沉管碎石桩施工技术探讨

阎 岩

(辽宁省交通建设管理有限责任公司 沈阳市 110000)

1 工程概况

丹东大东港疏港高速公路项目起点位于辽宁省东港市北侧十字街镇龙潭村，通过东港枢纽互通式立交与鹤大高速公路(丹东至大连段)相连接，项目将丹东港并入辽宁省高速公路网，路线全长17.143km，于2015年8月开工建设。项目地处水田区、滩涂区和围海造田区，广泛分布淤泥，淤泥层厚度达3～10m，软土层具有含水量高、压缩性高、固结时间长等特点，全线的软基处理长度达16.376km。软基处理主要采用七种方式，分别为强夯、强夯置换、沉管碎石桩、振冲碎石桩、预应力管桩、水泥湿喷桩和高压旋喷桩。

碎石桩根据施工工艺的区分，主要有沉管碎石桩和振冲碎石桩两种，路堤填土较低的桥涵路段及一般路段可以采用沉管碎石桩处理，相比较而言，沉管法施工更加保护环境，节约造价。本工程全线共设沉管碎石桩145540根，合计1220737m，施工共分段落85个，段落总长度5103m。

表1 部分沉管碎石桩路段软土主要物理力学指标

2 沉管碎石桩的适用条件和材料选取

沉管碎石桩更适用于非饱和黏土、松散砂土、粉土、杂填土和素填土，本项目沉管碎石桩多设计于路基填高5m以内，且土质状况较好的路基段落。

本工程沉管碎石桩的材料采取就地取材的办法选取，且所选粒料满足一定的级配需求。用于一般软土地基加固处理的碎石桩，其粒料的最大粒径不大于50mm；用于抗剪强度小于20kPa的软土段落，粒料的最大粒径不大于100mm，粒径为50～100mm的粒料含量应占总粒料的50%～60%。各种级配粒料的含泥量都不应大于5%。

3 沉管碎石桩的主要作用

提高地基的承载力、减小变形、提高排水性能、增加土体抗液化性是沉管碎石桩作为软土路基加固的主要目的。沉管碎石桩对于加固路基、抗液化性能的机理主要有以下这三个方面：

(1)碎石桩的挤密作用

无论是沉管碎石桩或是振冲碎石桩，其在成桩的过程中，桩管会对周边砂层产生很大的横向挤压力，通过从中间向外围打桩或从一边推向另一边打桩等施工流程，可以将一部分液化严重的土体(淤泥)挤出土层，并将碎石挤向桩管周围的地基，达到降低地基孔隙率，提高密实度的效果。

在马铃薯生长后期，由于根系吸收能力降低，满足不了植株生长的需要，因此可配合使用叶面肥来弥补不足。具体做法是：在收获前15天左右，每亩用0.3%的磷酸二氢钾50～70千克，均匀喷洒在植株的上、中、下部的叶片。

(2)碎石桩的排水降压作用

使用碎石桩对地基进行加固处理时，桩孔内部填充的碎石粒料，可以在路基中形成渗透性较好的竖向排水降压通道，可以有效降低超孔隙水压力，防止土体液化的产生，加快路基的排水固结。

(3)碎石桩的基础预震效应

在沉管碎石桩施工时，管壁产生强烈的振动，使填充料和基础土地在受到挤密作用的同时，获得强烈的预振，一定程度提高了基础的抗液化能力，同时也可以起到垫层的作用，可将施加的荷载扩散，使应力分布更趋于均匀，从而提高了路基的承载力，降低了沉降量。

4 沉管碎石桩的施工与检测

4.1 施工技术探讨

沉管碎石桩的施工流程，可采取从一边推移至另一边的方式，也可以采取从中间向外施工的方式，这样做更利于挤出液化程度较高的路基土，提高路基承载能力。不应该从工区外侧向内侧施工，这样做会导致液化土向工区中间推移，造成中间桩体施工难度增加，也不利于抗载能力提升。对于一些土质较差、抗剪强度较低的粘性土路段，为了减少碎石桩施工对土体的扰动，也可以采取间隔跳打的方式。在临近有建筑物的工区施工时，应背离建筑物方向进行制桩。各种流程如图1所示：

