对振动沉管碎石桩的几点认识

对振动沉管碎石桩的几点认识摘要：本文结合工程实践对低置换率的振动沉管碎石桩复合地基的试桩效果、荷载板对静荷载试验成果的影响、桩顶垫层的作用、桩间土性状、重型动力触探检验成果等进行了分析总结。关键词：试桩效果桩顶荷载试验检验一般认为，振动沉管碎石桩对松散砂土和粉土的作用机理主要为挤密作用、振密作用及排水作用（抗液化），对粘性土主要为置换作用及排水作用。设计时置换率通常取10％~30％，砂土粉土中取低值，粘性土中取高值，从节约工程造价的角度出发，一般应尽量选用较低值。本文将结合工程测试对低置换率振动沉管碎石桩复合地基谈几点看法。1试桩效果试桩的目的是为了检验设计参数、施工工艺及施工控制要求能否满足设计指标，《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）（以下简称地基处理规范）等相关文献指出试桩数量不应少于7~9根。既然是试桩，数量通常较少，较少的桩数可以确定施工工艺，但能否据此全面准确地评价地基处理的效果，笔者认为一定要谨慎，尤其在淤泥类软弱土层中。以深圳市宝安区某市政道路工程为例。碎石桩复合地基设计参数分别为：桩径Φ400，桩距1.3m，正三角形布置，m=8.6%，填料为1~5cm碎石，设计复合地基承载力特征值为140kPa。试桩13根，试桩处地质状况自上而下分别为：①素填土，层厚2.8-3.1m，结构疏松，由砂质亚粘土组成；②淤泥，层厚1.7~1.9m，流塑，具腐臭味；③含砂亚粘土，层厚1.3~1.7m，可塑，砂质含量约35％；④中砂：层厚1.4~1.8m，饱和，稍密；⑤砂质亚粘土。试桩长度7~8m，大面积施工时桩长7~10m。试桩前后、大面积施工后桩间土的土工参数如表1所示，取土位置于正三角形中心。碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果如表2所示。另外某路基处理工程碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果如表3所示（碎石桩设计参数与前例相同）。上述两工程均进行了复合地基承载力静载荷试验，由于试验最大荷载为2倍设计承载力特征值（280kPa），故不能判断大面积施工后与试桩时相比复合地基承载力提高的幅度。试压荷载为280kPa时总沉降量如表4所示。表1试桩前后、大面积施工后桩间土的土工参数卸土层消施工状况盐含水助量零w(%)售湿重度毒ρ叔0腿(剂kN/m虫3励)悠干重度娇ρ赢d含(直kN/m抗3父)益孔隙日比即e椒0贼塑性重指祸数轧I降p么液性辩指驶数恒I敢L丰压缩模魔量童E达s测(缠MPa)赴素填土肚试桩前批19.0医17.5腾14.6城0.830叶11.8翼<0匪3.67昂试桩后毯22.7黑18.7沟15.3豪0.750形10.9沙<0胡3.64万大面积施工后位21.4集18.7竿15.4摩0.737摊13.3孟<0哈5.50铅淤泥摩试桩前境89.5真15.1任8.1盈2.227艺20.5纽2.47蜓2.24童试桩后怨47.3叫16.9跌11.5屠1.342向11.7垄1.41叫3.09汤试桩后变化率达-47.2%红11.9%震42.0%吩-39.7%皇-42.9%裁-42.9%肆37.5%侄大面积施工后翻39.1隆18.0们13.2牛1.127趴13.6怪0.66裂5.33祸与试桩前相比忘-56.3%昨19.2%兆63.0%泡-49.4%沾-33.7%喉-73.3%棍137.9%怎与试桩后相比钥-17.3%汇6.5%检14.8%好-16.0%烫16.2%听-53.2%外72.5%尝含砂亚粘土泻试桩前敬17.0您20.2坑17.4洁0.543典11.2耍<0毕4.54馅试桩后硬28.1耗18.6坐14.6护0.856绵12.4虎0.54外4.56诊大面积施工后仅19.5哑20.3萌17.0庄0.585绣12.2棒0.10杯7.31表2碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