淺談振沖法在軟弱地基加固中的應用

提要：本文通過工程實例論述了振沖法的加固原理，設計計算，施工檢測及加固效果。只有采用合理的施工工藝和嚴格的質量控制，在水電工程中應用振沖加固是可行的，且具有較好的經濟效益。

關鍵詞：振沖法；復合地基；軟弱地基加固

一、 前言

振沖法施工在房屋建筑基礎處理中應用比較普遍，而在水電站施工中應用較少。隨著我國經濟建設的發(fā)展，在軟弱地基上修建水工建筑物的情況越來越多，這種情況不僅在平原地區(qū)普遍，在山區(qū)地區(qū)也常會遇到。在以往的水電站施工中遇到此類情況通常采用置換法，即深挖基礎，然后用砼換填。這樣做成本較高，且工期較長。而采用振沖法施工，不但可以降低工程成本，同時還可以縮短工期。黑河塘水電站首部樞紐右岸擋水壩段基礎處理采用的振沖法施工，收到了很好的效果。

閘址區(qū)覆蓋層成因及結構都比較復雜，以沖、洪積堆積的含漂砂卵礫石層和堰塞堆積的粘質粉土層為主要特征的結構層次。由于場地內淺部地基土的力學性質不能滿足黑河塘電站右岸擋水壩工程需求。故對場地堰塘堆積的粘質粉土層等土層采用振沖碎石樁進行加固處理，使其復合地基承載力滿足fspk≥300Kpa。因此地基問題的處理恰當與否，關系到整個工程的質量、投資和進度，因而軟弱地基的處理引起了相關方面的重視。

振沖法是以起重設備吊起振沖器，啟動潛水電機后帶動偏心塊，使振沖器產生高頻振動，同時開動水泵，高壓水通過噴嘴噴射高壓水流，邊振邊沖聯合作用，使飽和松散的砂土顆粒在強烈的高頻強迫振動下重新排列致密，且在振動中填入大量粗骨料后，被強大的水平振動擠入周圍土中，在地基中形成一根大直徑的較為密實的樁體，使砂土的相對密度增加，孔隙率降低，干容重和內摩擦角增大，砂土的物理力學性能改善，使地基承載力大幅度提高。本文通過黑河塘水電站粘質粉土層地基加固實例，經試驗樁檢測及建筑物沉降觀測分析，證明采用振沖法加固軟弱地基是可行的，具有較好的經濟效益。

二、工程概況

2.1、工程概況

閘址區(qū)位于羌河溝口下游800m，至磨房溝上游約300m之間的河段上，該河段相對順直，河道流向由N至S。在1774~1776m高程左右，發(fā)育有長約200m，寬40~70m的Ⅰ級階地。兩岸地形坡度變化較大，呈不對稱的“U”谷。。

2.2、地層巖性

閘址區(qū)覆蓋層成因、結構復雜；河床由于受下游磨房溝泥石流堆積的影響，導致兩次堰塞，形成了以沖、洪積堆積的含漂砂卵礫石層和堰塞堆積的粘質粉土層為主要特征的結構層次。按其物質組成、結構和成因由老至新（由下至上）可分七層：

①層為沖積堆積的含漂砂卵礫石（Q2-3al），分布于河床谷底，一般后3~5m，局部厚達18m。該層以卵礫石為主，磨圓度好，結構密實。

②層為堰堆積的粘質粉土層（Q3fl），粘、粉粒含量不甚均一，河床及右岸分布普遍且穩(wěn)定，厚度一般為20~30m，埋深45.0~50.0m。其顆粒組成以粉粒為主，按顆粒組成屬粉質土，按GBJ145-90土的分類標準，屬低液限粉土（ML）。滲透性為弱透水性。

根據地質年代測試，結合本工程閘基應力條件綜合分析，并根據規(guī)范有關標準，該層可判斷為不液化土層。

③層為沖、洪積堆積的含漂（塊）卵（碎）礫石夾砂、土（Q3al+pl），結構不均一，但尚密實。一般厚為30~40m，河床部位最厚（38.76~44.45m），向左、右兩岸漸薄。該層以卵礫石為主，磨圓度較好，粗顆粒構成骨架，在空隙中多充填有少量的粉土、粘土及中粗砂。該層結構密實，屬密實卵石層。滲透性為強透水性。

④層為堰塞堆積的粘質粉土層（Q4fl），按其顆粒組成和結構可分為上、下兩部分，界面分布高程大致在1766~1769m之間，上部總體上呈黃~灰黃色含礫粘質粉土，厚度為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，總體為灰~深灰色粘質粉土和粉質粘土，結構相對單一。滲透性為弱透水性。

根據地質年代測試，對土體采取多種方法進行液化判定，該層上部為液化土層，下部為不液化土層。綜合分析，故總體上可判斷為液化土層。

⑤層為含漂卵礫石夾土（Q4al），分布于右岸Ⅰ級階地，具二元結構，上部為粉土夾碎礫石，下部為含漂砂卵礫石夾土，厚度一般5~8m。物質組成以卵礫石為主，按GBJ145-90土的分類標準，屬卵石混合土（SICb）。滲透性為強透水性。

