試論碎石樁技術在山區高速公路軟土地基的應用

呂 鑫

（山西省振興公路監理有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

在工程界，軟土沒有嚴格規范的定義，習慣上把具有下面特性的土質稱為軟土：含水量較大、粒度較細、孔隙比大、塑性指數大、滲透系數小、固結速度慢、壓縮系數大、在荷載作用下容易產生較大變形。就公路建設而言，地基變形和承載力應滿足工程設計要求。沒有滿足施工要求的土層都稱之為軟土。

本文論述的是碎石樁技術在山區高速公路軟土地基的應用，在此著重介紹一下山區軟土路基的破壞形式。

在山區筑路，最常見的軟土地基一邊近山，另一邊臨河，山區氣候多變，雨水較多，地下水豐富，滑坡、泥石流等災害多發。綜合以上特點，山區軟土地基的破壞形式主要有以下3種：

a）路基沉陷 由于排水不暢，路基土層水量飽和，路面荷載作用很容易引發路基沉陷，造成路面不均勻沉降。

b）剪切拉裂破壞 軟土地基一邊近山另一邊臨河，軟土地基在路面荷載作用下產生剪切效應，容易向河道方向側滑。

c）坍塌滑動破壞 軟土地基在水的剝蝕作用下，土體強度減小，路基容易坍塌滑動。

1 碎石樁的綜合分析

碎石樁是利用振沖機具在軟基中成孔之后，將碎石擠進土中而形成的大直徑密實樁體，碎石材料可以選用礫砂、粗砂、中砂、圓礫、角礫、卵石、建筑碎石等作為填充材料。

1.1 碎石樁施工方法

按照不同施工方法，碎石樁施工可分為振沖法、振動擠密法、強夯置換法、沉管法。

振沖法是利用振沖器的高頻振動以及高壓水流的作用，在軟土地基上形成一個孔，在孔內填入碎石。

振動擠密法是利用干法振沖器形成孔，減小土體空隙，同時在孔內填入碎石。

強夯置換法是利用夯錘的重力擊打成孔，然后在孔內填入碎石。

沉管法是采用沉管打樁機在軟土層打成孔洞，填入碎石形成碎石樁。沉管法由于具有定位精確、安全性好、便于操控等優點而得到廣泛應用。

1.2 碎石樁的施工步驟

在工程施工中，碎石樁技術的應用始終是半理論半經驗的狀態。其應用步驟主要有地基勘察、試驗施工、正式施工、質量檢測、鋪筑墊層等過程。

地基勘察是對軟土基現場做地質勘查，然后依據技術指標和成功案例對碎石樁進行布局設計；試驗施工是在選取的一些點位進行試驗性質的施工，以獲取技術參數，完善碎石樁施工設計；正式施工是按照設計圖的要求認真完成碎石樁；質量檢測是在施工完成3～4個星期以后，對碎石樁進行原位測試和單樁靜載試驗，對不合格者必須做修補工作，直至完全合格；鋪筑墊層是在地表鋪設墊層，形成樁網，與嵌入碎石樁的土層共同形成復合地基。至此，軟土層地基變成了復合地基，承載力得到提升，破壞形式幾近消除。

1.3 碎石樁的加固作用

1.3.1 擠密作用

任何一種施工方法都很有可能橫向擠壓孔洞周邊的土層，對于土層本身的密實度進行了增加，增大了彼此間的摩擦力。就路基的承載力而言，土體固結可以降低沉降機率，橫向擠壓力可以更好地抵消地層剪切力，有利于地基承載力的增強。

1.3.2 排水作用

一個個碎石樁猶如一口口豎井，樁體外面的土層被擠壓密實，類似井壁，土層中的地下水必然會流向吸水性能良好的碎石，阻斷了地下水的循環剪切作用。從成樁角度來講，碎石樁很有可能遭受劇烈振動；受到填料帶來的影響，土體周邊很可能引發擠密效應，引發地基整體土層受到預震作用，改變了預應力，增強了固結能力。