果详土层状况研素填土段绸淤泥段剂含砂亚粘土段北桩端土涝试桩击数家2~淹7做击戚4~脆5候击声7~1栽2检击历8~1久0舞击候大面积施工后球击数含7~1亭3励击监11~1宿8脚击惹13~4称0塞击麻22~2启7沿击表3工程2碎石桩重型圆锥动力触探（N63.5）成果嚷土层状况喂素填土（含砂念粉质粘土）段去粉土（砂）段柴深度去0~3m示3~10m目试桩击数铃2~艇6本击浴5~存9恩击猎大面积施工后炕击数堵7~1屋6惩击价11~4蠢4吗击表4试压荷载为280kPa时总沉降量福不同工况下沉犯降量羞工见程访1汇工情程虽2乔试桩时荷载超为纷280kP辆a塑时总沉降拌量吼(遵mm)抬90~104翠94~137寻大面积施工后冬荷载套为袍280kP碧a衬时总沉降既量晒(膛mm)各11~21量16~37从表1~3可以看出，大面积施工后桩间淤泥的物理性状较试桩后仍有较大改善，素填土及含砂亚粘土的物理性能指标变化不大，但压缩模量及重型动力触探击数有较大提高，从表4可以推断复合地基的承载力特征值肯定也有提高。笔者认为以下几个因素可能导致了这种改善：①地下水位的降低。前述工程1、2试桩时桩孔内水位很高，基本上距孔口均不足1m，大面积施工后，由于碎石桩的排水及蒸发作用，地下水位均下降了1~2m。地下水位下降相当于对土层进行了预压，改善了土的性状。随着土体强度的增加，土体对碎石桩的约束增强了，所以碎石桩的强度也增加了。此外，表层土失水干燥后可以碾压得更密实，能够有效地提高承载力特征值。②固结作用与触变效应。试桩检验一般在试桩完成28天后检验，而大面积施工时竣工检验往往在施工几个月后。由于淤泥的灵敏度高，触变性强，其强度恢复的时间也较长。淤泥的固结度随着时间而提高，若达到完全固结，在排水条件良好的情况下往往需要几个月的时间，在这几个月的时间中，淤泥的强度在不断提高。③挤密及振密作用。试桩的数量很少，对桩间土进行的挤密及振密作用自然无法与大面积施工时相比。此外，后施工的桩对先施工的桩有振密作用，大面积施工时效果显然也更好。险设计时通常以月试桩时取得的枪各种参数作为启指导大面积施治工的技术参数嫂。这种作法是感偏于安全的，数但有时会造成醉保守，从而增窑加了工程造价削。狡2惑载荷板宽度朱表店5廉是前述两个工锋程试桩时进行衬的静荷载试验苏成果。相对变罪形晌值垮s/蔬b演＝课0.0炕2烦时对应的荷载怒即对阴于不1m×1轻m医板剧、译2m×2纷m池板沉降量绝对敲值分别宿为添20m润m塘、婶40m旁m页时对应的荷载接。表5芹荷载板尺寸溉最大试验荷廊载吓(猪kPa)绕总沉降跨量煤(沃mm)遵第一级荷范载格(承kPa)瞒第一级荷载下否沉冻降畅(摆mm)米第一级荷载下率沉降量抗占朗s=0.02僵b他比例闹回弹率汪s/b=0.祖0指2总时的荷爆载域(秧kPa)粒工纳程都1阁1m×1m决300华94.09云75(25%感)鉴9.02辛45.1%喜16.6%迹128所1m×1m余300框74.88险75(25%耗)周12.47旺62.4%虫18.4%市121坏1m×1m协300小81.75箱75(25%鞭)茎8.61扭43.1%钳17.1%粱118顷2m×2m发280罪93.88婚56(20%即)悄10.21召25.5%滑19.2%乐175东2m×2m丘280去137.09爸56(20%仔)茶19.80坟49.5%铺13.8%而142拴工矛程巨2轨1m×1m仪262育80.31岩75(29%米)刘9.27廊46.4%浊20.5%坟106普1m×1m站225衬63.94竭75(33%慰)流11.32疲56.6%申22.2%胞108舞1m×1m巷225偶80.36况75(33%灾)心12.06切60.3%扛13.0%悼100娇2m×2m搜280传93.88设56(20%如)矩13.56柳33.9%远12.9%专210蚂2m×2m发280底137.09径56(20%虽)张18.17路45.4%邮17.8%挥155乓从赏表牛5趟可以看出，按拉相对变形值确孟定复合地基承膨载力特征值时伏，宽度大的荷买载板得到的特州征值要大一些情。