液化砂土地层挤密碎石桩施工技术研究

液化砂土地层挤密碎石桩施工技术研究

侯攀

中铁二十局集团第五工程有限公司 云南昆明 650200

摘要：液化砂土具有较低的承载力和抗剪强度、透水性差、较高的压缩性和较大的含水量这五个特点，在地震影响下饱和沙土很容易出现液化情况，沙土液化会极大地破坏道路路基，集中体现在在路基边坡坍塌、开裂、下沉等方面，从而就不能确保行车安全，也就不能满足市政道路路基对于稳定性的要求。本文结合文昌国际航天城起步区“三横五纵”路网工程施工实践，详细介绍了液化砂土地段挤密碎石桩施工技术，对相关实践经验进行归纳总结，以期能够为后续相似的施工建设提供强有力的参考借鉴价值。

关键词：液化砂土；挤密碎石桩；施工技术

1. 引言

液化砂土具有较低的承载力和抗剪强度、透水性差、较高的压缩性和较大的含水量这五个特点，在地震影响下饱和沙土很容易出现液化情况，沙土液化会极大地破坏道路路基，集中体现在在路基边坡坍塌、开裂、下沉等方面，从而就不能确保行车安全，也就不能对市政道路路基对于稳定性提出的要求予以较好的满足。作为新型可液化沙土和粉土地基处理方法的挤压碎石桩，其得以出现的前提基础是以往对软弱粘性土地基承载力的挤密砂桩、砂井等予以处理的方法。新技术主要指的是使用冲击等形式在软弱地基中成孔之后，将碎石等相对比较分散的材料挤压到土孔中，在此基础上大直径密实桩体就得以形成。与此同时，在桩的周围也会形成碎石胶结的挤密带，目的是使得原有地基的承载力大大提高，在碎石桩和桩间地基土之间会形成复合地基，从而共担负荷。挤密碎石桩这种施工技术在最近几年的市政道路液化砂土地基处理方面应用十分广泛。由此可以得知，通过对液化砂土地层挤密碎石桩施工技术的研究，来确保挤密碎石桩在施工过程中的安全、质量可控，是我们施工的重点。

2. 振动沉管挤密碎石桩的加固机理

关于振动沉管挤密碎石桩，主要指的是在振动机的作用下，将套管嵌入到符合规定要求的设计深度，在完成套管入土这个操作之后，就会对套管周围土地进行填充，随后投入碎石，振动密实成桩，确保桩与桩间土可以形成复合地基，在此基础上应用振动沉管挤密碎石桩法进行液化砂土的加固，此举可以在增加地基承载力的基础上减少沉降量，避免地震液化现象出现可能性，也可以起到提高路基整体稳定性的作用。软弱土层在我国很多区域都有分布，挤密碎石桩这项施工技术在最近几年的道路软土地基处理等领域的应用十分广泛，发展前景不可小觑。

2.1 挤密作用

在成桩的时候桩管必然会对四周的砂土层有一种横向上的挤压力，桩管体积的土会对周围土层产生挤压作用，在某种程度上就使得桩管周边的土层空隙比有所降低，密实度明显增加。

2.2 排水降压作用

将具有较好反滤性的粗颗粒料填充到桩孔内，从而就能够在地基中形成有良好渗透性的竖向排水降压通道，此举可以合理规避超孔隙水压力增加的情况，也可以避免砂土液化，使得地基排水固结速度提升。

2.3 预震效应

振动锤在成孔过程中的巨大振动，会挤密填入料和地基土，从而产生预震效应，在某种程度上也可以起到提升砂土地基增强抗液化能力的作用。

2.4 减震作用

在地基加固后，桩间土和碎石桩需要共同承担地震剪应力，相比于同截面大小的桩间土而言，碎石桩的剪切模量更大，这就意味着在地震出现的时候，碎石桩桩体就会出现剪应力集中的情况，桩间土剪应力会大大降低，从而使得地震强烈感弱化。此外，在成桩的时候，桩体会对周围土层有一种径向挤压，从而使得土层密度显著增加，不管是地基的抗剪强度还是水平抵抗力都显著提升。

