陈进明-振动碎石桩在软土地地基处理中的应用.docx

振动碎石桩在软土地基处理中的应用

陈进明
西南林学院交通机械与土木工程学院 昆明 650224

摘要：本文结合工程实例，阐述了振动碎石桩的加固机理，介绍了用振动碎石桩处理填土软地基的设计原则，方案和施工要求，通过现场加固效果检测，证明该法具有显著的技术，经济效益。

关键词：软土地基 振动碎石桩 处理 应用
。

The Application Of Crushed-stones Stakes
In Soft Ground

Chen, Jinming
Faculty Ofcommunication,
Mechanic and Civil Engineering,
Southwest Forestry College,
Kunming Yunnan, China 650224

Abstract：This artice combines with an instance of engineering, expounded the principle of crushed-stones stakes, it introduced the degining principle of handling the soft ground, the demand and scheme of construction, Through the test of result, it proved there’s remarkable skill and economic result .

Keywords: application,
crushed-stones stakes,
handle,
soft ground

前言
各项工程建设中经常会遇到软土地基，如何对软土地基进行加固和利用，使其既能满足建筑强度和稳定性的要求，又能缩短工期、减少投资，这是地基处理工作中非常重要的环节，也是确保工程质量和安全的关键所在。振动碎石桩是改良地基的新方案。

一、振动碎石桩加固机理
由于淤泥质粘土属饱和软土，碎石桩起着置换软土的作用。对于软弱层不太厚的情况，桩端可以直接作用于下部坚硬岩石，此时复合土层中的桩体在荷载的作用下产生应力集中，由于桩体的压缩模量远比软弱土大，故而通过基础给复合地基的外加压力随着桩、土的等量变形会逐渐集中到桩上去，从而使软土承担的压力相应减少。结果，与原地基相比，复事地基的承载能力明显提高压缩性显著降低。结果软弱层厚度较大，桩体也可以不贯穿整个软弱土层，软弱土层只有部分厚度转变为复合土层并起着垫曾的作用，将荷载引起的应用向四周横向扩散，使应力分布趋于均匀，从而提高地基整体的承载力，减少沉降量。
在振动制桩过程中，由于振动、挤密等作用，尽管地基土中会出现较大的附加孔隙水压力，但随着时间的推移原地基土的结构强度有一定程度的恢复，孔隙水压力逐渐向桩体转移消散，其结果是有效应力增大，颗粒结构从新排列，形成比较稳定的颗粒接触关系，孔隙数量显著减少，土的结构趋于致密，稳定性增强，强度增大。
碎石桩在地基中还起到竖向排水通道和提高土基抗滑能力的作用，大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，促进了土中孔隙水压力的消散，提高了饱和粘性土排水固结的能力，使沉降稳定加快。

1. 在松散沙土中的作用
由于成桩方法的不同，在松散砂土中成桩对周围砂层或产生挤密作用或同时产生振密作用，从而提高地基的承载力。

1.1 挤密作用
采用冲击法或振动法往砂土中下沉桩管和一次拔管成桩时，由于桩管下沉对周围砂土产生很大的横向挤压力，桩管就将地基中同体积的砂挤向周围的砂层，使其孔隙比减小，密度增大，这就是挤密作用。有效机密范围可达3-4倍桩直径，这就是通常说的“挤密砂桩”。
1.2 挤密和振密作用
采用振动法往砂土中下沉桩管或逐步拔出桩管成桩时，下沉桩管对周围砂层产生挤密作用，拔出桩管对周围砂层产生振密作用，有效振密范围可达6倍桩直径左右。振密作用比挤密作用更显著，其主要特点是砂桩周围一定距离内地面发生较大下沉。采用这种成桩方法的砂桩成为“振密砂桩”。

2. 在软弱粘性土中的作用
2.1 置换作用
密实的砂桩在软弱粘性土中取代了同体积的软弱粘性土，形成复合地基，使承载力有所提高，地基沉降也变小。荷载试验和工程实践表明，砂桩复合地基受外荷载时，发生压力向砂桩集中的现象，使桩周围土层承受的压力减少，沉降也相应减小，砂桩复合地基与天然的软弱粘性土地基相比，地基承载力增大率和沉降减小率都与置换率（1根砂桩面积与1根砂桩承担的地基面积之比）成正比关系。根据我国在淤泥质亚粘土和淤泥质粘土中形成的砂桩复合地基上的荷载试验，在同等荷载作用下，其沉降可比天然地基减少20%-30%。
2.2 排水作用
在软弱粘性土地基中，砂桩可以象沙井一样起排水作用，从而加快堪的固结沉降速率，砂桩复合地基与天然地基荷载试验的对比表明，在荷载相同条件下，前者的沉降稳定时间比后者短得多。

