试论碎石桩技术在山区高速公路软土地基的应用

吕 鑫

（山西省振兴公路监理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在工程界，软土没有严格规范的定义，习惯上把具有下面特性的土质称为软土：含水量较大、粒度较细、孔隙比大、塑性指数大、渗透系数小、固结速度慢、压缩系数大、在荷载作用下容易产生较大变形。就公路建设而言，地基变形和承载力应满足工程设计要求。没有满足施工要求的土层都称之为软土。

本文论述的是碎石桩技术在山区高速公路软土地基的应用，在此着重介绍一下山区软土路基的破坏形式。

在山区筑路，最常见的软土地基一边近山，另一边临河，山区气候多变，雨水较多，地下水丰富，滑坡、泥石流等灾害多发。综合以上特点，山区软土地基的破坏形式主要有以下3种：

a）路基沉陷 由于排水不畅，路基土层水量饱和，路面荷载作用很容易引发路基沉陷，造成路面不均匀沉降。

b）剪切拉裂破坏 软土地基一边近山另一边临河，软土地基在路面荷载作用下产生剪切效应，容易向河道方向侧滑。

c）坍塌滑动破坏 软土地基在水的剥蚀作用下，土体强度减小，路基容易坍塌滑动。

1 碎石桩的综合分析

碎石桩是利用振冲机具在软基中成孔之后，将碎石挤进土中而形成的大直径密实桩体，碎石材料可以选用砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、建筑碎石等作为填充材料。

1.1 碎石桩施工方法

按照不同施工方法，碎石桩施工可分为振冲法、振动挤密法、强夯置换法、沉管法。

振冲法是利用振冲器的高频振动以及高压水流的作用，在软土地基上形成一个孔，在孔内填入碎石。

振动挤密法是利用干法振冲器形成孔，减小土体空隙，同时在孔内填入碎石。

强夯置换法是利用夯锤的重力击打成孔，然后在孔内填入碎石。

沉管法是采用沉管打桩机在软土层打成孔洞，填入碎石形成碎石桩。沉管法由于具有定位精确、安全性好、便于操控等优点而得到广泛应用。

1.2 碎石桩的施工步骤

在工程施工中，碎石桩技术的应用始终是半理论半经验的状态。其应用步骤主要有地基勘察、试验施工、正式施工、质量检测、铺筑垫层等过程。

地基勘察是对软土基现场做地质勘查，然后依据技术指标和成功案例对碎石桩进行布局设计；试验施工是在选取的一些点位进行试验性质的施工，以获取技术参数，完善碎石桩施工设计；正式施工是按照设计图的要求认真完成碎石桩；质量检测是在施工完成3～4个星期以后，对碎石桩进行原位测试和单桩静载试验，对不合格者必须做修补工作，直至完全合格；铺筑垫层是在地表铺设垫层，形成桩网，与嵌入碎石桩的土层共同形成复合地基。至此，软土层地基变成了复合地基，承载力得到提升，破坏形式几近消除。

1.3 碎石桩的加固作用

1.3.1 挤密作用

任何一种施工方法都很有可能横向挤压孔洞周边的土层，对于土层本身的密实度进行了增加，增大了彼此间的摩擦力。就路基的承载力而言，土体固结可以降低沉降机率，横向挤压力可以更好地抵消地层剪切力，有利于地基承载力的增强。

1.3.2 排水作用

一个个碎石桩犹如一口口竖井，桩体外面的土层被挤压密实，类似井壁，土层中的地下水必然会流向吸水性能良好的碎石，阻断了地下水的循环剪切作用。从成桩角度来讲，碎石桩很有可能遭受剧烈振动；受到填料带来的影响，土体周边很可能引发挤密效应，引发地基整体土层受到预震作用，改变了预应力，增强了固结能力。

