論水工建筑物地基處理中的振沖加固技術

蔡少奇，高建文

（廣東順水工程建設監理有限公司，廣東 佛山 528300）

1 振沖加固技術的作用機理與施工方法

1.1 加固作用機理與適用條件

振沖法加固地基機理主要通過以下兩種方式實現：①應力集中效應：由于碎石樁的剛度和強度均遠大于樁間土，當兩者協調共同工作時，地震剪應力按剛度分配多集中于碎石樁上，樁間土的地震剪應力隨之大為減小，也就減小了產生液化的超孔隙水壓力。利用橫向擠密作用，使地基土粒彼此靠緊，孔隙被填滿和壓緊，孔隙減少。樁體具有較高的承載力，以致樁和原土組成復合地基，達到加固的目的。②振沖機擠密作用：通過振沖器使得水平軟土中孔隙水壓能較快地消散，從而加快地基沉降固結速度，提高土的固結度，增大地基承載力和抗震性能加振作用。見圖1。

圖1 振沖加固技術施工原理

振沖加固法適用于處理砂土、粉土、素填土等各類地基，原則上只要小于0.005 mm 的粘粒含量不超過10%，土壤的擠密效果會顯著提升。當粘性土壤粒的含量大于30%時，土壤粒多為礫石和粗砂，砂石之間的摩擦阻力會大幅上升，擠密效果反而會下降[1]。

當土壤擠密度在合理區間范圍內，抵抗填料的阻力就會越小，打樁時所需的樁體半徑就會越大，土與樁之間的結合力就越大，地基加固效果就會好。但是土壤擠密度過低就會引起樁體松動，土壤與樁體的結合就達不到平衡。此時地基加固效果就會欠佳，一般認為樁體的抗剪切力應不低于16 kPa，否則該地的土壤條件就不適用振沖加固法。

1.2 施工方法

施工方法對于施工質量起著至關重要的作用，為施工完成提供指導，下面著重論述振沖施工方法。施工現場圖見圖2。

圖2 振沖加固施工現場圖

振沖施工可按下列步驟進行：

①場地平整，布置振點。振沖施工前，工作人員需要測量出施工區域，并設置邊線的外放范圍，然后清除施工范圍內的障礙物。對水工建筑物振沖施工范圍里的場地進行碾壓和平整直至場地平整度、場地壓實度滿足大型機械施工條件，同時注意施工場地的施工電源箱體、線路的合理規劃，確保施工區域滿足“三通一平”的標準[2]。

②各施工機具準備好，使振沖器對準孔位。振沖施工一般采用振動沉管樁機，樁機選型應符合工程相關標準。進場組裝、調試完畢后，調準樁機各方向姿態，保證鉆桿和樁位在同一豎直線上的偏差在10 mm 以內，鉆孔垂直度誤差在0.3%以內。

③振沖器沉入砂層，并開啟水泵，控制好下沉速度。啟動振沖器電機，使樁體緩慢下沉至預定位置，嚴格控制沉入的深度。樁體下降過程中，如果發生傾斜、異常振動等現象應立即停止沉底過程，待修正樁體姿態后繼續進行。

④重復以上步驟直到孔內泥漿變稀。為了讓填砂的緊密度達到要求，通常在填砂的同時向管內灌水。當樁管接近地面時停止灌水。

⑤關閉水泵及振沖器，記錄填料量，并記錄電流量。當樁管溢出后，末端宜采用人工法投砂灌水，用振搗棒振搗壓實后即可關閉水泵和振沖器，準備下一根樁的施工。同時為保證施工的質量控制要求，要記錄填料的細度模數、樁徑、沖水量、振沖器的電流量等參數。

2 案例分析

2.1 工程概況

某抽水蓄能電站攔水壩軟基振沖加固工程采用振沖碎石樁復合地基，進行地基加固處理。根據鉆孔揭露，勘察場地勘探深度范圍內地層主要為第四系松散沉積物，地層自上而下依次為：

