1、1碎石墊層在碎石樁復(fù)合地基中的作用The action of broke n stone beddi ng course for composite groundwith gravel pile藍(lán) 冰 鄧新德（廣東有色地質(zhì)勘查局 932 隊(duì) 韶關(guān) 512026）摘 要本文通過對(duì)復(fù)合地基受力性狀的分析，結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)和處理檢測(cè)結(jié)果，全面論述 了碎石墊層在碎石樁復(fù)合地基中的必要性。關(guān)鍵詞碎石墊層振沖碎石樁復(fù)合地基必要性AbstractIn this paper through the analysis about the mechanical behaviors of composite gro

2、und and combining theexperieneeof practicalconstructionwork and the inspectingresults ofgrou nd treatme ntthen ecessityofbroke nstonecushi onfor composite grou ndwith gravel pile is dissertated overall .Key wordsbroken stone bedding course ；vibro-replacementstone column; compositeground ； necessity丄

3、、八、亠1 冃I言碎石樁復(fù)合地基作為軟土地基處理的 一項(xiàng)技術(shù)，以其機(jī)具簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、質(zhì) 量易控制、既經(jīng)濟(jì)又有效而廣泛應(yīng)用于軟 土地區(qū)。碎石樁為散體材料樁，是依靠碎石置 換軟土，并形成高強(qiáng)度（相對(duì)軟土）的樁 柱體來提高承載力和減小沉降的。本文擬 從許多規(guī)范和工程設(shè)計(jì)實(shí)例的遺漏或不 足，通過對(duì)復(fù)合地基受力性狀的分析，結(jié) 合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，提出 碎石墊層在碎石樁復(fù)合地基中是必不可少 的，沒有碎石墊層就不能稱其為碎石樁復(fù) 合地基。2碎石樁復(fù)合地基受力性狀分析第一作者簡(jiǎn)介 藍(lán) 冰，男，1971 年生，桂林冶金地 質(zhì)學(xué)院地質(zhì)系畢業(yè)，廣東有色地勘局 932 隊(duì)信息技術(shù)合 同部經(jīng)理，主任工程師

4、，主要從事軟土地基處理施工、設(shè)計(jì)與研究工作。電話：（0751） 8774826復(fù)合地基按增強(qiáng)體材料分類可分為： A、散體材料樁復(fù)合地基； B、 柔性樁復(fù)合 地基 （又稱弱膠結(jié)材料樁復(fù)合地基）。本 文只針對(duì)散體材料樁復(fù)合地基中的碎石樁 復(fù)合地基進(jìn)行分析與研究。碎石樁是依靠樁間土的側(cè)限阻力而成 樁的，它既不傳遞摩擦力也不依靠端承力 來承受荷載。復(fù)合地基提高承載力減少變 形的作用是依靠樁土協(xié)調(diào)作用來實(shí)現(xiàn)的， 散體材料樁承受的豎向荷載有一部分轉(zhuǎn)化 為樁間土承受的水平荷載，使樁間土的受 力狀態(tài)從原來單純的垂直向受力狀態(tài)改變 為以水平向受力為主的空間應(yīng)力狀態(tài)，這 是散體材料樁復(fù)合地基的一個(gè)重要特性， 也是

5、與柔性樁復(fù)合地基的本質(zhì)區(qū)別。樁間 土抵抗這種水平荷載的阻力隨深度的增大 而增大，這可從 Hughes和 Withers 的試 驗(yàn)（見圖 1）得證，即樁間土抵抗樁體的 側(cè)向位移的阻力隨深度增大而增大。圖中 說明，深度為兩倍樁徑范圍內(nèi)的側(cè)向位移 比較大，深度超過（23） D 時(shí)，側(cè)向位 移可忽略不計(jì)。2碎石樁復(fù)合地基承載能力決定于兩個(gè) 因素的四個(gè)方面，一個(gè)因素是碎石樁柱 體，包括樁體自身的承載能力和樁體在荷 載作用下樁間土產(chǎn)生的圍壓對(duì)其承載能力 提高產(chǎn)生的影響兩個(gè)方面；另一個(gè)因素是 樁間土，包括樁間土對(duì)樁體的側(cè)限能力和 樁間土通過樁體排水固結(jié)后強(qiáng)度得以改善 的程度兩個(gè)方面。碎石樁復(fù)合地基變形的組成

