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隨著我省高速公路路網(wǎng)建設(shè)的完善,高速公路改擴(kuò)建工程在高速公路建設(shè)中的比例不斷加大,改擴(kuò)建過程中高速公路兩側(cè)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(shè)中經(jīng)常會遇到類似的軟弱土地基,如何對這一類地基進(jìn)行加固利用,使其既能滿足建筑強度和穩(wěn)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(huán)節(jié)之一,也是確保工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全的關(guān)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(xiàn)代研究和實踐的深化,特別是高效能的專用施工機(jī)具出現(xiàn)后,其使用范圍不斷得到擴(kuò)大、推廣。近些年來,我省高等級公路應(yīng)用振動沉管碎石樁處治軟弱地質(zhì)構(gòu)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(jīng)濟(jì)、快捷的軟弱地基處治辦法。
一、地質(zhì)條件及工程概況
沈陽繞城改擴(kuò)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(qū))、K25+310~K26+340、K26+340~K26+520(沈北服務(wù)區(qū)),該施工段落內(nèi)存在厚度不均的軟土,厚度2~10米,地表為3~4米的粉質(zhì)土硬殼層。軟土層主要為粉質(zhì)粘土層。振動沉管粒料樁設(shè)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(zhì)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(fù)合土層中的樁體在荷載作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中,由于樁體的壓縮模量遠(yuǎn)比軟弱土大,故而通過基礎(chǔ)傳給復(fù)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(dān)的壓力相應(yīng)減少。結(jié)果,與原地基相比,復(fù)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(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合土層并起著墊層的作用,將荷載引起的應(yīng)力向四周橫向擴(kuò)散,使應(yīng)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(xiàn)較大的附加孔隙水壓力,但隨著時間的推移,原地基土的結(jié)構(gòu)強度有一定程度的恢復(fù),孔隙水壓力遂漸向樁體轉(zhuǎn)移消散,其結(jié)果是有效應(yīng)力增大,顆粒結(jié)構(gòu)重新排列,形成比較穩(wěn)定的顆粒接觸關(guān)系,孔隙數(shù)量顯著減少,土的結(jié)構(gòu)趨于致密,穩(wěn)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(jìn)了土中孔隙水壓力的消散,提高了飽和粘性土排水固結(jié)的能力,使沉降穩(wěn)定加快。
三、設(shè)計方案
1、填料
根據(jù)沈陽繞城高速公路改擴(kuò)建工程所處的地理、經(jīng)濟(jì)環(huán)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(yīng)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(zhì)石和其它雜質(zhì),含泥量不得超過3%。計算碎石擠密系數(shù)為1.2-1.3,碎石灌入量按0.271m3/m計算。
2、樁的設(shè)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(yīng)進(jìn)行碾壓使其密實。碎石樁頂鋪設(shè)50cm厚的碎石墊層,在碎石墊層上鋪設(shè)兩層土工格柵。
四、施工方法及質(zhì)量控制要求
振動沉管碎石樁采用振動沉樁法進(jìn)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(zhǔn)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(jù)設(shè)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(cè)向中間進(jìn)行。碎石樁間距較大可以逐排、間隔施打。
(4)振動打樁機(jī)就位:樁管中心對準(zhǔn)樁位中心,校正樁管垂直度≤1.5%;校正樁管長度并符合設(shè)計樁長。并在樁管上定出碎石樁的設(shè)計樁長及預(yù)留長度。提升樁管離地面50,樁靴閉合。
(5)沉樁:開動振動機(jī)把沉管沉入土中,邊振動邊下沉至設(shè)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(nèi)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(jī)振動錘,邊均勻緩慢提升樁管,當(dāng)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(yīng)補充投料。
(8)反插樁管:在注入一定碎石后,將沉管沉入到規(guī)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(dá)到地基加固的目的。
(9)投完剩余的投料,在孔口進(jìn)行反插。
(10)移位,進(jìn)行下一孔施工。
(11)單位投料量應(yīng)不小于理論投料量,擴(kuò)散系數(shù)一般按1.15計。啟動反插,并及時進(jìn)行孔口補料至該樁設(shè)計碎石用量全部投完為止,孔口加壓至前機(jī)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(fù)多次,一直將碎石灌注到規(guī)定的高程成為碎石樁。
