柱锤冲扩挤密碎石桩复合地基的应用

王来顺

摘要：冲扩碎石挤密桩具备造价低、施工简便、加固效果好等特点，能有效提高复合地基的承载力，因而在特殊地基处理众得到了广泛应用。对冲扩挤密碎石桩的设计、成桩原理、施工工艺、应用及地基加固效果进行总结，通过工程实例，验证了其加固地基的可行性。

关键词：复合地基；设计；施工；应用

0   引言

冲扩碎石挤密桩具备造价低、施工简便、加固效果好等特点，能有效提高复合地基的承载力，因而在特殊地基处理中得到了广泛应用。本文以某立交桥柱锤冲扩挤密碎石桩复合地基处理方案为例，通过合理确定设计参数，并经试桩施工及桩间土检测，证明该技术其加固地基的可行性[1]。

1   工程概况

1.1   工程基本情况

某高速全长5.52km，其第六标段西起温榆河北岸，向东跨机场高速、机场辅路，是一座大型的互通式立交，起止桩号为K8+489～K9+740，全长1.25km。桥梁面积7.5万m2，道路面积4.2万m2，工程造价2.6亿元。

本工程机场高速立交桥东侧（K9+355～K9+740）穿越现况采砂坑，根据工程地质勘察报告揭示，该砂坑受降雨及地下水影响，目前坑内积水较多而形成大面积水域，水下淤泥层厚约1m。砂坑东西两侧已部分回填，回填成分主要为房渣土，含生活垃圾，成分较杂，工程性质较差，难以满足路基设计要求，因此需對该区域进行地基处理。

设计要求处理后地基容许承载力不得小于150kPa，路段部分不得小于120kPa。该区域范围地质复杂，业主、监理、施工、勘探、设计部门对现场进行了多次踏勘，根据现场地质情况以及地质勘察部门提供的详细勘察资料，确定K9+355～K9+410范围采用冲扩碎石桩方案处理，K9+410～K9+740范围采用换填方案处理。

1.2   土层状况

本段道路范围内地形起伏较大，总体地势为自西向东逐渐降低。根据勘察资料，场区内各土层分述如下：

表层为中亚黏土填土、轻亚黏土填土①层及房渣土①1层（采砂坑内水域以下局部为淤泥）；填土厚度在采砂坑外为2.3～11.4m不等，在采砂坑内无积水处为0.7～2.3m左右，在水域范围内为0.3～2m左右。

标高19.97～22.30m以下为中亚黏土、重亚黏土②层、重亚砂土、轻亚黏土②1层及黏土②2层（该大层局部缺失）。标高14.64～20.19m以下为细砂、中砂③层，圆砾③1层，轻亚黏土、重亚砂土③2层及中亚黏土③3层。标高13.38～14.62m以下为细砂、中砂④层及圆砾④1层；标高8.51～10.27m以下为轻亚黏土、重亚砂土⑤层，中亚黏土、重亚黏土⑤1层，含有机质黏土⑤2层及细砂⑤3层。

现况地面下20m深度范围内共有两层地下水：第1层地下水静止水位标高为19.18～21.94（埋深1.7m～6.5m）；第2层地下水静止水位标高为15.74～16.93（埋深6.4m～9.3m）。

2   地基处理设计方案

2.1   方案确定

K9+355～K9+410范围为桥头高填方区域，现况地基浅部主要为回填土，成分为建筑垃圾，天然地基承载力标准值为80kPa，承载力较低，为欠压密状态。结合拟建场地的工程地质条件，考虑机械施工能力和处理效果，处理后地基承载力特征值不小于150kPa，以及沉降需控制在3cm以内，在该范围内选择柱锤冲扩挤密碎石桩复合地基处理方案。处理范围为K9+355.53～K9+410，处理长度54.5m，处理平均宽度62m。

2.2   相关参数确定

桩体按梅花形满堂红布置，间距1.2m×1.2m，置换率17.56％。桩截面形状为圆形，施工直径550mm，桩顶铺设300mm厚砂石辱垫层，辱垫层上铺设500mm厚加筋二灰垫层。桩身材料为不大于10cm的级配碎石，桩长7.50m，辱垫层采用级配砂石，采用压路机压实。总桩数为2532根加筋二灰垫层中，二灰稳定砂砾压实度要求≥95％，７天无侧限抗压强度≥0.5MPa，中间铺设双向土工格栅，网格尺寸为39mm×39mm，横、纵向产生5％应变拉伸力应≥14kN/m。

委托第三方进行单桩复合地基静载试验，单桩静载试验桩数量为总桩数的0.5％，静载试验点为17点，试验在成桩14天后进行。

3   冲扩挤密碎石桩工艺原理及特点

3.1   工艺原理

冲扩挤密碎石桩是利用重锤冲击成孔，使桩端及桩身周围土得到第一次挤密。成孔至设计设计标高后在孔中分层填入碎石，提升重锤到一定高度，令其自由落体，夯击碎石到松散的软土地基，使桩端及周围的土体得到第二次挤密。依次填入碎石，夯击碎石，通过控制填料夯击后的贯入度，掌握桩周土体的密实度。在相同能量夯击下控制相同的贯入变形，利用此方法有效挤密加固桩周围及桩底土层，使松散的土壤更加密实，减少地基土的压缩变形，有效提高地基土的承载力和压缩模量。成孔夯孔原理如图1所示。

3.2   工艺特点

柱锤冲扩挤密碎石桩复合地基施工工艺，施工风险小，加固效果好，是一种成熟的地基处理措施。其工艺设计、施工、检测都有据可依，各种施工参数有规范可循，技术性较强。该工艺对桩间土有明显的挤密作用，并且工艺造价经济，取材容易，便于施工，受季节影响小[2]。

