趙玉田

（上海交通建設總承包有限公司 中國 上海 201913）

1 無填料振沖加固機理

振沖法是利用振沖器的強烈振動和壓力水沖貫入到土層深度，使松砂地基加密，或在軟土層中填入碎石等無凝聚性粗顆粒，形成強度大于周圍土的樁柱并和原地基土組成復合地基，以提高地基整體強度的加固技術。目前振沖法加固砂土類地基主要有無填料加固和填料加固兩種方法。本文主要研究和總結無填料振沖法對于地基加固的適宜性和有關工藝參數(shù)。

砂類土振沖加密，簡單地說就是利用松砂在振動荷載作用下，顆粒重新排列，體積縮小，變成密砂的特性。

在動荷載作用下砂土抗剪強度為：

式中σ——砂土所受的正應力

Δμ——砂土所在位置的超靜空隙水壓力

φ——砂土的內(nèi)摩擦角

當振沖器在加固砂土時，Δμ不斷增長，使Δμ趨近σ，此時導致砂土抗剪強度為零。砂土結構遭到破壞，出現(xiàn)砂土液化現(xiàn)象。砂土液化以后，在上負荷重力和振動作用下，砂土顆粒又重新排列，使砂土空隙比減少，相對密度增加，承載力提高。

2 工程及地質(zhì)概況

2.1 項目工程概況

冀東油田人工島工程主要用于采油作業(yè)。陸域形成后，將進行樁機打樁及鉆機鉆井作業(yè)，最大干重荷載1540噸，井架高度45.2米，要求人工島地基具有較高的地基承載力和較小的工后沉降。由于吹填土顆粒較細，且系吹填成陸，砂體處于松散～稍密狀態(tài)，承載力低，結構比較松散，地基承載力不能滿足設計要求，在地震力作用下，吹填砂質(zhì)粉土極易發(fā)生地震液化并導致地表產(chǎn)生過大沉降及不均勻沉降，影響鉆機作業(yè)及后續(xù)結構安全和使用功能。因此必須對吹填砂層進行密實加固，提高密實度（達到中密），消除液化，提高承載力，減小工后沉降，滿足人工島陸域正常使用要求。

2.2 項目地質(zhì)概況

（1）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色～灰黑色，飽和～過飽和，流塑狀態(tài)，含水量較高，成分不均勻，含有機質(zhì)，有腥味，含有少量貝殼碎片，局部夾有粉砂、粉土薄層。

（2）粉土：灰～深灰色，飽和，中密狀態(tài)，含少量的貝殼碎片，其含量不均勻，局部夾粉砂。

（3）粘質(zhì)粉土：灰～深灰色，飽和，軟可塑狀態(tài)，分選較好，均勻，有時以粉土為主，無粘感，含少量貝殼碎片。

（4）粉砂：灰色～灰黑色，飽和，松散～稍密狀態(tài)，含少量貝殼碎片，含量不均勻，含少量粉土。

人工島吹填用砂為以上4種土的混合體，其中以粉砂為主。在吹填施工中對砂源質(zhì)量按設計要求進行了質(zhì)量抽檢，砂料粒徑≥0.05 mm 的顆粒含量≥50，粘粒 (d＜0.005mm)含量≤10；吹填中土質(zhì)均勻，未出現(xiàn)淤泥包。

2.3 地基處理要求

（1）抗地震液化要求：滿足抗震設防烈度7度（設計基本地震加速度值為0.18g）抗震設防要求。

（2）承載力及工后沉降要求：

1）地基承載力要求：地基承載力特征值fak≥150kPa。

2）工后沉降要求：工后沉降不大于20cm。

2.4 地基處理方案

適用振沖擠密法處理的土質(zhì)主要是松散砂性土，粒徑小于0.005mm的粘粒含量不超過10%，可得到顯著的擠密效果。但對于吹填砂混合軟粘土淤泥土夾層的地基，振沖密實效果將明顯降低。不適用于加固粘性土。 適用于深層地基加固，一般加固深度可達15～18m。地基承載力≥150kPa，消除地震液化，滿足使用要求。

根據(jù)本工程實際情況，采用無填料振沖方法對淺層地基及吹填砂層進行地基處理較為經(jīng)濟合理，振沖處理后，表層有約1～2m后的松散層，采用振動碾壓法進行壓實。

3 振沖設備及施工要點

3.1 振沖器型號選擇

選擇適合于粉細砂特性的振動力和振動頻率。一般來說，振動力越大，影響距離就越大。但過大的振動力，擴大的多半是流態(tài)區(qū)而不是擠密區(qū)。因此，根據(jù)吹填砂的動力特性，選擇合適的振沖器，一般采用ZCQ30、ZCQ45和ZCQ75型振沖器。