通过上述分析可知，依托振动沉管挤密碎石桩的排水降压、挤密、置换等作用，结合工程实例，笔者以具体的工程为例深入研究液化砂土地层挤密碎石桩施工技术的实践应用情况。

3. 工程应用实例

3.1 工程概况

文昌国际航天城起步区“三横五纵”路网工程（一期）项目设计新建7条市政主干道，其中紫贝大道里程BK0+080～BK0+123、音乐大道里程CK0+050～CK0+250段第②层中砂为第四纪全新统（Q4）地层，在考虑地震设防烈度8度这个要素之后，应用标准贯入试验对液化等级进行判断，其属于中等液化水平，对建筑抗震不利，采用挤密碎石桩进行抗液化处理。

关于挤密碎石桩，采用的是振动沉管成孔，其中，套孔直径是四百毫米，应用正三角形的形式进行布桩，在坡脚外援的位置进行两到三排碎石桩的放置。挤密碎石桩桩径为φ40cm，桩间距为110cm，音乐大道桩长分别为4.5m及5.5m，紫贝大道桩长为4.5m，填料为碎石，粒径为30～50mm，含泥量不大于5%。桩顶铺设50cm厚未筛分碎石，在碎石垫上进行一层土工格栅的铺设，其对双向抗拉强度和延伸率的要求分别是大于45KN/m和小于13%。

3.2 地形地质概况

场地位于海南省文昌市文城镇，处于海南岛东部隆起的边缘，场地所属地貌单元类型为花岗岩风化剥蚀及海积平原地貌单元。依照地勘资料，可以将工程范围内的岩土层自上而下进行细分，详细论述如下：

第①层素填土（Q4ml）：灰黄色、红褐色，松散，干燥～稍湿，主要由砂类土组成，局部钻孔表层含植物根系。

第②层中砂（Q4m）：灰黄色、灰褐色、红褐色，介于稍密～中密、稍湿～饱和之间，砂粒成分石英，亚圆形，颗粒级配不良，含较多粘性土，多呈粘土质砂状。

第③层粉质黏土（Q4m）：灰白色、棕红色、棕黄色，可塑，粉、黏粒含砂是主要成分，局部钻孔层间夹细砂、中砂薄层，干强度处于中等水平，切面有光泽，没有摇振反应。

第④层粉质黏土（Q3el）：灰黄色、棕红色，可塑，干强度和韧性都处于中等水平，不存在摇振反应，局部钻孔层间有很多砂粒和风化岩碎块，大都是砾岩风化残积土。

第⑤层强风化砾岩（S）：灰白色、棕红色，中细粒砾状结构，块状结构。岩石主要成分为石英质、胶结物和重结晶矿物钙质胶结，风化强烈，占比最大的是岩芯呈硬土夹碎石状，局部碎石状。

第⑥层中风化砾岩（S）：灰白色、灰褐色、棕红色，结果是中细粒砾状，块状结构。石英质、胶结物和重结晶矿物钙质胶结是岩石的主要成分，岩芯是短柱状夹碎块状。

表1为各岩土层地基基础设计计算参数建议值一览表

3.3 挤密碎石桩设计、检测

3.3.1 桩体布置方案

该工程根据稳定、沉降计算的要求，经试算后确定中等液化砂土层层厚大于3m采用挤密碎石桩处置措施。处理范围：超出基底坡脚外缘扩大2～3排，设计桩径40cm，桩距1.1m，在布桩的时候采用的是正三角形，在计算后得知，碎石数量的充盈系数和灌入量分别是1.32和0.17m³/m。