3. 砂桩用途
在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。
在软弱粘性土中，可用于提高地基承载力，加速固结沉解，改善地基的整体稳定性。

二、复合地基设计与施工
1. 基本原则
1）复合地基设计方案既要经济合理，又可技术可行，应采取既防软土沉降又防软土剪切下滑的综合治理方案，有针对性地将软土地基划分为非软土处理区域和软土处理区域，使经济效益更加显著。
2）为最大限度地保证填方工程的稳定性，处理后的地基土安全系数应不低于1.25。
3）桩位布置和间距：对于大面积软土地基，桩位布置宜采取正三角形布置，桩的中心间距的确定应考虑填土荷载的大小，淤泥质粘土的强度。如果荷载大，软基强度低，间距应小一些，打不到硬层的短桩，其间距应更小。
4）桩体材料选用粒径2～5cm（最大粒径小于8cm）的碎石，桩的直径与淤泥质粘土的强度有关，经验值取0.5m。
5）宜在现场进行制桩试验和测试工作，如荷载试验，桩顶与土面的应力测定，提供设计施工所需的各项参数值，使设计更加切合实际。

2. 设计方案
2.1 桩材料和桩尺寸
2.1.1材料
使用中粗混合砂，含泥量不大于5%。
在对砂桩成型没有足够约束力的软弱粘性土中，可以使用砂和角砾混合料。

2.1.2直径
根据转换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑确定砂桩直径。在软弱粘性土中尽可能采用较大的直径。目前，国内实际采用的直径为30cm左右，最大者50～70cm；国外实际采用的直径为60～80cm，最大达200cm。
2.1.3长度
根据软土层厚度或根据工程要求通过计算确定砂桩长度。
1）当软土层厚度不大时，砂桩长度可按软土层厚度确定；
2）当软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程来说，砂桩长度应不小于最危险滑动面的深度；对按沉降控制的工程来说，砂桩长度应满足砂桩地基沉降量不超过建筑物或构筑物容许沉降量的要求，可通过沉降计算确定；
3）当使用砂桩处理易振动液化的饱和松散沙土时，砂桩长度应达到可能发生液化的砂层底部。
2.1.4垫层
砂桩施工完毕后，地面应铺设30～50cm厚度砂垫层或砂和碎石混合料垫层。垫层要分层铺设，用平板振动器振实。
在地面很软不能保证施工机械正常行驶和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。
2.2 成桩方法选择
设计时可根据土的类型选择适宜的成桩方法。目前国内外常用的成桩方法分为二类：
2.2.1振动成桩法
用振动打桩机将桩管沉入土层中，其成桩工艺分成三类：
1）一次拔管法
往沉入土层中的桩管内灌砂后，边振动边缓慢地从土层中拔出桩管。
2）逐步拔管法
往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下逐步拔起桩管，拔起一定高度时停拔，并继续振动若干秒后，再拔起一定高度，如此重复进行，直到桩管拔出地面。就砂桩质量和其周围砂层变密程度而言，逐步拔管法效果较好。
3）重复压拔管法
往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下将桩管拔起h高度，使砂下落，然后再将桩管压下h1高度（h1<h）使桩径扩大，并将落入桩孔内的砂压实，如此重复进行直到桩管拔出地面。这个成桩方法是，使桩体分段成型，其优点是可以压实桩体的砂和使桩径扩大。
根据饱和松散砂土容易振密的特点，应考虑选用振动成桩法。如果对砂桩质量要求严格，可以选用逐步拔管法或重复压拔管法成桩工艺。
2.2.2冲击成桩法
使用蒸汽打桩机或柴油打桩机将桩管打入土层中，其成桩方法分成两类：
1）单管法
将底端焊有活瓣桩靴的桩管打入土层中，往桩管内灌砂后缓慢地拔出桩管，砂从桩管内排出落入桩孔中就形成砂桩。就砂桩质量而言，此法效果不佳。
2）双管法
将有外管（底端开口）和内管（底端封口）的双层桩管打入土层中，拔起内管向外管中灌砂后，放下内管到砂面上，拔起外管与内管底面齐平，然后按规定的贯入度将内外管同时打下就形成一段直径比桩管直径大的砂桩。重复进行上述工艺直到桩管拔出地面。
双管法也是使砂桩分段成型。就砂桩质量和挤密效果而言，此法效果较好。由于桩体是分段成型和按贯入度控制施工，所以此法对改善天然软土地基的密实度和不均匀性有显革效果。
在软弱粘性土中可以选用冲击成桩法，也可以使用振动成桩法。对砂桩质量要求严格或要求小直径管打出大直径砂桩时，可以选用双管冲击成桩法或单管振动重复压拔管成桩法。

