碎石桩加固公路软土路基施工技术研究

摘要：碎石桩施工技术作为软土地区高速公路工程常用的一种加固技术，可实现对软土地基的有效处治，提升软土地基的承载性能。为进一步提高碎石桩加固软土路基的施工质量，总结了碎石桩施工技术方法、特点及对不同类型软土的加固机理，以某高速公路工程为研究对象，从施工准备、成桩顺序选择、锤击成孔、石料投放、沉管反插、成桩质量检测等方面分析了碎石桩的施工工艺。同时，利用沉降板监测了碎石桩复合地基在公路施工期间的沉降量，研究成果可为碎石桩施工提供参考。

关键词：公路工程；软土路基；碎石桩加固；沉降控制

工程领域通常将含水量大、孔隙比大、压缩系数大、渗透系数小、易在荷载作用下产生较大变形的土质统称为软土。软土地区对高速公路地基工程的破坏形式主要表现为路基沉陷、剪切拉裂破坏、坍塌滑动破坏几种。为有效保证软土地区高速公路工程的建设质量，必须采取科学合理的措施对软土地基进行处治，采用碎石桩复合施工技术实现对软土地区高速公路工程地基的有效加固，可为工程施工质量管控提供更有力的保障。

1碎石桩施工技术

碎石桩施工技术是在软土地基成孔后，借助振冲机将碎石挤入土体，形成的大直径密实桩体。粗砂、砾砂、卵石、角砾、建筑碎石等多种材料均可作为碎石桩施工中的填充材料。

1.1碎石桩施工方法

通常情况下，根据采用的设施不同，碎石桩分为以下几种施工方法：

（1）强夯置换法。在软土地基中借助夯锤的重力作用击打成孔，将碎石材料填充至孔中形成碎石桩。

（2）沉管法。在软土地基中采用沉管打桩机成孔，将碎石材料填充至孔中形成碎石桩。

（3）振动挤密法。在软土地基中采用干法振冲器成孔，将碎石材料填充至孔中形成碎石桩。

（4）振冲法。在软土地基中采用振冲机，借助高压水流的高频振动作用成孔，将碎石填充至孔中形成碎石桩。

1.2碎石桩对软土的加固机理

当软土地基的成分不同，碎石桩的加固机理也不同，具体如下：

（1）对松散砂土的加固机理。松散砂土属于单粒结构，其孔隙率大，在荷载作用下容易产生较大位移。尤其是在振动力作用下，其变形更加明显，体积可减少20%左右。碎石桩施工期间，对松散砂土的加固机理体现在两个方面：①挤密作用。可以使松散砂土在高频振动下出现“液化”现象，土颗粒重新排列致密。同时，桩孔内的填入的碎石材料会向四周挤压土体，使松散砂土的孔隙率降低，密实度提高，地基承载力提高2～5倍；②排水作用。碎石桩的回填料颗粒较粗，加固松散砂土后会在地基中形成渗透性能好的竖向排水通道，可促进土体中的超静孔隙水压力消散，加速地基的排水固结。

（2）对黏性土的加固机理。对于黏性土地基，尤其是软弱黏性土，其黏粒含量较高，多呈“蜂窝”结构，透水性差。在振动力作用下，地基中水难以排出，会产生较大的超静孔隙水压力，力学性能变差。因此，碎石桩对软弱黏性土的加固并不是挤密作用，而是置换作用，即用性能良好的碎石置换性能差的软弱黏性土。结合相关研究成果，公路路基填土自重、车辆荷载等在地基土中产生的附加应力会按变形模量重新分配。而碎石桩的刚度（变形模量）远大于周围黏性土，大部分附加应力会由碎石桩承担。此时，碎石桩应力与桩间黏性土应力的比值为桩土应力比，可达2～4。

2 碎石桩加固软土路基工程实例

2.1 工程概况

某高速公路其设计速度为120km/h、设计荷载为公路I级，路基采用整体式断面，双向4车道，标准断面宽度为27m，具体组成如下：0.75m土路肩+3m硬路肩+2×3.75m行车道+4.5m中间带+2×3.75m行车道+3m硬路肩+0.75m。同时，路基以填方为主，最小填高为1.65m、最大填高为11.5m，平均填高约5.05m。由工程地质调绘和钻探结果可知，K22+200—K26+350段存在淤泥质土，地层从上至下的分布情况为：①粉质黏土，呈黄色、灰黄色，可塑状，厚度约1.8～3.0m；②淤泥质土，呈灰色、灰黑色，流塑状～软塑状，成分以粉砂岩为主，厚度约6.0～10.0m；③碎石土，呈灰色、灰黑色，厚度约3.0～5.0m；④含碎石粉质黏土，呈黄色，厚度约5.5～9.0m。

2.2 碎石桩加固方案

由于软土（淤泥质土）的厚度较大，承载力较低，为保证公路在运营期间不出现大的工后沉降，拟采用碎石桩处理软土地基。经处理后的软土，复合地基承载力不应小于130kPa，桩土应力比达到3.0。

碎石桩具体加固方案如下：碎石桩直径取0.5m，间距1.5m，按梅花形布置，横向处理范围超出路基边坡坡脚1.0m，桩长不小于10m，桩端持力层进入碎石土不小于1.0m，如图1所示。同时，桩体回填材采用砾石或碎石粒径控制在20～50mm，含泥量低于5.0%。

