胡豐，簡政，郎旭海，張媛

（1.西北電力設計院，陜西 西安 710075；2.西安理工大學，陜西 西安 710048）

振沖法（Vibroflotation）是利用振動和水沖相結(jié)合、加固土體的一種方法，它以壓力水的水沖作用和振沖器對土體的震動作用成孔，再將石塊、砂礫等散粒材料擠壓入孔中，形成大直徑的密實樁體，樁體與原地基土體一起構(gòu)成復合地基。最早于1937年，德國凱勒公司制造出具有現(xiàn)代振沖器形式的錐形振沖器，用來處理一幢建筑物的松砂地基，并取得了顯著的加固效果，從而得到大力推廣。我國應用振沖法地基處理始于1977年，因其處理效果較好，施工簡便，工期短，造價低，在工業(yè)民用建筑和水利、交通工程中得到迅速推廣。

青藏±400 kV格爾木換流站站址位于青海省格爾木市中心以東約24 km的戈壁灘上，站址區(qū)內(nèi)及其附近分布有厚度不等的風積砂，局部為沙丘，地基土層基本為粉細砂，且厚度較大。本文就青藏±400 kV格爾木換流站工程采用振沖碎石樁進行復合地基加固處理站內(nèi)粉細砂土層的實例，介紹了其地基處理方案確定過程、振沖碎石樁地基處理設計中各項設計參數(shù)的確定原則，并結(jié)合規(guī)范，對振沖碎石樁復合地基承載力的計算方法進行了分析和探討。同時，對樁基的檢測數(shù)據(jù)進行整理和圖表分析，從而對振沖碎石樁的處理效果進行分析、評價和研究。

1 工程及地質(zhì)概況

青藏±400 kV格爾木換流站是連接青海和西藏“電力天路”的樞紐工程，建設意義重大。站址的宏觀地貌單元為沖洪積平緩傾斜平原，現(xiàn)為戈壁灘，無植被。站址區(qū)所揭露的地層為第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積相的粉砂，局部夾角礫、礫砂、粗砂透鏡體。根據(jù)地質(zhì)成因、物理力學性質(zhì)及密實度，共分為2個大層。各層巖土的巖性特征描述如下。

①粉細砂（Q4al+pl）。褐黃色，稍濕，稍密，混少量礫石。礦物成分主要為石英、長石、云母及一些暗色礦物。該層厚6～10 m。承載力特征值fak=100 kPa。

①-1角礫（Q4al+pl）。雜色，稍濕，中密。母巖成分主要為花崗巖及一些深色變質(zhì)巖等，該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.5～2.0 m不等。承載力特征值fak=250 kPa。

①-2礫砂（Q4al+pl）。雜色，稍濕，稍密—中密。成分主要為花崗巖及一些深色變質(zhì)巖碎屑。該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.3～0.5 m不等。承載力特征值fak=200 kPa。

①-3粗砂（Q4al+pl）。雜色，稍濕，稍密—中密。母巖成分主要成分為長石、石英、變質(zhì)巖碎屑等。該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.3～1.0 m不等。承載力特征值fak=200 kPa。

②粉細砂（Q3al+pl）。褐黃色，稍濕，中密，混少量礫石。承載力特征值fak=180 kPa。

②-1角礫（Q3al+pl）。雜色，稍濕，密實。含礫石，母巖成分主要為花崗巖及一些深色變質(zhì)巖等。該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.5～1.5 m不等。承載力特征值fak=250 kPa。

②-2礫砂（Q3al+pl）。雜色，稍濕，中密。母巖成分主要為花崗巖及一些深色變質(zhì)巖碎屑。該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.5～1.5 m不等。承載力特征值fak=200 kPa。

②-3粗砂（Q3al+pl）。雜色，稍濕，中密。母巖成分主要成分為長石、石英、變質(zhì)巖碎屑等。該層成層不穩(wěn)定，分布深度無規(guī)律，厚度0.5～1.0 m不等。承載力特征值fak=220 kPa。

2 地基處理設計方案選擇

針對本工程地質(zhì)特點，地基土基本為粉細砂，厚度較大，對站區(qū)內(nèi)地基土進行的室內(nèi)溶陷試驗，顯示有一定的溶陷性。因此，從提高地基土承載力、降低變形和防止鹽害（主要是溶陷性）的角度，需要對站內(nèi)建構(gòu)筑物進行地基處理，以滿足站內(nèi)建構(gòu)筑物的地基要求。

