振冲法的现状综述

楼晓明，于志强，徐士龙

(1. 同济大学 地下建筑与工程系， 上海 200092；2. 上海港湾软地基处理工程(集团)有限公司， 上海 200092)

振冲法，即通过振冲器产生水平或垂直方向振动力，并辅以压力水振密周围土体，达到提高地基承载力、增加地基稳定性、减少沉降量、提高抗地震液化能力的地基处理方法。英文常表达为vibrocompaction或者vibroflotation等，国内亦称之为振动水冲法。

在众多的地基处理方法中，振冲法以加固深度大、效果好、操作简单、不用三材(钢筋、水泥和木材)以及工期短、成本低等优点被广泛用于加固软弱地基特别是砂土及吹填土地基[1]。

利用疏浚出来的泥沙进行填海造陆，已成为很多沿海城市缓解土地资源紧张的有效途径。但是，由吹填土构成的地基，强度、密实度很差，不能直接用于工程建设，所以对其进行地基处理加固就显得尤为重要，振冲法仍有广阔的应用前景。

1 振冲法的起源及发展

振冲法最早是在1936年由德国工程师S Steuerman提出的。1937年德国凯勒公司(Jahann Keller)研制成功了第一台振冲器，并将其首次用于柏林某大楼的7.5 m深松砂地基，结果承载力提高了一倍多，相对密度由40%提高到了80%[2]。40年代振冲法开始传到美国，D′Appoloni[3,4]提出在淤泥含量很少的砂土中，振冲法效果显著，并且提出了用相对密实度来检验加固效果。50年代振冲法被引进到英国和法国，后又被引入到非洲国家使用。50年代末60年代初，英国和德国等相继通过回填碎石等把这一方法应用在处理粘性土地基，例如德国纽伦堡一个工程，Keller公司通过回填碎石振动密实，使软粘土地基承载力显著提高，这就是后来发展成为“碎石桩法”的基础[5]。日本于1957年引入振冲法，1964年日本新泻和1968年十胜冲地区分别发生了7.7和7.8级强震。震后调查结果表明，使用振冲法处理过的砂基上建筑物基本保持完好，而未经处理的砂基上的建筑物则受到严重破坏。此外振冲法可以有效防止地震灾害的例子，国外还有很多报道[6]。

我国从1976年开始研究振冲法并试制振冲器，1977年南京水利科学院与交通部水利规划设计院协同合作，研制出了我国第一台振冲器(ECQ-1)，首先应用于南京造船厂加固船体车间，即使当时设备简陋还是取得了满意的效果。1978年唐山钱家营矿采用振冲法，振后全部地面下降20 cm，使地基承载力和密实度大大提高。在随后的官厅水库和南通天生港电厂工程中，振冲法也取得了很好的效果[5]，此后在全国范围内得到了推广。现如今，振冲法已被广泛应用于各级各类工业民用建筑、道路、桥梁、水坝、油罐、港口、电站、高速公路、机场跑道等工程[7～14]。

通过半个多世纪的发展，振冲法已经成为了一种常用的地基处理方法。振冲法分为加填料的振冲置换法，也称“振冲碎石桩法”，以及不加填料的振冲密实法。其中前者被广泛应用于处理饱和松散粉细砂、粉土、中粗砂和砾砂、黏土、湿陷性黄土以及吹填土等地基，而后者一般认为适用于处理黏粒含量小于10%的粗砂和中砂地基，对于粉细砂等细粒土地基，是否可以采用不加填料的振冲法加固尚无定论[15, 16]。

2 振冲碎石桩的研究现状

目前，由于振冲的物理过程极其复杂，始终没有建立合理的数值模型，其理论研究远远满足不了工程实践要求，主要依据还是来源于工程经验和现场实践。国内外主要从以下几个方面对振冲碎石桩法进行了研究。

2.1 振冲碎石桩加固机理的试验研究

1953年D′Appoloni[3, 4]利用试验结果证实了振冲法加固纯净粗砂地基的有效性，建议采用影响系数来评估加固效果，并指出加固后的密实度随着离开振冲器中心的径向距离呈指数关系减小。文献[4]中认为振冲桩间距大于2.4 m时，其叠加作用甚微；间距小于1.8 m，压实区内所获得的相对密度大于70%，此时三角形布置可以给予最大的叠加作用。

Brown[17]结合试验结果，分析了土质条件、振冲器类型、振点间距和布点方式、填料、振冲器贯入和上提方式等对加固效果的影响。Metzger和Koerner[18]通过模型试验研究了初始相对密度、填料类型等对加固效果的影响以及加固效果随离开振冲器中心距离的变化规律。

