振冲碎石桩软基处理技术在海堤工程中的应用.doc

振冲碎石桩软基处理技术在海堤工程中的应用

摘 要：随着沿海地区滩涂资源的开发和利用，海上堤坝建筑技术也日益取得了新的突破。由于海涂基础属于软土地基，地质条件相当复杂，对于海堤基础的稳定性提出了越来越高的要求。为了有效控制软土地基上海堤建筑物的工后沉降和不均匀沉降，各种软基处理工法在海堤工程建设中得到了越来越广泛的应用。文中结合海堤工程软土地基处理实例，对振冲碎石桩的地基加固机理、成桩工艺、施工质量控制、加固后复合地基土强度检测等进行了探讨，并对今后的施工和设计提出了一些参考性建议。
关键词：海堤工程 振冲碎石桩 软土地基 施工工艺 建议
中图分类号：TV122 文献标识码：B
振冲桩地基处理技术是为了加固高层和重型等建筑物的地基以及松软土地基构筑物等所采用的措施之一。本着投资少，充分利用天然土体的功能，使其结合在软土地基中构筑的桩体所形成的复合地基来承担其上的荷载。这种复合地基能提高承载能力，增强稳定性，减少工后沉降与不均匀沉降，而且施工简便、快速，可以大大缩短工期。基于不同情况和具体条件，振冲桩地基处理技术可以在土体中筑成不同种类的桩体而形成复合地基，如砂土桩、水泥土桩、碎石桩、水泥粉煤灰碎石桩等不同的复合地基。本文以振冲碎石桩软基处理技术在宁波大榭滨海西路海堤工程中的应用为实例，对振冲碎石桩的地基加固机理、成桩工艺、施工质量控制、加固后复合地基土强度检测等进行了探讨，以期今后对海堤工程软土地基处理技术的应用和提高有所裨益。
1 工程应用实例
1.1工程概况
宁波大榭开发区滨海西路海堤工程全长1 600m，设计防潮标准100年一遇，设计高潮位hp=3.51m。海堤采用抛石斜坡结构，地基处理采用振冲碎石桩加固处理，碎石桩梅花形布置，纵横桩距2.2m，桩径1.0m，打设深度16m；基床为抛石填筑，堤身为重力式挡墙，迎海面外坡设一级平台，堤外坡脚碎石桩桩顶设4400×2000×1200钢筋石笼护脚；堤顶为路面及防浪墙结构。是大榭岛环岛观光公路的组成部分。
1.2地形地质条件
该工程地处大榭岛西南侧的黄峙江水道东岸，岸线平直，顺岸线由海堤分隔成陆域和海域两大地貌单元。后方陆域地形平坦开阔，属山麓滨海淤积平原；海域潮间带属淤泥质滩涂，滩面的自然坡度为8o～10o,向江心方向倾斜，泥面标高为-3.5～0.5m，海域水下地形较陡，水深流急。水下涂面呈现出上缓下陡的变化特征。在历史上筑堤过程中曾发生过多次滑坡，位置分别位于K0+200～0+300段及K0+050～0+150段，局部地段也曾有零星少量小型塌方，这些滑坡体大部分为碎石块等砂石体。
工程区域为滨海相沉积的软黏土地层，属于高压缩性软弱地基。地质条件较差，表层为淤泥质粉质黏土，强度低，压缩性大，呈饱和—流塑状态；下层由淤泥质黏土、含粉质黏土砂砾组成。海堤范围内自上而下，各地质分层及土性指标见表1。
表1 地质特性表
地质土层
层厚/m
Ｗ/%
r/(kN•m-3)
C/kPa
ø/(º)
淤泥质粉质黏土
淤泥质黏土
含粉质黏土砂砾
2.4～7.6
5.5～14
9.4～18
52.3
61.1
51.8
17.0
16.5
