浅析沉管碎石桩在软黏土地基处理中的应用

刘 业 举

(山西机械化建设集团有限公司，山西 太原 030009)

0 引言

振动沉管碎石桩处理软土地基是一种比较成熟的施工方法，该方法施工工艺简单、造价较低、施工速度快，能有效的加固桩间土，置换软弱土，加速排水固结消除液化，提高承载力，减少工后地基固结沉降，效果较好，是目前软土地基较常用的一种处理方法。当建筑物对地基沉降要求严格时，也可以和其他桩联合形成多桩型复合地基，能较大幅度的提高承载力。

1 作用原理

1.1 竖向排水通道

软黏土含水量高、渗透性差、压缩性高，其孔隙中含有大量的水分较难排出，通过碎石桩施工，可以为软黏土提供便捷的排水通道，缩短排水距离，同时也能有效的加快超孔隙水压力的消散，从而加速地基土的固结。

1.2 挤密作用

碎石桩对松散粉土、粉细砂土、塑性指数较小的地基土挤密效果比饱和软黏土、砂土等地基土效果好。主要原理是沉入桩管时，对其周围土体将产生很大的横向挤压力，使其孔隙比减少，密度增大，显著的提高桩侧土的强度。

1.3 振密作用

振动沉管时，桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，进而引起周围土体的振动，在振动作用下土体结构破坏，孔隙水压力增大，土颗粒重新排列，使土由较松散变为较密实状态。

1.4 抗液化作用

土体在反复振动作用下，孔隙水压力逐渐增大，当孔隙水压力大于土体主应力数值时，土体振动产生液化，液化后的颗粒在上覆土压力、重力和填料挤压力共同作用下，土体结构重新排列组合，从而提高桩间土的抗液化性能。

1.5 置换作用

沉管碎石桩施工过程中，将桩管周围较差的土挤排至四周，置换力学性能较好的碎石，成桩以后就形成了一定桩径、桩长和间距的桩与桩间土的复合地基。因为碎石桩的强度和抗变形性能较优于周围土，所以承载力有较大幅度的提高，工后沉降量有所减小。

2 工程概况

本工程为某液体化工品码头项目土建(桩基工程)，占地面积约7.7万m2，振冲碎石桩约3 341根，桩径1.0 m，有效桩长12.0 m，桩距采用3 m的等腰三角形布置,隔行跳打的施工方法；拟建港口工程，北、东两侧环山，场地为半月形海湾，北侧为海滩，中间为沿山弧形航道，簸箕山东侧为海港，沿航道向东一直可达沈大高速公路。

3 地质水文情况

3.1 地质条件

1)根据地质勘察资料，场地地层自上而下为：

a.淤泥质粉质黏土：灰褐色，饱和，呈流塑～软塑状。切面光滑，污手。含贝壳碎片。场区普遍分布，厚度：2.00 m～9.60 m，平均6.63 m；层底标高：-11.16 m～-7.87 m，平均-9.63 m；层底埋深；2.00 m～9.60 m，平均6.63 m。

b.粉质黏土：灰褐色，湿，可塑。局部含少许石英砂岩砾石。场区普遍分布，厚度0.30 m～3.60 m，平均0.70 m；层底标高-11.89 m～-8.37 m，平均-10.53 m；层底埋深5.40 m～12.60 m，平均7.96 m。

c.砾石：黄褐色，湿，密实。含石英砂岩砾石约60%～70%，以次棱角形为主，部分呈浑圆状，中等风化程度。混黏性土。场区普遍分布，厚度0.50 m～10.10 m，平均3.18 m；层底标高-21.98 m～-10.27 m，平均-13.72 m，层底埋深6.10 m～18.30 m，平均11.14 m。

d.微风化石英砂岩：灰白色，薄层状，节理发育，岩芯呈块状，岩质坚硬。

2)地质构造及不良地质现象。

勘察过程中未发现有断裂构造，本场地及其附近未发现有不良地质现象存在。

3.2 水文情况

根据多年资料统计年平均降水量724.1 mm，逐月分布不均，6月～9月为雨季，占全年降水量的76%。统计7年中，以1964年降水量最多，达1 044.4 mm，其中7月份降水量达428.4 mm，9月份日降水量达129.6 mm。

