振沖碎石樁在砂土地基中的應用

龍祖輝,閆紅波

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安　710016)

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振沖碎石樁在砂土地基中的應用

龍祖輝,閆紅波

(中國水利水電第三工程局有限公司，西安710016)

摘要：根據西咸新區灃東新城灃河水面工程地質條件，結合砂土地基中采用振沖擠密和置換碎石的處理方法，詳細地闡述了振沖碎石樁的工程特性、施工工藝及檢測方法，并探討了振沖碎石樁在施工中常見的問題控制和預防措施。振沖碎石樁技術可靠，設備簡單，易于操作且節省投資。

關鍵詞：地基；振沖碎石樁；砂土

1工程概況

西咸新區灃東新城灃河綜合治理(G310-西咸交界段)水面工程，在樁號6+650.00 m位置處(起點0+000 m樁號位置為108國道灃河橋)布置橡膠壩、調節閘及船閘樞紐工程，建筑物等級為4級，橡膠壩壩高5 m，壩總長188.8 m，回水長度6.5 km。

根據地質勘察資料，橡膠壩在正常運行時，地基場地土15 m以上砂土為液化土，液化土底面標高368.68 m，液化指數大于18，液化等級嚴重，經論證后采用振沖碎石樁處理方案，既可以解決液化問題，又能提高地基承載力和減少不均勻沉降[1-6]。

2地形地質條件

橡膠壩位于灃河主河槽，兩岸壩肩處灃河高漫灘及渭河一級階地，高程約392.00～398.00 m。灃河切割侵蝕作用強烈，河岸多為高約8～9 m直立岸坎；底層主要為第四季全新沖積、洪積成因的松散堆積層。巖性以壤土為主，厚度不均，其下為第四系洪積壤土、砂壤土及粉細砂土，厚度不均，主要以互層及鏡體形式存在，橡膠壩坐落在②4層細砂及③6層粗砂中。其中②4層細砂為淺灰色～灰黃色，稍密，飽和，砂質較純凈，主要礦物成分為石英、長石，夾薄層粗砂，含少量圓礫，下部12.9～13.3 m為褐灰色粉細砂，其中夾有薄層黏土或粉土。層厚7.6 m，層底高程366.34 m；③6層粗砂為淺灰色～灰黃色，密實飽和，砂質較純凈，主要礦物成分為石英、長石，夾薄層中砂及粉細砂，含少量圓礫及小粒徑卵石。層厚7.4～12.6 m，層底高程356.98～369.21 m。

3振沖碎石樁施工工藝

本工程軟基處理采用的是ZCQ-130型振沖器。振沖器產生高頻，同時開動水泵，利用高速水流沖擊孔底。在邊振邊沖的聯合作用下，振沖器沉入預定深度并形成孔洞，經清孔后向孔中逐段填入碎石，當碎石被振沖擠密到要求的密實度后，提起振沖器投入下一段碎石料，重復振密和重復填料直至設計樁頂，形成密實的碎石樁。

采用振沖器施工制碎石樁一般分為準備、造孔、清孔、加料振密等步驟[7-11]。

3.1施工工藝流程

施工工藝流程見圖1。

圖1　施工工藝流程圖

3.2施工技術和施工要點

(1) 施工準備

1) 布設樁位：根據設計圖紙要求，按編號標示出現場樁位，施工時對號入座，避免漏打、重打。

2) 供水及排水處理：布置供水管用于振沖時高壓水的供應，布置泥漿排放溝進入凈化池，防止污染環境。

3) 試驗樁：通過若干根試驗樁驗證設計參數，確定樁體密實電流、留振電流和填料量等施工工藝參數。

4) 施工順序：軟土處理成樁的順序一般為“由內向外”或“由一邊向另一邊”進行，便于淤泥的擠壓和振沖。

(2) 造孔

啟動水泵和振沖器，水壓0.4～0.6 MPa，水量200～400 L/min，使振沖器徐徐沉入土中，直至達到設計處埋深度以上0.3～0.5 m，記錄振沖器經各深度的電流值和時間，提升振沖器至孔口。

