无填料振冲挤密法在砂土地区地基处理中的应用

李 博

(陕西西延铁路有限责任公司，西安 710054)

包西铁路神延段地处陕西北部地区，北起神木北车站南至延安北车站，其中榆林地区大保当至鱼河峁为毛乌素沙漠东南边缘，地表广泛分布风积沙地，呈现风沙荒漠景观，以固定、半固定沙地为主。地形呈波状起伏，风沙活动强烈。该地区沿线部分车站建筑所在地地质条件较差，表层砂土厚度大，地基承载力标准值低，承载力多在40～90 kPa之间，未经处理一般不能满足工业与民用建筑的要求［1］。

1 振冲挤密法作用机理

振冲法是由德国S·Steuernan于20世纪30年代首先提出的。1977年我国开始使用振冲法。振冲法(Vibro flotation)，是在处理砂土地基时利用振冲器的强力振动和水冲，使砂层发生短暂液化或结构破坏，砂颗粒重新排列，孔隙减少，同时依靠振冲器的强迫水平振挤作用，将补充的砂(来自孔顶的填料或自行塌陷的砂)振动挤压密实，从而有效地提高了地基的承载力，减少了沉降［2-3］。

振冲法在砂性土中制桩的施工过程对桩间土有振动挤密作用，故称为振冲挤密法(Vibro compaction)。采用振冲挤密法可以提高地基承载力、减少沉降和不均匀沉降、且能达到地基抗地震液化能力。一般相对密度可达75%以上;地基承载力可提高一倍以上。据国外资料报道，用振冲法加固砂土地基，地基承载力可达 500 ～ 700 kPa［2］。

目前，振冲挤密法处理砂土类地基主要有无填料加固和填料加固两种方法。本文通过工程实例，简单讲述无填料振冲挤密法在包西铁路砂土地区地基处理中的应用。

2 地基处理设计和施工工艺

现以包西铁路榆林车站3#职工公寓楼为例说明这一技术的实际应用。3#公寓楼建筑面积2 798.5 m2，砖混结构6层，建筑高度18.4 m，基础为钢筋混凝土条形基础。场地地形平坦开阔，相对高差小。地貌单元属风成砂丘区。地基土主要为粉砂土，不具湿陷性。地下水埋藏较深，属潜水类型。

2.1 工程地质情况

根据钻探查明，场地勘察范围内地层主要由第四系风积、湖积细砂等构成。现将其自上而下岩土特性分述如下:

①细砂(Qeol4):黄褐色，松散，稍湿。主要矿物成分以石英、长石，暗色矿物次之，云母少许。砂质较纯，颗粒较均，级配较差，风积而成，局部夹有薄层粉夹层，分选性良好，含土量较小。本层厚度为3.00～5.60 m，层底埋深为3.00～5.60 m。地基土的承载力特征值fak=95 kPa。

②细砂(Qeol4):黄褐色，稍密，稍湿。主要矿物成分为石英、长石，云母少许，也见少许暗色矿物。砂质较纯，颗粒较均，级配不好，风积而成，分选性良好，含土量较小。本层厚度为1.50～3.80 m，层底埋深为6.80～8.00 m。地基土的承载力特征值fak=130 kPa。

③细砂(Ql4):黄褐色，中密，稍湿 ～饱和。主要矿物成分为石英、长石，暗色矿物和云母次之。颗粒较均，级配不好，局部夹粉砂薄层，湖相沉积，分选性良好，含土量较小。本层厚度为2.30～5.10 m，层底埋深为9.20～10.90 m。地基土的承载力特征值 fak=190 kPa。

④细砂(Ql3):黄褐色，密实，饱和。主要矿物成分以石英、长石为主，杂色矿物次之，云母少许。砂质较纯，颗粒较均，级配较差，本次勘察该层未穿透，可见厚度为0.90～2.70 m，该层在场地下部普遍存在。地基土的承载力特征值fak=200 kPa。

根据工程地质资料，拟建公寓楼的基础座落在①层细砂的中下部，而①层细砂承载力低，不能满足上部荷载要求，建议对该楼进行地基处理。处理方法可采用振冲挤密法(无填料)、水泥土搅拌桩法或振冲碎石桩法。考虑到节省工程造价，减少对周围环境的振动影响，设计采用无填料振冲挤密法进行地基处理。

2.2 地基处理设计

地基处理采用无填料振冲挤密法。其目的是利用振冲器的振动力和水冲，使原地基的松散砂层振挤密实，改善地基土的强度和均匀性，提高地基承载力和密实度。

按设计要求，基坑开挖至－2.0 m后，按等边三角形满堂布置桩位，桩长9.0 m，桩径为 φ700 mm，桩距1 500 mm，排距1 300 mm。振冲挤密砂桩施工完毕后，去除800 mm厚的虚桩至－2.8 m，然后再铺压300 mm厚碎石垫层至 －2.5 m，碎石垫层超出最外排桩250 mm，碎石垫层的压实系数≥0.97。振冲挤密砂桩处理范围:桩位布置超出建筑物横外墙外缘3.3 m，纵外墙外缘2.4 m，要求处理后的地基承载力标准值fk≥180 kPa。