1.3.3 置換作用

碎石樁的施工本質目的就是把強度大、透水性高的碎石嵌入軟土層，替代相當一部分的軟土。在按照施工設計要求完成復合地基之后，猶如許多石質立柱與墊層結合在一起，即使碎石樁周圍土層強度可能有所下降，但是這種地下的“框架結構”一樣能夠起到強有力的支撐作用。根據經驗，在一定數據范圍內，碎石樁復合地基承載力的增加值與碎石樁的置換率成正比。

1.3.4 加筋作用

在大載荷工程項目中，碎石樁往往被要求穿過軟土層直達基巖，此時，上部負載越大，碎石樁體的應力集中現象就越明顯，周圍土體所受負荷就越小，反映到建筑物上，其沉降效應也就越小。這種加固作用稱之為加筋作用。

1.3.5 墊層作用

墊層與碎石樁樁體在地表的部分進行緊密連接，形成穩固的樁土層。樁土層可以有效地擴散應力，有效減小沉降的不均勻變化，達到提高路基承載力的作用。

2 具體的技術運用

2.1 勘察現場地基

該高速公路項目位于山西省境內，路基屬于軟土地基，在這其中包含了粉質黏土、碎石土以及淤泥土等。具體來講，粉質黏土包含了較厚的灰黃色土層，上層應當屬于耕土并且包含植物根莖。淤泥質土整體上呈現黑色、灰綠色與灰色，其中較大比例為粉砂巖或者風化性較強的泥巖。此外，碎石土包含了鈣質泥巖與泥質粉砂巖等，其中多半的碎石土都表現為松散狀態，水分飽和度相對較大。粉質黏土含有碎石，大體占據了40%左右的比例，整體上可達10 m的土層厚度。

經過勘探可知，現場巖層整體上具有較大的硬度，完整性也相對較好。從鉆探進程來看，可以將其分成中等風化與強風化的巖層類型。其中，強風化巖層本身呈現灰黃色與灰白色的色彩；經過較長時期的溶蝕作用，很多巖體都已經碎裂。相比而言，中等風化巖整體上仍保留了完整性，巖層質地堅硬且十分新鮮。在完成鉆孔取樣的基礎上，觀察可見局部性的巖層表現為溶蝕現象，然而巖層整體仍然十分穩定。此外，施工現場還含有較多軟土以及淤泥黏土，其中的軟土具有較大的孔隙比與較高含水量，同時又表現為較低的滲透性。因此可見，淤泥質的黏土很可能影響到后續進行的高速路建設。

比較碎石樁的適用性，綜合考慮工程施工的進度與經濟性，決定采用碎石樁技術對該路段進行軟基處理的措施，選擇沉管法作為最基本的施工流程。

2.2 前期的施工試驗

a）施工放樣，清理并平整場地，在作業路段鋪設20～30 cm的碎石墊層。樁機就位，校正樁管垂直度小于等于1.5%，校正樁管長度符合設計樁長。

b）在碎石樁機架上標出沉管長度刻度。

c）用振動成樁機將樁管邊振動邊沉入土層，沉入速度控制在2～3 m/min，直至設計深度，稍向上提樁管，使樁管下端的活瓣樁尖打開，樁管及樁尖外壁的真空破壞，這樣可以減少起拔摩阻力。

d）停止振動，立即往管內裝入碎石，按設計算好的投石量裝入碎石。起震拔管，為了使樁管內碎石密實，在拔管前先留震1 min，邊振動邊勻速拔管，拔管速度控制為1～1.2 m/min，為使擠出拔管下端的碎石更加密實，每提升1 m留震20～30 min。

