碎石注浆桩施工技术在高速公路工程施工中的应用

李桂良

（江西省公路桥梁工程有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

软基加固处理一直是高速公路工程建设过程中面临的主要问题。在工程技术快速发展的背景下，出现了很多新颖的软基加固处理技术，碎石注浆桩就是其中一种。该技术属于复合地基加固范畴，能大幅提高地基的强度和承载力。为了使这项技术的应用达到理想成效，有必要结合工程实际情况，分析其施工工艺方法及要点。

1 工程概况

某高速公路K44+807—K44+941 段分布有软土地基，为保证该段地基的稳定性，防止由于地基软弱产生沉降，导致路面施工受到影响或导致已施工完成的路面遭到破坏。根据前期地质勘察报告提出的土体物理力学指标建议值（见表1）、各单元层压缩性与渗透性（见表2），并结合施工机械设备等现场施工条件，最终决定采用碎石注浆桩施工技术进行软基处理。

表1 土体物理力学指标建议值

表2 各单元层压缩性与渗透性

2 作用机理

碎石注浆桩作用机理主要包含以下两个方面：其一，使钻孔内的浆液与砂卵石充分固结形成桩体，以提高地基承载力；其二，注浆时，浆液持续渗入周围土体，起到一定程度的胶结作用，提高桩间土强度，使原状地基土具有更高的承载力[1-2]。

成孔完成后，填入碎石，起到挤压桩周土的作用，使桩周土体颗粒重新分布与排列，通过减小孔隙来提升密度。与此同时，碎石置换软土之后，还能形成完整的碎石桩，继而与桩周土之间形成复合地基，一同承受所有上部荷载。因桩体强度与模数均远大于桩间土，所以当复合地基的顶部存在荷载时，桩身所受荷载将大于桩间土，且桩体能将所受荷载传递至深层土体，进一步减小桩间土所受的荷载。这样的置换作用可以提升复合地基的整体承载能力，避免地基大幅沉降。另外，桩底的浆液能与桩底沉渣充分混合，从根本上消除沉渣可能造成的不利影响，进一步提高复合地基的承载能力[3]。

3 设计计算

对于单桩承载力，其设计值可采用公式（1）计算得出：

式（1）中：Ra表示单桩竖向承载力特征值（单位：kPa）；up表示桩体周长（单位：m）；n表示桩长范围内土体层数；qsi表示桩周第i层土体对应的侧阻力特征值；li表示桩长范围内第i层土体的层厚（单位：m）；qP表示桩端地基土承载力特征值（修正前，单位：kPa），可根据现行设计规范确定；a表示桩端天然地基土承载力的折减系数，一般在0.4～0.6 范围内取值。

此外，以桩体试块抗压强度平均值为依据，采用公式（2）计算得出单桩承载力：

式（2）中：R′a表示单桩承载力（单位：kPa）；AP表示桩体截面积（单位：m2）；3 为安全系数；fcu表示桩体试块在标准条件下，连续养护28d 后的实测抗压强度平均值（试块为立方体，边长为150mm，单位：kPa）。

对于形成的复合地基，其承载力可采用公式（3）计算得出：

式（3）中：fspk表示复合地基承载力特征值（单位：kPa）；m1表示面积置换率；β表示桩间土承载力对应的折减系数，通常参考地区经验选取，若无可参考的经验则可以在0.75～0.95 的范围内取值，如果天然地基有很高的承载力，则宜取大值；fsk表示处理完成后桩间土的承载力特征值（单位：kPa），通常参考地区经验选取，若无可参考的经验可直接采用天然地基对应的承载力特征值。

对于面积置换率，可采用公式（4）计算得出：

式（4）中：A′P表示盖板面积（单位：m2）；As表示单桩控制面积（单位：m2），如果桩体布置为正方形，则，其中，d表示桩间距（单位：m）。

受荷载持续作用后，复合地基加固范围内压缩量可借助桩身压缩量法确定。假设桩底进入下卧层后，使下卧层发生的变形量为Δ，则可采用公式（5）计算确定加固范围压缩量：

式（5）中：S1表示加固范围压缩量（单位：mm）；SP表示桩身压缩量（单位：mm）；Δ 表示桩底进入下卧层后，使下卧层发生的变形量（单位：mm）。若桩侧摩阻力能做到平均分布，则桩身压缩量可采用公式（6）计算得出：

式（6）中：LP表示桩长，即加固区厚度（单位：m）；EP表示桩身材料自身变形模量（单位：kPa）；p表示由竖向增强体桩体承受的荷载（单位：kN/m2）；ξ表示桩周摩阻力分布系数；η表示桩身塑性变形模型系数，主要与桩身材料有关。

4 施工工艺

4.1 施工工艺流程

该工程碎石注浆桩施工需严格按照以下工艺流程进行：桩位测量放样—护筒埋设—钻机就位—钻进成孔—一次清孔与泥浆制作—下导向管—下注浆管—碎石投放—洗孔—压力注浆—结束至下一孔。