三、工程实例

1. 地基条件
高硗——海口一级公路第六标段土石方工程，设计填土高度大于5m，东临滇池，南北密布稻田和鱼塘，基底为厚度不等的淤泥和淤泥质粘土，标段地下水主要靠降雨和滇池水渗透补给，水量丰富，水位埋藏较浅，影响最大的不良地层主要为淤泥质粘土。
淤泥质粘土：灰-褐灰色，软塑为主，局部流塑，粘性较强，含少量角砾及腐植质，孔隙比额e=0.84，含水量W=29.3%，内聚力C=15Kpa，内摩擦角¢=4.2，压缩系数a=0.50kPa，压缩模量E=3.85kPa，地基设计承载力f=85-90kPa。该土层结构复杂，厚度变化较大，一般厚约1-3m，局部达6m，广泛分布于六标段全程。
根据土的物理力学指标，并经过多次验算，淤泥质粘土之上直接填方极限高度为10-12m，在填土荷载作用下，淤泥质粘土下沉量为0.18-0.53m，而本标段最大填土高度为8m，一般均在3-4m左右，若不对软土地基进行加固处理，势必产生较大的不均匀性沉降，地基土也将沿淤泥质粘土软弱面产生剪切滑动，造成高填方滑动破坏，要保证路段稳定必须对软土进行加固。如果采用其他方法或全部换填，则不易施工，工期太长，造价太高。经过技术经济综合分析比较，最后选定振动碎石桩为本项目改良地基的最优方案。

2. 设计方案
2.1桩体布置
高海公路K10+000-K12+000段方案，碎石桩直径0.5m，中心距1.5m，正三角形布置。桩底部打入卵石土层不少于0.5m，为防止软基滑动，在靠近滇池一带设置抗滑桩，抗滑桩为C20钢筋混凝土桩，桩截面2m×1.5m，桩中心间距6m，桩长9-13m，桩的平面布置如图1所示。
2.2 桩头设计
桩头采用钢筋混凝土预制，打入时加在桩管下部，增加打入力度和防止泥土进入桩管，其设计尺寸如图2所示。

3. 施工技术要求
3.1 振动碎石柱
1）振动碎石桩施工工艺流程为：振动器就位→振冲成孔，清孔→提出振冲器→填料→下落振冲器振实填料→重复作业直至完成。碎石桩孔内填料方式应按如下要求进行。先向孔内填料，然后下降振冲器使填料振实。对于上部低强度软弱层，应先进行加料初振，使石料挤入周围软土中形成护壁，防止塌孔。
2）桩的施工顺序应采用“由外向里”或“由一边向另一边”，禁止采用“由里向外”制桩。加料不宜过猛，“少吃多餐”。
3）振冲碎石桩边施工，边由填方队填满砂卵石，以保护桩顶面不被破坏。
3.2 抗滑桩
1）桩井开挖时必须做好定位，锁口，护壁，同时应采取一定措施保障施工质量和安全。
2）桩身混凝土骨料最大粒径不大于5cm，桩身施工必须连续灌注，不得形成施工缝。
3）桩身混凝土强度达到设计值得75%后才能进行填方施工。

3.3 填土施工要求
1）填方应严格进行分层夯实，还应遵循膨胀土施工原则进行施工。
2）软土地基填土速度应按以下要求严格控制：软土地段沿地界纵向每隔15m于坡脚2m处设置观测桩，填高小于10m时，每周观测一次，填高10～15m时，每2天观测一次，填高大于15m时，每天观测一次，异常情况应及时观测，分析。
3）软基地段地表在碎石桩施工过程中填满30cm厚砂卵石，起到透水和稳定软土的作用。
4）桩体施工完毕后随机抽样检测。

4. 地基加固效果检测
4.1 现场检测
碎石桩施工，养护完毕后，对其施工质量加固效果通过桩间土体标准贯入试验，静载荷试验和瑞利波波速进行了测试，其结果如下。
4.1.1 桩间土体标准贯入试验
通过桩间土体标准贯入试验检验地基的深层加固效果及有效影响深度。在加固路段上布置检测孔，在加固范围外布置一个对比孔，实验结果见表1。
表1
土层 名称
标准贯入击数N平均值
加固前
加固后
对比孔
淤泥质粘土
1.05
4.65
2.83
风化砂泥岩
61.5
65.9
63.7
淤泥质粘土经处理后，其标贯击数有一定提高，说明振动碎石桩对软土的置换，挤密作用比较明显；下部风化砂泥层因不均匀特性的影响，振冲挤密效果不如前者明显。

