高速公路碎石樁的檢測(cè)試驗(yàn)原理及方法研究

趙龍

摘要：碎石樁復(fù)合地基是處理高速公路軟土工程的方案之一，而對(duì)于碎石樁地基承載力的檢測(cè)主要通過單樁極限承載力試驗(yàn)檢測(cè);獲得加固土密實(shí)情況數(shù)據(jù)則需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè);碎石樁樁體質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，則需要采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)檢測(cè)密實(shí)度及樁體均勻性。本文以常安高速公路軟土地基處理工程為依托，主要研究碎石樁復(fù)合地基完工后，怎樣進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，評(píng)定已處理的軟土路基承載力等狀況，以確定是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：碎石樁復(fù)合地基;單樁極限承載力;標(biāo)準(zhǔn)貫入;重型動(dòng)力觸探

軟土地基沉降量大、施工過程中固結(jié)時(shí)間較長，使其在高速公路建設(shè)中受到一定限制。碎石樁復(fù)合地基作為軟地基處理的一種，需要應(yīng)用碎石及砂等材料將軟土進(jìn)行置換，利用樁的作用進(jìn)行振動(dòng)、擠密從而達(dá)到提高地基強(qiáng)度的目的。通過對(duì)碎石樁復(fù)合地基，單樁荷載進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，獲得樁、土和地基的強(qiáng)度特征，而總結(jié)碎石樁復(fù)合地基處理軟土地基的效果。本文的研究思路及結(jié)論，期望能為山區(qū)高速公路軟土路基的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1.碎石樁復(fù)合地基承載力和單樁極限承載力的關(guān)系

對(duì)軟土地基采用碎石樁進(jìn)行處理，承載力將會(huì)得到大幅度提高。通過計(jì)算獲知承載力狀況，具體如下：碎石樁復(fù)合地基承載力由兩部分構(gòu)成，即碎石樁承載力和樁間土承載力，首先需要確定這兩部分承載力并進(jìn)行疊加，承載力計(jì)算公式包括如下兩種：

1.1面積比公式分析

碎石樁復(fù)合地基極限承載力：

1.2應(yīng)力比公式分析

假定荷載作用下碎石樁與土之間的應(yīng)力比n，則可得：

2.單樁荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1單樁載荷試驗(yàn)原理及方法

（1）本次碎石樁單樁載荷試驗(yàn)，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程中，關(guān)于復(fù)合地基載荷試驗(yàn)要點(diǎn)進(jìn)行。該試驗(yàn)用于測(cè)定復(fù)合土層承載力和變形參數(shù)，需要在承壓板以下應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行。在此過程中承壓板中心在垂直方向上應(yīng)該與碎石樁中心重合，承壓板面積與一根碎石樁處理面積相同。承壓板底面高度應(yīng)該等同于碎石樁頂高度，二者處于同一水平面。試坑尺寸三倍于承壓板尺寸，試驗(yàn)基準(zhǔn)梁支點(diǎn)在其之外，這樣才能夠保證安全，使試驗(yàn)不受干擾。試驗(yàn)場(chǎng)地周邊要保證地基土的的原樣性，確保不擾動(dòng)。

（2）本工程軟地基處理，采用碎石樁復(fù)合地基。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：①、直徑0.4m;②、樁間距1.2m;③、復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力0.2MPa;對(duì)工程中復(fù)合地基進(jìn)行單樁荷載試驗(yàn)，要求圓形鋼板直徑1.26m，處理面積[3.14*（1.26/2）2=1.24㎡]，試驗(yàn)反力來源于壓重平臺(tái)反力裝置，通過維持荷載法完成逐級(jí)加載直至結(jié)束，現(xiàn)場(chǎng)通過分級(jí)進(jìn)行，直到荷載為零。

（3）本試驗(yàn)荷載加載量，需要超過2倍設(shè)計(jì)壓力值，試驗(yàn)時(shí)取值為496KN：單樁處理地基面積1.24㎡×200Kpa×2=496KN。

（4）試驗(yàn)通過分級(jí)進(jìn)行加荷，開始按2級(jí)加載到124KN，以后6級(jí)各加載62KN，共8級(jí)。

2.2試驗(yàn)加載裝置方法

（1）見圖1反力裝置為試驗(yàn)提供反力，讀數(shù)采用試驗(yàn)用百分表進(jìn)行讀取。

（2）平臺(tái)裝置要求：裝置必須能夠提供足夠反力，至少要超過最大加載1.2倍;進(jìn)行檢測(cè)時(shí)已加足壓重并置于平臺(tái)之上，保證均勻穩(wěn)固。