2.1 本工程地基處理的難點

針對青藏±400 kV格爾木換流站工程的具體特點，地基處理的難點主要有：

1）本工程的施工工期非常緊張，地基處理于2010年8月大面積開工，而格爾木地區(qū)屬于高海拔、高寒地區(qū)，進入11月天氣將極為寒冷，對現(xiàn)場施工將造成極大不便，因此，對地基處理的施工速度要求極高，需要選用施工簡便、快捷的地基處理方案。

2）站址區(qū)地基土土質(zhì)較為特殊，基本為粉細砂，厚度較大，土質(zhì)含水量小，在施工機具、施工過程中造成砂土擾動，將破壞砂土天然結(jié)構(gòu)，降低砂土強度，增加變形，原本稍密的粉細砂變得松散，甚至產(chǎn)生不良巖土問題。因此，地基處理方案的選擇必須考慮這一特殊情況。

3）站址區(qū)地基土中有①-1角礫（Q4al+pl）、①-2礫砂（Q4al+pl）、①-3粗砂（Q4al+pl）3個亞層，最大厚度達到3 m左右，如采用長螺旋鉆鉆孔、管內(nèi)泵壓成樁等工藝，造孔成樁時，難以穿透3個亞層，使樁基施工受到極大影響，影響工期。

2.2 設計方案選擇

換流站建（構(gòu)）筑物地基處理方案合理與否，不僅直接影響到換流站土建投資水平的高低，同時，地基處理方案的好壞也將影響換流站的安全運行和建設周期。因此選擇適合本工程具體工程地質(zhì)條件、經(jīng)濟合理的地基處理方案，對工程的設計來說是一項十分重要的工作。由于站內(nèi)地基土層中含有①-1角礫（Q4al+pl）、①-2礫砂（Q4al+pl）、①-3粗砂（Q4al+pl）3個亞層，分布不均勻，埋深淺，且厚度大，采用正常的樁基處理方案，難以造孔成樁，因此，對于站內(nèi)重要的建（構(gòu)）筑物，如閥廳、控制樓、戶內(nèi)直流場、檢修備品庫、綜合辦公樓、直流場構(gòu)架等，考慮其上部結(jié)構(gòu)型式及受力特點、重要性以及對基礎沉降的敏感程度等因素，采用振沖碎石樁復合地基處理方案。

振沖法適用于砂土、粉土、粉質(zhì)粘土、素填土和雜填土等地基，是以起重機吊起振沖器，啟動電機后帶動偏心快，使振沖器產(chǎn)生高頻振動，在邊振邊沖的聯(lián)合作用下，將振沖器沉到土中預定深度，經(jīng)過清孔后，從地面向孔內(nèi)逐段填入碎石，每段填料均在振動影響下被振密擠實，達到要求的密實度后，提升振沖器，開始下一段填料，如此重復填料和振密，直到設計樁頂標高，從而在地基中形成一個大直徑的密實樁體。此法對砂類土效果最好。其對不同性質(zhì)的土層分別具有置換、擠密和振動密實等作用。對黏性土主要起到置換作用，對中細砂和粉土除置換作用外還有振實擠密作用。在以上各類土中施工都要在振沖孔內(nèi)加填碎石（或卵石、礫石、粗砂等其他無腐蝕性的硬質(zhì)材料）回填料，制成密實的振沖樁，而樁間土則受到不同程度的擠密和振密。樁和樁間土構(gòu)成復合地基，使地基承載力提高，變形減少。

3 振沖碎石樁設計與計算

3.1 設計參數(shù)的確定

針對本工程，采用振沖碎石樁復合地基處理，需要處理的是①粉細砂土層，主要是從擠密的角度出發(fā)，考慮地基加固中的設計問題，首先根據(jù)工程對地基加固的要求（如提高地基承載力，減少地基變形等要求），確定碎石樁加固后要求達到的密實度和孔隙比，從而考慮樁位布置形式和樁徑大小，再計算樁間距和樁長。

1）加固范圍。加固范圍應根據(jù)建筑物的重要性和場地工程地質(zhì)條件確定，通常應大于基底面積。對一般地基，在基礎外緣宜擴大1～2排樁；當為消除地基土液化時，宜在基礎外緣擴大2～4排樁。

2）樁位布置。對大面積滿堂處理，樁位宜采用等邊三角形布置；對獨立或條形基礎，宜用正方形、矩形或梅花形布置。

3）樁徑。振沖碎石樁的樁徑可根據(jù)工程要求、地基土質(zhì)情況和成樁設備等因素確定。采用ZCQ-30型振沖器成樁時，樁徑一般為0.8～1.0 m，采用ZCQ-75型振沖器成樁時，樁徑一般為0.9～1.5 m，對飽和粘性土地基宜選用較大的直徑。

