無填料振沖擠密法在砂土地區地基處理中的應用

李 博

(陜西西延鐵路有限責任公司，西安 710054)

包西鐵路神延段地處陜西北部地區，北起神木北車站南至延安北車站，其中榆林地區大保當至魚河峁為毛烏素沙漠東南邊緣，地表廣泛分布風積沙地，呈現風沙荒漠景觀，以固定、半固定沙地為主。地形呈波狀起伏，風沙活動強烈。該地區沿線部分車站建筑所在地地質條件較差，表層砂土厚度大，地基承載力標準值低，承載力多在40～90 kPa之間，未經處理一般不能滿足工業與民用建筑的要求［1］。

1 振沖擠密法作用機理

振沖法是由德國S·Steuernan于20世紀30年代首先提出的。1977年我國開始使用振沖法。振沖法(Vibro flotation)，是在處理砂土地基時利用振沖器的強力振動和水沖，使砂層發生短暫液化或結構破壞，砂顆粒重新排列，孔隙減少，同時依靠振沖器的強迫水平振擠作用，將補充的砂(來自孔頂的填料或自行塌陷的砂)振動擠壓密實，從而有效地提高了地基的承載力，減少了沉降［2-3］。

振沖法在砂性土中制樁的施工過程對樁間土有振動擠密作用，故稱為振沖擠密法(Vibro compaction)。采用振沖擠密法可以提高地基承載力、減少沉降和不均勻沉降、且能達到地基抗地震液化能力。一般相對密度可達75%以上;地基承載力可提高一倍以上。據國外資料報道，用振沖法加固砂土地基，地基承載力可達 500 ～ 700 kPa［2］。

目前，振沖擠密法處理砂土類地基主要有無填料加固和填料加固兩種方法。本文通過工程實例，簡單講述無填料振沖擠密法在包西鐵路砂土地區地基處理中的應用。

2 地基處理設計和施工工藝

現以包西鐵路榆林車站3#職工公寓樓為例說明這一技術的實際應用。3#公寓樓建筑面積2 798.5 m2，磚混結構6層，建筑高度18.4 m，基礎為鋼筋混凝土條形基礎。場地地形平坦開闊，相對高差小。地貌單元屬風成砂丘區。地基土主要為粉砂土，不具濕陷性。地下水埋藏較深，屬潛水類型。

2.1 工程地質情況

根據鉆探查明，場地勘察范圍內地層主要由第四系風積、湖積細砂等構成。現將其自上而下巖土特性分述如下:

①細砂(Qeol4):黃褐色，松散，稍濕。主要礦物成分以石英、長石，暗色礦物次之，云母少許。砂質較純，顆粒較均，級配較差，風積而成，局部夾有薄層粉夾層，分選性良好，含土量較小。本層厚度為3.00～5.60 m，層底埋深為3.00～5.60 m。地基土的承載力特征值fak=95 kPa。

②細砂(Qeol4):黃褐色，稍密，稍濕。主要礦物成分為石英、長石，云母少許，也見少許暗色礦物。砂質較純，顆粒較均，級配不好，風積而成，分選性良好，含土量較小。本層厚度為1.50～3.80 m，層底埋深為6.80～8.00 m。地基土的承載力特征值fak=130 kPa。

③細砂(Ql4):黃褐色，中密，稍濕 ～飽和。主要礦物成分為石英、長石，暗色礦物和云母次之。顆粒較均，級配不好，局部夾粉砂薄層，湖相沉積，分選性良好，含土量較小。本層厚度為2.30～5.10 m，層底埋深為9.20～10.90 m。地基土的承載力特征值 fak=190 kPa。

④細砂(Ql3):黃褐色，密實，飽和。主要礦物成分以石英、長石為主，雜色礦物次之，云母少許。砂質較純，顆粒較均，級配較差，本次勘察該層未穿透，可見厚度為0.90～2.70 m，該層在場地下部普遍存在。地基土的承載力特征值fak=200 kPa。

根據工程地質資料，擬建公寓樓的基礎座落在①層細砂的中下部，而①層細砂承載力低，不能滿足上部荷載要求，建議對該樓進行地基處理。處理方法可采用振沖擠密法(無填料)、水泥土攪拌樁法或振沖碎石樁法。考慮到節省工程造價，減少對周圍環境的振動影響，設計采用無填料振沖擠密法進行地基處理。

2.2 地基處理設計

地基處理采用無填料振沖擠密法。其目的是利用振沖器的振動力和水沖，使原地基的松散砂層振擠密實，改善地基土的強度和均勻性，提高地基承載力和密實度。

按設計要求，基坑開挖至－2.0 m后，按等邊三角形滿堂布置樁位，樁長9.0 m，樁徑為 φ700 mm，樁距1 500 mm，排距1 300 mm。振沖擠密砂樁施工完畢后，去除800 mm厚的虛樁至－2.8 m，然后再鋪壓300 mm厚碎石墊層至 －2.5 m，碎石墊層超出最外排樁250 mm，碎石墊層的壓實系數≥0.97。振沖擠密砂樁處理范圍:樁位布置超出建筑物橫外墻外緣3.3 m，縱外墻外緣2.4 m，要求處理后的地基承載力標準值fk≥180 kPa。

2.3 成樁施工工藝

施工時清理平整場地，施工設備為ZCQ-40型振沖器，具體施工流程為:①先確定樁位，施工機具就位，用吊車把振沖器對準樁位點，開機。②啟動水泵和振沖器，使振沖器在水平振動和重力作用下徐徐沉入砂層，水壓力 400～600 kPa，用水量 200 ～400 L/min，成孔速度宜控制為1～2 m/min，直至設計樁底，減少射水量至最小，留振時間不小于30 s。③待振沖密實電流至規定的控制值45～50 A后，將振沖器上提約0.3～0.5 m，重復以上步驟，自上而下，逐段施工至設計樁頂，完成制樁。④關機、位移，進行下一樁點振沖。

