的制约较大。针对本工程的具体情况，水源和排污问题均可解决，故最后采用振冲碎石桩法方案。

4 碎石桩方案设计

根据加固后地基应达到的承载力标准值、加固前地基的承载力标准值、土的压缩模量等资料进行设计，确定桩长、桩径、桩间距等参数，见表1。

表1 地基基本资料

4.1 桩长和桩径

碎石桩桩长应穿透软弱层，深入持力层不少于1m。桩顶铺设300mm厚密实砂垫层。碎石桩桩径取80cm。

4.2 桩距布置

碎石桩采用正三角形布置，由于本工程为粘性土地基，桩间距按式（1）计算，即

m=（fspk-fsk）/（n-1）fsk=(120-90)/(3-1)90=0.1667；桩土应力比n可取 2～4，本工程取3。

根据计算结果，本工程碎石桩桩距为180cm。

4.3 布桩范围

路堤坡脚两侧各放出宽度为5m。

5 路基振冲加固后的稳定与沉降

路基以振冲碎石桩加固后形成复合土体，其相应的抗剪强度指标按下式求得

W=mμ根据原土与碎石桩的强度指标、碎石桩的置换率和桩土应力比即可求出复合土体强度指标 φsp和 Csp，在根据原土和复合土体的强度指标，通过圆弧条分法求得路基的整体稳定安全系数F=1.2＞1.1满足规范要求。

振冲碎石桩加固路基的沉降SNF=Ssp+Sx，可近似作为成层土地基。按分层总和法计算，根据路基土沉降特性指标、碎石桩的置换率、桩土应力比以及路基内的附加应力分布，可算出路基加固后沉降量SNF。

6 振冲碎石桩施工质量控制与管理

6.1 施工准备

编写施工组织设计，驻地监理组审查，监理组提出书面审核意见，报总监代表审批同意后方可施工。

清理平整场地，消除高空和地面障碍物。

测量放线，测量地面整平后的标高。

布设桩位，桩间距及形式按设计文件，桩间距允许偏差为±10cm。

在灌注桩和构造物基础施工前必须完成碎石桩。

在灌注桩两侧布设桩位时，应预留钻孔灌注桩施工位置，预留净距为140cm。

6.2 机械设备、材料

采用ZCQ-30型振冲器2套，QY-16T汽车吊1台,ZL50C装载机1台,潜水泵(3kW)和泥浆泵(7.5kW)各2台,高压清水泵(22kW)1台。

碎石应由未风化的干净砾石或轧制碎石，粒径宜为20～50mm，含泥量不应＞10%。

采取安全措施，编写安全操作条例，经驻地监理工程师审批后方可施工。

6.3 现场工艺性试桩

在施工之前,为了根据现场实际情况,确定各种操作技术参数,以保证大面积施工质量,必须进行成桩试验，驻地监理和总监办驻现场人员都要在现场。

1）确定各项技术参数。造孔电流、加密电流、造孔水压、加密水压、加密段、流振时间、施工工艺的确定。

2）试桩位置的选择。经监理工程师同意，可根据软土厚度选择1处有代表性土质情况的位置进行试桩，每处不少于5根（在路线范围内，按施工图布设）。

3）试桩检测项目试桩时现场记录的内容。

（1）施工单位、日期、施工负责人、技术负责人，驻地监理工程师、总监办驻现场工作人员。

（2）根据试桩结果选定技术参数。

造孔电流110A,加密电流90A,造孔水压0.5～0.8MPa,加密水压0.4～0.7MPa,加密段30～50cm，流振时间10s。

进行载荷试验时，要求成桩15d后进行单桩复合地基承载力试验以及桩身密实度检验 (采用重Ⅱ型动力触探法),并分析单桩承载力与贯入量10cm时锤击数的关系。若同一根桩先做动力触探,再做复合地基承载力试验。

4）试桩报告提交的内容：

（1）地质情况简介；

（2）施工情况简介；

（3）检测资料内容；

1桩身密实度检验；

2桩长检验结果；

3载荷试验汇总表（包含载荷p-S曲线，S-t曲线）。

6.4 碎石桩施工

6.4.1 工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1 振冲碎石桩施工工艺流程

6.4.2 成桩顺序

定位→造孔→清孔→填料→振密→成桩。

6.4.3 施工步骤

1）定位。施工放样，定出碎石桩的具体位置，然后吊车就位，起吊振冲器，对准定位点，振冲器的对点由经纬仪进行控制。

2）造孔。对准桩位后，给操纵台信号，操作人员启动振冲器，待电流值下降后，再打开水源开关，启动水泵，使造孔水压达到 0.5～0.8MPa。当振冲器贯入自上而下跳动时，表明它已达到下持力层。

3）清孔。孔内泥浆密度较大，不利于制桩，需要清除，做法是将振冲器反复升降，冲出泥浆，次数视地质情况而定，以达到孔道畅通为准。

4）制桩。提出振冲器，向孔底填入碎石，振冲器振冲密实，然后再填入碎石，振冲器再次振密，直至达到地表标高。填料时，振冲器仍需振动射水，水压可适当减小；填料连续不断地从振冲器四周进入孔内，直到振冲器工作电流满足设计要求，才允许将其提升，每次提升的高度为30～50cm，逐段加密至孔口，形成一根完整的桩，然后关机停水，转至下根桩施工。

7 质量检测

施工过程必须严格执行施工工艺，检查施工记录，施工完毕必须进行检测，以检验处理效果。

7.1 检测方法

本次检测以下述两种方法为主。采用动力触探试验（重Ⅱ）检测碎石桩桩身质量（密实度和均匀性）；采用单桩复合地基静载试验检测地基加固处理效果。

动力触探试验采用100型钻机施工，穿心锤质量63.5kg，自由落距76cm，探头直径74mm，锥角60°，按每贯入10cm为一阵锤击数计算。贯入试验N=63.5≥7击为合格。

单桩复合地基静载试验是基底放置一圆形承压板，压板面积为 1根桩承担的处理面积，压板上放置油压千斤顶，千斤顶所需的反力由袋装砂堆重平台承担，逐级加载，并观测读取压板的沉降数据，经过分析计算确定复合地基承载力能否达到设计要求。最大试验载荷不小于设计值 2倍。

7.2 检测时间

在施工结束30d后进行。

7.3 检测频率

单桩碎石灌入量检查按规定频率，随机抽查；按设计要求，检测点数量不小于总数的2%，动力触探试验和复合地基检测；各占桩数的1%控制，孔位随机布置，特殊地段适当加密。

7.4 检测结果。

检测结果表明，碎石桩桩长、桩径、密实度以及复合地基承载力均达到要求。该段路基数月后观察表明，软基路段情况很好，业主和监理很满意。

8 加固处理效果

1)本地段地基采用振冲碎石桩法处理后效果明显，加固后地基承载力大为提高，路堤稳定性好、沉降量小，排水固结大大加快，沉降期缩短。

2)振冲碎石桩法施工造价低，与换填法比较，节省工程造价约28%。

3)该方法处理地基施工快速、简便，由于施工速度快，大大缩短工期。实践证明，采用振冲桩处理地基，充分发挥振冲碎石桩的排水、减压、垫层、置换、加筋、挤密等多重作用，保证了工程质量、降低造价，施工速度快，取得较好的效益。