振冲法在水利水电工程中的应用

王晓鹏

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

0 前 言

振冲法于20世纪30年代始创于德国，1937年首次用于处理柏林某大楼砂基。中国在20世纪70年代中期引进，目前已广泛应用于水利水电、火力发电厂、公路、铁路及石油、化工等工业和民用建筑工程的地基处理。

水利水电系统是最早引进振冲技术的行业，早在1978年采用振冲法成功地处理了北京官厅水库主坝坝基的中细砂层，使该层砂土达到了9度地震烈度时防止液化的要求。1982年北京市向阳闸闸基处理是中国新建水利工程中最早应用振冲法。1985年在四川省铜街子水电站处理左岸副坝深槽地基，采用振冲法穿过8 m厚漂卵石夹砂层加密下卧粉细砂层是目前国内外采用振冲法贯穿最粗粒径的地层；1997年、2000年分别在三峡水利枢纽二期围堰水下抛填风化砂和黄壁庄水库副坝振冲法处理深度超过30 m，表明中国在采用国产电动型振冲器振冲技术及处理深度诸方面已达到国际先进水平。

振冲法处理技术在水利水电工程应用具有广阔的前景，可以处理土石堤坝及其松软地基、可以用于新建水利水电工程，也可用于已建病险堤坝加固，提高堤坝及构筑物的强度和抗滑、抗震稳定性。

1 振冲法的分类及其适用范围

振冲法可从不同角度进行分类。

1.1 按施工工艺分类

振冲法施工可分为湿法和干法2类。干法振冲在施工中不加水冲，常辅以压缩空气以利造孔和加密；湿法振冲在施工中辅以压力水冲，有利造孔和加密，还能对振冲器起到冷却作用，保证机具正常地运行。干法振冲不用水、不排出泥浆，成孔时将土挤入周围土体中进行加密，但要求振冲器具有冷却系统，目前中国的潜水电动机型振冲器不适合干法振冲。干法振冲适用的土类、制桩深度等均受限制，中国很少采用。本文内容均指湿法振冲或叫振动水冲法，简称振冲法。

1.2 按对地基土加密效果分类

振冲法施工则又可分为振冲置换和振冲加密2类。其中，当地基土经过振冲法处理后其强度没有得到明显的提高时，将部分的地基土置换出去，采用强度较高的碎(卵)石桩柱与周围土组成复合地基，从而提高地基强度的方法称为振冲置换方法；而当经过振冲法处理后地基土强度有明显提高时称为振冲加密。

由于振冲法加固地基采用的施工机具较为简单且操作方便，同时其加固质量容易得到控制，且加固时不需钢材水泥，仅用当地产的工程造价较低的碎(卵)石，因此具有明显的经济效益和社会效益。

振冲法几乎适用于各类土层，用以提高地基的强度和抗滑稳定性，减少沉降量。振冲法是加强砂土抗震和防止液化的有效处理措施。对于处理不排水抗剪强度小于20 kPa的淤泥、淤泥质土及该类土的人工填土地基时，应在施工前通过现场试验确定其适用性。对卵(碎)石土采用振冲法处理，要通过现场造孔试验，验证选定的振冲器造孔能否达到要求处理的深度。

2 振冲法施工工艺

采用振冲法施工通常情况下包括造孔、清孔、填料以及加密4道工序。

2.1 造 孔

造孔工艺是保证整个施工质量的首要环节，在施工过程中应符合以下要求：

(1) 将振冲器对准桩位，其对准偏差应不大于100 mm。施工过程中，先开启压力水泵，待振冲器末端的出水口开始喷水后，再开启振冲器，当其运行正常后进入造孔程序。

(2) 造孔时，振冲器应始终保持悬垂状态。由于橡胶减震器联结振冲器和导管，于是导管允许有稍微的偏斜，但偏斜角度不宜过大，以防止振冲器偏离贯入方向。

(3) 地基土质以及振冲器类型和水冲压力等影响造孔工艺的速度和能力。因此，在施工过程中，施工人员难以完全控制造孔的速度，而只能控制最大造孔速度，通常情况下，造孔施工的最大速度应控制在小于2 m/min。

