振冲碎石桩在砂土地基中的应用

龙祖辉,闫红波

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安　710016)



振冲碎石桩在砂土地基中的应用

龙祖辉,闫红波

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安710016)

摘要：根据西咸新区沣东新城沣河水面工程地质条件，结合砂土地基中采用振冲挤密和置换碎石的处理方法，详细地阐述了振冲碎石桩的工程特性、施工工艺及检测方法，并探讨了振冲碎石桩在施工中常见的问题控制和预防措施。振冲碎石桩技术可靠，设备简单，易于操作且节省投资。

关键词：地基；振冲碎石桩；砂土

1工程概况

西咸新区沣东新城沣河综合治理(G310-西咸交界段)水面工程，在桩号6+650.00 m位置处(起点0+000 m桩号位置为108国道沣河桥)布置橡胶坝、调节闸及船闸枢纽工程，建筑物等级为4级，橡胶坝坝高5 m，坝总长188.8 m，回水长度6.5 km。

根据地质勘察资料，橡胶坝在正常运行时，地基场地土15 m以上砂土为液化土，液化土底面标高368.68 m，液化指数大于18，液化等级严重，经论证后采用振冲碎石桩处理方案，既可以解决液化问题，又能提高地基承载力和减少不均匀沉降[1-6]。

2地形地质条件

橡胶坝位于沣河主河槽，两岸坝肩处沣河高漫滩及渭河一级阶地，高程约392.00～398.00 m。沣河切割侵蚀作用强烈，河岸多为高约8～9 m直立岸坎；底层主要为第四季全新冲积、洪积成因的松散堆积层。岩性以壤土为主，厚度不均，其下为第四系洪积壤土、砂壤土及粉细砂土，厚度不均，主要以互层及镜体形式存在，橡胶坝坐落在②4层细砂及③6层粗砂中。其中②4层细砂为浅灰色～灰黄色，稍密，饱和，砂质较纯净，主要矿物成分为石英、长石，夹薄层粗砂，含少量圆砾，下部12.9～13.3 m为褐灰色粉细砂，其中夹有薄层黏土或粉土。层厚7.6 m，层底高程366.34 m；③6层粗砂为浅灰色～灰黄色，密实饱和，砂质较纯净，主要矿物成分为石英、长石，夹薄层中砂及粉细砂，含少量圆砾及小粒径卵石。层厚7.4～12.6 m，层底高程356.98～369.21 m。

3振冲碎石桩施工工艺

本工程软基处理采用的是ZCQ-130型振冲器。振冲器产生高频，同时开动水泵，利用高速水流冲击孔底。在边振边冲的联合作用下，振冲器沉入预定深度并形成孔洞，经清孔后向孔中逐段填入碎石，当碎石被振冲挤密到要求的密实度后，提起振冲器投入下一段碎石料，重复振密和重复填料直至设计桩顶，形成密实的碎石桩。

采用振冲器施工制碎石桩一般分为准备、造孔、清孔、加料振密等步骤[7-11]。

3.1施工工艺流程

施工工艺流程见图1。

图1　施工工艺流程图

3.2施工技术和施工要点

(1) 施工准备

1) 布设桩位：根据设计图纸要求，按编号标示出现场桩位，施工时对号入座，避免漏打、重打。

2) 供水及排水处理：布置供水管用于振冲时高压水的供应，布置泥浆排放沟进入净化池，防止污染环境。

3) 试验桩：通过若干根试验桩验证设计参数，确定桩体密实电流、留振电流和填料量等施工工艺参数。

4) 施工顺序：软土处理成桩的顺序一般为“由内向外”或“由一边向另一边”进行，便于淤泥的挤压和振冲。

(2) 造孔

启动水泵和振冲器，水压0.4～0.6 MPa，水量200～400 L/min，使振冲器徐徐沉入土中，直至达到设计处埋深度以上0.3～0.5 m，记录振冲器经各深度的电流值和时间，提升振冲器至孔口。

(3) 清孔

重复上一步骤1～2次，使孔内泥浆变稀，桩孔畅通，然后将振冲器提至孔口。

(4) 填料加密

向孔内倒入一批填料，应将水压和水量降低至孔口有一定回水，但无大量细颗粒带出为止。分段制桩，每段填料高度不大于0.5 m。将振冲器沉入填料中进行振动密实，此时电流随填料的密度而逐渐增大，电流必须超过规定的密实电流，密实电流需大于空振电流的1.5～2.0倍。若达不到规定值，应向孔内继续加填料，振密，记录这一深度的最终密实电流、填料量和留振时间。

(5) 重复上一步骤工作，自下而上，直至加密到设计要求桩顶标高。

(6) 关闭振冲器和水泵，制桩结束。

4施工中应注意的问题

4.1各桩段应符合密实电流、填料量和留振时间

密实电流、填料量和留振时间的规定应根据试验性施工确定或根据设计要求确定。只有这3项都符合规定后，桩身质量才能得到保证。必须注意，绝不能将振冲器接触填料的瞬间电流当做密实电流，只有振冲器在固定深度上振动一定时间(称为留振时间)，而电流稳定在某一数值，这一稳定电流才是密实电流。

