碎石桩快速加固超软弱地基试验研究

1、前言

　　振冲碎石桩作为复合地基的一种，在快速提高地基稳定性方面，有着很大的优势。该技术在80年代末被引进到珠江三角洲地区以来，先后成功加固了番禺莲花山码头、新会天马港、荷塘码头、珠江电厂等多个工程。并在国内首次成功地进行了现场直剪试验，初步取得了碎石桩及复合地基的抗剪指标。这些工程的地基强度大都在10KPa左右，最低的仅5~8KPa。虽然振冲碎石桩技术取得了大量成功加固经验，国内外也开展了不少科学研究。但是对振冲碎石桩法，仍然缺乏足够权威的理论、计算公式、参数指标、检验手段供设计、施工采用。通过西江下游航道整治横坑段工程，对振冲碎石桩的机理、适用范围、参数指标、检验手段等多个方面的问题进行研究。

　　2、工程概况

　　试验前对西江下游航道整治工程横坑碎石桩试验区进行了补充勘察。在试验区内布置了钻探孔两个，静力触探及十字板剪切原位测试各四孔。

　　根据钻探资料，场区岩土层自上而下分布为：

　　①、素填土（Qml）：棕褐、土褐色，主要由山坡土堆填组成，顶部混有少量花岗岩碎石、湿，稍压实状，厚0.80-0.90m。

　　②、淤泥质粉质粘土：（Qal）：深灰、灰黑色，粘粒为主，含少量粉砂和腐殖物，局部夹薄层粉砂和粉质粘土，很湿-饱和，软塑-流塑，厚11.10-12.20m。天然含水量W0均值为45.2%，孔隙比e均值为1.3，内聚力c均值为8.5kPa，内摩擦角φ均值为7.6o，该层土为碎石桩处理的主要对象。

　　③、粘土（Qal）：颜色杂，一般上部呈棕褐色、黄褐色，中部为杂色斑状，下部灰白混黄褐色，粘粒为主，不含或含微量粉砂，湿，可塑，局部硬塑和软塑，厚6.00-8.20m。天然含水量W0均值为28.3%，孔隙比e均值为0.9，内聚力c均值为36.5kPa，内摩擦角φ均值为10.2o。

　　④、粉质粘土（Qal）：棕红色混黄褐、灰白色条纹，为粉砂质泥岩风化残积土，粘粒为主，含10-20%石英质粉砂，粘塑性一般，局部较好，湿-稍湿，可塑-硬塑，钻孔揭露厚度2.30-11.80m。天然含水量W0均值为35.1%，孔隙比e均值为1.0，内聚力c均值为27.5kPa，内摩擦角φ均值为25.8o。

　　根据室内土工试验及标贯、静力触探、十字板剪切原位测试资料统计，各主要岩土层物理力学指标如表1。　　表1岩土主要物理力学性质及承载力统计表

　　　　3、碎石桩设计

　　近年来随着振冲加固技术的发展，也逐渐应用到抗剪强度小于20kPa的软粘土地基中，并取得了一定的成功经验。但其加固机理及设计、施工参数尚需进一步验证。表1所示本次试验区内的软土层平均十字板抗剪强度仅13.6kPa，属于软弱粘土。在这种地基上施工碎石桩，桩体必须有一定的密实度，只有桩径扩充到一定程度后才能达到水平激振力与桩周土反力的平衡，满足密实度要求。根据以往处理这种软土的经验，确定本次试验的桩径为1.0m。设计采用桩间距为2.0m，正三角形布置，相应的置换率仅为22.7%，桩土之间的共同作用相对较小。因此本试验方案增加了一组间距为1.5m的桩，以进一步为设计提供参考指标。根据地质条件，碎石桩应穿过软土层并进入粘土层50cm。因此设计桩长13~15米，实际施工时可根据成孔电流值来判断。

