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碎石桩加固松软地基工法

一、 前言
在中国沿海及内陆地区广泛分布着软弱粘性土层及夹砂层。由这些土形成的地基在构筑物及外部荷载作用( 列车、 地震等) 下会产生较大的沉降, 而且沉降持续时间较长, 这对工后沉降要求高的地基( 如建筑物、 台后过渡段等) 很难满足。另外, 对于松散的砂层, 在地震等外部荷载作用下可能会发生震动液化, 造成地基下沉量聚增, 这对构筑物的使用来说是不安全的。秦沈客运专线设计要求台后过渡段工后沉降不大于8Cm。因此, 在特大桥、 大桥、 中桥等台后过渡段均设置半刚性桩进行地基加固。碎石桩就是其中一种。
碎石桩, 是处理软弱地基的一种经济、 简单、 有效的方法。对于松砂地基, 可经过挤压、 振动等作用, 使松砂达到密实, 从而增加地基承载力, 降低孔隙比, 减少建筑物沉降, 并提高砂基抗震动液化的能力; 用于处理软粘土地基, 可起到置换和排水的作用, 加速土的固结, 形成置换桩与固结后软粘土的复合地基, 显著地提高地基抗剪强度。这种桩施工机具常规, 操作工艺简单, 场地干净, 可就地使用廉价地材, 加速进度、 降低工程成本, 应用较为广泛。
我二公司在秦沈客运专线A－14标段11.6Km的管段内, 在赵屯中桥沈台( DK271＋487~+520) 设计采用碎石桩加固。在一无施工经验, 二无施工机具的情况下, 我公司引进外部设备, 针对施工过程中出现的问题给以解决, 不断完善工艺, 在此基础上开发出本工法。
二、 工法特点
1、 本工法直接利用DZ－60型高效能振动打桩机为成孔设备, 并利用其振动下压的作用使碎石桩桩体被挤密振密, 使桩体起到置换与排水的作用。
2、 本工法针对松软砂粘土中砂夹层较厚的情况, 试桩过程中曾试着用预制钢筋砼桩尖代替活瓣桩尖, 但效果不甚明显, 后仍采用施工方便的活瓣桩尖。
3、 本工法对地质条件特别敏感, 针对不同的地质条件, 施工时不同桩段采用不同的施工参数来控制, 且施工参数由现场试桩来确定。
三、 适用范围
本工法适用于地下水位较低的非饱和粘性土、 素填土、 杂填土和二级以上的非湿陷性黄土。对灵敏度高的软弱粘性土, 当其天然结构受扰动破坏后, 土的强度下降, 压缩系数增大, 压缩模量降低, 短期内难以恢复, 效果较差, 不宜使用。
四、 工艺原理
不同的地质条件, 其加固机理不相同。
对松散砂土地基, 疏松的单粒结构间孔隙较大, 颗粒位置不稳定, 在动载或静载作用下很容易发生位移, 因而会产生较大的变形。特别是在振动荷载作用下( 如地震、 列车振动) 更为显著, 其体积可减小20％。因此, 疏松的砂性土在未经处理的情况下不能作为建筑地基。碎石桩加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承载力和变形模量, 并增强抗液化性。其抗液化的加固机理有下列三个方面:
1、 挤密效应
砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化, 并重新排列致密, 且在桩孔中填入大量的粗骨料后, 被强大的水平力挤入周围土层中, 使砂土的相对密度增加, 孔隙率降低, 干密度和内摩擦角增大, 土的物理力学性能得以改进, 使地基承载力大幅度提高, 因此抗液化的性能得到改进。
2、 排水减压效应
