公路振冲碎石桩地基加固施工技术研究

税伟

（邢台路桥建设集团有限公司，河北 邢台 054001）

0 引言

在公路工程路基建设过程中，会遇到软土地基的问题，而软基普遍具有含水量高、强度低、易受扰动的特点，对路基的正常建设造成了一定的困难，不仅增加了施工难度，还增加了施工成本。为有效解决软基问题，施工单位需要加强对振冲碎石桩技术的研究，此技术可有效提高软土地基的承载力和稳定性，并减少不均匀沉降，且该技术施工成本较低，对公路建设具有重要意义。

1 工程概况

某高速公路工程合同第5标段，起止桩号为K65+126.03—K65+531.43。工程所在地附近为山前冲积、洪积平原地带，其地形条件单一，经前期勘察人员对地基调查结果得知，该工程地基中的沉积物以冲积形成的低液限粉土及低液限黏土为主，此类土质具有一定的液化趋势，承载力低，且抗剪强度差，不可直接开展路基建设，同时该区域地下水位埋深浅，对地基影响较大，因此，为保证路基的建设质量，根据工程地质情况，经多方研究，决定采取振冲碎石桩技术对地基进行加固处理。

2 振冲碎石桩地基加固施工技术

2.1 振冲碎石桩施工原理

（1）振冲碎石桩施工技术主要是采用一种能产生水平振动的机械设备，先通过机械的垂直振动作用，以高压水流边振边冲或干法振冲的形式在软基区域成孔，然后再向孔内分批放入碎石材料，并利用振冲的方式使孔内的碎石振密成桩，最终与周围黏性土形成新的复合地基。由于碎石在孔内的挤压作用，其周围土体中的水分、空气会受到挤压，当形成复合地基后，软基内会形成整体，共同承受外部的荷载，从而实现软基加固。

（2）从地基加固机理的角度出发，振冲碎石桩的工作可以起到挤密和置换两种作用，当软基中的土体为饱和黏性土时，主要加固机理为置换，其主要置换的是饱和黏性土中的水分，通过碎石将水分置换出来，最终达到加固的目的[1]；当软基中的土体为砂性土时，主要加固机理为挤密，通过碎石桩中碎石材料之间的挤压力使砂性土的密度增加，最终实现加固的目的；当软基中土体为非饱和黏性土时，其加固机理为挤密和置换共同作用，既能置换其中的水分，又能增加土体的密度，无论上述哪种软基类型，采用振冲碎石桩技术均可以使软基的承载力及稳定性得到提升。

2.2 振冲碎石桩设计

2.2.1 桩长及桩径

施工前要对碎石桩的桩长、桩径合理设计，碎石桩的桩长主要取决于软基的深度，桩体的长度需保证可以达到地基的持力层，以提高地基的稳固性。碎石桩的桩径主要取决于软基的土质因素，软基土的黏性越大，则碎石桩的桩径就越大，反之则越小。根据工程的实际情况，本次施工碎石桩的桩径设计为0.5m，桩长设计为8～10m。

2.2.2 桩体布置及间距

振冲碎石桩的布置形式及桩体间距对软土地基加固效果影响较大，目前碎石桩加固技术常用的布桩形式可分为3种，不同形式下桩体的间距计算方式也不同。第一种形式为等边三角形布桩，其桩间距修正系数为0.95d；第二种为正方形布桩，其桩间距修正系数为0.89d；第三种布桩形式为梅花形布桩，其桩间距修正系数为0.92d。根据工程路基的宽度、长度等参数，为确保碎石桩处理效果，本次施工拟采取梅花形布桩方式，各个桩体之间的距离为1.2m[2]。

2.2.3 施工参数设计

（1）振冲碎石桩在成孔过程中主要采取机械作业的方式，为确保桩体的施工安全和质量，在施工前需要对施工相关参数进行设计。具体参数主要包含3组，分别为造孔电流与造孔水压、加密电流和加密水压以及留振时间，其中造孔电流与造孔水压参数的大小主要与软基土层的硬度、振冲功能的大小有关，软基土的硬度越大，则造孔电流与造孔水压参数就越大。根据工程实际情况，本次施工中振冲机械的造孔电流控制在50～60A，造孔水压控制在400～600kPa，当土层硬度增加时，选择较大的参数值。

