浅谈振冲法在软弱地基加固中的应用

提要：本文通过工程实例论述了振冲法的加固原理，设计计算，施工检测及加固效果。只有采用合理的施工工艺和严格的质量控制，在水电工程中应用振冲加固是可行的，且具有较好的经济效益。

关键词：振冲法；复合地基；软弱地基加固

一、 前言

振冲法施工在房屋建筑基础处理中应用比较普遍，而在水电站施工中应用较少。随着我国经济建设的发展，在软弱地基上修建水工建筑物的情况越来越多，这种情况不仅在平原地区普遍，在山区地区也常会遇到。在以往的水电站施工中遇到此类情况通常采用置换法，即深挖基础，然后用砼换填。这样做成本较高，且工期较长。而采用振冲法施工，不但可以降低工程成本，同时还可以缩短工期。黑河塘水电站首部枢纽右岸挡水坝段基础处理采用的振冲法施工，收到了很好的效果。

闸址区覆盖层成因及结构都比较复杂，以冲、洪积堆积的含漂砂卵砾石层和堰塞堆积的粘质粉土层为主要特征的结构层次。由于场地内浅部地基土的力学性质不能满足黑河塘电站右岸挡水坝工程需求。故对场地堰塘堆积的粘质粉土层等土层采用振冲碎石桩进行加固处理，使其复合地基承载力满足fspk≥300Kpa。因此地基问题的处理恰当与否，关系到整个工程的质量、投资和进度，因而软弱地基的处理引起了相关方面的重视。

振冲法是以起重设备吊起振冲器，启动潜水电机后带动偏心块，使振冲器产生高频振动，同时开动水泵，高压水通过喷嘴喷射高压水流，边振边冲联合作用，使饱和松散的砂土颗粒在强烈的高频强迫振动下重新排列致密，且在振动中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动挤入周围土中，在地基中形成一根大直径的较为密实的桩体，使砂土的相对密度增加，孔隙率降低，干容重和内摩擦角增大，砂土的物理力学性能改善，使地基承载力大幅度提高。本文通过黑河塘水电站粘质粉土层地基加固实例，经试验桩检测及建筑物沉降观测分析，证明采用振冲法加固软弱地基是可行的，具有较好的经济效益。

二、工程概况

2.1、工程概况

闸址区位于羌河沟口下游800m，至磨房沟上游约300m之间的河段上，该河段相对顺直，河道流向由N至S。在1774~1776m高程左右，发育有长约200m，宽40~70m的Ⅰ级阶地。两岸地形坡度变化较大，呈不对称的“U”谷。。

2.2、地层岩性

闸址区覆盖层成因、结构复杂；河床由于受下游磨房沟泥石流堆积的影响，导致两次堰塞，形成了以冲、洪积堆积的含漂砂卵砾石层和堰塞堆积的粘质粉土层为主要特征的结构层次。按其物质组成、结构和成因由老至新（由下至上）可分七层：

①层为冲积堆积的含漂砂卵砾石（Q2-3al），分布于河床谷底，一般后3~5m，局部厚达18m。该层以卵砾石为主，磨圆度好，结构密实。

②层为堰堆积的粘质粉土层（Q3fl），粘、粉粒含量不甚均一，河床及右岸分布普遍且稳定，厚度一般为20~30m，埋深45.0~50.0m。其颗粒组成以粉粒为主，按颗粒组成属粉质土，按GBJ145-90土的分类标准，属低液限粉土（ML）。渗透性为弱透水性。

根据地质年代测试，结合本工程闸基应力条件综合分析，并根据规范有关标准，该层可判断为不液化土层。

③层为冲、洪积堆积的含漂（块）卵（碎）砾石夹砂、土（Q3al+pl），结构不均一，但尚密实。一般厚为30~40m，河床部位最厚（38.76~44.45m），向左、右两岸渐薄。该层以卵砾石为主，磨圆度较好，粗颗粒构成骨架，在空隙中多充填有少量的粉土、粘土及中粗砂。该层结构密实，属密实卵石层。渗透性为强透水性。

④层为堰塞堆积的粘质粉土层（Q4fl），按其颗粒组成和结构可分为上、下两部分，界面分布高程大致在1766~1769m之间，上部总体上呈黄~灰黄色含砾粘质粉土，厚度为1~4m，局部5.45m；下部集中分布于右岸有河床，一般厚3~5m，局部6~8m，总体为灰~深灰色粘质粉土和粉质粘土，结构相对单一。渗透性为弱透水性。

根据地质年代测试，对土体采取多种方法进行液化判定，该层上部为液化土层，下部为不液化土层。综合分析，故总体上可判断为液化土层。

⑤层为含漂卵砾石夹土（Q4al），分布于右岸Ⅰ级阶地，具二元结构，上部为粉土夹碎砾石，下部为含漂砂卵砾石夹土，厚度一般5~8m。物质组成以卵砾石为主，按GBJ145-90土的分类标准，属卵石混合土（SICb）。渗透性为强透水性。

