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碎石樁施工工法全面解讀
發(fā)布日期:2019-11-21來(lái)源:公路工程

碎石樁(gravel pile),是散體樁的一種,以無(wú)粘結強度的碎石(卵石)為主要材料,用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后,再將碎石(卵石)擠壓入土孔中,形成大直徑的碎石所構成的密實(shí)樁體,由碎石(卵石)樁和樁間土組成的復合地基加固樁。

按其制樁工藝可分為振沖(濕法)碎石樁和干法碎石樁兩大類(lèi)。采用振動(dòng)加水沖的制樁工藝制成的碎石樁稱(chēng)為振沖碎石樁或濕法碎石樁。采用各種無(wú)水沖工藝(如干振、振擠、錘擊等)制成的碎石樁統稱(chēng)為干法碎石樁。當以礫砂、粗砂、中砂、圓礫、角礫、卵石、碎石等為填充料制成的樁稱(chēng)為砂石樁。

圖1  碎石樁施工示意圖1

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圖2  碎石樁施工示意圖2

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振動(dòng)水沖法是1937年由德國凱勒公司設計制造出的具有現代振沖器雛形的機具,用來(lái)擠密砂石地基獲得成功。20世紀60年代初,振沖法開(kāi)始用來(lái)加固粘性土地基,由于用料是碎石,故稱(chēng)為碎石樁。 
我國應用振沖法始于1977年。因振沖碎石樁有泥水污染環(huán)境,在城市和已有建筑物地段的應用受到限制,且有軟化土的作用。于是從20世紀80年代開(kāi)始,各種不同的施工工藝相應產(chǎn)生,如錘擊法、振擠法、干振法、沉管法、振動(dòng)氣沖法、袋裝碎石法、強夯碎石樁置換法等。 

圖3  振動(dòng)沉管碎石樁施工

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圖4  強夯置換碎石樁施工

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圖5  碎石樁1

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圖6  碎石樁2

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碎石樁在軟土地基的應用

所謂軟土地基是指壓縮層主要有淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構成的地基。軟土地基在我國分布十分廣泛,特別是在東南沿海一帶。所以正確處理軟土地基是目前我國公路施工中的重要一環(huán)。
  所謂碎石樁法是指一種在軟弱地基上修筑路堤等構筑物時(shí)所用的加固地基的方法,根據地基加固的目的,可分為碎石排水井法與碎石樁法。碎石樁法在缺少級配良好的砂子地區,已經(jīng)得到普遍應用。加固后的地基土能滿(mǎn)足承載力和變形的要求及抗液化的要求,制成的碎石樁是一個(gè)良好的排水通道,可降低今后該地區發(fā)生地震時(shí)的超孔隙水壓力。因此,碎石樁地基處理方法自引入我國以來(lái),在大量的工業(yè)、民用建筑和水利交通工程地基加固方面迅速推廣,取得了良好的的效果。

振沖法對軟土加固作用

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  所謂振沖法是振動(dòng)水沖法的簡(jiǎn)稱(chēng)。它是以起重機吊起振沖器,啟動(dòng)潛水電機后帶動(dòng)偏心塊,使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng),同時(shí)開(kāi)動(dòng)水泵,使高壓水通過(guò)噴射高壓水流,在邊振邊沖的聯(lián)合作用下,將振沖器沉到土中的預定深度,經(jīng)過(guò)清孔后,就可以從地面向孔中逐漸填入碎石每段填料均在振動(dòng)作用下被振擠密實(shí),達到所要求的密實(shí)度后提升振沖器,如此重復,填料和振密,直至地面,從而在地基中形成一根大直徑的很密實(shí)的樁體。從而達到加固軟基的效果。

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1、 對粘性土的加固機理
  對于粘性土地基(特別是飽和軟土),由于土的粘粒含量多,粒間結合力很強,滲透性低,在振動(dòng)力的作用下土中水不易排走,所以碎石樁的作用不是使地基擠密,而是置換。施工時(shí)通過(guò)振沖器借助其自重,水平振動(dòng)力和高壓水將粘性土變成泥漿水排出孔外形成略大于振沖器直徑的孔,在成孔中灌入碎石料,并在振沖器的側向力作用下,將碎石擠入周?chē)字?,形成具有一定密?shí)度和直徑大的樁體,它與原粘土構成復合地基而共同工作。由于碎石樁的剛度比樁周?chē)承酝恋膭偠却蟮亩?,而地基中應力按材料變形模量進(jìn)行重新分布。因此,大部分荷載將由碎石樁承擔,樁體應力和樁間粘性土應力之比值稱(chēng)為樁土應力比,一般為3~5,雖然沒(méi)有提高粘性土的承載力但整個(gè)地基的承載力得以提高了。
  碎石樁有時(shí)也用來(lái)提高土坡的抗滑能力。這時(shí)樁體的作用象一般阻滑樁那樣是提高土體的抗剪強度,迫使滑動(dòng)面向遠離坡面,向深處轉移。

