振冲法加固砂土地基工艺选择及施工参数控制

李继才;丛建;曹军

【摘 要】根据砂土的黏粒含量,振冲法可采用不加填料的振冲密实法或有填料的振冲置换法,选择合适的振冲施工工艺和确定合理的工艺参数,与地基加固效果和地基处理的工程投资密切相关.在振冲器的振动荷载作用下,由于饱和砂土的液化产生振密作用,根据孔隙水压力的增长模型,推导了饱和砂土的临界液化时间,并分析留振时间的影响因素.结合两个工程实例,探讨了振冲密实法和振冲置换法两种工艺的适应性及加固效果.根据砂土的类型和黏粒含量,将砂土地基分为3类,不同的砂土地基采用合适的振冲工艺,并得出施工参数的合理区间. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2018(000)010 【总页数】6页(P197-202)

【关键词】砂土地基;振冲法;液化;施工工艺;施工参数 【作 者】李继才;丛建;曹军

【作者单位】南京水利科学研究院, 江苏 南京210029;南京瑞迪建设科技有限公司, 江苏 南京210029;南京水利科学研究院, 江苏 南京210029;南京水利科学研究院, 江苏 南京210029;南京瑞迪建设科技有限公司, 江苏 南京210029 【正文语种】中 文

【中图分类】TU472;U655.54

振冲法是一种利用振冲器的振动和水冲加固地基的方法，通过对土体的置换、挤密、振密和预振效应，达到提高地基承载力或消除砂土地基液化的目的，具有施工便捷、工期短、经济实用和效果显著等优点，在地基处理工程中得到了广泛应用[1-3]。根据振冲施工时是否填料，分为有填料的振冲置换法和不加填料的振冲密实法两种施工工艺。一般认为，振冲置换法适用于黏粒含量大于10%的粗砂、中砂和粉细砂地基，振冲桩、桩间砂土和褥垫层形成复合地基，共同承担上部结构荷载。振冲密实法一般适用于黏粒含量小于10%的粗砂、中砂地基，由于振冲孔周围砂料可自行塌入孔内，在振冲施工时可不加填料。由于粉细砂地基的宏观力学特性和微观颗粒结构与中粗砂有所不同，因此不能简单套用中粗砂地基的加固经验，对于是否可以采用不加填料的振冲密实法加固存在一些争议，研究结果表明[4-10]，只要采用合理的施工参数，也可用于加固粉细砂地基。振冲施工时砂土地基承受振冲器的周期性振动荷载作用，地基处理效果受振密电流、留振时间和填料量等多个施工参数的影响。因此，选择合适的振冲施工工艺和确定合理的施工参数，显著影响砂土地基的加固效果。

面对复杂的砂土地基，设计和施工等工程技术人员，常常混淆两种振冲工艺的适用范围，盲目地填料、增加留振时间和振密电流，不但影响地基处理效果，还造成了不必要的浪费。本文从振冲法加固砂土地基的机理出发，结合两个工程实例阐述振冲置换法和振冲密实法的适用范围和加固效果，并探讨不同砂土地基的振冲工艺选择及施工参数控制，以期对砂土地基振冲法的设计和施工提供借鉴和参考。 1 振冲法加固机理 1.1 加固效应

振冲法加固砂土地基，主要有置换效应、振密效应、挤密效应和预振效应。在可液化的砂土地基中，凭借振冲器的强力振动和高压水冲，将振冲器沉入孔底，进行孔

底留振、分段上拔并分段留振，在振冲器水平激振力的作用下，周围砂土被挤密，由于孔隙水来不及排出，饱和砂土的孔隙水压力不断增大，土体的有效应力和抗剪强度则不断降低，当孔隙水压力升高到上覆土压力时，饱和砂土的抗剪强度完全丧失，发生短暂液化，砂颗粒在液化后重新排列，向低势能位置转移，颗粒间孔隙减小，砂土形成更密实的结构。同时，来自孔顶的填料或自行塌陷的砂被挤压密实，提高了砂层的地基承载力和抗液化能力。抵抗液化能力较强的砂土地基，振点间砂土加密效果较差，振冲施工时需要填料并留振一定时间，形成密实的振冲桩复合地基。 1.2 振密作用