试验时先谦做爸1福m秋板，后轨做坐2撑m乘板，由于试桩寻区面积小，所紧以并不能排除站做素1觉m蛙板时应力扩散风引起地基土强俯度提高的可能柳性。但这种影舞响或许很小，昼主要因为试验键间隔时间较短销，桩间土强度看还来不及提高咸。砌当董按饲s/料b晌值确定复合地虏基承载力特征要值时，按弹性点力学理论，特虾征值应与荷载达宽度的绝对值秘无关。在地基穷处理等规范中片，对荷载试验便的荷载板的宽装度没有加以限敞定。但实际情臣况也许并不完太全符合弹性力捕学理论的假设戚条件。笔者一魂直认为载荷板晨宽度对载荷试告验成果有较大崭影响，即当其烛它条件完全相若同时，按宽度彩大的载荷板得洞到的复合地基仔承载力特征值疲要更大一些，疾并试图对这种那现象进行过解盯释（参见《地着基处理猜》桑200匪4敢年挺9姐月《对复合地煌基荷载试验标安准的一些探讨蹲》一文）。笔课者认为，主要酬可能是不同深唱度复合地基强济度的差异性导肿致了这一现象变。一般来说，浸桩、土及复合淋地基的强度在帜表层总是要低俯一些，在自重聚应力等的作用们下，随许着深度增加而故提高。设复合稼地基表面较松券散层的厚度仍为辜H易1悦，根据沉降计眨算公铸式虾s亏1挽=锯Δ抛p×挥H愚／狐E宇s乘，嫩1意m略板展与欠2侄m叙板的附加应力腰Δ惊p尼相同，故沉降赴量弱s助1武相同。当相对造变形值一定时塑相应的沉降绝尸对值随板宽不翁同而不同，如温当借取胞s/b=0.西0愈2侨时济，婶1静m腿板间及泄2塌m链板究s乔的绝对值分别法为幅20m到m赞及历40m路m底。碍s暂1呢占刘s广的比例不同，续即质量较差的炭表层对不同宽握度的荷载板的俊沉降的影响不鼓同，对板宽小领的荷载板试验尽的影响要大一骂些。同时，由越于宽度大的荷妻载板的影响深桶度更深，而随心深度增加土及益复合地基的强归度一般会增高员，较深滨处祸“举好盼土俯”掠的沉降才占跑s贪的比例随着载盲荷板宽度的增雾大而增加，尚即区“册好卵土虹”校对织s充的影响要更大惰一些。3桩顶昂路基处理完成折后要进行质量怀检验。当使用瓜静载荷试验进郑行承载力检验贱时，检验荷载务通常远大于路组基的使用荷载成。深圳地区路阶基处理的检验裕荷载一般加为逢120kPa捐~140kP诊a风。碎石桩桩冲顶胖1~2脆m给范围内由于约尝束较弱形成松半散层，该层对彩承载力检验的麦影响至关重要慨。碎石桩在淤翼泥类软弱土层保中形成的复合宪地基，如果桩信顶不进行处理摄，其承载力及崇回弹模量仍很但低，上述工哀程日1诞大面积施工后龄在淤泥层顶面魔上进行仇了胀2成m灭板的复合地基敲载荷试验，尽泡管淤泥的性状雕得到了很大的挤改善，但承载燕力特征值挖仅欲45kP小a晴（原状淤泥承温载力特征值仆＜可35kP隶a右）。当淤泥上葬覆素填土厚度四达泛50c夸m确时，试验承载息力特征值多为岸98kP误a争。上覆素填土沟厚度由达归1词m阿以上时，试验谦承载力特征值亿均大昼于袭140kP避a语。淤泥上覆素错填土碾压后形等成了应力扩散复垫层，从而使蹄复合地基承载董力大幅度提高吉。该垫层的作敏用不同于通常楚在桩顶上设置净的砂石垫层。舅砂石垫层的主诱要作用一是作眠为路堤与软基奴之间的水平排敏水通道，排出负孔隙水以保护裕路堤，二是作乌为复合地基的熔褥垫层，协调慌桩体与土体更尺好地共同工作昨，其厚度通沈常雄30~50c蜜m缩。但上述应力块扩散垫层的主粥要作用是扩散斜检验荷载，提润高回弹模量，杆满足承载力检魄验及工后使用倒荷载的要求。丰该应力扩散垫汗层一般较厚，秋可与砂石垫层伯相结合。由于机淤泥类软土不池能通过碾压或鸽夯实手段得到树密实，通常要村挖除换填。工愤程渡1膛为了满足检验芳及使用要求，支在淤泥层上覆忌土厚度不尖足支1促m连的区域均进行贵了桩顶换填，拢换填垫层厚才度猛1.3版m左，换填垫层底徒层任为鬼50c晋m蕉碎石，中间戚为村10c魂m联石粉渣填缝层航，以上宝为蓬70c如m或素土。换填厚宏度按换填垫层性法计算，扩散丢角以按约30宾°楚考虑。换填后艳试验承载力特汇征值达到彩了降140kP屑a肾。蓄即使在较好的不土层中，也要给重视桩顶松散渔层的夯密压实拖工作。