我国的许多科研人员也进行了大量的模型试验，冶金部建研总院、中国建筑科学研究院地基所研究了碎石桩的排水减压、抗液化影响范围、布桩范围以及深度对场地加固区抗液化性能的影响。王盛源[19]通过几个工程实例，研究了振冲法对砂土地基的加固机理。黄茂松和吴世明[20]对振冲法加固饱和粉砂地基进行了研究，包括液化分析和孔压变化规律分析。

国内目前常用的振冲碎石桩桩径为0.8～1.0 m，填料宜用角砾、碎石、砾砂、卵石、矿渣或粗砂等硬质材料，不宜使用砂石混合料。1977年Brown[17]基于工程实践提出了一个衡量外加填料适用程度的定量指标“适宜数”Sn(Suitability number)：

(1)

式中，D50、D20、D10分别为颗粒大小分配曲线上对应于50%、20%、10%的颗粒直径(mm)。

叶书鳞等[1]总结认为，振冲碎石桩在松散砂土中的加固机制为挤密、排水减压和预振效应，在软粘土中则主要为置换作用，振冲碎石桩与桩间土构成复合地基而共同作用。

2.2 振冲碎石桩的适用范围

很多学者对土中的细粒含量对土体振冲加固效果的影响做了研究。Slocombe等[21]认为，填料振冲法可以用来加固细粒含量超过45%的土体。Webb和Ian Hall[22]根据试验结果，认为细粒含量达30%时，在距振冲器周围1 m以内仍有一定的加密效果。Harder等[23]分析了对Thermalito Afterbay坝基的粉砂(细粒含量超过20%，部分达35%)用填料振冲法加固失败的例子，认为加固失败的原因是由于加固砂层上面的土层中含有较高细粒的缘故。Saito[24]也指出对于细粒含量超过20%的砂土，振冲法几乎没有挤密效果。

振冲碎石桩法加固松软土体的机理清晰、明确，加固的效果好，适用性广，软土强度过于低下，土的阻力始终不能平衡填料的挤入力，则无法形成桩体。目前一般认为振冲碎石桩法只适用于地基土不排水抗剪强度cu大于20 kPa的情况[1]，但Barksdale[25]等1983年指出，振冲碎石桩法可适用于不排水抗剪强度cu为15～50 kPa的地基土以及高地下水位的情况。我国《建筑地基处理技术规范》中也指出，对于不排水抗剪强度不小于20 kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应通过现场试验确定其适用性。

2.3 振冲法的工艺研究

2.3.1振动器类型

随着振冲法的广泛应用，其施工器具也得到了快速发展。振冲法的施工器具主要包括振冲器、伸缩管和支撑吊机三部分，其中振冲器的性能对土体的加固效果起到了决定性的作用。目前国内外出现了各种型号的振冲器，根据其振动方向主要分为水平向振动振冲器(Vibroflot)、垂向振动振冲器(Vibratory Probe)以及水平垂直双向振动振冲器。水平向振动是国内外最常采用的振冲方式，最早的振冲器就是采用这种方式。我国早期自行研制的一些振冲器如ZCQ13等也是采用水平向振动方式，目前国内外常用的水平向振动振冲器如表1[26]和表2所示。垂向振冲器一般基于振动杆原理设计，通过一个特别设计的长密实杆在管顶的重型振动器的激发下做垂向振动，并反复插入土体内部达到加固周围土体目的。水平垂直双向振动振冲器近则兼备了水平和垂直振动的各自优势，在工程实践中取得了很好的效果。

表1 国外常用的水平向振动振冲器的主要技术参数

表2 国内常用的水平向振动振冲器的主要技术参数

2.3.2振动器固有参数对加固效果影响

大量的研究表明，过高的振动频率虽有利于振冲器的贯入，但无助于土体振密，当振动频率接近土体颗粒振动频率而使土体处在共振状态时，加固效果最佳。叶书鳞等[1]提出增大振动力可以提高加固效果和增大影响范围。但加固效果与振动力并不成线性关系，要根据现场土质情况和经验选择合适的振动力。王盛源等[19]认为当土体振动加速度为(1.0～2.0)g时，孔隙水压力随加速度增加而增加；当加速度在2g以上时，孔隙水压力基本不再增加，这说明过大的振动加速度对砂土加固是没有意义的。实测资料也表明，振动加速度和振动孔压随离振中距离的增加而呈指数关系衰减。1987年Chang[27]利用振动台研究了振动频率、振动时间、振幅、加速度、初始密度、饱和度等因素对振动密实的影响，得出砂土振动密实存在一最优振动加速度。