(4) 压力水容易对松散粉细砂、粉土、粉煤灰、淤泥土等造成冲刷，因此该类土质下其造孔深度允许小于设计深度30 cm以上。为减轻压力水对设计孔深下土层的冲刷破坏，待倒入填料后，振冲器夹带石料再向下贯入至设计深度。

(5) 振冲器贯入速度和土质条件决定水冲压力的大小，当振冲器贯入速度慢或土质较为坚硬时，可加大水冲压力，反之则宜减少水冲压力。通常情况下，水冲压力位于0.3～0.8 MPa之间。在对松散的粉细砂、砂质粉土或粉煤灰地基实施造孔工艺时，其水量宜少，以防止随返水带出大量泥砂。

(6) 造孔时，如振冲器出现上下颠动或工作电流大于电机额定电流，经反复冲击后亦无法贯入时，应停止造孔，并及时调整施工参数。

2.2 清 孔

造孔时，如返出的泥浆较稠，或孔中有狭窄、缩孔地段，应采取清孔工艺。清孔时，可将振冲器提出孔口，或在狭窄、缩孔地段上下提拉振冲器实现扩孔，从而使孔口返出泥浆变稀，振冲孔顺直通畅有利于下一步进行填料。

2.3 填 料

在造孔或清孔结束后，可将填料倒入孔中，填料方式可采用强迫填料法、连续填料法或间断填料法3种方式。

(1) 强迫填料法。强迫填料法一般只适用于大功率振冲器施工，该方法是利用振冲器的自身重量和振动作用来实现填料的挟送，将位于孔上部的填料输送至孔下部需要填料的位置。该方法要求振冲器在填料满孔条件下向下贯入，所受贯入阻力较大。填料时，要求避免工作电流大于电机的额定电流，否则填料不能达到需要加密地段。

(2) 间断填料法。间接填料法一般适用于桩长小于6 m且孔壁稳定时。采用间接填料法进行填料时，应先将振冲器提出孔口，然后倒入一定数量的填料，通常填料高度为1.0 m左右，最后将振冲器贯入孔中，将填料振捣密实。由于在间断填料施工时，每次均将振冲器提拉出孔口，因此采用手推车进行填料比较适合该施工工艺。但同时由于填料过程中需每次提放振冲器，因此间接填料工艺所花费时间较多，施工效率较低，尤其对于孔的深度较深时，填料很难沉落到孔底。

(3) 连续填料法。当桩长较大时，通常采用连续填料方式。在采用连续填料进行制桩时，与间接填料方式不同，振冲器不提拉出孔口，并向孔内连续进行填料，填料自动沉落于孔底并被振捣密实，直至达到设计要求高程。连续填料施工工艺中，要求填料速度和数量能保证孔中不缺填料，这是由于当缺乏填料或填料不足时，振冲器在孔中振动和压力水冲刷将导致孔径不断扩大，从而难以实现加密成桩。由于连续填料对填料速度和数量要求严格，因此通常采用装载机作业。当采用30 kW振冲器进行施工时，也可采用手推车填料，但应组织足够多的车辆和人力以满足连续填料要求的填料速度和数量，保证孔中不缺填料。

2.4 加 密

加密是振冲法处理地基的关键环节，通常情况下分为填料加密和不填料加密。填料振冲加密是指将填入孔中的填料挤振密实，而后者则是完全利用地基土的自身振动密实。桩体加密控制标准一般可分以下3种：

(1) 填料量控制标准。填料量控制标准是指在桩体加密过程中采用每延米填入填料数量作为桩体加密控制标准，该标准通常适用于均匀土质场地。目前单纯采用该标准进行桩体加密控制的较少。当施工场地土质变化较大时，在采用相同填料量加密后，加密效果不理想，这是由于施工场地土质的不均匀引起土质强度不均匀，从而导致地基在沿垂直方向和水平方向都不能达到均匀，也正因为如此，目前桩体加密较少采用单纯填料量作为控制标准。

