振動沖擊碎石樁處理軟基的原理及應用

梁思鋒

1 振沖碎石樁原理

碎石樁復合地基是用振動或沖擊荷載將底部裝有活瓣式樁靴的樁管擠入地層，在軟弱地基中成孔后，再將碎石從樁管投料口處投入樁管內，然后邊擊實、邊上拔樁管，形成密實碎石樁，并與樁周土體一起形成復合地基。因碎石樁具有良好的透水性，可加速地基固結，使地基承載力得到提高。

2 振沖碎石樁施工

在南疆線吐庫二線工程中，DK78+500～DK78+650處的地基為飽和軟土，淤泥深度達5 m，對路基穩定性極為不利，決定采用振沖碎石樁技術來加固地基，提高地基承載力。施工平面布置在40 m×150 m的范圍內，在振沖平面上鋪1 m厚的戈壁料工作面，保證吊車作業的穩定性。地基處理深度在2.5 m～5.5 m之間，振沖碎石樁1 800根，進尺13 216m，用料約3 200m3。本次施工的碎石樁，樁徑為50 cm，采用梅花形布置方案，相鄰樁體間距2 m。

2.1 施工前的準備工作

熟悉施工圖紙和施工工藝，提出保證質量的措施，放線布置樁位。

2.2 施工工藝

1)施工順序:本段振沖樁采用“由里向外”的順序施工，這種順序易擠走部分軟土，便于制樁。為減少制樁過程對樁間土的擾動，采用隔樁的方式沖擊成樁。

2)填料方式:振沖成孔后即向樁孔內填料制樁。一般有兩種填料方式:a.間斷填料法，將振沖器提出孔口，向孔內倒入填料，再下振沖器振沖密實，待達到設計要求后，又提出振沖器下料振密，如此反復直至制樁完畢，適合小型工程人工推車填料;b.連續填料法，振沖器不提出孔口，僅上提30 cm～50 cm，離開原已振密過的樁次，即向孔連續不斷地回填石料，直至該次樁體振沖密實達到設計要求后，再上提30 cm～50 cm，連續填料振沖密實，重復上述步驟，自下而上逐段制樁直至孔口，適合機械化作業。

3)施工作業:振沖碎石樁施工的工序可分為造孔、清孔、填料和振密及樁體頂部處理等。

4)褥墊層設置:碎石樁施工完畢后，將表層鋪設的1 m厚的戈壁料清理出去，進行褥墊層施工。在荷載作用下墊層可以通過碎石的流動補償性調整樁、土應力分配和復合地基變形，使基礎—墊層—復合地基共同作用。本段設置厚度為40 cm。

2.3 施工流程

1)根據設計要求采用75 kW振沖器及配套工具;2)根據建設單位提供的軸線，按圖紙測放樁位;3)組裝好振沖器后，接通水源、電源;4)調試設備，校核各項技術參數，以確定設備處于良好運行狀態;5)施工機具、人員就位，吊車起吊振沖器對準樁位;6)造孔:開動高壓水泵沖水，啟動自動控制系統，待振沖器運轉正常后，使振沖器徐徐貫入土中，振沖器下降速率控制在0.5 m/min～2.0 m/min;水壓控制在0.15 MPa～0.6 MPa(硬層段采用大水壓);電流最大為150 A;7)清孔:造孔結束后，將振沖器提出孔口，再以較快速度從原孔貫入，使樁孔暢通，為了便于填料加密，可將振沖器提升2次～3次;8)填料加密:向孔內傾倒部分石料壓底，然后用振沖器反插至設計標高后上提30 cm～50 cm，待達到加密電流和留振時間(在穩定密實電流下的持續時間)后，可依次向上分段加密，加密段長度應符合設計要求，控制在30 cm～50 cm;加密電流80 A;加密水壓0.15 MPa(硬層段0.3 MPa);碎石含泥量不大于5%，粒徑30 mm～100 mm，最大粒徑不大于150 mm，無風化，有良好級配的新鮮碎石;9)重復上一步驟，自下而上加密，直至孔口;10)關閉振沖器，關閉水泵，單根制樁結束。施工中每根樁都要做好記錄，水壓、電流、填料量等各項參數每2 m記錄一次。