振动沉朋管桩机对土层碌除了挤密振密址作用外，还有无振松作用。工扭程谷2傍试桩时对桩间享土的土工试验盾参数如脊表贸6阅所示。从表中刺可以看出，表芬层素填土阁（赞0~3核m薄）的性状指标湖几乎全部下降趟，较深处（唤＞懒3色m妻）的粉土的性渣状指标几乎全蛋部提高。施工尽后如果桩顶松亦散层没有得到堡夯实压密，地润基处理后承载终力反而会下降淘。前述工胞程酸1淘、工翅程广2赵试桩时载荷试古验第一级荷载犁下的沉降量明急显偏大，回弹衬率偏低，说炊明了桩顶松散炒层没有压实。隔实际情况也确损实如此。由于聪试桩区面积小碎，地下水位较嗓高很难降低，狭压实机械很难饼作业，所以表树层土没有得到妨密实，这样就帐造成了载荷试歼验得到的复合压地基承载力特栋征值偏低。为花减少这种影响耍，笔者一直认灾为载荷试验时懒应先按总荷载茂的等10%~20障%气进行预压。筝表肃6芹俗工兽程军2展试桩时桩间土雪的土工试验参械数涝土层巩施工状况框含水践量甚w(%)斜湿重度讨ρ拿0筛(疏kN/m彩3祥)矿干重度时ρ则d刊(维kN/m交3参)狡孔隙貌比某e脏0彩塑性辽指糊数伐I脑p指液性牙指诚数房I节L嚼压缩模斧量牺Es隆(尾MPa)宇素填土绍试桩前损19.5叹19.9腔16.6痕0.601帜11.0坛<0达4.66僻试桩后舌21.5风18.4她15.1宣0.528筑11.8倚<0蠢3.50居粉舟土鸽(积砂盒)弹试桩前饼24.7容19.0桌15.2纯0.751驾8.4森1.31痕5.35揪试桩后旷19.7权20.5录17.1捐0.548胶6.9户0.83岩6.244桩间土报对淤泥等软土晶进行碎石桩处筝理的设计思路塑有两种，一种挽是在淤泥中形覆成竖向排水通端道，如同塑料因排水板或袋装骑砂井一样，之渐后往往再进行奴加载预压，另赴一种是形成复祥合地基，为了父达到较高的承警载力，需要较市大的置换率。泼地基处理规范泼对后一种设计忧方法进行了规吵定，复合地基观承载力特征值苏可根据桩及处驾理后桩间土的疾承载力特征值屡乘以置换率确写定。软土中碎磁石桩的单桩承规载力很低，当璃置换率较低时怠，其置换作用隶对复合地基的内贡献有限。在薪工散程签1乏进行的十几个利荷载试验中，牲看不出荷载板粉放置在碎石桩薪上与放置在桩秋间所得到的承筛载力特征值有咬什么区别。可凡以说，低置换飞率碎石桩对软甜土复合地基的慧影响主要是依拍靠桩间土特性恨的改善，这样领，设计时就必胆须要考虑桩间踏土性状的改善部程度了。深圳注西部通道填海宫与软基处理工永程中，填石路裙堤两侧的三角节体打设了碎石胀桩，直径坑Φ篇40姑0箱，长度最长里约谜20再m舌，正三角形布乘置，间制距洞1.5就m磁，场地处理采垂用正三角形布遮置间涌距渐1画m免的塑料排水板略。碎石桩打设杠后与场地同时披进行堆载预压锡。观测与试验渠资料表明碎石督桩对桩间淤泥喘的改善效果强冰于塑料排水板舟。前述工扬程肿1呜没有进行加载荷预压，桩间淤电泥的性状仍得泻到了大幅度的么改善，如慎表回1勇所示，十字板脾剪切对比试验忘成果如脚表撕7免所示。但这种妈改善事先无法忘准确预测，如顿同排水预压对纯地基土的改善在效果无法准确鹅预测一样，要派通过试桩前后魄的对比试验进鸣行分析比较。居这往往需要牺肉牲工期，建设遇方一般是不情极愿的。实际上酬，在软土中进挨行低置换率碎度石桩复合地基正设计时，目前午基本上依据设蒜计人员的工程处经验，尚无成键熟的理论可依匪循。派表钳7封十字板剪切塔试验成果汉土层无十字板剪切强该度岩Cu(kPa董)下灵敏度蝴试桩前店试桩后督试桩前跟试桩后峰素填土怜53.8乘62.7悦2.5贫2.1热淤泥破32.6趁48.2绣3.2孔2.1孤含砂亚粘土芹109.0孤102.2旗2.0驾1.9壳6集重型动力触樱探械工块程沈1亭进行了近百条许桩的重型动力踪触探应（孙N判63.5督），基本上均倒呈现了击数大畅体上随着桩深嚷的增加而增加贯的规律，同时各看不出在淤泥困层中的击数较蕉在其它土层中柔低，如需表努2昨所示。工窝程计2先进行了一百多塘条桩的重型动推力触探，不同璃土层中的击数烫范围如肿表剪3宴所示，深度－堡击数曲线变化枣呈现三种规律纷，如勒图津1胞