碎石桩桩内充填反滤性好的粗颗粒料, 在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道, 可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化, 并加快地基的排水固结。
3、 预震效应
经试验, 在一定的循环次数下, 当两试样的相对密度相同时, 要造成经过预震的试样发生液化, 所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46％。从而得出了砂土液化的特性, 除了与土的相对密度有关外, 还与其振动应变史有关的结论。在振动法施工中, 振动器以每分钟1150次的振动频率, 12.1m/s2的垂直加速度和400KN激振力沉入土中时, 使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震, 这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。
对粘性土地基(特别是饱和粘土), 由于土的粘粒含量多, 粒间结合力强, 渗透性低, 在振动力或挤压力作用下, 土中水不易排走, 因此碎石桩不是使地基挤密, 而是置换。由于碎石桩较桩周土的刚度大, 而地基中应力按材料的变形模量进行重新分配, 因此, 大部分荷载将由碎石桩承担。这样, 经碎石桩处理后, 地基的沉降量自然比天然土的沉降量要小很多。
成桩过程中, 由于振动、 挤压等扰动的原因, 桩间土会出现较大的附加孔隙水压力, 从而导致原地基土的强度降低。若土的灵敏度较高, 则需在较长时间后才能恢复强度。
如果在选用碎石材料时考虑级配, 则所形成的碎石桩是粘性土地基中的一个良好排水通道, 它能起到排水砂井的作用, 且大大缩短了超孔隙水的水平向渗透途径, 加速软土固结, 使沉降稳定加快。
由于碎石桩属于散体材料桩, 承受荷载后会产生径向变形, 并引起桩周土产生被动抗力。如果粘性土的强度过低, 不能提供碎石桩体足够的反力, 桩体就会产生鼓胀破坏, 这样将会影响加固效果。
如果软弱土层很厚, 桩体可不贯穿整个软弱层, 这时加固的复合土层起垫层作用, 从而提高地基承载力和减小地基变形。
另外, 经碎石桩处理后的地基, 其抗剪强度同样得到提高, 这时碎石桩起到”加筋”作用。
不论对松散砂土、 杂填土或松软砂粘土, 碎石桩加固地基均有挤密、 置换、 排水、 垫层和加筋等五种作用, 只是对不同的地层各种作用所占的重要性不一样。
五、 工艺流程
本工法为振动成桩的重复压拔管法, 整体工艺流程如下:
1、 地面处理: 清除地表种植土, 碾压平整场地后换填细粒土路拱, 以利今后地基水的排出。填筑路拱横坡根据设计要求而定, 但不宜小于2％。填筑宽度不小于路堤加护道底宽。
2、 桩位施放: 根据相关资料布置矩形控制网, 再根据控制网布设细部桩位。经相关技术人员检查无误后方可进行施工。
3、 桩机就位: 将导管活瓣桩尖关闭后对准桩位, 调平机身, 调整导管纵横向的垂直度, 确保导管垂直度偏差不大于1.5%。
4、 桩管下沉: 启动激振器, 使导管在自重及振动力作用下贯入土层至设计深度。下沉过程中注意观察电流表读数变化。若电流突然增大, 需停止下沉, 待情况查明后方可继续施工, 以防电机被烧坏。
5、 加入粗骨料: 每次加料量不宜过多, 遵循”少吃多餐”的原则, 每斗加入量控制在0.5~1.0M3。特别当加料量快接近设计用量时, 更应严格控制加料量。
6、 振动拔管、 下压、 振密: 根据试桩确定的工艺性参数来控制每次拔管高度、 下压高度和停拔继振时间。当激振器的工作电流达到密实电流时迅速上拔导管, 再继续加料、 振密, 如此重复直至孔口。不同的地质条件取得的工艺性参数亦不同。对地质条件较差的地基, 其密实电流不甚明显, 其密实度不但难以控制, 而且很难达到设计要求。
