孔口填料干法振沖碎石樁在地基處理中的應用

臧成新，張廣彪，張曉紅

（1.中電建振沖建設工程股份有限公司，北京 100102；2.北京振沖工程機械有限公司，北京 101118）

引言

振沖法是一種地基處理的方法，其是利用一個產生水平振動的管狀設備（振沖器）結合高壓水或高壓空氣的共同作用，使松散地基土層振擠密實；或在地基土層中形成碎石樁，碎石樁和周圍地基土形成復合地基的地基處理方法。

振沖法廣泛應用于水利水電、火力發電、港口碼頭、石油化工、交通及民建等諸多領域[1]，振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質黏土、素填土和雜填土等地基，以及用于處理可液化地基[2]。

振動水沖法碎石樁在松軟地基中施工由于水沖置換作用，產生較大孔徑，成樁直徑往往過大，同時施工過程中會產生大量泥漿，并且泥漿的處理難度較大、費用較高[3-4]，隨著工程建設環保要求日益嚴格，傳統振沖碎石樁的應用有時受到限制，亦有人對振沖法的干法施工進行研究，郭雙田等介紹了采用液壓振沖器進行干法振沖碎石樁施工的應用情況[5]；張廣彪等介紹了采用底部出料技術進行干法振沖碎石樁施工的應用情況[6]。但傳統的孔口填料干法振沖施工的應用還較少，本文依托具體工程實例介紹孔口填料干法振沖碎石樁的應用情況，為后續類似項目的實施提供參考。

1 工程概況

某海工塢鋼結構倉庫及裝焊平臺地基處理項目，擬建場地臨近長江，場地淺部沖填土較厚，根據巖土工程勘察報告淺層各土層參數，第一層沖填土層以砂土、粉質粘土為主，夾淤泥質粉質粘土和少量砂土，松散不均勻，力學強度差，厚度較厚，天然地基不可直接利用，需進行地基處理。

處理后復合地基承載力特征值要求為倉庫基礎區域110 kPa，非基礎區域70 kPa。

2 工程地質條件

勘察揭示，場地表層1 為沖填土，其余土層為第四紀全新世（Q4）沉積土。根據巖土層沉積年代、成因類型、巖土的工程特性和狀態進行分層，勘察深度內的巖土層可分為7 層。主要地層物理力學性質指標見表1。

表1 主要地層物理力學性質指標

勘探深度25.0 m 范圍內主要含水層有：

上部2～7 層土中地下水，屬孔隙潛水，并隨大氣降水、河水水位及季節有升降變化，年變化幅度在1.0 m 左右，勘察期間，測得場地孔隙潛水穩定水位埋深為2.0 m 左右，施工期，地下水水位在施工面以下1 m 左右。

3 地基處理方案比選

松軟地基加固處理，合理選擇處理方案是滿足設計要求和降低工程造價的重要途徑之一。本場地對地基承載力要求不高，對于松軟的沖填土地基處理，一般可采用的地基處理方法有換填墊層法、強夯法、振沖法等，對以上地基處理方法進行對比，比選結果見表2。

表2 地基處理方案比選

通過表2 分析，換填墊層法換填厚度大，需要降水，造價高；因周邊存在吊車道樁基和已完成的管溝，且地下水位埋藏淺，不宜采用重夯處理；經過綜合比選，設計選用振沖碎石樁法，設計碎石樁樁徑800 mm，振沖樁身進入下部2 層穩定中密砂質粉土層不小于0.5 m 且1.5 m 范圍內無軟弱下層，樁長5～6 m。

水沖法振沖碎石樁施工因水沖置換作用，往往成樁直徑過大，為了控制樁徑、節約石料，同時增加地基處理效果，不至于將大量細顆粒隨泥漿返出孔口；另外，為了減少水沖法振沖碎石樁施工產生的大量泥漿，本工程通過改進振沖設備、優化施工工藝等措施實現孔口填料振沖碎石樁干法施工。

4 振沖設備改進

傳統孔口填料振沖碎石樁施工時振沖器高壓水從潛水電機頂部進入，通過內置水道從振沖器端部水嘴噴出，輔助造孔及填料制樁的同時，起到潛水電機及振沖器內部結構降溫作用。

通過對振沖器進行改進實現循環水冷卻，進而達到避免設備過熱、保護設備的目的。設備原冷卻方式及改進后冷卻方式示意圖見圖1。

圖1 振沖設備改進示意圖

原水沖法振沖碎石樁設備施工時，電機使用溫度約70 °。改進后的干法振沖碎石樁設備，使用水箱及循環水泵進行循環水冷卻，潛水電機在使用過程中溫度約80 °，使用溫度與原水沖法振沖碎石樁設備相比略有提高，對設備使用影響不大，具有大幅減少施工用水量、不產生大量泥漿、不會產生環境污染等優勢（見圖2）。

