浅谈公路软基处理中振动沉管碎石桩的施工技术

周正田

摘要：碎石桩处理公路软基，因其挤密、置换和排水等作用，与桩间土形成复合地基，能有效减少地基沉降、提高地基承载能力和抗液化性，具有良好的工程效果和实用价值。本文阐述了公路软基处理中碎石桩的作用与加固机理，结合工程实践案例，对振动沉管碎石桩施工技术、工艺和质量控制要点，进行了详细的分析与探讨，以供工程施工参考。

关键词：公路软基；振动沉管；碎石桩；施工技术

1碎石桩概况

碎石桩是指采用振动、冲击或水冲等方式在软基中成孔后，把碎石挤压进入土孔中，形成由碎石构成的密实桩体。碎石成桩后，与桩间土形成复合地基、共同工作。

碎石桩属于粒料桩，一般应用于处理地面以下5-20m的深层软基，可适用于处理松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等软土地基，也可用于处理可液化地基。碎石桩按其施工方法，分为振冲置换法碎石桩和振动沉管法碎石桩。振冲置换法碎石桩，一般是利用带有高压水枪的振冲器、与高压水柱同时冲击成孔，溢出泥浆、置换进碎石成桩；也可在冲孔时不加高压水柱，只采用振动成孔器成孔、和振密碎石成桩，称为干振挤密碎石桩。振动沉管法碎石桩，采用振动沉管成孔，可采用一次拔管成桩法、逐步拔管成桩法和重复压管成桩法三种工艺。

2碎石桩的作用与加固机理

普遍认为，碎石桩对软土的主要作用有挤密、振密、置换和排水。对于松散砂土和粉土，主要作用为挤密、振密和排水(抗液化)；对于粘性土，主要作用为置换和排水。

①挤密与振密

对于粉土、砂土软基，因其土粒间孔隙较大，在成桩过程中，土体受到挤压使土粒易位、孔隙减少而被挤密；激振器产生的振动致使桩孔周围附近的饱和土产生振动孔隙水压力、部分土体液化，土体被振密至小于临界孔隙比而趋向密实，可有效提高地基承载能力，减少地基沉降量和消除软土振动液化。

②置换与排水

对于粘性土软基，因土粒间结合力强、渗透性差，孔隙水在外力作用下很难排出土体。在成桩过程中，桩孔和周围的软土被挤压产生侧移与隆起，桩孔的软土被置换成碎石、与桩间土形成柔性桩复合地基。由于碎石桩体的刚度比周围土体大，在上部荷载作用下桩间土体的应力向碎石桩集中，因而减少了桩间土体的应力和沉降量，提高了地基承载能力。

另外，碎石桩在粘性土地基中形成了大量快捷的竖向排水通道，加速了土基固结，提高了复合地基的整体承载能力。

3振动沉管法碎石桩处理公路软基的施工技术

3.1工程实例概况

四川某段高速公路，其中某段填方路基通过一鸡爪地形的沟谷地段，路堤高度约8m。根据地勘资料，公路软基深度5.7-10.9m、下伏强～中风化砂岩。软土层自上而下划分为5层：0.6m厚淤泥质粘土；1.1-3.0m厚粉土；1.3-2.5m厚粉质粘土；0.6-1.2m厚粘质黄土；2.1-3.6m厚粉质粘土。

由于地基土质松软、地下水位较高，设计采用了碎石桩加固处理该段软基，加固机理主要为预振、挤密、置换和排水；桩体材料为碎石、桩径为500mm、桩间距为1.5m，桩位按等边三角形分布；碎石桩处理宽度为路堤两侧坡脚外3.0m之间的范围，桩长为打穿软土层至基岩；碎石桩顶面设置一层50cm厚的碎石垫层作为排水层；由于表层为淤泥质粘土，设计要求挖除表土后铺筑0.6m厚泥岩作为施工场地、采用振动沉管法施工碎石桩。

3.2施工设备与材料准备

（1）根据设计的桩径、桩长、和工程地质及环境等实际情况，采用DZ60走管式振动沉桩机，桩管内置平底活页式桩尖（活瓣）、设有二次投料口，锤重≥35KN、激振力≥280KN，配套发电机功率≥120KW，最大沉桩深度可达到20m。

（2）填桩材料采用弱风化砂岩轧制的碎石，其粒径为19-50mm、含泥量小于5%、不含其他任何杂质。

3.3成桩试验

碎石桩批量施工前，需进行现场成桩工艺试验和成桩挤密试验。根据设计，试验桩共7根（按边长为1.5m的等六边形布设，中心1根、周围6根）、桩长9-11m，试桩施工采用振动沉管法成孔、重复压拔管法成桩。通过试验得出每根桩的成桩时间需23-28min，碎石桩的充盈系数≥1.17。