4 设计要求

4.1 桩基设计参数

桩基设计参数见表1。

表1 桩基设计参数表

4.2 碎石桩设计要求

1)振动碎石桩施工前在现场进行试验，以确定振密电流和留振时间等参数，且当试验结果满足设计要求后方可施工。

2)振冲法碎石桩处理后复合地基承载力特征值不小于140 kPa。

3)振动碎石桩施工时，由于水池基底标高较深，故振冲前先进行基坑开挖，且预留1 m厚度的土层，振冲自基底标高开始至③层粉质黏土层不少于1.0 m。振冲器选用功率75 kN的振冲器。

4)振冲施工前，首先做好整个场地的排水措施，避免施工期间雨水对施工场地的浸泡和冲刷，以保证振冲效果。振冲过程加强过程控制和检测。

5)在碎石桩体材料采用含泥量不大于5%的碎石，粒径40 mm～150 mm，桩身强度不低于4.0 MPa。

6)在振动碎石桩成桩后，用重型动力触探对桩进行检验，检验数量为施工总桩的0.5%，且不少于3根。

7)碎石桩的施工顺序：宜从外围或两侧向中间进行。

8)施工时桩位偏差不应大于套管外径的30%，套管垂直度允许偏差应为±1%。

5 施工方法及检测

5.1 振动碎石桩施工方法

5.1.1场地平整

在碎石桩施工前，首先要对场地进行平整。场地平整后，边缘作排水明沟。对于较大工程场地则要分块设沟，以利排水畅通、桩机移位方便。

施工前，要根据试验或经验预估隆起或振密变形的数量,以确定施工前场地的标高，使处理后的场地标高接近规定标高。

5.1.2试桩

正式施工前，应进行成桩工艺和成桩挤密试验，试验桩数依照设计要求，在业主指定地点进行试桩。

试桩是碎石桩施工的关键工序，试桩的目的：一是要检验振动桩机的性能是否符合要求，各部位转动是否一致。二是要确定桩管的贯入度、桩间距、填料的数量、桩体的充盈系数、桩管的提升高度和速度、振密挤压次数、留振时间和拔桩所用时间以及电机的工作电流等施工参数。三是了解持力层的强度，以及成桩过程中遇到的各种问题的反常情况等。

试桩直径、长度与工程桩相同。同时还要通过试桩取得的数据校核原定的设计方案、施工技术措施等。如成桩质量不能满足设计要求，应调整桩间距、填料量等施工参数，重新进行试验或修改施工工艺设计。

5.1.3桩机就位、沉管

1)移动桩机，桩尖对准桩位。闭合桩靴，桩管垂直对位，经施工单位质检人员和监理人员检查，对位核准无误后，用经纬仪或吊锤从两个方向检查桩管的垂直度，防止成孔倾斜，桩管垂直度偏差不应大于1%，同时测地面高程，以便控制成孔深度。

2)利用锤重及沉管自重徐徐静压1 m～2 m后，启动振动桩锤，将桩管振动沉入土中，达到设计深度，使桩管周围土挤密或挤压。在振动成孔的过程中，应注意观察桩管的垂直度，如有偏斜应及时纠正，时刻保持桩管的垂直度，直到桩管压沉至设计标高。

在桩管压沉到设计标高时，为了确保桩的承载力，应反复上下在孔底部拔、压桩管，将土体向周围地基土挤压，加大桩孔直径，防止缩颈，使桩间土进一步挤密。

5.1.4填料、振动、拔管

1)填料。

在桩管振压至设计标高后停机，开始人工向桩管内填石料。填石料分两步，第一步在停机状态下填满桩管；第二步，在拔桩管的过程中用吊斗再向内补充填料。补充填料的数量应在试桩中确定，同时在拔桩、填料过程中，机前工应时刻观察并记录填料的数量，不可少填或超填太多。