3 无填料振冲法的研究现状

无填料振冲法与填料振冲法相比，显然具有施工更简便、工期更短和造价更低等优点，近年来许多学者对无填料振冲法进行了理论及试验研究。

3.1 无填料振冲法加固机理的试验研究

无填料振冲法加固砂类土地基一方面是依靠振冲器的强力振动和水冲在地基中产生超静孔隙水压力，使振冲器周围砂土发生短暂液化或结构破坏，砂颗粒在自重和振动器的振动挤压作用下重新排列，孔隙减少；另一方面是依靠振冲器的反复强烈水平振动和侧向挤压作用将补充的周围自行塌陷的砂振动挤压密实，从而达到提高地基承载力和均匀性、消除不均匀沉降的加固目的。此外，振动作用还可以使可能发生液化的砂土产生预振效应，减小砂土在地震时产生的超静孔隙水压力，从而有效降低或消除砂土的液化趋势[28]。

Greenwood 和 Kirsch[29]根据从振冲器侧壁向外加速度的大小将振冲器周围的土体分为5 个区域，即紧靠振冲器侧壁的剪胀区、流态区、过渡区、挤密区以及弹性区(如图1)，并且认为只有过渡区和挤密区才有明显的挤密作用。过渡区和挤密区的大小不仅取决于砂土的性质(如初始相对密度、形状和级配、颗粒大小、土粒比重、地基应力、渗透系数等)，还取决于振冲器的性能(如振动频率、振动力、振幅等)。在国内，李君纯等[30]认为振冲加固砂性土的机制为挤振、浮振和固结作用。文献[1]中认为，砂性土的振冲加固机制为挤密、排水减压和预振效应。郑建国[31]认为，造孔时主要为挤密作用过程，而上拔时主要为振密过程。

图1 砂土对振冲的理想反应

试验研究方面，近几年学者对无填料振冲技术在加固饱和粉细砂及吹填细砂地基中的应用进行了研究，取得了一定的进展。2003年周健等[32]通过室内模型试验研究了粉细砂地基在无填料振冲中孔隙水压力空间分布规律、孔隙水压力增长与消散的规律、相对密度和静力触探指标与振冲次数之间的关系等，定性地验证了无填料振冲对于规范中未推荐使用的粉细砂土的适应性。同时，周健等[33]通过改进和革新传统的振冲工艺及施工参数现场试验研究，验证了级配较差的饱和疏松粉细砂地基采用无填料振冲法加固的有效性，探讨了振冲加固后粉细砂土强度的时间效应问题。并通过工程实践论证了无填料振冲法加固浅层吹填粉细砂及下卧扰动软粘土层双层地基的适宜性[34]。周国钧[35]介绍了无填料振冲在粉细砂地基中的应用研究。牟宏彬等[36]通过相关实际工程经验，介绍了无填料振冲法加固粉细砂地基的成功案例，并提出了适宜的施工参数。周健等[37]进行了现场试验，结果显示双机共振加固效果明显好于单机振冲的加固效果，三机共振加固效果最佳，最大振动孔隙水压力随振源距在粉细砂中近似呈指数函数关系衰减，在中粗砂中近似呈幂函数关系衰减，15天左右加固区的土体强度达到稳定。2009年叶观宝[38]等推导了孔压变化的解析式，得到一定条件下砂土地基临界液化时间的精确值。

3.2 无填料振冲法的应用范围

无填料振冲法按作用机理来分应属于振冲密实法，适用于振冲密实法的土体主要是指砂类土，一般认为小于0.005 mm且粘粒含量不超过10%，都可以得到显著的挤密效果；若粘粒含量大于30%,则挤密效果明显降低。Mitchell[39]给出了适合于振冲密实法加固的颗粒级配范围，如图2所示。当土层颗粒级配全部位于B区时，加固效果最好；若级配曲线全部落在C区，因颗粒过细从而加固有困难；若位于A区或者地下水位过深，则影响振冲器的贯入速度并且易损坏振冲器。

图2 振冲密实法的颗粒级配曲线

目前一般认为无填料振冲法仅适用于小于0.074 mm的细粒含量不超过10%的中、 粗砂地基[1]。对于粉细砂地基无填料振冲加固失败的原因，周健等[33～34]认为，一方面是由于传统的振冲工艺容易产生流态区而影响其最终的挤密效果；另一方面还与粉细砂的初始密实状态和粘粒含量有关。但随着越来越多的工程实践以及试验的进行，无填料振冲法已开始被应用于粉细砂地基[32～38]，所以只要采用适当的振冲工艺，无填料振冲法是可以应用于粉细砂地基加固的。