沉管碎石桩的施工顺序应为：平整场地→布设桩位→桩机就位→开启振动器→沉管→按设计用量装料→振动拔管、反插及留振→施工至地面→下一桩位。

沉管碎石桩采用梅花式方式布置，桩的纵、横间距相等，分别采用1.2m、1.5m和1.8m。

桩位布置如图2所示。

图2 桩位布置示意图

沉管碎石桩的施工工序可以分为一次拔管法、逐级拔管法和重复压拔管法等。对于软土环境较差的路段，建议使用逐级拔管法和重复压拔管，可以有效地提高碎石桩的检测合格率。

根据现场施工总结可知，对于碎石桩桩长、桩径的控制，应时刻注意施工段落的地质变化情况；对于反插深度、振密段长度、留振时间和密实电流的把控，可以有效提升碎石桩的单桩密实度，确保桩体均匀，是提升沉管碎石桩总体施工质量的重要措施。

在沉管碎石桩施工时，如果平均每根碎石桩的成桩时间过快，会导致桩体松散，承载能力得不到保障；如果反插不到位，会形成“萝卜桩”，造成填料的分布不达标；施工中也应密切关注振密挤实的效果，防止发生“断桩”、“瓶颈桩”等质量事故；填料量在一定程度上决定了单桩的施工质量，其多少直接影响桩体的直径，应该在试验桩总结的投料量的基础上，保证每根碎石桩的碎石用量，并合理化填料的级配分布，避免出现因较大块石的影响，而导致密实度的检测指标不合格的情况发生。

4.2 成桩试验

由于软地路基的多变性和不确定性，在大规模施工沉管碎石桩之前，必须分段进行成桩试验，一般试桩根数在5～10根左右。试桩施工时，应对场地的安全防护进行有效安排，避免出现安全事故；相关技术人员应对施工全过程进行跟踪检查，并仔细记录桩管的沉入时间和深度，单桩投入碎石量及设备电流的变化等，从而确定桩体在施工状态时的各项指标，作为控制沉管碎石桩施工的指导和依据。

一般在施工结束的30 d后，进行桩体密实度、桩长等各项指标的检测。由于碎石桩的挤密作用，其密实性和抗载能力随时间的提升而提升，且本项目工期要求较紧，为了满足总体进度安排，对一些土质状况较良好的施工段落，在碎石桩(试桩)施工的7 d后，对其进行了密实性指标检测，合格段落即可开始下一阶段的施工；土质状况不良段落，在成桩试验30 d后进行检测，这样使施工安排更加合理，大大缩短了软土处理的施工工期。检测结果平均值见表2。

表2 沉管碎石桩密实度检测结果

检测结束后应对施工情况进行全面总结，以获取如桩管下沉速度、成孔时间、成孔速度、留振时间、达到密实度的电流值等各种满足设计密实度的技术参数，为接下来的大规模施工奠定基础。

5 沉管碎石桩的沉降观测

为保障路基施工总体质量，有效控制工后沉降，根据设计文件要求，在沉管碎石桩段落施工结束后，对该路段进行了沉降观测。沉降观测的装置在软土地基处理之后就开始着手埋设，在观测到稳定的初始值后，方可进行路堤填筑。

地表的沉降观测装置按照设计文件要求，根据软土路基路段沉降稳定观测布置图布置沉降板和位移桩，设置在道路中心和路堤两侧的位置。道路中心的沉降点应尽量避免和通信管道位置重叠，沉降板和位移边桩的布设也可以根据实际地形及施工情况做适当调整，但要确保沉降板与水平位移观测点布置在同一横断面上。

在之后的施工过程中，要不断增加中间观测点的长度，以确保路基填筑后仍能有效进行观测，并且保障各沉降点的牢固性。

各施工段组建软基处理沉降观测小组，按照施工期每层观测一次，临时中断施工期和间歇期3 d观测一次，在路基段落填筑完成后7 d观测一次的频率要求，对该路基段落进行沉降、位移的观测。观测结果平均值见表3。

表3 沉管碎石桩处理路基沉降观测值

每层路基填筑前，需在沉降观测完成后进行，沉降观测值满足要求后，方可进行转序施工。并按照沉降观测结果进行沉降分析，形成分析报告，单独建档留存，指导今后施工。

在路基、路面施工期间对软基沉降情况进行独立监测，监测断面数量应大于总断面的30%，形成监测记录、沉降分析报告及施工建议。

6 结语

2017年11月，丹东大东港疏港高速公路项目正式交工通车，在之后的一年时间里，继续对各软基段落工后沉降情况进行实时观测，并最终形成了该项目软土路基沉降观测总结报告。项目总体工后沉降达到了设计要求，其中沉管碎石桩的设计平均沉降量为317mm，实际平均沉降量为296mm，最小沉降量在K13+780断面为47mm，最大沉降量在CK0+260断面为616mm，为辽宁省今后软土路基施工处理提供了实践经验和依据。