强夯大桩径碎石桩加固城市道路软基应用研究

2022-10-13

1 工程概述

某道路全长5380m, 软弱地基段长3260m, 道路宽度22m, 路基填土高度在1m~1.5m之间。区域地貌为盐场、养虾池;地质概况为冲积、海积相的淤泥质粘土, 下伏基岩为白垩系王氏组玄武岩。浅层土分布情况主要物理力学指标见表1。

表1内基岩指全风化玄武岩, 揭露厚度在1.2m~2.4m之间;其下为强—中风化玄武岩, 地基承载力fak=500kPa。

2 软土地基处治的基本方法

软土地基的处治主要是为了解决地基承载力或稳定性问题, 减小沉降和水平位移。处治方案应根据当地的地质、水文、施工机具、材料及环境等条件进行经济、技术比较, 依据先简后繁、就地取材的原则确定。当单一的处治方案无法满足稳定与沉降的要求时, 就得考虑多种措施组合应用。软土地基处治的方法有以下几种。

2.1 处治

浅层处治常用的方法有:生石灰等浅层拌和、表层换填、抛石排淤等。

2.2 料桩

采用碎石, 砂砾、废渣、砂等散粒材料做桩料, 对地基土起置换或挤密作用。粒料桩与桩间土形成复合地基。主要有:碎石桩、砂桩、渣土桩等。

碎石桩是利用一个产生水平向振动的管状设备, 以高压水流边振边冲, 在软弱粘性土地基中成孔, 在孔内分批填入碎石加以振密制桩, 与周围粘性土形成复合地基。这种加固技术与排水固结法相比, 加固期短, 可以采用快速连续加载方法施工路堤, 对缩短工期十分有利。桩体填料丰富, 凡碎石、卵石、砂砾、矿渣、碎砖等均可使用。碎石桩施工噪声小、无粉尘污染, 利用沉淀池循环供水, 可以基本解决污水排放问题。在探明了地下管线的准确位置后, 桩体施工不会对管线产生任何不利影响。

2.3 灌入固化

是指用专用机械将软土地基的局部范围内的软土柱体用加固材料改良、加固而形成, 与桩间软土形成复合地基。加固剂可采用水泥、生石灰、粉煤灰等固化剂。主要有:粉喷桩、高压旋喷桩等。

粉喷桩主要是以水泥、石灰等材料作固化剂的主剂, 利用深层搅拌机械将原位软土进行强制搅拌, 经过物理化学作用生产一种特殊的具有较高强度、较好变形特性和水稳性的混合柱状体。它对提高软土地基承载力, 减小地基的沉降量有明显效果。粉喷桩对地基土层的含水量有一定的要求, 施工机械设备复杂, 粉尘污染大, 并且需要有较长的固结时间, 对工期极为不利。

2.4 排水固结

是通过采用工程措施降低地下水位、减小土层含水量, 加速地基的固结过程, 以满足路堤稳定性和工后沉降的要求。主要的措施有:加载预压、超载预压、真空预压、砂井、真空降水和电渗排水。

2.5 加筋路堤

是指采用强度高、变形较小、老化慢的土工合成材料等抗拉柔性材料作加筋材料的路堤。加筋材料应尽可能设置在路堤底部。常用方法有:加筋土法、锚固法、树根法、低强度混凝土桩复合地基、钢筋混凝土桩复合地基。

2.6 强夯法

是利用重锤高落距产生的夯击能, 在地基中产生冲击波。土体被冲切, 产生结构破坏, 形成夯坑, 并对周围土体进行动力挤压, 从而提高地基承载力。强夯法一般不适用于城市道路的施工, 因为道路周边建筑物密集、地下管线复杂, 重锤产生的冲击波将会带来不利的影响。

2.7 其他方法

主要有:反压护坡道、轻质路堤。

3 强夯大桩径碎石桩设计

3.1 强夯置换地基的加固原理

强夯置换地基的加固原理是强夯加密、碎石桩和大直径排水井综合作用的结果。在分层土中, 碎石桩与桩间土形成的强挤密现象, 碎石桩体同时也是地基的排水通道, 有利于饱和土地基的排水固结。按国内成熟经验, 淤泥质粘土的强夯置换按单桩荷载试验的承载力除以单桩加固面积为加固后的地基承载力, 不考虑桩间土的承载力。因此, 碎石桩的强夯质量是保证地基加固效果之本。

3.2 强夯置换后的承载力要求

(1) 道路设计荷载:城-A级。

(2) 强夯置换处理后的复合地基容许承载力达到200kPa。

3.3 置换深度

要求强夯大桩径碎石桩穿透淤泥层, 至基岩, 桩长约4.8m~6.7m。

3.4 试桩参数选择

(1) 夯击能选择:强夯置换法施工过程中, 采用单夯及满夯两种夯击形式。根据地基土的性质, 确定单夯能量为3000kN·m, 落距15m, 锤重200kN, 夯锤直径2.0m;满夯能量为1500kN·m。

