振冲碎石桩在粉土液化地基中的应用

摘 要：某工程位于8度地震区，建设场地被判为严重液化等级，设计采用振冲法进行地基处理。在试打桩过程中，根据工程的实际情况，经过多次调控，终于确定采用混合法的填料方案，并选择合适的施工参数，达到既能满足消除液化的要求，又能节约投资的目的。

关键词：振冲碎石桩；液化；填料方案；混合法

中图分类号：F062.4 文献标识码：A 文章编号：1008-4428（2012）03-127 -04

引言

本工程位于宿迁市城西，地处著名的郯庐断裂带上，属于地震高烈度地区。采用何种处理方法来提高饱和粉土、砂土抗液化的能力是设计人员必须思考的问题。

振冲碎石桩施工时，随着振冲器的振动和碎石的充填使桩周围的土体加密，提高了砂土、粉土的抗液化能力。岩土勘察报告称：根据标准贯入试验获得的数据判明，本地基中的饱和粉土为严重液化等级，因此本建设场地被判为严重液化场地。设计人员采用振冲桩来提高地基土抗液化能力的设想是正确的，但究竟该采用怎样的施工参数才能获得最佳的效果，显然需通过试验确定。由于是首次在宿迁地区采用振冲桩，何况又是在严重液化等级的饱和粉土中采用振冲桩来提高其抗液化能力，因此本次试验颇受业主、设计、施工、监理和检测等各方的关注。于是2010年3月～4月在本工程工地上进行了确定振冲碎石桩施工填料方案和施工参数的试验研究工作。经过实践、摸索和调控，终于总结出一整套适用于本地区振冲桩的填料方案和施工参数。施工完毕经四周休止后所作的一系列试验与研究，证明了这一填料方案和施工参数的科学性，既大大地降低地基土液化的等级，又顾及到施工的进度和大幅度地降低了材料的消耗。

一、工程地质与碎石桩的设计

（一）工程地质条件

地基土25m深度范围内自上而下的基本层序为：层①粉土；层②粉土夹粉质粘土；层③粉质粘土；层④粉质粘土；层⑤粉砂夹粉土；层⑥粉砂；层⑦粉质粘土 ；层⑧粘土，其中层①、层②为液化土层。地下水位埋深为1.0m左右。该区地震动峰值加速度为0.30g，反应谱特征周期为0.45s，场地地基土地震液化等级为中等～严重。

上部10m的地质柱状图、平均层厚及碎石桩入土深度见表1。

（二）碎石桩的设计

试桩分3个区，共布置了72根振冲碎石桩，桩距分别为2.4m（试桩Ⅰ区）、2.1m（试桩Ⅱ区）和1.8m（试桩Ⅲ区）三种，按等边三角形布桩；桩端进入层③粉质粘土层2.0m。预估设计桩径为800mm，施工桩长9.5m，有效桩长8.5m，顶部1.0m高是超打部分，预计每桩的填料量 13 m3。

二、施工参数的调控

（一）试打桩的施工参数

1、第一次试打

采用连续法的填料方案，振冲碎石桩造孔深度为9.5m，制桩长度10m。

施工总历时48min。桩机空载电流为20A，成孔电流为40～50A，制桩过程中密实电流为50～55A，留振时间为15s。累计填料量约为15m3，进水流量约23 m3/h、出水流量约33 m3/h、排浆量约35 m3/h。经开挖，碎石桩桩径达1.9m，是设计桩径的2.375倍。按设计桩径为800mm计算，充盈系数为3.0，按量得的桩径1900mm计算，充盈系数为0.53，两者之比为5.66。

2、第二次试打

采用间断法的填料方案，振冲碎石桩造孔深度为9m，制桩长度9.5m。

孔底一次性填料1.0 m3，制桩高度0.5m，以填料量控制，密实电流作参考。其余桩段每次填料 0.7m3，制桩高度0.5m。密实电流50～55A，留振时间10～15s。

成孔过程的水压控制在0.40～0.60MPa。制桩过程的水压控制在0.10～0.20MPa。

制桩过程振冲器贯入速度0.5～2m/min，提升速度3～5m/min。施打结果，施工总历时100min，投量约为20m3，比预计填料量13m3超出了53.8%。经开挖，碎石桩桩径达1.8m，是设计桩径的2.25倍。历时比第一次试打长了1倍多。按设计桩径为800mm计算，充盈系数为4.2，按量得的桩径1800mm计算，充盈系数为0.83，两者之比为5.06。

3、第三次试打

经研究，对填料方案、密实电流、留振时间、水压等进行全面改进。振冲碎石桩造孔深度为9m。制桩长度9.5m。

填料方案采用改进的连续法――即混合法。注意振冲器在孔内的位置，防止石料被振冲器阻挡而难于落入孔中。深度3m以下将振冲器提至距孔口3m深处进行填料。深度在3m～2m处，振冲器提至距孔口1m处进行填料。1m及以上，振冲器提出孔口再进行填料。

