市政道路振动沉孔碎石桩软基处理施工工法

1、市政道路振动沉孔碎石桩软基处理施工工法中铁十四局集团第四工程有限公司二0一八年十二月市政道路振动沉孔碎石桩软基处理施工工法中铁十四局集团第四工程有限公司刘春亭 张传儒 左松林 苗龙1 前言近年来在市政道施工中，振动沉孔碎石桩加固软体地基适用性广，尤其适用于组成性质不同的多层软弱地基。软土地基经振冲处理后可加快固结，减少沉降，提高强度指标、抗震性能。振动沉孔碎石桩施工速度快，质量容易控制，是一种有效、简便、经济的地基加固方法。振冲碎石桩加固松软土地基，形成复合地基，以提高其承载力、增强稳定性、减少沉降量，同时还显著地增强其抗震性能。本工程 K0+080-K1+540 为下穿隧道范围，地层体系主要

2、为淤泥质黏土、细砂。该段处于鱼塘区域，底部多含有淤泥，淤泥厚度0.00-3.0m,天然含水量较大，地基土容许承载力较低。对于桩号 K1+320K1+450段下穿通道两侧路基段的软土下卧层，该软弱层不能满足上部荷载和变形要求，为降低后期下穿通道两侧路基不均匀沉降对下穿结构产生影响，采用振动沉孔碎石桩深层处理。该地段软弱土层的特性易引起路基沉降失稳、行车安全，存在严重的安全隐患。中铁十四局集团四公司针对临空经济区的软弱土质特点进行了技术攻关，对 “振动沉孔碎石桩软基处理技术研究”科技立项研究，该施工方法在实践中得到了广泛应用，取到了良好地效果。在进一步完善总结该项技术的基础上形成了“振动沉孔碎石桩

3、软基处理施工工法”。2 工法特点2.1 对可液化砂土、粉土的加固机理提高地基土承载力,减少变形和增强抗液化性，在成桩过程中桩管对周围砂土、粉土层产生很大的横向挤压力,桩管体积的土挤向桩管周围的土层,使桩管周围的土层孔隙减小、密实度增大。可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高,防止砂土、粉土产生液化,加快地基的排水固结。振锤的强烈振动使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预振效果,增强了砂土、粉土抗液化能力。2.2 对粘性土的加固机理减少地基沉降量、提振动沉孔碎石桩加固粘性土地基的主要目的是提高地基土承载力、高土体的抗剪强度、增大土坡的抗滑稳定性。对粘性土地基,由于土的粘粒含量多,粘粒间结合力强,

4、渗透性低,在振动力或挤压力的作用下土中水不易排走,因此碎石挤密桩的作用不是地基挤密,而是置换。振动沉孔碎石桩在粘土中形成一个良好的排水通道,起到了排水砂井的作用,且缩短了孔隙水的水平渗透。对于浅层软土层,碎石挤密桩可贯穿整个软土层至相对硬层 , 此时桩体在荷载作用下主要起应力集中作用,使地基承载力提高、压缩性减小。2.3 确定试验技术参数在有代表性的地段进行试桩施工，试桩范围不小于 7X 7m,按纵向5根桩，横向5根桩，桩间距按设计要求进行试桩。通过试桩明确施工顺序、施工方法，计算出所需配备的机具设备，及所需材料用量，排出施工进度计划和绘出施工平面布置图。2.4 检测采用动力触探对地基土质量进

5、行检测，并对复合地基进行静载试验。对桩体部份，应选取总桩数的3 5在桩体中心进行动力触探检测，并根据动力触探试验结果，选择不少于总桩数的0 5，且每个单体工程不少于3 点进行单桩复合地基载荷试验。3 适用范围1、适用于可液化砂土、粉土、粘性土及淤泥地质，尤其是可加快固结，减少沉降，提高强度指标。2、本工法以振冲挤密、排水固结、预先振动为主，以提高软基强度。4 工艺原理振动沉孔碎石桩是在软弱地基中形成桩孔，再向桩孔内逐段填入碎石，并利用振冲器产生水平向振动力振挤填料及周围土体，并逐段振密在地基中形成一根密实的桩柱体，和原地基土形成复合地基，并通过桩体与桩周土相互作用共同承担上部荷载，从而达到提高

6、地基承载力，减少沉降量，提高抗震液化能力。本工法结合地质情况，根据土层的分布特征、桩的直径、面积置换率、桩间距对单桩承载力、复合地基承载力及地基总沉降进行验算。5 工艺流程及操作要点岩溶地段的注浆加固处理贯彻“先探后灌，探灌结合”的原则，先进行钻孔作为先导勘察孔， 探明岩溶发育、分布情况，再进行相应处理。根据勘察和施工揭示的地质特性调整注浆范围，参数和工艺。注浆整治分序动态实施，平面布置如图5-1 所示，工艺流程如图5-2所示。5.1 施工准备1、振冲碎石桩施工前先进行场地平整，场地平整标高为根据地形 图拟定的标高，施工时根据"宁填勿挖"的原则进行整平。挖除地表坚 硬物体，