4.1.2 平板荷载试验
根据现场条件，采用小压板分别做了单桩载荷试验和桩间土载荷试验，由试验得到的压力沉降关系推求复合地基大型载荷试验的压力沉降关系，并以此确定加固后地基承载力基本值，推算复合地基的压缩模量。试验加荷稳定标准为：连续2小时，每小时的沉降量不超过0.1mm。载荷试验沉降量汇总结果见表2。
表2
荷载/kPa
0
80
120
160
200
240
280
320
360
备 注
沉 降
0.00
2.53
3.75
4.91
6.26
8.24
10.6
13.8
17.6
桩 体
0.00
3.13
4.85
6.45
8.33
10.5
13.6
18.7
24.4
桩庄土
从标沉降量资料可以看出，当总加荷量已为设计要求值的2倍时，复合地基还未发生剪切破坏，说明复合地基的承载力基本值取为180kPa是满足设计要求和符合实际的。

4.1.3 瑞利波波速测定
本次测定采用RSM-24FD浮点工程动测仪，CDJ-215垂直检波器，利用瞬态瑞利波原位测试技术，分别对干振法和水振法施工的碎石桩复合地基进行原位测试。根据软基加固设计文件，布置4个测试点，测试结果见表3。测试结果表明，复合地基基本承载f=200～220kPa，大于设计承载力180kPa。通过现场测试和室内资料整理，证明碎石桩复合地基施工质量及地基强度满足设计要求。
表3
检测点
1
2
3
4
基本承载力/kPa
220
210
200
200

4.2 地基沉降观测
在加固地段布设沉降观测点，其中最大填方地段观测点当填土或到3m时，地基沉降值为7mm，土方施工达到设计标高时测得沉降值为15mm，待3个月后测得累积沉降量为15.8mm，地基的沉降变形已基本趋于稳定，效果良好。

4.3 地基沉降量计算
因为振冲碎石桩复合地基最终以风化砂泥岩为持力层，所以地基的最终沉降量就是地基的沉降量。地基压缩层的计算沉度Z可以从碎石垫层底部取至碎石桩底部的最大值，取Z=3.0m，则地基的最终沉降量可用下式求得：
S=PZC/E （1）
P为对应荷载标准值的附加应力（取180）；
C为计算深度范围内的平均附加应力系数（取C=0.9230）；
E为复合地基压缩模量，经计算E=27.28MPa。

将以各数据代入式（1）中，求得最终沉降量S=16.54mm。
以上沉降量数值与理论计算的最终沉降量值基本吻合，说明所采取的地基加固方法切实可行，其加固质量满足设计要求。

5. 加固效果评价及结论

5.1 评价
1）通过实践证明，用振动碎石桩加固软土地基，具有较好的技术效益，加固的地基土的压缩模量，承载力基本值均显著增长；实测地基最大沉降量为15.8mm，与理论计算值相吻合，达到了提高地基承载力，减少地基土沉降量和差异沉降量，加速沉降稳定时间的目的，加固效果很好。
2）与软土换填，钻孔灌注桩等方法相比，用振动碎石桩加固软土地基，具有养护时间短，对周围建筑物影响小，施工方便，安全可靠，无须基坑支护；节约材料，加固费用低，可大大缩短工期等优点。为上部施工赢得了时间，创造了良好的经济效益和社会效益。
3）复合地基必须同时满足承载力和沉降量两方面的要求，但沉降量和差异沉降量的控制是问题的关键。在满足承载力要求的前提下，合理确定桩的间距，适当增大复合地基的沉降量，并将其控制在一定范围内，这样即可保证填土的安全，又可缩短工期，降低工程费用。

5.2 结论：
通过对振动碎石桩的分析，及在实践中的应用，说明了振动碎石桩在软土地基加固中具有较好的技术、经济效益，在未来的软基处理中，振动碎石桩将是一个比较好的选择方案。

四、结束语
本文虽然经过各位资深工程师帮助，老师的反复修改，但限于作者水平，仍然有很多不足之处，希望对本文的不足乃至错误之处提出批评、指正。

参考文献
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致谢：本文成文过程中，得到了云南公路与桥梁一公司提供资料、并给予帮助；世东老师倾力修改，在此致以诚挚的谢意！