18.8
4.8
10.5
17.6
3.6
3.1
6.6
由表1可见，淤泥质粉质黏土抗剪指标较低，不能直接作为海堤结构的持力层，需进行软基处理，形成复合地基以满足上部建筑物对承载力的要求（复合地基承载力大于或等于90kPa）。振冲碎石桩加固法是快速处理该类软弱基础最为有效的方法之一。
2 振冲碎石桩设计及加固机理
2.1桩体布置方案
振冲加固处理范围根据建筑物的基础类型、重要性和场地条件确定，通常在基础范围内布桩，加固深度不宜短于4m，对于条形基础，宜在基础底面范围内单排、网格形或梅花形布桩。
本工程根据稳定计算的要求，经试算后确定加固处理的范围为15～30m，处理深度12～16m不等，以打到相对硬层粉质黏土层顶面为止。布桩方式各断面均采用梅花形布桩，设计桩径100cm，桩距2.2m，排距1.9m；总计4 715根，进尺66 004m，复合地基转换率18.7%。
2.2复合地基土设计指标
复合地基土强度指标依据Priebe公式：
tanQsp=W*tgp+（1- W）tanQs
Csp=（1- W）Cs
W=m*n/[1+m（n-1）]
式中：m—振冲桩置换率，取m=0.187；n—桩土应力比，取n=4；Cs、Qs—原地基土黏聚力及内摩擦角；p—桩体内摩擦角，取p=35o；Csp 、Qsp为复合地基土黏聚力及内摩擦角。
经振冲加固处理后，设计复合地基承载力大于或等于90kPa。具体土力学指标见表2。
表2振冲加固处理后土层力学指标值
地质土层
湿容重R
/（N/m3）
饱和容重
RS/（N/m3）
黏聚力C
/（kPa)
内摩擦角
p/（0）
淤泥质粉质黏土
淤泥质黏土
20.0
20.0
20.0
20.0
2.5
5.2
20.2
20.0
2.3 振冲碎石桩加固机理
振冲碎石桩是近几年发展较快的一项处理加固软土地基的实用技术。其原理是在地基土中借助振冲器成孔，振密填料置换，形成一群碎石桩体，与原地基土一起构成复合地基，使其排水性能得到很大改善和加速土层固结，使承载力提高，沉降减少。对松散砂性土或软弱黏性土，碎石桩主要有挤密、加筋、置换、排水和垫层的五种作用。（1）挤密作用：碎石桩置于软土地基中形成复合地基，桩体受荷载后产生侧向膨胀；（2）加筋作用：由两种不同刚度的材料组成的复合地基，在力的传递过程中产生应力重分配，这种应力重分配的结果是产生部分应力向碎石桩上集中，其应力集中现象改善了地基承载力；（3）置换作用：复合地基置换率的增大可减少了地基的下沉量；（4）排水作用：碎石桩在软土中形成一个良好的排水通道，起到良好的排水固结效应；（5）垫层作用：复合地基中桩体受力后的变形主要集中在上部，一般均设置有砂垫层，有利于减小复合地基的沉降量。
3振冲碎石桩施工工艺
一般使用振冲器来完成，本工程软基处理采用的是ZCQ-30型振冲器。振冲器产生高频，同时开动水泵，使高压水通过喷嘴喷射高速水流冲击孔底。在边振边冲的联合作用下，振冲器沉入预定深度并形成孔洞，经清孔后向孔中逐段填入碎石，当碎石被振冲挤密到要求的密实度后，提起振冲器投入下一段碎石料，重复振密和重复填料直至设计桩顶，形成一根大直径的密实的碎石桩。
采用振冲器施施工准备

