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隨著我省高速公路路網建設的完善,高速公路改擴建工程在高速公路建設中的比例不斷加大,改擴建過程中高速公路兩側軟基處理較多,這些土的強度極低,壓縮性較大,抗震性極差。在公路工程建設中經常會遇到類似的軟弱土地基,如何對這一類地基進行加固利用,使其既能滿足建筑強度和穩定性要求,又能夠縮短工期,減少投資,這是地基處治工作中非常重要的環節之一,也是確保工程質量和結構安全的關鍵所在。
振動沉管碎石樁早期主要用于擠密砂土地基,隨著現代研究和實踐的深化,特別是高效能的專用施工機具出現后,其使用范圍不斷得到擴大、推廣。近些年來,我省高等級公路應用振動沉管碎石樁處治軟弱地質構造等不良地基已越來越廣泛,實踐證明,其效果顯著,方法可靠,不失為一種經濟、快捷的軟弱地基處治辦法。
一、地質條件及工程概況
沈陽繞城改擴建高速公路路面綜合第二合同段樁號K21+500~K28+500,路基全長7km,其中振動沉管碎石樁段落為:K25+120~K25+310(朱爾屯互通區)、K25+310~K26+340、K26+340~K26+520(沈北服務區),該施工段落內存在厚度不均的軟土,厚度2~10米,地表為3~4米的粉質土硬殼層。軟土層主要為粉質粘土層。振動沉管粒料樁設計為:樁長8~14米,樁徑0.5米,間距1.5米,工程量共計17889根,總長度177757米。
二、振動沉管碎石樁加固作用原理
由于淤泥質粘土屬飽和軟土,碎石樁起著置換軟土的作用。對于軟弱層不太厚的情況,樁端可以直接作用于下部堅硬巖層,此時復合土層中的樁體在荷載作用下會產生應力集中,由于樁體的壓縮模量遠比軟弱土大,故而通過基礎傳給復合地基的外加壓力隨著樁、土的等量變形會遂漸集中到樁上去,從而使軟土承擔的壓力相應減少。結果,與原地基相比,復合地基的承載力明顯提高,壓縮性顯著降低。如果軟弱層厚度較大,樁體也可不貫穿整個軟弱土層,軟弱土層只有部分厚度轉變為復合土層并起著墊層的作用,將荷載引起的應力向四周橫向擴散,使應力分布趨于均勻,從而提高地基整體的承載力,減少沉降量。
在振動沉管過程中,由于振動、擠密、擾動等作用,盡管地基土中會出現較大的附加孔隙水壓力,但隨著時間的推移,原地基土的結構強度有一定程度的恢復,孔隙水壓力遂漸向樁體轉移消散,其結果是有效應力增大,顆粒結構重新排列,形成比較穩定的顆粒接觸關系,孔隙數量顯著減少,土的結構趨于致密,穩定性增強,強度不斷增大。
碎石樁在地基中還起到豎向排水通道和提高土基抗滑能力的作用,大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑,促進了土中孔隙水壓力的消散,提高了飽和粘性土排水固結的能力,使沉降穩定加快。
三、設計方案
1、填料
根據沈陽繞城高速公路改擴建工程所處的地理、經濟環境,碎石樁使用填料采用2~5cm的碎石,碎石由巖石或礫石軋制而成,應潔凈并具有足夠的強度,其顆粒形狀具有棱角,不得摻有軟質石和其它雜質,含泥量不得超過3%。計算碎石擠密系數為1.2-1.3,碎石灌入量按0.271m3/m計算。
2、樁的設置(布置)情況
碎石樁采用振動沉管成孔,直徑為φ477mm,成樁直徑d為φ500mm,布樁形式采用梅花形布置,且在坡腳外緣外打2―3排碎石樁。樁長H為8-14m,樁間距B為1.5m。