6、包括樁體 的自身沉降和樁間土的變形兩部分。樁體 的自身沉降是以樁柱體在荷載作用下的壓 脹變形為主，對(duì)于樁間土的變形則是以壓 縮變形為主。復(fù)合地基置換率多為 0. 2- 0.4，即壓脹變形可忽略不計(jì)，可近似 認(rèn)為樁、土變形均是由壓縮變形引起的， 因此，在荷載作用下，碎石樁復(fù)合地基變 形可近似認(rèn)為由樁頂?shù)淖冃魏蜆堕g土表面 的變形構(gòu)成(如圖 2)。 說明了碎石樁復(fù) 合地基表面和淺部性能對(duì)地基處理的效果 起決定作用。圖 2 碎石樁復(fù)合地基P-S 曲線示意圖0510 152025徑向位移/D (%)33碎石墊層在復(fù)合地基中的作用由廣義虎克定律得知：Ep =3zup(3x+3y)/eZ樁體變形模量 Ep

7、是樁體受到的綜合應(yīng)力Szyp(Sx+Sy)與豎向應(yīng)變Z的比 值，其中 y p(Sx+Sy)表示樁周土的 側(cè)限阻力。說明復(fù)合地基工作的前提是樁 土協(xié)調(diào)一致！如何使樁、土協(xié)調(diào)工作，應(yīng) 力分配合理也就成為復(fù)合地基研究的一個(gè) 課題，比較簡(jiǎn)便和有效的方法就是鋪設(shè)墊 層。3. 1 墊層作用眾所周知，在荷載作用下碎石墊層可 以通過碎石的流動(dòng)補(bǔ)償性調(diào)整樁、土應(yīng)力 分配和復(fù)合地基變形，使基礎(chǔ)-復(fù)合地基 共同作用。特別是在碎石樁復(fù)合地基中， 由于碎石墊層材料與樁體材料一致，更使 墊層樁體樁間土成為有機(jī)的一 體，協(xié)調(diào)作用更為明顯。3.1.1 碎石墊層的拱效應(yīng)：試驗(yàn)表明，復(fù)合 地基在受荷初期，應(yīng)力開始向樁頂集中， 樁

8、頂沉降大于樁間土沉降，說明碎石墊層 中卸載拱已經(jīng)形成，拱腳位于樁頂，荷載 經(jīng)卸載拱傳向樁頂，而位于卸載拱下面的 樁間土所受應(yīng)力則大大減小。3.1.2 調(diào)整樁、土應(yīng)力比：由于樁頂和樁間 土的沉降不同，調(diào)動(dòng)碎石墊層的流動(dòng)補(bǔ)償 性，逐步調(diào)整樁、土應(yīng)力比，不使應(yīng)力過 分集中在樁間土而造成復(fù)合地基上部整體 剪切破壞或應(yīng)力過分集中在樁體上而造成 鼓脹和刺入破壞。經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整和 協(xié)調(diào)工作，樁、土應(yīng)力趨于合理分配狀 態(tài)，此時(shí)，復(fù)合地基即處于平穩(wěn)狀態(tài)。3.1.3 保護(hù)表土和改善接觸條件作用：實(shí)踐 證明，邊施工碎石樁邊鋪設(shè)碎石墊層能避 免施工機(jī)械對(duì)施工后的復(fù)合地基表土的擾 動(dòng)，在軟土地基中還可以改善表層排水

9、條 件，使表土強(qiáng)度有所提高；同時(shí)，能改善 基礎(chǔ)與復(fù)合地基的接觸條件防止地基反力 不均而造成“脫空”或基礎(chǔ)傾斜。3. 2 碎石墊層厚度與復(fù)合地基工作性狀關(guān) 系建筑地基處理技術(shù)規(guī)范 (JGJ79 -91)規(guī)定在振沖碎石樁樁頂應(yīng)鋪設(shè)一層 2050cm厚的碎石墊層,而其他有關(guān)規(guī)范 如：公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù) 規(guī)范(JTJ01796)卻未有此項(xiàng)要求。 據(jù)有關(guān)復(fù)合地基的研究與模型實(shí)驗(yàn)得知， 隨墊層厚度的增加，樁頂應(yīng)力減小，土頂 應(yīng)力則增加，并隨上部荷載的增加，此現(xiàn) 象更為明顯，這樣可使樁土應(yīng)力比最大值 下移，而樁周土的圍限力則隨深度加深而增大(見圖 1)，避免了剪切破壞和鼓脹 破壞。但是，在某一墊

10、層厚度下樁頂應(yīng)力 減小和土頂應(yīng)力增加皆趨于平緩，說明復(fù) 合地基有效發(fā)揮樁、土承載性能存在一合 理的墊層厚度，試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為合理的墊 層厚度為 3050cm 繼續(xù)增加厚度在技術(shù) 上已無意義，且經(jīng)濟(jì)上不合理。3. 3 工程實(shí)例結(jié)果對(duì)比分析碎石樁根據(jù)其制樁工藝可分為： 振沖 碎石樁和干法碎石樁兩大類。采用振動(dòng)水 沖工藝制樁的， 稱為振沖碎石樁， 采用各 種無水工藝(干振、振擠、錘擊、強(qiáng)夯 等)制樁的，統(tǒng)稱為干法碎石樁。本文僅 對(duì)振沖碎石樁實(shí)例進(jìn)行分析。3.3.1 廣州廣園東路 A9 標(biāo)段振沖碎石樁工 程:場(chǎng)地軟土為淤泥及淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，設(shè) 計(jì)碎石墊層厚度為40Cm經(jīng)碎石樁復(fù)合地 基處理后復(fù)合地基較快穩(wěn)

