鄒 磊

碎石樁復(fù)合地基是在地基中設(shè)置由碎石等組成的縱向增強(qiáng)體(樁體)達(dá)到加固土體目的形成的復(fù)合地基,其具有良好的透水性,可加速地基固結(jié),提高了地基土的承載力,減少了地基的沉降量。并且由于其施工方便、經(jīng)濟(jì)、適用性廣、快速等特點(diǎn),最近幾年在高速公路工程中也得到了廣泛應(yīng)用。

1 碎石樁復(fù)合地基加固原理

1.1 對(duì)松散砂土加固機(jī)理

碎石樁加固松散砂土,主要是處理這種地基的液化效應(yīng)。松散砂土是單粒結(jié)構(gòu),屬于典型的散粒體,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差,在動(dòng)力和靜力作用下很容易產(chǎn)生位移而失穩(wěn)、體積減少,形成液化,強(qiáng)度降低。而碎石樁復(fù)合地基抗液化的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:增加樁周砂土的密實(shí)度;通過(guò)樁體的排水減少砂土中的超靜孔隙水壓力的增長(zhǎng);樁體可分擔(dān)地震水平剪應(yīng)力作用(樁體減震作用)。

1.2 對(duì)黏性土的加固機(jī)理

1.2.1 置換作用

對(duì)于黏性土地基(特別是飽和軟土),由于土的粘粒含量多,粘粒間結(jié)合力強(qiáng),滲透性低,在振動(dòng)力和擠壓力的作用下土中水不易排走,所以碎石樁的作用不是地基擠密,而是置換。碎石樁置換法是一種換土置換,即以性能良好的碎石來(lái)替換不良地基土。由于碎石樁的剛度比樁周黏性土的剛度要大,而地基中應(yīng)力按材料變形模量進(jìn)行重新分配。因此,大部分荷載將由碎石樁承擔(dān),樁體應(yīng)力和樁間黏性土應(yīng)力之比值稱(chēng)為樁土應(yīng)力比,一般取值2～4。碎石樁在施工制樁過(guò)程中,因?yàn)檎駝?dòng)、擠壓及擾動(dòng)等原因,樁間土與碎石樁之間會(huì)發(fā)生孔隙水壓力相互轉(zhuǎn)化,所以對(duì)碎石樁的質(zhì)量檢驗(yàn)有一個(gè)齡期的問(wèn)題,一般檢測(cè)的間隔時(shí)間為3周～4周。

1.2.2 排水作用

飽和黏性土的粘粒含量高,滲透性差,抗剪強(qiáng)度低,對(duì)碎石樁的約束能力也有限。由于設(shè)置了反濾性和濾透性都較好的碎石樁,使得土體固結(jié)排水路徑大大縮短,固結(jié)速度顯著提高,土體的強(qiáng)度和對(duì)樁體的約束能力也得到提高,從而使復(fù)合地基的承載力得到提高,使沉降穩(wěn)定加快。由于碎石樁是散粒體組成,承受荷載后發(fā)生徑向變形,并使周?chē)ば酝廉a(chǎn)生被動(dòng)抗力,如果黏性土的強(qiáng)度過(guò)低,不能使碎石樁得到所需的徑向約束力,樁體就會(huì)產(chǎn)生膨脹破壞,這樣會(huì)影響到加固效果。

2 碎石樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)

2.1 平面布置形式

碎石樁一般呈正三角形或梅花形布置,有時(shí)也呈正方形布置。

2.2 樁徑

碎石樁的直徑應(yīng)根據(jù)置換率、成樁方法、施工機(jī)械能力等因素來(lái)確定,直徑一般采用50cm～100cm,最大直徑可達(dá) 200cm。

2.3 樁長(zhǎng)

1)軟弱土層厚度小于15 m或在該深度以內(nèi)有較硬的持力層,應(yīng)將碎石樁樁端置于較硬土層中。2)在可液化土層中,碎石樁樁長(zhǎng)應(yīng)按抗震要求處理的深度來(lái)確定。一般規(guī)范要求樁長(zhǎng)應(yīng)穿透液化土層,滿足抗震設(shè)計(jì)要求。3)按穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的工程,其碎石樁樁長(zhǎng)不得小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2.0m。4)按變形沉降設(shè)計(jì)的工程,碎石樁的長(zhǎng)度應(yīng)滿足使復(fù)合地基的沉降量不超過(guò)對(duì)構(gòu)筑物地基容許沉降量的要求。

2.4 樁距計(jì)算

計(jì)算樁距,首先要考慮置換率:

其中,m為碎石樁置換率;a為樁間土承載力的修正系數(shù),砂土一般取1.2～2.0;n為樁與土應(yīng)力比,一般取2～4;Δfk=fspk-fsko,fspk為復(fù)合地基標(biāo)準(zhǔn)承載力;fsko為天然地基標(biāo)準(zhǔn)承載力。

2.5 碎石樁承載力計(jì)算

Hughes和Withers(1974年)用極限平衡理論分析,建議按下式計(jì)算單樁的極限承載力qfp:

其中,CU為樁間土的不排水抗剪強(qiáng)度。

根據(jù)JGJ 79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范,推薦的碎石樁復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算公式為:

其中,fspk為復(fù)合地基承載力特征值;fpk為碎石樁單位面積承載力特征值;fsk為處理后樁間土承載力特征值;m為樁土面積置換率。

2.6 碎石樁處理寬度的確定

地震液化后地基分為液化區(qū)、過(guò)渡區(qū)和加固區(qū)三個(gè)部分,液化破壞主要是由加固區(qū)外側(cè)的土首先軟化和液化,中間土失去側(cè)向支撐力,因此其穩(wěn)定性計(jì)算模型可以按邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題來(lái)計(jì)算。一般碎石樁處理砂土液化,每邊處理寬度不得少于液化層厚度的1/2,并不小于3m,高速公路道路路堤兩側(cè)的處理區(qū)域應(yīng)設(shè)置到排水溝外緣。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

南惠高速公路K52+704～K52+958段,地處緩丘地帶,地勢(shì)平緩,淺部為灰黃色中粗砂,灰黃色,松散,厚約2 m～6m,下為殘坡積砂質(zhì)黏性土,硬塑,厚約3 m～7m,下伏花崗巖,此段砂土層根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)定》中的有關(guān)規(guī)定,中砂層會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的砂土液化現(xiàn)象。設(shè)計(jì)采用振動(dòng)擠密碎石樁,考慮路堤荷載的大小,原土的強(qiáng)度、樁的承載力及施工工藝,設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)3 m～6m,樁徑0.6m,樁間凈距原則上不大于2.5d,樁間距按換算成單樁面積確定,樁位平面上按等邊三角形布置。

碎石樁用碎石要求:采用2cm～5cm的級(jí)配碎石,最大粒徑不大于8cm,含泥量不得大于 5%。

3.2 施工工藝及要注意的問(wèn)題

1)碎石樁施工工藝:施工準(zhǔn)備(先鋪設(shè)砂礫墊層30cm)→布置樁位→樁機(jī)就位→開(kāi)機(jī)→沉管造孔→填碎石料→擠密成樁→關(guān)機(jī)就位。2)施工前必須進(jìn)行試樁實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)和施工控制的有關(guān)參數(shù)作為碎石樁施工的控制指標(biāo),試樁根數(shù)一般為9根～16根。3)機(jī)械定位及施工順序。沉管機(jī)就位后,沉管中心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)校位,對(duì)位誤差不大于20mm。對(duì)位后應(yīng)校正沉管和樁機(jī)挺桿垂直度,保證成樁垂直度在1.5%以內(nèi)。碎石樁屬于擠土樁,為防止樁體散亂不成型,碎石樁施工順序要采取從外向內(nèi)、螺旋向中心的順序,要跳打以消除相鄰樁的影響,防止樁身傾斜。4)沉管靜壓及控制。沉管時(shí)應(yīng)先靜壓沉管至一定深度,在確定沉管沒(méi)有發(fā)生偏移后方可啟動(dòng)振動(dòng)錘按正常速度下沉。沉管的深度必須嚴(yán)格控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求。樁管進(jìn)入可液化層后,每下沉0.5 m留振30s直至設(shè)計(jì)深度后稍上提沉管,使沉管下端的活瓣尖樁打開(kāi),沉管及樁尖外壁真空破壞,減少起拔摩擦阻力。5)填料控制。碎石樁加固地基的效果取決于碎石投入量,即充盈系數(shù)必須滿足設(shè)計(jì)要求。因此采用復(fù)打反插法施工,同時(shí)施工過(guò)程中控制好碎石的密實(shí)度,碎石的灌注量不能小于設(shè)計(jì)量。沉管至設(shè)計(jì)深度后停機(jī)投料,直至裝滿為止。二次投料要采用空中加料,以避免斷樁造成的承載力不夠。

4 結(jié)語(yǔ)

碎石擠密樁處理軟土和砂土液化的地基是一種非?？尚星医?jīng)濟(jì)的辦法,對(duì)地基土的物理性質(zhì)的改善、軟土的加速固結(jié)及沉降的減少、承載力的提高都有明顯的作用。在公路工程中越來(lái)越顯示其重要作用。

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