3、表層處治
碎石樁施工完畢,樁頭50cm左右為松散狀,密實程度較小,應進行碾壓使其密實。碎石樁頂鋪設50cm厚的碎石墊層,在碎石墊層上鋪設兩層土工格柵。
四、施工方法及質量控制要求
振動沉管碎石樁采用振動沉樁法進行施工。
1、振動沉樁法施工碎石樁工藝流程
2、操作方法
(1)場地準備:清理平整施工場地,清除高空及地面障礙物。
(2)樁位放樣:根據設計要求,用白灰定出成樁的孔位。
(3)施工順序:碎石樁的施工一般采用“由外向里”順序,或兩側向中間進行。碎石樁間距較大可以逐排、間隔施打。
(4)振動打樁機就位:樁管中心對準樁位中心,校正樁管垂直度≤1.5%;校正樁管長度并符合設計樁長。并在樁管上定出碎石樁的設計樁長及預留長度。提升樁管離地面50,樁靴閉合。
(5)沉樁:開動振動機把沉管沉入土中,邊振動邊下沉至設計深度。
(6)上料:沉管上留有一注料口,把加好碎石的料斗吊起插入樁管上的注料口位置,向管內注入一定量的碎石,開始第一次投料,要求投滿樁管。
(7)注料提管:將注滿碎石的樁管,邊振動邊緩慢提起,樁管底要低于沉入的碎石頂面。啟動管前留振1min后,邊開樁機振動錘,邊均勻緩慢提升樁管,當起拔3~5 m時再加投剩余的投料,邊振動邊提升。提升速度控制在1.0m/min,每次拔起樁管0.5m,停拔繼振20s并反插,直至將樁管提升到孔口。振密拔管過程中應補充投料。
(8)反插樁管:在注入一定碎石后,將沉管沉入到規定的深度,并加以振動使排出的碎石振密,并使碎石再一次擠壓周圍的土體,達到地基加固的目的。
(9)投完剩余的投料,在孔口進行反插。
(10)移位,進行下一孔施工。
(11)單位投料量應不小于理論投料量,擴散系數一般按1.15計。啟動反插,并及時進行孔口補料至該樁設計碎石用量全部投完為止,孔口加壓至前機架抬起,完成一根樁施工。
(12)提升和反插樁管時,速度必須均勻。
(13)將上述工序(7)~(8)重復多次,一直將碎石灌注到規定的高程成為碎石樁。
五、施工注意事項
1、施工過程中應及時挖除樁管帶出泥土,孔口泥土不得掉入孔中再次灌入碎石于套管內。振動法施工時,應根據沉管和擠密情況,控制填石量,提升高度和速度,擠壓次數和時間,電機的工作電流等,以保證擠密均勻和樁身的連續性,參考密實電流暫定為45~50A,留振時間10~15秒。在施工中應選擇適宜的樁尖結構,保證順利的出料和有效的擠密。
2、碎石樁的施工順序應從或兩側向中間進行,碎石樁間距較大可以逐排、間隔施打,當臨近有結構物時宜先從毗鄰構造物的一側開始施打。灌入碎石的含水率應加以控制,對飽和的土層,碎石可采用飽和狀態,對于非飽和土或雜填土或能形成直立孔的土層,含水率應加以控制。樁管應徐徐拔出,拔管速度應控制在1.0~1.5mmin,使碎石借助振動留在樁孔中形成密實的碎石樁。
3、碎石樁樁管反插過程中派專人指揮。
4、施工中應有專人記錄各項施工參數。施工完畢,整理測量、施工記錄。驗證設計參數和施工控制的有關參數作為碎石樁施工的控制指標。在碎石樁試樁并通過檢驗符合設計要求的基礎上方可進行大面積施工。
5、成品保護
(1)施工時碎石不得與泥土等雜物混合造成污染等。
(2)碎石樁施工過程中和施工完后不得有重型車輛通過以免破壞樁頭。
六、碎石樁成樁質量檢驗
1、試驗檢測