(3) 清孔

重復上一步驟1～2次，使孔內泥漿變稀，樁孔暢通，然后將振沖器提至孔口。

(4) 填料加密

向孔內倒入一批填料，應將水壓和水量降低至孔口有一定回水，但無大量細顆粒帶出為止。分段制樁，每段填料高度不大于0.5 m。將振沖器沉入填料中進行振動密實，此時電流隨填料的密度而逐漸增大，電流必須超過規定的密實電流，密實電流需大于空振電流的1.5～2.0倍。若達不到規定值，應向孔內繼續加填料，振密，記錄這一深度的最終密實電流、填料量和留振時間。

(5) 重復上一步驟工作，自下而上，直至加密到設計要求樁頂標高。

(6) 關閉振沖器和水泵，制樁結束。

4施工中應注意的問題

4.1各樁段應符合密實電流、填料量和留振時間

密實電流、填料量和留振時間的規定應根據試驗性施工確定或根據設計要求確定。只有這3項都符合規定后，樁身質量才能得到保證。必須注意，絕不能將振沖器接觸填料的瞬間電流當做密實電流，只有振沖器在固定深度上振動一定時間(稱為留振時間)，而電流穩定在某一數值，這一穩定電流才是密實電流。

4.2做好排泥溝池

為保護環境，做到文明施工，不能讓振沖法成樁時產生的泥漿溢流場地，為此，在施工場地上應事先開設排泥水溝池，將成樁過程中產生的泥漿集中引入沉淀池，定期清理。

4.3控制好水量、水壓

振沖施工中水是很重要的。關于水，需要控制的一個是水量、一個是水壓。水量要充足，應使孔內充滿著水，這樣可以防止塌孔，使制樁工作得以順利進行。反之，水量亦不易過多，過多時易把填料帶出流走。關于水壓，視土質及強度而定。一般情況，對于強度較低的軟土，水壓要小些；對強度較高的土，水壓宜大。成孔過程中，水壓和水量要盡可能大；當接近設計加固深度時，要降低水壓，以免破壞樁底以下的土。加料振密過程中，水壓和水量均宜小。

4.4對樁頂的處理

樁頂部1 m范圍內，由于地基土的上覆壓力小，樁周約束力相應也小，因此樁頂的密實度很難達到要求，為此應將樁頂部的松散樁體挖除。

4.5對填料的要求

本工程樁體材料按照《水電水利工程振沖法地基處理技術規范》[7]選用含泥量不大于5%的碎石，要求石料質地堅硬、級配連續、粒徑在20～150 mm之間。

4.6對造孔的要求

振沖施工可在原地面造孔，也可以在基坑開挖后造孔。前者較方便，后者可節省填料。地表有硬層時宜先挖孔再振沖，以減少振沖器的碰撞與磨損。

造孔時，通過壓力噴水以加速沖孔處土的飽和與振動液化，并有利于回水和洗孔帶走泥漿，一般噴水壓力為0.3～0.8 MPa，一般稍密或黏性大的地基，灌入速度應較慢，反之可加快。貫入快時尖端阻力大，成孔直徑較小，不利于填料落入和順利施工。一般以2 m/min為宜。并每貫入0.5～1.0 m宜在該段高度懸留振沖5～10 s，有利于振沖洗孔擴大孔徑。

造孔中應注意觀測密實電流，當其超過潛水電機的額定電流時，必須減速下沉或暫停下沉，或加強水沖，待將土質沖松后再下沉，以免燒毀振沖器電機。

4.7做好施工記錄

為了避免漏孔，施工時應復查孔位編號，并做好記錄，存檔備查。每天施工完畢要及時填寫“制樁統計圖”，填寫內容有：樁號、制樁深度、填料量、施工時間和完成時間等，見圖2。