　　4、碎石桩施工质量控制

　　4.1原料控制

　　采用大粒径碎石，整体性强，可以更好地传递振动应力和荷载应力。桩体粒径大小直接影响加固体的力学效应，根据以往经验，填料粒径质量评判指标可由下式计算：

　　f=1.7√3/（D50）2+1/（D20）2+7/（D10）2

　　式中D50、D20和D10分别为筛分通过的百分数50、20和10的骨料粒径，f为质量评判指标。当f=0~10时为优质，f=20~30时为一般，f>50时不宜采用。通过计算，本次试验所采用的碎石粒径的平均值（d50）约为8.5cm，不均匀系数Cu=2.5,f值介于0.5~0.85之间。此外，所使用的碎石风化程度不能超过弱风化，含泥量不能超过10%。

　　4.2施工机械的选用

　　考虑到试验区的地质特点，试验采用了最常用的ZQC-30型振冲器。

　　4.3施工流程

　　大粒径碎石桩的施工流程如下：

　　振动器就位对成孔清孔加料振动振动上拔继续填料、振动上拔成桩移位至下一个桩位。

　　4.4施工质量控制参数

　　碎石桩的施工质量主要通过以下四个参数来控制：水压和水量、密实电流、留振时间和灌料量。通过碎石桩工艺试桩，对振冲器型号、碎石粒径与级配、水压及水量、工作电压、每次提升高度、密实电流、留振时间、填料量和充盈系数等施工参数作出评价，为后期试验桩和工程桩的施工提供指导性施工参数。为保证施工参数的准确可行，我们在施工之前进行了碎石桩施工工艺试验，并经过试验确定碎石桩施工参数如下：a、碎石粒径以φ5~10cm为主，大于φ5cm占50%以上；b、水压:550-600Kpa，水量：20-30m3/h；c、造孔速度：1-2m/min；d、清孔次数：2-3次；e、每次填料量：0.5-0.7m3；f、每次提升高度：0.5m左右；g、留振时间：10-20s；h、密实电流：45-55A；i、充盈系数：大于1.6；j、工作电压：380±10V。

　　5、碎石桩质量检测

　　碎石桩复合地基属于地下隐蔽工程，质量检验较为困难，交通部《港口工程地基规范》规定可采用载荷试验、动力触探等方法进行检验。鉴于本工程的重要性，本次试验采用了外观检测、重（Ⅱ）型动力触探、现场直剪试验、载荷试验、地质雷达试验等多种手段对碎石桩及复合地基进行了检测，检测结果分别如下：

　　5.1外观（桩径）检测

　　本次试验共施工碎桩82根，对其中的15根桩进行了桩径检测，检测结果表明碎石桩的平均桩径均在1.0m以上，桩的圆度较好，平均成桩直径约1.1m。

　　5.2碎石单桩重（II）型动力触探测试

　　为了检测碎石桩桩体密实度，本试验对27根桩进行了重（II）型动力触探测试，试验操作严格按规范的要求进行，触探后对数据进行统计，数据统计见表2。典型动探曲线见图1。从表中可看出，在所检测的27根桩中，N63.5>10击共18根，占总数的67%，7公路科研所的推荐值n63.5>7击的碎石桩可以评定为密实，本次试验所施工的碎石桩全部为密实等级，施工质量是良好的。　　碎石桩密实统计成果表表2

　　　　5.3静载荷试验

　　为了检验碎石桩对软土地基的处理效果，了解单桩及复合地基相关的强度和变形指标，本试验对天然地基、φ1.0m单桩、φ1.5m复合地基和φ2.0m复合地基进行了现场静载荷试验，静载Q-S曲线具体详见图2。　　

　　图1碎石桩典型动探曲线图图2载试验Q～S曲线　　试验成果见图4。从φ1.5m复合地基的应力与应变曲线上看，当P加到495KN时沉降明显增大，曲线出现第二拐点，所以取其前一级荷载440KN作为其极限荷载，取s/b=0.007对应的荷载为其容许荷载，得其容许荷载为250KN，则φ1500mm复合地基容许承载力为142kPa，其对应的变形模量E为15060kPa。从φ2.0m复合地基的应力—应变及应变—时间变化曲线上看，当荷载加到605KN时，沉降量显著增大，这种趋势在Lgt—S曲线上表现更为明显，表明此时地基已经破坏，取破坏时的前一级荷载为其极限荷载，P=550kN，安全系数取2.0，得φ2.0m复合地基的容许承载力为87.54kPa，其对应的变形模量E为13290kPa。　　5.4大型直剪试验　　复合地基的抗剪强度性质（C，φ）是整个工程设计的重要参数指标，为了检测经过碎石桩处理后复合地基的抗剪强度，为设计单位在进行堤坝抗滑稳定性分析时提供准确的抗剪强度指标，我们在试验区对φ1000mm单桩、φ1500mm复合地基以及φ2000mm复合地基进行了现场大型直剪试验。本次试验碎石桩单桩、1.5m复合地基和2.0m复合地基的剪切试验成果如表3所示。　　直剪试验成果成果表表3