2、 對砂性土的加固機理
  碎石樁在砂土中主要起擠密作用,主要目的是提高地基土承載力,減少變形和增加抗液化性。碎石樁施工時(shí)使飽和松散的砂土顆粒在強烈的高頻強迫振動(dòng)下重新排列致密,且在振孔中填入大量粗骨料后,被強大的水平振動(dòng)力擠入周?chē)林?,這種強制擠密使砂土的相對密度增加,孔隙率降低,干土重度和內摩擦角增大,土的物理力學(xué)性能改善,使地基承載力大幅度提高(一般可提高2~5倍)。另外,由于地基寬度顯著(zhù)增加,相對密度也相應提高,因此抗液化的性能也得到了改善。
碎石樁的施工及質(zhì)量控制
1、碎石樁的施工
  (1)施工機具介紹
  主要機具是振沖器、吊機或施工專(zhuān)用平車(chē)和水泵。
  目前主要振沖器有ZCQ-13,ZCQ-30和ZCQ-55三種,其中ZCQ-30是目前常用的機具。
  (2)施工準備工作
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  施工現場(chǎng)的三通一平是指水通、電通、料通和平整場(chǎng)地,這是施工能否順利進(jìn)行的重要保證。
  水通是指一方面要保證供應施工中所需的水量,另一方面也要把施工中產(chǎn)生的泥水開(kāi)溝引走。壓力水由水泵送出通過(guò)膠管進(jìn)入各個(gè)振動(dòng)器的水管。水壓需400~600KPa,同時(shí)應注意施工中應盡量做到水的重復使用。
  所謂電通是指施工中需要有三相和單相兩種電源。兩者缺一不可,且電壓不能太高,但也不能過(guò)低,約在±20v之間。
  料通是指應在加固區附近設置若干個(gè)堆料場(chǎng),且要保證運料線(xiàn)路盡可能短且暢通,同時(shí)又不干擾工作線(xiàn)路。料通還包括要有足夠多數量,盡量不要發(fā)生停工等料現象。
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  平整場(chǎng)地后,測量地面高程,加固區的高程宜為設計樁頂高程以上1m。如果這一高程低于地下水位,需配備降水設施或適當提高地面高程。最后按樁位設計圖在現場(chǎng)用小木樁標出樁位,樁位偏差不得大于3cm。首先將振沖器對準樁位,要求振沖器要垂直落下,且不可出現傾斜現象,否則會(huì )偏位和損壞方向節。對好樁位后再次開(kāi)動(dòng)水源,電源檢查它們是否正常。(ECQ-30振沖器的額定電流為60A,空載電流為25A。)
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  一切準備好后,開(kāi)動(dòng)振沖器同時(shí)啟動(dòng)吊車(chē),使振沖器下降,振沖器開(kāi)孔后,在孔口附近應擴孔。振沖器下降成孔過(guò)程應有必要的停留振劑固壁的步驟,同時(shí)在施工一定要控制好下降速度,一般控制在1~2m/min左右。成孔水壓要保持在60N/cm2以上,工作時(shí)可根據要求減小水量,但不得停水,防止泥砂倒灌入水管,然而在接近孔底標高時(shí)水壓適當減小。每貫入1m,振沖器要提起懸留振沖5~8s時(shí)間,待泥漿溢出時(shí)再繼續貫入。泥漿溢出孔口流入泥漿池內,用專(zhuān)用運輸車(chē)及時(shí)運走,當振沖至設計樁底標高以上30cm時(shí),將振沖器提到孔口,提升速度2~3m/min,再往下沉至孔底,重復1~2次。既起到清孔的作用又達到擴孔的目的。
  (3)碎石樁的制作
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  在地基成孔后,按要求往孔內加填料。過(guò)去有三種加料方式,第一種是把振沖器提出孔口,往孔內倒入約1m堆高的填料,然后下降振沖器使填料振實(shí)。而后重復進(jìn)行此操作。第二種是振沖器不提出孔口,只是向上提升約1m左右,然后向孔口倒料,再下降振沖器使填料振實(shí)。第三種是邊把振沖器緩慢向上提升,邊在孔口連續加料。就粘性土地基來(lái)說(shuō),多數采用第一種加料方式,因為后兩種方式樁體質(zhì)量不易保證。
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  樁的施工順序一般采用“由里內外”或“一邊推向另一邊”的方式,因這樣有利于擠走部分軟土。如果“由外向里”制樁,中心區的樁很難做好。對抗剪強度很低的軟粘土地基,為減少制樁時(shí)對原土的擾動(dòng),宜用間隔跳打的方式施工。
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  所謂操作步驟亦指碎石樁施工過(guò)程,它包括成孔、清孔、加料和振密,步驟如下:
  第一步:將振沖器對準樁位,開(kāi)水開(kāi)電,檢查水壓、電壓和振沖器的空載電流值是否正常。
  第二步:?jiǎn)?dòng)施工車(chē)或吊機的卷?yè)P機,使振動(dòng)器以1-2m/min的速度在土層中下沉。下沉時(shí)注意不要使電流值超過(guò)電機額定值。因為電流值的變化定性地反映出土的強度變化。一旦超過(guò),說(shuō)明土的強度太大,此時(shí)必須采用相應措施以使土松動(dòng),而后繼續進(jìn)行。
  第三步:當振沖器達到設計加固深度以上30~50cm,開(kāi)始將振沖器往上提,直至孔口。
  第四步:重復2、3步驟一至二次。如孔上有泥塊堵住,應把它挖去。最后,將振沖器停在設計加固深度以上30~50cm處清孔。
  第五步:清孔一二分鐘后,往孔內倒0.15~0.5的碎石,然后用振沖器振密實(shí)。同時(shí)有部分石料擠入孔壁中得以加固。如此重復上述步驟,一根樁體也就自下而上形成了。
  另外,在填料過(guò)程中做到“連續填料,多填慢震”,經(jīng)過(guò)反復地填料及震沖,使得碎石擠壓密實(shí)成樁。在填料震沖時(shí),密實(shí)電流應達到50~60A,水壓也應達到60~80N/cm攩2攪,留震時(shí)間應大于30s。當振沖器工作時(shí),振沖器電機的電流超過(guò)規定值時(shí)(50~60),能自動(dòng)報警--電鈴發(fā)出音響,此時(shí)提醒操作者應將振沖器向上提起。振實(shí)質(zhì)量由密實(shí)電流控制。施工時(shí)應注意做好記錄,既填好制樁統計圖。內容有:樁號、制樁深度、填料量、時(shí)間和完成日期。