3.3 无填料振冲法的国内工程实例

振冲法自1937年诞生以来得到了广泛的推广，无填料振冲也以其独有的优点应用于地基加固，表3根据前人的资料总结了无填料振冲法成功运用的一部分国内工程实例。

表3 应用无填料振冲法的国内工程

由表中统计的资料可以看出，无填料振冲法在粉细砂地基中已经开始被应用，其在中粗砂中的振冲最大深度可达25 m甚至更深，而无填料振冲法在粉细砂地基中的加固深度最大也达15 m。

4 问题与建议

采用振冲碎石桩加固地基时，一是需要碎石等外加填料量大，工程质量不易控制和检验；二是很难有效地解决场地的不均匀沉降等问题[15]。当前由于碎石单价高，明显增加了振冲碎石桩的单位造价；碎石桩属于柔性桩，加固效果依赖对桩间土的改善效果，如果桩间土得不到明显改善，振冲碎石桩复合地基控制地基沉降的效果就不明显。

目前规范在振冲碎石桩复合地基承载力的计算方法中，对处理后桩间土承载力特征值的规定为[49]：宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。显然对桩间土的加固效果缺乏定量指导意见，设计人员从保守角度，倾向于取天然地基承载力特征值，这导致振冲对桩间土的加固作用难以体现。因此需要建立完善振冲加固效果的检测与评价方法。

振冲法具有对较深区域加固效果好，表层加固效果较差的特点[35,37]，表层需要采取振动辗压等密实措施。

尽管振冲施工设备较轻，对于细颗粒含量较高的新近吹填土，表面承载力很低，也需要采取其他适当的预处理措施。

5 结 语

虽然国内外对于振冲法的加固机理研究较多，但相关设计方法还不成熟，远远满足不了实际工程的需要。

无填料振冲法在造价、工期方面具有更大的优势，适用范围除了粘粒含量不超过10%的中、粗砂地基外，在粘粒含量不超过10%的粉砂、细砂地基也适用。

在吹填土地基上，振冲法具有设备较轻的优点，对于表面承载力很低的新近吹填土，需要采取其他适当的预处理措施。

[1] 叶书鳞. 地基处理工程实例应用手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998.

[2] Steuerman S. A new soil compaction device[J]. Engineering News Record, 1939, (1): 56-58.

[3] D’Appolonia E. Loose Sand-Their Compaction by Vibroflotation[J]. Special Technical Publication, 1953, (156): 138-154.

[4] D’Appolonia E, Miller L E J, Ware T M. Sand compaction by vibroflotation[J]. Proceeding, ASCE, 1953, 100(4): 1-23.

[5] 施履祥. 振冲法在砂土中的应用[C]// 软基加固新技术: 振动水冲法. 北京: 水利水电出版社, 1984: 44-66.

[6] Ohsaki Y. Effects of sand compaction on liquefaction during the Tokachioki earthquake [J]. Soils and Foundation, 2000, 10(2): 112-128.

[7] 曾昭礼. 振冲地基在我国的应用与发展[J]. 地基处理, 2000, 11(3): 58-66.

[8] 张翔杰. 振冲法工程施工的适用范围及其技术方法[J]. 云南地质科技报, 1989, (3): 46-50.

[9] 徐 岩. 用振冲法加固特殊地基[J]. 港工技术, 2002, (6): 50-51.

[10] 刘保平. 采用振冲法加固姜家湖排灌站地基[J]. 水利水电技术, 1995, (6): 34-35.

[11] 胡瑞生, 钟 华. 振冲置换法在粘性土地基加固中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(9): 1425-1426.

[12] 刘昭宗, 袁国强. 振冲碎石桩加固深层软基技术简介[J]. 设计与施工, 2002, 19(2): 10-13.

[13] 牛万军. 振冲碎石桩在天津滨海地区的应用[J]. 水利水电工程设计, 2000, 19(2): 48-49.

[14] 王绛瑜, 虞韩青. 振冲碎石桩在软土地基加固中的应用[J]. 浙江地质, 2002, 18(1): 53-57.

[15] Mitchell J K. Soil Improvement: State-of-the-art[C]∥Proceedings of 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Rotterdam: Balkema, 1981:509-565.