具体布置如图1所示。

图1 桩体布置图

3.3.2 复合地基土设计指标

依照建筑地基检测技术相关规范要求可以得知，在使用挤密碎石桩对地基进行处理之后，需要组织开展复合地基载荷试验，确保复合地基承载力特征值不小于120Kpa；根据5.1.4地基载荷试验要求得知，检测数量需要超过总桩数的0.5%，并且需要大于3点。紫贝大道检测数量为39点，音乐大道检测数量为51点。

4. 施工工艺及质量控制

4.1 施工工艺及流程

施工机械涵盖小型装载机和振动打桩机，后者的主要组成内容是振动机、料斗和振动套管。

施工工艺：

第一，在地面上确定套管位置；

第二，在振动机的助力下将套管沉入土中；

第三，将套管下沉到设计深度；

第四，在套管入土之后，在桩管上的槽口插入料斗，随后将碎石灌入管内；

第五，将套管提高到规定高度并进行振动，目的是将碎石振密；

第六，将套管提升、灌入碎石、振动挤密工序重复多次，直到打到设计标高成桩。

4.2 施工技术及施工要点

第一，在施工的时候顺序是从中间到四周，这是获得良好加固效果的前提基础；

第二，在碎石桩全部成桩并且通过承载力检测之后，在桩顶进行五十厘米厚未筛分碎石褥垫层的铺设，然后碾压密实，目的是确保加固区上部密实度；

第三，在具体施工的时候要合理规避断桩等问题；

第四，在拔管的时候速度要控制在一分钟1米；

第五，对于单桩，最后一次加桩需要全部用完设计的碎石用量，并且要确保成孔体积小于单桩填料量；

第六，根据现场桩试验结果确定振动器密实电流和留振时间，

5. 社会、经济效益分析

通过严密的科学管理和组织部署，在挤密碎石桩施工过程时，对电流值、桩管提升速度、留振时间、反插深度，碎石充盈系数进行研究，选取合理的施工工序及施工参数，达到预期的地基加固效果，提高复合地基承载力，使用挤密碎石桩处理液化砂土地层, 工期短、造价低, 经济效益好, 能够实现经济和社会效益的双赢。

5.1 对于传统意义上的振动冲孔碎石桩施工方法而言，其主要是在冲孔并且提出冲孔器后,向孔内投入碎石，但是对于振动沉管法而言，主要是将碎石投入到沉管中，不仅可以减少冲孔器提升距离和频率，也可以加快施工进度，提高作业效率。

5.2相比之下，将碎石投入到沉管的时候，可以避免塌孔及断桩等事故，也可以在振实挤密碎石与沉管的时候有效控制桩径。整体上看，施工过程更加简单，也可以在确保施工质量的基础上节约材料费和人工成本。

5.3 相比于排水固结法，挤密碎石桩技术有利于缩短工期，从而获得可观的经济效益。

5.4 可以在合理利用天然材料的基础上获得良好的社会效益。

6. 施工体会

依托文昌国际航天城起步区“三横五纵”路网工程（一期）紫贝大道及音乐大道挤密碎石桩处置中等液化砂土地层施工，依托成桩过程中的振实挤密来强化加固效果，显著提高砂土密度，并且挤密碎石桩增强体也可以被视为排水通道，可以在减少砂土层中超孔隙水压力的基础上提高土体抗液化能力，更可以在碎石桩和桩间地基土之间会形成复合地基，从而共担负荷。

结语：

通过对液化砂土地层挤密碎石桩施工的研究，形成一套施工处治技术，对市政道路挤密碎石桩处理液化砂土地层施工具有深远的意义。

参考文献：

1. 黄连芬, 黄均雄. 液化砂与粘土地层中夯扩挤密碎石桩施工工艺探究[J]. 土工基础, 2021, 35(3):4.

2. 张辉, 宋欢宇. 挤密碎石桩处理液化土地基的施工工艺[J]. 公路交通科技：应用技术版, 2007(4):4.

3. 范梦. 复杂地层中大功率振冲器作用下振冲碎石桩应用技术研究[D]. 西南石油大学, 2017.

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