（2）加密电流和加密水压是指碎石桩施工中加密碎石时采取的电流和电压大小，一般情况下其加密电流控制在45～60A，加密水压控制在400～600kPa。留振时间是指机械挤密碎石材料的时间，这是控制碎石桩密度的终压参数，其留振时间越长，碎石桩的密度就越大，直至达到稳定值。依据工程的实际情况，以及《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—91）中的要求，本次碎石桩施工留振时间控制在30～50s之间[3]。

2.2.4 桩体材料配比

碎石桩加固效果主要取决于碎石材料的大小及用量，考虑到软基的实际情况，本次向桩体内投放的碎石材料主要分为3个等级，分别为70mm以上的大粒径碎石、30～70mm的中粒径碎石以及30mm以下的小粒径碎石。对工程所在地现有的碎石材料进行分析，其中主要以30～70mm的粒径碎石材料居多，因此，中粒径碎石从施工现场开采。针对大粒径碎石和小粒径碎石通过采购的方式获取，向桩体内填筑碎石时通过大粒径∶中粒径∶小粒径=1∶3∶1的配比开展填充作业。

2.3 振冲碎石桩施工流程

2.3.1 选择振冲器

振冲碎石桩施工主要依靠机械作业，施工前先要选择振冲器，目前常用的振冲器按功率大小可分为30kW和75kW两种振冲器。其功率越高成桩后对周围土体的影响就越大，且成桩数量较少能有效节省施工造价，但大功率的振冲器对施工要求更为严苛，对操作人员技术水平要求更高，因此，结合工程实际情况本次施工选择功率为30kW的振冲器，每台机械安排有2名操作人员以及4名普通施工人员进行作业。

2.3.2 布置施工场地

正式开始振冲碎石桩施工前，施工单位应根据施工现场的面积大小、工期长短以及气候条件对场地进行处理。

（1）要保障场地内有足够压力的水供应施工，水量应保持在20～30m³/h，水压控制在40～60kPa；

（2）保障场地内的照明条件以及机械的运作，需要设置备用电源，从而保障机械的正常运行；

（3）场地内修筑施工便道，方便机械入场、材料运输等工作的开展；

（4）对场地进行简易处理，将场地内存在的障碍物、垃圾清除干净，并依据施工要求开展放样工作[4]。

2.3.3 成孔

上述准备完成后开始碎石桩成孔作业。首先将准备好的振冲器运输到位，并与设计的桩位对准，然后检查机械的各项性能，接通相关电路，最后按照设计的参数要求施工。当振冲器向下沉入时，周边要安排施工人员进行监测，将振冲器的下沉速度控制在1～2m/s，如检测过程中发现存在参数超出或低于设计的参数，则应立即采取针对性的措施，减缓会增加振冲机的下沉速度，当振冲器下沉深度达到设计要求深度的30～50cm后，方可将振冲器提起，提升速度控制在5～6m/s。此外，在成孔过程中，包括电流大小、电压大小、下沉速度、时间等所有参数均要详细记录[5]。

2.3.4 清孔

按照上述的操作流程重复1～2遍后，即表示冲孔完成，此时需要安排人员对成孔的效果进行检测，主要检测项目包括孔深、孔径、垂直度偏差等。如经检测成孔质量不合格，则施工人员需要返工处理，必要时应重新成孔施工，如经检测成孔质量合格，则要利用水循环的方式进行清孔。先将孔内的泥浆变稀，然后持续此过程1～2min，待孔内清理完成后将振冲器取出，进行下一步工序。

2.3.5 制桩

（1）制桩是碎石桩施工的关键环节，此阶段的主要工作是向孔内填充碎石材料，并使碎石在振冲器的作用下实现加固周围土体的效果。向桩体中填充碎石材料可分3次进行，第一次填充碎石材料的用量控制在0.5m³，当碎石按配比填充完成后放入振冲器，从孔口位置振入孔底，振冲器的作业参数应符合设计参数，当完成振冲后再向孔内进行第二次填料。第二次填料的用量控制在0.5～1.0m³，碎石材料填充后再依据第一次振密方式作业，然后再进行第三次填料，直至碎石桩成型[6]。

