淺談?wù)駴_法在軟弱地基加固中的應(yīng)用

提要：本文通過(guò)工程實(shí)例論述了振沖法的加固原理，設(shè)計(jì)計(jì)算，施工檢測(cè)及加固效果。只有采用合理的施工工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，在水電工程中應(yīng)用振沖加固是可行的，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：振沖法；復(fù)合地基；軟弱地基加固

一、 前言

振沖法施工在房屋建筑基礎(chǔ)處理中應(yīng)用比較普遍，而在水電站施工中應(yīng)用較少。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，在軟弱地基上修建水工建筑物的情況越來(lái)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(huì)遇到。在以往的水電站施工中遇到此類(lèi)情況通常采用置換法，即深挖基礎(chǔ)，然后用砼換填。這樣做成本較高，且工期較長(zhǎng)。而采用振沖法施工，不但可以降低工程成本，同時(shí)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(chǔ)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(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，以沖、洪積堆積的含漂砂卵礫石層和堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層為主要特征的結(jié)構(gòu)層次。由于場(chǎng)地內(nèi)淺部地基土的力學(xué)性質(zhì)不能滿足黑河塘電站右岸擋水壩工程需求。故對(duì)場(chǎng)地堰塘堆積的粘質(zhì)粉土層等土層采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理，使其復(fù)合地基承載力滿足fspk≥300Kpa。因此地基問(wèn)題的處理恰當(dāng)與否，關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量、投資和進(jìn)度，因而軟弱地基的處理引起了相關(guān)方面的重視。

振沖法是以起重設(shè)備吊起振沖器，啟動(dòng)潛水電機(jī)后帶動(dòng)偏心塊，使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，同時(shí)開(kāi)動(dòng)水泵，高壓水通過(guò)噴嘴噴射高壓水流，邊振邊沖聯(lián)合作用，使飽和松散的砂土顆粒在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下重新排列致密，且在振動(dòng)中填入大量粗骨料后，被強(qiáng)大的水平振動(dòng)擠入周?chē)林?，在地基中形成一根大直徑的較為密實(shí)的樁體，使砂土的相對(duì)密度增加，孔隙率降低，干容重和內(nèi)摩擦角增大，砂土的物理力學(xué)性能改善，使地基承載力大幅度提高。本文通過(guò)黑河塘水電站粘質(zhì)粉土層地基加固實(shí)例，經(jīng)試驗(yàn)樁檢測(cè)及建筑物沉降觀測(cè)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(jīng)濟(jì)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(duì)順直，河道流向由N至S。在1774~1776m高程左右，發(fā)育有長(zhǎng)約200m，寬40~70m的Ⅰ級(jí)階地。兩岸地形坡度變化較大，呈不對(duì)稱(chēng)的“U”谷。。

2.2、地層巖性

閘址區(qū)覆蓋層成因、結(jié)構(gòu)復(fù)雜；河床由于受下游磨房溝泥石流堆積的影響，導(dǎo)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(zhì)粉土層為主要特征的結(jié)構(gòu)層次。按其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)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(dá)18m。該層以卵礫石為主，磨圓度好，結(jié)構(gòu)密實(shí)。

②層為堰堆積的粘質(zhì)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(zhì)土，按GBJ145-90土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，屬低液限粉土（ML）。滲透性為弱透水性。

根據(jù)地質(zhì)年代測(cè)試，結(jié)合本工程閘基應(yīng)力條件綜合分析，并根據(jù)規(guī)范有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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(jié)構(gòu)不均一，但尚密實(shí)。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(gòu)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(jié)構(gòu)密實(shí)，屬密實(shí)卵石層。滲透性為強(qiáng)透水性。

④層為堰塞堆積的粘質(zhì)粉土層（Q4fl），按其顆粒組成和結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)粉土和粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)相對(duì)單一。滲透性為弱透水性。