7、使振冲器能顺利下钻。2、布置场内运输道路、道路两边的排水盲沟、纵向排水沟、料场、准备好照明设施以便夜间施工。3、场地清理与掘除：在现场确定清理、掘除、拆除的范围后，按 施工规范和设计要求进行清理4、 测量放样及布桩:测量放线，恢复中线，放出路段边线桩，清理平整施工段地基表面，测量地面整平后的标高，做好排水系统，保证排水通道的畅通；根据图纸要求的布桩原则进行布桩，并绘制测量放线图，交与监理及项目部复核后，方进行测量放样，每个桩位均作标志，编制桩号。5、 进行施工技术交底。在施工的各项准备工作完成后，施工前由技术负责人根据设计要求向全体施工人员进行技术交底。5.2 清表用装载机和自卸车配合推土机将

8、路基范围内所有植被和杂物清除，并挖除地表种植土、腐植土和树根等杂物，平整施工场地，用路基填料进行找平，以便机械行驶和材料堆放，场地周围开挖排水沟，做好排水措施。5.3 放线放线定位严格遵守工程测量规范中有关碎石桩施工的规定。施工过程中，要尤其注意由于破坏标识而引起桩位不准，并应随时复核，对因挤土作用引起的桩位偏差，应及时调整。5.4 桩机就位将套管向下垂直，使套管中心对准桩位标记，利用锤重及沉管自重徐徐静压1-2m 后开动振动锤振动下沉。调整桩机搭架，使沉管与地面基本垂直，校正套管垂直度应W1%；校正套管长度及投料口位置，使之符合设计桩长。5.5 成孔及填料振冲启动振动锤，将套管缓慢下沉，直至

9、设计深度，每下沉2m 留振 10-20 秒。随着套管下沉的过程，将碎石料注入桩管内，当套管下至设计深度时留振30 秒，然后稍微提升套管做好现场施工记录，严格使桩尖打开。碎石料灌入量按桩身理论方案量值与充盈系数计算。控制每根桩的碎石充盈系数。管内灌入碎石高度需大于1/3管长，方可开始拔管，应有专人负责碎石灌入量，以防超灌或少灌。每提升 1m导管应反插30cm ,并应留振10 20秒,如此反复直至全管拔出，拔管速度控制在0.8-1.2m/min ,每次填料厚度不宜大于 50cm。5.8 检测O5.9 劳动力组织（表5.9）5.9劳动组织序号类别与工种人数备注序号类别与工种人数备注1队长1主管生产7

10、工班长3现场把控2技术负责1主管技术8设备操作人员30负责钻机操作3技术员1现场技术9压浆人员9负责压浆4安全员1现场安全10辅助工人4配合现场施工5质检员1质量把关11电工1电力设施的搭建6测量员1测量126材料、机具设备分段施工，每工段长度 200m左右，其设备、材料配置如下表（表中钻机、制浆泵、高压压浆机、发电机设备及相应人员为一个施工单元的数量）采用的机具设备见表6-1。表6-1 主要机械设备表序号设备名称规格数量备注1打桩机DZ 75 型4台2铲车304台3水准仪DZS3-11台4全站仪DTM-102N1台7质量控制2.1 承载力验算 12；P、(1)单桩承载力 fplk : fp

11、ik =6cu tan (45 + )K2式中，K为安全系数，一般取K= 2.0;。p为碎石桩的内摩擦角，据统计(f)p=35 ”45工计算时可取其平均值 4 p=38。； cu为碎石桩加固范围内桩间土的不排水抗剪强度，对于多层土， 按厚度加权平均值求出 Cu=29.29kpa 。 代入公式得： fpik = 1* 6* 29.29tan2(45 = +结)=369.38kpa 。22(2)复合地基承载力 fsp1k : fsp1k=mfp1k + %(1 _m) fs1k , f1k 一桩间土天然地基承载力标准值，kPa,可近似取用处理前地基土的承载力标准值。对多层土取加权平均值 fs1k=

12、60.59kpa 。九一桩间土承载力发挥系数，与桩、土的强度以及桩的破坏形式等有关， 对于碎石桩复合地基，可取 九=1.0。代入上式得：fsp1k = 0.19* 369.38 +1.0* (1 -0.19)* 60.59 =119.26kpa。(3)作用于地基上的荷载 P:路堤实际高度 HD=4.0 m,加上汽车荷载近似换算高度 1.0 m)取路堤填土重度为 20kN/m3,则路堤作用于地基上的实际荷载为 p=100kPa。所以，p< fsp,k ,满足要求。2.2 沉降验算依据公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ 017-96) »规定，采用综合抗剪强度指标按毕肖普法