閘址區(qū)覆蓋層各土層物理力學參數建議值見下表：

分類

名稱 天然

密度 允許

承載力 壓縮

模量 滲透

系數 抗剪指標 允許

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 含漂砂卵礫石層Q4al 2.2 250~300 20~30 1.0×10-1 27~29 0.07~0.1

⑥ 坡積的塊碎石土Q4dl 2.06 300~350 15~20 1.0×10-1 25~27 0.12~0.15

⑤ 含漂砂卵礫石層Q4al 2.11 500~600 40~50 1.5×10-2 27~29 0.3~0.4

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

③ 含漂砂卵礫石層Q3al+pl 2.0 400~500 30~40 2.26×10-2 25~27 0.15~0.2

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

① 砂卵礫石層Q3al 2.25 600~800 50~60 1.5×10-2 27~29 0.1~0.15

三、振沖樁加固方案設計：

3.1、設計要點

振沖碎石樁加固松砂地基是一項較成熟技術。本工程設計根據具體的工程地質條件和上部建筑的荷載情況，在填料方面有些新的做法。這些做法經建成后觀測證明效果良好。

1、加固的必要性與加固要求

根據地質資料本工程選用細砂為持力層，天然地基土承載力標準值為130kpa。采用單獨基底時，要求承載力的設計值為250kpa，相應的基礎埋深1.5米。在該條件下，天然地基承載力設計值僅為160kpa，不能滿足設計要求，故地基必須進行加固。

2、采用振沖法的技術合理性

根據國外成熟經驗，振沖法主要適用于處理砂性土，從粉細砂到含礫粗砂，只要小于0.005mm的粘粒含量不超過10%，都可取得擠密效果。

3.2、設計要求：

經振沖加固處理后形成的復合地基承載力應滿足fspk≥300KpaEs≥25Mpa。

3.3設計計算

根據《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2002）7.2.8-3式：fspk≥[1+m（n-1）]fsk

按最不利組合原則，由第○4層堰塞堆積的粘質粉土層承載力標準值fsk=130Kpa代入公式fspk≥[1+m（n-1）]fsk中。

式中：fspk—振沖樁復合地基承載力特征值（Kpa）；

fsk——處理后樁間土承載力特征值（Kpa），宜按當地經驗取值，如無經驗時，可取天然地基承載力特征值；

m—樁土面積置換率；

n—樁土應力比；

d—樁身平均直徑（m）；

de—一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑；

經計算：當n取4時，m=0.44

m=d2/de2 （7.2.8-2）

經計算：當fspk=300Kpa，d=1.1m時，de=1.65

布樁方式采用等邊三角形布置：de=1.05s（s為樁間距）

當fspk=300Kpa，s=1.80m，排距H=1.56m

當代入其它土層承載力標準值計算時，基本滿足設計要求。

3.4、振沖樁位的布置：

依據上述設計計算結果，采用等邊三角形布樁（在防滲墻軸線1.5m外布樁，避免碎石樁對第④層堰塞堆積的粘質粉土的擾動及以后防滲墻施工的影響），布樁間距為：樁間距為s=1.80m，排距H=1.56m。本工程的布樁平面見圖

四、加固施工方案：

4.1、施工要求

本工程按基礎的埋置深度，將第一層約50cm的砂礫石層挖除，即開始在粘質粉土層內采用振沖碎石樁加固地基。采用加填料的振沖密實施工方法，填料為碎石，級配良好。要求造孔電流不大于13A，造孔留振時間不少于2min，振沖密實電流為60A，留振時間一般不少于1min。施工時水壓不宜過大，以防砂土流失，使水壓在400～600kpa。振沖施工順序采用間隔進行。

4.2、振沖碎石樁試驗：

施工前根據現場施工條件，在右岸擋水壩段基礎覆蓋處理范圍內選擇1個試驗區(qū)進行振沖碎石樁試驗，總樁數為5根，按等邊三角形布置，兩孔之間間距為1.80m，并進行人工按ф1.1m深0.8~1.0m取孔，振沖碎石樁長至第④層礫粘質粉土層底部0.5m以上，目的是為：

（1）確定最佳碎石樁樁徑，樁間排距、樁長，填料級配及數量等參數。

（2）確定造孔和成樁的施工機械，施工工藝，確定施工技術參數（每米進尺填料量，密實電流，留振時間，振沖水壓等）為以后振沖碎石樁施工取得合理的參數。

4.3、施工工藝流程：

①清理平整施工場地→②布置樁位→③人工樁位取孔（部分）→④造孔→⑤分段填料并振搗密實直至完成每一樁→⑥重復上述④⑤直至完成所有振沖施工。

4.4、施工：

1）清理平整場地現場。

2）布置樁位并校核。

3）施工機具就位，使振沖對準樁位。

4）啟動水泵和振沖器水壓200-600Kpa，水量200-400L/min，使振沖器徐徐沉入土中，直至達到處理深度并嵌入卵石層，記錄振沖器深度、電流值和時間，提升振沖器至孔口；

