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1、浅析碎石桩加固处理松软地基的作用泉州南惠高速公路NHA5驻地监理办 王庆新一、前言在我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、涵洞基底等）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。泉州南惠工程要求，涵洞部位工后沉降量S20cm，因此，在涵洞前后范围内进行地基加固，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，可通过挤压、振动等作用，
2、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。泉州南惠工程NHA5合同段K32+017050、K32+548619，设计碎石桩桩径0.6m、桩长5m、间距1.6m，共14965延米。该地地处缓丘地带，地势平缓，浅部为灰黄色中粗砂，灰黄色松散、厚约26m，下为残破积砂质粘性土、硬塑、厚约3.7m，下伏花岗岩，我驻地办根椐碎石桩施工原理
3、，通过试桩，针对施工中出现问题给以解决，不断完善工艺，总结出碎桩加固松软地基处理的一些方法和作用，现浅析如下：二、施工方法特点和作用1、本工法直接利用ZJK-100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，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土产生的振动超过孔隙水压力，使水迅速地由碎石桩底排除，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、本工法对地质条件尤其敏感，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
4、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松散砂土、粉土、黏性土、素填土、杂填土。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。所以，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
5、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善，使地基承载力大幅度提高，因此抗液化的性能得到改善。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
6、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，所以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
7、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
8、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，放样后先铺一层30cm砂砾。3、桩机就位：将导管活瓣桩尖关闭
9、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。密实电流达到80120A，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0.51.0M3。尤其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，如此反复直至孔口
10、。每提升1m导管反插30cm，留振1020s,拔管速度12m/min，停止振动，立即向管内装入规定数量的碎石，灌满沉管。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35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34周时间后方可检测。对碎石桩，成桩一周后进行复合地基承载力和动力触探试验。9、铺设砂砾垫层：碎石桩经检测合格后，平整场地，然后铺设余下的20cm砂砾垫层。1
11、0、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ZJK-100型打桩架。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
12、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ZJK-100型打桩架主要技术参数沉桩最大深度：25米 沉桩最大直径：600mm 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
13、：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：22.2Kw 外形尺寸：111029米质量（不包括锤）：20t3、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，通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，通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，
14、用千斤顶顶起底盘后部，同样通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，需要反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，同时可以启动加压装置，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。活瓣桩尖通常由四瓣组成锥体状，桩尖夹角以3545度为宜。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12人，人员分配详见下表。人员配备及分工表序号工种名称分 工人数备
15、 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5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12打桩架示意图详见下图。地轮支腿11254361510087912131411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ZJK-100型打桩机加侧立面图八、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
16、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，本项目试桩采用九根桩，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5，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
17、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、电机的工作电流值等施工参数，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N63.510钻孔检查桩 深100mm检查施工记录或钻
18、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，可以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（N63.530），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
19、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1020Cm厚的砂垫层，以利桩机移位。5、开机前检查连接螺栓的松紧，尤其是振动锤部位，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通过抬梁和竖架钢丝绳来实现，操作前必须进行全面
20、检查，尤其是钢丝绳和支腿处，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，可以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、结论：干振动挤密碎石桩在成桩过程中桩管对周围软土层产生很大的横向挤压力，使桩周围的土粒重新排列密实，孔隙比减小，密实度增大，通过挤密作用，提高软土地基的强度和承载力。（一）、设计与实际值比较表项目桩号设计桩径（cm）设计桩长（cm）实际桩径（cm）实际桩长（cm）设计灌入量（kg）实际灌入量（kg）充盈系数备注6-3605.0616.
21、22462.42812.11.1426-5605.0616.22343.32701.81.1536-7605.0625.82379.72743.81.1535-4605.0616.12422.72761.91.1405-6605.0615.72263.82585.31.1425-8605.0606.02305.52632.91.1424-3605.0605.62151.82466.01.1464-5605.0615.72263.92598.91.1484-7605.0615.72263.82601.11.149通过试桩得到本项目碎石桩施工的充盈系数平均值为1.146，完全满足碎石桩规范建议充盈
22、系数为1-11.2要求。（二）地基承载力检测报告地基承载力（动力触探法）检测报告现场记录24-1 试验编号：NH-NHJ2-CT-5-002工程名称泉州南惠高速公路施工标段NHA5施工单位中铁十三局集团第三工程有限公司工程部位MRK32+017-MRK32+050碎石桩监理单位江苏交通工程咨询监理有限公司试验仪器轻型触探仪试验依据TB10018-2003试验日期2008-10-16土层名称砂类土设备类型轻型触探仪落锤质量，kg10落距，m0.50 探头直径，mm40探头面积，cm212.6探头质量，kg0.35触探杆直径，mm25触探杆0.9米质量，kg3.4锤座质量，kg0.309测点触探深
23、度m触探杆打入深度m一阵锤击数一阵击贯入度mm每击贯入度mm每贯入0.10m（0.30m）所需的锤击数动贯入阻力KPa5-6/5-80.30.3430075.0 4125-6/5-80.60.3830037.5 8445-6/5-80.90.32430012.5 241725-6/5-81.20.32730011.1 271964-3/4-50.30.33300100.0 344-3/4-50.60.3630050.0 6284-3/4-50.90.32030015.0 201404-3/4-51.20.32830010.7 282046-3/6-50.30.3530060.0 5206-3/
24、6-50.60.3730042.97366-3/6-50.90.32130014.3211486-3/6-51.20.32930010.329212结论：检测结果符合设计要求。备注：监理意见：碎石桩试桩前01.2m地基承载力检测。操作规范，数据属实。 签名：徐东伟 日期：2008.10.16批准：徐东伟 审核：孙远玉 编制：李颖 第 1 / 1 页8天后地基承载力检测报告：地基承载力（动力触探法）检测报告现场记录24-1 试验编号：NH-NHJ2-CT-5-003工程名称泉州南惠高速公路施工标段NHA5施工单位中铁十三局集团第三工程有限公司工程部位MRK32+017-MRK32+050监理单位
25、江苏交通工程咨询监理有限公司试验仪器轻型触探仪试验依据TB10018-2003试验日期2008-10-25土层名称砂类土设备类型轻型触探仪落锤质量，kg10落距，m0.50 探头直径，mm40探头面积，cm212.6探头质量，kg0.35触探杆直径，mm25触探杆0.9米质量，kg3.4锤座质量，kg0.309测点触探深度m触探杆打入深度m一阵锤击数一阵击贯入度mm每击贯入度mm每贯入0.10m（0.30m）所需的锤击数动贯入阻力KPa5-6/5-80.30.3730042.9 7365-6/5-80.60.31230025.0 12765-6/5-80.90.3313009.7 312905
26、-6/5-81.20.3343008.8 342524-3/4-50.30.3830037.5 8444-3/4-50.60.31430021.4 14924-3/4-50.90.3333009.1 332444-3/4-51.20.3353008.6 352606-3/6-50.30.3830037.5 8446-3/6-50.60.31130027.3 11686-3/6-50.90.32730011.1 271966-3/6-51.20.33030010.0 30220结论：检测结果符合设计要求。备注：监理意见：碎石桩试桩8天后01.2m原地基承载力检测操作规范，数据属实。 签名：徐东伟 日期：2008.10.25批准：徐东伟 审核：孙远玉 编制：李颖 第 1 / 1 页密实度：标准贯入试验连续5击下沉量不大于7cm，复合地基承载力：大于设计值220Kpa。