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摘要：随着国家“一带一路”战略的推进，我国民航机场迎来新一轮发展投资建设机遇。为配合“一带一路”战略，民航机场建设将重点推进193个大中型建设项目，总投资额将达5000亿元人民币。而机场建设的软基处理是否恰当直接关系到工程质量的好坏，针对不同软基总结出适用于不同的软基处理施工技术方案，已成为民航机场建设软基处理急需解决的施工技术难题。
关键词：振动沉管碎石桩；机场工程；软基处理
1 引言
近些年来，振动沉管碎石桩广泛应用于公路、市政等工程取得了良好的效果，被视为一种经济、快捷的软基处理方法，但在机场建设中引用振动沉管碎石桩进行软基处理还未广泛应用，施工经验也不成熟。本文以成都天府国际机场地基处理及土石方工程为例，进行机场软基处理振动沉管碎石桩施工技术研究，为类似机场工程建设提供成熟的施工经验参考。
2 工程概况
成都天府国际机场位于成都简阳市芦葭镇附近，距成都市中心51公里，是“十三五”规划中计划将要建设的我国最大的民用运输枢纽机场项目，定位为中国西部区域航空枢纽，机场飞行区等级为4F，总投资718亿元，一期工程计划2019年基本建成，2020年投入使用，本期工程共分为11个标段。场区内广泛分布着淤泥、淤泥质黏土、软塑黏土及可塑黏土等软弱土，其含水量高、强度低、压缩性高。为解决地基的沉降问题，控制工后沉降和工后差异沉降，改善地基均匀性，提高地基土强度和承载力，地基处理采用了换填、强夯、强夯置换、CFG桩、塑料排水板和碎石桩等地基处理工艺，其中9标段碎石桩23.7万延米。
3 碎石桩工艺原理
碎石桩根据地基的不同土类，其工艺原理也不尽相同。碎石桩在可塑状黏性土、杂填土、素填土、松散砂土、粉土等地基中的作用包括挤密作用、振密作用、置换作用、抗液化作用、排水降压作用。通过挤密、振密、置换和排水降压达到加固地基的效果从而形成复合地基，最终达到机场软基处理加固的目的，避免不均匀沉降等因素对地基上部机场结构物及构造物造成破坏。
3.1挤密作用
通过试验得出，碎石桩在松散粉土、密度不大的可塑状黏土地基中的挤密作用效果较好，而在饱和软塑状黏土、密度大的黏土、砂土地基中挤密作用效果较差。碎石桩在施工过程中，振动对其周围都产生很大的横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的土挤向桩管周围的土层，使其孔隙比间隙，密实度增大。此为碎石桩法的挤密作用。
3.2振密作用
在施工时，桩管振动能量以波的形式在地基土中传播，引起地基土振动，桩管四周的土体受到挤压，引起桩管四周土体的振动，由于土体结构的破坏，使土颗粒重新排列，向较低势能位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态。此为碎石桩法的振密作用。
3.3置换作用
对黏性土地基，对于非饱和黏性土能产生一定的挤密作用，而对于饱和黏性土其主要作用是置换而不是挤密。由于土的密度大、黏性强、渗透性低，压缩性大、强度低、透水性弱，黏性土颗粒间存在大量细微孔隙，土粒间联结不稳定，其作用是将桩管位置的工程性能较差的土排挤至四周，碎石桩桩桩体的碎石置换了体积相同的软弱土。从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏能力。
3.4抗液化作用
在施工时，在挤压和振动作用下，土中的孔隙水压力升高，从而使土的抗剪强度降低，土体就发生液化溜达破坏，液化后的土颗粒在上覆土压力、重力和填料挤压力作用下，土颗粒重新排列、组合，形成更加密实的状态，从而提高了桩间土的抗剪强度和抗液化性能。
3.5排水降压作用