测量放样
布置桩位

试验桩

定 位

成 孔

清 孔

制 桩

表层处理

效果检验

工碎石桩一般分为准备、成孔、清孔、加料、振密和表层处理等步骤。
3.1施工工艺流程
施工工艺流程如图1:

图1 施工流程图
3.2施工技术和施工要点
1）施工准备。①布设桩位：根据软土加固要求，按编号标示出现场桩位，施工时对号入座，避免漏打、重打；②供水及排水处理：布置供水管用于振冲时高压水的供应，布置泥浆排放沟进入净化池，防止污染环境；③试验桩：通过若干根试验桩验证设计参数，确定桩体密实电流、留振电流和填料量等施工工艺参数；④施工顺序：软土处理成桩的顺序一般为“由内向外”或“由一边向另一边”进行，便于淤泥的挤压和振冲。
2）成孔。ZCQ-30型振冲器启动后产生高频振动，开动高压水泵，用喷嘴射出的高速水流冲击孔底，以1～2m/min的速度贯入地层，从地表到加固深度形成一个直径越1.0m的孔洞，保持垂直，记载电流、电压、水压，了解地质情况。当电流升高时，其最大值不得超过电机的额定值；当电流超过电机的额定值时，减慢振冲器的下沉速度，甚至停止下沉或提起振冲器，让高压水冲松土层后再继续下沉。电流的变化，可以定性地反应出该孔的土质情况。
3）清孔。用振冲器射出水清洗孔内泥浆，将振动器在孔底适当留振，使泥浆冲击孔口；再将振动器提起，上下升降二、三次，见孔流出清水为止。
4）加料。振冲器提出孔口，往孔内加料，然后放下振冲器进行振密；第二次提出孔口，第二次加料、振密……自下而上逐段加料分次进行填入碎石，每一次加料厚度30～50cm。
5）振密成桩。加入一次碎石后用振冲器沉入孔内填料中进行振密，再加料再振密，数次后才能达到要求密实度，此时振冲器仍能振动和射水，水压减小为200～300kPa。ZCQ-30型振冲器的电流达到55A且在原位置留振10s以上，其电流值不下降，表示振动点处桩体已达到振密要求，此值为“密实电流”；如果达不到规定密实电流时，应提起振动器，继续加料，继续振密，直至该深度处密实电流达到规定值为止，每加一次料，都要详细记录时间、加入量、电流量。一段一段加密到孔口,碎石桩由下往上逐段形成。
6)表层处理。桩体顶部1m左右，另做碎石垫层或用机械碾压。
4施工质量控制
施工质量控制的重点应是以下几个方面：
①桩长。在振冲器导杆上焊有刻度，振冲器贯入地下的深度可由上读出，当造孔达到设计深度时，孔口指挥予以记录。自孔底加密到孔口成桩，造孔深度即为桩长。
②桩位偏移。桩位偏移不允许超过（1/5～2/5）D，D为桩径。施工中注意精心操作，偏差不得大于3cm。
③加密电流、留振时间。主要是不能把振冲器刚接触到填料的瞬间电流作为密实电流。只有振冲器在固定深度上振动一定时间，即达到要求的留振时间，而电流稳定在某一数字，这一稳定电流才能代表填料的密实程度，当这个稳定电流超过规定的加密电流时，该段桩体才算加密完毕。
④填料量。填料量是保证桩体密实度和桩径大小的重要指标。施工中采用连续填料工艺，填料不能过猛。值得注意的是孔底加密时，填料量可能超过正常值，这是因为部分填料粘留在孔壁，亦可能桩底土层较软。
⑤加密段长度。加密段长度为30～50cm，必须严格控制。过长填料过多，容易造成漏振，密实度达不到。
5振冲碎石桩加固效果检验
5.1复合地基承载力测定
多桩复合地基承载力试验测定采用慢速维持荷载法。使用平板结构反力架，用堆载方法，逐级加荷进行试验，以测定复合地基承载力。根据设计要求，该工程振冲碎石桩复合地基承载力为不小于90kPa。振冲桩施工完毕后委托检测中心分别选取6个点对振冲碎石桩质量进行检测，进行了复合地基静载载荷试验。检测桩质量全部满足设计要求，说明该工程振冲碎石桩加固处理地基达到了预期效果。试验结果见表3。表3 地基静载载荷试验成果
试验点
编号
试验点桩号
