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随着我省高速公路路网建设的完善,高速公路改扩建工程在高速公路建设中的比例不断加大,改扩建过程中高速公路两侧软基处理较多,这些土的强度极低,压缩性较大,抗震性极差。在公路工程建设中经常会遇到类似的软弱土地基,如何对这一类地基进行加固利用,使其既能满足建筑强度和稳定性要求,又能够缩短工期,减少投资,这是地基处治工作中非常重要的环节之一,也是确保工程质量和结构安全的关键所在。
振动沉管碎石桩早期主要用于挤密砂土地基,随着现代研究和实践的深化,特别是高效能的专用施工机具出现后,其使用范围不断得到扩大、推广。近些年来,我省高等级公路应用振动沉管碎石桩处治软弱地质构造等不良地基已越来越广泛,实践证明,其效果显著,方法可靠,不失为一种经济、快捷的软弱地基处治办法。
一、地质条件及工程概况
沈阳绕城改扩建高速公路路面综合第二合同段桩号K21+500~K28+500,路基全长7km,其中振动沉管碎石桩段落为:K25+120~K25+310(朱尔屯互通区)、K25+310~K26+340、K26+340~K26+520(沈北服务区),该施工段落内存在厚度不均的软土,厚度2~10米,地表为3~4米的粉质土硬壳层。软土层主要为粉质粘土层。振动沉管粒料桩设计为:桩长8~14米,桩径0.5米,间距1.5米,工程量共计17889根,总长度177757米。
二、振动沉管碎石桩加固作用原理
由于淤泥质粘土属饱和软土,碎石桩起着置换软土的作用。对于软弱层不太厚的情况,桩端可以直接作用于下部坚硬岩层,此时复合土层中的桩体在荷载作用下会产生应力集中,由于桩体的压缩模量远比软弱土大,故而通过基础传给复合地基的外加压力随着桩、土的等量变形会遂渐集中到桩上去,从而使软土承担的压力相应减少。结果,与原地基相比,复合地基的承载力明显提高,压缩性显著降低。如果软弱层厚度较大,桩体也可不贯穿整个软弱土层,软弱土层只有部分厚度转变为复合土层并起着垫层的作用,将荷载引起的应力向四周横向扩散,使应力分布趋于均匀,从而提高地基整体的承载力,减少沉降量。
在振动沉管过程中,由于振动、挤密、扰动等作用,尽管地基土中会出现较大的附加孔隙水压力,但随着时间的推移,原地基土的结构强度有一定程度的恢复,孔隙水压力遂渐向桩体转移消散,其结果是有效应力增大,颗粒结构重新排列,形成比较稳定的颗粒接触关系,孔隙数量显著减少,土的结构趋于致密,稳定性增强,强度不断增大。
碎石桩在地基中还起到竖向排水通道和提高土基抗滑能力的作用,大大缩短了孔隙水的水平渗透途径,促进了土中孔隙水压力的消散,提高了饱和粘性土排水固结的能力,使沉降稳定加快。
三、设计方案
1、填料
根据沈阳绕城高速公路改扩建工程所处的地理、经济环境,碎石桩使用填料采用2~5cm的碎石,碎石由岩石或砾石轧制而成,应洁净并具有足够的强度,其颗粒形状具有棱角,不得掺有软质石和其它杂质,含泥量不得超过3%。计算碎石挤密系数为1.2-1.3,碎石灌入量按0.271m3/m计算。
2、桩的设置(布置)情况
碎石桩采用振动沉管成孔,直径为φ477mm,成桩直径d为φ500mm,布桩形式采用梅花形布置,且在坡脚外缘外打2―3排碎石桩。桩长H为8-14m,桩间距B为1.5m。
3、表层处治
碎石桩施工完毕,桩头50cm左右为松散状,密实程度较小,应进行碾压使其密实。碎石桩顶铺设50cm厚的碎石垫层,在碎石垫层上铺设两层土工格栅。
四、施工方法及质量控制要求
振动沉管碎石桩采用振动沉桩法进行施工。
1、振动沉桩法施工碎石桩工艺流程
2、操作方法
(1)场地准备:清理平整施工场地,清除高空及地面障碍物。
(2)桩位放样:根据设计要求,用白灰定出成桩的孔位。
(3)施工顺序:碎石桩的施工一般采用“由外向里”顺序,或两侧向中间进行。碎石桩间距较大可以逐排、间隔施打。
(4)振动打桩机就位:桩管中心对准桩位中心,校正桩管垂直度≤1.5%;校正桩管长度并符合设计桩长。并在桩管上定出碎石桩的设计桩长及预留长度。提升桩管离地面50,桩靴闭合。
(5)沉桩:开动振动机把沉管沉入土中,边振动边下沉至设计深度。
(6)上料:沉管上留有一注料口,把加好碎石的料斗吊起插入桩管上的注料口位置,向管内注入一定量的碎石,开始第一次投料,要求投满桩管。
(7)注料提管:将注满碎石的桩管,边振动边缓慢提起,桩管底要低于沉入的碎石顶面。启动管前留振1min后,边开桩机振动锤,边均匀缓慢提升桩管,当起拔3~5 m时再加投剩余的投料,边振动边提升。提升速度控制在1.0m/min,每次拔起桩管0.5m,停拔继振20s并反插,直至将桩管提升到孔口。振密拔管过程中应补充投料。
(8)反插桩管:在注入一定碎石后,将沉管沉入到规定的深度,并加以振动使排出的碎石振密,并使碎石再一次挤压周围的土体,达到地基加固的目的。
(9)投完剩余的投料,在孔口进行反插。
(10)移位,进行下一孔施工。