五、施工注意事項
1、施工過程中應(yīng)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(nèi)。振動法施工時,應(yīng)根據(jù)沉管和擠密情況,控制填石量,提升高度和速度,擠壓次數(shù)和時間,電機(jī)的工作電流等,以保證擠密均勻和樁身的連續(xù)性,參考密實電流暫定為45~50A,留振時間10~15秒。在施工中應(yīng)選擇適宜的樁尖結(jié)構(gòu),保證順利的出料和有效的擠密。
2、碎石樁的施工順序應(yīng)從或兩側(cè)向中間進(jìn)行,碎石樁間距較大可以逐排、間隔施打,當(dāng)臨近有結(jié)構(gòu)物時宜先從毗鄰構(gòu)造物的一側(cè)開始施打。灌入碎石的含水率應(yīng)加以控制,對飽和的土層,碎石可采用飽和狀態(tài),對于非飽和土或雜填土或能形成直立孔的土層,含水率應(yīng)加以控制。樁管應(yīng)徐徐拔出,拔管速度應(yīng)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(yīng)有專人記錄各項施工參數(shù)。施工完畢,整理測量、施工記錄。驗證設(shè)計參數(shù)和施工控制的有關(guān)參數(shù)作為碎石樁施工的控制指標(biāo)。在碎石樁試樁并通過檢驗符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上方可進(jìn)行大面積施工。
5、成品保護(hù)
(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(zhì)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(xù)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(fù)合地基承載力采用靜載試驗。具體檢測的位置、樁數(shù)應(yīng)選擇具有代表性的部分進(jìn)行。
2、工程量驗收、計量
施工完成后,認(rèn)真核實現(xiàn)場及“碎石樁放樣圖”,對漏打樁位及對進(jìn)行補打。根據(jù)各工作日“記錄”結(jié)果進(jìn)行工程量匯總,并報監(jiān)理工程師進(jìn)行簽認(rèn)。
七、碎石樁樁頂處治
1、因碎石樁施工中,振動沉管及機(jī)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(yīng)清除樁頂已污染部分,補足干凈碎石,并對樁頂原地面進(jìn)行碾壓使其密實。
2、碎石樁檢驗合格,原地表清除干凈,并經(jīng)填前碾壓后即可進(jìn)行碎石墊層、碎石土、土工格柵等工序的施工。
八、質(zhì)量控制要點
為有效確保碎石樁施工質(zhì)量,即樁的連續(xù)性,密實度,樁長、樁距等要求,應(yīng)抓好以下幾個方面:
1、原材料方面
粗骨料應(yīng)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(yán)格按試樁提供的參數(shù)及成樁步驟控制拔管高度及拔管速度,否則,易出現(xiàn)斷樁或縮頸,不能保證樁身連續(xù)性;
(2)、嚴(yán)格控制碎石用量、樁長、樁距,確保按照設(shè)計要求進(jìn)行施工。
(3)、加強現(xiàn)場施工管理,派駐有責(zé)任心的工程技術(shù)人員進(jìn)行跟班作業(yè)。
3、質(zhì)量檢驗
嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行成樁檢測及驗收,抽檢必須具有代表性。
九、監(jiān)理控制要點及質(zhì)量通病防控
1、監(jiān)理控制要點
(3)、審核工程中的碎石樁設(shè)計變更和圖紙修改情況,及時向碎石樁施工單位傳達(dá)碎石樁設(shè)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(jiān)理工程師有權(quán)下達(dá)停工令:
① 碎石樁施工中出現(xiàn)質(zhì)量異常情況,如坍孔、灌碎石量不足、留振時間短,斜樁等經(jīng)提出仍不采取措施者;
② 對已發(fā)生質(zhì)量事故未處理,和未提出有效處理措施而繼續(xù)作業(yè)。
③ 擅自變更碎石樁設(shè)計圖紙、工藝方法進(jìn)行施工;
④ 使用不合格的碎石料施工;
⑤ 未經(jīng)資質(zhì)審查進(jìn)入施工現(xiàn)場施工;
(5) 組織定期或不定期的現(xiàn)場會議,及時分析通報碎石樁施工中的質(zhì)量狀況, 并協(xié)調(diào)有關(guān)單位間的業(yè)務(wù)活動。
2、常見質(zhì)量通病防控
根據(jù)場地工程勘察、設(shè)計和工程質(zhì)量的要求,事先分析施工中可能產(chǎn)生的質(zhì)量隱患,并與設(shè)計、施工、業(yè)主等有關(guān)方面共商對策,分析原因并采取防治措施。
1、 質(zhì)量通病之一:縮徑,樁孔小于設(shè)計口徑。
原因分析:提管過快,振動電流小。
防治措施:嚴(yán)格按操作規(guī)程施工,上拔速率
2、 質(zhì)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(jù)地層規(guī)律,找出合適的施工用電流。在坍孔部位及時填碎石料,并進(jìn)行反搖作業(yè),以促進(jìn)碎石的密實,嚴(yán)重的可采取補樁措施。
3、 質(zhì)量通病之三:個別點位試驗未達(dá)到設(shè)計承載力。
原因分析:碎石樁不密實,局部地區(qū)地層較軟,近孔隙水壓力未消散。
防治措施:嚴(yán)格施工工序的監(jiān)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(jìn)行補勘。間隔一段時間進(jìn)行復(fù)試,補樁。
十、加固效果評價及結(jié)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(shù)效益:經(jīng)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(dá)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(wěn)定時間的目的,加固效果甚佳。