5）重復上一步驟1-2次，使孔內泥沙變稀，然后將振沖器提出孔口；

6）向孔倒入一批填料，將振沖器沉入填料中進行振密，此時電流隨填料的密度而逐漸增大，電流必須達到80-100A，若達不到，應向孔內繼續(xù)填料，振密，記錄這一深度的最終電流量和填料量；

7）將振沖器提出孔口，繼續(xù)施工上部的樁段；

8）重復步驟（6、7）自下而上施工樁體，直至孔口，并隨樁鋪設20-30cm厚的褥墊層；

9）關閉振沖器和水泵。

4.5、關鍵點控制

1）采用飽和和抗壓大于40Mpa的2-8cm級配碎石、適量人頭石（粒徑不超過15cm）及摻入10-20﹪的礫砂，以增強成樁樁體密實度。

2）施工過程中，各段樁段應符合密實電流80-100A，留振時間大于10S和填料量的要求。

3）樁端須進入卵石層（壓縮性較低的硬層）。

4）褥墊層厚20-30cm，材料為級配良好的2-5cm卵石及礫砂，鋪設寬度為基礎外緣3排保護樁。

5）施工過程中，若振沖器在成孔時遇到孤石，應在孤石周邊重新成孔，并加密樁位。

五、復合地基加固效果檢驗

振沖加固施工完成7天以后，由具有檢測資格的檢測單位對復合地基加固效果進行檢驗。根據〈建筑地基處理技術規(guī)范〉（JGJ79-2002）規(guī)定：

5.1、進行靜荷載試驗；

為進一步復核振沖處理效果，分別對樁間土和樁體進行了物性試驗和現場載荷試驗。物性成果表明（表5-2），樁間土平均天然干密度1.29g/cm3，塑性指數14.9，顆粒級配組成中，＜5mm顆粒含量為100%，＜0.075mm細粒含量為83.93%，＜0.005mm粘粒含量為18.5%，分類定名為低液限粘土（CL）；碎石樁平均天然干密度1.85g/cm3，孔隙比0.47，顆粒級配組成中，20~60mm碎石含量為13.87%，60~80mm礫石含量為70.44%，＜0.075mm細粒含量為6.02%，＜5mm顆粒含量為19.63%，分類定名為含細粒土礫（GF）。

經對2組單樁載荷試驗和2組樁間土淺層平板載荷試驗（表5-1），樁體承載力特征值為570～620 kPa，樁間土承載力實測值為120～140 kPa，復合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ79－2002確定為301.4～333.4 kPa。

振沖碎石樁復合地基檢測

表5-1

試驗編號 Z-1 T-1 Z-2 T-2

樁體承載力特征值 fk kPa 570 620

樁間土承載力特征值 fk kPa 120 140

變形模量 E0 MPa 44.1 9.4 53.24 9.9

復合地基載力特征值 f SPk kPa 301.4 333.4

復合地基變形模量 ESP MPa 15.08 15.88

沉降量 S cm 0.67 0.46 0.69 0.51

置換率 m 0.403 0.403

為進行土層液化判定，對樁間土布置了3個孔的標貫試驗，標貫校正錘擊數為6.11，大于錘擊數臨界值5.4，復判為不液化土層。

綜上所述，第④層粘質粉土經處理后，復合地基承載力、壓縮模量和抗液化能力都得到較好的改善，其面積置換率為0.403，不存在液化問題，處理后的地基承載力滿足設計要求。

表5-2

5.2、進行動探試驗。

施工完成后，按規(guī)范隨機抽取了3根樁點進行N120動力觸探檢測，成果表明，樁體質量較試驗階段有大幅度提高，兩根樁3—10m范圍內部分段修正后平均擊數為5.5左右，密實度為稍密，其余深度段樁體平均錘擊數為7.2～13.5，密實度為中密~密實，滿足規(guī)程規(guī)范要求。

六、結語

6.1、振沖碎石樁復合地基具有承載力提高幅度大，成本低等優(yōu)點，地基承載力一般可達原

土層承載力的2-5倍。山區(qū)松散細砂軟弱地基采用振沖法加固，具有明顯的經濟效益。

6.2、振沖樁的布孔方式與密度可依荷載分布情況而定，不必拘于已有的方式，如等邊三角形、正方形等。

6.3、振沖樁應嚴格按照其工藝施工和質量控制，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。在施工中能否完全達到設計要求是必須通過檢測來證實，所以，復合地基的載荷試驗是振沖法應用的關鍵步驟，應加強樁體的試驗檢測工作。

參考文獻：

（1）《建筑地基基礎規(guī)范》（GB50007-2002）

（2）《建筑地基處理技術要求》（JGJ79-2002）

（3）《建筑地基基礎工程施工質量驗收規(guī)范》（GB50202-2002）

（4）《巖土工程勘察報告》

作者簡介

王敏（1976年-），男，四川邛崍人，項目經理，工程師，一級建造師，從事水利水電工程施工管理與技術工作。

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。