孔口填料干法振冲碎石桩在地基处理中的应用

臧成新，张广彪，张晓红

（1.中电建振冲建设工程股份有限公司，北京 100102；2.北京振冲工程机械有限公司，北京 101118）

引言

振冲法是一种地基处理的方法，其是利用一个产生水平振动的管状设备（振冲器）结合高压水或高压空气的共同作用，使松散地基土层振挤密实；或在地基土层中形成碎石桩，碎石桩和周围地基土形成复合地基的地基处理方法。

振冲法广泛应用于水利水电、火力发电、港口码头、石油化工、交通及民建等诸多领域[1]，振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质黏土、素填土和杂填土等地基，以及用于处理可液化地基[2]。

振动水冲法碎石桩在松软地基中施工由于水冲置换作用，产生较大孔径，成桩直径往往过大，同时施工过程中会产生大量泥浆，并且泥浆的处理难度较大、费用较高[3-4]，随着工程建设环保要求日益严格，传统振冲碎石桩的应用有时受到限制，亦有人对振冲法的干法施工进行研究，郭双田等介绍了采用液压振冲器进行干法振冲碎石桩施工的应用情况[5]；张广彪等介绍了采用底部出料技术进行干法振冲碎石桩施工的应用情况[6]。但传统的孔口填料干法振冲施工的应用还较少，本文依托具体工程实例介绍孔口填料干法振冲碎石桩的应用情况，为后续类似项目的实施提供参考。

1 工程概况

某海工坞钢结构仓库及装焊平台地基处理项目，拟建场地临近长江，场地浅部冲填土较厚，根据岩土工程勘察报告浅层各土层参数，第一层冲填土层以砂土、粉质粘土为主，夹淤泥质粉质粘土和少量砂土，松散不均匀，力学强度差，厚度较厚，天然地基不可直接利用，需进行地基处理。

处理后复合地基承载力特征值要求为仓库基础区域110 kPa，非基础区域70 kPa。

2 工程地质条件

勘察揭示，场地表层1 为冲填土，其余土层为第四纪全新世（Q4）沉积土。根据岩土层沉积年代、成因类型、岩土的工程特性和状态进行分层，勘察深度内的岩土层可分为7 层。主要地层物理力学性质指标见表1。

表1 主要地层物理力学性质指标

勘探深度25.0 m 范围内主要含水层有：

上部2～7 层土中地下水，属孔隙潜水，并随大气降水、河水水位及季节有升降变化，年变化幅度在1.0 m 左右，勘察期间，测得场地孔隙潜水稳定水位埋深为2.0 m 左右，施工期，地下水水位在施工面以下1 m 左右。

3 地基处理方案比选

松软地基加固处理，合理选择处理方案是满足设计要求和降低工程造价的重要途径之一。本场地对地基承载力要求不高，对于松软的冲填土地基处理，一般可采用的地基处理方法有换填垫层法、强夯法、振冲法等，对以上地基处理方法进行对比，比选结果见表2。

表2 地基处理方案比选

通过表2 分析，换填垫层法换填厚度大，需要降水，造价高；因周边存在吊车道桩基和已完成的管沟，且地下水位埋藏浅，不宜采用重夯处理；经过综合比选，设计选用振冲碎石桩法，设计碎石桩桩径800 mm，振冲桩身进入下部2 层稳定中密砂质粉土层不小于0.5 m 且1.5 m 范围内无软弱下层，桩长5～6 m。

水冲法振冲碎石桩施工因水冲置换作用，往往成桩直径过大，为了控制桩径、节约石料，同时增加地基处理效果，不至于将大量细颗粒随泥浆返出孔口；另外，为了减少水冲法振冲碎石桩施工产生的大量泥浆，本工程通过改进振冲设备、优化施工工艺等措施实现孔口填料振冲碎石桩干法施工。

4 振冲设备改进

传统孔口填料振冲碎石桩施工时振冲器高压水从潜水电机顶部进入，通过内置水道从振冲器端部水嘴喷出，辅助造孔及填料制桩的同时，起到潜水电机及振冲器内部结构降温作用。

通过对振冲器进行改进实现循环水冷却，进而达到避免设备过热、保护设备的目的。设备原冷却方式及改进后冷却方式示意图见图1。

图1 振冲设备改进示意图

原水冲法振冲碎石桩设备施工时，电机使用温度约70 °。改进后的干法振冲碎石桩设备，使用水箱及循环水泵进行循环水冷却，潜水电机在使用过程中温度约80 °，使用温度与原水冲法振冲碎石桩设备相比略有提高，对设备使用影响不大，具有大幅减少施工用水量、不产生大量泥浆、不会产生环境污染等优势（见图2）。

