浅谈碎石注浆桩法、强夯法加固软土路基

摘要：碎石注浆桩是一种由碎石和水泥砂浆胶结而成的小型钻孔灌注桩，通过浆液的渗透，加强桩与桩周土体的摩擦力，提高桩的承载力达到加固软土路基的目的。碎石注浆桩具有施工机具轻便、便于快速施工、施工场地要求低、施工噪音小、对施工周围居民影响小和施工工艺操作简单、便于施工质量的控制等优点。强夯法是通过一重锺自由下落，对地基土施加强大的冲击能，从而提高地基土的强度，改善土的物理力学性能的地基加固方法。

关键词：碎石注浆桩 强夯法加固 软土路基 施工

一、碎石注浆桩加固机理

碎石注浆桩主要是一种由碎石和水泥砂浆胶结而成的小型钻孔灌注桩，因此，从成桩工艺看，碎石注浆桩属于钻孔灌注桩，从桩的材料看，又属于胶结体桩。

浆液除在钻孔中渗透固结碎石成桩外，也向周围土体渗透，使桩体与土体间形成1个土和砂浆结合的过渡带，增加了桩与周围土体的摩擦力，所以注浆桩从受力特性和加固机理来看属于摩擦桩类。

注浆桩近年来有很大的发展，特别是在高速公路的地基处理中，可以很好地发挥它的优点。

1.施工工艺

碎石注浆桩的施工过程主要分为：钻孔、清孔、投石以及注浆四部分。

（1）钻孔：

主要采用GPS210型或与此相类似的工程钻机，钻头为鱼尾钻头或三翼钻头均可，采用泥浆护壁大泵量正循环方法作业。为了保证钻孔垂直，应随时测量，确保垂直度偏差小于1%，钻进过程中应不断检查泥浆比重，砂土应保持在1.17～1.25之间，淤泥质土应保持在1.20～1.25之间。孔深不得小于设计孔深。为了防止出现塌孔现象，孔顶应用钢筒加以保护。

（2）清孔：

分一次清孔和二次清孔。

（3）投石：

清孔之后应及时投放碎石，投石之前应将注浆管放至孔底，投放时为减少碎石冲刷孔壁，应在孔顶部加一碎石导向管，碎石的直径在20～40mm之间为宜，直到投石达到孔口标高。

（4）注浆：

主要是利用砂浆泵将水泥砂浆通过注浆管压入孔内。砂浆泵可以用SGB210型或与此相类似的砂浆泵，注浆管为普通钢管即可。砂浆材料主要为普通硅酸盐水泥，砂的粒径不应大于0.5mm，根据设计强度要求配比进行配置砂浆。当注浆达到一定量后，为防止泥浆在重力作用下向土体大量扩散，减小用浆量，应逐渐向上拔管，拔管速度应根据注浆量进行控制为主，每次拔管的间距为0.5m，并不间断注浆至孔口翻浆比重达到注入砂浆比重95%时，可一次拔管。在注浆的过程中由于注浆管的振动造成孔口石料下沉，为确保注浆质量，注浆过程中应不断补料。注浆后桩顶浆液会下沉，故应进行回灌作业，

2.桩身质量的检测

根据国家规范，桩身完整性检测的方法有以下4种：低应变动测法、高应变动力试验法、钻孔取芯法、声波透射法。对碎石注浆桩，目前常用的检测方法是：无损低应变动测法和钻孔取芯法。

3.碎石注浆桩复合地基承载特性分析

静载试验方法：对3根桩联合组成的复合地基进行静载试验，复合地基为六边形，如图所示，面积为24.4m2。

采用压重平台反力装置系统进行加载，试验加载方法按照规范进行，采用逐级加载法，取每级加载量为650kN，每级卸载量为每级加载值的2倍，试验终止条件仍按规范规定的单桩终止条件进行。试验时为了测定桩和桩周土压力变化情况，在桩顶和桩周土分别埋设土压力盒进行土压力观测。

二、强夯法加固软基

所谓强夯法是通过一重锺（8～30t，最重可达200t）自由下落（落距8～20m，最高可达40m），对地基土施加强大的冲击能（一般能量为500～8000kN·m），在地基土中产生冲击波和动应力，从而提高地基土的强度，改善土的物理力学性能的地基加固方法。强夯可以降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，强夯产生的夯击能还可提高土层的均匀性，减少将来可能出现的不均匀沉降。根据国外资料，经强夯处理的砂性土地基，其承载能力可提高200%～500%，压缩性可降低200%～1000%。关于强夯法的适用范围，最初仅用于加固砂土和碎石土地基，但经过30多年的发展和应用，它已适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土及黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基的处理。对饱和度较高的黏性土，一般情况下处理效果不显著，尤其是用以加固淤泥和软土地基，处理效果更差，使用时应慎重。

1.强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法，但还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方案，对强夯加固机理国内外的观点也不一致。由于强夯机理的复杂性，在研究时，首先应分为宏观机理和微观机理。其次，对饱和土与非饱和土更应该加以区分，在饱和土中，黏性土与非黏性土还应该再加以区分。另外，对特殊土，如湿陷性黄土等，也应该考虑它的特征。再次，在研究强夯机理时，应该首先确定夯击能量中真正用于加固地基的那一部分，而后再分析此部分能量对地基土的加固作用。根据宵测结果，强夯时突然释放的巨大能量，将转化为各种波形传到土体内，首先到达某指定范围的波是压缩波，振动能量以7传播出去，它使土体受压或受拉，能引起瞬时的孔隙水汇集。因此，使地基土的抗剪强度大为降低。紧随压缩波之后的是剪切波，振动能量以26传播出去，它会导致土体结构的破坏。另外还有瑞利波（面波），振动能量以67传播出去并能在夯击点附近造成地面隆起。对饱和土而言，剪切波是使土体加密的波。目前，强夯法加固地基有3种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换，它取决于地基土的类别和强夯施工工艺。

2.动力密实机理。

采用强夯加因子多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减少，土体变得密实，从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程就是土中的气相（空气）被挤出的过程，其夯实变形主要是由土颗粒的相对位移引起的。实际工程表明，在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击1遍后，其夯坑深度可达0，6～1，0M，夯坑底部形成1层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2～3倍。非饱和土在中等夯击能量1000～2000N的作用下，主要产生冲击变形，在加固深度范围内气象体积大大减少，最大可减少60。

3.动力固结机理。

用强夯法处理细颗粒饱和土，是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化而产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利溢出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同的看法，提出了饱和土是可压缩的新机理。这种动力固结机理可归纳如下：

（1）饱和土的压缩性。不论土地的性质如何，夯击时能立即引起地基土产生很大沉降，这对粒状土是可以理解的。但对渗透性很小的饱和细颗粒土，孔隙水的排出被认为是产生沉降的必要和充分条件，这是传统的固结理论的基本假定。由于饱和细颗粒土的渗透性低，因此，在瞬时荷载作用下，孔隙水不能排出，这样就无法理解饱和土在强夯时会立即引起很大沉降的机理。

（2）产生液化。在重复夯击作用下，施加在土体上的夯击能量使气体逐渐受到压缩。因此，土体的沉降量与夯击能力成正比。当气体按体积百分比接近零时，土体便变成不可压缩的。相应于孔隙水压力上升到与覆盖压力相等的能量级时，土体即产生液化。当液化度为100时，亦即为土体产生液化的临界状态，而该能量级称为“饱和能”。