4.2做好排泥沟池

为保护环境，做到文明施工，不能让振冲法成桩时产生的泥浆溢流场地，为此，在施工场地上应事先开设排泥水沟池，将成桩过程中产生的泥浆集中引入沉淀池，定期清理。

4.3控制好水量、水压

振冲施工中水是很重要的。关于水，需要控制的一个是水量、一个是水压。水量要充足，应使孔内充满着水，这样可以防止塌孔，使制桩工作得以顺利进行。反之，水量亦不易过多，过多时易把填料带出流走。关于水压，视土质及强度而定。一般情况，对于强度较低的软土，水压要小些；对强度较高的土，水压宜大。成孔过程中，水压和水量要尽可能大；当接近设计加固深度时，要降低水压，以免破坏桩底以下的土。加料振密过程中，水压和水量均宜小。

4.4对桩顶的处理

桩顶部1 m范围内，由于地基土的上覆压力小，桩周约束力相应也小，因此桩顶的密实度很难达到要求，为此应将桩顶部的松散桩体挖除。

4.5对填料的要求

本工程桩体材料按照《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》[7]选用含泥量不大于5%的碎石，要求石料质地坚硬、级配连续、粒径在20～150 mm之间。

4.6对造孔的要求

振冲施工可在原地面造孔，也可以在基坑开挖后造孔。前者较方便，后者可节省填料。地表有硬层时宜先挖孔再振冲，以减少振冲器的碰撞与磨损。

造孔时，通过压力喷水以加速冲孔处土的饱和与振动液化，并有利于回水和洗孔带走泥浆，一般喷水压力为0.3～0.8 MPa，一般稍密或黏性大的地基，灌入速度应较慢，反之可加快。贯入快时尖端阻力大，成孔直径较小，不利于填料落入和顺利施工。一般以2 m/min为宜。并每贯入0.5～1.0 m宜在该段高度悬留振冲5～10 s，有利于振冲洗孔扩大孔径。

造孔中应注意观测密实电流，当其超过潜水电机的额定电流时，必须减速下沉或暂停下沉，或加强水冲，待将土质冲松后再下沉，以免烧毁振冲器电机。

4.7做好施工记录

为了避免漏孔，施工时应复查孔位编号，并做好记录，存档备查。每天施工完毕要及时填写“制桩统计图”，填写内容有：桩号、制桩深度、填料量、施工时间和完成时间等，见图2。

图2　制桩统计示意图

4.8冬季施工和雨季施工措施

冬季施工时，当地基表层已遭受冻结，宜将孔位处冻土破碎后再造孔，以免损毁振冲器。每班施工完成后，应将供水管和振冲器内积水排净，以免受冻造成施工困难。

雨季施工应做好防雨措施，以免影响桩身质量。

5常见问题及处理

5.1密实电流、填料量、留振时间三者不能同时满足

制桩过程必须使密实电流、填料量、留振时间3个影响桩体质量的主要因素都达到设计要求，确保桩体每一加料段和每根桩体的质量都符合以上3个原则。

在施工中往往遇到以下一些情况：

(1) 在土层较好的情况下，制桩过程中，密实电流和留振时间往往容易先到达，而加料量不易达到，此时应以加料量作为桩体质量控制的重点；

(2) 在土层较差的情况下，加料量和留振时间往往容易先到达，而密实电流不能同时达到设计要求，此时应以密实电流作为桩体质量控制的重点。

5.2桩底冲成大孔

必须重视桩底的制作质量，桩底在成孔时，若水压控制不好，往往容易被高压水冲成大坑，因回填料时，加料量比桩身要大的多，有时可达总填料量的25%～30%，虽然开始填料时，有部分填料要沿途沾留在孔壁上，也要增加填料量，但由于桩底直径大，需填料量大，此时密实电流往往不易达到，若桩身质量也不严格控制，很容易造成工程失败，为此在施工过程中必须重视桩底质量的控制，务必使它满足设计要求。即接近设计加固深度时，要降低水压，以免桩底冲成大孔。

5.3桩顶密实度不满足

完工后，发现桩顶密实度不满足要求时，应将其挖除后再用碎石将其补足，或用振动碾使之密实。

5.4偏差超过规定

应根据工程要求、机具情况、土体性能选取下述措施：① 降低荷载；② 加厚垫层；③ 增加桩数。

6质量检验

质量检验分施工质量检验和加固效果检验2部分。检验合格，方可进行下一道工序施工。

6.1施工质量检验

主要是检查桩体质量是否符合设计要求，检查内容包括所有桩位施工过程中的原始记录、桩位偏差、每根桩的制桩质量等。常用的检验方法有动力触探试验、静力触探试验，标准贯入试验等。