圖2　制樁統計示意圖

4.8冬季施工和雨季施工措施

冬季施工時，當地基表層已遭受凍結，宜將孔位處凍土破碎后再造孔，以免損毀振沖器。每班施工完成后，應將供水管和振沖器內積水排凈，以免受凍造成施工困難。

雨季施工應做好防雨措施，以免影響樁身質量。

5常見問題及處理

5.1密實電流、填料量、留振時間三者不能同時滿足

制樁過程必須使密實電流、填料量、留振時間3個影響樁體質量的主要因素都達到設計要求，確保樁體每一加料段和每根樁體的質量都符合以上3個原則。

在施工中往往遇到以下一些情況：

(1) 在土層較好的情況下，制樁過程中，密實電流和留振時間往往容易先到達，而加料量不易達到，此時應以加料量作為樁體質量控制的重點；

(2) 在土層較差的情況下，加料量和留振時間往往容易先到達，而密實電流不能同時達到設計要求，此時應以密實電流作為樁體質量控制的重點。

5.2樁底沖成大孔

必須重視樁底的制作質量，樁底在成孔時，若水壓控制不好，往往容易被高壓水沖成大坑，因回填料時，加料量比樁身要大的多，有時可達總填料量的25%～30%，雖然開始填料時，有部分填料要沿途沾留在孔壁上，也要增加填料量，但由于樁底直徑大，需填料量大，此時密實電流往往不易達到，若樁身質量也不嚴格控制，很容易造成工程失敗，為此在施工過程中必須重視樁底質量的控制，務必使它滿足設計要求。即接近設計加固深度時，要降低水壓，以免樁底沖成大孔。

5.3樁頂密實度不滿足

完工后，發現樁頂密實度不滿足要求時，應將其挖除后再用碎石將其補足，或用振動碾使之密實。

5.4偏差超過規定

應根據工程要求、機具情況、土體性能選取下述措施：① 降低荷載；② 加厚墊層；③ 增加樁數。

6質量檢驗

質量檢驗分施工質量檢驗和加固效果檢驗2部分。檢驗合格，方可進行下一道工序施工。

6.1施工質量檢驗

主要是檢查樁體質量是否符合設計要求，檢查內容包括所有樁位施工過程中的原始記錄、樁位偏差、每根樁的制樁質量等。常用的檢驗方法有動力觸探試驗、靜力觸探試驗，標準貫入試驗等。

振動水沖法的孔位偏差和垂直度偏差應符合下列規定：

(1) 由于振沖器運動慣性和風力影響的擺動，不易精確對準孔位中心，故規定振沖器尖端噴水中心與孔位中心偏差不得大于50 mm，過大影響處理質量，過小影響施工效率；

(2) 由于已加固區密度大，未加固區較松軟，振沖時易發生孔位偏移，規定成孔中心與設計中心偏差一般在100 mm左右；

(3) 樁頂中心與孔位偏差不得大于0.2D(D為樁徑)；

(4) 垂直偏差不得大于1%。

6.2加固效果檢驗

在樁體質量全部符合要求后，驗證單樁和復合地基承載力是否滿足設計的各項要求。

6.3檢驗數量

一般根據地基土的性質和薄弱環節、工程規模大小、建筑物的等級和重要性來決定。

(1) 對碎石樁體密實度檢驗可用重型動力觸探進行隨機檢驗，檢測數量宜為總樁數的1%～3%。

(2) 對樁間土的檢驗在處理深度內用標準貫入、靜力觸探等進行檢驗。

(3) 載荷試驗數量應為每200～400根樁抽檢1點，且檢測點的總數不應少于3點。

6.4檢驗時間

由于制樁過程中原土的結構受到不同程度的擾動，強度有所降低，因此制樁結束后，必須使土有一段休置時間，待土的強度恢復后方可進行試驗，這段時間稱為恢復期，恢復期的長短根據土的性質而定，一般砂土恢復期不少于7 d。