圖2 干法振沖與水沖法振沖施工現場圖

5 振沖碎石樁設計及施工參數

1）樁長：5～6 m；樁間距：2.5 m；樁徑：800 mm；單樁填料量：2.5～3.0 m3；布樁形式：正三角形；設備型號：電動振沖器130 kW、循環水冷卻供水泵7.5 kW、冷卻水箱3 m3；造孔電流：70～150 A；加密電流：100 A；加密段長度：0.3～0.5 m；留振時間：4 s。

2）樁體材料：質地堅硬、級配良好的碎石，粒徑20～40 mm。

3）施工效率：造孔時間3～4 min；填料加密時間5～6 min；成樁時間9～10 min。

6 干法振沖碎石樁施工工藝及技術要求

干法振沖施工工藝如下：

1）清理平整場地，布置樁位；2）施工機具就位，使振沖器對準樁位；3）開啟振沖器、循環水冷卻泵，待振沖器運轉正常后，使振沖器徐徐沉入土中，直至設計處理深度；4）將振沖器提出孔口；5）向孔內倒入0.3～0.5 m3石料，下沉振沖器進行振密，達到規定的加密電流值，若達不到規定值，應將振沖器提出孔口繼續填料振密；6）將振沖器提出孔口，繼續制作上部樁段，每次加密段長度為0.3～0.5 m；7）重復步驟4），5），6），自下而上制樁，至設計要求標高；8）關閉振沖器。

7 孔口填料干法振沖與水沖法振沖對比分析

1）加固效果方面

水沖法振沖對土體主要是置換作用，通過水將樁孔的土變成泥漿排出，屬于“排土樁”，其對松軟的樁周黏性土幾乎沒有擠密作用，而干法振沖成孔及振密成樁過程均不需要水，主要靠水平振動力將土壤顆粒擠向周圍土體形成樁孔，從而使樁間土密度增大、承載力提高。

2）施工工藝方面

干法孔口填料振沖碎石樁施工工藝與水沖法振沖碎石樁施工工藝基本相同，均分為造孔、填料、振密成樁等過程，區別在于后者造孔和振密過程均需要大量用水，在軟粘土地基中施工，針對孔內泥漿較稠情況，有時還需增加清孔過程。干法振沖不需要水，施工較為方便，無泥漿污染問題。此外，填料方式亦不同，傳統振沖碎石樁施工填料方式可采用強迫填料法、連續填料法、間斷填料法中的一種或多種[7]，而干法孔口填料振沖碎石樁的填料方式多為間斷填料方式，即每次填料均需將振沖器提離孔口。

3）施工質量控制方面

水沖法振沖施工質量控制指標主要有造孔水壓、加密水壓、加密電流、留振時間、加密段長度等，而干法振沖施工質量控制主要為加密電流、填料量、振密段長度等，為了提高成樁均勻性及控制制樁時間，干法振沖施工填料宜采用單次少填，多次填料方式，每次填料控制在0.5 m3以下。

4）其他方面

干法振沖較水沖法振沖配套設備方面減少了排污泵、排污管線等，進而減少了施工人員的配置，單臺套干法振沖施工機組較水沖法減少1～2 人。

干法振沖單樁石料用量較水沖法減少20 %左右，主要因為施工工藝不同，干法振沖將土顆粒擠入周圍土體，使樁周土承載力增大，達到設計要求密實電流所需填入的石料相對減少。

8 效果檢測

按照設計要求，干法振沖碎石樁施工結束后對倉庫基礎區域復合地基進行靜載荷試驗，共進行3根單樁復合地基靜載荷試驗，試驗數據見表3。

表3 單樁復合地基載荷試驗數據

按建筑地基處理技術規范[8]對試驗數據進行分析，單樁復合地基承載力統計見表4。

表4 單樁復合地基承載力統計表

本工程單樁復合地基承載力特征值 110 kPa，滿足設計要求。

9 結語

1）工程結合設計要求及地質條件，采用經改進后的130 kW 大功率振沖器干法施工，既避免了將大量土壤細顆粒置換出孔口，增加土層密實效果，又達到了無泥漿污染、環保施工要求，在松軟沖填土中造成了具較高密實度的碎石樁，并對樁間土起到了擠密作用，形成了復合地基。經檢測，加固后的復合地基承載力完全滿足要求。

2）在施工配套設備及施工人員配置數量方面、原材料使用量方面及泥漿處理費用方面，干法振沖較水沖法都將減少，從而達到節約成本、降低工程造價目的。

3）本工程采用孔口填料干法振沖碎石樁對淺層松軟地基土進行處理取得了預期效果，但對于處理深度較大的項目，應用該方法處理的適用性、效果、工效、造價等方面還需大量工程的實施進行驗證。