图1 碎石桩加固软土方案

3 碎石桩加固软土路基施工工艺

3.1 施工准备

清表就是将公路用地界范围内的杂物清理干净，清表厚度在20～30cm；对于地表承载力较低的路段，可在地表铺一层碎石或砂砾垫层，以方便施工机械行走。同时，依据《工程测量通用规范》（GB55018—2021）及设计图纸，利用全站仪先放样出碎石桩施工边线，放样间距取10m，误差小于2cm并在桩位处用石灰标记。需注意，碎石桩放线误差应小于2cm，与施工的时间间隔应小于24h，且施工时要保护好碎石桩的定位标志，以避免碎石桩桩位偏移。

3.2 成桩顺序

碎石桩的常用施工顺序有两种：①从里向外施工，即先施工内圈碎石桩，再施工外圈碎石桩，如图2（a）所示。该方法在施工期间会带走一些软土，不会因“挤土”问题而增大施工难度，但容易漏桩；②排桩法，即从一端轴线开始，依照相邻桩位顺序成桩到另一端结束，如图（b）所示。该方法在施工时不易漏桩位，但桩位布置较密时桩体可能出现倾斜，此时可隔行跳打或隔桩跳打。由于该软土路基的碎石桩布置较密，为防止漏桩，建议采用排桩法（隔桩跳打）。

（a）从里向外施工              （b）排桩施工

图2  碎石桩施工顺序

3.3 锤击成孔

在锤击成孔前，沉管桩机应保持沉管垂直，垂直度误差不大于1.5%，且沉管中心与桩位中心线保持一致，偏差小于2cm。碎石桩的锤击成孔可分两个阶段进行：第一阶段，利用锤重及沉管自身重力使沉管缓慢下沉1～2m，直至沉管底部及四周阻力大于重力；第二阶段，锤击沉管。沉管的沉入速度不宜过快或过慢，宜控制在2～3m/min，直至达到设计深度。

3.4 石料投放

碎石桩所用材料为未风化的砾石或碎石，最小粒径20mm，最大粒径50mm，含泥量应小于5.0%，并经监理工程师检验合格。

当沉管达到设计深度后，将孔口杂土及垃圾清理干净，避免其混入碎石桩回填料中。石料填充量应根据单桩长度、直径、充盈系数等参数计算，见式（1）。需注意，最后一次回填石料时要将计算填充量全部加完。

   （1）

式（1）中：V为单桩回填料；D为碎石桩直径；L为碎石桩长度；C为充盈系数，取1.25。

将上述碎石桩设计参数代入式（1），可得单桩回填石料量V=（3.14×0.52）/4×10×1.25=2.45（m3）。

3.5 反插、加压成桩

为避免碎石桩出现缩径、断桩等问题，拔管速度宜控制在1～3m/min，时需进行反插，直至沉管内的回填石料全部振出，其施工关键是确定反插次数。鉴于此，本文开展试验段确定了不同沉管反插次数对应的碎石桩成桩密度，见图3。

图3  沉管反插次数对成桩效果的影响

由图3可知：沉管反插次数越多，碎石桩的成桩密度越大。当沉管反插次数不大于8次，成桩密度基本呈线性增加，即反插次数每增加2次，成桩密度平均增加0.17g/cm3；当沉管反插次数超过8次，成桩密度变化不明显。综合考虑施工效果和经济性，建议沉管反插次数取8次。

3.6 成桩质量检测

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/TD31-02—2013），碎石桩成桩30d后应开展质量检测。本项目随机抽取5根碎石桩（编号为Z1～Z5桩），利用静力载荷试验检测了碎石桩复合地基承载力，检测结果见表1。

表1  碎石桩复合地基承载力检测结果

由表1可知：碎石桩复合地基的承载力平均值为140kPa，大于设计值（13kPa），说明碎石桩的施工质量控制较好。

4 碎石桩施工后的沉降控制

4.1 沉降监测方法

路基填筑前，在碎石桩桩顶中心、桩周土中心及桩土交界处埋设沉降板来监测沉降。沉降板是埋于路基底面，由直径30mm的钢管和600mm×600mm×9mm的钢板焊接而成。同时，将沉降监测水准点布置于垂直于道路中心线50m处的坚硬场地上，并在水准点处埋设混凝土标石，以确保水准点不受损伤，能够长期使用。

4.2 沉降监测结果

以K22+300处的监测断面为例，各个监测点在220d内的沉降量及变化趋势见表2和图4。

表2 碎石桩路基沉降监测结果

图4  碎石桩路基沉降变化趋势

随着监测时间的增加，碎石桩复合地基的沉降量也不断增大，其最大沉降量在桩周土的中心点处，原因在于桩周土的中心点是正三角形中心（布桩中心），碎石桩的加固作用最弱。同时，桩顶中心和桩土交界处的沉降量基本一致，最大误差在2.0%以内。

5 结束语

（1）碎石桩对松散砂土和黏性土的加固机理不同，前者体现在挤密作用和排水作用，后者体现在置换作用；

（2）碎石桩施工前要清理场地、测量方量，尽量选择“隔桩跳打”的施工顺序。同时，碎石桩的石料投放要根据桩体长度、直径、充盈系数等计算确定，回填结束后进行沉降反插，加压成桩；

（3）为验证碎石桩的施工质量，可在施工完成后按设计要求随机抽取若干个桩体检测复合地基承载力，并利用沉降板监测复合地基的沉降变化趋势。

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