闸址区覆盖层各土层物理力学参数建议值见下表：

分类

名称 天然

密度 允许

承载力 压缩

模量 渗透

系数 抗剪指标 允许

比降

凝聚力 摩擦角

ρ F[R] Es K20 c Φ

G/cm3 KPa MPa cm/s MPa 度 0.1~0.12

⑦ 含漂砂卵砾石层Q4al 2.2 250~300 20~30 1.0×10-1 27~29 0.07~0.1

⑥ 坡积的块碎石土Q4dl 2.06 300~350 15~20 1.0×10-1 25~27 0.12~0.15

⑤ 含漂砂卵砾石层Q4al 2.11 500~600 40~50 1.5×10-2 27~29 0.3~0.4

④ 粘质粉土Q3fl 1.75 130 5~10 2.5×10-3 0.01 16~18 0.15~0.4

③ 含漂砂卵砾石层Q3al+pl 2.0 400~500 30~40 2.26×10-2 25~27 0.15~0.2

② 粘质粉土Q3fl 1.8 150 10~15 1.7×10-5 0.01~0.005 15~17 1.0~1.2

① 砂卵砾石层Q3al 2.25 600~800 50~60 1.5×10-2 27~29 0.1~0.15

三、振冲桩加固方案设计：

3.1、设计要点

振冲碎石桩加固松砂地基是一项较成熟技术。本工程设计根据具体的工程地质条件和上部建筑的荷载情况，在填料方面有些新的做法。这些做法经建成后观测证明效果良好。

1、加固的必要性与加固要求

根据地质资料本工程选用细砂为持力层，天然地基土承载力标准值为130kpa。采用单独基底时，要求承载力的设计值为250kpa，相应的基础埋深1.5米。在该条件下，天然地基承载力设计值仅为160kpa，不能满足设计要求，故地基必须进行加固。

2、采用振冲法的技术合理性

根据国外成熟经验，振冲法主要适用于处理砂性土，从粉细砂到含砾粗砂，只要小于0.005mm的粘粒含量不超过10%，都可取得挤密效果。

3.2、设计要求：

经振冲加固处理后形成的复合地基承载力应满足fspk≥300KpaEs≥25Mpa。

3.3设计计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）7.2.8-3式：fspk≥[1+m（n-1）]fsk

按最不利组合原则，由第4层堰塞堆积的粘质粉土层承载力标准值fsk=130Kpa代入公式fspk≥[1+m（n-1）]fsk中。

式中：fspk―振冲桩复合地基承载力特征值（Kpa）；

fsk――处理后桩间土承载力特征值（Kpa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值；

m―桩土面积置换率；

n―桩土应力比；

d―桩身平均直径（m）；

de―一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；

经计算：当n取4时，m=0.44

m=d2/de2 （7.2.8-2）

经计算：当fspk=300Kpa，d=1.1m时，de=1.65

布桩方式采用等边三角形布置：de=1.05s（s为桩间距）

当fspk=300Kpa，s=1.80m，排距H=1.56m

当代入其它土层承载力标准值计算时，基本满足设计要求。

3.4、振冲桩位的布置：

依据上述设计计算结果，采用等边三角形布桩（在防渗墙轴线1.5m外布桩，避免碎石桩对第④层堰塞堆积的粘质粉土的扰动及以后防渗墙施工的影响），布桩间距为：桩间距为s=1.80m，排距H=1.56m。本工程的布桩平面见图

四、加固施工方案：

4.1、施工要求

本工程按基础的埋置深度，将第一层约50cm的砂砾石层挖除，即开始在粘质粉土层内采用振冲碎石桩加固地基。采用加填料的振冲密实施工方法，填料为碎石，级配良好。要求造孔电流不大于13A，造孔留振时间不少于2min，振冲密实电流为60A，留振时间一般不少于1min。施工时水压不宜过大，以防砂土流失，使水压在400～600kpa。振冲施工顺序采用间隔进行。

4.2、振冲碎石桩试验：

施工前根据现场施工条件，在右岸挡水坝段基础覆盖处理范围内选择1个试验区进行振冲碎石桩试验，总桩数为5根，按等边三角形布置，两孔之间间距为1.80m，并进行人工按ф1.1m深0.8~1.0m取孔，振冲碎石桩长至第④层砾粘质粉土层底部0.5m以上，目的是为：

（1）确定最佳碎石桩桩径，桩间排距、桩长，填料级配及数量等参数。

（2）确定造孔和成桩的施工机械，施工工艺，确定施工技术参数（每米进尺填料量，密实电流，留振时间，振冲水压等）为以后振冲碎石桩施工取得合理的参数。

4.3、施工工艺流程：

①清理平整施工场地②布置桩位③人工桩位取孔（部分）④造孔⑤分段填料并振捣密实直至完成每一桩⑥重复上述④⑤直至完成所有振冲施工。

4.4、施工：

1）清理平整场地现场。

2）布置桩位并校核。

3）施工机具就位，使振冲对准桩位。

4）启动水泵和振冲器水压200-600Kpa，水量200-400L/min，使振冲器徐徐沉入土中，直至达到处理深度并嵌入卵石层，记录振冲器深度、电流值和时间，提升振冲器至孔口；

