柱锤冲扩桩法在某路基处理工程中的运用

　　摘要：针对近几十年兴起的柱锤冲扩桩新型地基处理方法，结合某路基处理工程实际对其加固机理和特点，重点对其冲击荷载作用、冲孔侧向挤密作用、孔内强力夯实作用、填料冲扩的二次挤密效应及施工技术等方面进行了阐述，对同类工程具有一定的参考意义。
　　关键词：路基处理，柱锤冲扩桩法，加固
　　
　　1工程概况
　　某道路规划为高速主干道，路基土体大多不能满足承载力的要求，路基场地有必要进行加固处理，本工程场地地质及水文条件具体如下：
　　（1）湿陷性粉土层：褐色，局部夹有煤屑，中压缩性，平均层厚4.5m，fak=80KPa；
　　（2）粉土层：褐色，中压缩性,平均层厚3.9m，fak=95KPa；
　　（3）粉质粘土层：棕色，低压缩性，平均层厚8.5m，fak=130KPa；
　　（4）粉土层：褐色，低压缩性，最大厚度5.0m，fak=165KPa。
　　场地20m深度范围内未发现地下水，II类场地土，为加固场地土体以提高其承载力，现采用柱锤冲扩桩法对其加固，因路基的承载力要求较高，处理后的复合地基承载力特征值不应小于200KPa。
　　2柱锤冲扩桩法概述
　　采用柱锤冲扩桩法加固地基，采用的柱锤为400mm直径，3m长度，锤重6t，现场通过起重机或其他专用起吊机械设备进行施工。施工时，先将柱锤提高到8~10m高度后放锤自由下落，在待加固场地土中冲击成孔，并不断反复冲击，孔深到设计深度时再向孔内分层填料、并逐层夯实使其形成致密桩体，同时又使孔内及周围土体得到充分挤密，使之成为复合地基。
　　3柱锤冲扩桩法加固机理
　　在柱锤冲扩桩法成孔及填料成桩施工过程中，通过对施工场地原状土的挤密、强力夯实、动力排水固结、填料成桩置换、水泥土的固结等作用，使地基土的承载力得到提高，土体得到充分加固。
　　3.1冲击荷载作用分析
　　在应用柱锤冲扩桩法加固地基施工过程中，其对土体的冲击速度最快时可高达10m/s。这种瞬时的冲击能的爆发对地基土有非常大的撞击作用。冲击次数愈多，柱锤越重，速度越快，爆发累积的夯击能量就越大，成孔也就越深。与强夯法加固地基土相比，柱锤冲扩桩法采用的柱锤底面积小，柱锤一般也更重，所以其底静接地压力值相比于强夯法的25~40KPa要大得多，而且普遍都大于100KPa，最高时可达350KPa以上。
　　在冲击成孔时，地基土体不仅受到来自柱锤的侧向挤压作用，而目也会受到来自锤底的竖直冲击力，加上柱锤冲扩过程中产生的冲击波，以及冲击应力的扩散效应，可使地基土体获得充足的动力，起到密实加固作用[1]。
　　3.2柱锤冲孔的侧向挤密作用
　　柱锤冲孔对桩间土的侧向挤密作用可采用魏西克圆筒形孔扩张理论来描述[2]。圆筒形孔以Ri为初始半径，受到均匀分布于孔内的内压力Px。当孔内内压力Px不断增加时,环绕于圆筒孔周围的环形区域将变成塑性区域。随着孔内内压力Px的不断增加，这个环形塑性区域将不断的发展延伸，圆筒形孔内压力最终达到最大值Pu为止。当均匀分布于圆筒形孔内压力达到Pu时，冲扩孔的半径也将达到最大值Ru，而孔周围环形塑性区土体的半径则达到最大值Rp，环形塑性区内的土体可看做可压缩性固体，在最大半径Rp范围以外的土体仍认为处于弹性平衡状态。因此，圆孔冲孔扩张的影响半径就是桩孔周围环形塑性区域最大半径Rp，其计算表达式为:
　　Rp=Ru(1)
　　Ir=(2)
　　其中，冲孔环形塑性区域半径为Rp，冲扩孔的半径最大值为Ru，场地地基土的刚度模量为Ir，环形塑性区域内土体空间三围体积应变平均值为Δ，场地地基土的剪切变形模量为G，场地地基土的抗剪切强度为K，场地土变形模量为H，场地土体的泊松比为v，地基土中原始固结压力为q，场地土体的粘聚力和内摩擦角分别为c、φ。当冲孔环形塑性区体积应变平均值Δ=0时，半径Rp的计算表达式为:
　　Rp=Ru(3)
　　由计算式(3)可知，冲孔环形塑性区的半径大小与桩孔半径大小成正比例关系，并与场地土体抗剪切强度、场地土体变形模量和泊松比等因素有关。