11、定， 表面堅(jiān)實(shí)，碾壓未有反彈現(xiàn)象。單樁復(fù)合地基載荷試 驗(yàn)對(duì)比得知，有墊層的單樁復(fù)合地基載荷 試驗(yàn)沉降較小，當(dāng)取 s/d=0.02時(shí)對(duì)應(yīng)的 荷載也較高，且每加一級(jí)荷載沉降皆能很 快地穩(wěn)定下來。筆者曾在 10cm 厚的碎石墊層上作兩組單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，對(duì) 比無墊層下的單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，結(jié) 果表明，無墊層下的復(fù)合地基承載力基本 值絕大多數(shù)為 100110Kpa,而有墊層下的 試驗(yàn)結(jié)果卻是基本值全部為大于120Kpa4(為與檢測(cè)單位的數(shù)據(jù)作對(duì)比，基本值皆 取s/d=0.01 時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，未按建筑 地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ79 91)中有 關(guān)要點(diǎn)檢測(cè))。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有墊層的復(fù) 合地基性狀比無墊

12、層下的復(fù)合地基性狀有 明顯的改善。3.3.2 廣州華南路 1 標(biāo)段振沖碎石樁工程 場(chǎng)地軟土為淤泥及淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土， 設(shè)計(jì)無碎石墊層，1 期工程經(jīng)筆者建議， 鋪設(shè)有一定厚度墊層，檢測(cè)基本在墊層上 進(jìn)行。U 期施工時(shí)有鋪設(shè)墊層，但施工完 后又立即被鏟平，檢測(cè)在天然地面標(biāo)高處 檢測(cè)，壓板下無墊層，其檢測(cè)結(jié)果明顯差 于 I 期有墊層下的試驗(yàn)結(jié)果，施工后直接 填筑路堤，填土碾壓過程中出現(xiàn)反彈和蠕 動(dòng)現(xiàn)象，四個(gè)月后仍無法消除。分析認(rèn)為是無碎石墊層作為過渡層造成表土擾動(dòng)及 表水無法外排的原因，后經(jīng)作表面疏水措 施后才消除。兩期試驗(yàn)結(jié)果如下：試驗(yàn)結(jié) 果匯總表表1 和表 2 及圖 3 華南路兩期靜 載試驗(yàn)

13、Q S代表曲線圖。表 1I期試驗(yàn)結(jié)果匯總表試驗(yàn)試驗(yàn)承載力設(shè)計(jì)極限承載力大沉降殘余沉降Pa 對(duì)應(yīng)沉降序號(hào)上口 點(diǎn)號(hào)值 Pa(kPa)Qj(Kpa)(mm)量(mm)量(mm)12 7 2 01 2 02 4 011.407.503.0826 6 51 2 02 4 011.037.243.083115 01 2 02 4 08.755.122.34415 7 51 2 02 4 012.628.102.7451 7 01 2 02 4 011.947.892.7663 8 01 2 02 4 013.388.782.5975 6 51 2 02 4 024.9317.678.09表 2n期試驗(yàn)結(jié)

14、果匯總表試驗(yàn)工程樁長(zhǎng)樁徑承載力設(shè)計(jì)極限承載最大沉降殘余沉降Pa 對(duì)應(yīng)沉降編號(hào)樁號(hào)(m)(mm)值 Pa(Kpa)力 Qu(kPa)量(mm)量(mm)量(mm)17.06001202403 2 . 6 115 . 1115 . 8 027.06001202403 0 . 7 214 . 6 913 . 9 237.06001202404 2 . 4 02 1 . 8 919 . 2 25兩期檢測(cè)結(jié)果表明，1 期有墊層下 的復(fù)合地基 Pa 對(duì)應(yīng)的沉降量平均為 3.526mm 最大沉降量平均為 13.44mm n 期無墊層下的復(fù)合地基 Pa 對(duì)應(yīng)的沉降量 則平均為16.313mm,最大沉降量平均為