1.3.3 置换作用

碎石桩的施工本质目的就是把强度大、透水性高的碎石嵌入软土层，替代相当一部分的软土。在按照施工设计要求完成复合地基之后，犹如许多石质立柱与垫层结合在一起，即使碎石桩周围土层强度可能有所下降，但是这种地下的“框架结构”一样能够起到强有力的支撑作用。根据经验，在一定数据范围内，碎石桩复合地基承载力的增加值与碎石桩的置换率成正比。

1.3.4 加筋作用

在大载荷工程项目中，碎石桩往往被要求穿过软土层直达基岩，此时，上部负载越大，碎石桩体的应力集中现象就越明显，周围土体所受负荷就越小，反映到建筑物上，其沉降效应也就越小。这种加固作用称之为加筋作用。

1.3.5 垫层作用

垫层与碎石桩桩体在地表的部分进行紧密连接，形成稳固的桩土层。桩土层可以有效地扩散应力，有效减小沉降的不均匀变化，达到提高路基承载力的作用。

2 具体的技术运用

2.1 勘察现场地基

该高速公路项目位于山西省境内，路基属于软土地基，在这其中包含了粉质黏土、碎石土以及淤泥土等。具体来讲，粉质黏土包含了较厚的灰黄色土层，上层应当属于耕土并且包含植物根茎。淤泥质土整体上呈现黑色、灰绿色与灰色，其中较大比例为粉砂岩或者风化性较强的泥岩。此外，碎石土包含了钙质泥岩与泥质粉砂岩等，其中多半的碎石土都表现为松散状态，水分饱和度相对较大。粉质黏土含有碎石，大体占据了40%左右的比例，整体上可达10 m的土层厚度。

经过勘探可知，现场岩层整体上具有较大的硬度，完整性也相对较好。从钻探进程来看，可以将其分成中等风化与强风化的岩层类型。其中，强风化岩层本身呈现灰黄色与灰白色的色彩；经过较长时期的溶蚀作用，很多岩体都已经碎裂。相比而言，中等风化岩整体上仍保留了完整性，岩层质地坚硬且十分新鲜。在完成钻孔取样的基础上，观察可见局部性的岩层表现为溶蚀现象，然而岩层整体仍然十分稳定。此外，施工现场还含有较多软土以及淤泥黏土，其中的软土具有较大的孔隙比与较高含水量，同时又表现为较低的渗透性。因此可见，淤泥质的黏土很可能影响到后续进行的高速路建设。

比较碎石桩的适用性，综合考虑工程施工的进度与经济性，决定采用碎石桩技术对该路段进行软基处理的措施，选择沉管法作为最基本的施工流程。

2.2 前期的施工试验

a）施工放样，清理并平整场地，在作业路段铺设20～30 cm的碎石垫层。桩机就位，校正桩管垂直度小于等于1.5%，校正桩管长度符合设计桩长。

b）在碎石桩机架上标出沉管长度刻度。

c）用振动成桩机将桩管边振动边沉入土层，沉入速度控制在2～3 m/min，直至设计深度，稍向上提桩管，使桩管下端的活瓣桩尖打开，桩管及桩尖外壁的真空破坏，这样可以减少起拔摩阻力。

d）停止振动，立即往管内装入碎石，按设计算好的投石量装入碎石。起震拔管，为了使桩管内碎石密实，在拔管前先留震1 min，边振动边匀速拔管，拔管速度控制为1～1.2 m/min，为使挤出拔管下端的碎石更加密实，每提升1 m留震20～30 min。

