论水工建筑物地基处理中的振冲加固技术

蔡少奇，高建文

（广东顺水工程建设监理有限公司，广东 佛山 528300）

1 振冲加固技术的作用机理与施工方法

1.1 加固作用机理与适用条件

振冲法加固地基机理主要通过以下两种方式实现：①应力集中效应：由于碎石桩的刚度和强度均远大于桩间土，当两者协调共同工作时，地震剪应力按刚度分配多集中于碎石桩上，桩间土的地震剪应力随之大为减小，也就减小了产生液化的超孔隙水压力。利用横向挤密作用，使地基土粒彼此靠紧，孔隙被填满和压紧，孔隙减少。桩体具有较高的承载力，以致桩和原土组成复合地基，达到加固的目的。②振冲机挤密作用：通过振冲器使得水平软土中孔隙水压能较快地消散，从而加快地基沉降固结速度，提高土的固结度，增大地基承载力和抗震性能加振作用。见图1。

图1 振冲加固技术施工原理

振冲加固法适用于处理砂土、粉土、素填土等各类地基，原则上只要小于0.005 mm 的粘粒含量不超过10%，土壤的挤密效果会显著提升。当粘性土壤粒的含量大于30%时，土壤粒多为砾石和粗砂，砂石之间的摩擦阻力会大幅上升，挤密效果反而会下降[1]。

当土壤挤密度在合理区间范围内，抵抗填料的阻力就会越小，打桩时所需的桩体半径就会越大，土与桩之间的结合力就越大，地基加固效果就会好。但是土壤挤密度过低就会引起桩体松动，土壤与桩体的结合就达不到平衡。此时地基加固效果就会欠佳，一般认为桩体的抗剪切力应不低于16 kPa，否则该地的土壤条件就不适用振冲加固法。

1.2 施工方法

施工方法对于施工质量起着至关重要的作用，为施工完成提供指导，下面着重论述振冲施工方法。施工现场图见图2。

图2 振冲加固施工现场图

振冲施工可按下列步骤进行：

①场地平整，布置振点。振冲施工前，工作人员需要测量出施工区域，并设置边线的外放范围，然后清除施工范围内的障碍物。对水工建筑物振冲施工范围里的场地进行碾压和平整直至场地平整度、场地压实度满足大型机械施工条件，同时注意施工场地的施工电源箱体、线路的合理规划，确保施工区域满足“三通一平”的标准[2]。

②各施工机具准备好，使振冲器对准孔位。振冲施工一般采用振动沉管桩机，桩机选型应符合工程相关标准。进场组装、调试完毕后，调准桩机各方向姿态，保证钻杆和桩位在同一竖直线上的偏差在10 mm 以内，钻孔垂直度误差在0.3%以内。

③振冲器沉入砂层，并开启水泵，控制好下沉速度。启动振冲器电机，使桩体缓慢下沉至预定位置，严格控制沉入的深度。桩体下降过程中，如果发生倾斜、异常振动等现象应立即停止沉底过程，待修正桩体姿态后继续进行。

④重复以上步骤直到孔内泥浆变稀。为了让填砂的紧密度达到要求，通常在填砂的同时向管内灌水。当桩管接近地面时停止灌水。

⑤关闭水泵及振冲器，记录填料量，并记录电流量。当桩管溢出后，末端宜采用人工法投砂灌水，用振捣棒振捣压实后即可关闭水泵和振冲器，准备下一根桩的施工。同时为保证施工的质量控制要求，要记录填料的细度模数、桩径、冲水量、振冲器的电流量等参数。

2 案例分析

2.1 工程概况

某抽水蓄能电站拦水坝软基振冲加固工程采用振冲碎石桩复合地基，进行地基加固处理。根据钻孔揭露，勘察场地勘探深度范围内地层主要为第四系松散沉积物，地层自上而下依次为：