在施工时，桩管四周的土体因挤密和振密作用受到挤压，在挤压和振动作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐渐增大，随着孔隙水压力进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态，若有排水通道，土体中的水沿着排水通道排出。而碎石桩桩体碎石为透水材料，碎石间具有缝隙，所有缝隙串联正好形成了良好竖向排水降压通道，土体中的水沿着碎石桩形成的排水通道排出。挤密和振密作用产生超孔隙水压力可通过碎石桩形成的排水通道加速消散，使孔隙水压力的增长和消散同时发生，防止超孔隙水压力增高，降低水压力上升的幅度，从而提高地基土的抗液化能力，加快地基的排水固结。
4 碎石桩施工
4.1施工工艺流程
碎石桩施工顺序宜从中间向外围或隔排施工，施工工艺流程如图3.1-1所示。
图5.2-2 碎石桩位平面布置示意图
4.2.3人员准备
根据工期及试桩施工数据制定的施工进度计划，做到人停机不停，机组人员按照双倍配置。
4.3试桩施工
大面积施工前，应结合地址情况选取代表性位置进行试验性碎石桩施工，详细记录沉管起止时间，沉管深度，拔管起止时间，密实电流，反插次数，碎石贯入量，充盈系数等情况，并开展桩身重型动力触探检测、桩间土标准贯入试验，在桩长穿透软、可塑层及硬塑夹层，桩体均匀、密实的条件下，优化成桩工艺参数。施工前应进行成桩工艺和成桩挤密试验，工艺性试桩的数量不应少于6根，成桩质量不满足设计要求应调整施工参数后重新进行试验。
4.4碎石施工
4.4.1机具就位
振动沉管机具就位合拢活瓣桩靴，将管桩垂直向下，使桩尖对准桩位。活瓣桩靴宜选用平底型活瓣桩靴（a），沉管困难时可采用尖锥型活瓣桩靴（b）。
图3.4-1 碎石桩桩靴示意图
4.4.2振动沉管成孔
管桩对准桩位后利用重锤及沉管自重徐徐静压1～2m后，启动振动锤振动下沉，调整桩机搭架，使沉管与地面基本垂直，校正沉管与进料口位置，振动下沉到地基非软弱层。垂直偏差控制在1%以内。
4.4.3灌入碎石填料
成孔达到非软弱层后，采用小型装载机将碎石料装入加料口注入桩管内，第一次投料根据大于管长1/3体积计算灌入碎石料数量。拔管应有专人负责碎石灌入量，以防超灌或少灌。填料量估算可按桩孔体积乘以充盈系数确定，充盈系数按1.2～1.4确定。
4.4.4振动拔管反插
应严格控制成桩速度，拔管宜在管内灌入碎石料高度大于1/3管长后开始。拔管速度应均匀，不宜过快，宜控制在1m/min，每提管50cm留振20s，每拔管1m向下反插深度不小于30cm至稳定电流，在距离地表2~6m范围内，反插深度不小于50cm。如此反复直至全管拔出，拔管速度均匀。
应做好每根桩的成桩记录，包括桩序号、桩位坐标、沉管起止时间、沉管深度、拔管起止时间、密实电流、反插次数，碎石灌入量、充盈系数等施工数据。
4.4.5分段加料振实
第一次投料成桩长度的1/3投料数量完成后，进行数次反插直至桩管内碎石全部拔出；停止振动提升桩管第二次开启投料口，进行第二次投料直至灌满；继续边拔管边振动，直至拔出地面；提升桩管高于地面，停止振动进行第三次孔口投料直至地表；再次启动反插，并及时进行孔口补料至该桩碎石桩桩体顶面与地面平齐为止。
4.4.6机具移位至下一根桩基施工
重复以上步骤，按照从中间向外围或隔排跳打的施工顺序逐根桩基进行施工，直到所有碎石桩基全部完成。
4.5数字化施工技术管理
数字化施工管理信息系统，是运用现代的测绘技术、电子信息技术、网络传输技术、机械设备控制技术、管理科学技术等与传统的施工技术相结合，创建民航飞行区数字化施工管理信息系统，对飞行区工程项目实施数字化施工信息管理。目前北京新机场率先使用数字化施工技术对施工质量进行监控。但对整个工程进行全面、全过程进行数字化施工技术管理，成都天府国际机场在民航机场建设尚属首次。通过对施工过程中所有地基处理机械及土石方时间机械全面运用数字化施工技术管理进行质量监控。