各次填料量：孔底第一次填料1.74m3，制桩高度1m，即制成的桩顶在8.5m深处。第二次填料约1.74m3，制桩高度亦为1m，制成的桩顶在7.5m深处。以后各次的填料量为每次约0.58m3，制桩高度0.5m。当桩顶离孔口1m时，采用一次性填料约 1.74m3。

密实电流定为45A左右，留振时间控制在10s以内。

成孔过程的水压控制在0.40MPa。制桩过程的水压控制在0.10～0.20MPa。

制桩过程振冲器的贯入速度和提升速度同第二次试打。

施打结果，全过程历时46min，填料约为12.2m3，比预计填料量13m3少了6.2%。经开挖查验，碎石桩桩径达1.0m左右，是设计桩径的1.25倍。历时与第一次相近，是试打桩中历时最短的一根桩。按设计桩径为800mm计算，充盈系数为2.55，按量得的桩径1000mm计算，充盈系数为1.64，两者之比为1.55。

4、第四次试打

再次调整施工参数，主要是降低了密实电流和加大了孔底填料后的制桩高度。

造孔深度为9m。制桩长度9.5m。成孔过程的水压控制在0.40MPa。制桩过程的水压控制在0.10～0.20MPa。

制桩过程振冲器的贯入速度和提升速度同第二次。

填料方案：同第三次。

各次填料量：孔底第一次填料约1.74m3，制桩高度1.5m，即制成的桩顶在8.0m深处。第二次填料约1.74m3，制桩高度亦为1m，制成的桩顶在7.0m深处。以后各次的填料量为每次1/3车，约0.58m3，制桩高度0.5m。当桩顶离孔口1m时，采用一次性填料约1.74m3。密实电流为40A，留振时间控制在10s以内。

施打结果，全过程历时67min，填料约为14m3，比预计填料量超出了7.7%。本次试打未经开挖查验，估计碎石桩桩径在1.0m以上。按设计桩径为800mm计算，充盈系数为2.93，按桩径1000mm计算，充盈系数为1.98，两者之比为1.48。

前后四次试打桩所采用的施工参数列于表2，最终决定工程桩的施工采用第4次试打的参数。工程桩施工阶段单桩施工历时为40min左右。

（二）调控施工参数的思路

经过四次试打，碎石桩的施工参数逐渐趋近合理，它既适合本工程场地特定的地质条件，也符合振冲桩的原理。当时的思路是怎样的？下面分别予以介绍。

1、水的调控

水的参数有2项，即水压与水量。一般通过在水泵出水处安装调节阀和压力表就能方便地调控施工过程中所需要的水量和水压。成孔过程需要的水量会多些，制桩过程的水量相对地要少些。无论是成孔阶段还是制桩阶段，由于水的作用都会将土颗粒随泥浆被带出桩孔，从而减少土体中固体物质的质量。振冲法的目的是增加土体的密实程度，降低土体孔隙比。而固体颗粒的流失对降低土体孔隙比是极其不利的。本工程场地的土质比较松软，不需要太高的水压就能成孔，所以选定水压为0.4MPa。根据统计，通常耗水量为20～30m3/h，折合每m长的碎石桩约耗水 1.75～2.63m3。在水泵出水管上安装了水表。记录到实际耗水量为15m3，平均每m耗水1.58m3。

制桩过程中的水压控制原则是，只要保持水管能不停地出水，桩孔内的泥水不会流入水管，不会堵塞水管就可以了，所以将水压定为0.1～0.2MPa。

2、电的调控

电的参数也有2项，即密实电流与留振时间。对于加填料的振冲桩，密实电流值通常是在潜水电机空载电流上加30～35A，留振时间为15s。ZCQ30型振冲器的空载电流为20A，所以前两次试打时的密实电流都采用50～55A，留振时间为15s。经施打后发现，填料量分别为15、20m3。按设计预计的桩径800mm计算，其充盈系数高达3.2～4.2。考虑到本工程地基土中的饱和粉土，在加速度为0.3g的地震作用下会发生严重液化。ZCQ30型振冲器振动中心的水平加速度为10g，经衰减后，离中心1m处仍可达0.2～0.3g以上（见图1）。过高的电流和过长的留振时间，使振冲器作的功过大，产生过大的流态区，必然需要很多的填料去充实它，这就大大地提高了充盈系数。经开挖，验证了这个判断，桩径分别达1.9、1.8m，超出设计预计值1m之多，这势必会增大填料数量，大大地增加了工程造价，使地基处理费用成倍地超概算。为了减小桩径，试验人员不再墨守成规，大胆地突破常规，采取降低密实电流和缩短留振时间的办法来减小振冲器所作的功。参考了砂性土地基不加填料的振冲加密施工参数，将电流定为40～45A时，留振时间缩短为10s。因孔底的特殊性，通常孔底处的密实电流要降低些。其原故在料的调控中再细说。