①粉土（Q4al+pl）：高程359.93 m～365.57 m。

②饱和粉土（Q4al+pl）：层面高程365.34 m～370.02 m。

③细砂（Q4al+pl）：层面高程342.62 m～358.76 m。

④圆砾（Q4al+pl）：层面高程345.57 m～359.50 m。

⑤粉质粘土（Q4al+pl）：层面高程341.07 m～358.52 m。

例2 (2018年哈尔滨中考第20题)如图4，在平行四边形ABCD中，对角线AC、BD相交于点O，AB=OB，点E、点F分别是OA、OD的中点，连接EF，∠CEF=45°，EM⊥BC于点M，EM交BD于点则线段BC的长为________．

⑥细砂（Q4al+pl）：层面高程337.61 m～344.2 m。

⑦细砂（Q4al+pl）：层面高程345.64 m。

2.2 振冲加固复合地基设计计算

振冲加固复合地基设计计算在施工加固的过程当中起着相当重要的作用，只有当设计论证通过之后才能进行具体的施工。经过振冲挤密的砂层比原来的软土地基强度大，通过公式进行稳定性分析和复合地基承载力计算，成为设计计算最基本的支撑[3]。

（1）稳定分析计算：

复合地基稳定性分析中，常将滑动面假设为圆弧型，在圆弧滑动面形状的假设下，设总的剪切力为F，总剪切面积为S，则沿圆弧滑动面滑动破坏的安全系数Y：

（2）复合地基承载力计算：

式中：Fsp,k为复合地基的承载力标准值；Fp,k为振后桩间土承载力标准值；Fs,k为桩体承载力标准值；m 为桩土面积转换率；d 为桩身直径；de为正多边形等效影响，通常取1.04。

2.3 桩位布置

图3 桩位设置图

2.4 施工参数分析与质量控制

在振冲加固水工建筑物地基施工过程中，应对进场石料质量、桩位偏差、孔深偏差、密实电流、留振时间、水压、水量和填料量等进行严格控制，确保工程质量。

地基加固方案：施工区域约为42.0 m×34.0 m 的矩形，布桩形式为正方形，布桩方式为梅花形，桩径均为1.15 m，桩长11.0 m，桩间距约为1.65 m 和1.55 m。桩振冲碎石桩的填料量、密实电流及留振时间等参数见表1。

表1 振冲碎石桩控制参数表

通过对表1 中数据进行分析，可以推论出：

①随着留振时间的增长，桩体顶部相对较硬层和下部软弱层的平均锤击数趋于均匀，即随着留振时间的增长，桩体上下部分的密实度趋于均匀。

②提高加密电流，可以使桩顶部较硬层的动力触探锤击平均数降低，而使下部软弱层的动力触探锤击平均数增加，即通过增加加密电流能够使得桩体上下部分更加均匀，从而提高桩体的密实性。

③随着填料量的增加，桩体的动力击锤数是增加的，因为上部的相对较硬层的厚度在增加，而下部的软弱层在减小，整体上表现为随着填料量的增加桩体的密实度在增加[4-5]。

2.5 加固效果分析

某抽水蓄能电站拦水坝软基振冲加固工程的实施效果检测是采用静载荷试验，此试验通过实施振冲施工前后不同静载荷下的位移来检测该拦水坝地基的加固程度，静载荷分布为0 kPa～900 kPa，每次以100 kPa 递增。检验结果见表2、图4。

表2 振冲施工前后荷载试验记录表

图4 振冲施工前后荷载试验记录表

由表2 图和图4 可知：位移和静载荷承载力的大小基本呈线性变化，施工前当静载荷从400 kPa 增加到500 kPa 时，位移变化较大，说明此时是静载位移的一个突变点，继续增加静载荷又趋于稳定，施工后不再出现突变，这表明振冲加固后的桩体地基是安全可靠的。经过振冲加固施工后的软土地基的承载力较施工前有了明显提升，能够满足本工程设计承载力的需要[6]。

3 结语

振冲法操作方便，机组结构简单且不需要大型机械设备，工程造价相对较低被广泛应用于水工建筑物地基加固工程中。本文以某抽水蓄能电站拦水坝软基振冲加固工程为例，通过振冲法施工前后的承载力—位移关系说明了该方法的有效性。实践证明：振冲加固技术通过加固水工建筑物建设地址处松软地基形成复合地基，提高地基的承载力、强度和稳定性，满足坝基工程使用要求，具有良好的工程效果。