4）樁間距確定。樁間距應根據(jù)上部結(jié)構(gòu)荷載大小和地基土層地質(zhì)情況，并結(jié)合所采用的振沖器功率大小綜合考慮，荷載大或?qū)︷ば酝烈瞬捎幂^小的樁距，荷載小或?qū)ι巴翍捎幂^大的樁距。

當為砂土時，振沖密實樁的樁間距可按規(guī)范[1]給定的計算公式確定，該公式根據(jù)振動密實后要求達到的孔隙比估算其間距：

其中，s為樁間距，m；η為形狀系數(shù)，根據(jù)樁位布置形式，按有效影響圓面積經(jīng)計算得出，三角形布樁時為0.952，正方形布樁時為0.886，梅花形布樁為1.254；Ψ為考慮局部顆粒沖失影響的經(jīng)驗系數(shù)，粗砂為1.00，中砂為0.90，細砂為0.80，粉砂為0.70；d為樁徑，m；e0為砂土的天然孔隙比；e1為地基處理后要達到的孔隙比；emax為天然砂土的最大孔隙比；emin為天然砂土的最小孔隙比；Dr為地基處理后要達到的相對密度，可取0.70~0.80。

振沖置換樁的樁間距目前尚無計算公式，可按經(jīng)驗值進行設計。采用ZCQ-30型振沖器成樁時，樁間距一般為1.3～2.0 m；采用ZCQ-55型振沖器成樁時，樁間距一般為1.4～2.5 m；采用ZCQ-75型振沖器成樁時，樁間距一般為1.6～3.0 m，并通過試樁最終確定。

5）樁長的確定。振沖碎石樁的樁長一般按下列原則進行確定。

①在黏性土地基中，應按建（構(gòu)）筑物的允許沉降量及地基下臥層承載力驗算結(jié)果確定。

②如相對硬層埋深不大，則樁體可貫穿整個軟弱土層，直達相對硬層，此時樁體在荷載作用下主要起應力集中的作用，從而使軟弱土負擔的壓力相應減少，與原天然地基相比，復合地基的承載力有所提高，而壓縮性也有所減少。

③當相對硬層的埋藏深度較大時，對按變形控制的工程，加固深度應滿足碎石樁復合地基加固后變形值不超過建筑物的地基變形允許值，并滿足軟弱下臥層承載力的的要求。

④對按穩(wěn)定性控制的工程，樁體深度應不小于最危險滑動面的深度。

⑤在可液化地基中，樁長應按處理液化層厚度確定，滿足抗液化要求。

⑥另外，試驗表明，樁體在受荷過程中，在樁頂4倍樁徑范圍內(nèi)將發(fā)生側(cè)向膨脹，因此設計深度應大于受荷深度，樁長不宜小于4 m。

初步設計時，采用ZCQ-30型振沖器，根據(jù)上部建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)荷載大小、地基土層地質(zhì)情況，樁位采用等邊三角形布置，樁徑0.8 m，樁間距1.8 m，樁長以伸入相對硬層（②層粉細砂）1 m來控制，則樁體可貫穿整個①層粉細砂，樁長約為5~12 m。

3.2 復合地基承載力計算方法分析

對于均質(zhì)地基和樁基礎的承載力和變形計算，理論研究較多，但對復合地基承載力和變形計算理論及復合地基設計理論的研究，目前還較少。由于復合地基的種類多，性質(zhì)各異，加大了研究的難度。因而，在加強工程實踐的同時，需分析實測資料，從而更好地推動復合地基理論研究系統(tǒng)的發(fā)展，進而提高復合地基的應用和普及。本文對振沖碎石樁復合地基承載力進行分析，得到一些有益的結(jié)論，供設計和工程實踐參考。

振沖碎石樁復合地基承載力計算方法通常有2種思路：一種是先分別確定樁體的承載力和樁間土的承載力值，再根據(jù)一定的原則疊加這兩部分承載力得到復合地基的承載力值；另一種是把樁體和樁間土組成的復合土體作為整體考慮，確定復合地基的容許承載力，主要是通過復合地基滑弧穩(wěn)定分析法確定復合地基承載力值。目前國內(nèi)常用的計算方法，如規(guī)范[1-2]給出振沖樁的復合地基承載力計算公式均采用前一種思路，即面積比法、應力比法。

