高速公路碎石桩工程的设计及施工技术要点

邹 磊

碎石桩复合地基是在地基中设置由碎石等组成的纵向增强体(桩体)达到加固土体目的形成的复合地基,其具有良好的透水性,可加速地基固结,提高了地基土的承载力,减少了地基的沉降量。并且由于其施工方便、经济、适用性广、快速等特点,最近几年在高速公路工程中也得到了广泛应用。

1 碎石桩复合地基加固原理

1.1 对松散砂土加固机理

碎石桩加固松散砂土,主要是处理这种地基的液化效应。松散砂土是单粒结构,属于典型的散粒体,结构稳定性差,在动力和静力作用下很容易产生位移而失稳、体积减少,形成液化,强度降低。而碎石桩复合地基抗液化的作用主要体现在三个方面:增加桩周砂土的密实度;通过桩体的排水减少砂土中的超静孔隙水压力的增长;桩体可分担地震水平剪应力作用(桩体减震作用)。

1.2 对黏性土的加固机理

1.2.1 置换作用

对于黏性土地基(特别是饱和软土),由于土的粘粒含量多,粘粒间结合力强,渗透性低,在振动力和挤压力的作用下土中水不易排走,所以碎石桩的作用不是地基挤密,而是置换。碎石桩置换法是一种换土置换,即以性能良好的碎石来替换不良地基土。由于碎石桩的刚度比桩周黏性土的刚度要大,而地基中应力按材料变形模量进行重新分配。因此,大部分荷载将由碎石桩承担,桩体应力和桩间黏性土应力之比值称为桩土应力比,一般取值2～4。碎石桩在施工制桩过程中,因为振动、挤压及扰动等原因,桩间土与碎石桩之间会发生孔隙水压力相互转化,所以对碎石桩的质量检验有一个龄期的问题,一般检测的间隔时间为3周～4周。

1.2.2 排水作用

饱和黏性土的粘粒含量高,渗透性差,抗剪强度低,对碎石桩的约束能力也有限。由于设置了反滤性和滤透性都较好的碎石桩,使得土体固结排水路径大大缩短,固结速度显著提高,土体的强度和对桩体的约束能力也得到提高,从而使复合地基的承载力得到提高,使沉降稳定加快。由于碎石桩是散粒体组成,承受荷载后发生径向变形,并使周围黏性土产生被动抗力,如果黏性土的强度过低,不能使碎石桩得到所需的径向约束力,桩体就会产生膨胀破坏,这样会影响到加固效果。

2 碎石桩复合地基的设计

2.1 平面布置形式

碎石桩一般呈正三角形或梅花形布置,有时也呈正方形布置。

2.2 桩径

碎石桩的直径应根据置换率、成桩方法、施工机械能力等因素来确定,直径一般采用50cm～100cm,最大直径可达 200cm。

2.3 桩长

1)软弱土层厚度小于15 m或在该深度以内有较硬的持力层,应将碎石桩桩端置于较硬土层中。2)在可液化土层中,碎石桩桩长应按抗震要求处理的深度来确定。一般规范要求桩长应穿透液化土层,满足抗震设计要求。3)按稳定性设计的工程,其碎石桩桩长不得小于最危险滑动面以下2.0m。4)按变形沉降设计的工程,碎石桩的长度应满足使复合地基的沉降量不超过对构筑物地基容许沉降量的要求。

2.4 桩距计算

计算桩距,首先要考虑置换率:

其中,m为碎石桩置换率;a为桩间土承载力的修正系数,砂土一般取1.2～2.0;n为桩与土应力比,一般取2～4;Δfk=fspk-fsko,fspk为复合地基标准承载力;fsko为天然地基标准承载力。

2.5 碎石桩承载力计算

Hughes和Withers(1974年)用极限平衡理论分析,建议按下式计算单桩的极限承载力qfp:

其中,CU为桩间土的不排水抗剪强度。

根据JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范,推荐的碎石桩复合地基承载力特征值计算公式为:

其中,fspk为复合地基承载力特征值;fpk为碎石桩单位面积承载力特征值;fsk为处理后桩间土承载力特征值;m为桩土面积置换率。

2.6 碎石桩处理宽度的确定

地震液化后地基分为液化区、过渡区和加固区三个部分,液化破坏主要是由加固区外侧的土首先软化和液化,中间土失去侧向支撑力,因此其稳定性计算模型可以按边坡的稳定性问题来计算。一般碎石桩处理砂土液化,每边处理宽度不得少于液化层厚度的1/2,并不小于3m,高速公路道路路堤两侧的处理区域应设置到排水沟外缘。

3 工程应用实例

3.1 工程概况

南惠高速公路K52+704～K52+958段,地处缓丘地带,地势平缓,浅部为灰黄色中粗砂,灰黄色,松散,厚约2 m～6m,下为残坡积砂质黏性土,硬塑,厚约3 m～7m,下伏花岗岩,此段砂土层根据《公路工程抗震设计规定》中的有关规定,中砂层会产生严重的砂土液化现象。设计采用振动挤密碎石桩,考虑路堤荷载的大小,原土的强度、桩的承载力及施工工艺,设计桩长3 m～6m,桩径0.6m,桩间净距原则上不大于2.5d,桩间距按换算成单桩面积确定,桩位平面上按等边三角形布置。

碎石桩用碎石要求:采用2cm～5cm的级配碎石,最大粒径不大于8cm,含泥量不得大于 5%。

3.2 施工工艺及要注意的问题

1)碎石桩施工工艺:施工准备(先铺设砂砾垫层30cm)→布置桩位→桩机就位→开机→沉管造孔→填碎石料→挤密成桩→关机就位。2)施工前必须进行试桩实验。验证设计参数和施工控制的有关参数作为碎石桩施工的控制指标,试桩根数一般为9根～16根。3)机械定位及施工顺序。沉管机就位后,沉管中心应对准校位,对位误差不大于20mm。对位后应校正沉管和桩机挺杆垂直度,保证成桩垂直度在1.5%以内。碎石桩属于挤土桩,为防止桩体散乱不成型,碎石桩施工顺序要采取从外向内、螺旋向中心的顺序,要跳打以消除相邻桩的影响,防止桩身倾斜。4)沉管静压及控制。沉管时应先静压沉管至一定深度,在确定沉管没有发生偏移后方可启动振动锤按正常速度下沉。沉管的深度必须严格控制达到设计要求。桩管进入可液化层后,每下沉0.5 m留振30s直至设计深度后稍上提沉管,使沉管下端的活瓣尖桩打开,沉管及桩尖外壁真空破坏,减少起拔摩擦阻力。5)填料控制。碎石桩加固地基的效果取决于碎石投入量,即充盈系数必须满足设计要求。因此采用复打反插法施工,同时施工过程中控制好碎石的密实度,碎石的灌注量不能小于设计量。沉管至设计深度后停机投料,直至装满为止。二次投料要采用空中加料,以避免断桩造成的承载力不够。

4 结语

碎石挤密桩处理软土和砂土液化的地基是一种非常可行且经济的办法,对地基土的物理性质的改善、软土的加速固结及沉降的减少、承载力的提高都有明显的作用。在公路工程中越来越显示其重要作用。

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