e）根據單樁設計碎石用量確定第一次投料的成樁長度（約為樁管長度一半）。進行多次反插直至樁管內碎石全部投出。

f）再次投料，直至灌滿，啟動拔管，并進行多次反插至管內碎石全部投出，反插深度應小于樁管長度，每提升1 m反插0.3～0.5 m，留震10～20 min。

g）提升樁管高于地面停止振動，進行孔口投料至地表，啟動反插并及時進行孔口補料至樁碎石料全部投完為止，在孔口加壓，保證孔口碎石料的密實。

h）加料時應停機加料，并注意提升速度，防止因提升過高而出現端樁或縮頸現象，計算好每次投石量，控制每次投石量在導管內堆高應小于1.5 m，成樁高度小于34 cm。

i）樁孔內的碎石量應通過現場試驗確定，計算結果按設計樁孔體積乘以系數1.15確定。每米碎石投量按照大于等于0.225 m3/m控制。

j）標定出裝料的裝載機每斗的用量，每斗裝碎石在 0.25～0.28 m3。

k）碎石樁樁長應嚴格按照設計長度施工，當進尺困難且電機電流為空載電流2倍或將施工架多次頂起時，可認為已到硬土層。

路基采用整體式斷面型式，標準橫斷面寬度為24.5 m，其組成為：2×3.75 m行車道＋2×2.75 m硬路肩+2×0.75 m土路肩+2×0.5 m左側路緣帶+1.5 m中央分隔帶。本段采用沉管碎石樁處治，沉管碎石樁的直徑為40 cm，間距120 cm，現場整體布置為三角形結構。圖1為碎石樁的大體結構圖。

圖1 碎石樁分布示意圖（單位：cm）

在布置碎石樁的具體操作中，確保碎石樁整體上形成了完整的平面三角形，碎石樁的樁間距為1.2 m，直徑為40 cm，在持力層或者基巖的位置上布置碎石樁。在布置填料的過程中，具體選擇了軋制碎石與未經風化的礫石作為施工材料，確?？刂朴?0 mm以內的最大粒徑。在布置樁基的操作中，應當建立雙排的碎石樁，必要時還可以運用特定的補救措施。樁頂部鋪設40 cm厚、公稱最大粒徑20 mm的滿鋪級配碎石褥墊層。

2.3 正式施工

沉管法屬于干法施工，需要使用的工程機械主要包括：振動打樁機、起重機、翻斗車、空壓機等。

2.3.1 沉管法具體流程

a）對于樁基位置進行確定。

b）開啟打樁機，把振動套管逐漸打入設計深度。

c）向套管內腔投入一定量的碎石，然后套管進行緩慢拉出，確保軟土與碎石能夠結合在一起。

d）在土層內部打入套管，然后緩慢拔出，再次投放碎石。

e）對于上述步驟進行重復，直到擠密樁形成。

2.3.2 施工中注意事項

a）嚴格按照設計參數進行施工，一旦樁身局部地層條件不符合設計參數，應立即反饋并協同設計單位進行調整。

b）嚴格控制施工誤差，保證樁體施工誤差在技術指標范圍之內。

2.4 質量檢驗

碎石樁施工結束后，一般需要靜候3～4個星期，這段時間是碎石樁周圍土體固結時間，必須待土體固結后方可開始質量檢驗工作。表1為質量檢驗的具體標準。

表1 碎石樁質量檢驗標準

由于高速公路對地基承載力的要求是非常高的，因此，必須使用重型動力觸探試驗儀對碎石樁樁身密實度做檢查，還應該使用輕便觸探法檢查樁間土的擠密質量。對于表1中不符合標準的項目，必須采取補救措施，否則不能進行下一施工步驟。

2.5 鋪筑墊層

待碎石樁質量完全達標之后，就可以開始鋪筑墊層。在該施工場地，按照施工設計，將墊層分作兩層完成鋪設，每層20 cm，底層采用靜力碾壓平整，上層采用振動碾壓。技術指標為：墊層寬度超出碎石樁外圍邊緣40 cm，按1∶1放坡；壓實度為95%，檢測頻率為1點/2000 m2。為保證施工質量，設立質量觀測站以確保檢測驗收。

3 結論

本文對碎石樁的加固機理、形成、設計等進行了較為全面的分析，并結合實際工程實例，探討了碎石樁施工與質量檢測?？梢钥闯?，碎石樁技術對于提升山區高速公路軟土地基的承載力具有顯著的效果。同時，碎石樁技術的應用不能一成不變，必須理論緊密聯系實際，嚴格遵守施工工藝，靈活觀察并處理突發情況。只有這樣，才能夠把工程質量控制在允許的誤差之內，才能夠保證山區高速公路建設質量。