振冲碎石桩在穿堤河涵洞地基处理中的应用

孙庆平

（新疆喀什农三师勘测设计研究院有限责任公司 844000）

1 工程概况

农三师前海总干渠上起叶尔羌河中游渠首，下至小海子水库进水口（麻扎），全长148.9km，是连通中游渠首和小海子应急调水渠的关键性骨干工程，也是贯穿农三师小海子垦区和前进垦区的生命线工程。前海总干渠设计流量 70m3/s，加大流量 80m3/s，渠底宽 25m，内坡 1∶2，设计水深2.28m，渠道属3级工程，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

前海总干渠在16+470处与提孜那甫河相交，该处河道底高程1188.7m，高于前海总干设计水位1.3m，该处规划的河道过流量142m3/s，上口宽157m。前海总干在该处的设计流量为70m3/s，设计水位1187.4m，低于河底1.3m，拟建涵洞为4孔，长190m，每孔断面为4m×2.5m。

2 工程地质条件

工程所在区地貌单元主要属叶尔羌河中下游冲积平原，为第四系松散沉积物，河道两岸地势平缓、河谷宽浅，根据钻孔揭露，拟建建筑物场地地下水位埋深为地面以下5.0m。地层岩性分为两层：第一层为低液限粉土，厚度5.0m，压缩系数 a1-2=0.39MPa-1，压缩模量 Es=6.88MPa，地基承载力特征值建议采用fak=80kPa；第二层为含细粒土砂，未钻穿，内摩擦角为29.0°，地基承载力特征值建议采用fak=90kPa，该场地饱和无粘性土和少粘性土为液化土，液化深度为自然地面以下3～10.0m。为消除液化，提高天然地基承载力，经设计方同意采用振动振冲碎石桩进行地基处理。

3 振冲碎石桩布置

3.1 采用振冲碎石桩的目的

振冲碎石桩是一种施工方便、价格相对较低、能有效提高地基承载力、消除液化并在工程中广泛得到应用的一种软基处理方法。通过振冲碎石桩加固地基，形成复合地基，以提高地基的承载力、强度和稳定性，减少地基沉降，消除地基液化，以达到和满足工程的设计要求。

3.2 振冲碎石桩的布置

a.碎石桩规格和材质。采用55kW的振冲器，振冲碎石桩桩径800mm，间距1.5m，正三角形布置，有效桩长7.5m。材料为粒径30～100mm的碎石，不得使用风化易碎的石料。

b.承载力要求。为消除地基土液化，并提高复合地基承载力，fak值要求大于等于130kPa。

c.桩数分布。总桩数1700根，基础外缘外扩3排桩。

4 施工工艺

振冲碎石桩必须严格按照施工操作规程及施工的先后程序进行施工，才能达到成桩的目的。其施工程序为：施工前的准备工作→测量放线定桩位→振冲器就位→对桩位→成孔→填料震冲→成桩→检验。

4.1 施工前的准备工作

首先施工人员熟悉施工图及各种资料，详细了解和掌握施工图内容，设计意图，做好图纸会审、技术交底工作。根据施工图内容计算出施工期内应配置的机械设备，所需的施工人员，工地用水、用电和材料数量等。搭好临时设施，并确定好施工方案，绘制施工平面图。做好场地表面处理，以便机械行驶。

4.2 测量放线定桩位

根据桩位图用水平仪找平放线，并用小木桩和钢筋头固定好桩的位置，然后进行校核。在基础四周原有建筑物上留设4个基准点，便于复核和后续工作测量放线。

4.3 机具选用及就位

根据工程内容和现场情况选用机械。包括振冲器（ECQ—30）、汽车吊（或履带吊）及其他配套机具。

振冲法施工除振冲器外，尚需行走式起吊装置、泵送给水系统、电气控制台等配套设备。

上述工作就绪后，机具就位。同时安装电流控制箱及操作台接通高压水泵及压力管。检查机具、水压、电压是否符合施工要求，再进行空载试验，开机前应先启动水泵电机，然后再开振冲器电机，当振冲器电机运行指示灯亮后，方可进行工作。

4.4 对桩位

首先将振冲器对准桩位，要求振冲器垂直落下，不可出现倾斜现象，否则会偏位和损坏方向节。对好桩位后再次开动水源、电源，检查它们是否正常（ECQ—30振冲器的额定电流为60A，空载电流为25A）。

4.5 振冲成孔

一切准备完成后，开动振冲器同时启动吊车，使振冲器下降，振冲器开孔后，在孔口附近应扩孔。振冲器下降成孔过程应有必要的停留振挤固壁的步骤，同时在施工中一定要控制好下降速度，一般控制在1～2m/min左右。成孔水压要保持在60N/cm2以上，工作时可根据要求减小水量，但不得停水，以防泥砂倒灌入水管，然而在接近孔底标高时水压适当减小。每贯入1m，振冲器要提起悬留振冲5～8s，待泥浆溢出时再继续贯入。泥浆溢出孔口流入泥浆池内，用专用运输车及时运走，当振冲至设计桩底标高以上30cm时，将振冲器提到孔口，提升速度2～3m/min，再往下沉至孔底，重复 1～2次，既起至清孔的作用又达到扩孔的目的。