3.2 加固深度

海油陸采工藝通常來講，適用于淺海海灘，灘面標高在-5.0m以上，吹填砂土層厚度大約在8m～12m之間，比較松散，不能滿足地震荷載抗液化要求，地基處理須貫穿該層。天然地基在吹填期將會出現(xiàn)一定的沉降，固結度將有所提高，人工島天然地基表層處理深度視地質(zhì)情況而定。人工島深部土層參考《建筑場地抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）4.3.3條當du＞d0+db-2時可不考慮液化影響，du為上覆非液化土層厚度，d0液化土的特征深度，7度土質(zhì)為砂土時取7m，db基礎埋置深度，不超過2m時應采用2m，由此可見滿足規(guī)范要求，可不考慮其深部土層液化影響。

根據(jù)人工島經(jīng)驗，地基處理加固深度一般在10m～15m之間。

3.3 振沖方式和振沖點布置

針對粉細砂的工程特性，常用的方式為單機振沖、雙機共振和三機共振。研究結果表明，雖然雙機共振及三機共振區(qū)的振沖間距（2.5 m）較單機振沖區(qū)（2.0 m）大，但其加固效果明顯好于單振區(qū)的加固效果，其中三機共振區(qū)效果最佳。這說明振沖器和粉細砂層共振的形成有利于放大土層的振動響應，對提高粉細砂土的加固效果和擴大擠密區(qū)作用是顯著的?？紤]到施工的難易性，視施工班組的素質(zhì)，具體施工時在雙點共振和三點共振工藝中進行選取，不但可以有效提高加固效果，而且還可以有效提高施工效率，降低施工工期。

振沖點布置有兩種：正方形或矩形布置和等邊三角形布置（見下圖）。前者主要用于單獨基礎、條形基礎等小面積加固，后者主要用于大面積滿堂加固。

樁位布置

4 施工工藝及施工參數(shù)

4.1 施工準備

（1）施工現(xiàn)場要保證三通一平，即水通、電通、料通和場地平整。

水通：一方面要保證供應施工中所需的水量，另一方面也要把施工中產(chǎn)生的泥水開溝引走。壓力水由水泵送出通過膠管進入各個振沖器的水管。每個振沖器的管線上應設置一個閥門，以便按需要隨時調(diào)節(jié)水量。各施工車產(chǎn)生的泥水應通過明溝集中引入沉淀池。沉淀后的清水可以重復使用。

電通：施工中需要三相和單相兩種電流。施工時用三相電源，電壓為380±20V，電壓過低或過高都會影響施工或者損壞振沖器的潛水電機。如果要進行夜間施工，需在現(xiàn)場布置照明系統(tǒng)。

料通：對于無填料振沖，無需填料，所以沒有運料路線的要求。

場地平整：以保證施工機械正常行走為標準。

（2）施工前根據(jù)施工區(qū)域坐標及控制點，測放施工區(qū)具體位置。用木樁定出施工區(qū)域的每個角樁，并根據(jù)50m×50m（2500m2）劃分施工小區(qū)，并用10m×10m方格網(wǎng)測量施工小區(qū)的初始標高。

4.2 振沖法施工技術參數(shù)

（1）振沖設備采用

ZCQ-30振沖器和ZCQ-75振沖器

采用多點共振法。（圖1）

圖1 振沖施工設備、動力及儀表系統(tǒng)示意圖

（2）施工參數(shù)一覽表 （表1）

表1 地基處理參數(shù)一覽表（以1號人工島一般建筑物區(qū)為例）

4.3 振沖法工藝流程

（1）振沖法施工流程

（2）建立施工測量控制網(wǎng)，進行振沖前各小區(qū)的振前標高測量，將各施工小區(qū)劃分成10m×10m井字形布置測量點，計算出施工小區(qū)振前平均標高,振后以同樣方式進行復測，以取得振沖地基處理的沉降值。