4.2 施工工艺方法

碎石注浆桩施工工艺主要分四个部分，即钻进成孔、投入石料、注入浆液和形成桩体。

首先，成孔采用钻机进行，通过钻进形成桩孔后，依次下入导向管（用于投石）、注浆管与洗孔管[4]。

其次，借助洗孔管向钻孔内持续注入清水洗孔。向钻孔内投入预先备好的石料，石料经料斗和导向管进入钻孔，直到孔口标高。在投入石料的同时做好洗孔，避免在石料投入过程中与孔壁之间发生碰撞导致塌孔。必要时，可以在孔底注入清水，以冲出已经塌落的土体。待石料填满整个钻孔需继续洗孔，待孔口处流出的浆液的比重满足相关要求方可停止洗孔。利用注浆管向钻孔内注入预先配制完成的水泥砂浆[5]。

最后，在注浆过程中，要注意压浆的同时均匀拔管。拔管间隔距离按照0.5m 控制，保证注浆的连续性。待孔口处的翻浆比重不低于注入浆液的95%方可一次拔管。在大规模注浆开始前，应先通过试验注浆确定各项关键参数，包括浆液水灰比与注浆压力。因注浆管注浆时会发生振动，容易导致在孔口处下料产生下沉，为保证最终的注浆质量，在注浆时要根据实际情况随时补料。若注浆完成后，发现桩顶部的浆液发生下沉，则要做好回灌处理[6]。

4.3 施工注意事项

在现场施工操作中要注意以下事项：

第一，下放注浆管之前，需将管道中的杂物清理干净，避免堵塞，使注浆管端头与孔底相距15～30cm。

第二，注浆开始前，认真检查注浆泵与灰浆搅拌机等机械设备，确保其状态良好。若发现异常情况应立即处理，以免影响后续施工。

第三，为保证浆液的性能与质量，在投料过程中，必须严格计量，以有效控制水灰比。若水泥受潮或发生变质，则禁止在施工中使用。

第四，注浆过程必须保持连续。若因故中断，必须立即处理，尽快恢复正常注浆，以免影响注浆质量。

第五，在注浆过程中，对注浆压力、注浆量和时间等参数做好记录，并对出现的所有异常情况进行记录，及时发现并处理潜在问题[7]。比如，注浆时发现浆液注入率较低，可通过适当增加注浆压力的方式解决；注浆时发现浆液注入率很高但注浆压力较低，可通过适当降低浆液水灰比来解决。

第六，在注浆过程中，应严格控制注浆压力与注浆量，还要做好屏浆，以免发生回浆现象。

第七，注浆结束后，及时将桩头表面的余浆凿除，并严格按照设计要求浇筑强度等级与砂浆相符的混凝土。

第八，注浆开始前，需通过计算，确定各桩的注浆数量，为现场注浆施工提供指导。通常，单桩实际注浆量不能少于桩体积的1/2，注浆数量的计算如式（7）所示：

式（7）中：Q表示注浆总量（单位：m3）；D表示桩径（单位：m）；h表示桩长（单位：m）；n表示石料孔隙率，在0.45～0.50 的范围内取值；K表示砂浆自身充盈与损耗系数，在没有特殊要求的情况下取1.25[8]。

第九，在施工过程中，应重视并做好废弃物回收及处理，以免对附近水域与农田造成污染。

5 质量检测

碎石注浆桩是典型的地下隐蔽工程。所有材料进场前，要对其合格证明、验收凭证以及抽检资料进行检查，未经检查或检查发现资料不齐全的，一律禁止入场。在现场施工中，需对包含桩距、垂直度、桩体外径、桩长、砂浆强度、混凝土强度、单桩承载力、桩身完整性在内的指标进行严格检测和记录[9]。

第一，桩距。采用钢尺测量的方法，按总量5%进行检测，要求偏差不超过±50mm。第二，垂直度。采用吊线测量的方法，按总量5%进行检测，要求偏差不超过1%。第三，桩体外径。采用钢尺测量的方法，按总量20%进行检测，要求不小于设计值。第四，桩长。采用钢尺测量的方法，按总量20%进行检测，要求不小于设计值。第五，砂浆强度。采用试块的方法，按每3～6 根桩制作1 组试块进行检测，要求不小于设计值。第六，混凝土强度。采用试块的方法，按每3～6根桩制作1 组试块进行检测，要求不小于设计值。第七，单桩承载力。采用静载试验的方法，按总量5%进行检测，要求不小于设计值。第八，桩身完整性。采用小应变的方法，按总量20%进行检测，要求不能存在明显缺陷。

6 结语

综上所述，碎石注浆桩施工技术凭借施工简单、效果显著等优势，在当前的高速公路工程软基加固处理施工中得到了越来越广泛的应用。文章结合高速公路软基段的实际情况，对在软基加固处理过程中，碎石注浆桩技术的实际应用进行初步分析与总结，提出包含作用机理、设计计算、施工工艺流程、方法及要点等，以期为高速公路软基段加固处理施工提供技术参考。