3、料的调控

料的调控项目也有2项，即填料量与填料方案。

通过两根桩的试打可知，在本工程场地上打的振冲桩的桩径肯定会超过800mm，设计预计的桩径必须调整。假设每m桩身的桩径为1.0m，充盈系数为2左右，则每m桩身的填料量约为1.57m3。每次填料量为0.58m3制桩高度0.5m。

实践表明，碎石桩的制作过程中，孔底处要达到桩身其余各段的密实电流，其填料量往往是超出预计的很多。这是因为刚开始填料时，填料从孔口往下落的过程中，一部分料会沾留在孔壁上，落到孔底处只是一部分。另一原因是在振冲器沉到孔底处，孔底处及其以下的地基土势必受到扰动，甚至受高压水的冲击而破坏，待填料振密时，填料会被振入孔底以下的地基土中，无形中加大了制桩长度，增加了填料量。基于以上原因，人们摸索出一系列措施来解决这个问题。

其一，在成孔过程中，成孔深度比制桩深度少0.5m。

其二，在孔底填料时，加大填料量，即使料在下落过程中被孔壁沾掉一些，也能保证落到孔底的料有足够的量。

其三，在振密时采用较小的密实电流，以避免在孔底形成过大的桩身。

前2根桩的试打表明，采用连续法的作业时间比间断法短，但是连续法存在振冲器阻挡石料下落的弊病，影响制桩质量。由理论桩径800mm与实测桩顶桩径计算的充盈系数可见两者相差较大，且后者都小于1.0，说明填进去的料大多拥堵在上部桩身，存在桩身直径严重不均匀性现象。所以决定将填料方案改用混合法，它既不是连续法，也不同于间断法，是两者兼而有之的一种新方法。制桩过程中振冲器不提出孔口，只将振冲器提离孔内料柱顶面一定的距离，以保证填料能顺利地落到振冲器下方。

4、效果检验

经过对水、电、料各项参数的调控，最终形成了本工程独特的振冲桩施工参数。

当本工程的振冲桩工程量施工过半时，整个场地的地面标高竟下沉了300mm左右，充分体现了本工程地基土的砂性土特征，此类地基土经振冲法施工后，地基土被振密，抗液化能力大幅提高。

试验区的振冲桩施工后经过必要的休止，进行了一系列的检验，无论是单桩还是复合地基的承载力检验、桩间土标贯试验和粉土抗液化能力等都达到了预期的效果。振冲桩施工前后各区孔隙比的实测值列于表3，孔隙比减小率的变化曲线示于图2。

从表3、图2可知振冲桩施工后层①、②的孔隙比都有大幅度的减小，减小率在20%以上，振冲桩施工后层①、②的孔隙比都小于0.75，达到了密实程度。振冲桩施工后孔隙比的大小与振冲桩的间距成正比，呈线性变化规律，桩距越小孔隙比越小。

振冲桩施工前后都进行了标贯试验，用其成果计算得到的液化指数列于表4，工前、工后液化指数对比绘于图3中。

由表4、图3可见振冲桩施工前后地基土液化指数IlE的变化可知，无论哪一个试验区，消除地基土液化的效果均佳。工前、工后液化指数的减小率达85%以上。振冲桩施工后的地基土液化指数与振冲桩的间距成正比关系，桩距越小液化指数越小。

工程桩施工完毕经休止后，同样地按规定进行了各项检测，桩间土标贯试验共进行了15孔的检测，判定层①为非液化土层，层②为轻微液化土层，单孔液化指数在0～4.3范围内，场地平均液化指数为1.35，液化等级为轻微液化。

三、结语

1、地处高烈度（8度）地区的本工程，场地地基土为严重液化的饱和粉土，经振冲法处理后可提高抗液化能力。以桩距为2.1m为例，振冲桩桩径1.0m，置换率0.2057，其平均液化指数从工前的26.5减小到工后的0.58～3.85。工程桩的桩距为2.0m，振冲桩桩径0.9m，置换率为0.1837，工后的平均液化指数为1.35。

2、本工程施工所采用的振冲法各项参数是合适的。成孔水压为0.4MPa，制桩水压为0.1～0.2MPa，耗水量约0.53m3/m。孔底密实电流为＞30A，其余桩段的密实电流为40A，留振时间为≤10s。填料方案为混合法，每m桩身的填料量为1.57m3/m，孔底一次性填料1.74m3，合计填料量14.26m3按桩径1.0m计算，充盈系数为1.91。

3、为了提高粉土孔隙比从而达到消除液化的目的，在振冲桩施工过程中应尽量减少土体颗粒的流失，施工中的用水就是关键因素。施工振冲桩的水压和耗水量必须认真思考后设定。

参考文献：

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作者简介：

韦华，男，江苏南通人，同济大学大学学士，从事岩土工程设计、试验、检测和研究工作。