砂土中的黏粒含量对地基土的加密效果有显著影响。只要黏粒(粒径小于0.005 mm的颗粒)含量小于10%，从粉细砂到含砾粗砂，都可以取得满意的加固效果[11]。这与振冲施工时砂土的抗液化能力有关，衡朝阳等[12]、唐小微等[13]的研究表明，砂土抗液化能力与黏粒含量的关系曲线并非单调变化关系，而是呈向上开口的近似抛物线形，黏粒含量在10%左右时砂土的抗液化能力最差，这是由于黏粒含量较小时，黏粒不能完全填充砂粒之间的孔隙，起润滑作用；黏粒含量较大时，则起稳定作用。当黏粒含量在10%左右时，稳定作用就开始发挥。因此，可根据砂土的黏粒含量确定振冲法的施工工艺，黏粒含量小于10%的砂土地基采用不加填料的振冲密实法，黏粒含量大于10%的砂土地基则采用加填料的振冲置换法。 根据土力学和土动力学原理，假设砂土层均质各向同性、压缩系数为常数、地下水移动符合达西定律，可建立在振动荷载作用下砂土层中孔隙水压力的增长模型[14]，即 (1)

式中：ut为t时刻的孔隙水压力；cv为竖向固结系数，cv=kv(ρwgmV)，kv为渗

透系数，ρw为水的密度，mV为体积压缩系数；ρp为上覆土密度，地下水位以下取浮密度；Hp为上覆土层厚度；ρ0为砂土层密度；z为砂土层某一深度；ω为振动源频率；A为地面加速度峰值。 用分离变量法可求得式(1)的通解为 ut(z,t)=(C1cosλz+C2sinλz)e-λ2cvt+ (ρpHp+ρ0z)Asin(ωt)+C3 (2)

式中：λ为与埋深有关的参数，z=0时，λ=βHp，其中β为待定系数，利用震区液化界限条件取值；C1 、C2、C3为常数项。特解为 ut=ρpHp[g(1-e-λ2cvt)+Asin(ωt)] (3)

式中：g为重力加速度。从式(3)可以看出，孔隙水压力由两部分组成，即指数函数项和正弦函数项，若不考虑正弦函数项，只有当t→∞时，超静孔隙水压力才有可能大于上覆土压力，达到液化，也就是只有当振动无限持续时，饱和砂土才会液化，但由于附加了正弦函数项，振动时不需要无限持续，而是在振动一段时间后，超静孔隙水压力呈波动形式达到上覆土压力，这时sinwtc=1，tc即为临界液化时间，可得 g (4)

从式(4)可以看出，砂土的临界液化时间tc与3个因素有关：1)砂土层的固结系数cv越大，临界液化时间tc越短，反之越长；2)砂土层的上覆土层厚度Hp越大，临界液化时间tc越长，反之越短；3)砂土层埋深一定时，地面加速度峰值A越大，临界液化时间tc越短，反之越长。从工程的角度来说，为保证地基加固效果，振冲施工时：1)固结系数大的砂土可采用较短的留振时间，固结系数小的砂土留振时

间应适当增加；2)在埋深较浅的土层可采用较快的速度施工，在埋深较深的土层应放慢施工速度。

采用振冲置换法施工工艺时，保持一定留振时间的目的是使电流稳定在某一数值，确保填料的密实度，形成密实的振冲桩。 1.3 预振作用

砂土在振冲器的振动荷载作用下，振动范围互相叠加使加固区的地基土受到多次强烈振动，相当于受到多次强烈地震的预振，土体颗粒的排列结构发生改变而趋向密实状态，砂土的物理力学性质得到较大改善，提高了砂土地基的承载力和抗液化能力。Martin等[15]的研究表明，相对密度为54%的砂样进行预振后，与未经预振的式样比，其抗液化能力提高了8倍。 2 工程应用实例 2.1 工程应用实例1 2.1.1 工程概况