3 復合地基沉降穩定時間

振沖碎石樁復合地基變形的組成包括樁體自身沉降和樁間土的變形兩部分。樁體自身沉降是以樁柱體在荷載作用下的壓脹變形為主，對于樁間土的變形則是以壓縮變形為主。變形可近似由樁頂變形和樁間土表面變形構成。施工期間車輛碾壓、樁頂碎石墊層施工的碾壓作用和后繼填土施工時的碾壓作用，以及依靠墊層的流動補償性，樁頂變形和樁間土表面變形能在施工期間迅速均勻地進行。經測試結果表明，軟土在施工30 d后排水固結完成，強度得到恢復，振沖碎石樁復合地基一般在地基處理完后的30 d即可完成80%沉降，剩下20%的沉降在加載后樁間土強度改善過程中完成(約三個月)，半年后沉降趨于穩定。

4 設計檢測方法

1)復合地基承載力標準值采用單樁復合地基載荷試驗確定，試驗按JGJ 79-91建筑地基處理技術規范附錄一“復合地基載荷試驗要點”進行。

2)埋設沉降觀測桿和位移觀測樁，振沖碎石樁施工完后進行觀測。觀測時間為一年，并根據觀測資料的分析，預測后期沉降和最終沉降。

5 試樁總結

對5根樁長為3 m的試驗樁記錄的數據進行總結，施工密實電流45 A～50 A，留振時間10 s，單樁耗碎石0.72 m3，單位填料量約0.24 m3/m，說明施工參數與設計樁徑相匹配。最后由設計、監理、質監、施工單位及業主共同確定按原設計參數即:密實電流45 A～50 A，留振時間10 s～15 s進行大面積施工。

6 處理效果

6.1 施工監測

在施工過程中，對成孔與制樁進行全程監控，重點監測振沖三要素:密實電流、留振時間和填料量。其中填料量計算方法采用每個振密段長(0.5 m)對應的成孔電流、密實電流和施工時間(該段成孔時間與振密制樁時間)聯立方程求解所得，對比人工記錄的填料量和總體耗填料量，誤差較小。將收集的五組數據進行綜合分析，振沖三要素基本一致(達到設計要求)，平均樁徑55 cm，場地整體施工狀況較為均一，處理效果良好。三要素統計結果見表1。

表1 振沖三要素統計數據分析

6.2 施工要點

飽和軟土地基上施工振沖碎石樁，主要難點是成孔質量問題和成樁時電流及留振時間難以達到設計要求，這都要在施工中采取有效的工藝措施來解決，主要方法有:

1)成孔:成孔速度宜慢，振沖器在成孔過程中應保持懸垂狀態，保證孔壁的完整和孔的垂直度;成孔時水壓不宜小于500 kPa，水量不小于30 m3/h，保證孔內淤泥及其團塊返出地面，保證填料的暢順，提高施工功效，還能保證樁體的排水固結作用不因樁體含泥量大而受到影響。為進一步保證成孔質量，終孔后必須進行清孔1遍～2遍。2)成樁:成樁時電流及留振時間難以達到設計要求，主要原因是填料在飽和軟土中難以充分到達預定位置。在實際施工中，根據實際情況，有時要采用“間斷填料法”，有時要采用“連續填料法”，讓振沖器在孔內不停地上、下串動進行填料、振密和留振。此法能避免飽和軟土振沖碎石樁施工常見的“卡管”和“斷樁”現象，保證樁體連續性和密實度。

7 檢測結果及評價

復合地基承載力標準值采用單樁復合地基載荷試驗確定，按JGJ 79-91建筑地基處理技術規范中有關規定進行，根據碎石墊層在振沖碎石樁復合地基中的作用，要求試驗直接在碎石墊層上進行。本工程共檢測4根樁，檢測結果見表2。

表2 試驗結果匯總表

結果表明，總沉降量小，fspk對應的沉降量極小(平均4.82 mm)，回彈率37.5%，Q—S曲線平緩，S—lg t曲線呈平行規則排列，復合地基承載力標準值不小于50 kPa，完全符合設計標準和滿足工程要求。經一年的沉降觀測，各觀測點沉降較均勻。說明經振沖碎石樁處理后，沉降能很快完成，總沉降量較小，且無差異沉降。

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