碎石桩法加固软弱地基技术的应用与研究

乔杨

摘 要：根据近年来对碎石桩加固软弱地基技术的应用和研究，对其加固原理，设计、施工和检测等做了较全面的总结。

关键词：碎石桩法；软弱地基

前言：在公路、民航机场、工业与民用建筑中，经常遇到与地基加固有关的岩土工程问题，如：处理路基、民用建筑地基的过量下沉或地基的稳定处理。根据北京双桥立交桥，哈尔滨钢丝绳厂，大庆油田油罐，工业厂房、营口机场等地数十项工程软弱地基加固设计、施工及监测积累了一定经验。为林区建设推广碎石桩法加固软弱地基技术。

一、碎石桩法加固软弱地基的原理

碎石桩法加固砂类土地基，主要是通过振冲器的强力震动，使饱和沙土液化后砂颗粒重新做紧密排列，以减少孔隙。同时依靠振冲器的水平动力，在施加碎石填料的情况下，使砂类土地基挤密，该方法又叫振冲挤密法。

对于粘性土地基而言，主要是通过振冲法置换部分软土，和加速地基土的排水固结来达到提高由碎石桩和桩间土构成的复合地基承载力的目的，该方法又叫振冲置换桩。

二、碎石桩法加固软如地基的计算

（一）一般设计原则

对于加固范围、桩点布置形式及桩距、桩径、桩长、填料及施工质量控制参数等设计遵循以下原则：

1、加固范围：一般按建筑物的基础形式确定，如为独立基础，加固范围一般不超出基地面积；若为条形基础，可适当超出基地面积；浮筏、板式、十字交叉或柔性基础，一般按整个建筑物基础外轮廓线范围内满堂加固，并在此范围外再加2～3排保护桩。

2、桩点布置形式及间距：依基础形式选定，独立基础或条形基础宜选用正方形或矩形布置桩点；对大面积满堂加固的基础应选择等边三角形布置桩点。桩点距一般为1.5～2.5米，具体确定时应遵循荷载大、原地基土强度低的取小值，特别是桩长不能穿过软如土层时更应取小值，否则取大值。但是需要指出，当加固区临近有加固经验时，可参照已有经验桩距确定。否则应在施工前通过试桩确定最佳桩距。

3、桩长设计：桩长是指基础垫层以下的实际桩长。应依照岩土工程勘察报告，视软弱土层的埋深、厚度及垫层底部标高来确定。当软弱土层厚度较薄，埋深较浅时，桩长应穿过软弱层，抵达下部相对较硬的持力层0.5～2.0米，最大桩长不宜超过10米。当软弱土层厚度较大，最大桩长不能穿过软弱层时，复合地基起垫层作用，桩长不宜小于4米。

4、填料与桩径：按常用75KW振冲器的能量，填料（碎石）的粒径不应大于50mm，一般应选在20～40mm为宜。

桩径与振冲器直径、地基土的类型等有关，若使用直径为500mm振冲锤，在硬塑的粘性土层制桩时桩径约600mm；在可塑、软可塑粘性土段制桩时桩径约达600～800mm；若在软土或粉土段桩径可达800～1500mm。同时，由于施工時振冲器下降的速度、水压振密电流、留振时间的不同，即使地基土的类别、强度相近，其桩径也会不同。为此，只能控制最小桩径设计为≥600mm。

一般加固区总填料可按下式估算：

Q=〔（n×h）×q〕×k

式中Q—总填料量（m3）；n—总桩根数；h—单桩长度（自然地面算起，m）；q—按理论桩径0.8m计算计算的每延长米填料量（m3/m）；k—填料附加系数（一般取1.35）。

5、试桩设计：

在无设计、施工经验的场地做加固设计时，应做试桩设计。其设计内容除进行不同桩距的试制桩及效果检验外，还应对之桩工艺及最佳施工参数做出选择。

（二）碎石桩单桩与复合地基承载力计算

1、单桩极限承载力计算

碎石桩承载力的发挥主要是依靠周围土体提供的侧向约束力，根据传递机理可将碎石桩视作一个三轴压缩试验中的圆柱试样，确定单桩承载力的方法可分为两大类：一类是圆筒形孔腔扩张理论；一类是被动土压力理论。才采用的是被动土压力理论中Braums法计算碎石桩单桩极限承载力。