3.4施工顺序、方法与流程

施工顺序：采用“从一端向另一端推进、间隔跳打”的顺序施工， 有利于挤走部分软土和减轻对原状土的扰动。

施工方法：按照试桩施工的方法成孔和成桩。

施工流程：清表及平场→测量放线定桩位→桩套管就位与调整→振管下沉与接管→终孔与投料→重复压拔管成桩→碎石桩顶处理→碎石排水垫层。

3.5主要施工技术及工艺及

（1）测量放线定桩位

    由测量人员按照设计桩位、以路线中轴线为控制，在现场逐孔放线定位、编号、并打入木桩作为标识。

（2）桩套管就位与调整

套管装进打桩钳口、悬直后闭合桩靴（活瓣），找准桩位、下放至桩尖离地面10cm左右，便夹紧桩管、微调打桩机使桩尖对准桩位，再将桩管轻振、慢慢沉入土中1.0m左右深度，然后就从两个水平正交方向校正桩管的垂直度，调整导轨使其满足规范要求。

（3）振管下沉与接管

套管就位调校好后，便开始振动、套管匀速缓慢的沉入软土中。当第一节套管进入土层、剩余1.0m左右时便可接管，安装好第二节套管后，再继续边振动、边沉管，依此循环操作、直至套管沉入到基岩。

沉管全程应记录好沉入深度、时间和速度等，随时检校桩管的垂直度，检查振动锤与桩身的中心线是否重合、避免偏振；沉管中如发现桩管下沉速度突然减慢，可能是遇到硬土层或孤石，应停振、将管提升0.8m左右后再快速振动沉管，一般可将硬层打穿；如若沉管长时间难以穿透，可能是遇到了较厚的硬层或是比较大的孤石，为避免损坏桩机或桩头，应停止沉管、与相关部门会商后再酌情处理。

（4）终孔与投料

当桩管下沉到设计高程、且桩管最后的贯入度满足设计要求后，可停振终孔、确定桩长。如管底已经沉入到设计高程、贯入度大于设计要求时，便需继续振管下沉、穿透软土层，将桩管沉入到基岩中。终孔后，便可按照设计确定的碎石用量、向桩管中投入碎石。

（5）重复压拔管成桩

随后，边投入碎石、边振动、边匀速拔管（拔管速度一般控制在1.5m/min），随着提管桩尖活瓣自动打开、碎石向下排入孔中；当桩管拔升到一定高度时（一般不超过1.0m）、便停止拔管，保持振动10-20s；然后边振动、边向下沉管，利用桩管的振动和桩尖挤压使碎石密实；依据试桩经验，桩管上下往返、重复振压和拔管6-8次（下压深度逐次由深至浅），便可停止拔管、继续振动10-20s，碎石就被振压密实。

随后持续少量多次的加入下一批碎石，按照第一振密段的施工工艺，向上逐段振密碎石、最终完成整根碎石桩施工。

3.6施工质量控制要点

（1）碎石粒径严格控制在19-50mm，要求碎石未风化、抗侵蚀、含泥量不得大于5%、不得含有其他杂质；严禁使用超粒径碎石，避免卡管和振不密实。

（2）桩位控制要准确、平面偏位要小于150mm，桩管竖直度偏差不得大于1.5%；桩径不得小于设计值。

（3）碎石的实际用量不得少于现场试桩后确定的设计用量；如偏少应查明原因并采取相应措施，避免缩颈或断桩。

（4）碎石桩质量控制的重点是碎石的密实度。施工中要特别注意对料、电的控制：投入碎石要做到“分批投料、连续少量”；随时用测锤量测碎石的下料情况；严格控制拔管速度、高度和沉管下压挤密次数；每振密段长度严控在1米以内；留振（拔管停止后保持振动）时间严控在10-20S，密切关注密实电流的变化（其变化能反应挤密效率和程度），确保每段桩身碎石的密实性、和整桩的均匀性、连续性。同时，需全程如实记录好所有的施工参数、以备排查。

一般情况下，当碎石的压缩比达到2:1（即2m高压缩到1m）、且电流保持在一定的不变值时，表明桩体碎石的密实度已接近饱和，切忌过振。

（5）碎石桩施工全部完成后，应挖除被挤隆起的土体，把桩顶的松散层整平和夯压密实。随后铺筑碎石排水垫层，以利于软基排水固结。

3.7施工质量检验

成桩30天后，按照5%的抽检频率、进行了施工质量现场检验：通过开挖方式检验了桩距和桩径，均满足设计要求;采用重型（N63.5）动力触探检测了桩身密实度，贯入量100mm时锤击数均超过7击、满足设计及规范要求；采用静载试验检测了单桩承载力与复合地基承载力，均达到设计要求。

4结束语

碎石桩处理公路软基，通过其挤密、振密、置换及排水等作用，显著改善了桩间软基的土性，并充分利用桩间土的强度，使桩与桩间土形成柔性桩复合地基、共同发挥作用；且随着时间的发展,复合地基的承载能力会逐渐增加，提高了地基整体承载力。同时，碎石桩加速了软基排水固结、减少了地基沉降变形，还有效消除了软土振动液化的危害。

通过工程实践，碎石桩处理公路软基，施工方便、快捷、成本低，具有良好的工程效果和实用价值。随着施工技术、材料和设备的不断更新与进步，碎石桩加固处理软基技术将会更加广泛的应用于工程实践之中。

参考文献：

[1]公路路基施工技术规范JTGF10-2006.[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]公路软土地基路堤设计与施工技术细则JTGT/D31-02-2013.[S].北京：人民交通出版社,2013.

[3]刘玉卓.公路工程软基处理 [M].北京：人民交通出版社,2002.