13、计算cc =cs(1 -m) -mcptan c = tan s(1 -m) mtan p加固区土体未加固时平均粘聚力cu =29.29 kPa,平均摩擦角 Q =0;桩体的粘聚力cp=0, 4 p=38?。由上式可计算得：csp=23.72kPa , tan()sp=0.15利用优化计算方法，按简化毕肖普法计算路堤边坡稳定性安全系数值为1.84 ,大于规范要求的1.4 ,满足纵二路下穿隧道软基处理的设计要求。8质量控制1、检查施工应具备的资料：建筑物场地工程地质资料和必要的水文地质资料，施工图 纸及图纸会审纪要；2、对场地进行平整，检查建筑场地和邻近区域的地下管线(管道、电缆)，地下构筑物，

14、旧建筑原先的基础情况等3、施工单位建立和健全质量保证体系。4、明确施工顺序、施工方法，计算出所需配备的机具设备，及所需材料用量，排出施工进度计划和绘出施工平面布置图。施工方案应报监理单位审批。5、检查碎石是否能保证充足的供应。6、检查施工机械是否符合设计和施工要求，并进行检修调试。7、 严格控制碎石质量：碎石桩碎石填料应采用未风化、抗浸蚀的干净砾石或轧制碎石，粒径2050mm,含泥量不得大于 5%,内摩擦角不小于 38°。8、成孔中应注意的问题：成孔是振冲碎石桩施工的重要工序之一，易出现的问题主要有两方面，一是在软塑和流塑粘土层，易产生缩径现象，造成填料不畅，石料蓬孔，卡钻现象， 最

15、严重的是流塑状粘土层中石料与软土混合而形成的混合体，振冲器振密时很难形成密实桩体；二是在硬塑粘土层中成孔时受振冲器直径的限制，形成的桩孔较小，达不到设计要求。软粘土中成孔在软粘土中成孔可采取以下措施处理：a.加大成孔水压，一般可采用0.50.7Mpa水压，必要时可采用 0.81.0Mpa水压，使土体得到充分冲击；b.严格控制振冲器的下放速度，控制成孔电流，一般软粘土层中成孔速度可控制在0.5米 /分钟以内，充分将土体置换，防止速度过快，形成小直径孔；c.在粘土层部位成孔要反复提拉几次，以扩大桩径；d.在成孔完成后要进行整孔清孔，一般 23次即可，当孔内的稠浆已置换成稀浆时可 停止清孔。硬粘土层

16、中成孔在硬层中成孔时每成孔0.5 米，提起振冲器，调整振冲器方向，使侧翼在不同的方向上破孔，增大成孔直径。砂性土中成孔由于砂性土的粘聚力较小，可使用较小水压，根据砂土的密实度调整水压，一般砂土地层中成孔水压为 0.20.5Mpa,同时可适当加快成孔速度，一般控制在12m/mim。9、施工前应选择7-9 根桩进行试成桩试验，并确定施工中的控制参数。10、移动桩机，把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垂直度，防止成孔倾斜，桩管垂直度偏差不应大于同时测地面高程，以便控制成孔深度。1%，11、启动振动机，将桩管下到预定

17、的深度沉管深度应达到设计要求，如沉管无法达到设计深度或其它特殊情况时，施工单位应报监理方、建设单位同意后方可投料拔管，必要时通知设计单位处理。12、向桩管内投入规定数量的碎石根据施工试验的经验，为提高施工效率，装碎石也可在桩管下到便于装料的位置进行。13、把桩管提升到一定高度，（下料顺利时不超过1-2 米），提升时桩尖自动打开，桩管内的碎石流入孔内。14、降落桩管，利用振动及桩尖的挤压作用使碎石密实。在软粘土中，桩管在打到规定深度后投入石料，应复打2-3 次。若不采取这个措施，因桩管拉拔时，底部的软粘土没有经过挤密又重新回复，形成缩颈和断桩，同时，底部软粘土受到振动后会往下塌沉，而采取复打后，

18、可以使底部更密实。15、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。如拔管速度太快，容易形成断桩、缩颈现象，拔管速度太慢，则所需消耗的碎石量增加，成本增加。拔管方式也可分一次拔管法和逐步拔管法。a.一次拔管法边振动边匀速拔出桩管到地面，拔管速度根据现场试验确定，一般拔管速度为1.0-1.5 米/分钟。b.逐步拔管法边振动边拔动桩管，每拔起一定长度，应停拔振动若干秒，反复进行直至桩管拔出地面。具体的参数应根据现场试验确定。控制填料量则是保证桩直径，填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数确定，充盈系数一般取1.2-1.4