7試驗結果分析

主要以主河槽(中壩段)振沖碎石樁施工檢測成果作以說明，檢測區主河槽段總樁數共計685根，樁間距2 m，樁徑0.8 m，呈正三角形布置。

7.1復合地基靜載試驗

選取3個部位(S1、S2、S3)采用慢速維持荷載法，以堆重平臺為反力，每級以37.5 kPa的壓力遞增，試驗終止荷載為300 kPa(等于設計值的2倍)，每級荷載沉降觀測時間：隔10、10、10、15、15 min各測讀1次，以后每隔30 min讀1次，且不小于2.5 h，直到沉降相對穩定為止。3組靜載荷p-S關系曲線呈緩變型曲線，未見明顯拐點，最終沉降量介于12.98～14.04 mm之間；相應于150 kPa荷載作用時的沉降量的最大值為5.19 mm，S/d小于0.010(d取2 000 mm，d為承壓板寬度或直徑，當其大于2 m時，按2 m計算)，由此確定本場地振沖碎石樁復合地基承載力特征值不小于150 kPa。復合地基靜載荷試驗成果見圖3～5及表1。

表1　不同部位復合地基靜載荷試驗成果表

圖3　S1復合地基靜載荷試驗成果圖

圖4　S2復合地基靜載荷試驗成果圖

圖5　S3復合地基靜載荷試驗成果圖

7.2單樁靜載試驗

選取4個部位(S1、S2、S3、S4),試驗原理同上，每級以53 kPa的壓力遞增，試驗終止荷載為530 kPa(等于設計值的2倍)，每級荷載沉降觀測時間：隔10、10、10、15、15 min各測讀1次，以后每隔30 min讀1次，且不小于2.5 h，直到沉降相對穩定為止。4組靜載荷p-S關系曲線呈緩變型曲線，未見明顯拐點，最終沉降量介于13.89～15.770 mm之間；相應于265 kPa荷載作用時的沉降量的最大值為3.34 mm，S/d小于0.010(d取800 mm，d為承壓板寬度或直徑)，由此確定本場地振沖碎石樁復合地基承載力特征值不小于150 kPa,具體見表2,單樁地基靜載荷試驗成果見圖6～9。

表2　單樁地基靜載荷試驗成果表

圖6　S1單樁地基靜載荷試驗成果圖

圖7　S2單樁地基靜載荷試驗成果圖

圖8　S3單樁地基靜載荷試驗成果圖

7.3標準貫入試驗

本代表性場地共布置樁間土標貫試驗7孔，根據檢測結果，按GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[13]之規定，列出N63.5′、N63.5及液化判別結果，如表3所示(此處列3孔成果)，該表表明經振沖碎石樁處理后，處理深度范圍內樁間土呈中密～密實狀態，處理深度范圍內液化效應已消除。

圖9　S4單樁地基靜載荷試驗成果圖

鉆孔編號測試深度/m高程/mds'/mds/mdw'/mdw/mN63.5'/擊N63.5/擊Ncr/擊判別結果B11375.2112.10136.166.00不液化2374.2222.10158.826.60不液化3373.2332.101912.587.20不液化4372.2442.102014.267.80不液化5371.2552.101813.528.40不液化6370.2662.102015.69.00不液化7369.2772.102116.869.60不液化B31375.2111.80126.146.00不液化2374.2221.80159.386.60不液化3373.2331.802114.617.20不液化4372.2441.802216.367.80不液化5371.2551.802217.138.40不液化6370.2661.802217.729.00不液化7369.2771.802218.189.60不液化B51375.2111.80147.176.00不液化2374.2221.80148.756.60不液化3373.2331.802215.307.20不液化4372.2441.802014.877.80不液化5371.2551.802217.138.40不液化6370.2661.802016.119.00不液化7369.2771.802016.529.60不液化

