振冲碎石桩法地基处理在榆林庄闸改建工程中的应用

赵志江 孙宇臣 姚旭初 刘光华

（北京市水利规划设计研究院 北京 100048)

1 引言

振冲碎石桩是通过对软弱地基进行置换及挤密形成复合地基。经过长期深入研究和工程实践，工程技术人员对振冲碎石桩在改良地基强度、防止砂土液化等方面形成广泛共识。振冲碎石桩通过对软弱地基进行置换及挤密，可提高地基变形模量和承载力，改善地基不均一性，减少不均匀沉降，同时软弱地层经过激振后，碎石桩加速了孔隙水压力的消散，从而可有效防止地基液化。

本文结合榆林庄闸改建工程实践，通过使用大功率机械设备并采取工程措施，阐述了振冲碎石桩法有效解决地基砂土液化问题、承载力问题，并对复合地基如何解决施工中遇到的问题进行了总结。

2 工程区域概况

榆林庄闸位于北运河与凉水河交汇口下游300m处，在北京市通州区榆林庄村东北侧约1km处，属北运河水系主河道北运河上的灌溉蓄水建筑物。2002年北京市水务局组织专家对该闸进行了安全鉴定，根据鉴定结果榆林庄闸被评定为四类病险闸，应报废重建。本工程确定的工程总体布置为：拆除东、西旧闸及交通桥，挖除上游中心岛67m，将上游挖除部分回填下游中心岛，在原有交通桥位置新建公路桥，在原址下游50m处建新闸。新建西闸共7孔，闸孔净宽为10m，闸室总宽 85.00m，水闸顺水流向总长 252m。东闸共5孔，闸孔净宽为10m，闸室总宽为61.80m，水闸顺水流向总长252m。门顶高程为16.8m。

工程区地处北京市东南部北运河冲洪积平原上，第四系地层沉积厚度大。河道两岸地形较平坦开阔，东岸地形稍高，地面高程约18.9m；西岸稍低，地面高程约15.7m。自两河交汇处至闸所南围墙河床高程12.7～12.1m，东支河床宽约60m，西支河床宽约90m。

根据设计榆林庄新闸底板高程 11.70m，基础底面高程 9.20～10.00m左右，主要持力层为②细砂，下伏地层为③中细砂。

②细砂上部多为黄色、灰色或灰白色，下部为灰色，饱和，上部松散下部稍密至中密，含云母、有机质。局部粒径较粗达到中砂，分布连续稳定，局部夹有粉黏、黏粉透镜体。闸室底板以下分布厚度一般为 5～7m，底高程 3.5～6m。东闸挡墙底部分布厚度一般为1～4m，西闸挡墙底部分布厚度4～6m。

③中砂黄灰色至灰色，饱和，中密至密实，含云母、有机质，分布连续。闸室底板以下分布厚度一般为4～7m，底高程为-3～1m。

④粉质黏土为褐黄色，可塑，含云母、氧化铁、有机质，少量姜石。分布不连续，主要分布东闸闸室及上游部分，。一般厚度为 4～5m，底高程为-4～-3m。

⑤中细砂上部为灰黄色，下部为灰色，饱和，密实，大部含土质，局部纯净。区内分布广泛，一般厚度7～10m，揭露底高程-11m。

⑥粉质黏土为棕黄色至深灰色，局部为灰黑色，稍湿至湿，土质较均匀，大部呈硬塑状态，少量可塑及软塑。局部夹有灰绿色及褐黄色斑块，含姜石，姜石大小1～3mm。局部含粉砂粒，呈灰白色。空间分布上具有上游厚下游薄的特点。

3 天然地基主要工程地质问题分析

工程区地层岩性由人工填土和第四系冲洪积砂土、粉质黏土、黏土和含淤泥质土等组成。根据土层的分布特点和物理力学特征，结合闸基设计底高程，闸基地质结构为砂土均一结构。

3.1 地基地震液化问题分析

工程区位于地震基本烈度8度区，根据规范结合工程区水位高程资料和工程运行特征，综合判定在8度地震条件下，场地饱和状态②细砂存在地震液化问题。闸基基础座落于②细砂。该层上部呈松散状态，下部稍密至中密，存在地震液化问题，综合判定主要液化土体为②细砂，东闸液化底高程为4m左右，西闸液化底高程为6m左右。振冲加密深度不低于上述高程。