施工現場全部振密加固完畢，整平場地，進行表層處理，挖除800 mm厚的虛樁，并再鋪壓300 mm厚碎石墊層。

2.4 檢測原理、方法及檢測結果

2.4.1 靜荷載試驗

本次檢測中靜荷載試驗現場使用QYL-100 t千斤頂配反力平臺，承壓板直徑為1.575 m圓形鋼板，壓力表控制加載值。利用3個量程為0～30 mm對稱的百分表進行沉降觀測。加載方法采用慢速維持荷載相對穩定法進行試驗。加荷等級分為8級，每級荷載加載值為45 kPa，終止試驗荷載360 kPa，每級卸載值為加載值的2倍，3#公寓樓靜載荷試驗結果見表1。

表1 3#職工公寓樓靜荷載試驗結果

從地基的靜荷載試驗結果可以看出，P—S曲線一直比較平順(圖1)，未出現明顯的陡降現象，未出現極限破壞，且沉降差異不大，靜載荷試驗P—S曲線形態基本相似。

2.4.2 標準貫入檢測試驗

振沖擠密砂樁的密實度試驗采用標準貫入法進行，標準貫入試驗是用質量為63.5 kg重錘，以76 cm的落距，采用連續貫入法進行觸探試驗，將標準規格的貫入器，貫入試驗土層，每貫入30 cm深度的錘擊數為一個數據，來判定樁身及樁間土的密實度。

圖1 P—S曲線

根據標準貫入試驗錘擊數，經數理統計、計算，求得的標準貫入試驗錘擊數N63.5統計值見表2。

表2 標準貫入試驗值

統計結果顯示，樁間土標準貫入試驗錘擊數N63.5實測范圍值在10～29擊，平均值 N63.5=22.14擊，樁體土標準貫入試驗錘擊數 N63.5實測范圍值在9～30擊，平均值N63.5=21.95擊，表明樁間土的擠密效果和樁體土的振沖密實均達到中密狀態。

2.4.3 檢測結果

3個點靜載試驗承載力基本值極差不超過平均值的30%，可取其平均值為振沖擠密砂樁人工地基承載力特征值，振沖擠密砂樁人工地基的承載力≥180 kPa，滿足設計要求的180 kPa。

標準貫入試驗錘擊數的平均值在20～25擊，表明樁間土和樁體土密實均達到中密狀態。

3 施工要點和注意事項

1)施工順序的確定，根據施工現場實際情況采用“由里向外”或“由一邊向另一邊”的順序，如有鄰近既有建筑，則先從鄰近既有建筑處開始，逐步向外。

2)振沖擠密法在砂土地基處理時，原地基的松散砂中不能有泥土、石塊等雜質，要確保純凈，其中黏粒含量不超過10%，均可取得顯著的擠密效果［4］。

3)水量和水壓的控制。在砂土地基中進行無填料振沖擠密時，水壓力宜控制在400～600 kPa。用水量大小要保證砂土充分飽和，用水量宜控制在200～400 L/min。同時注意沉樁開始時水量應大，制樁過程中水量應減小，接近孔底時水壓不應太大，以防止砂層產生流態區，影響振沖密實效果。

4)密實電流、留振時間及上提距離的控制。為保證振沖密實效果，在振沖電流達到設計要求的密實電流后還需要留振一段時間，孔內自行塌陷砂填料愈密，振動消耗的電量愈大，常通過觀察電流的變化，控制振密的質量。本工程經驗，密實電流宜控制在45～50 A范圍內，以1～2 m/min速度自上而下分段進行振密，每段長度50 cm為宜，留振30～60 s，然后以0.5～1.0 m/min速度自下而上至地面振密，每段長度約50 cm為宜，留振 20 ～60 s［5］。

5)為保證樁體下部振沖密實效果，注意當振沖至設計樁底高程以上30～50 cm時，需減少沖水量，并繼續振沖下沉至設計樁底高程以下500 cm處，留振30～60 s。

4 結論

根據以上無填料振沖擠密法地基處理的實踐情況，可以得出無填料振沖法對地面以下振沖范圍內的砂土地基處理效果明顯，處理后地基均勻密實，砂土達到中密狀態，地基承載力滿足設計要求。通過該方法處理砂土地基，具有設備機具簡單，不受場地影響，工期短，取材方便，地基處理效果明顯等特點，同時建設成本較低，在榆林當地地區施工定額振沖砂樁綜合單價為12.00元/延長米，是經濟合理的施工方法，對工程造價控制，節約投資具有顯著的經濟效益。無填料振沖擠密法在砂土地基處理中是一種可廣泛推廣應用的經濟型地基處理方法。

［1］白濤，齊曉迪，袁樹基，等.砂土地基加固方法的工程應用［J］.建筑科學與工程學報，2008(2):116-119.

［2］劉海軍.深厚砂層地基振沖灌漿加固處理技術研究［J］.鐵道建筑，2010(5):90-92.

［3］李增華.振沖碎石樁加固鐵路路基的設計與應用［J］.鐵道建筑，2009(12):89-91.

［4］費洪源.淺論振沖法在砂層中的應用［J］.內蒙古科技與經濟，2004(11):62-64.

［5］牟宏彬，章奕峰，楊小寶，等.振沖法在加固粉細砂地基中的應用［J］.浙江建筑，2006(10):33-35.