15、 35.24mm。圖3 中載荷試驗(yàn) Q S 曲線表 明：I 期 170 井樁曲線回彈系數(shù)為 33.9 %，回彈性能一般，穩(wěn)定性好；n 期 試驗(yàn)編號(hào) 1#樁曲線回彈系數(shù)為53.7 %, 回彈性能很好，穩(wěn)定性一般。對(duì)比說明有 墊層下的復(fù)合地基能使樁、土強(qiáng)度充分發(fā) 揮作用，從而提高復(fù)合地基性能。3.3.3 廣園東路、華南路處理效果對(duì)比：廣 園東路A9標(biāo)段振沖碎石樁處理工程設(shè)計(jì)碎 石墊40Cm 施工完后 30 日，沉降基本趨于 穩(wěn)定，碾壓過程未出現(xiàn)反彈和蠕動(dòng)等不良 現(xiàn)象，據(jù)沉降和位移觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明， 復(fù)合地基性能完全符合路堤填筑要求。而華南路 I標(biāo)第 I期工程， 復(fù)合地基基本能 穩(wěn)定，第 n 期本已

16、鋪設(shè)墊層，但因設(shè)計(jì)未 作墊層，工作量不予計(jì)量，造成總包單位 將墊層鏟起作它用，以至四個(gè)月后復(fù)合地 基仍無法穩(wěn)定下來，也延誤了該標(biāo)段的竣 工日期。對(duì)比說明，碎石墊層作為復(fù)合地基與 路堤的過渡層，能有效地加快復(fù)合地基的 穩(wěn)定時(shí)間，應(yīng)視為復(fù)合地基不可分割的一 部分。4無墊層作用下的碎石樁復(fù)合地基工作性狀無墊層作用下的碎石樁復(fù)合地基，荷 載直接作用在樁頂和表土上。由于碎石樁體頂部初期自身沉降較 大，特別是振沖碎石樁，初期沉降大于樁 間土的沉降，造成荷載初期集中在樁間土 上，當(dāng)荷載較大特別是樁身上部質(zhì)量又較 差時(shí)易使樁與樁間土一道構(gòu)成鍥形滑 體，產(chǎn)生淺部整體剪切破壞。隨時(shí)間的推 移，碎石樁體自身沉降完成

17、，碎石樁柱體 的應(yīng)力集中逐漸起作用，荷載向樁體集 中。由于樁間土強(qiáng)度較樁體低很多，此時(shí) 樁間土沉降大于樁體，樁間土可能沒有分 擔(dān)或僅分擔(dān)極少部分荷載。這樣，荷載過 分集中于樁體上，在 4D(D 為樁徑)深度 范圍內(nèi)，樁體側(cè)向變形增大，擠壓樁間土，而樁間土在淺部的側(cè)阻力較小，且因 分擔(dān)的荷載小而無法靠上部受荷的增大來 增加153045圖 3 華南路兩期靜載試驗(yàn) Q- S 代表曲線圖6側(cè)阻力，也就無法通過樁間土側(cè)限阻 力的增大來提高樁體強(qiáng)度，當(dāng)樁體側(cè)向變 形產(chǎn)生的側(cè)擠力大于樁間土的側(cè)阻力時(shí)， 樁體產(chǎn)生鼓脹破壞；同時(shí)，因荷載集中于 樁體上，當(dāng)樁底為軟土?xí)r，應(yīng)力擴(kuò)散至軟 土?xí)r也易造成樁底刺入破壞。因此

18、，無墊 層作用下的碎石樁復(fù)合地基隱患較多，這 些隱患應(yīng)靠碎石墊層的協(xié)調(diào)作用來消除， 許多工程失敗的原因皆在于未把碎石墊層 作為碎石樁復(fù)合地基不可分割的一部分來 看待。5 結(jié) 語(yǔ)經(jīng)以上的理論分析和工程實(shí)踐證明：(1)墊層能產(chǎn)生卸載拱作用。(2)墊層能有效地、合理地調(diào)整樁、 土應(yīng)力比，使樁、土應(yīng)力比最大值下移到 樁頂下某一深度，充分發(fā)揮樁、土強(qiáng)度。(3)墊層可作為表土排水措施，加速 表土的“殼”化。(4)墊層可改善地基與基礎(chǔ)的接觸條 件，使基礎(chǔ)復(fù)合地基協(xié)調(diào)工作。(5)碎石樁復(fù)合地基工作是通過碎石 墊層碎石樁體樁間土的協(xié)調(diào)工作 來完成的。(6)碎石墊層在碎石樁復(fù)合地基中是 非常重要的，且存在一合理的厚度，試驗(yàn) 證明20 50cm 比較經(jīng)濟(jì)、技術(shù)合理。參考文獻(xiàn) :1向春堯 . 復(fù)合地基設(shè)計(jì) . 見：林宗元主 編 . 巖土工程治理手冊(cè) . 沈陽(yáng)：遼寧科 學(xué)技術(shù)出版社，1993.38672張東剛 . 復(fù)合地基成樁及受力特性的分析 . 巖土工程師 ,1999,11(1):1