①粉土（Q4al+pl）：高程359.93 m～365.57 m。

②飽和粉土（Q4al+pl）：層面高程365.34 m～370.02 m。

③細砂（Q4al+pl）：層面高程342.62 m～358.76 m。

④圓礫（Q4al+pl）：層面高程345.57 m～359.50 m。

⑤粉質粘土（Q4al+pl）：層面高程341.07 m～358.52 m。

例2 (2018年哈爾濱中考第20題)如圖4，在平行四邊形ABCD中，對角線AC、BD相交于點O，AB=OB，點E、點F分別是OA、OD的中點，連接EF，∠CEF=45°，EM⊥BC于點M，EM交BD于點則線段BC的長為________．

⑥細砂（Q4al+pl）：層面高程337.61 m～344.2 m。

⑦細砂（Q4al+pl）：層面高程345.64 m。

2.2 振沖加固復合地基設計計算

振沖加固復合地基設計計算在施工加固的過程當中起著相當重要的作用，只有當設計論證通過之后才能進行具體的施工。經過振沖擠密的砂層比原來的軟土地基強度大，通過公式進行穩定性分析和復合地基承載力計算，成為設計計算最基本的支撐[3]。

（1）穩定分析計算：

復合地基穩定性分析中，常將滑動面假設為圓弧型，在圓弧滑動面形狀的假設下，設總的剪切力為F，總剪切面積為S，則沿圓弧滑動面滑動破壞的安全系數Y：

（2）復合地基承載力計算：

式中：Fsp,k為復合地基的承載力標準值；Fp,k為振后樁間土承載力標準值；Fs,k為樁體承載力標準值；m 為樁土面積轉換率；d 為樁身直徑；de為正多邊形等效影響，通常取1.04。

2.3 樁位布置

圖3 樁位設置圖

2.4 施工參數分析與質量控制

在振沖加固水工建筑物地基施工過程中，應對進場石料質量、樁位偏差、孔深偏差、密實電流、留振時間、水壓、水量和填料量等進行嚴格控制，確保工程質量。

地基加固方案：施工區域約為42.0 m×34.0 m 的矩形，布樁形式為正方形，布樁方式為梅花形，樁徑均為1.15 m，樁長11.0 m，樁間距約為1.65 m 和1.55 m。樁振沖碎石樁的填料量、密實電流及留振時間等參數見表1。

表1 振沖碎石樁控制參數表

通過對表1 中數據進行分析，可以推論出：

①隨著留振時間的增長，樁體頂部相對較硬層和下部軟弱層的平均錘擊數趨于均勻，即隨著留振時間的增長，樁體上下部分的密實度趨于均勻。

②提高加密電流，可以使樁頂部較硬層的動力觸探錘擊平均數降低，而使下部軟弱層的動力觸探錘擊平均數增加，即通過增加加密電流能夠使得樁體上下部分更加均勻，從而提高樁體的密實性。

③隨著填料量的增加，樁體的動力擊錘數是增加的，因為上部的相對較硬層的厚度在增加，而下部的軟弱層在減小，整體上表現為隨著填料量的增加樁體的密實度在增加[4-5]。

2.5 加固效果分析

某抽水蓄能電站攔水壩軟基振沖加固工程的實施效果檢測是采用靜載荷試驗，此試驗通過實施振沖施工前后不同靜載荷下的位移來檢測該攔水壩地基的加固程度，靜載荷分布為0 kPa～900 kPa，每次以100 kPa 遞增。檢驗結果見表2、圖4。

表2 振沖施工前后荷載試驗記錄表

圖4 振沖施工前后荷載試驗記錄表

由表2 圖和圖4 可知：位移和靜載荷承載力的大小基本呈線性變化，施工前當靜載荷從400 kPa 增加到500 kPa 時，位移變化較大，說明此時是靜載位移的一個突變點，繼續增加靜載荷又趨于穩定，施工后不再出現突變，這表明振沖加固后的樁體地基是安全可靠的。經過振沖加固施工后的軟土地基的承載力較施工前有了明顯提升，能夠滿足本工程設計承載力的需要[6]。

3 結語

振沖法操作方便，機組結構簡單且不需要大型機械設備，工程造價相對較低被廣泛應用于水工建筑物地基加固工程中。本文以某抽水蓄能電站攔水壩軟基振沖加固工程為例，通過振沖法施工前后的承載力—位移關系說明了該方法的有效性。實踐證明：振沖加固技術通過加固水工建筑物建設地址處松軟地基形成復合地基，提高地基的承載力、強度和穩定性，滿足壩基工程使用要求，具有良好的工程效果。