1）面積比法。計算公式為

式中，fspk為振沖碎石樁復合地基承載力特征值，kPa；fpk為樁體承載力特征值，kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa；m為樁土面積置換率；d為樁徑，m；de為單樁等效影響圓的直徑，m。

此計算方法的重點在于確定樁土面積置換率，即公式中m值，通過計算確定的m值，將單樁載荷試驗確定的fpk值與fsk值進行疊加。計算所得的復合地基承載力特征值與實際檢測值較為接近，在工程中應用較多。

2）應力比法。計算公式為

式中，n為樁土應力比；Sv為樁間土的十字板抗剪強度，也可用處理前地基土的十字板抗剪強度代替；其他參數(shù)意義同面積比公式。

應力比法的關(guān)鍵在于確定復合地基在荷載作用下樁土應力比n值，在無實測資料時，可憑經(jīng)驗數(shù)值確定，一般取2~4，天然地基承載力低時，取大值，反之則取小值。

由后一種思路得到的計算方法稱為穩(wěn)定分析法，采用圓弧分析法進行計算，分為加固區(qū)和未加固區(qū)。強度分區(qū)計算，采用不同的強度指標，通過一系列參數(shù)進行計算。

此外，還有郭蔚東、錢鴻縉根據(jù)鼓脹破壞模式，運用塑性能量法，提出計算復合地基承載力的計算方法，以及程家慶提出的復合地基接觸應力的近似計算公式。

以上幾種計算方法除面積比法、應力比法在工程計算中應用較多外，其余的計算方法多用于復合地基的理論計算與研究，在工程設計中的實際運用較少。因此，規(guī)范[1-2]中也僅羅列此2種方法，通過確定樁體承載力和樁間土承載力，可計算出復合地基承載力特征值。在無現(xiàn)場實測資料，進行初步設計時，可通過應力比法大致計算出復合地基承載力特征值，供設計計算時參考。

4 試樁及效果檢測

工程試樁時，一組試樁共25根，樁位采用等邊三角形布置，樁徑0.8 m，樁間距1.8 m，樁長6 m。樁位布置及檢測試驗位置圖見圖1。

圖1 試驗樁樁位布置及檢測試驗位置圖Fig.1 Test pile layout and testing location diagram

4.1 樁間土標準貫入試驗

為取得振沖碎石樁施工前后地基土的強度變化情況，在載荷試驗完成后進行了3點標準貫入試驗，試驗點均選在正三角形布樁的形心處。1～3 m平均擊數(shù)11.8擊，稍密，3～7 m擊數(shù)22.7擊，中密。將各試驗區(qū)打樁后的標貫擊數(shù)同試區(qū)附近的施工圖階段鉆孔標貫擊數(shù)比較，顯示標貫擊數(shù)稍有提高，但幅度不大。

4.2 樁身動力觸探試驗

樁身重型動力觸探共3點，采用連續(xù)貫入方式進行，至深度4.0 m左右貫入，阻力過大，出現(xiàn)反彈，測試深度4.0 m左右。測試數(shù)據(jù)顯示，深度變化較明顯，深度0.0～1.4 m以上平均擊數(shù)小于20擊，為10～20擊，中密；1.4～4.0 m平均擊數(shù)大于20擊，為20～39擊，密實。總體來看，樁身振密效果較好。

4.3 剖樁試驗

剖樁2個，剖樁較困難，受施工條件、安全等因素的影響，剖樁深度2.0～3.0 m，從所剖樁體來看，樁徑變化不大，局部有縮、擴徑現(xiàn)象，樁體碎石含泥土量小于規(guī)范要求，密實程度為中密—密實。

4.4 靜載荷試驗

本工程靜載荷試驗采用JCQ503D型靜力載荷測試儀，鋼結(jié)構(gòu)承臺，堆載提供反力，位移傳感器通過測試儀自動記錄沉降量。試驗采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002進行荷載加壓。共進行單樁靜載荷試驗3點，樁間土靜載荷試驗3點，復合地基靜載荷試驗3組。

復合地基檢測采用方形承壓板（2.8 m2），單樁與樁間土的地基檢測所用承壓板的形狀均為圓形（分別為0.50 m2、0.25 m2）。第一組、第二組加荷等級采用十級加壓，第三組采用八級加壓法。各點承載力特征值的確定因均無明顯的比例界限，故基本上都按相對變形確定，復合地基、單樁及樁間土取s/d=0.01所對應的壓力。