在碎石樁施工完成兩周后,采用重Ⅱ型動力觸探儀測試碎石樁的密實度和均勻性,抽檢頻率5%,N≥7次/10cm,連續灌入;樁間土(等邊三角形中心土)采用輕型觸探儀或土工試驗方法測定,單樁承載力、復合地基承載力采用靜載試驗。具體檢測的位置、樁數應選擇具有代表性的部分進行。
2、工程量驗收、計量
施工完成后,認真核實現場及“碎石樁放樣圖”,對漏打樁位及對進行補打。根據各工作日“記錄”結果進行工程量匯總,并報監理工程師進行簽認。
七、碎石樁樁頂處治
1、因碎石樁施工中,振動沉管及機械擾動,樁頂表面50cm左右為松散狀,密實程度較低,再加上局部存在因拔管過程中泥土帶入表層,污染碎石樁頂面,堵塞排水固積通道等問題。在碎石樁驗收完畢應清除樁頂已污染部分,補足干凈碎石,并對樁頂原地面進行碾壓使其密實。
2、碎石樁檢驗合格,原地表清除干凈,并經填前碾壓后即可進行碎石墊層、碎石土、土工格柵等工序的施工。
八、質量控制要點
為有效確保碎石樁施工質量,即樁的連續性,密實度,樁長、樁距等要求,應抓好以下幾個方面:
1、原材料方面
粗骨料應采用粒徑為2―5cm級配良好的干凈(含泥量不大于5%)碎石。
2、施工方面
(1)、嚴格按試樁提供的參數及成樁步驟控制拔管高度及拔管速度,否則,易出現斷樁或縮頸,不能保證樁身連續性;
(2)、嚴格控制碎石用量、樁長、樁距,確保按照設計要求進行施工。
(3)、加強現場施工管理,派駐有責任心的工程技術人員進行跟班作業。
3、質量檢驗
嚴格按照規范要求進行成樁檢測及驗收,抽檢必須具有代表性。
九、監理控制要點及質量通病防控
1、監理控制要點
(3)、審核工程中的碎石樁設計變更和圖紙修改情況,及時向碎石樁施工單位傳達碎石樁設計變更要求和圖紙修改意見,并隨時記錄在案。
(4)、在下述情況下,監理工程師有權下達停工令:
① 碎石樁施工中出現質量異常情況,如坍孔、灌碎石量不足、留振時間短,斜樁等經提出仍不采取措施者;
② 對已發生質量事故未處理,和未提出有效處理措施而繼續作業。
③ 擅自變更碎石樁設計圖紙、工藝方法進行施工;
④ 使用不合格的碎石料施工;
⑤ 未經資質審查進入施工現場施工;
(5) 組織定期或不定期的現場會議,及時分析通報碎石樁施工中的質量狀況, 并協調有關單位間的業務活動。
2、常見質量通病防控
根據場地工程勘察、設計和工程質量的要求,事先分析施工中可能產生的質量隱患,并與設計、施工、業主等有關方面共商對策,分析原因并采取防治措施。
1、 質量通病之一:縮徑,樁孔小于設計口徑。
原因分析:提管過快,振動電流小。
防治措施:嚴格按操作規程施工,上拔速率
2、 質量通病二:坍孔。
原因分析:振動電流大,地層太軟;
防治措施:根據地層規律,找出合適的施工用電流。在坍孔部位及時填碎石料,并進行反搖作業,以促進碎石的密實,嚴重的可采取補樁措施。
3、 質量通病之三:個別點位試驗未達到設計承載力。
原因分析:碎石樁不密實,局部地區地層較軟,近孔隙水壓力未消散。
防治措施:嚴格施工工序的監理,控制樁的上拔速率;施工前詳盡分析巖土工程勘察資料;進行補勘。間隔一段時間進行復試,補樁。
十、加固效果評價及結論
1、通過實踐證明,用振動沉管碎石樁處理高速公路軟弱地基,具有較好的技術效益:經加固處理的地基土的壓縮模量、承載力基本值均顯著增長,達到了提高地基承載力、減少地基土沉降量和差異沉降量、加速沉降穩定時間的目的,加固效果甚佳。