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

碎石樁（gravel pile），是散體樁的一種，以無粘結(jié)強(qiáng)度的碎石（卵石）為主要材料，用振動、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(gòu)成的密實(shí)樁體，由碎石（卵石）樁和樁間土組成的復(fù)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。采用振動加水沖的制樁工藝制成的碎石樁稱為振沖碎石樁或濕法碎石樁。采用各種無水沖工藝（如干振、振擠、錘擊等）制成的碎石樁統(tǒng)稱為干法碎石樁。當(dāng)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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振動水沖法是1937年由德國凱勒公司設(shè)計(jì)制造出的具有現(xiàn)代振沖器雛形的機(jī)具，用來擠密砂石地基獲得成功。20世紀(jì)60年代初，振沖法開始用來加固粘性土地基，由于用料是碎石，故稱為碎石樁。 
我國應(yīng)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(yīng)用受到限制，且有軟化土的作用。于是從20世紀(jì)80年代開始，各種不同的施工工藝相應(yīng)產(chǎn)生，如錘擊法、振擠法、干振法、沉管法、振動氣沖法、袋裝碎石法、強(qiáng)夯碎石樁置換法等。 

圖3  振動沉管碎石樁施工

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圖4  強(qiáng)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(yīng)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(gòu)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(gòu)筑物時(shí)所用的加固地基的方法，根據(jù)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(qū)，已經(jīng)得到普遍應(yīng)用。加固后的地基土能滿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(qū)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，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。

一
振沖法對軟土加固作用

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　　所謂振沖法是振動水沖法的簡稱。它是以起重機(jī)吊起振沖器，啟動潛水電機(jī)后帶動偏心塊，使振沖器產(chǎn)生高頻振動，同時(shí)開動水泵，使高壓水通過噴射高壓水流，在邊振邊沖的聯(lián)合作用下，將振沖器沉到土中的預(yù)定深度，經(jīng)過清孔后，就可以從地面向孔中逐漸填入碎石每段填料均在振動作用下被振擠密實(shí)，達(dá)到所要求的密實(shí)度后提升振沖器，如此重復(fù)，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(dá)到加固軟基的效果。

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1、 對粘性土的加固機(jī)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(jié)合力很強(qiáng)，滲透性低，在振動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)通過振沖器借助其自重，水平振動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(cè)向力作用下，將碎石擠入周圍孔中，形成具有一定密實(shí)度和直徑大的樁體，它與原粘土構(gòu)成復(fù)合地基而共同工作。由于碎石樁的剛度比樁周圍粘性土的剛度大的多，而地基中應(yīng)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(dān)，樁體應(yīng)力和樁間粘性土應(yīng)力之比值稱為樁土應(yīng)力比，一般為3～5，雖然沒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(qiáng)度，迫使滑動面向遠(yuǎn)離坡面，向深處轉(zhuǎn)移。