拟建堆场为某方块码头后方回填坑由中砂回填形成，勘察孔深度范围内工程地质条件自上而下为：①层中砂，松散，吹填形成，层厚6.7～15.4 m，黏粒含量小于10%，平均标贯击数7.3击，地基承载力特征值100 kPa；②层粉细砂，稍密-中密，层厚1.6～3.0 m；③层淤泥质粉质黏土，流塑-软塑，层厚0.5～5.3 m；④层粉质黏土，软塑-可塑，层厚1.3～9.4 m；⑤层粉细砂，稍密-密实。典型钻孔地质剖面见图1。场地抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度0.1g，设计地震分组第一组。根据规范[16]判断，第①层中砂和第②层粉细砂液化等级为中等-严重。地基处理要求为承载力特征值不小于150 kPa，并消除砂土地基的液化，工后沉降不大于200 mm。 图1 典型钻孔地质剖面(高程：m) 2.1.2 试验方案

从图1可看出，工程地质条件复杂，包括松散的中砂、粉细砂及淤泥质粉质黏土，为了提高地基承载力、减少变形和消除砂土地基液化，经方案论证，拟采用振冲法加固，加固深度为第①层中砂、第②层粉细砂和第③层淤泥质粉质黏土。为研究振冲法在本工程中的适用性和加固效果，专门设置了试验区(图2)，试验区平面尺寸72.8 m×15.0 m，分为A1和A2两个试验小区，砂层分别采用振冲密实法和振冲置换法两种施工工艺，以研究填料对砂层加固效果的影响，设计参数、振冲工艺及施工控制参数见表1。淤泥质粉质黏土层采用振冲置换法施工工艺。施工采用的振冲器型号为ZCQ-75。

表1 试验区振冲试验方案试验分区振冲工艺设计参数施工参数A1区振冲密实法振点间距3.0 m,排距2.6 m,等边三角形布置,振深14 m振密电流不小于85 A,单位长度留振时间不小于60 s∕m,水压300 kPa左右A2区振冲置换法桩径800 mm,桩距3.0 m,排距2.6 m,等边三角形布置,桩长14 m填料量0.6 m3∕m,振密电流不小于65 A,留振时间不小于20 s,水压200～300 kPa 图2 试验区振冲孔布置(单位：mm) 2.1.3 加固效果

地基振冲加固前后标贯试验结果对比见图3，可看出：1)A1区采用振冲密实法工艺，中砂层的标贯击数由加固前的平均7.3击提高到加固后的41.5击，提高约4.68倍，加固效果非常显著。2)A2区采用振冲置换法工艺，中砂层的标贯击数由加固前的平均7.3击提高到加固后的26.4击，提高约2.62倍，加固效果也较好，但明显不如A1区。3)第③层淤泥质粉质黏土，振冲置换法基本不产生挤密作用。

图3 试验区加固前后标贯试验结果对比

由此可见，在黏粒含量小于10%的中砂地基中振冲密实法的加固效果明显优于振冲置换法，加填料不仅不能提高加固效果，反而增加了工程投资，合理选择振冲工

艺显得尤为重要。

在地面以下20 m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式计算[16]： (5)

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度(m)；dw为地下水位(m)；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第1组取0.80，第2组取0.95，第3组取1.05。