2、施工質(zhì)量控制
  抓好兩個(gè)控制,一個(gè)管理:施工質(zhì)量的控制,施工進(jìn)度的控制,加強現場(chǎng)施工管理。振沖碎石樁的質(zhì)量最主要的應以樁體充分密實(shí)為原則,它與成孔的進(jìn)度、填料量、留振時(shí)間密切相關(guān),只有在一定的填料量的情況下,才能達到一定的密實(shí)電流。也需要一定的留振時(shí)間,才能把填料振沖成樁。
  要嚴格把好材料質(zhì)量關(guān),所以在選碎石時(shí),應按設計要求選擇碎石粒徑,一般選2~4cm的碎石,并且要級配適中,其最大不得超過(guò)5cm,因為,粒徑大不振實(shí),同時(shí)對機具不利。碎石含泥量不得超過(guò)10%。另外。對每根樁的填料量也要進(jìn)行認真的核實(shí)和控制。在施工中應注意在成孔時(shí)因出現振沖器受到阻礙,電流值會(huì )突然上升,現場(chǎng)警鈴不斷發(fā)出響聲,遇到這種情況,不要誤認為是正確的,應進(jìn)行認真地分析原因,查明原因后采取相應措施,同時(shí)反復振沖幾次,直到電流表上電流值趨于穩定時(shí)為止,然后方可繼續施工。
  注意事項:
 ?。?)振沖器在土層深處不得斷電停振。所以施工前了解供電情況,必要時(shí)可自備發(fā)電機。
 ?。?)成孔困難,振沖器不易沉入。主要是水壓不夠,應加大水壓。上層較硬時(shí)水壓應增大,下降速度應更慢,水壓要保持6~8kg/cm2,在現場(chǎng)管路上應裝閥門(mén)以調節水壓水量。
 ?。?)密實(shí)電流長(cháng)期達不到。通常采取的措施的減小水壓。適當增加每次的填料量。反復振沖幾次,使其符合密實(shí)電流值。
 ?。?)施工現場(chǎng)四周如有其它原有建筑物,施工時(shí)應注意原有建筑物是否出現裂縫或沉陷情況。