振冲碎石桩在新疆某水利工程的应用探析

刘云波

（喀什第三师勘测设计研究院有限责任公司 喀什市 844000）

前 言

叶尔羌河中下游地区的地层主要由粉土和中细砂构成，地层地基属于液化土层并且承载力较低。因此把该层作为建筑地基时，必须消除地震时可能引起的地基粉土层液化，增强地基的承载力。砂石桩不仅具有挤密作用而且可以排水，能有效消除各种震动时产生的超静孔隙水压力，大大降低液化现象的发生率。此外砂石桩造价低廉且资源丰富，能就地取料，可以达到节约钢材和水泥的目的。

1 工程概况和地质概况

根据工程规划并经过审批，拟在叶尔羌河中下游某枢纽处修建300 m3进水闸一座。

该地区属于大陆干旱性气候区，降水少蒸发大，气候干旱；河水主要来自于积雪和冰川融化，并且气温对河水影响很大；该地区水质成分大多为碳酸盐，水质较好，地处河流中下游冲积平原，地势南高北低。河网水系发达，河床经过多次改道产生很大游荡性，冲积平原下半部常出现河心滩，耕地多在此区域内；该地区地层由第四系松散堆积物构成，厚度达到（400～500）m，在（30～70）m 的剖面内几乎全是粉砂细砂；该地区位于塔里木盆地的次一级隆起区，凸起形成较晚，现今形成大型平缓的复背斜；该地区地震动峰值加速度为0.15 g，震动特征周期为0.65 s,地震基本烈度为Ⅶ度。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性和力学性质

据探测，该地区地层主要为粉细砂构成，局部表层为近期淤积形成。第一层为淤积层，呈灰黄色，由松散～稍密，湿，厚度在（0.50～3.00）m；第二层的主要成分为粉细砂：呈青灰色，湿～饱和，松散～稍密～中密，中等液化，没有黏聚力，平均渗透系数为9.33×10-3cm/s，地基承载力特征值为110 kPa。

2.2 地下水概况

该场地地下水稳定水位高程为1 118.0 m，地下水类型为潜水，该地区无承压水并且无相对隔水层，含水介质为粉细砂，地下水主要靠河水补给，平均渗透系数为 9.33×10-3cm/s。

2.3 地基与基础

根据勘察结果，再结合现场基础设计的标高，本场地直接持力层为第2层土粉细砂层，天然地基承载力特征值为110 kPa。根据设计要求，承载力特征值需要达到180 kPa，天然地基无法满足要求，所以地基需要进行处理。通过方案比对，一致认为振冲碎石桩很适合处理液化土，能明显提高承载力并且工艺简单。本场地很容易满足施工要求，桩径大、施工速度快，所以建议采用振冲碎石桩进行地基处理。

3 振动碎石桩法

碎石桩是利用能水平振动的振动器在高压下边振边冲，从而在软弱地基中打孔，然后在孔内填入碎石，振动器上拔形成桩体，最终使碎石桩体与原状土体形成复合地基。碎石桩通过振冲“挤密”来提高土体密实度；选用筛选后的碎石成桩能改善土体排水能力以达到抗震效果；复合地基和桩与桩间的约束使得地基刚度增大，地基的承载力得以提高，地基差异沉降量降低。然而，由于碎石桩成孔依赖于高压水的冲排，即采用碎石置换同体积土体，只在振动器振动时才能起到效果，而振动器长度较小，横向振动范围小，因此挤密效果不强，土体承载力和密实度不能得到有效提高，因此减少沉降量的能力被大大削弱。

3.1 适用范围及优缺点

（1）适用范围。软弱地基的加固；堤坝边的坡加固；消除可液化土液化性；消除湿陷性黄土湿陷性。

（2）优缺点。优点：振冲法适用于处理砂土、粉土、粘性土、填土以及软土，但对不排水抗剪强度小于20 kPa的软土使用要慎重；缺点：不加填料仅适用于处理粘粒含量小于10%的粗砂、中砂地基，在粘性土中施工排放的污水、污泥量大。