Ncr的计算值见图3，可看出：采用振冲法加固后，砂土层的标贯击数实测值大于Ncr，消除了砂土地基的液化。 2.2 工程应用实例2

拟建堆场为某方块码头后方回填坑由砂土回填形成，勘察孔深度范围内场地土层自上而下为：①层素填土，主要由砂土组成，黏粒含量较大(大于10%)，层厚4.4～9.8 m，平均标贯击数5.4击，地基承载力特征值90 kPa；②层淤泥质粉质黏土，饱和，层厚0.5～5.2 m；③层中粗砂，饱和，稍密-中密，层厚0.6～4.3 m；③-1层粉质黏土，软塑-可塑，层厚1.0～3.2 m；④层粉质黏土，软塑-可塑，层厚3.3～4.9 m；⑤层中粗砂，中密-密实，层厚1.9～3.2 m；⑥层粉质黏土，可塑。地基处理要求为承载力特征值不小于120 kPa，工后沉降不大于200 mm。 为了提高地基承载力和减少变形，拟采用振冲法加固，处理深度为第①层素填土和第②层淤泥质粉质黏土。由于砂土的黏粒含量较高，采用振冲置换法工艺。振冲碎石桩桩径800 mm，行间距2.5 m，列间距2.4 m，等腰三角形布置，桩长10 m左右。施工采用的振冲器型号为ZCQ-75。砂土层振密电流超过空载电流25～30 A、留振时间不小于20 s，黏性土层振密电流超过空载电流15～20 A、留振时间不小于20 s，成孔水压不大于600 kPa、造孔速度1 minm。填料量为1.1～1.3

m3m。

地基振冲加固前后标贯试验结果对比见图4。地基处理前回填土层平均标贯击数为5.4击，处理后回填土层SPT1、SPT2、SPT3、SPT4检测点的标贯击数分别提高到7.4、8.5、7.7和7.0击，提高了37%、57%、43%和30%，提高幅度不大，说明振冲的主要作用是置换。静载荷试验结果表明，复合地基的承载力特征值约180 kPa，满足不小于120 kPa的要求。 图4 加固前后标贯试验结果对比 3 振冲工艺选择及施工参数控制

根据理论研究和工程实践经验，砂土地基的振冲工艺和施工参数与砂土类型及其黏粒含量有关，据此，可将砂土地基分为3类：Ⅰ类为黏粒含量大于10%的粗砂、中砂和粉细砂地基，Ⅱ类为黏粒含量小于10%的粗砂和中砂地基，Ⅲ类为黏粒含量小于10%的粉细砂地基。不同的砂土地基，需要采用合适的振冲工艺，振冲施工时必须控制好振密电流、留振时间和填料量3个主要指标，以及振冲水压、造孔速度和提升高度等参数。砂土地基振冲加固的工艺选择和施工参数的控制可参照如下原则：

1)Ⅰ类砂土地基加固采用加填料的振冲置换法。振冲碎石桩的桩径800～1 200 mm，桩距1.3～3.0 m。振密电流应超过空载电流的35～45 A，留振时间10～20 s。施工中加填料不宜过猛，每次填料厚度300～500 mm。振冲水压宜为200～600 kPa，造孔速度0.5～2.0 mmin。

2)Ⅱ类砂土地基加固采用不加填料的振冲密实法。振冲孔间距2.0～3.0 m，用等边三角形布置比正方形布置可以取得更好的挤密效果。振冲密实法宜采用大功率振冲器，振密电流应超过空载电流的25～30 A，单位长度留振时间60 sm，提升高度500 mm。到达设计深度后，将水量调至最小，为了避免造孔中塌砂将振冲器抱住，造孔速度宜快，常为8～10 mmin。Ⅱ类砂土地基采用振冲密实法的加固

效果优于振冲置换法，振冲施工时填料不但不能提高加固效果，反而增加工程投资。 3)Ⅲ类砂土地基加固目前多采用加填料的振冲置换法，但对于码头、机场和道路等加固面积大、不均匀沉降要求高的粉细砂地基，采用振冲置换法具有较大的局限性：一是填料量大，二是能否解决场地的不均匀沉降问题，尚存在较大争议。工程实践表明，只要采用合理的施工参数，振冲密实法可有效解决上述问题。粉细砂地基的振冲密实法施工工艺与中粗砂地基有所相同，振密电流应超过空载电流的5～10 A。当饱和粉细砂在接近初始液化时加固效果最好，完全液化时地基呈流动状态，其颗粒时而连接时而破坏，加固效果减弱，因此最佳留振时间即为砂土的临界液化时间。粉细砂的颗粒较细，高压水流易使颗粒形成流砂随水流出，或者使土颗粒长时间处于流动状态，从而影响加固效果，振冲水压控制在80～120 kPa为宜，同时振冲上提高度宜为250～300 mm。 4 结语