19、。如施工中地面有下沉或隆起现象，则填料量应根据现场具体情况予以增减。当实际灌料量未达到设计要求时，可在原位再沉下桩管，并灌碎石复打一次。拔管速度和填料量二者是相互联系的，在一定的填料量的情况下，需要控制好拔管速度，才能使碎石挤振开，而在一定的拔管速度下，也要求有足够的碎石量保证桩的成形。16、严格控制桩长：通过试桩确定设计桩长能否满足承载力要求，在施工中，应按照试桩结果确定的桩长进行施工。桩管贯入深度即为桩长，应在装机机身和桩管上做好贯入到位的标记。17、 填料量、 振密段长度、密实电流、留振时间是制桩四要素，填料量是必须保证项目，其大小与形成的桩体直径有关，而与桩体密实度无关。而控制桩体密实

20、度的关键指标是密实电流、留振时间和振密段长度。在砂性土和硬粘土中，振密段长度可控制在3040cm,密实电流的增大，留振时间的加长，可增大桩体密实度。而在软土层中，要将密实电流和留振时间控制在一定范围内（由现场试验确定），采取以下方法处理可增加桩体密实度。1 在软土层中，减小振密段长度是增加桩体密实度的最有效方法，一般可控制在1525cm。适当增加反插，使瞬间电流值很高（不能超过振冲器的额定电流），达到增加桩体密实度的目的。制桩到软土层后一次填料到孔口，一方面增加石料的压力，另一方面防止孔壁土层向下掉土块。9 安全措施1、建立强有力的安全保证体系，项目部设安质部，各级生产机构配齐专职安全员，实行

21、岗位责任制，逐级签订安全责任状。2、所有施工作业人员必须经过专门培训、考核，了解操作规程，懂得施工中应注意的安全事项，并经体检合格后才能上岗。3、组装和拆迁机具、登高作业必须戴好安全帽，系上安全带，并有统一指挥，进入施工场地严禁穿拖鞋。4、现场道路平整、坚实、保持畅通，危险地点悬挂安全标志和符合安全规定的标牌，施工现场设置大幅安全标语。施工现场设立安全标志，危险地区必须悬挂“危险”或“禁止通行”、“严禁烟火”等标志，夜间设红灯警示。5、施工现场应配备有齐全的各类电气保护装置，并能有效地防雨、防水。所有电机应处接地状态，接地电阻不大于4Q。雨雪天加强电气安全检查工作，确保电器防水。6、施工操作中

22、严格注意电压、电流等仪表，电流控制在1 0 0A以内，不得长时间超负荷运行。7、机具移车、转向要有专人指挥，专人负责移动电缆及管线安全，严防碰撞、挤压磨伤电器。8、现场操作人员应戴好防尘保护品，以免粉尘粘附皮肤或吸入肺内。所有操作动作要统一讯号，统一指挥，操作要相互协调。10 环水保措施1、成立现场环水保领导小组，配备专职监察员进行定期和不定期的环保大检查。2、为减少施工作业的产生的灰尘，应随时进行洒水或其它控制扬尘措施，使不出现明显的扬尘。3、易于引起灰尘的细料或松散料的材料堆场应予遮盖或适当洒水润湿。运输时应用帆布、盖套或类似遮盖物覆盖。4、设立专职的“环境保洁岗”，负责检查、清除出场车辆

23、上的污泥，做好工地内外的环境保洁工作。5、对施工场地道路进行硬化，经常洒水，防止尘土飞扬，污染环境。6、清理场地的废料和土石方工程的废方时，不得随意倾泻，影响附近排灌系统及农田水利设施。应按规定在适当地点设置弃土场；有条件时，力求少占土地。7、在施工期间，应始终保持工地的良好排水状态，修建一些临时排水渠道，并与永久性排水设施相连接，且不得引起淤积和冲刷。8、施工中应因地制宜地采取有效预防措施，防止施工场所占用的土地或临时使用的土地受到冲刷，防止从本工程施工中土石方材料对河流、水道、 灌溉或排水系统产生淤积或堵塞。9、施工中的临时排水系统应能最大限度地减少水土流失及对水文状态的改变，不得干扰河道、水道或现有灌溉或排水系统的自然流动。10、 施工废水、生活污水不得直接排入农田、耕地、 灌溉渠和水库，不得污染饮用水源。11、 施工机械应经常检查维修防止漏油，禁止机械将在运转中产生的油污水未经处理就直接排放或维修施工机械时油污水直接排放。11 效益分析11.1 经济效益,因振动冲孔碎石桩是冲孔后提出冲本工法在与传统的振动冲孔碎石桩施工方法相比孔器之后,直接向土孔内投碎石;而振动沉管法为