根據(jù)地質(zhì)年代測(cè)試，對(duì)土體采取多種方法進(jìn)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(jí)階地，具二元結(jié)構(gòu)，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(zhì)組成以卵礫石為主，按GBJ145-90土的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，屬卵石混合土（SICb）。滲透性為強(qiáng)透水性。

閘址區(qū)覆蓋層各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)下表：

分類(lèi)

名稱(chēng) 天然

密度 允許

承載力 壓縮

模量 滲透

系數(shù) 抗剪指標(biāo) 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(zhì)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(zhì)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(shè)計(jì)：

3.1、設(shè)計(jì)要點(diǎn)

振沖碎石樁加固松砂地基是一項(xiàng)較成熟技術(shù)。本工程設(shè)計(jì)根據(jù)具體的工程地質(zhì)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(jīng)建成后觀測(cè)證明效果良好。

1、加固的必要性與加固要求

根據(jù)地質(zhì)資料本工程選用細(xì)砂為持力層，天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130kpa。采用單獨(dú)基底時(shí)，要求承載力的設(shè)計(jì)值為250kpa，相應(yīng)的基礎(chǔ)埋深1.5米。在該條件下，天然地基承載力設(shè)計(jì)值僅為160kpa，不能滿足設(shè)計(jì)要求，故地基必須進(jìn)行加固。

2、采用振沖法的技術(shù)合理性

根據(jù)國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)，振沖法主要適用于處理砂性土，從粉細(xì)砂到含礫粗砂，只要小于0.005mm的粘粒含量不超過(guò)10%，都可取得擠密效果。

3.2、設(shè)計(jì)要求：

經(jīng)振沖加固處理后形成的復(fù)合地基承載力應(yīng)滿足fspk≥300KpaEs≥25Mpa。

3.3設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)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(zhì)粉土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值fsk=130Kpa代入公式fspk≥[1+m（n-1）]fsk中。

式中：fspk—振沖樁復(fù)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(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值；

m—樁土面積置換率；

n—樁土應(yīng)力比；

d—樁身平均直徑（m）；

de—一根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑；

經(jīng)計(jì)算：當(dāng)n取4時(shí)，m=0.44

m=d2/de2 （7.2.8-2）

經(jīng)計(jì)算：當(dāng)fspk=300Kpa，d=1.1m時(shí)，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(dāng)fspk=300Kpa，s=1.80m，排距H=1.56m

當(dāng)代入其它土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算時(shí)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4、振沖樁位的布置：

依據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)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(duì)第④層堰塞堆積的粘質(zhì)粉土的擾動(dòng)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(jiàn)圖

四、加固施工方案：

4.1、施工要求

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

4.2、振沖碎石樁試驗(yàn)：

施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，在右岸擋水壩段基礎(chǔ)覆蓋處理范圍內(nèi)選擇1個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行振沖碎石樁試驗(yàn)，總樁數(shù)為5根，按等邊三角形布置，兩孔之間間距為1.80m，并進(jìn)行人工按ф1.1m深0.8~1.0m取孔，振沖碎石樁長(zhǎng)至第④層礫粘質(zhì)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(zhǎng)，填料級(jí)配及數(shù)量等參數(shù)。

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

4.3、施工工藝流程：

①清理平整施工場(chǎng)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(shí)直至完成每一樁→⑥重復(fù)上述④⑤直至完成所有振沖施工。

4.4、施工：

1）清理平整場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)。

2）布置樁位并校核。

3）施工機(jī)具就位，使振沖對(duì)準(zhǔn)樁位。

4）啟動(dòng)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(dá)到處理深度并嵌入卵石層，記錄振沖器深度、電流值和時(shí)間，提升振沖器至孔口；

5）重復(fù)上一步驟1-2次，使孔內(nèi)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(jìn)行振密，此時(shí)電流隨填料的密度而逐漸增大，電流必須達(dá)到80-100A，若達(dá)不到，應(yīng)向孔內(nèi)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(fù)步驟（6、7）自下而上施工樁體，直至孔口，并隨樁鋪設(shè)20-30cm厚的褥墊層；