　　根据上述魏西克圆筒形孔扩张理论，在柱锤冲孔冲击力作用下，柱锤冲扩施工时场地土体受到挤压，桩孔周围土体受到来自柱锤的侧向挤压作用而被挤压密实，使桩周影响范围内的土体密实性得到大力提升。
　　3.3二次挤密效应
　　在填料成桩施工过程中，因为柱锤夯击能相对够大，桩径在填料过程中还会不断扩大，使得填料会强制性地挤入桩身周围土体，桩身周围土体也会再次被挤密，桩身周围即形成土体的二次挤密作用。
　　4柱锤冲扩桩法施工技术
　　4.1成孔作业
　　柱锤冲扩桩地基加固方法施工时，可采用冲击、跟管和螺旋钻进等不同方法进行成孔施工，对于最常用的冲击成孔方法主要工艺如下。
　　(1)冲击成孔：适用于地下水位较深，上层土体不会引起坍孔现象的柱锤冲扩桩地基处理工程。
　　(2)填料冲击成孔：柱锤冲扩成孔施工时，当出现缩径或坍孔现象，可将适量碎砖和生石灰块填入孔内，在冲击的过程中将碎砖和生石灰块挤人孔的周围软弱土体，待孔深接近设计深度时，在孔内再次填入一定量的碎砖和生石灰块，反复冲击，使孔底充分密实。
　　(3)复打成孔：在柱锤冲扩成孔施工时，当坍孔现象严重导致成孔艰难时，可先直接冲孔到设计深度，然后再将碎砖和生石灰块分次填入孔内，待孔内填料吸水膨胀、孔内及周围土体性质改善后，再进行二次复打成孔施工。
　　4.2填料成桩
　　(1)选择成桩方法
　　柱锤冲扩成孔施工完成后，桩身填料前应把孔底进行充分夯实，当孔底土体较松软承载力较低时，可填入适量碎砖和生石灰等材料，并夯填挤密。依据柱锤冲扩成孔的方法及成孔施工机具的不同，桩体施工可分为以下几种方法：孔内分层填料夯扩法、逐步拔管填料夯扩法、扩底填料夯扩法、边冲孔边填料法、柱锤强力夯实置换法。
　　(2)夯填要求
　　按设定配合比拌合好的填料填入桩孔并分层夯实。成孔施工当采用套管进行时，在将填料分层填入夯实的过程中逐渐拔出套管。柱锤冲孔及填料成桩施工，填料充盈系数一般不小于1.5。每个桩孔应夯填至超过设计标高0.5m以上，桩孔上部应用粘土夯封起来[3]。
　　4.3施工注意事项
　　(1)当柱锤冲扩桩试成桩孔时出现严重坍孔现象且孔内有较多积水，应采取有效措施降低场地地下水位。
　　(2)冲扩成孔时若出现缩颈或坍孔现象，可将碎砖和生石灰按一定比例混合填加入孔内。在冲击成孔过程中不断将填料挤入孔壁周围土体及孔底土体时，应适当调整柱锤的落距，和冲孔速度，以保证碎砖和生石灰的混合料与孔内及周围松软土层得到充分拌合。
　　(3)桩体的密实程度是施工质量的关键，即分层填料量及夯填度、总填料量及夯填度的控制，应根据规范及设计要求的桩径和桩长在柱锤冲扩桩法加固地基施工设计时进行设定，成桩每层填料的充盈系数应大于1.5(或设计要求)。
　　5结论
　　在柱锤冲扩桩施工过程中，通过对待处理加固场地原状土体的动力挤密、充填置换(包括桩身及挤入桩身周围土体的混合填料)、生石灰块等材料的水化和胶凝等作用，充分加固了场地的软弱地基土体，使其加固处理后的场地复合地基承载力特征值都高于200KPa，局部达到320KPa。
　　在柱锤冲孔及填料夯实施工过程中，桩周土体的侧向挤密作用和填料与桩周土体的嵌入作用，在软弱地基土体中发挥着显著的加固效果。
　　柱锤冲扩桩使场地原有的地基土体得到了有效动力置换，施工形成的柱锤冲扩桩桩身具有一定的强度和承载力，可起到良好的桩体效应。这种置换桩体依靠其自身的强度和与桩身周围土体的侧向作用来维持桩体的受力平衡，桩身与其周围土体协同工作，形成柱锤冲扩桩复合地基。
　　
　　参考文献：
　　[1]任振甲.重锤冲孔夯扩垃圾挤密桩复合地基的设计与施工问题[J].建筑技术,1999,3.
　　[2]王颖星,吕建国,刘志强等.柱锤冲扩灰土挤密桩法在处理杂填土地基中应用[J].华北科技学院学报,2008,5.
　　[3]王恩远,刘熙媛.柱锤冲扩桩法加固机理研究[J].建筑科学,2008,9.