振冲碎石桩地基加固

摘要：碎石桩是指用振动、冲击或水冲等施工方式，在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂等粗骨料挤压入土孔中，不论采用湿法成孔，填料后形成大直径的由碎石或砂等构成的密实的状体。我国应用振冲法始于1977年，近三十几年来，我国在坝基、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基的处理上采用振冲加固，都已得到广泛应用。本文将较为系统的介绍振冲碎石桩工艺用于粉砂地质情况地基加固以及具体实施过程，且以工程实践效果加以验证。

关键词：粉砂 加固处理设计 振冲 承载力

一、工程概况：

拟建成都双流中小学工程（棠湖小学）包含教学行政楼四栋、宿舍食堂综合楼一栋，总建筑面积约为27680m2，其中教学行政楼20372 m2，宿舍食堂综合楼7308 m2，基础为独立基础或条形基础，一部分以稍密卵石层为持力层，稍密卵石层厚度不得小于2m，其承载力特征值≥360kPa;一部分以经地基处理后的复合地基为持力层，其承载力特征值≥270kPa，压缩模量≥25MPa。

二、工程地质条件

根据中国冶金建设集团成都勘察研究总院2008年10月提供的《新棠湖小学教学楼中间勘察资料》、《新棠湖小学宿舍食堂中间勘察资料》可知：拟建场地地貌位置为岷江Ⅰ级阶地。在场地已挖至设计基底标高，其地层主要为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）粉砂及卵石层，地层岩性特征如下：

粉砂：灰色，主要由长石、石英、云母组成，含少量卵石，局部地段含30～35%的卵石，饱和，松散，场地内呈透镜体分布于卵石层之中，仅分布于ZK18、ZK20、ZK21、ZK22、ZK33、ZK34及YZK44中（行政办公楼报告厅范围）。

卵石：主要由石英岩、花岗岩、辉长岩组成，亚圆形，一般粒径20～70mm，最大110mm，充填30～45%的混粒砂及圆砾，混约5%的漂石，卵石坚硬，饱和，状态松散～稍密～中密～密实，该层分布稳定，厚度大，本次勘探未揭穿该层。

根据N120击数和卵石含量，卵石层按密实度分为4个亚层:

松散卵石：卵石含量50～53%，骨架颗粒排列混乱，大部分不接触，N120击数2～4击/10cm，层厚0.50～4.40m，分布于宿舍区域。

稍密卵石：卵石含量55～60%，骨架颗粒排列混乱，小部分接触，N120击数4～7击/10cm，层厚0.40～5.00m。

中密卵石：卵石含量60～70%，骨架颗粒交错排列，大部分接触，N120击数7～15击/10cm，揭露最大厚度3.10m。

密实卵石：卵石含量70～80%，骨架颗粒交错排列，大部分接触，N120击数10～15击/10cm，揭露最大厚度4.90m。

人工填土、粉砂层及卵石层组成，其物理力学性质指标见下图表2： 图表2 地基土物理力学性质指标建议值表

指标

土名 重度Y

（KN/m3） 承载力特征值

Fak（kpa） 压缩模量

Es（Mpa) 变形模量

Eo（Mpa）

素填土 17.0 3.0

粉砂 19.5 100 6.5

松散卵石 20 180 15.0

稍密卵石 21 370 23.5

中密卵石 22 700 32.5

密实卵石 23 950 42

根据中国冶金建设集团成都勘察研究总院提供的勘察中间资料分析得出，拟建物上部局部土层承载力不能满足设计要求，该部分土层主要集中分布在教学行政楼报告厅处和宿舍区域，需地基处理的面积约有2600，经设计院反复比较，确定采用振冲碎石桩加固地基，振冲深度6～12m，振冲碎石桩桩体承载力特征值≥580kpa，以满足对地基承载力要求。

三、地基加固处理设计：

（一）、加固机理

振冲施工时，一方面通过振冲器借助自重、水平激振力和高压水冲使泥浆排出孔外，形成大于振冲器直径的桩孔，再向孔内填入砂石料，在振冲器的作用下，形成大直径高密度桩体，另一方面由于水冲振动使砂土处于饱和状态，在振冲器强烈的振冲下产生液化 并重新排列致密，且在桩孔中加入粗骨料后，被振冲器挤入周围土层中，使砂土的密度增加，孔隙率降低，土的内摩擦角和密度增大，从而提高了地基土的承载力。通过桩体与桩间土体的共同工作，使复合地基承载力大幅度提高。详施工配套机械如图3所示。

（二）、加固设计

1、地基加固范围,根据设计及规范要求，按建筑物四周基础外边缘外设2排保护桩。宿舍部分振冲体量较大些，振冲碎石桩平面布置如图4所示,教学楼振冲部分平面布置与此类似。