（3）通過維持荷載方法進(jìn)行加載，具體步驟如下：①、加載需要分級(jí)進(jìn)行，通過8級(jí)達(dá)到最大荷載，首次二級(jí);②、承載板沉降量需要進(jìn)行多次測(cè)量，每次施加荷載后都需要進(jìn)行，間隔時(shí)間為30min;③、相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)沉降量情況決定是否加載下一級(jí)荷載，如果一小時(shí)內(nèi)不超過0.1mm就可繼續(xù)進(jìn)行;④、如果有下列情況發(fā)生需要考慮終止實(shí)驗(yàn)：沉降量突然發(fā)生巨大變化，增加幅度較高，承壓板附近樁間土出現(xiàn)被擠出情況;沉降量雖然沒有突然增加但總和已超過直徑6%;加載超過496KN但仍未達(dá)到極限荷載;⑤、卸載同樣需要分級(jí)進(jìn)行，根據(jù)最大荷載分5級(jí)，卸載過程中需要多次測(cè)量回彈量，每卸載一級(jí)都需要進(jìn)行測(cè)讀，間隔時(shí)間為30min，并且在荷載為0后還需要測(cè)讀總回彈量，間隔時(shí)間三小時(shí)。

2.3承載力特征值確定

（1）利用壓力—沉降曲線：如果極限荷載值超過2倍對(duì)應(yīng)比例界限值，則復(fù)合地基承載力可取比例界限;如果在2倍以下取值為極限荷載值一半。

（2）如果壓力—沉降曲線平緩光滑，復(fù)合地基承載力特征值可按相對(duì)變形值確定：①、如以粘性土為主的地基，可取s/b或s/d等于0.015所對(duì)應(yīng)的壓力;②、如地基材料主要為沙土或粉土，可取s/b或s/d等于0.01所對(duì)應(yīng)的壓力;③、進(jìn)行荷載試驗(yàn)時(shí)可以用s表示承壓板沉降量;其寬度與直徑分別由b和d表示，當(dāng)其在2m以上時(shí)以2m計(jì)算。

（3）設(shè)定單樁靜載試驗(yàn)點(diǎn)，總數(shù)要超過3點(diǎn)，測(cè)定各點(diǎn)數(shù)據(jù)并計(jì)算極值，如果在30%平均值以內(nèi)，則復(fù)合地基承載力特征值可取平均值。

2.4試驗(yàn)結(jié)論分析

進(jìn)行承載力檢測(cè)試驗(yàn)需要在樁周土體充分固結(jié)后才能進(jìn)行，碎石樁施工完成后至少一個(gè)月時(shí)間才能夠滿足條件，以常高速公路軟土地基處理碎石樁工程，典型斷面K25+210為例，見單樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表1：

其對(duì)應(yīng)的荷載沉降曲線如圖2：

通過碎石樁單樁載荷試驗(yàn)，當(dāng)加載到480KN時(shí)測(cè)量復(fù)合地基總沉降量，結(jié)果為47.31mm～49.26mm，此時(shí)承壓板直徑1260mm，沉降量小于其6%（75.6mm），載荷-沉降關(guān)系曲線沒有陡降情況，不同級(jí)載荷時(shí)，沉降曲線光滑平坦，沒有明顯下彎情況發(fā)生。這種曲線標(biāo)明施加荷載的試驗(yàn)點(diǎn)地基沒有進(jìn)入極限狀態(tài)，尚存在一定承載能力。目前所參照的復(fù)合地基荷載試驗(yàn)要點(diǎn)中規(guī)定，在該種情況下以末級(jí)荷載作為該處極限承載力。即496kN/1.24m2/2=0.2MPa，與S/b=0.015對(duì)應(yīng)荷載值，二者之中取小值。見表2碎石樁承載力檢測(cè)結(jié)論：

表2中列出8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值，將各點(diǎn)極差與30%平均值（0.20MPa）相比都未超過后者水平，根據(jù)復(fù)合地基荷載試驗(yàn)要點(diǎn)所示承載力特征值可以取平均值，為0.20MPa，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.樁土應(yīng)力比試驗(yàn)

在給予不同荷載時(shí)進(jìn)行多次檢測(cè)，獲得樁土應(yīng)力比。通過埋設(shè)土壓力計(jì)觀測(cè)樁土應(yīng)力，埋設(shè)位置應(yīng)為樁頂及樁間土處，選擇碎石樁分為K25+205和K25+210兩處，測(cè)得不同荷載下的樁土應(yīng)力比并取平均值，用圖3進(jìn)行表示：