拔管过程中, 要根据已加入量和已拔管高度来控制能否继续上拔, 严防无料时拔管造成”断桩”和”缩颈桩”的发生。
7、 桩机移位
成桩后, 关闭激振器, 移至下一桩位。
8、 成桩检测
对松砂地基, 由于其超孔隙水压力消散很快, 一般成桩后3 ~5天便可检测; 对松软砂粘土或软弱粘性土地基, 由于其超孔隙水压力消散很慢, 扰动后强度恢复需要一段时间, 一般需要3~4周时间后方可检测。对碎石桩, 一般设计要求进行重Ⅱ型动力触探和单桩复合地基静载试验。
9、 铺设碎石垫层: 碎石桩经检测合格后, 平整场地, 然后铺设碎石垫层。一般设计碎石垫层厚度不小于30Cm, 多为50Cm。根据设计厚度分层填筑。若碎石垫层中设计夹有土工格栅, 则在土工格栅上下各需铺设5~10Cm厚的砂垫层做缓冲层, 以防碎石棱角割断土工格栅。
10、 碎石桩成桩工艺流程图如下所示。

桩机就位
桩管沉入至设计深度
加 料
桩机移位
桩管下压
拔 管
振密直至地面
碎石桩施工工艺流程图

六、 施工机具及配套设备
1、 本工法直接利用ZJ－60J型打桩架配合DZ－60型多功能高效能振动打桩机进行成桩, 实现一机多用。该桩机主要由以下几部分组成:
1) 、 施工台架: 包括用大质量的工字钢的槽钢组成的底盘, 用多节管组成的立柱和便于拆卸检查的桁架, 用多节管组成的斜撑, 用于竖架和放架的抬梁等。
2) 、 振动打桩锤及加压系统: 由一个55Kw的电机带动一对同步异向的偏心轮产生垂直方向上的振动力, 由电机、 钢丝绳与滑轮组成的加压系统( 静压) , 由弹簧组成的减振设备。
3) 、 走行系统: 由一对地轮和卷扬设备组成, 移位时需千斤顶和导管配合。
4) 、 导管: 由厚壁钢管( 壁厚一般不小于12mm) 和活瓣桩尖组成。在导管上部和振动锤下部导管侧面有一入料口, 其外加焊进料漏斗。
5) 、 操作控制台: 所有电机的开关按钮和换档装置及配电箱集中在控制操作台, 由机械操作员统一控制。
6) 配套设备: 200Kw柴油发电机一台, 长度不小于100米的电缆一根, 加料斗一只, 斗车四辆等。
2、 桩机主要技术参数
1) 、 ZJ－60J型打桩架主要技术参数
沉桩最大深度: 25米 沉桩最大直径: 500mm
最大加压力: 120KN 最大拔桩力: 180KN
配用振动锤最大功率: 60Kw 立柱允许前倾最大角度: 10°
立柱允许后倾最大角度: 5° 主卷扬机最大牵引力: 40KN
主卷扬机功率: 15Kw 移架卷扬机最大牵引力: 20KN
移架卷扬机功率: 7.5Kw 斜撑减速器最大轴应力: 3 0KN
斜撑减速器功率: 2×2.2Kw 外形尺寸: 11×10×29米
质量( 不包括锤) : 20t
2) 、 DZ－60型振动锤主要技术参数
电机功率: 55Kw 偏心力矩: 350／270N.m
偏心轴转速: 900／1150r/min 激振力: 320／400KN
空载振幅: 10.6／8.2mm 空载加速度: 9.7／12.1m/s2
允许加压力: 100KN 允许拔桩力: 150KN
质量(不包括夹锤器): 4840KN 电源: (100米以内):200Kw
外形尺寸: A=1240mm B=1580mm H=2110mm L=2950mm
打桩架示意图详见下页:
3、 桩架竖起前在地面上( 下垫枕木) 将底盘各部拼装好, 将各节立柱管节和桁架拼接好后跟底盘座子连接, 将斜撑和抬梁等拼接好并将两支腿架上, 准备就绪后启动卷扬机, 经过抬梁和竖架钢丝绳将立柱竖起。立柱竖直前将减速器( 活动铰) 连接好, 启动减速器电机, 缓缓将立柱竖直。
需要移架时, 将导管活瓣桩尖关闭后放在一异形钢板上并加压, 再用千斤顶顶底盘, 依靠地面反力将桩架前部底盘顶起后, 经过移架卷扬机和主卷扬机外伸卷筒可在地轮上实现左右和前后移动, 便捷可靠。前部地轮移动好后, 用千斤顶顶起底盘后部, 同样经过卷扬机外伸卷筒在地轮上实现前后和左右移动。实际操作时, 一次移动往往不能到位, 需要重复三四次后才能就位。
桩管下沉过程中, 遇到硬地层( 如致密砂层) 时, 需将偏心力矩调至较大值, 同时能够启动加压装置, 以利于加快桩管下沉速度。
对桩端为可塑性较大的地层, 由于活瓣桩尖在拔管时难以启开, 难以保证桩端密实度和桩长, 针对这种情况我们曾经用预制钢筋砼桩尖来代替, 但这将遇到难以穿过砂层和引起工程造价增加的问题。
活瓣桩尖一般由四瓣组成锥体状, 桩尖夹角以35~45度为宜。

人员配备及分工表
序号
工种名称
分 工
人数
备 注
1
记录员
现场施工记录和质量
监督控制
1
熟悉施工工艺、 懂安全规程
2
班 长
现场施工组织及指挥
1
懂安全操作规程
3
操作员
机械操作
1
熟悉施工工艺、 懂安全规程
4
修理工
机械修理
1
熟悉机械原理并懂修理
5
电 工
发电及电路故障处理
1
熟悉电工知识、 懂安全用电知识
6
上料工
用斗车上料
8
懂安全操作规程
7
普 工
关闭活瓣桩尖、 对位
配合料斗加料
2
懂安全操作规程
小计
15
七、 劳动力组织和工效
正常施工期间, 需实行三班倒, 每班需配置15人, 人员分配详见上页表。

地轮
支腿

11
2
5
4
3
6
15
100
8
7
9
12
13
14
11
顶部滑轮
振动锤
导管
立柱
吊锤钢丝绳
电器控制箱
斜撑
竖架钢丝绳绳
抬梁
主卷扬机
辅助钢丝绳
斜撑减速器
底盘
ZJ－60J打桩机加侧立面图

工效: 根据地质条件、 处理深度和机械性能有关, 一般在70~120m/台班。
八、 质量保证措施
为确保碎石桩施工质量符合设计要求, 施工过程中应全面贯彻”质量第一”的方针, 切实把全面质量管理贯彻落实到工艺流程的各个环节中去, 实现真正的过程控制, 要求施工前、 施工中分别注意以下几个方面:
1、 施工前进行全员岗位培训, 让所有现场管理人员、 工程技术人员、 操作人员对施工工艺、 施工质量、 技术要求达到全面掌握的程度。
2、 正式施工前, 进行工艺性试桩, 以确定碎石桩在该地层的施工参数。试桩最好在七根以上, 以利形成群桩效应。试桩时, 根据各桩段的地层条件亦采用不同的施工参数。
3、 严格控制碎石骨料的含泥量和级配。要求其含泥量不大于10％, 而自然级配的碎石利于桩身密实度达到要求。
4、 严格控制灌石量, 当灌石量未达到设计要求时, 要求在原位复打补充碎石或在旁边补打。
5、 严格按照试桩确定的工艺参数来控制施工质量, 严格控制每次拔管高度、 下压高度和停拔继振时间。拔管过程中, 严防无料时拔管而造成”断桩”或”缩颈桩”。
6、 根据地质条件, 对局部桩段进行工艺性加强处理。
7、 严格记录好施工情况。记录好桩位编号、 成桩时间、 打入深度、 灌石量等施工参数, 要求和桩位布置图一一对应, 以备核查。
碎石桩施工质量要求
检查项目
质量标准和允许偏差
检查方法
桩身垂直
≤1.5L/100(L为桩长)
现场外观检查桩架和桩管垂直度
桩 位
≤D/2(D为桩径)