5）重复上一步骤1-2次，使孔内泥沙变稀，然后将振冲器提出孔口；

6）向孔倒入一批填料，将振冲器沉入填料中进行振密，此时电流随填料的密度而逐渐增大，电流必须达到80-100A，若达不到，应向孔内继续填料，振密，记录这一深度的最终电流量和填料量；

7）将振冲器提出孔口，继续施工上部的桩段；

8）重复步骤（6、7）自下而上施工桩体，直至孔口，并随桩铺设20-30cm厚的褥垫层；

9）关闭振冲器和水泵。

4.5、关键点控制

1）采用饱和和抗压大于40Mpa的2-8cm级配碎石、适量人头石（粒径不超过15cm）及掺入10-20的砾砂，以增强成桩桩体密实度。

2）施工过程中，各段桩段应符合密实电流80-100A，留振时间大于10S和填料量的要求。

3）桩端须进入卵石层（压缩性较低的硬层）。

4）褥垫层厚20-30cm，材料为级配良好的2-5cm卵石及砾砂，铺设宽度为基础外缘3排保护桩。

5）施工过程中，若振冲器在成孔时遇到孤石，应在孤石周边重新成孔，并加密桩位。

五、复合地基加固效果检验

振冲加固施工完成7天以后，由具有检测资格的检测单位对复合地基加固效果进行检验。根据〈建筑地基处理技术规范〉（JGJ79-2002）规定：

5.1、进行静荷载试验；

为进一步复核振冲处理效果，分别对桩间土和桩体进行了物性试验和现场载荷试验。物性成果表明（表5-2），桩间土平均天然干密度1.29g/cm3，塑性指数14.9，颗粒级配组成中，＜5mm颗粒含量为100%，＜0.075mm细粒含量为83.93%，＜0.005mm粘粒含量为18.5%，分类定名为低液限粘土（CL）；碎石桩平均天然干密度1.85g/cm3，孔隙比0.47，颗粒级配组成中，20~60mm碎石含量为13.87%，60~80mm砾石含量为70.44%，＜0.075mm细粒含量为6.02%，＜5mm颗粒含量为19.63%，分类定名为含细粒土砾（GF）。

经对2组单桩载荷试验和2组桩间土浅层平板载荷试验（表5-1），桩体承载力特征值为570～620 kPa，桩间土承载力实测值为120～140 kPa，复合地基承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002确定为301.4～333.4 kPa。

振冲碎石桩复合地基检测

表5-1

试验编号 Z-1 T-1 Z-2 T-2

桩体承载力特征值 fk kPa 570 620

桩间土承载力特征值 fk kPa 120 140

变形模量 E0 MPa 44.1 9.4 53.24 9.9

复合地基载力特征值 f SP’k kPa 301.4 333.4

复合地基变形模量 ESP MPa 15.08 15.88

沉降量 S cm 0.67 0.46 0.69 0.51

置换率 m 0.403 0.403

为进行土层液化判定，对桩间土布置了3个孔的标贯试验，标贯校正锤击数为6.11，大于锤击数临界值5.4，复判为不液化土层。

综上所述，第④层粘质粉土经处理后，复合地基承载力、压缩模量和抗液化能力都得到较好的改善，其面积置换率为0.403，不存在液化问题，处理后的地基承载力满足设计要求。

表5-2

5.2、进行动探试验。

施工完成后，按规范随机抽取了3根桩点进行N120动力触探检测，成果表明，桩体质量较试验阶段有大幅度提高，两根桩3―10m范围内部分段修正后平均击数为5.5左右，密实度为稍密，其余深度段桩体平均锤击数为7.2～13.5，密实度为中密~密实，满足规程规范要求。

六、结语

6.1、振冲碎石桩复合地基具有承载力提高幅度大，成本低等优点，地基承载力一般可达原

土层承载力的2-5倍。山区松散细砂软弱地基采用振冲法加固，具有明显的经济效益。

6.2、振冲桩的布孔方式与密度可依荷载分布情况而定，不必拘于已有的方式，如等边三角形、正方形等。

6.3、振冲桩应严格按照其工艺施工和质量控制，才能充分发挥其优势。在施工中能否完全达到设计要求是必须通过检测来证实，所以，复合地基的载荷试验是振冲法应用的关键步骤，应加强桩体的试验检测工作。

参考文献：

（1）《建筑地基基础规范》（GB50007-2002）

（2）《建筑地基处理技术要求》（JGJ79-2002）

（3）《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）

（4）《岩土工程勘察报告》

作者简介

王敏（1976年-），男，四川邛崃人，项目经理，工程师，一级建造师，从事水利水电工程施工管理与技术工作。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。