2.3 成桩施工工艺

施工时清理平整场地，施工设备为ZCQ-40型振冲器，具体施工流程为:①先确定桩位，施工机具就位，用吊车把振冲器对准桩位点，开机。②启动水泵和振冲器，使振冲器在水平振动和重力作用下徐徐沉入砂层，水压力 400～600 kPa，用水量 200 ～400 L/min，成孔速度宜控制为1～2 m/min，直至设计桩底，减少射水量至最小，留振时间不小于30 s。③待振冲密实电流至规定的控制值45～50 A后，将振冲器上提约0.3～0.5 m，重复以上步骤，自上而下，逐段施工至设计桩顶，完成制桩。④关机、位移，进行下一桩点振冲。

施工现场全部振密加固完毕，整平场地，进行表层处理，挖除800 mm厚的虚桩，并再铺压300 mm厚碎石垫层。

2.4 检测原理、方法及检测结果

2.4.1 静荷载试验

本次检测中静荷载试验现场使用QYL-100 t千斤顶配反力平台，承压板直径为1.575 m圆形钢板，压力表控制加载值。利用3个量程为0～30 mm对称的百分表进行沉降观测。加载方法采用慢速维持荷载相对稳定法进行试验。加荷等级分为8级，每级荷载加载值为45 kPa，终止试验荷载360 kPa，每级卸载值为加载值的2倍，3#公寓楼静载荷试验结果见表1。

表1 3#职工公寓楼静荷载试验结果

从地基的静荷载试验结果可以看出，P—S曲线一直比较平顺(图1)，未出现明显的陡降现象，未出现极限破坏，且沉降差异不大，静载荷试验P—S曲线形态基本相似。

2.4.2 标准贯入检测试验

振冲挤密砂桩的密实度试验采用标准贯入法进行，标准贯入试验是用质量为63.5 kg重锤，以76 cm的落距，采用连续贯入法进行触探试验，将标准规格的贯入器，贯入试验土层，每贯入30 cm深度的锤击数为一个数据，来判定桩身及桩间土的密实度。

图1 P—S曲线

根据标准贯入试验锤击数，经数理统计、计算，求得的标准贯入试验锤击数N63.5统计值见表2。

表2 标准贯入试验值

统计结果显示，桩间土标准贯入试验锤击数N63.5实测范围值在10～29击，平均值 N63.5=22.14击，桩体土标准贯入试验锤击数 N63.5实测范围值在9～30击，平均值N63.5=21.95击，表明桩间土的挤密效果和桩体土的振冲密实均达到中密状态。

2.4.3 检测结果

3个点静载试验承载力基本值极差不超过平均值的30%，可取其平均值为振冲挤密砂桩人工地基承载力特征值，振冲挤密砂桩人工地基的承载力≥180 kPa，满足设计要求的180 kPa。

标准贯入试验锤击数的平均值在20～25击，表明桩间土和桩体土密实均达到中密状态。

3 施工要点和注意事项

1)施工顺序的确定，根据施工现场实际情况采用“由里向外”或“由一边向另一边”的顺序，如有邻近既有建筑，则先从邻近既有建筑处开始，逐步向外。

2)振冲挤密法在砂土地基处理时，原地基的松散砂中不能有泥土、石块等杂质，要确保纯净，其中黏粒含量不超过10%，均可取得显著的挤密效果［4］。

3)水量和水压的控制。在砂土地基中进行无填料振冲挤密时，水压力宜控制在400～600 kPa。用水量大小要保证砂土充分饱和，用水量宜控制在200～400 L/min。同时注意沉桩开始时水量应大，制桩过程中水量应减小，接近孔底时水压不应太大，以防止砂层产生流态区，影响振冲密实效果。

4)密实电流、留振时间及上提距离的控制。为保证振冲密实效果，在振冲电流达到设计要求的密实电流后还需要留振一段时间，孔内自行塌陷砂填料愈密，振动消耗的电量愈大，常通过观察电流的变化，控制振密的质量。本工程经验，密实电流宜控制在45～50 A范围内，以1～2 m/min速度自上而下分段进行振密，每段长度50 cm为宜，留振30～60 s，然后以0.5～1.0 m/min速度自下而上至地面振密，每段长度约50 cm为宜，留振 20 ～60 s［5］。

5)为保证桩体下部振冲密实效果，注意当振冲至设计桩底高程以上30～50 cm时，需减少冲水量，并继续振冲下沉至设计桩底高程以下500 cm处，留振30～60 s。

4 结论

根据以上无填料振冲挤密法地基处理的实践情况，可以得出无填料振冲法对地面以下振冲范围内的砂土地基处理效果明显，处理后地基均匀密实，砂土达到中密状态，地基承载力满足设计要求。通过该方法处理砂土地基，具有设备机具简单，不受场地影响，工期短，取材方便，地基处理效果明显等特点，同时建设成本较低，在榆林当地地区施工定额振冲砂桩综合单价为12.00元/延长米，是经济合理的施工方法，对工程造价控制，节约投资具有显著的经济效益。无填料振冲挤密法在砂土地基处理中是一种可广泛推广应用的经济型地基处理方法。

［1］白涛，齐晓迪，袁树基，等.砂土地基加固方法的工程应用［J］.建筑科学与工程学报，2008(2):116-119.

［2］刘海军.深厚砂层地基振冲灌浆加固处理技术研究［J］.铁道建筑，2010(5):90-92.

［3］李增华.振冲碎石桩加固铁路路基的设计与应用［J］.铁道建筑，2009(12):89-91.

［4］费洪源.浅论振冲法在砂层中的应用［J］.内蒙古科技与经济，2004(11):62-64.

［5］牟宏彬，章奕峰，杨小宝，等.振冲法在加固粉细砂地基中的应用［J］.浙江建筑，2006(10):33-35.