查测X、 Y二方向最大值
灌碎石量
满足每米灌石量
检查施工记录
贯入试验
N63.5≥10
钻孔检查
桩 深
≤100mm
检查施工记录或钻孔检查
桩 径
-20mm
尺量检查

8、 严格交接班制度, 认真执行三班倒, 保证工地随时有质量监督员。
9、 施工顺序: 考虑到桩机移位耗时, 但又要保证加固效果, 能够根据地质情况采取先外围后中间、 先两边后中间、 隔排连打或隔排跳打的施工顺序。该工点由于中间砂夹层较厚, 先采取连排连打, 其后改为隔排连打, 最后不得不改为隔排跳打, 但隔排跳打完返回打中间桩时有相当部分桩未打到设计深度, 因砂夹层经挤压后达到了密实状态( N63.5≥30) , 导管根本无法穿过。
九、 安全注意事项
1、 加强职工安全意识教育, 让大家”懂安全、 要安全、 人人抓安全”。
2、 所有操作人员进入工地必须佩戴安全帽, 穿胶鞋( 防止漏电) 。当修理人员上桁架进行检修时, 属高空作业, 必须系安全绳, 穿防滑鞋。
3、 由于露天作业, 必须做好漏电防护工作。要做到一机一匣一开关, 总匣必须外罩木箱, 且要经常检查电缆, 对破坏的地方必须做好处理, 以防造成短路。
4、 由于整个桩机质量大( 达30t) , 对施工现场要求较高, 因此, 必须做好现场处理。有必要时, 可在换填细粒土上先铺设一层10~20Cm厚的砂垫层, 以利桩机移位。
5、 开机前检查连接螺栓的松紧, 特别是振动锤部位, 并于施工过程中经常检查, 以防零部件坠落后伤人。
6、 由于该机牵引力传递多用钢丝绳, 必须经常检查钢丝绳是否有断丝现象, 发现问题必须马上处理, 以防发生安全事故。
7、 该机在竖架和放架时主要经过抬梁和竖架钢丝绳来实现, 操作前必须进行全面检查, 特别是钢丝绳和支腿处, 尽量用吊车予以配合。操作过程中, 必须做好人身安全保护工作。
8、 沉入导管时, 当遇到硬砂层而难以沉入, 能够开启加压装置和调大偏心力矩, 但这时电机会因电流过高而发热, 时间长后会烧坏电机。因此, 当沉入困难时, 注意电流变化和电机持续工作时间。
十、 经济效益
秦沈客运专线A－14标段东部试验段赵屯中桥沈台DK271＋487~＋520段采用碎石桩加固松软地基。由于该工点中间夹砂层太厚( 达5米) , 经挤压后其密实度大增, 施工中间桩时难以穿过该夹砂层, 大大降低了生产效率, 影响了进度, 造成工程成本的增加。而且由于上部地层为松软砂粘土和软砂粘土, 呈软塑至流塑状态, 其塑性大、 强度低、 灵敏度高、 经扰动后强度长时间不能恢复, 直接采用碎石桩加固根本无法达到设计要求。这也大大延误了工期, 增加了成本。由于地质的原因, 无疑大大增加了工程成本, 相对来讲, 经济效益不太乐观。实际共成桩16800延米, 投标单价为77.65元/米, 实际成本为66元/米, 共获利195720元的经济效益。
十一、 工程实例
秦沈客运专线A－14标二处管段内, 共长11.6Km, 其中设计在赵屯中桥沈台( DK271＋487~＋520) 长32.7米, 宽34米的地基范围内采用桩径500mm, 桩间距1.0米, 桩长15米, 梅花型布置的碎石桩加固。该工点详细地质条件为:
地表: 松软砂粘土, 褐黄色, 灰色, 软塑至硬塑, Wn=30%, γ=19.8KN/m3, Cu=15.3kPa, φu=9.9°, φcu=32.9°, 厚2.0~2.8米; 上部为软砂粘土或淤泥质砂粘土, 褐黄色, 灰色, 流塑状态, 层厚2~5米, qc=0.45Mpa, fs=11.6Kpa, 基本承载力为80~90 Kpa , 中部为细砂, 中密, 浅灰色, 饱和, 厚3.5~5.5米, qc=8.33Mpa, fs=62.5Kpa, 基本承载力为200 Kpa ; 下部为砂粘土, 褐黄色, 硬塑至软塑, 夹薄砂层, 层厚大于5米, qc=1.55Mpa, fs=58.4Kpa, 基本承载力为180~250 Kpa 。