1)砂土的临界液化时间与砂土的固结系数和上覆土层厚度有关。固结系数大的砂土采用较短的留振时间，埋深较浅的土层采用较快的速度施工，反之亦然。

2)黏粒含量小于10%的中粗砂地基，采用振冲密实法的加固效果优于振冲置换法，振冲施工时加填料不但不能提高加固效果，反而增加工程投资。经振冲密实法加固后，不但地基土的强度和均匀性得到了较大程度的提高，而且消除了砂土地基的液化。

3)只要采用合理的施工参数，振冲密实法也可用于加固粉细砂地基，但施工参数与中粗砂地基有所不同。

4)砂土的加固效果与其抵抗液化的能力即黏粒含量有关。根据砂土类型和黏粒含量，将砂土地基分为3类：Ⅰ类为黏粒含量大于10%的粗砂、中砂和粉细砂地基；Ⅱ类为黏粒含量小于10%的粗砂、中砂地基；Ⅲ类为黏粒含量小于10%的粉细砂地基。Ⅰ类砂土地基采用振冲置换法，振密电流应超过空载电流的35～45 A，留振

时间10～20 s，桩间砂土的挤密效应不明显，振冲的主要作用是置换；Ⅱ类砂土地基采用振冲密实法，振密电流一般应超过空载电流的25～30 A，留振时间60 s；Ⅲ类砂土地基可采用振冲密实法，振密电流一般应超过空载电流的5～10 A，留振时间为砂土的临界液化时间。 参考文献：

【相关文献】

[1] 李君纯,郦能惠,朱家谟,等.振冲法加固砂壳坝试验研究[J].岩土工程学报,1982,4(4):1-16. [2] 黄茂松,吴世明,赵竹占.振动挤密砂桩与振冲碎石桩抗液化分析[J].浙江大学学报(自然科学版),1992,26(2):39-45.

[3] 刘春,马永峰.无填料振冲与强夯法处理软弱地基对比试验[J].水运工程,2016(11):167-173. [4] 周健,王冠英,贾敏才.无填料振冲法的现状及最新技术进展[J].岩土力学,2008,29(1):37-42. [5] 周健,贾敏才,池永.无填料振冲法加固粉细砂地基试验研究及应用[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8):1350-1355.

[6] 周健,崔积弘,贾敏才,等.吹填细砂软弱地基处理试验研究[J].岩土力学,2008,29(4):859-864. [7] 周健,姚浩,贾敏才.大面积软弱地基浅层处理技术研究[J].岩土力学,2005,26(10):164-167. [8] 周健,章丹峰,贾敏才.振冲法加固饱和疏松粉细砂试验研究[J].勘察科学技术,2005(1):3-5+57. [9] 何开胜,过兴发.吹填粉细砂的无填料振冲密实试验与工程应用[J].岩土力学,2012,33(4):1129-1133.

[10] 叶观宝,苌红涛,徐超,等.无填料振冲法加固吹填粉细砂现场试验研究[J].勘察科学技术,2009(4):3-6+9.

[11] MITCHELL J K.In-place treatment of foundation soils[J].Journal of the soil mechanics and foundations division,1970,86:73-110.

[12] 衡朝阳,何满潮,裘以惠.含粘粒砂土抗液化性能的试验研究[J].工程地质学报,2001,9(4):339-344. [13] 唐小微,李涛,马玲,等.黏粒和砂粒混合土体的动态液化性能研究[J].地震工程学报,2015,37(1):6-10.

[14] 刘金韬,金晓媚,武强.地震液化饱和砂土层内部超静孔压理论分析[J].工程勘察,2000(5):6-8. [15] MARTIN G R,FINN W D,SEED H B.Fundamentals of liquefaction under cyclic loading[J].Journal of the geotechnical division,1975,101:423-438.

[16] 中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].2016年版.北京:中国建筑工业出版社,2016.