公路軟土地基碎石擠密樁處治技術(shù)研究

馮 勇

(山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030006)

1 工程簡介

國道108線神堂堡至砂河段公路工程，起點樁號為K353+950，終點樁號為K405+791.631，總里程53.402 km，雙向四車道一級公路標(biāo)準，設(shè)計速度60 km/h，整體式路基寬度采用23 m，分離式路基寬度采用2×11.25 m，橋涵設(shè)計汽車荷載等級采用公路—Ⅰ級。主要工程量有：路基土石方363.89萬m3；大中橋1 793.04 m/11座，涵洞81道，平面交叉道77處，通道1道，服務(wù)區(qū)1處，養(yǎng)護工區(qū)1處，主線收費站1處。公路沿線分布有多處軟土地基，主要以軟質(zhì)黏土為主，部分路段有大量淤泥。為有效提高地基承載力，結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況，設(shè)計采用碎石擠密樁對軟土地基進行加固處治。

2 碎石擠密樁設(shè)計參數(shù)

(1)樁徑。根據(jù)軟土地基土質(zhì)類別、施工設(shè)備和現(xiàn)場施工條件等確定碎石擠密樁樁徑，通常為300～800 mm。樁基越大地基承載力加固效果越好，如軟基為飽和粘性土應(yīng)適當(dāng)增大樁徑。

(2)樁長。當(dāng)軟土地基軟土層較薄時，碎石擠密樁應(yīng)穿透整個軟土層，達到下部持力層。當(dāng)軟土地基軟土層較厚時，應(yīng)綜合考慮軟土地基上部填料的厚度、地基土變形特性等確定樁長，不低于最危險滑動面以下2 m，確保地基沉降不會造成路基路面結(jié)構(gòu)破壞。

(3)樁位布置及樁距。碎石擠密樁樁位布置可采用梅花型和正方形布置。樁距應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況確定，通常不大于3倍樁徑。

(4)處治范圍。碎石擠密樁處治范圍應(yīng)超過公路地基寬度范圍，通常不低于1.2倍地基寬度，基礎(chǔ)外部樁體主要起側(cè)限作用，降低軟土地基的側(cè)向變形。

(5)墊層。碎石樁施工完成后，挖除樁頂松散土層，鋪設(shè)30～50 cm厚碎石墊層，碾壓密實，以進一步擴散軟基土體應(yīng)力、提高排水固結(jié)速度。

(6)加固效果檢測。碎石擠密樁完工后進行地基加固效果檢測，可采用標(biāo)準貫入試驗或圓錐動力觸探試驗對成樁質(zhì)量進行檢測，檢驗合格方可進行下一道工序施工。

3 單樁復(fù)合地基荷載現(xiàn)場試驗操作

3.1 試驗設(shè)備

試驗操作過程中，選擇利用壓重平臺反力系統(tǒng)進行操作，主要由承壓板、組合鋼梁以及液壓千斤頂?shù)认嗷ソM合而成。其中液壓千斤頂自身的最大量程控制在1×106N，以液壓千斤頂為基礎(chǔ)，促使其在擠密樁上可以直接施加垂直方向的荷載，通過對精密壓力表的合理利用，可以對現(xiàn)場的加載值進行準確有效的分析和控制。最為重要的一點是精密壓力量程控制在100 MPa，其等級為0.4。擠密樁的沉降值以便是利用基準梁、百分表進行觀測和分析，其中涉及到的方法在應(yīng)用時，主要是在試驗點的2個正交直徑方向基礎(chǔ)上，對稱安裝4個百分表。需要注意的一點就是百分表在經(jīng)過萬能表架之后，可以直接固定在工字鋼組合而成的基準梁當(dāng)中，百分表的量程為50 mm，而基準梁的長度則為6 m。

3.2 現(xiàn)場實驗方法

結(jié)合實際要求對現(xiàn)場實驗進行操作時，對加載方案進行編制和落實，同時還要對逐級加載方法進行合理利用。在具體操作中，荷載分級通常可以直接加載到最大值，每級的荷載在達到比較穩(wěn)定的狀態(tài)后就會直接開始下一級的荷載。在整個操作中，一直加載到最大加載值為止，促使其呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)后進行卸載處理，在卸荷過程中，也可以利用分級卸荷的方式，一直到荷載為零為止，后可以停止試驗操作。在本次市場試驗操作過程中，其中最大的荷載值為400 kPa，加載的荷載等級為40 kPa，其中卸載的荷載等級則為80 kPa。