3.2 地基承载力问题分析

根据设计榆林庄新闸底板高程 11.70m，基础底面高程 9.20～10.00m左右，主要持力层为②细砂，稍密至中密，局部松散，标贯击数为5～22击,平均值为14击，大值平均值为17.5击，小值平均值为 9.4击，地基承载力建议值 90～110kPa，地基承载力不能满足设计要求。局部为淤泥质土，地基承载力建议值 80～100kPa，建议清除。下部③中砂，标贯击数为 19～50击,平均值37击，小值平均值为29击，地基承载力建议值140kPa。

④粉黏压缩模量小值平均值为Espz+200=7.24MPa，地基承载力标准值为140kPa。见表1、表2.

表1 土层物理力学性质指标建议值表

表2 闸基地基土颗粒分析试验及标贯击数统计表

4 施工过程中遇到的问题及分析

现场选用25T汽车吊与北京产ZCQ-100型振冲器进行造孔。振冲桩体材料东闸采用20～70mm的灰岩机碎石，西闸采用 20～80mm的卵石。振冲造孔采用排打法，振冲器以1～2m/min下沉至设计深度，上、下往返 1～2次，适当扩孔并降低孔内泥浆浓度。造孔电流为 50～130A，水压0.4～0.6MPa，造孔时间 2～8min。完孔清孔 2遍后，将振冲器留在孔内，当密实电流达到90A、水压 0.3MPa时，振冲器向上提升 1～2m，待下料后，再下放振冲器，加密桩体。如此循环施工，直到地面以下0.5m，加密时间9～27min。

4.1 施工过程中遇到的问题

在振冲器成孔过程中，振冲器下沉至设计深度时，仍然以较快的速度向下沉降，即在③中砂层中，振冲器仍可以使中砂层产生液化。

由于振冲桩体材料东闸采用 20～70mm的灰岩机碎石，西闸采用 20～80mm的卵石，灰岩机碎石的级配较差，而卵石的级配较好，两种不同的桩体材料对地基处理的效果不明确。

4.2 问题分析

按照相关规程消除第四系全新统松散砂层或粉土地震液化问题，振冲器电机动力一般选择65～75kW既可。95kW以上一般用于人工回填的乱砾石料与杂填土的振冲加密，而现场ZCQ-100型振冲器的实际功率为105kW，按照规范计算，③中砂天然状态下也不会产生液化且承载力也满足设计要求，最终决定桩体仍然按照原设计长度，不需要延长。

5 地基振冲处理后实际效果

5.1 东闸地基检测结果

分别对 7个点位进行了复合地基承载力静载荷试验，承载力特征值全部达到了 150kPa以上，满足设计要求。桩体位置圆锥动力触探平均击数 10.7～50击，所有试验桩有效桩长范围内密实度均达到了中密及密实状态。桩间土内标准贯入试验实测击数 13～40击，均大于临界液化击数，所试验孔均消除了原场地的液化属性。

5.2 西闸地基检测结果

分别对 7个点位进行了复合地基承载力静载荷试验，承载力特征值全部达到了 150kPa以上，满足设计要求。桩体位置圆锥动力触探平均击数 10.3～40.3击，所有试验桩有效桩长范围内密实度均达到了中密及密实状态。桩间土内标准贯入试验实测击数8～53击，大于临界液化击数，所试验孔均消除了原场地的液化属性。检测将结果见表3.

表3 东、西闸地基检测结果对比

通过检测结果可以看出，碎石和卵石两种桩体材料对地基处理的效果没有明显的不同，均达到设计要求。

6 结论

（1)振冲碎石桩消除第四系全新统松散砂层或粉土地震液化问题时，振冲器应选择合适的功率。

（2)碎石和卵石两种桩体材料对地基处理的效果没有明显的不同。

1 GB50487—2008水利水电工程地质勘察规范.北京：中国水利水电出版社，2008.