(2) 强夯桩间距确定:强夯桩间距为4m;采用正三角形布置。

(3) 填料及夯击方式:填料采用5cm~20cm间断级配碎石。当夯坑深1.5cm~2.0m时, 填入碎石, 采取逐点连续夯击法。控制最后两击平均夯沉量不大于10cm, 同时满足累计夯沉量大于设计桩长1.5倍。强夯采用隔点夯击。

(4) 垫层厚度:强夯垫层厚度确定为1.3m~1.5m, 垫层碎石标准同桩填料。

3.5 加固范围

横向加固范围为路基两侧坡脚处。

4 强夯置换施工工艺顺序

铺设垫层1.3m~1.5m厚碎石→点夯→满夯→清除路基表面淤泥→压路机振动碾压→铺设粗砂层厚15cm→铺设土工格栅一层→路基回填土分层碾压。

5 强夯置换检测

经强夯处理的地基, 其强度是随着时间增长而逐步恢复和提高的, 工程检测根据《建筑地基处理技术规范》 (JGJ 7922002) , 强夯置换处理后的地基承载力检测取在施工结束后28d;检测工作量取强夯碎石桩总点数的1%。

5.1 检测目的与任务

(1) 利用现场载荷试验检测强夯置换后地基处理效果, 评价强夯后地基承载力特征值是否满足设计要求。

(2) 利用面波的频散特性推算强夯置换桩的着底情况。

(3) 利用地震影像法探测置换桩横向发育情况, 并判定其相对密实度。

(4) 利用室内土工试验与地质勘察报告对比物理特性指标以判定其挤密与排水效果。

5.2 检测结论

(1) 各试验点压板地基承载力极限值为400kPa;压板地基承载力特征值均为200kPa。

(2) 各测试点碎石桩底界面埋深介于5.1m~6.7m, 碎石桩体下无软弱层, 深度达到设计持力层。

(3) 各剖面处桩体横向发育较均匀, 直径约为2.4m。

6结语

(1) 采用强夯置换法进行地基处理后地基承载性能明显改善, e-p曲线的斜率减小, 变形模量E0值可取12.80MPa。

(2) 采用强夯置换法处理软弱地基, 要确保碎石桩体下无软弱层, 深度达到设计持力层。控制碎石桩深度的三个主要设计参数为夯击次数、夯沉量、侧向隆起。《建筑地基基础设计规范》规定:强夯置换法处理软弱地基, 当单击夯击能小于4000kN·m时, 最后两击的平均夯沉量不宜大于5cm。试验段路基设计时, 参照周边地区强夯置换法处理软弱地基成功经验, 控制最后两击平均夯沉量不大于10cm, 强夯后跟踪检测, 碎石桩均满足设计要求。

在淤泥深度为6m左右的试验段, 强夯碎石桩达到最后两击平均夯沉量不大于10cm, 平均夯击次数为20击, 侧向隆起为50cm左右;减少夯击次数进行试夯, 通过试验结果分析:当夯击次数为14击时, 碎石桩桩长、桩径及地基承载力特征值均满足设计要求, 此时最后两击平均夯沉量为10cm~20cm, 平均侧向隆起为20cm~30cm。由此可知, 碎石桩在第14击达到持力层, 以后5~6击的夯击能使得碎石桩侧向发育, 造成侧向隆起偏大。以此确定在相同地质条件下的软弱路基段施工时, 控制夯击次数为14击, 同时观测最后两击平均夯沉量不大于20cm, 在夯沉量值明显偏大处进行补夯。

(3) 检测报告显示桩间土含水率标准值为44.35%, 液性指数标准值为1.36, 在勘察阶段场地内第二层淤泥质粘土的含水率标准值为51.5%, 液性指数标准值为1.775。由此可知, 桩间土的工程力学性质均有所好转, 挤密与排水效果均好。

(4) 强夯置换法试桩过程中, 为减少投资, 准确控制设计参数, 应做到跟踪检测。利用面波在多层介质中的频散性, 改变激发频率, 推算强夯置换桩的着底情况;利用地震影像法对碎石桩横向发育情况进行探测, 并判定其相对密实度。根据检测结果确定相同地质状况条件下碎石桩的夯击次数, 由此控制施工, 避免造成工程投资的浪费。

(5) 采用试验段提供的数据对该路软弱路基段进行强夯置换处理, 从最终检测结果来看, 加固效果良好, 说明采用碎石法处理软弱地基是成功的。

摘要：介绍了当前比较常见的城市道路软土地基处理的方法, 结合实际工程案例, 阐述了碎石桩加固城市软基设计、施工工艺以及工程质量检测。检测结果表明, 碎石桩加固城市软基有着非常好的效果。仅供相关技术人员参考。

关键词：城市道路,软土基础,碎石桩