（2）在碎石桩内不断填料振密的过程中，桩内的碎石会在振冲器的作用下逐渐向周围土体中挤入，当周围孔壁土内存在的约束力与振冲形成的振动力一致后，则桩体周围区域稳定，此时表示周围土体达到加固的效果，可将振冲器关闭，并向下一根碎石桩移动施工。在全部成桩初期不宜直接进行检测，检测时间应在成桩半个月或一个月后，以避免对桩体造成破坏，影响地基加固的效果。

2.4 施工注意事项

2.4.1 试桩作业

振冲碎石桩施工中涉及的参数众多，为确保正式施工中碎石桩的加固效果，在正式施工前，应按照相关施工规范要求、设计的施工参数、施工流程等进行试桩。其主要目的有两点，其一是对施工前设计的相关参数、施工方案等进行验证，如设计参数与实际施工存在冲突、差异，则施工单位可以及时进行调整；其二是通过试桩的方式确定施工中的具体参数，同时增加施工人员的经验，从而保证在后续正式施工中可以有计划、有安排地开展工作，最终保证碎石桩的加固效果。

2.4.2 成孔过程

由于软基下的土体结构无法直接观察获取，均要利用相关的机械设备勘探、扫描，其勘探到的地质结果及情况与实际情况可能存在出入。因此，为避免施工中因此类问题引发安全事故，在成孔过程中应注意其施工过程。如发现软基土层土质强度较低时，则可在振冲器下沉到该软土层时在孔中填料，并进行初步挤振，以避免塌孔问题；当软基土质强度较高时，则可将振冲器活接头上下两部分用钢丝绳连接起来，避免下沉过程中出现断绳事故。

2.5 碎石桩复合地基检测

2.5.1 检测依据及流程

为有效判断本工程振冲碎石桩技术的施工质量，在成桩完成的1个月后对桩体外观、地基荷载进行了检测。本次检测遵循《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）规范中的要求，采用的设备包括120cm×120cm荷载板、精密压力表、百分表等。检测过程中，先对桩身外观进行检测判断，然后对地基展开荷载监测，确定地基承载力特征值，并对施工质量作出评价。

2.5.2 桩身外观检测

在碎石桩外观质量检测中，主要采取抽样检测的方式，取样的间隔为50m，确定取样的位置后选取样本并送入实验室进行分析，通过实验室中的筛分试验以及含泥量试验，确定桩体中碎石的级配范围以及含泥量。经检测，本工程碎石桩的级配范围在规范要求的5cm以内，且含泥量为9.1%，在规范要求的10%以内。此外，碎石桩的桩径、桩长、间距、位置等均在规范要求的范围内，表明其外观质量合格[7]。

2.5.3 地基荷载监测

（1）在碎石桩地基荷载试验中，其荷载试验的加荷等级分为8～12级，最大的加载压力不得小于设计压力值的2倍。本工程荷载试验时采用8级加载法，每级加载50.2kN，最大加载保持在400.8kN。每次加载前后均要安排人员对承压板的承载量进行记录，且每30min再记录一次，如加载后1h内的沉降量在0.1mm以内，则开始下一级加载。如加载中出现沉降量巨大，且周围土体明显隆起、承压板沉降量大于其宽度的6%、未达到极限荷载，但最大加载压力已大于设计要求压力的2倍等情况时，应立即停止试验。待全部加载后进行卸荷，卸荷时分为4级，每级卸荷后间隔30min读记回弹量，待全部卸荷完成后间隔3h再读记总回弹量。

（2）经地基荷载监测后，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2002）的要求确定地基承载力的特征值。其极限荷载为280kPa，根据上述地基的沉降值大小监测结果得知，其沉降量均在设计要求的0.1mm/h的范围内，地基的承载力均在极限荷载的一半，即140kPa以上，这证明，该工程软土地基经碎石桩加固后，其地基沉降值与承载力均在规范要求范围内，本次施工质量合格。

3 结语

综上所述，采用振冲碎石桩技术对公路软土地基进行加固，可以在公路软基区域形成一种复合地基，以增加软基的稳定性及其他性能。这既是一种经济合理的方法，又是一种行之有效的加固技术，但要确保该技术在软基加固中的应用效果，必须结合工程实际制定详细的施工方案，并在后续施工中严格把控施工工序及流程，从而保证振冲碎石桩的施工质量。