正式施工前, 我们曾进行了三次试桩, 累计达17根, 每次试桩都将施工参数做了调整。但由于地质条件复杂, 一方面, 施工时设计深度难以达到要求; 另一方面, 也是最重要的一方面, 桩身上部5米范围内密实度难以达到设计要求的中密状态( N63.5≥10) 的指标。由于工期压得太紧, 经总指、 设计、 监理商议, 同意该工点碎石桩的施工。于99年7月底正式施工, 至10月14日施工结束, 共成桩1292根合16800延米, 共耗碎石4220立方米, 充盈系数达1.25。鉴于施工中有相当部分桩根本无法达到设计的15米的深度, 设计院曾将原设计的500mm的桩径变更为300mm, 而桩长维持不变。但桩径的减小并未能改变达不到设计深度的问题, 后又不得不将桩径还原为500mm, 而桩长原则上仍维持不变, 但对实在达不到设计深度者, 能够将桩长缩短至9米。之后, 施工才得以顺利进行。施工过程中, 严格按经试桩确定的施工参数进行过程控制。施工参数如下:
0~7米 每次上拔40Cm 下压20Cm 停拔继振10~15秒
7~11米 每次上拔50Cm 下压10Cm 停拔继振5秒
11~15米 每次上拔40Cm 下压10~20Cm 停拔继振5~10秒
按设计要求, 成桩1~2周后, 对桩身及桩间土进行动探和单桩复合地基静载荷试验, 分别按抽检频率2％和0.5%进行抽检。99年10月25日~11月8日, 铁三院岩土工程总公司对该工点工程桩进行检测。动探检测桩身和桩间土分别为26根, 静载试验6根。复合地基静载荷试验结果表明: 承载力满足设计要求, 但不均匀沉降明显( 地表隆起) 。但重型动力触探检测结果表明:
桩身: 5米以上击数≤5击, 占34％; 击数≥5击, 占54％; 击数≥10击, 占12％; 5米以下击数≥10击。
原状土: 5米以上平均4击, 5米以下6~8击。
桩间土: 5米以上平均3击, 5米以下≥10击。
统计结果表明, 该工点碎石桩桩身上部5米达不到设计要求, 其地质条件是一个相当重要的原因, 甚至能够说, 对该地层, 碎石桩密实度根本无法达到要求的中密状态。鉴于此, 后经总指、 设计、 监理、 施工会审, 决定采用降水注浆处理桩身上部5米。注浆处理工作于 5月8日开始, 5月24日结束。按设计要求, 于7月4日随机抽检开挖两处沟槽, 肉眼观察其浆液充填率均在90％以上, 效果良好, 达到了加固补强的目的。
由于地质条件复杂, 本工点碎石桩施工极不顺利, 平均每天只有160延米( 合32立方米) 的工程量。相对来讲, 成本加大, 经济效益比预期的要差。
该工点地基经补强后, 地基条件相当好。由于该过渡段缺口较其余路基填筑大大滞后, 路基填筑较快。从7月5日开始填筑, 至9月27日填筑完毕, 达到平均每2天1层, 甚至快时达到每天1层。尽管填筑速度较快, 但路基沉降量仍很小, 且沉降速率也小。截止 11月14日, 累计沉降量只有101mm, 平均每天沉降量为 0.89 mm, 累计沉降量只有理论估算值( 560mm) 的18％。该工点路基施工期及预压期的填筑高度( H) －时间( t) －沉降量( s) 曲线图如下图所示( 还在继续预压) 。

执笔: 聂坤平 修改:胡喜峰