9）關(guān)閉振沖器和水泵。

4.5、關(guān)鍵點(diǎn)控制

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

2）施工過(guò)程中，各段樁段應(yīng)符合密實(shí)電流80-100A，留振時(shí)間大于10S和填料量的要求。

3）樁端須進(jìn)入卵石層（壓縮性較低的硬層）。

4）褥墊層厚20-30cm，材料為級(jí)配良好的2-5cm卵石及礫砂，鋪設(shè)寬度為基礎(chǔ)外緣3排保護(hù)樁。

5）施工過(guò)程中，若振沖器在成孔時(shí)遇到孤石，應(yīng)在孤石周邊重新成孔，并加密樁位。

五、復(fù)合地基加固效果檢驗(yàn)

振沖加固施工完成7天以后，由具有檢測(cè)資格的檢測(cè)單位對(duì)復(fù)合地基加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)〈建筑地基處理技術(shù)規(guī)范〉（JGJ79-2002）規(guī)定：

5.1、進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)；

為進(jìn)一步復(fù)核振沖處理效果，分別對(duì)樁間土和樁體進(jìn)行了物性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)。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(shù)14.9，顆粒級(jí)配組成中，＜5mm顆粒含量為100%，＜0.075mm細(xì)粒含量為83.93%，＜0.005mm粘粒含量為18.5%，分類(lèi)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(jí)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(xì)粒含量為6.02%，＜5mm顆粒含量為19.63%，分類(lèi)定名為含細(xì)粒土礫（GF）。

經(jīng)對(duì)2組單樁載荷試驗(yàn)和2組樁間土淺層平板載荷試驗(yàn)（表5-1），樁體承載力特征值為570～620 kPa，樁間土承載力實(shí)測(cè)值為120～140 kPa，復(fù)合地基承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79－2002確定為301.4～333.4 kPa。

振沖碎石樁復(fù)合地基檢測(cè)

表5-1

試驗(yàn)編號(hào) 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(fù)合地基載力特征值 f SPk kPa 301.4 333.4

復(fù)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(jìn)行土層液化判定，對(duì)樁間土布置了3個(gè)孔的標(biāo)貫試驗(yàn)，標(biāo)貫校正錘擊數(shù)為6.11，大于錘擊數(shù)臨界值5.4，復(fù)判為不液化土層。

綜上所述，第④層粘質(zhì)粉土經(jīng)處理后，復(fù)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(wèn)題，處理后的地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

表5-2

5.2、進(jìn)行動(dòng)探試驗(yàn)。

施工完成后，按規(guī)范隨機(jī)抽取了3根樁點(diǎn)進(jìn)行N120動(dòng)力觸探檢測(cè)，成果表明，樁體質(zhì)量較試驗(yàn)階段有大幅度提高，兩根樁3—10m范圍內(nèi)部分段修正后平均擊數(shù)為5.5左右，密實(shí)度為稍密，其余深度段樁體平均錘擊數(shù)為7.2～13.5，密實(shí)度為中密~密實(shí)，滿足規(guī)程規(guī)范要求。

六、結(jié)語(yǔ)

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

土層承載力的2-5倍。山區(qū)松散細(xì)砂軟弱地基采用振沖法加固，具有明顯的經(jīng)濟(jì)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(yīng)嚴(yán)格按照其工藝施工和質(zhì)量控制，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。在施工中能否完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求是必須通過(guò)檢測(cè)來(lái)證實(shí)，所以，復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)是振沖法應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，應(yīng)加強(qiáng)樁體的試驗(yàn)檢測(cè)工作。

參考文獻(xiàn)：

（1）《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》（GB50007-2002）

（2）《建筑地基處理技術(shù)要求》（JGJ79-2002）

（3）《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50202-2002）

（4）《巖土工程勘察報(bào)告》

作者簡(jiǎn)介

王敏（1976年-），男，四川邛崍人，項(xiàng)目經(jīng)理，工程師，一級(jí)建造師，從事水利水電工程施工管理與技術(shù)工作。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。