数字化施工质量监控系统分为前端硬件采集设备与后台监控平台两大模块。碎石桩机数字化施工技术管理系统是根据施工工艺的质量要求，结合北斗RTK定位信息、激光传感技术所开发出的一套高智能化、高精准度和物联网化的施工质量管理系统，系统所能实现的管理指标包括碎石桩机施工的打桩位置、打桩深度、沉管时间、拔管时间、成桩时间、拔桩反插次数、持力层电流值等，将以上原始施工数据导入电脑可形成真实的施工数据资料，可有效控制碎石桩施工质量和记录碎石桩施工完成工程量。
4.6检测验收
桩身重型动力触探检验，评价碎石桩桩体均匀性和检查桩长，桩长应穿透软、可塑层及硬塑夹层，经杆长修正后的动力触探检测结果应符合以下要求：最小值不小于3击，平均值不小于6击，加固面（不含垫层）以下1~6m范围平均值（超过10击时应予以剔除）不小于5击。检验数量不少于桩孔数2%，且每个碎石桩作业区至少3点。检验宜在碎石桩施工21d后进行。
5 质量控制措施
5.1成桩试验
正式施工前，要按规定做成桩试验，严格按设计要求控制成管起止时间、沉管深度、拔管起止时间、沉管留振时间、密实电流、反插次数、碎石灌入量、充盈系数等施工指标，将验证的设计参数和施工控制的有关参数作为碎石桩正式施工的控制指标。
5.2材料质量控制
碎石桩桩体材料碎石必须满足饱和单轴抗压强度fr≥30MPa，软化系数KR≥0.75，粒径≤5cm，满足一定的级配要求，含泥量＜3%。碎石桩桩体碎石按每3000m3取样检验一次，每个料场不得少于3次。
5.3桩位和成孔控制
测量员要对桩位进行复核，确保每根桩位置都符合设计要求，桩定位偏差不宜大于50mm。均按设计要求深度钻进。所有桩位统一编号，施工桩逐一填写施工记录表，并在图上标示，防止错打或漏打。成孔控制按“地勘报告”揭示的基岩层分布条件及取土观察进行双控。同时必须保证打到基岩层，施工垂直度偏差不得大于1.0%。
5.4桩长与桩体控制
开孔之前在沉管机钻杆上用红色油漆进行标记，标记长度控制在1.0m一段，以保证直观的观察到套管的入土深度；应了解地面高程变化情况，根据地面高程控制确定造孔深度，当地面出现下沉现象时，应该加深沉管打入深度。
5.5填料拔管控制
成孔达到设计要求后，向孔内填入碎石料，每次填料厚度不大于800mm。按少量多次原则进行加料，每段桩体在未达到规定的密实度实时需继续加料振实。应严格控制沉管提升的速度，速度不得过快。对碎石的灌入量应有详细的记录。
5.6施工顺序控制
碎石桩的施工顺序采用跳打形式，并由外向中间进行。相邻两根桩必须采用跳跃间打。
6结束语
成都天府国际机场地基处理及土石方工程，成功应用振动沉管碎石桩对机场软基进行处理，有效的节约了工程成本、缩短了地基处理工期，经碎石桩加固处理的地基土的压缩模量、承载力基本值均显著增长，有效达到了提高地基承载力、减少地基土沉降量及差异沉降量、加速沉降稳定时间的目的，加固效果及经济效果显著；在施工过程中辅以数字化施工技术管理控制施工质量、监控施工原始数据，有效保证了工程质量和真实记录了碎石桩完成工程量，实现了科学化、精细化施工，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
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[3]范英华.浅析公路软土地基路堤中碎石桩的施工工艺[J].建筑与工程，2007（13）
论文作者:许东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/10
标签：碎石论文; 地基论文; 作用论文; 孔隙论文; 密实论文; 工程论文; 水压论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;