在現(xiàn)場觀測方法現(xiàn)在和利用過程中，要結(jié)合實際要求，對沉降值的間隔時間進行讀取和測量，一般在每級加載前后，需要對1次承壓板的沉降量進行有效測量。需要注意的是在整個觀測過程中，要對1次間隔時間進行記錄，一般時間為30 min。基于此，在沉降量值小于等于0.1 mm/h的時候，意味著該級加載的沉降已經(jīng)達到一種相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，所以可以立即展開下一級的荷載施加處理。卸載的級數(shù)是加載級數(shù)的一半，每間隔半小時可以進行一次荷載處理，同時還要對沉降的回彈量進行記錄和分析，一直等到完卸荷載之后，間隔3 h左右，可以對沉降的總回彈量進行計算和分析。

3.3 現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)整理

結(jié)合試驗操作記錄以及目前提出的諸多要求，對各試驗點以及其與沉降關(guān)系曲線等進行確定，同時還要對沉降量與時間之間的關(guān)系曲線進行分析。結(jié)合目前提出的一系列要求以及對其中隱藏的規(guī)律進行總結(jié)，在加載過程中，前期的陳腔相對比較緩慢，會呈現(xiàn)出三條曲線幾乎重疊的狀態(tài)。尤其是在荷載級數(shù)不斷增加的形勢下，尤其是在200 kPa之后，沉降速度越來越快，但是關(guān)系曲線仍然呈現(xiàn)出光滑連續(xù)的狀態(tài)，其中并沒有任何的激變拐點，在達到400 kPa的時候，已經(jīng)明顯超過設(shè)計要求的180 kPa的2倍。所以可以滿足中終止加載條件基本要求，所以立即對其進行停止加載，也就意味著其并沒有達到極限荷載狀態(tài)，就可以滿足目前公路地基承載力設(shè)計中的基本要求。在整個卸載過程中，三條擬合曲線基本上呈現(xiàn)出平行的狀態(tài)，其中參與的變形回彈量的變化率比較接近，意味著復(fù)合地基的承載力基本上處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)，承載力的特征值也可以將其作為衡量的標(biāo)準和要求來進行確定。

在經(jīng)過實驗點分析和沉降觀測值累計研究之后，在現(xiàn)有時間段范圍內(nèi)可以達到相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)。尤其是在200 kPa時150 min達到加荷沉降穩(wěn)定的基本條件，而其中一級只用2 h就可以達到荷載加級的沉降量問林條件。由此可以看出，部分試驗點的沉降相對比較大，在曲線上也可以呈現(xiàn)出來，尤其是在相同時間累計背景下，沉降量相對比較大，但是并沒有出現(xiàn)任何的拐點，所以并沒有平穩(wěn)下沉。由此可以看出，在整個試驗檢測過程中涉及到的幾個點，都可以滿足路基復(fù)合地基承載力特征值在確定時的基本要求。

3.4 復(fù)合地基承載力特征值的確定

結(jié)合目前現(xiàn)有的曲線圖展開深入分析時，其中部分試驗點最終加荷到400 kPa的時候，最終的沉降值為59.44 mm，而在卸荷載之后，其參與沉降則為46.78 mm。基于此，該點的曲線呈現(xiàn)出平緩光滑型的狀態(tài)，其自身的特點并不是很明顯，同時也沒有明顯的陡降段，結(jié)合目前建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中提出的一系列要求以及規(guī)定，按照不同的需求對其中的變形s/d=0.01對應(yīng)的壓力值進行確定，其為233 kPa。除此之外，還要結(jié)合目前提出的一系列要求，按照相對變形確定的承載力特征值進行分析，促使其不能夠超過最大加載值的一半。在該背景下，將其一半的200 kPa作為該點的復(fù)合地基承載力特征值。

由此可以看出，在實踐中對現(xiàn)場試驗方法進行合理利用，有利于對特殊路基碎石擠密樁地基承載力、承載力特征值等展開深入分析。在經(jīng)過試驗操作之后不難看出，在目前現(xiàn)有的單樁試驗中，利用200 kPa作為試驗段特殊路基碎石擠密樁的復(fù)合地基承載力特征值，其可以滿足目前整個地區(qū)公路地基承載力在設(shè)計時提出的基本要求。對于特殊路基碎石段來說，必須要結(jié)合實際要求，對碎石擠密樁工作展開深入分析，在保證各種不同類型材料資源充足的基礎(chǔ)上，要對各種含水量比較大的人工填土地基進行優(yōu)先處理，避免留下嚴重的隱患問題。除此之外，還要結(jié)合實際要求，對樁體的重型動力觸探試驗結(jié)果進行合理利用，結(jié)合試驗結(jié)論，在2.7～4.6 m范圍內(nèi)的樁體密實呈現(xiàn)出相對比較精密的狀態(tài)。其他相關(guān)的余樁段樁體密實度都可以中密或者是密實的狀態(tài)，此時可以滿出擠密碎石樁的整體施工質(zhì)量相對比較良好，同時還可以達到良好的承載效果。

4 軟土地基碎石擠密樁處治技術(shù)