(11)单位投料量应不小于理论投料量,扩散系数一般按1.15计。启动反插,并及时进行孔口补料至该桩设计碎石用量全部投完为止,孔口加压至前机架抬起,完成一根桩施工。
(12)提升和反插桩管时,速度必须均匀。
(13)将上述工序(7)~(8)重复多次,一直将碎石灌注到规定的高程成为碎石桩。
五、施工注意事项
1、施工过程中应及时挖除桩管带出泥土,孔口泥土不得掉入孔中再次灌入碎石于套管内。振动法施工时,应根据沉管和挤密情况,控制填石量,提升高度和速度,挤压次数和时间,电机的工作电流等,以保证挤密均匀和桩身的连续性,参考密实电流暂定为45~50A,留振时间10~15秒。在施工中应选择适宜的桩尖结构,保证顺利的出料和有效的挤密。
2、碎石桩的施工顺序应从或两侧向中间进行,碎石桩间距较大可以逐排、间隔施打,当临近有结构物时宜先从毗邻构造物的一侧开始施打。灌入碎石的含水率应加以控制,对饱和的土层,碎石可采用饱和状态,对于非饱和土或杂填土或能形成直立孔的土层,含水率应加以控制。桩管应徐徐拔出,拔管速度应控制在1.0~1.5mmin,使碎石借助振动留在桩孔中形成密实的碎石桩。
3、碎石桩桩管反插过程中派专人指挥。
4、施工中应有专人记录各项施工参数。施工完毕,整理测量、施工记录。验证设计参数和施工控制的有关参数作为碎石桩施工的控制指标。在碎石桩试桩并通过检验符合设计要求的基础上方可进行大面积施工。
5、成品保护
(1)施工时碎石不得与泥土等杂物混合造成污染等。
(2)碎石桩施工过程中和施工完后不得有重型车辆通过以免破坏桩头。
六、碎石桩成桩质量检验
1、试验检测
在碎石桩施工完成两周后,采用重Ⅱ型动力触探仪测试碎石桩的密实度和均匀性,抽检频率5%,N≥7次/10cm,连续灌入;桩间土(等边三角形中心土)采用轻型触探仪或土工试验方法测定,单桩承载力、复合地基承载力采用静载试验。具体检测的位置、桩数应选择具有代表性的部分进行。
2、工程量验收、计量
施工完成后,认真核实现场及“碎石桩放样图”,对漏打桩位及对进行补打。根据各工作日“记录”结果进行工程量汇总,并报监理工程师进行签认。
七、碎石桩桩顶处治
1、因碎石桩施工中,振动沉管及机械扰动,桩顶表面50cm左右为松散状,密实程度较低,再加上局部存在因拔管过程中泥土带入表层,污染碎石桩顶面,堵塞排水固积通道等问题。在碎石桩验收完毕应清除桩顶已污染部分,补足干净碎石,并对桩顶原地面进行碾压使其密实。
2、碎石桩检验合格,原地表清除干净,并经填前碾压后即可进行碎石垫层、碎石土、土工格栅等工序的施工。
八、质量控制要点
为有效确保碎石桩施工质量,即桩的连续性,密实度,桩长、桩距等要求,应抓好以下几个方面:
1、原材料方面
粗骨料应采用粒径为2―5cm级配良好的干净(含泥量不大于5%)碎石。
2、施工方面
(1)、严格按试桩提供的参数及成桩步骤控制拔管高度及拔管速度,否则,易出现断桩或缩颈,不能保证桩身连续性;
(2)、严格控制碎石用量、桩长、桩距,确保按照设计要求进行施工。
(3)、加强现场施工管理,派驻有责任心的工程技术人员进行跟班作业。
3、质量检验
严格按照规范要求进行成桩检测及验收,抽检必须具有代表性。
九、监理控制要点及质量通病防控
1、监理控制要点
(3)、审核工程中的碎石桩设计变更和图纸修改情况,及时向碎石桩施工单位传达碎石桩设计变更要求和图纸修改意见,并随时记录在案。
(4)、在下述情况下,监理工程师有权下达停工令:
① 碎石桩施工中出现质量异常情况,如坍孔、灌碎石量不足、留振时间短,斜桩等经提出仍不采取措施者;
② 对已发生质量事故未处理,和未提出有效处理措施而继续作业。
③ 擅自变更碎石桩设计图纸、工艺方法进行施工;
④ 使用不合格的碎石料施工;
⑤ 未经资质审查进入施工现场施工;
(5) 组织定期或不定期的现场会议,及时分析通报碎石桩施工中的质量状况, 并协调有关单位间的业务活动。
2、常见质量通病防控
根据场地工程勘察、设计和工程质量的要求,事先分析施工中可能产生的质量隐患,并与设计、施工、业主等有关方面共商对策,分析原因并采取防治措施。
1、 质量通病之一:缩径,桩孔小于设计口径。
原因分析:提管过快,振动电流小。
防治措施:严格按操作规程施工,上拔速率
2、 质量通病二:坍孔。
原因分析:振动电流大,地层太软;
防治措施:根据地层规律,找出合适的施工用电流。在坍孔部位及时填碎石料,并进行反摇作业,以促进碎石的密实,严重的可采取补桩措施。
3、 质量通病之三:个别点位试验未达到设计承载力。
原因分析:碎石桩不密实,局部地区地层较软,近孔隙水压力未消散。
防治措施:严格施工工序的监理,控制桩的上拔速率;施工前详尽分析岩土工程勘察资料;进行补勘。间隔一段时间进行复试,补桩。
十、加固效果评价及结论
1、通过实践证明,用振动沉管碎石桩处理高速公路软弱地基,具有较好的技术效益:经加固处理的地基土的压缩模量、承载力基本值均显著增长,达到了提高地基承载力、减少地基土沉降量和差异沉降量、加速沉降稳定时间的目的,加固效果甚佳。