图2 干法振冲与水冲法振冲施工现场图

5 振冲碎石桩设计及施工参数

1）桩长：5～6 m；桩间距：2.5 m；桩径：800 mm；单桩填料量：2.5～3.0 m3；布桩形式：正三角形；设备型号：电动振冲器130 kW、循环水冷却供水泵7.5 kW、冷却水箱3 m3；造孔电流：70～150 A；加密电流：100 A；加密段长度：0.3～0.5 m；留振时间：4 s。

2）桩体材料：质地坚硬、级配良好的碎石，粒径20～40 mm。

3）施工效率：造孔时间3～4 min；填料加密时间5～6 min；成桩时间9～10 min。

6 干法振冲碎石桩施工工艺及技术要求

干法振冲施工工艺如下：

1）清理平整场地，布置桩位；2）施工机具就位，使振冲器对准桩位；3）开启振冲器、循环水冷却泵，待振冲器运转正常后，使振冲器徐徐沉入土中，直至设计处理深度；4）将振冲器提出孔口；5）向孔内倒入0.3～0.5 m3石料，下沉振冲器进行振密，达到规定的加密电流值，若达不到规定值，应将振冲器提出孔口继续填料振密；6）将振冲器提出孔口，继续制作上部桩段，每次加密段长度为0.3～0.5 m；7）重复步骤4），5），6），自下而上制桩，至设计要求标高；8）关闭振冲器。

7 孔口填料干法振冲与水冲法振冲对比分析

1）加固效果方面

水冲法振冲对土体主要是置换作用，通过水将桩孔的土变成泥浆排出，属于“排土桩”，其对松软的桩周黏性土几乎没有挤密作用，而干法振冲成孔及振密成桩过程均不需要水，主要靠水平振动力将土壤颗粒挤向周围土体形成桩孔，从而使桩间土密度增大、承载力提高。

2）施工工艺方面

干法孔口填料振冲碎石桩施工工艺与水冲法振冲碎石桩施工工艺基本相同，均分为造孔、填料、振密成桩等过程，区别在于后者造孔和振密过程均需要大量用水，在软粘土地基中施工，针对孔内泥浆较稠情况，有时还需增加清孔过程。干法振冲不需要水，施工较为方便，无泥浆污染问题。此外，填料方式亦不同，传统振冲碎石桩施工填料方式可采用强迫填料法、连续填料法、间断填料法中的一种或多种[7]，而干法孔口填料振冲碎石桩的填料方式多为间断填料方式，即每次填料均需将振冲器提离孔口。

3）施工质量控制方面

水冲法振冲施工质量控制指标主要有造孔水压、加密水压、加密电流、留振时间、加密段长度等，而干法振冲施工质量控制主要为加密电流、填料量、振密段长度等，为了提高成桩均匀性及控制制桩时间，干法振冲施工填料宜采用单次少填，多次填料方式，每次填料控制在0.5 m3以下。

4）其他方面

干法振冲较水冲法振冲配套设备方面减少了排污泵、排污管线等，进而减少了施工人员的配置，单台套干法振冲施工机组较水冲法减少1～2 人。

干法振冲单桩石料用量较水冲法减少20 %左右，主要因为施工工艺不同，干法振冲将土颗粒挤入周围土体，使桩周土承载力增大，达到设计要求密实电流所需填入的石料相对减少。

8 效果检测

按照设计要求，干法振冲碎石桩施工结束后对仓库基础区域复合地基进行静载荷试验，共进行3根单桩复合地基静载荷试验，试验数据见表3。

表3 单桩复合地基载荷试验数据

按建筑地基处理技术规范[8]对试验数据进行分析，单桩复合地基承载力统计见表4。

表4 单桩复合地基承载力统计表

本工程单桩复合地基承载力特征值 110 kPa，满足设计要求。

9 结语

1）工程结合设计要求及地质条件，采用经改进后的130 kW 大功率振冲器干法施工，既避免了将大量土壤细颗粒置换出孔口，增加土层密实效果，又达到了无泥浆污染、环保施工要求，在松软冲填土中造成了具较高密实度的碎石桩，并对桩间土起到了挤密作用，形成了复合地基。经检测，加固后的复合地基承载力完全满足要求。

2）在施工配套设备及施工人员配置数量方面、原材料使用量方面及泥浆处理费用方面，干法振冲较水冲法都将减少，从而达到节约成本、降低工程造价目的。

3）本工程采用孔口填料干法振冲碎石桩对浅层松软地基土进行处理取得了预期效果，但对于处理深度较大的项目，应用该方法处理的适用性、效果、工效、造价等方面还需大量工程的实施进行验证。