4.1 施工準備

做好施工現(xiàn)場臨時施工設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)工作，施工人員、機械設(shè)備進場，做好料場、攪拌站和項目部建設(shè)工作。原材料進場，對施工現(xiàn)場進行清理整平，做好施工作業(yè)面準備。施工人員上崗前必須進行技術(shù)培訓(xùn)，特殊工種必須持證上崗。施工現(xiàn)場配備履帶式柴油錘打樁機1臺、裝載機1臺、裝載機1臺、自卸汽車3臺，發(fā)電機1臺及相關(guān)輔助施工設(shè)備。進場原材料必須有出廠合格證，施工前按照要求對碎石級配、含泥量等指標(biāo)進行抽檢，在現(xiàn)場開展試驗，如現(xiàn)場實驗室資質(zhì)不能滿足要求，必須到具有相應(yīng)資質(zhì)的檢測機構(gòu)進行檢驗。組織施工技術(shù)人員進行圖紙審核，將圖紙中的錯誤或施工現(xiàn)場與設(shè)計不符等問題反饋給設(shè)計單位，并做好施工變更。由項目部負責(zé)，進行三級技術(shù)交底，對施工現(xiàn)場施工和管理人員開展技術(shù)培訓(xùn)，對各工序和質(zhì)量控制要求進行文字技術(shù)交底。將施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況與設(shè)計圖紙進行對比，如發(fā)現(xiàn)地基工程地質(zhì)與水文地質(zhì)存在較大差異，應(yīng)及時向設(shè)計單位反饋。

4.2 施工放樣

根據(jù)設(shè)計圖紙確定碎石擠密樁軸線和樁位，在施工現(xiàn)場建立平面方格網(wǎng)，制定測量放樣方案。結(jié)合設(shè)計圖紙，測量技術(shù)人員使用GPS對碎石擠密樁處治區(qū)域的道路中線和邊線進行精確放樣。碎石擠密樁樁位放樣采用鋼尺定位、白灰標(biāo)記，并釘設(shè)木樁。放樣完成后進行自檢，確定樁位定位精度滿足要求后進行向測量監(jiān)理工程師報檢，抽檢合格后方可開始正式施工。

4.3 柴油錘成孔

根據(jù)測量放樣確定的樁孔位置，對履帶式柴油錘打樁機進行定位，使樁機對準打樁線。啟動卷揚機，根據(jù)樁位操縱導(dǎo)向架移動樁管(尖)，對準樁孔中心，然后剎緊卷揚機離合器。樁尖對中樁孔中心后調(diào)整樁管垂直度，垂直度誤差不得超過5%。施工技術(shù)員應(yīng)做好現(xiàn)場管理，在成孔過程中進行現(xiàn)場監(jiān)測，并做好數(shù)據(jù)記錄。

4.4 鉆機就位

調(diào)整鉆機進行定位，使樁尖(活瓣)對準樁位，將樁管沉入土0.5～1.0 m，并進行垂直度校核。碎石樁施工前對樁位對中和垂直度進行檢驗，確保合格后開始鉆進施工。在鉆進過程中做好現(xiàn)場監(jiān)測，記錄樁位偏差和垂直度等技術(shù)指標(biāo)的檢查結(jié)果。樁位水平偏差不得超過0.3倍套管外徑，垂直度偏差不得超過1%。

4.5 成孔投料

碎石投料采用人工配合小型裝載機分批灌入套管中，投料順序是先樁孔外圍或兩側(cè)向投料，后進行碎石樁中心投料。當(dāng)碎石擠密樁間距較大時，可安排投入碎石，同一排應(yīng)隔孔施工。碎石含水量一般控制在7%～9%，如果地基為飽水狀態(tài)，可選用飽水狀態(tài)的碎石。嚴格控制碎石灌入量，充盈系數(shù)控制在1.2～1.4。通過樁管上下往復(fù)運動，樁體長度不斷增加，貫入樁孔內(nèi)的碎石不斷被擠密。

4.6 質(zhì)量檢驗及墊層施工

碎石擠密樁施工完成后，對樁間距、樁徑和垂直度等指標(biāo)進行檢測，檢驗合格后即可進行墊層施工。墊層施工前清除碎石擠密樁樁頂和地基表面的松散土體，整平碾壓后攤鋪30～50 cm厚碎石墊層。采用標(biāo)準貫入試驗或圓錐動力觸探試驗等檢測方法，對樁身和復(fù)合地基承載力進行檢測，承載力檢測合格后方可進行下一道工序施工。

5 結(jié) 語

碎石擠密樁是公路軟土地基常用的處治方法之一，通過碎石置換軟土地基中的軟土和淤泥，可以加速排水固結(jié)，起到擠密、排水降壓的作用，有效提高路基承載力。通過闡述碎石擠密樁軟基加固機理，從設(shè)計與施工兩個方面全面分析了設(shè)計與施工要點，可為一線施工提供技術(shù)參考。