振冲碎石桩在软基处理中的应用

李庆贺

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

目前对于软土地基处理的方法主要有直接换填、化学加固、桩基础挤密[1]等。碎石桩通过振冲挤密、排水减压、预先振动这3种作用可以使土体更加密实，降低含水量从而提高软基强度。考虑到工程经济环保性，振冲碎石桩由于其具有较好的处理效果、经济适用、且施工时间较短得到较多工程应用，因此本文采用振冲碎石桩对山西某高速公路所经某路段软基进行处理。

1 工程概况

某高速公路在K34+200—K34+312路段所经地基为软土层，根据公路路基设计规范中对于软土评判指标（见表1），该路段软土层由上往下分别为淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉土、粉质黏土。淤泥质粉质黏土，分布于路基表面至往下1 m深处，颜色呈现黑褐色，根据含水量测得其为软塑状态；粉质黏土，分布于地下1～6 m处，呈现黑色，软塑，且具有腥臭味；粉土，分布于地下6～8 m处，灰色，流塑状态；粉质黏土，分布于地面以下8～12 m处，呈现灰色，流塑状态。各土层物理指标见表2。该路段软土地基测得承载力74 kPa，不满足设计所要求的160 kPa，采用振冲碎石桩对软基进行处理，使其承载力、工后沉降满足要求。

表1 软土判断指标

表2 各土层物理指标

2 单桩荷载试验

2.1 碎石桩的设计与试验方案

根据施工方案决定采用振冲碎石桩来处理软土地基，根据现场地质勘察确定采用10 m的桩长，现场采用的振冲施工器械为75 kW型，经过查阅资料并参考一些成功处理的同类软土地基工程，采用直径为1.1 m的碎石桩，桩距为1.7 m，各桩采用等边三角形进行排列[2]，填桩所用集料需要使用含泥量低于5%的碎石，且粒径范围为40～150 mm，在桩顶需要预铺一定厚度的碎石垫层，具体见图1。

图1 三角形布桩样式（单位：cm）

在碎石桩成型后，需要采用单桩荷载试验对碎石桩复合地基抽样点检验复合承载力，再测量桩土应力比看是否在合理范围2～4内，再通过动力触探对土的密实性进行检验，将试验值与设计值相比较，检验其是否满足设计要求[3]。

2.2 单桩承载力试验

对于复合地基承载力的测算，一般需要考虑桩的承载力与桩间土的承载力两者共同作用，通常分别通过对碎石桩承载力进行检测，再对桩间土承载力进行检测，两者经过数学算式叠加而表征复合地基承载力。

本文对复合地基承载力进行测算所使用的方法为单桩荷载试验，根据《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012中的有关规定进行试验，承载板所用面积与单桩置换土面积大小一致，单桩处理面积为（1.05×1.5）2÷4×π=1.94 m2，所以承载板使用1.6 m直径的圆形承载板，承载板中心与所测桩中心对应，进行逐级加载，且试验最大加载量不小于地基设计承载力所对应的压力的2倍，根据地基设计承载力所计算出试验最大加载量为160 kPa×1.94 m2×2=620.8 kN取620 kN，最大加载量分为8级7次加载，每级为77.5 kN，首次加2级155 kN后6次按每级77.5 kN加入，加载后观察沉降量，卸载分5次卸载，每次卸载观察回弹量。将数据记录于表3；图2为沉降曲线。

表3 单桩荷载试验数据

图2 沉降曲线

根据表3可知，当荷载加到最大加荷量时，最大变形达到59.57 mm，小于承载板直径的6%（1 600×6%=96 mm），且现在试验过程中桩间土无凸起现象。根据沉降曲线可知，在加载过程中变形量无急剧变化，因此试验数据可用。同时可以看出，沉降曲线的斜率变化率小，说明该试验点复合路基承载力还未达到破坏点。因此根据《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2012试验要点可知[4]，由于复合地基在加载过程中未达到极限，因此地基承载力特征值取s/d=0.010（s为沉降量、d为承载板直径）所对应的压力。通过类似10个试点计算地基承载力，计算结果见表4。若每个试点检测结果满足极差不超过平均值的30%，则复合地基承载力取各试点平均值。

表4 各试点承载力测算结果

从表4可知，各点所测算结果皆为超过平均值的30%，所以该路段复合地基承载力取各点综合平均值 0.183 MPa，超过设计所要求地基承载力0.16 MPa，因此复合地基承载力满足设计要求。

2.3 桩土应力比

桩土应力比的大小也是评价振冲碎石桩要点之一，桩土应力比表征碎石桩分担土体承载力的大小。桩土应力比过大，将导致桩承载力过高，未充分利用桩间土承载力，导致工程浪费；反之，桩土应力比过小，则容易使桩承载力不能满足要求或工后沉降过高。因此，在进行单桩荷载试验时，可在桩体与桩间土体中埋入测力计，测出应力比数据，绘制成曲线图，见图3。

图3 应力比变化趋势图

根据图3可知，当荷载增长到一定程度后，桩土应力比变化趋势趋于平缓，各桩点在250 kN后应力比在3.2～3.6之间波动，这与设计值3.5接近，因此检测结果满足设计要求。

3 动力触探试验

碎石桩与桩间土的密实度可用动力触探试验来测定，对于桩间土，本文使用N10的轻型触探试验对比打入碎石桩后的土体密实度变化，再通过重型触探试验与超重型触探试验对试验路段任意取3点进行碎石桩与桩间土的密实度进行检测，具体锤击次数与深度关系见图4～图6。

图4 轻型动力触探试验对比图

图5 桩间土重型锤击试验结果

图6 超重型触探试验结果

根据图4可知，在振冲碎石桩处理后桩间土锤击数在80～100波动，而原地基土的击数20～30相比较，可以看出振冲碎石桩处理后的地基的抵抗外力荷载压入变形的能力有很大的提升，这是由于振冲碎石桩对软土地基的挤密与排水作用等。

根据图5可知，图5桩间土所取3个点在地表下0～6 m深度N63.5锤击数在5～11波动。

图6中，其N120锤击数在3～7波动。因此，根据《岩土工程勘察规范》GB50021—2009中动力触探试验[5]评判标准可知，桩间土与碎石桩密实效果好。

4 结论

本文采用振冲碎石桩对软基进行处理，通过现场试验得出以下结论：

a）通过现场单桩荷载试验对振冲碎石桩复合地基进行承载力检测，经计算所测得复合地基承载力为0.183 MPa大于设计值所要求的0.16 MPa，满足设计要求。

b）通过单桩荷载试验对桩土应力比进行测试得知，随着荷载的不断提升，桩土应力比稳定在3.2～3.6之间，与设计值3.5相近，碎石桩处理后的复合地基中，碎石桩具有一定的承载力，桩土应力比合理且满足设计要求。

c）通过轻型动力触探试验对原土与处理后的桩间土密实度进行对比表明，碎石桩对软基处理后从击实次数可以看出抗压入变形能力明显高于未处理的原土。

d）根据桩间土与碎石桩的动力触探试验可知，桩间土与碎石桩的密实度良好。