4   施工工艺流程

夯扩挤密碎石桩施工工艺流程如图2所示，具体如下：施工准备→放桩位线→冲扩桩机就位→成孔→填料夯击密实→成桩→静载试验→级配砂石辱垫层→加筋二灰垫层。

4.1   施工准备

先清除地表生活垃圾至标高24m。考虑到施工效果，为防止因冲扩导致槽底土体隆起，影响冲扩效果，开挖完毕后采用大于18t振动压路机对作业面碾压6～8遍，再进行柱锤冲扩桩施工。按照设计桩位平面布置图进行桩位放线，放线桩位允许偏差小于2cm。放线采用钢卷尺拉线，放线完成后由专人进行复核。期间所用得机械设备见表1。

4.2   夯击成孔

施工前，技术人员再次复核基础轴线、桩位线，然后进行正式施工。根据场地地质条件、周边环境条件，利用W-101型冲扩桩机重锤冲击成孔。夯锤直径为370mm，桩径为550mm。冲扩桩机间支设要保持一定距离，防止在施工过程中互相干扰，保证桩机支设牢固、稳定，在施工过程中不移位[3-4]。

提升柱锤（柱锤重3.5t）至一定高度（锤底落距不得小于5m）让其自动脱钩，使锤自由落体，并与桩保持同一轴线上冲击成孔。查看柱锤上深度标志，确保成孔至设计标高。成孔达到冲扩位置后，由质控人员对孔深、孔径、孔位进行验收。在施工过程中及时填写施工记录表，然后监理进行抽检。夯击成孔如图3所示。

4.3   桩身材料投放

桩身材料为粒径20～50mm的机碎石。材料中含泥量大于5%，并不易含有大于80mm的颗粒。成孔至设计深度时，用小推车或小型装载机运输填料，边填边冲扩，使桩体材料通过冲扩施工达到设计深度。每次填料量0.3m3，使用重锤进行冲扩，直至桩顶设计标高，保证桩径不小于550mm。冲扩过程中不得有污染，且应保证密实性。

填料在柱底3m范围内，采用填一夯三，其余填一夯二。在柱顶3m范围内填一夯三，逐步夯击成桩。填料的充盈系数按1.3考虑，认真填写施工记录。桩机移位，重复以上步骤进行下一根桩施工。为了更好的使锤冲扩桩满足地基承载力，施工从四周向中间展开。

4.4   铺设褥垫层及加筋二灰施工

桩施工完毕后，铺设30cm厚砂石褥垫层，采用级配小于3cm的砂（碎）石，使用平板振捣器振捣密实。压振3～5遍，控制振速，振实后的厚度与虚铺厚度之比应小于0.93。褥垫层上铺设50cm厚加筋二灰垫层，7天无侧限抗压强度需达到0.5MPa。

采用推土机配合平地机分3层摊铺，用重型压路基碾压密实，密实度需≥95％。二灰中间铺设双向土工格栅，格栅尺寸39mm×39mm，横、纵向抗压强度应≥20kN/m，横、纵向2％应变拉伸力应≥7kN/m，横、纵向5％应变拉伸力应≥14kN/m。

5   复合地基静载试验

柱锤冲扩挤密碎石桩施工完成后，对冲扩挤密碎石桩地基处理效果进行检测。本次检测采用平板荷载试验评价复合地基的承载力。压板采用正方形钢板，尺寸为1.2m×1.2m，面积为1.44m2。荷载试验的最大荷载，取设计地基承载力特征值的2.0倍，为432kN。本试验采用慢速维持荷载法，加荷分级按10级考虑，采用堆载提供反力。

根据规范要求，结合场地地基地质情况、施工情况进行现场静载试验。荷载试验曲线为平缓变化曲线，最大荷载时沉降穩定收敛。结合相对变形值法取值s/b≤0.01（s为沉降量，b为承压板边长）进行地基承载力判定。在达到设计要求荷载时，其相对沉降均未达到变形界限，且沉降均匀，据此判定，经过处理后地基的荷载试验满足设计要求，可以按照设计条件使用[5]。

综上所示，K9+355～K9+410范围冲扩挤密碎石桩地基处理后强度符合设计要求，可以按照设计条件使用。建设综合勘察研究院对地基承载力进行检测，地基承载力特征值不小于150kPa，按照有关规范可知，其地基承载力满足设计要求。

6   结束语

应用柱锤冲扩桩技术处理地基，夯击能量高加固深度大，密实性和均匀性都好。由于桩锤重量较小，对夯锤及器具的要求条件低，所产生的公害也小。采用的桩体材料可取建筑无机渣土，使废物得到了充分利用，符合国家倡导的环保理念。此外，在柱锤冲扩桩技术基础上，通过加大夯锤、提高夯击能量、运用水泥等胶性材料发展起来的孔内深层强夯技术，在地基处理深度、处理范围等方面运用也十分广泛。

参考文献

[1] 孙微微.路堤荷载下碎石桩复合地基沉降计算方法研究[D].南京林业大学，2005.

[2] 许芸芸，孙忠强，刘亚昌，等.夯扩挤密碎石桩在沿海高速公路砂土液化地基中的应用[J].铁道建筑，2007（4）：66-67.

[3] 刘建辉.沿海高速公路夯碎石挤密桩处理砂土液化的应用[J].科技经济市场，2007（6）： 36-37.

[4] 张红兵，韩旭，张彩华.浅谈碎石桩复合地基的施工与检测[J].城市道桥与防洪，2009（04）：93-95+15.DOI：10.16799/j.cnki.csdqyfh.2009.04.030.

[5] 李雅婷，毛卉，李森林.强夯碎石桩复合地基承载力的计算方法简析[J].港工技术，2019，56（S1）：138-141.DOI：10.16403/j.cnki.ggjs2019S136.