當(dāng)給予荷載最初階段，荷載量逐漸加大同時(shí)樁土應(yīng)力也在增加，二者呈現(xiàn)正相關(guān);但當(dāng)荷載繼續(xù)增大到某值時(shí)，應(yīng)力局限于某一區(qū)域而呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，約維持在3.5-3.7之間，此時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，樁土應(yīng)力比檢測(cè)值符合設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)要求值3.5）。這一規(guī)律體現(xiàn)在圖6中。由此說明該工程中碎石樁施工符合設(shè)計(jì)要求，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，這種方法對(duì)地基起到加固作用，地基承載能力明顯提高。

4.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

對(duì)地基土進(jìn)行處理后，密實(shí)狀況發(fā)生改變，具體情況需要通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)獲得。室內(nèi)土工試驗(yàn)前需要進(jìn)行鉆探取土，對(duì)處理過的土樣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共取土四層進(jìn)行試驗(yàn)，分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，取平均值，與處理前土樣平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)相比，結(jié)果顯示增大將近一倍，這一結(jié)果顯示應(yīng)用碎石樁可使土層密實(shí)度明顯增加，大大改善軟土基土密實(shí)狀況，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3：

5.重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

檢測(cè)碎石樁樁體密實(shí)度及均勻性需要應(yīng)用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)儀完成，經(jīng)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析不同深度土層對(duì)于樁體側(cè)向圍固作用力大小存在差異，樁頂下6m層素填土范圍內(nèi)作用較小，與土層較淺及施工擾動(dòng)有一定關(guān)系，此處標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的指標(biāo)N一般為5～10擊;而6m以下土層的動(dòng)力觸探擊數(shù)大多在10～30擊，樁周土圍固力隨著土層深度加深而進(jìn)一步加大，樁體密實(shí)度也隨之發(fā)生改變，呈現(xiàn)逐步增高趨勢(shì)。表4為碎石樁密實(shí)度評(píng)價(jià)表，體現(xiàn)出樁體均勻性及密實(shí)度狀況，由此不難看出樁體各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

6.結(jié)束語

（1）軟土地基處理是高速公路工程建設(shè)中質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)，本文以此為目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)總結(jié)，獲得檢測(cè)碎石樁單樁極限承載力的靜載試驗(yàn)方法。

（2）本文以常安高速軟土地基處理工程為案例，對(duì)處理過的軟土地基進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)，結(jié)果顯示碎石樁復(fù)合地基可以有效提高承載力，滿足高速公路設(shè)計(jì)要求;同時(shí)檢測(cè)樁土應(yīng)力比，結(jié)果顯示碎石樁有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步證實(shí)對(duì)原地基起到加固作用;對(duì)復(fù)合地基土層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對(duì)碎石樁樁體進(jìn)行重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，測(cè)得樁周土體及樁體密實(shí)度，結(jié)果顯示滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]曲兆軍，歐陽振華，高永濤.高壓注漿碎石樁在高速公路路基加固中的應(yīng)用[J].中外公路，2010，30（02）：26-30.

[2]郭朝輝.高速公路施工中軟土地基的處理技術(shù)探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013（01）：65-67.

[3]譚峰屹，汪稔，趙麗.柔性樁復(fù)合地基承載力數(shù)值計(jì)算[J].巖土力學(xué)，2011，32（01）：288-292.

[4] 葉觀寶，蔡永生，張振.加芯水泥土樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比計(jì)算方法研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（03）：672-678.

[5]謝勝華，劉松玉，杜廣印.釘形粉噴樁加固海相軟土地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47（02）：204-209.

[6]曹文貴，趙聚才，賀敏，王江營.柔性基礎(chǔ)下筋箍碎石樁復(fù)合地基變形機(jī)理及其沉降分析方法[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（05）：818-826.

[7陳建峰，王波，魏靜，馮守中.加筋碎石樁復(fù)合地基路堤模型試驗(yàn)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015，28（09）：1-8.

[8] 張艷美，張鴻儒，張旭東.碎石樁復(fù)合地基三維地震響應(yīng)分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008（01）：47-52.

[9]龔文惠.碎石樁復(fù)合地基極限承載力研究[J].山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（02）：34-37.

[10] 王俊林，王志寬，馬艷.靜壓管樁單樁極限承載力與終壓力關(guān)系的探討[J].巖土力學(xué)，2008，29（S1）：631-634.