本场地地质条件适宜，符合碎石桩法使用的场地要求，排污设施良好，可以满足碎石桩法在场地中的排污要求。所以无论从哪个方面来考虑，都很适合使用振冲碎石桩法。

3.2 振冲碎石桩设计施工

（1）设计。该工程采用振冲碎石桩复合地基，碎石桩估算参数为：桩径1.0 m，桩间距2.5 m，碎石粒径为在（20～150）mm之间，处理深度至标高1 100.0 m处左右，处理后的复合地基承载力特征值180 kPa。碎石桩施工后，应将基底松散层挖除或压实，然后在桩顶部铺厚碎石垫层，对之实行机械压实。

（2）施工。在正式打桩前，对成桩工艺和挤密进行试验，确定成桩参数。采用75 kW振冲器 ，成孔水压为200多kPa，对硬土层可调节水压至500多kPa。成桩时将适当降低水压。制桩时应根据试桩密实电流控制密实电流，留振时间为（30～60）s。

4 碎石桩加固效果

4.1 振冲碎石桩参数的选取要求

用正三角形方式处理碎石桩；碎石桩处理范围在基础外缘扩大布置几排桩；液化地基外扩最小为液化深度的1/2，且不小于5 m；桩距应根据试验和设备功率确定；桩长要求满足变形要求和满足不小于最危险滑动面以下并穿过液化层；应选择承载力较高的土层作为桩端持力层；采用碎石作桩体材料，含泥量最大为5%。

4.2 加固效果要求

碎石桩承载力可根据以下公式计算确定：

fspk——振冲桩复合地板基承载力特征值；

fak——处理后桩间土承载力特征值；

m——桩土面积置换率；

n——桩土应力比，可取2～4，原土强度低取大值，强度高区小值；

d——桩身平均直径；

de——根庄分担的处理基地面积的等效圆直径；

根据工程实例和桩机参数，当采用75 kW振冲器时，桩径为（0.9～1.5）m，本工程按桩径1.0 m验算桩径和桩间距：经验算，当桩径为1.0 m、桩间距为2.5 m时，fspk＝180 kPa；根据结合液化深度、较好持力层深度和最危险滑动面深度确定桩长为7 m：桩端标高1 110 m；桩体材料采用碎石，单桩碎石用量估算：Q0.5=3.14×0.52×7.0 m×1.2=6.594 m3；粒径要求：粒径（20～150）mm碎石料；设备密实电流建议最小为90 A。

4.3 沉降观测

将地基土强度进行一定恢复后，用静力触探对桩间土进行测试，检测深度10 m，检测点随机均匀分布。根据检测结果，地基加固后粉质粘土层qc值有较大提高，说明挤密砂石桩对中密状砂质粉土有好的加固效果。施工过程中，通过砂石桩振动将土体挤密和排水固结，可降低粉砂土层的含水量，降低孔隙比、增大压缩模量，显著增大土体密实性，使得土体固结速度加快，可迅速排水固结，继而增强抗液化能力。

经过对处理后的地基进行沉降观测，竣工验收时的最大沉降量为37 mm，最小沉降量为25 mm，平均沉降量为31 mm。由此可知沉降量及沉降差均满足规范要求。

5 结 论

振冲法加固软体地基适用性广，尤其适用于组成性质不同的多层软弱地基。软土地基经振冲处理后可加快固结，减少沉降，提高强度指标、抗震性能。振冲法施工速度快，质量容易控制，是一种有效、简便、经济的地基加固方法。该水利工程通过振冲碎石桩加固后，碎石密实性和强度增大，排水垫层作用效果增强，桩间土通过振动碎石桩挤密后使得孔隙比减少和孔隙水被挤出，土粒结构从疏散渐渐密实，使得复合地基承载力达到要求，增强了抗震性能。

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