加料时，应本着“少加多振”的原则进行。为保证顺利下料,可加适量水。

拔管前，应将桩管在桩底原位留振30 s～1 min，随后把桩管提升到一定高度(依试桩确定的参数进行，下料顺利时不超过1 m～2 m)，提升时桩尖自动打开，桩管内的砂石流入孔内，使砂石全部埋住桩管口。每次提管高度应以不离开砂石面为宜。

降落桩管，利用振动及桩尖的挤压作用使砂石密实。一般先振动5 s～10 s后，开始拔管，边拔边振。在软黏土中，桩管在打到规定深度后投入石料，应复打2次～3次。采取这个措施是为了防止桩管拉拔时，底部软黏土没有挤密又重新恢复，形成缩颈和断桩，同时，底部的软黏土受到振动后会往下塌沉。采取复打后，可以使底部更密实。

2)提升桩管。

提升桩管的过程，应从拔管速度和填料量两个方面保证桩身的质量。

控制拔管速度主要保证桩身连续性和密实度，如拔管速度太快，容易形成断桩、缩颈现象或密实度不够现象；拔管速度太慢，则所消耗的砂石量增加，成本增加。拔管方式也可分一次拔管法、逐步拔管法、重复压拔管法和复打法。这里限于篇幅就不全部叙述了，本工程采用重复压拔法施工。重复压拔法的施工方法：

a.按设计规定或试验数据的填料量向桩管内投入碎石。

b.边振动边拔管，拔管高度根据设计或试桩确定。

c.边振动边向下压管，下压的高度由设计和试验确定。

d.停止拔管，继续振动，停拔时间按规定或试验确定。

e.重复步骤a.～d.直至桩管拔出地面。

提升和反压桩管的速度必须是均匀的，反压深度由深到浅，每根桩应保证桩长和灌入量，总反压次数按试桩参数要求。

5.1.5排水

软弱土层的地下水较丰富，在沉管碎石桩数量不断增多的情况下，地下水也不断地顺桩体涌出，如不及时排出，则挪桩机困难，严重影响工程进度和质量。所以施工现场应视涌出水情况，及时安排操作人开挖排水沟进行排水。

5.2 检测

1)施工前，应实测桩管的直径、取样检验碎石的粒径、含泥量、有机质含量等是否符合标准和设计要求。

2)施工中，质量检查员应检查每根桩的桩位偏移量、填石料数量、桩管垂直度、桩顶标高、桩长等，其指标应符合设计规定。

3)施工完成后，应对桩的桩位、桩径、地基的密实度、地基土的承载力进行检验，符合设计及相关规范的要求。

4)检查各项施工记录，如有遗漏或不符合要求的桩，应补桩或采取其他有效的补救措施。

振动碎石桩应在施工期间及施工结束后，检查碎石桩的施工记录，包括检查套管往复挤压振动次数与时间、套管升降幅度和速度、每次填碎石料量等项施工记录。碎石桩施工的沉管时间、各深度段的填砂石量、提升及挤压时间等是施工控制的重要手段，这些资料可以作为评估施工质量的重要依据，再结合抽检便可以较好地作出质量评价。

5)施工后，应间隔一定时间方可进行质量检验。间隔时间不宜少于14 d。

6)施工质量的检验，对桩体采用重型动力触探试验，检查数量为施工总桩的0.5%，且不少于3根。

7)竣工验收时，地基承载力检验应采用复合地基静载荷试验，在成桩28 d后进行，检验数量为施工总桩的0.5%，且不少于3点。

8)施工质量的检验，对桩体可采用重型动力触探试验；对桩间土可采用标准贯入、静力触探、动力触探或其他原位测试等方法；对消除液化的地基检验应采用标准贯入试验。桩间土质量的检测位置应在等边三角形的中心。检验深度不应小于处理地基深度。

6 结语

施工结束28 d后，对成桩质量和处理效果加固深度检测，均达到设计要求，工后沉降变形监测也满足设计要求，达到了预期效果，同时也为业主取得了显著的经济和社会效益。从本工程看，振动沉管碎石桩处理软黏土地基是切实可行的一种办法。