注：ds為標準貫入深度；ds′為橡膠壩建成后標準貫入深度；dw為地下水位，m；dw′為橡膠壩建成后地下水位深度，m；N63.5′為實測擊數 ；N63.5為校正后擊數；Ncr為臨界標準貫入錘擊數。

7.4動力觸探試驗

本次所選場地共布置樁身動力觸探點7孔，單孔分層錘擊數的統計結果見表4，由表4可看出，各檢測樁在檢測深度范圍內樁身填料基本處于中密狀態。

表4　重型動力觸探試驗成果一覽表

8結語

振沖碎石樁作為一種地基處理方法，由于它技術可靠，機具設備簡單，操作技術易于掌握，因地制宜，就地取材，加固速度快，節約投資，適用于砂土、粉土、黏性土、素填土和飽和黃土等地基，在民用建筑地基處理中得到了大量應用，但該技術在水利工程地基基礎處理中的使用還為數不多，通過該工程的應用實踐和各項檢測數據結果表明，振沖碎石樁在砂土地基中消除液化、提高復合地基承載力和減少不均勻沉降達到了預期效果。

參考文獻:

[1]徐維鈞.樁基施工手冊[M ].北京：人民交通出版社，2007.

[2]賀志貞，楊利萍，李世興.振沖碎石樁軟基處理技術在海堤工程中的應用[J].山西水利科技,2008(2)：49-51.

[3]張靜波,胡勵耘，吳翔.振沖碎石樁在遂渝鐵路軟基中的應用[J].工程地球物理學報,2007(3)：256-259.

[4]譚文彪.振沖碎石樁在海珠湖工程中的應用[J].廣東水利水電,2012(12)：64-67.

[5]譚文彪.振沖碎石樁在海珠湖工程中的應用[J].人民珠江,2013(1)：55-58.

[6]謝明華.振沖碎石樁在上海軟土地基中的應用(二)[J].住宅科技,1988(6):37-39.

[7]武青山，張佳運.振沖碎石樁聯合強夯法處理軟土軟地基適用性研究[J].北方交通,2011(5)：1-3.

[8]王鑫.工程施工中振沖法施工工藝研究[J].黑龍江科技信息,2012(25):242.

[9]梁桁，王云峰，康樹茂.某海工工程砂土液化判別及防波堤抗震穩定分析[J].西部探礦工程,2005(7):64-65.

[10]張海燕，陳健.高原斜坡軟土路基碎石樁施工技術[J].西部探礦工程,2002(Z1):396-397.

[11]黨德勝.淺談振沖法地基加固施工[J].內蒙古水利,2003(3):54-55,97.

[12]DL/T5214—2005,水電水利工程振沖法地基處理技術規范[S].北京：中國電力出版社，2005.

[13]GB50487—2008,水利水電工程地質勘測規范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

Application of Vibro-macadam Pile in Sandy Soil Ground

LONG Zuhui, YAN Hongbo

(Sinohydro Bureau 3 Co., Ltd., Xi'an710016，China)

Abstract:In accordance with the water-surface engineering geological conditions of the Feng River of Fengdong New Town, Xixian New Area and in combination with such handling methods and vibrating compaction and gravel replacement in sandy soil foundation, the engineering characteristics, construction technique and inspection methods of the vibro-macadam pile are described in detail. Furthermore, trouble control and prevention measures often occurring in the pile construction are discussed. Regarding the vibro-macadam pile, its technology is reliable, its construction equipment is simple, construction is easy and cost is lower.

Key words:foundation; vibro-macadam pile; sandy soil

中圖分類號：TV553

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.015

作者簡介：龍祖輝(1973- ),男,陜西省安康市人，工程師，主要從事建筑工程管理工作.

收稿日期：2016-03-02

文章編號：1006—2610(2016)02—0054—05