2、 對砂性土的加固機(jī)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(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動下重新排列致密，且在振孔中填入大量粗骨料后，被強(qiáng)大的水平振動力擠入周圍土中，這種強(qiáng)制擠密使砂土的相對密度增加，孔隙率降低，干土重度和內(nèi)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，由于地基寬度顯著增加，相對密度也相應(yīng)提高，因此抗液化的性能也得到了改善。
二
碎石樁的施工及質(zhì)量控制
1、碎石樁的施工
　　（1）施工機(jī)具介紹
　　主要機(jī)具是振沖器、吊機(jī)或施工專用平車和水泵。
　　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(jī)具。
　　（2）施工準(zhǔn)備工作
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　　施工現(xiàn)場的三通一平是指水通、電通、料通和平整場地，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(yīng)施工中所需的水量，另一方面也要把施工中產(chǎn)生的泥水開溝引走。壓力水由水泵送出通過膠管進(jìn)入各個(gè)振動器的水管。水壓需400～600KPa，同時(shí)應(yīng)注意施工中應(yīng)盡量做到水的重復(fù)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，但也不能過低，約在±20v之間。
　　料通是指應(yīng)在加固區(qū)附近設(shè)置若干個(gè)堆料場，且要保證運(yùn)料線路盡可能短且暢通，同時(shí)又不干擾工作線路。料通還包括要有足夠多數(shù)量，盡量不要發(fā)生停工等料現(xiàn)象。
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　　平整場地后，測量地面高程，加固區(qū)的高程宜為設(shè)計(jì)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(shè)施或適當(dāng)提高地面高程。最后按樁位設(shè)計(jì)圖在現(xiàn)場用小木樁標(biāo)出樁位，樁位偏差不得大于3cm。首先將振沖器對準(zhǔn)樁位，要求振沖器要垂直落下，且不可出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，否則會偏位和損壞方向節(jié)。對好樁位后再次開動水源，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。)
　?、壅駴_成孔
　　一切準(zhǔn)備好后，開動振沖器同時(shí)啟動吊車，使振沖器下降，振沖器開孔后，在孔口附近應(yīng)擴(kuò)孔。振沖器下降成孔過程應(yīng)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(jù)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(biāo)高時(shí)水壓適當(dāng)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(xù)貫入。泥漿溢出孔口流入泥漿池內(nèi)，用專用運(yùn)輸車及時(shí)運(yùn)走，當(dāng)振沖至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)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(fù)1～2次。既起到清孔的作用又達(dá)到擴(kuò)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(nèi)加填料。過去有三種加料方式，第一種是把振沖器提出孔口，往孔內(nèi)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(fù)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(xù)加料。就粘性土地基來說，多數(shù)采用第一種加料方式，因?yàn)楹髢煞N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(nèi)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(qū)的樁很難做好。對抗剪強(qiáng)度很低的軟粘土地基，為減少制樁時(shí)對原土的擾動，宜用間隔跳打的方式施工。
　　③制樁操作步驟
　　所謂操作步驟亦指碎石樁施工過程，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(zhǔn)樁位，開水開電，檢查水壓、電壓和振沖器的空載電流值是否正常。
　　第二步：啟動施工車或吊機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)，使振動器以1-2m/min的速度在土層中下沉。下沉?xí)r注意不要使電流值超過電機(jī)額定值。因?yàn)殡娏髦档淖兓ㄐ缘胤从吵鐾恋膹?qiáng)度變化。一旦超過，說明土的強(qiáng)度太大，此時(shí)必須采用相應(yīng)措施以使土松動，而后繼續(xù)進(jìn)行。
　　第三步：當(dāng)振沖器達(dá)到設(shè)計(jì)加固深度以上30～50cm，開始將振沖器往上提，直至孔口。
　　第四步：重復(fù)2、3步驟一至二次。如孔上有泥塊堵住，應(yīng)把它挖去。最后，將振沖器停在設(shè)計(jì)加固深度以上30～50cm處清孔。
　　第五步：清孔一二分鐘后，往孔內(nèi)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(fù)上述步驟，一根樁體也就自下而上形成了。
　　另外，在填料過程中做到“連續(xù)填料，多填慢震”，經(jīng)過反復(fù)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(yīng)達(dá)到50～60A，水壓也應(yīng)達(dá)到60～80N/cm攩2攪，留震時(shí)間應(yīng)大于30s。當(dāng)振沖器工作時(shí)，振沖器電機(jī)的電流超過規(guī)定值時(shí)(50～60)，能自動報(bào)警--電鈴發(fā)出音響，此時(shí)提醒操作者應(yīng)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(yīng)注意做好記錄，既填好制樁統(tǒng)計(jì)圖。內(nèi)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(qiáng)現(xiàn)場施工管理。振沖碎石樁的質(zhì)量最主要的應(yīng)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(dá)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(yán)格把好材料質(zhì)量關(guān)，所以在選碎石時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)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5cm，因?yàn)?，粒徑大不振?shí)，同時(shí)對機(jī)具不利。碎石含泥量不得超過10%。另外。對每根樁的填料量也要進(jìn)行認(rèn)真的核實(shí)和控制。在施工中應(yīng)注意在成孔時(shí)因出現(xiàn)振沖器受到阻礙，電流值會突然上升，現(xiàn)場警鈴不斷發(fā)出響聲，遇到這種情況，不要誤認(rèn)為是正確的，應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真地分析原因，查明原因后采取相應(yīng)措施，同時(shí)反復(fù)振沖幾次，直到電流表上電流值趨于穩(wěn)定時(shí)為止，然后方可繼續(xù)施工。
　　注意事項(xiàng)：
　　（1）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(jī)。
　?。?）成孔困難，振沖器不易沉入。主要是水壓不夠，應(yīng)加大水壓。上層較硬時(shí)水壓應(yīng)增大，下降速度應(yīng)更慢，水壓要保持6～8kg/cm2，在現(xiàn)場管路上應(yīng)裝閥門以調(diào)節(jié)水壓水量。
　?。?）密實(shí)電流長期達(dá)不到。通常采取的措施的減小水壓。適當(dāng)增加每次的填料量。反復(fù)振沖幾次，使其符合密實(shí)電流值。
　?。?）施工現(xiàn)場四周如有其它原有建筑物，施工時(shí)應(yīng)注意原有建筑物是否出現(xiàn)裂縫或沉陷情況。