4.4 振沖施工方法

（1）灌水：施工前2h～3h對將要施工的試驗小區(qū)進行灌水，使表層充分含水，以便改善上部砂土振沖效果。

（2）對準振沖孔位，誤差不超過半個振沖器直徑。

（3）振沖施工成樁：

①慢速振沖下沉至樁底，留振60s；

②慢速振沖上拔至孔口處，留振120s；

③慢速振沖下沉至樁底以上0.5m處，留振30s；

④慢速振沖上拔0.5 m，留振l0s；

⑤依次類推，每段上拔0.5m，每段留振l0s；

⑥直至孔口處，再留振60s；

⑦再次振沖下沉至樁底以上1.0m處，留振20s；

⑧慢速振沖上拔0.5m處，留振l0s；

⑨依次類推至孔口，每段上拔0.5m，每段留振10s；

⑩成樁結束，關閉水泵及振沖器，移至下一根樁。

（4）施工結束后，必須進行表層振動碾壓處理。 振動碾壓的激振力不小于270kN，穩(wěn)壓一遍，振動碾壓4遍。

圖2 振沖施工過程圖

4.5 振沖法施工機械配備

（1）測量儀器配置

表2

（2）振沖設備配備表

表3

施工中應嚴格控制質(zhì)量，不漏孔，不漏振，確保加固效果。必須強調(diào)指出，如在施工中發(fā)生底部漏振或電流未能達到控制值從而造成質(zhì)量事故，在施工后很難采取補救措施，這是因為上部砂層已經(jīng)振密，再用振沖補孔十分困難。

無填料振沖法現(xiàn)場施工

5 質(zhì)量控制

施工過程中質(zhì)量控制要素主要有：樁位偏差、施工深度、施工技術參數(shù)的控制。

5.1 樁位偏差控制

造孔過程中發(fā)生孔位偏移原因及糾正方法如下。

（1）由于土質(zhì)不均勻，造孔時易向土質(zhì)軟的一側偏移。糾正方法可使振沖器向硬土一側對樁位并開始造孔，偏移量多少在現(xiàn)場施工中確定；

（2）振沖器導管上端橫拉桿拉繩拉力方向或松緊程度不合適造成振沖器偏移。糾正方法調(diào)整拉繩方向和松緊度；

（3）當制樁結束發(fā)現(xiàn)樁位偏移超過規(guī)范或設計要求時，應找準樁位重新造孔至偏移處，加密成樁。

5.2 孔深控制

（1）在振沖器和導管安裝完后，應用鋼尺丈量并在振沖器和導管標出長度標記，一般0.5m為一段，使操作人員據(jù)此控制振沖器入土深度；

（2）應了解地面高程變化情況，依據(jù)地面高程確定應造孔的深度；

（3）施工中當?shù)孛娉霈F(xiàn)下沉或淤積抬高時，振沖器入土深度也要做相應的調(diào)整，以確保成樁長度。

5.3 施工技術參數(shù)控制

施工技術參數(shù)有加密電流、留振時間、加密段長、水壓。

施工技術參數(shù)控制時應注意下列事項：

（1）為保證加密電流和留振時間準確性，施工中應采用自動控制裝置。在振動條件下使用，設定的加密電流值，留振時間可能發(fā)生變化，應及時檢查；

（2）施工中應確保加密電流、留振時間和加密段長都已達到設計要求，否則不能結束一個段長的加密；

（3）應定期檢查電氣設備，不合格，老化，失靈的原器件應及時更換。

天氣也是影響施工的重要因素，振沖施工受自然條件影響較大，生活物資以及機械用油都需要海運。由于人工島屬于孤島，施工條件較差，所以島上應備有儲油罐和儲水罐，以備天氣惡劣時船舶無法出行，物資無法運到人工島，避免機械無油影響施工的情況發(fā)生。

6 檢測

6.1 檢測目的及標準

標準貫入檢測

（1）滿足抗震高防列度7度(0.185g)的要求；

（2）靜力觸探：砂土錐頭阻力不小于5MPa，粘性土錐頭阻力不小于1.2MPa；

（3）砂性土、粉性土標貫：0～4m不小于13擊，4～8m不小于16擊，8～10m不小于20擊；

（4）地基承載力特征值fak≥150kPa。

6.2 具體要求

（1）檢測在振沖施工結束后14天之后進行。

（2）對地基處理區(qū)域采用標準貫入法進行檢驗，檢驗密度軌道梁區(qū)域可取2000平方米一個測點，堆場區(qū)可取3000平方米一個點，具體可根據(jù)地基均勻程度適當調(diào)整，檢驗點應具有代表性，并選在振沖點圍成的區(qū)域形心處及振沖點的中心處。

（3）標準貫入實驗間距為1m。

（4）要消除處理深度范圍內(nèi)土層的液化問題，并對復合地基承載力進行估算。

7 結語

無填料振沖法具有工藝簡單、經(jīng)濟實用、效果顯著等優(yōu)點，結合在人工島的地基處理工程實踐，表明無填料振沖法加固飽和吹填粉細砂地基效果良好，為類似地基處理提供了很好的參考依據(jù)。

［1］軟土地基處理技術.中國交通建設繼續(xù)教育系列教材.

［2］陳希哲.土力學地基基礎.清華大學出版社.