(2) 电流控制标准。电流控制标准是指在桩体加密过程中采用振冲器的电流达到设计确定值作为桩体加密控制标准。在桩体加密施工过程中，振冲器启动后，在贯入土层后受周围土体的剪切约束，为克服其阻力振冲器工作电流就会升高，即电机输出功率增大，从而保持自由振动状态。施工过程中，周围土体的约束力越大，振冲器的工作电流就会越大。设计确定的振冲器工作电流值实际上就是振冲器启动后在贯入土层前运行的电流，即空载电流，增加某一增量得到的电流值。当采用桩体加密过程中采用统一的加密电流值时，针对松软的地基土就需要加入较多的填料量，而针对坚硬的地基土时则需要填入的填料量较少，且地基处理后强度相对比较均匀。

(3) 加密电流、留振时间、加密段长度控制标准。目前此标准已广泛应用于振冲法施工过程中，这是由于桩体加密效果在与加密电流值大小有关的同时，也和达到该电流值维持时间的长短有关，因此采用这3种指标作为控制标准能有效保障桩体加密质量。留振时间是指施工中振冲器达到加密电流后的振动时间。

在采用加密电流、留振时间及加密段长度作为加密控制标准时，填料量指标仅作为参考标准。当加密施工中出现填料数量过少情况，特别是针对以置换性质为主的加固，应给予充分重视；当填料量与设计要求相差较大，应及时研究解决，可以通过设计变更加密技术参数，调整填料量以保证工程质量。

无论采用上述哪一种加密控制标准，桩体加密时均应从桩底标高开始，逐段向上进行，中间不得漏振。桩体加密段长度越小加密效果越好，而加密段越长加密效果越差。桩体加密过程中，加密水压宜控制在0.1～0.5 MPa。加密施工过程中，每加密1.0～2.0 m应记录电流、水压、时间及填料量等，且记录应及时、准确、字迹清晰，不得随意涂改。待加密结束后，应先停止振冲器运行，后停止水冲。

3 振冲法施工中常见问题及处理方法

(1) 桩位偏差控制。由于土质不均匀，周围土质强度有所差别，在造孔施工过程中，孔位极易向土质偏软的一侧偏移，此时应调整振冲器造孔位置，将振冲器向硬土一侧偏向，偏移量根据施工现场具体情况而定，也可在偏移一侧倒入适量填料进行纠正。如若由于振冲器垂直度差而导致的孔位偏移时，应及时调整振冲器的垂直度，特别要注意减震器部位的垂直度。在施工中由于从一侧填料挤压振冲器导致孔位偏移时，应改变填料方向，从孔的四周进行填料。当桩位偏差超过施工规范或设计要求时，应重新造孔，加密成桩。

(2) 孔口返水控制。当遇到强透水性砂层时，导致孔口返水少，这时应加大供水量。当孔内有堵塞部分从而导致孔口返水少时，应采取清孔措施，增加孔径，清除堵塞，以达到返水要求。

(3) 填料控制。当孔口比较窄小，孔中出现孔段堵塞，填料不畅时，应使用振冲器将孔口扩大，同时铲去孔口泥土。当填料过快、过多时，填料把振冲器导管卡住，填料下不去，这时应暂停填料，慢慢上下活动振冲器直至消除石料抱导管，填料顺畅。填料过程中，应注意装载机装料的多少及散落的数量，并核对施工场地的填料总量及填孔的填料总量。

(4) 串桩控制。当土质松软、桩距过小或成桩直径过大时，已经成桩的碎石进入附近施工的孔中，此时，在施工过程中应扩大桩距或将成桩直径缩小，重新加密被串桩，且加密深度应超过串桩的深度。当在原桩位振冲器不能贯入孔中实现重新加密时，可在旁边采取补桩措施，补桩长度应超过串桩深度。

4 振冲法施工质量检测与验收

振冲法处理工程属隐蔽工程，应严格按设计和规范规定的要求进行质量检测与验收。通常情况下质量检测验收内容主要包括2个方面:① 对桩长、桩数、桩位、桩径等数量尺寸上的检测；② 对桩体质量、桩间土加密效果、复合地基承载力及变形模量等方面的检测。检测点的布置应具有代表性，并应分布均匀。在建筑物重要部位、不同土质有代表性地区以及施工中出现异常的地段，应布置检测点。

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