1）單樁及樁間土靜載荷試驗。單樁靜載荷試驗最大加載量500 kPa，最大沉降量分別為1.97 mm、2.42 mm、4.01 mm。其P-S曲線圖見圖2。

樁間土靜載荷試驗最大加載量500 kPa，最大沉降量分別為5.09 mm、5.47 mm、6.8 mm。其P-S曲線圖見圖3。

圖2 單樁靜載荷試驗P-S曲線圖Fig.2 P-S curve diagram of static load test for single pile

圖3 樁間土靜載荷試驗P-S曲線圖Fig.3 P-S curve diagram of static load test for soil between piles

2）復合地基靜載荷試驗。復合地基靜載荷試驗結(jié)果顯示，最大加載量500 kPa，最大沉降量分別為14.74 mm、19.74 mm、15.02 mm。復合地基承載力標準值大于250 MPa，地基沉降量小，滿足設計要求。其P-S曲線圖見圖4。

圖4 復合地基靜載荷試驗P-S曲線圖Fig.4 P-S curve diagram of static load test for composite foundation

4.5 施工參數(shù)的確定

通過試樁，確定的樁基施工參數(shù)一般值為：造孔水壓8 MPa，成樁加密水壓4 MPa；造孔電流45 A，成樁振密電流60 A；單樁造孔耗時平均約40 min，單樁成樁耗時平均約25 min；成樁時每次填料量約0.7 m3。

試驗樁施工時，造孔和成樁電流隨孔深度變化不大，在水壓、電流和每次填料約0.7 m3的情況下，單樁耗時接近，說明地基土層較均勻，在豎向及水平方向變化較小。

5 結(jié)論

振沖碎石樁是一種處理粉細砂土地基的有效方法，其工程造價低，施工工期短，優(yōu)越性主要如下。

1）針對青藏±400 kV格爾木換流站工程，采用振沖碎石樁加固地基處理后，從試驗樁檢測結(jié)果來看，復合地基承載力提高2.5~3.0倍，變形模量提高2~4倍。單樁、樁間土、復合地基承載力特征值均大于或等于250 kPa，能夠滿足換流站主要建構(gòu)筑物的承載力設計要求。

2）從靜載荷試驗P-S曲線圖看，當P=250 kPa時，單樁的沉降量最小，但樁間土的沉降量明顯比復合地基小很多，產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因主要是壓板的尺寸效應和樁間土周圍樁的保護作用。本次試驗樁樁間距僅為1.8 m，樁徑0.8 m，樁間土面積較小，進行樁間土地基承載力試驗時，承壓板只能采用直徑約0.6 m的圓形鋼板，承壓板尺寸較小：這反映了當加載在地基土上的壓強相同時，上部荷載越大，即承壓板的面積越大，沉降量越大的特點，也證明了承壓板的面積越小其影響深度越小的特點。經(jīng)過估算，樁間土靜載荷試驗中承壓板下的影響深度約為1.5 m，在此影響深度內(nèi)，試驗樁區(qū)域基本為①-1角礫層或①-2礫砂層，說明該土層經(jīng)振沖擠密后，承載力變得更高，同時，樁間土周圍的3根碎石樁也起到了限制樁間土側(cè)向變形的作用，也提高了樁間土的地基承載力。但此試驗結(jié)果僅反映樁間表層硬土層的承載能力，并不能反映影響深度下土層的地基承載力，故結(jié)果偏高。

3）振沖碎石樁復合地基在豎向荷載作用下，是通過側(cè)向膨脹變形來實現(xiàn)樁與土豎向變形的協(xié)調(diào)一致，樁土之間的側(cè)向變形也是協(xié)調(diào)相容和連續(xù)的。振動力直接作用在地基深層部位，對土層施加的振動側(cè)向擠壓力大，因而使粉細砂土層密實的效果與其他地基處理方法相比為最好。

4）對不均勻的天然地基土，在平面和深度范圍內(nèi)，由于地基的振密程度可隨各土層軟硬程度的不同而分別采取不同的填料量進行調(diào)整，因而造孔和成樁的振密電流隨孔深的變化基本相同，使加固后成為較為均勻的地基，從而提高地基承載力，減少地基沉降變形，增加穩(wěn)定性，滿足工程建設的要求。

5）振沖碎石樁樁體材料不需鋼材和水泥，可因地制宜、就近取材，采用碎石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂和中砂等當?shù)赜操|(zhì)材料，因而能大幅節(jié)約投資。

6）振沖碎石樁施工機具簡單，操作方便，施工速度相對其他樁型大幅提高，對于保障并加快工程建設進度具有明顯優(yōu)勢，可以滿足青藏±400 kV格爾木換流站工程對于建設工期的特殊要求，加固質(zhì)量也容易控制。

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