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振动沉管碎石桩在机场高填方软基处理施工中的应用

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振动沉管碎石桩施工技术
在机场高填方软基处理施工中的应用

李 明
中国航空港建设第八工程总队

摘 要：振动沉管碎石桩通过挤密、排水、直接参与承载等作用，提高软弱地基的承载力。本文以贵州六盘水机场高填方软基处理工程为例，介绍了振动沉管碎石桩的原理和施工技术，以及质量、安全和环保控制措施，并分析了施工中常见问题的原因及其处理措施,可供类似工程借鉴.
关键词：振动沉管碎石桩;原理;施工技术；控制措施

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0 前言
振动沉管碎石桩(以下简称碎石桩），是一种软土地基的处理方法.通过挤密、排水、直接提供承载等作用,可以提高地基的承载力,减少沉降量，防止地震液化,增加软弱地基的整体稳定性.
六盘水机场土石方工程，填方量3000多万方，坡顶与坡脚填筑高差超过150米，场区内广泛分布第四季松散堆积层，土质不均、力学性质差，同时具有高填方、超大土石方量和强地震的特点，容易发生高填方边坡失稳和不均匀沉降问题。
设计单位针对不同情况,结合边坡坡度设计，分别或组合采取了不良土质置换、碎石桩加强夯、抗滑桩、盲沟、设置反压平台和高韧聚酯加筋有纺土工布等设计。特别是碎石桩加强夯工艺，有效地提高了填方区域软土地基的承载能力。较好的解决了边坡稳定和不均匀沉降问题.
1 碎石桩原理
通过成桩过程中对周围不良土质的挤密、振密作用和靠碎石的压入获得加固效果,使松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等土层的密实度增加；同时设置的碎石桩增强体，本身又是一个良好的排水通道，它的存在不仅有利于砂土、粉土层中超孔隙水压力的消散，有效地增强土体的抗液化能力，而且在荷载的作用下,碎石桩增强体又与软弱土层共同承担荷载，形成碎石桩复合地基.碎石桩加固软弱地基的主要目的是提高地基土承载力,减少变形和增强抗液化性。
1.1加固原理
⑴挤密作用。在沉管振动成孔过程中，桩管对桩位原土体产生横向挤压作用,将桩管位置土体挤向桩孔周围。在桩管成孔和上拔过程中，垂直激振力所产生的能量引起桩管周围土体的强烈振动，使桩周土体产生竖向振密,土体在横向和竖向作用的影响下，得到挤密加固；
⑵排水作用。土体在受振动时,有增密的趋势,如果孔隙水不能排出,就会造成孔隙水压不断上升,以致产生液化。碎石桩具有良好的渗透性和反滤性，在地基中形成竖向排水减压通道,可以有效消散和防止超孔隙水压力的增高和土体的液化。同时，碎石桩也大大缩短了桩间土的排水固结路径和时间，有利于土体的排水固结；
⑶预振作用.对于具有液化趋势的土体，由于碎石桩施工中的强烈振动，使土体产生较大的动应变，土体得到挤密，密度增加。土体所产生的这种预振，可大大改善地基土的抗液化性能；
⑷减震作用。对于可液化地基，经加固后，地震剪应力由桩间土和碎石桩共同承担，碎石桩的剪切模量比同截面桩间土的剪切模量要大很多，因而在地震时，剪应力在桩上集中，从而相应使桩间土的剪应力减小，使地震烈度相应降低。
1.2碎石桩的优点
⑴施工机具常规,操作工艺简单；
⑵场地干净,无污染.对比起振冲法施工,振动沉管法施工环境整洁,无须考虑泥浆排放和对场地的污染；
⑶造价低。所使用的材料为碎石，可节约水泥、钢材,就地使用廉价地方材料,可降低工程成本;
⑷适用性广。包括松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等加固；