[16] 林宗元. 岩土工程治理手册[M]. 沈阳: 辽宁科学技术出版社, 1993.

[17] Brown R E. Vibroflotation compaction of cohesionless soils [J]. Journal of the Geotechnical Division, 1977(12): 1437-1451.

[18] Metzger G V, Koenrer R M. Modeling of soil densification by vibroflotaion [J]. Journal of the Geotechnical Division, 1975, 101(5): 417-421.

[19] 王盛源. 振冲法加固松软地基[J]. 岩土工程学报, 1986, 8(5): 39-49.

[20] 黄茂松, 吴世明. 振冲加固饱和粉细砂地基的动孔压测试与分析[J]. 浙江大学学报, 1991, 25(6): 651-657.

[21] Slocombe B C, Bell A L, Baez H U. The densification of granular soils using vibro methods[J]. Geotechnique, 2000, 50(6): 715-725.

[22] Webb D L, Hall R I. Effects of vibroflotation on clayey sands[J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1969, 95(6): 1365-1378.

[23] Harder L F, Hammond W D, Ross P S. Vibroflotation compaction at thermalito afterbay[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1984, 110(1): 57-71.

[24] Saito A. Characteristics of penetration resistance of a reclaimed sandy deposit and their change through vibratory compaction[J]. Soils and Foundations, 1977, 17(4): 31-43.

[25] Barksdale R D, Bachus R C. Design and Construction of Stone Columns: Report of National Technical Information Service[R]. Springfield: Virginia, 1983.

[26] Green R A. Energy-based Evaluation and Remediation Liquefiable Soils[D]. Virginia: Virginia Polytechnic Institute and State University, 2001.

[27] Chang P W, Chae Y S. A Parametric Study of Effect of Vibration on Granular Soils. Development in Geotechnical Engineering 42: Soil Mechanics and Liquefaction[M]. Amsterdam: Elsevier Computational Mechanics Publications, 1987.

[28] 《地基处理手册》编写委员会. 地基处理手册(第二版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.

[29] Greenwood D A, Kirsch K. Specialist Ground Treatment by Vibratory and Dynamic Methods[C]∥State-of-the-art Piling and Ground Treatment for Foundations. London: Thomas Telford, 1983: 17-45.

[30] 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.

[31] 郑建国. 振动挤密桩桩距对振密变形的影响[J]. 岩土工程学报, 1992, 14(s1): 94-99.

[32] 周 健，胡 寅，林晓斌，等. 粉细砂的室内无填料振冲试验研究[J]. 岩土力学, 2003, 24(5): 790-794.

[33] 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研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2003, 22(8): 1350-1355.

[34] 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): 1685-1688.

[35] 周国钧.岩土工程治理新技术[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[36] 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, 23(10): 33-35.

[37] 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, 22(1): 37-42.

[38] 叶观宝,苌红涛,徐 超, 等. 无填料振冲法在液化粉细砂中的应用研究[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(6): 917-921.

[39] Mitchell J K. In-place treatment of foundation soils [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1970, 96(SM1): 73-110.

[40] 楼永高. 25 m深层振冲挤密砂基加固跑道地基的施工与试验[J]. 水运工程, 1995, 12(9): 32-37.

[41] 邱大进, 杨喜军, 李大勇. 新沙港码头格形钢板墩回填砂振冲加密[J]. 水利水电技术, 1995, (6): 43-44.

[42] 张剑峰, 陈昌斌. 青岛发电厂吹填砂地基上的振冲挤密砂桩加密试验[J]. 电力勘测, 1996, (9): 20-24.

[43] 郑念屏. 福州国际机场口岸园区地基处理[J]. 福建建筑, 1997, (1): 131-132.

[44] 周俊峰.无填料加密法振冲加固砂类土地基在工程实践中的应用[J]. 河北电力技术, 2002, (6): 52-54.

[45] 苏荣臻, 范文涛. 振冲法在粉细砂地基加固中应用的探讨[J]. 西部探矿工程, 2005, (3): 8-9.

[46] 吴 翔,涂开彬,李顺利, 等. 冀东南堡油田1号人工端岛无填料振冲加固地基的质量控制[J]. 港工技术, 2007, (5): 46-51.

[47] 石积德,白 涛,王毅红. 无填料振冲法在粉细砂地基加固中的应用[J]. 路基工程, 2008, (5): 115-116.

[48] 李 博.无填料振冲挤密法在砂土地区地基处理中的应用[J]. 铁道建筑, 2011, (7): 78-80.

[49] JGJ 79-2002,建筑地基处理技术规范[S].