e）根据单桩设计碎石用量确定第一次投料的成桩长度（约为桩管长度一半）。进行多次反插直至桩管内碎石全部投出。

f）再次投料，直至灌满，启动拔管，并进行多次反插至管内碎石全部投出，反插深度应小于桩管长度，每提升1 m反插0.3～0.5 m，留震10～20 min。

g）提升桩管高于地面停止振动，进行孔口投料至地表，启动反插并及时进行孔口补料至桩碎石料全部投完为止，在孔口加压，保证孔口碎石料的密实。

h）加料时应停机加料，并注意提升速度，防止因提升过高而出现端桩或缩颈现象，计算好每次投石量，控制每次投石量在导管内堆高应小于1.5 m，成桩高度小于34 cm。

i）桩孔内的碎石量应通过现场试验确定，计算结果按设计桩孔体积乘以系数1.15确定。每米碎石投量按照大于等于0.225 m3/m控制。

j）标定出装料的装载机每斗的用量，每斗装碎石在 0.25～0.28 m3。

k）碎石桩桩长应严格按照设计长度施工，当进尺困难且电机电流为空载电流2倍或将施工架多次顶起时，可认为已到硬土层。

路基采用整体式断面型式，标准横断面宽度为24.5 m，其组成为：2×3.75 m行车道＋2×2.75 m硬路肩+2×0.75 m土路肩+2×0.5 m左侧路缘带+1.5 m中央分隔带。本段采用沉管碎石桩处治，沉管碎石桩的直径为40 cm，间距120 cm，现场整体布置为三角形结构。图1为碎石桩的大体结构图。

图1 碎石桩分布示意图（单位：cm）

在布置碎石桩的具体操作中，确保碎石桩整体上形成了完整的平面三角形，碎石桩的桩间距为1.2 m，直径为40 cm，在持力层或者基岩的位置上布置碎石桩。在布置填料的过程中，具体选择了轧制碎石与未经风化的砾石作为施工材料，确保控制于40 mm以内的最大粒径。在布置桩基的操作中，应当建立双排的碎石桩，必要时还可以运用特定的补救措施。桩顶部铺设40 cm厚、公称最大粒径20 mm的满铺级配碎石褥垫层。

2.3 正式施工

沉管法属于干法施工，需要使用的工程机械主要包括：振动打桩机、起重机、翻斗车、空压机等。

2.3.1 沉管法具体流程

a）对于桩基位置进行确定。

b）开启打桩机，把振动套管逐渐打入设计深度。

c）向套管内腔投入一定量的碎石，然后套管进行缓慢拉出，确保软土与碎石能够结合在一起。

d）在土层内部打入套管，然后缓慢拔出，再次投放碎石。

e）对于上述步骤进行重复，直到挤密桩形成。

2.3.2 施工中注意事项

a）严格按照设计参数进行施工，一旦桩身局部地层条件不符合设计参数，应立即反馈并协同设计单位进行调整。

b）严格控制施工误差，保证桩体施工误差在技术指标范围之内。

2.4 质量检验

碎石桩施工结束后，一般需要静候3～4个星期，这段时间是碎石桩周围土体固结时间，必须待土体固结后方可开始质量检验工作。表1为质量检验的具体标准。

表1 碎石桩质量检验标准

由于高速公路对地基承载力的要求是非常高的，因此，必须使用重型动力触探试验仪对碎石桩桩身密实度做检查，还应该使用轻便触探法检查桩间土的挤密质量。对于表1中不符合标准的项目，必须采取补救措施，否则不能进行下一施工步骤。

2.5 铺筑垫层

待碎石桩质量完全达标之后，就可以开始铺筑垫层。在该施工场地，按照施工设计，将垫层分作两层完成铺设，每层20 cm，底层采用静力碾压平整，上层采用振动碾压。技术指标为：垫层宽度超出碎石桩外围边缘40 cm，按1∶1放坡；压实度为95%，检测频率为1点/2000 m2。为保证施工质量，设立质量观测站以确保检测验收。

3 结论

本文对碎石桩的加固机理、形成、设计等进行了较为全面的分析，并结合实际工程实例，探讨了碎石桩施工与质量检测。可以看出，碎石桩技术对于提升山区高速公路软土地基的承载力具有显著的效果。同时，碎石桩技术的应用不能一成不变，必须理论紧密联系实际，严格遵守施工工艺，灵活观察并处理突发情况。只有这样，才能够把工程质量控制在允许的误差之内，才能够保证山区高速公路建设质量。