⑸施工速度快。
1。3碎石桩的缺点
⑴振动和噪音较大，不能在市区内使用；
⑵施工后会导致地面变形,对邻近建筑物有影响。
2 碎石桩施工技术
六盘水机场软土地基碎石桩处理工程，采用Φ500mm桩径，桩间距分为1.1m和1。5m两种。
2.1 人工、材料和设备要求
碎石桩原材料要求及每组桩机人工和设备配备情况如下。
2。1。1原材料要求
碎石桩施工中采用的碎石为硬质碎石料，应洁净、干燥并具有足够的强度和耐磨耗性，其颗粒形状应具有棱角,不得掺有软质石料、土块或其他杂质.采用自然级配，粒径20～50mm,含泥量小于5％。
2.1.2人员配置
⑴机长1名，总负责；
⑵司机2名，操作桩机和装载机；
⑶记录员1名，负责施工记录；
⑷安全员1名，负责施工过程中安全工作，确保高空、地下及工作场面无障碍物与危险隐患,保证安全文明施工；
⑸电工1名，负责电源和维修桩机；
⑹投料员3名,扶正碎石桩管及投料。
2。1。3机械设备配置
碎石桩施工的机械设备是以振动沉管桩机为核心，其他设备与桩机的生产能力相匹配，并满足质量控制和检测的需要。本项目碎石桩施工采用DZ系列振动沉管桩机,采用活瓣式桩尖，桩管直径为480mm,成桩直径为500mm，桩管长度为23m.同时配备1台ZL-50型装载机负责上料。
2.2施工工艺
碎石桩的施工顺序为：施工准备—-桩机就位--振动沉管--灌装碎石——提管灌料--反插留振——成桩移位。
⑴施工准备.施工前先平整场地，局部低洼处可填土或碎石找平，并碾压密实，确保桩机走行平稳.场地应具备排水坡度，保证随时排除施工期间的地表水和工后桩中流出的地下水。同时备好碎石等材料，放线定位，标出打桩范围与桩位；
⑵桩机就位。根据桩位标记，移动桩机，桩管垂直对准桩位标记；启动卷扬机，按照桩位标记移动导向架,使桩管对准打桩点，并将卷扬机离合器刹紧;松动卷扬机离合器,人工合龙活瓣式桩尖，对准地面上标定的桩位；
⑶振动沉管。启动桩锤电机使桩锤振动，桩管沿桩位下沉。注意每下沉0。5m留振30s;
⑷灌装碎石。根据桩深和试桩时确定的充盈系数（充盈系数＝碎石填料体积/沉管体积，一般在1.3-1.5之间）制作进料斗，按规定的碎石量将碎石装入桩管内,如果桩管一次容纳不了应灌入的全部碎石，剩余的碎石待桩管提升下料振动挤密后，再补充装入；
⑸提管灌料：第一次把桩管提升80—100CM，提升时桩尖自动打开，桩管内的碎石料流入孔内。为了使桩管内碎石密实，在拔管前先留振1min，边振动边匀速拔管，拔管速度控制为1～2m/min；
⑹反插留振。拔管1-2m反插一次，反插深度0.5m。反插时降落桩管,振动挤压15—20s,挤压时间长短以桩管难以下沉时为宜.按上述方法往复升降压拔桩管3～5次，直至所灌的碎石将地基挤密。提升和反插速度必须均匀，反插由深到浅.
⑺成桩移位。灌注完碎石，桩管提至地面,完成一根桩的施工。桩机移动到下一桩位，重复上述步骤。
以上各施工程序中，关键是对电流和投料量的控制，即下沉挤密过程和投料与提管过程。振动挤密过程是保证成桩质量的关键，必须通过实验确定振挤次数、电机的工作电流和留振时间等参数，每次投入碎石量及挤密后提升高度是保证成桩质量的前提,为保证质量，本着“少吃多餐”的原则进行加料,每次提升高度以套管桩尖不离开碎石面为宜，以防塌孔、缩径、断桩的发生，具体参数与地质条件有关，必须通过实验现场确定.
3 质量检测
碎石桩质量检测
检测项目
检验数量
或频率
检测方法
检测部位
检测指标
备注
碎石料
颗粒分析
6组
筛分试验
桩体材料
设计
施工前检测
动探试验
桩数的2％
N120
桩身
≥6击
深度至
桩身长度
荷载试验
每5000m2
一点
荷载板
1。0×1。0m2