　　　　根据以上参数继续完善设计，在以后的施工过程中岸坡均处于稳定状态。至目前为止，该工程已投入运行10年多，运行状况良好，由此证明大粒径碎石桩可作为快速提高地基稳定性的一种有效手段。

　　5.5地质雷达

　　为对整个碎石桩区的处理情况有一个详细了解，本次试验试图引进地质雷达这一无损伤、低成本的先进的物探方法检测碎石桩区的成桩情况。图3是编号为碎2号、碎3号、碎4号桩的剖面图。

　　碎2号平均桩径0.9m，最大深度12.5m，0~10.5m桩身密实，10.5~12.5碎石量不足；碎3号桩平均桩径0.95m，最大深度12.0m，桩身规则质量比较好；碎4号桩平均桩径1.05m，最大深度12.5m，5.5m~12.5m处桩身倾斜。可见利用处理后的地质雷达图像可以清楚的解释出碎石桩的形态，应用地质雷达检测碎石桩是一种很好的手段。　　

　　图3SS-2线地质雷达剖面及解释结果图

　　6、结论

　　通过工艺试桩及载荷试验、现场大型直剪试验验证大粒径碎石桩的加固效果，综合分析可以得出抗剪强度为8~15kPa超软弱地基上施工大粒径碎石桩的施工质量控制参数、设计参数，质量检测标准如下：

　　6.1碎石桩施工质量控制参数：

　　a、振动器型号ZCQ-30；b、碎石粒径以φ5-10cm为主，大于φ5cm占50%以上；c、水压:550-600Kpa，水量：20-30m3/h；d、造孔速度：1-2m/min；e、洗孔次数：2-3次；f、每次填料量：不大于0.5m3；g、每次提升高度：0.3-0.5m；h、留振时间：10-20s；j、密实电流：不小于45A；k、充盈系数：大于1.6；l、工作电压：380±10V，上述碎石桩施工参数不应孤立理解，应综合考虑。

　　6.2碎石桩设计参数：

　　承载力设计参数如下：φ1000mm径碎石桩单桩容许承载力为180kN；φ1500mm复合地基容许承载力为140kPa；φ2000mm复合地基容许承载力为90kPa。

　　抗剪强度设计参数：φ1000mm径碎石桩单桩抗剪强度：C=25~30kPa，φ=36~42o；φ1500mm复合地基抗剪强度：C=8~10kPa，φ=30~35o；φ2000mm复合地基抗剪强度：C=6~8kPa，φ=16~25o。

　　6.3大粒径碎石桩桩身质量检测标准：

　　由于横坑碎石桩软基处理主要是依靠碎石桩来提高复合地基的抗剪能力，防止堤坝在河道开挖时出现滑坡，所以现场大型直接剪切试验是检验横坑碎石桩质量的最有效手段，但由于现场大型直接剪切试验费用高、周期长，对上部桩体是一种破坏性检测，因此大规模用于工程碎石桩的检测有很大困难。在通常情况下，可采用以下相对简便的方法对桩身质量进行检测。

　　①、重（Ⅱ）型动力触探：在不偏孔的前提下检测深度应不小于总桩长的1/2，检测深度内碎石N63.5平均击数应不小于7击，最小击数不小5击。

　　②、单桩及复合地基的静载荷试验：单桩及复合地基的承载力应不小于设计。

　　③、地质雷达检测：检测碎石桩的桩径、桩长、成桩情况是否符合设计要求。