振动水冲法的孔位偏差和垂直度偏差应符合下列规定：

(1) 由于振冲器运动惯性和风力影响的摆动，不易精确对准孔位中心，故规定振冲器尖端喷水中心与孔位中心偏差不得大于50 mm，过大影响处理质量，过小影响施工效率；

(2) 由于已加固区密度大，未加固区较松软，振冲时易发生孔位偏移，规定成孔中心与设计中心偏差一般在100 mm左右；

(3) 桩顶中心与孔位偏差不得大于0.2D(D为桩径)；

(4) 垂直偏差不得大于1%。

6.2加固效果检验

在桩体质量全部符合要求后，验证单桩和复合地基承载力是否满足设计的各项要求。

6.3检验数量

一般根据地基土的性质和薄弱环节、工程规模大小、建筑物的等级和重要性来决定。

(1) 对碎石桩体密实度检验可用重型动力触探进行随机检验，检测数量宜为总桩数的1%～3%。

(2) 对桩间土的检验在处理深度内用标准贯入、静力触探等进行检验。

(3) 载荷试验数量应为每200～400根桩抽检1点，且检测点的总数不应少于3点。

6.4检验时间

由于制桩过程中原土的结构受到不同程度的扰动，强度有所降低，因此制桩结束后，必须使土有一段休置时间，待土的强度恢复后方可进行试验，这段时间称为恢复期，恢复期的长短根据土的性质而定，一般砂土恢复期不少于7 d。

7试验结果分析

主要以主河槽(中坝段)振冲碎石桩施工检测成果作以说明，检测区主河槽段总桩数共计685根，桩间距2 m，桩径0.8 m，呈正三角形布置。

7.1复合地基静载试验

选取3个部位(S1、S2、S3)采用慢速维持荷载法，以堆重平台为反力，每级以37.5 kPa的压力递增，试验终止荷载为300 kPa(等于设计值的2倍)，每级荷载沉降观测时间：隔10、10、10、15、15 min各测读1次，以后每隔30 min读1次，且不小于2.5 h，直到沉降相对稳定为止。3组静载荷p-S关系曲线呈缓变型曲线，未见明显拐点，最终沉降量介于12.98～14.04 mm之间；相应于150 kPa荷载作用时的沉降量的最大值为5.19 mm，S/d小于0.010(d取2 000 mm，d为承压板宽度或直径，当其大于2 m时，按2 m计算)，由此确定本场地振冲碎石桩复合地基承载力特征值不小于150 kPa。复合地基静载荷试验成果见图3～5及表1。

表1　不同部位复合地基静载荷试验成果表

图3　S1复合地基静载荷试验成果图

图4　S2复合地基静载荷试验成果图

图5　S3复合地基静载荷试验成果图

7.2单桩静载试验

选取4个部位(S1、S2、S3、S4),试验原理同上，每级以53 kPa的压力递增，试验终止荷载为530 kPa(等于设计值的2倍)，每级荷载沉降观测时间：隔10、10、10、15、15 min各测读1次，以后每隔30 min读1次，且不小于2.5 h，直到沉降相对稳定为止。4组静载荷p-S关系曲线呈缓变型曲线，未见明显拐点，最终沉降量介于13.89～15.770 mm之间；相应于265 kPa荷载作用时的沉降量的最大值为3.34 mm，S/d小于0.010(d取800 mm，d为承压板宽度或直径)，由此确定本场地振冲碎石桩复合地基承载力特征值不小于150 kPa,具体见表2,单桩地基静载荷试验成果见图6～9。

表2　单桩地基静载荷试验成果表

图6　S1单桩地基静载荷试验成果图

图7　S2单桩地基静载荷试验成果图

图8　S3单桩地基静载荷试验成果图

7.3标准贯入试验

本代表性场地共布置桩间土标贯试验7孔，根据检测结果，按GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[13]之规定，列出N63.5′、N63.5及液化判别结果，如表3所示(此处列3孔成果)，该表表明经振冲碎石桩处理后，处理深度范围内桩间土呈中密～密实状态，处理深度范围内液化效应已消除。

图9　S4单桩地基静载荷试验成果图

钻孔编号测试深度/m高程/mds'/mds/mdw'/mdw/mN63.5'/击N63.5/击Ncr/击判别结果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为标准贯入深度；ds′为橡胶坝建成后标准贯入深度；dw为地下水位，m；dw′为橡胶坝建成后地下水位深度，m；N63.5′为实测击数 ；N63.5为校正后击数；Ncr为临界标准贯入锤击数。

7.4动力触探试验

本次所选场地共布置桩身动力触探点7孔，单孔分层锤击数的统计结果见表4，由表4可看出，各检测桩在检测深度范围内桩身填料基本处于中密状态。

表4　重型动力触探试验成果一览表

8结语

振冲碎石桩作为一种地基处理方法，由于它技术可靠，机具设备简单，操作技术易于掌握，因地制宜，就地取材，加固速度快，节约投资，适用于砂土、粉土、黏性土、素填土和饱和黄土等地基，在民用建筑地基处理中得到了大量应用，但该技术在水利工程地基基础处理中的使用还为数不多，通过该工程的应用实践和各项检测数据结果表明，振冲碎石桩在砂土地基中消除液化、提高复合地基承载力和减少不均匀沉降达到了预期效果。

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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

中图分类号：TV553

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.015

作者简介：龙祖辉(1973- ),男,陕西省安康市人，工程师，主要从事建筑工程管理工作.

收稿日期：2016-03-02

文章编号：1006—2610(2016)02—0054—05