4.6 填料振冲成桩

成孔清孔后，用人工手推车将碎石倒入孔内，放下振冲器进行振冲挤压，在填料过程中做到“连续填料，多填慢振”，经过反复地填料及振冲，使得碎石挤压密实成桩。

在填料振冲时，密实电流应达到50～60A，水压也应达到60～80N/cm2，留振时间应大于30s。当振冲器工作时，振冲器电机的电流超过规定值时（50～60A），能自动报警——电铃发出音响，此时提醒操作者应将振冲器向上提起。振实质量由密实电流控制。

5 质量控制

抓好一个控制，一个管理：施工质量的控制，施工进度的控制，加强现场施工管理。

振冲碎石桩的质量最主要应以桩体充分密实为原则，它与成孔的进度、填料量、留振时间密切相关，只有在一定填料量的情况下，才能达到一定的密实电流。也需要一定的留振时间，才能把填料振冲成桩。

要严格把好材料质量关，应按设计要求选择碎石粒径，一般选2～4cm的碎石，并且要级配适中，最大不得超过5cm，因为粒径大不易振实，同时对机具不利。碎石含泥量不得超过10%。另外，对每根桩的填料量也要进行认真的核实和控制。

在施工中应注意：在成孔时因出现振冲器受到阻碍，电流值会突然上升，现场警铃不断发出响声。遇到这种情况，不要误认为是正确的，应认真分析原因，查明原因后采取相应措施，同时反复振冲几次，直到电流表上电流值趋于稳定为止，然后方可继续施工。

6 注意事项

a.振冲器在土层深处不得断电停振。因此施工前要了解供电情况，必要时可自备发电机。

b.成孔困难，振冲器不易沉入。主要是水压不够，应加大水压。上层较硬时水压应增大，下降速度应更慢，水压要保持60～80N/cm2，在现场管路上应装阀门以调节水压水量。

c.密实电流长期达不到。通常采取的措施是减小水压，适当增加每次的填料量。反复振冲几次，使其符合密实电流值。

d.施工现场四周如有其他原有建筑物，施工时应注意原有建筑物是否出现裂缝或沉陷情况。

7 复合地基质量检测

此次检测采用单桩复合地基载荷试验，压板下铺中粗砂找平（厚度50～150mm）。最大加荷至280kPa，每级加载值为预估极限荷载的1/10，荷载分级见表1、表2。

每加一级荷载的前后应分别测记1次压板下沉量，以后每0.5h测记1次，当连续2h内，每1h小于0.1mm时，认为压板下沉量已趋稳定，即加下一级荷载。

当出现下列情况之一时，可终止加载：

a.压板周围的土，出现明显的侧向挤出。

b.沉降s急剧增大、压力—沉降（p-s）曲线出现陡降段。

c.在某一级荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准。

d.累计沉降量已大于压板直径的6%（63.00mm）。

e.当达不到极限荷载，而已达到方案设计最大加载压力。

表1 单桩复合地基载荷试验加荷级率（一）

表2 单桩复合地基载荷试验加荷级率（二）

荷载可分为3～4级，每卸一级荷载测计回弹量，直至变形稳定。

根据试验记录，分别绘制p（荷载）-s（沉降）曲线（见图1）及s（沉降）-lgt（时间）曲线（见图2）。p（荷载）-s（沉降）曲线反映了不同荷载作用下沉降量的变化趋势；s（沉降）-lgt（时间）曲线反映了在相同时间段不同荷载作用下的沉降情况。

图1 p-s曲线

图2 s-lgt曲线

复合地基承载力特征值的确定方法如下：

例如S1点试验最终加载至280kPa，累计压板沉降量31.47mm，卸载后残余沉降16.91mm。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）附录A.0.9，当压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线时可按相对变形值确定复合地基承载力；对振冲桩复合地基，以粉土或砂土为主的地基可取s/b（s为相对变形值，mm；b为承压板宽度，mm）=0.01所对应的压力；按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半。b取值为1000mm，则s=0.01b=10mm。从图1可以看出该曲线呈圆滑形，特征点不明显，无明显陡降段。按相对变形s=10mm从图1中找出的对应复合地基承载力特征值为175kPa，规范规定，按相对变形确定地基承载力特征值不应大于最大加载压力的1/2，因此取最大加载值的1/2，即140kPa作为该点的复合地基承载力特征值。各点试验结果见表3。

表3 单桩复合地基载荷试验结果

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）进行统计，其中3个试验点（S1、S2、S3）的复合地基承载力特征值平均为140kPa，极差为0，可将平均值140kPa作为复合地基承载力特征值。另外3个试验点（S4、S5、S6）的复合地基承载力特征值平均为130kPa，极差为0，可将平均值130kPa作为复合地基承载力特征值。均满足设计要求。