假设（1）极限平衡区位于桩顶附近，滑面呈漏斗形，桩的破坏长度h=2rotanδp；

（2） τM=0，σQ=0

（3） 不计地基土和桩身自重。导出如下单桩极限承载力计算公式： qfp=tan2δp[2Cu/Sin2σ〔（tanδp/tanσ）+1〕]

式中：qfp—单桩极限承载力（kpa）；δp—碎石剪切角（°）；δp=45°+φ/2；Cu—地基土不排水抗剪强度（kpa）（可用十字板现场剪切试验取得）；σ—滑动面与水平面夹角（°），可按下式试算取得

tanδp=0.5tanσ（tan2σ-1）

碎石桩的内摩察角一般取35°～40°，假定内摩察角φ=38°，用试算法求得σ=61°，qfp=20.8Cu

2、复合地基容许承载力计算

复合地基在荷载作用下，应力将向碎石集中，其平衡方程为

σoAo=σPAP+σSAs

σo—复合地基极限承载力（kpa）；σP—碎石桩单桩极限承载力（kpa）；σS—桩间土极限承载力（kpa）；Ao—加固单元面积（m2）；AP—碎石桩单桩断面积（m2）；AS—加固单元面积中桩间土所占面积（m2）。

求得复合地基极限承载力后，再除以2.0～2.5的系数，既可作为最终复合地基容许承载力R值。

三、碎石桩法加固软弱地基的施工

振冲碎石桩法施工涉及的主要方面有：施工机具、试桩、施工准备、碎石桩制作、和施工质量控制等。

振冲法对中、粗砂和砾石地基采取不加填料就地振密的方法；对粉细砂或粘土地基则采用加碎石填料振密的方法制成碎石桩。

1、制桩作业步骤

（1）吊起振冲锤对准孔位，开泵通水、启动振冲锤，并检查振冲器空转时电流是否正常。endprint

（2）成孔：将振冲器以1～2m/min的速度振动水冲下沉造孔，至预定深度。

（3）冲孔：当振冲器下沉至加固深度以上0.3～0.5m处，应停止振冲，水泵继续给水冲孔，直至泥浆变稀达到能填料设计标准为止。

（4）填料制桩：每次填料以堆积孔底1.0m左右厚为原则（约0.3～0.5m3），宁少勿多。每填料一次振冲振密一次，此时水压应调小至200kpa左右，每次填料量、振密电流、振密时间和振密深度、厚度要做好记录。

2、填料方式

目前国内有三中填料方式：一是把振冲器提出孔口填料，然后振密，在提出孔口，填料，再振密，依次循环直至制桩完成；二是振冲器不提出孔口，在造孔完成后，只将振冲器向上提升1～2m然后填料，再下降振冲器振密填料；三是一边振冲器缓慢提升，一边在孔口向下投料。对于粘土地基加固宜采用第一种方式，对于砂土宜采用第二种或第三种方式。

3、施工顺序

对于一般粘性土、砂土地基的加固，宜采用由里向外或由一边向另一边推进的施工顺序；对于软粘土地基，宜采用间隔跳打法；当临区有已建建筑物时，宜先打临近建筑物一侧的碎石桩，然后向另一侧推进。

4、施工质量控制

对碎石桩施工质量的控制，主要是对水、电、料三项因素的控制。其控制值应以土质的不同而异，一般应以现场试桩结果确定。

（1）水的控制：主要是控制水的压力和水量。以在造孔、制桩中水应始终充满孔为原则；水压在造孔时大，制桩时小，土强度高者大，反之土强度低的减小等为原则加以控制。

（2）電的控制：主要指制桩振密时密实电流的控制，密实电流以空载时电流值10～15A为低限值，一般在桩低取低限值，向上逐渐增大，其值将随桩周土体对填料的约束力的大小而变化。

（3）填料的控制：按既定的填料方式填料，每次填料量和总填料量进行控制。严格控制填料质量，填料粒径不能超过50mm，碎石采用新鲜岩石，不得有风化岩，含土量应小于10%等。

结语：随着经济建设的快速发展，基础设施建设也随之增多，优良地质地段也随之越来越少，在不良地质地段，采用碎石挤密桩法加固处理工程中软弱地基具有施工机具少，施工工艺简单，加固费用低、工期短等一系列优点，有利与一般工业与民用建筑地基加固的广泛应用。但是，这种功法也有适用范围，如果被加固土体的不排水抗剪强度低于19.6Kpa，无法成桩，不能采用该桩法。endprint