Fspk
≥180kPa

说明：①碎石桩处理后检测时间在施工结束后14天后进行.
②fspk为复合地基的承载力特征值.
4 质量保证措施
⑴正式施工前应进行成桩试验，试验桩一般为7～9根；
⑵正式施工时，要严格按照设计的桩长、桩径、桩间距、碎石灌入量以及试验确定的桩管提升高度和速度、振密挤压次数和留振时间、电机的工作电流等施工参数进行施工，以确保碎石桩桩身的均匀性和连续性；
⑶施工顺序从四周边开始向中心进行，相邻两桩必须跳跃间打；
⑷应保证起重设备平稳,导向架与地面垂直,垂直偏角不应大于1。5%,成孔中心与设计桩位偏差不应大于50mm，桩径偏差控制在±20mm以内，桩长偏差不大于100mm；
⑸边振动边沉管，通常每下沉0.5m留振30s；
⑹启动拔管，拔管前留振1min,以后边振动边拔管，拔管速度需均匀且每拔管1m留振1min；
⑺碎石灌入量不应小于设计值的95％；
⑻提升和反插速度必须均匀，反插深度由深到浅，每根桩在保证桩长和碎石灌入量的前提下，每提升1~2米反插一次,每次反插3～5下；
⑼若地表水丰富或较软弱，可先铺一层碎石垫层,有利于排水，同时提高地基强度，便于机械和施工人员行走；
⑽振动成桩至地面时应向下复振1m，确保地表不产生缺碎石的凹桩。
5 安全保证与防护措施
5.1安全保证措施
⑴设立专职安全员并建立24小时旁站制度，及时纠正和消除隐患苗头；
⑵对施工人员定期进行安全教育和安全考核；
⑶设立明显的安全警示牌和安全注意事项宣传栏；
⑷各类操作人员必须持证上岗，无证人员或非本机人员不得上机操作；
⑸电路布置要规范化，电器开关设在防雨防晒的电器箱柜内,距离地面不低于1。5m。
5.2安全防护措施
⑴现场人员一律佩戴安全帽及反光背心，不准穿拖鞋、不得赤脚作业;
⑵进入施工现场人员一律佩带安全上岗证;
⑶所有电力线路和用电设备由专职电工安装，并负责日常检查和维修保养，禁止其他人员私自乱接、乱拉电线;
⑷用电线路一律采用绝缘导线.移动式线路使用胶皮电缆。确保电缆无裸露现象；
⑸现场所用柴油发电机用前按规定进行检查、试运转；
⑹桩机四周设置围避遮挡措施防止无关人员进入；
⑺夜间施工时配备充足的照明灯具,确保施工现场有足够的照明，为夜间施工生产和车辆行驶创造条件。
6 环境保护措施
⑴在机械化施工过程中，要尽量减少噪音、废气、废水及尘埃等的污染，运转中尘埃过大时要及时洒水;
⑵对清理场地的表层腐植土，砍伐的荆棘丛林等废料，要运至指定的地点；
⑶清理施工机械、设备及机械的废水、废油等有害物质以及生活污水，不得直接排放至河流、池塘或其他水域中，也不得倾泻至饮用水源附近的土地上,以防污染水源和土壤。
7 施工中常见问题及处理措施
7。1缩桩的处理措施
⑴加大桩瓣尺寸。
⑵施工过程中按试验桩时确定的拔管控制参数控制.严格控制拔管速度、反插次数和留振频率。
7。2桩体密实度低的原因及处理措施
(1）碎石粒径过大，级配不合理。采用天然级配碎石，碎石最大粒径不得超过5cm，最好采用2-5cm粒径碎石。
(2）桩管提升速度过快，碎石振密效果不好。适当放慢桩管提升速度。严格反插和留振控制。
⑶强夯补强.
7。3桩位偏差大的原因及处理措施
⑴沉管前桩尖对位时不准确。沉管前桩尖对位应准确，经检查后方可开始沉桩。
⑵因土质松软，经成管机械来回走动和施工中产生的振动影响,土体移动，未施工的桩位标志产生位移。桩机就位后进行二次复验。
8 结束语
碎石桩作为一项软弱地基处理技术，施工操作简单,造价低，效果好。本文以六盘水机场高填方软基处理工程为背景,从施工原理、施工工艺以及质量、安全和环保控制等方面，详细介绍了该项技术的施工情况。实践证明,通过上述措施加固软弱地基,有效的提高了软土地基的承载能力，较好的解决了由于软土地基承载力低导致的边坡失稳和不均匀沉降问题。