2、桩位布置及桩距

根据现场振冲试验采用以下的经验公式计算桩距：L=A(S/V)1/2。式中A―振冲孔布置形式系数，三角形布置A=1.075；

L―振冲桩桩距（m）；

S―碎石桩单位长度可能的填料量（m3/m）；

V―原地基单位体积所需的填料量（m3/m3）；

V的大小与原地基的孔隙比、回填料的孔隙比和地基加固后要求的孔隙比有关，按下式计算：

V=（1+e1）（e0-e）/（1+e0）（1+e）

式中e0―原地基的孔隙比；

e1―回填料的孔隙比；

e―地基加固后要求的孔隙比；

粉细砂层的e0=0.911，碎石桩直径d=900,每米填料量按0.63m3/m计，设计要求振冲加固后粉细砂层的孔隙比e应小于0.6，回填料孔隙比e1大致为0.3，碎石桩按三角形布置，计算得出，原地基单位体积所需填料量V=0.132m3/m3，碎石桩桩距L=2.1m。根据振冲现场试验测试表明，75KW振冲器振冲后粉细砂层的孔隙比可满足设计要求，综合考虑地震、施工条件不利因素及其他不利因素，设计振冲桩位按等边三角形（梅花形式）布置，桩距为1.30米，排距1.126米，用来增加桩间土重复加密的效果，详见图5。

3、加固深度，碎石桩进入稍密卵石层1米，且稍密卵石层厚度≥3米；或进入中密卵石层0.5米，且中密卵石层厚度≥2米，如不满足厚度要求，需穿过此层进入满足要求的卵石层，加固深度按10m设计。

4、桩体材料

振冲加密的回填料一部分靠振冲器的偏心力挤入被加固砂层，另一部分则形成碎石桩。碎石桩起承重与消散地震时砂层中产生的超孔隙水压力的作用。对于填料粒径，在下料不困难时，粒径大一些能提高加固效果，而粒径过细会影响施工进度，且易被返回水带出孔外，造成浪费。

衡量填料的适用性用以下公式计算：

适用指数=1.7〔3/（D50）2+1/（D20）2+1/（D10）2〕1/2

式中D---粒径。然后由求得的适用指数查下表可知适用程度。据填料的颗粒组成，D50=60, D20=5, D10=0.3,由此可知填料的适用指数约为0.4，表明适用度很好。

布朗适用指数与适用程度对照表

适用指数 0～10 10～20 20～30 30～50 ＞50

适用程度 很好 好 一般 不好 不适用

为确保施工中回填下料时的安全，设计要求对开采的石料，为风化级配硬质卵石，剔除数量不多的粒径大于150～200的大颗粒及小于20mm以下的细颗粒后直接作回填料，但含泥量应不大于5%,以达到节约造价的目的。

5、褥垫层，在桩顶和基础之间铺设300mm的褥垫层，褥垫层采用级配粗砂和卵石，最大粒径不大于50mm，褥垫层夯实度应大于0.90。

四、施工方法

选用ZCQ―75型大功率振冲器，配以振冲水压1000Kpa及20t的汽车吊等设备进行施工。考虑振冲头长2.0m，造孔中要求每下钻0.5m，振冲器在该处进行30s的振固后方可继续下钻，振冲器达到设计深度后，尚需在孔底振动30s方可开始填料。填料振密过程中，填料在孔底振密电流上升到65～80A以上时，振冲器方可上提0.3～0.5m，直至全孔填密完毕，具体详振冲法施工顺序示意图6。

施工完毕后，平整场地，用级配碎石铺垫上部褥垫层厚度300mm，最后进行静碾压。

五、质量检验

为得知地基加固效果，振冲施工完毕后，分别进行了单桩、桩间土和未处理砂土的载荷试验和物探测试等工作。

载荷试验室评价振冲效果的主要可靠手段之一。本工程分别在振冲桩、桩间土及未加固的原状砂层等部位采用常规堆载法进行了载荷试验。载荷板直径为50.5cm，面积为2000cm2，详成果见图表7。

图表7 载荷试验成果表

试验点 承载力标准值

Fk（kpa） 相应沉降量

S（mm） 泊松比μ 变形模量

Eo（Mpa）

单桩 650 9.0 0.2 27.5

桩间土 260 5.3 0.3 17.7

原状砂 180 13 0.3 6.5

从试验成果可以看出，振冲碎石桩的承载力标准值比原状砂层高2～3.6倍，变形模量增大3～4.2倍。经振冲加固形成的碎石桩，大部插入粉细砂层底部砂卵石层或岩层上，取代了部分粉细砂地基。同时，经振冲加固处理后，桩间土的抗压缩性与变形模量也较原砂层有明显的提高，这样地基得到了改善。

六、成果

成都双流采用振冲法加固地基共振冲3328个桩，填料量21299m3工期40天，该施工办法简便，工程费用较少，为今后类似于本工程的地基加固，积累了实践经验。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。