最大试验荷载Qu/kN
对应Qu沉降量
s/mm
对应的复合地基承载力
标准值Rk/kN
试1#
试2#
试3#
试4#
试5#
试6#
K0+105
K0+212
K0+580
K0+974
K1+326
K1+518
720
720
720
720
720
720
88.20
63.98
62.76
117.7
122.35
139.14
493
582
609
399
458
388
5.2碎石桩桩身密实度检测
由于荷载试验只能检测浅层地基的加固效果，为了解深层地基的加固质量，采用重（Ⅱ）触探法测定桩身密实度，按不同地段、桩数进行抽检，抽检率2%。经检测，所有抽检点的重（Ⅱ）触探的锤击数均大于或等于6击，由此可以判定桩身密实，符合设计要求。
6几点建议
在振冲碎石桩施工和设计的过程中还需要重点注意以下几个问题。
①密实电流。振冲碎石桩桩身强度的提高，很大程度上与制桩时的密度电流有关。一般说来，密实电流增大，在其他因素不变的情况下，桩身的密实度提高，桩体强度也就增大。但是，由于桩周土的约束力有限，盲目地增大密实电流，并不能完全有效地增加桩体的密实度，只能扩大桩的直径，增大了碎石用量，由于以土体的强裂扰动为代价，对于复合地基承载力的提高作用不大，却在经济上造成极大的浪费。因此，在利用振冲碎石桩处理软基时，应通过现场试验来确定一个合理的密实电流值。
②留振时间。为保证振冲碎石桩体的强度，制桩达到设计的密实电流后需留振一段时间，留振电流值与密实电流值相等。规范要求留振时间为10～20s。在软土地基上施工碎石桩主要起到置换软土和排水通道的作用，以此来提高复合地基承载力。在施工的过程中，不应过分扰动桩周软土。如盲目增长留振时间，会使桩径增大，同时也会过分扰动桩周土，对复合地基承载力的提高作用不大，反而大大地增加了碎石用量，导致成本升高。实践证明，振冲碎石桩处理该段铁路软基的留振时间宜控制在5～10s范围内，而无须达到规范要求的10～20s。
③桩径确定。振冲碎石桩靠振冲器的水平振挤力将碎石挤向桩间土中，由于不同深度的地质条件不同，在垂直剖面上，同一密实电流在不同深度上形成的桩径大小不等，这样经过处理后的复合地基，在水平和垂直方向上强度变得均匀。因此，不能人为将桩径限定在某一固定值，而是在保证最小填料量及桩体密实度的前提下控制单根桩的平均桩径不小于设计值。
④桩长的确定。由于地质条件的复杂性，单凭工程地质勘察钻孔资料来确定一个固定的桩长是不合理的，而应根据施工时的具体情况合理地确定一个桩长范围，才能达到最好的经济效益和处理效果。笔者认为，当相对硬层埋身不大（一般不超过12m，除有抗剪要求外），碎石桩桩长以能达到一定厚度的硬层为准；但对于具有深厚层软土地基，如软土层厚度超过15m，在确定桩长时，不宜让桩长穿透整个软土层。
⑤碎石垫层。碎石垫层作为复合地基与基础的过渡层，应视为复合地基不可分割的一部分。振冲碎石桩在施工的同时铺设碎石垫层已是普遍做法，既方便施工，又能通过碎石垫层的调整补偿和扩散效应均匀地将上部荷载分布到桩周土上。使桩与桩周土协同受力。同时，通过桩体的排水作用，加速了桩周土的排水固结，能有效地提高复合地基承载力。较为理想的碎石垫层厚度应为0.30～0.50m。垫层厚度过大，对承载力的增长无明显帮助，反而会造成较大的经济浪费；垫层厚度过小，则不能充分发挥出垫层的作用，对于保证承载的要求也是不利的。
⑥由于振冲碎石桩施工也具有用水量大、场地受泥浆污染严重的缺点，因此今后应在节水和环境保护上下一些功夫进行研究。
7结语
由于振冲碎石桩技术可靠，机具设备简单，操作技术易于掌握，因地制宜，就地取材，加固速度快，节约投资，具有良好的透水性等优点，在工业与民用建筑领域的软基处理中得到了大量应用。但该技术在海堤工程淤泥质软土地基基础处理中的使用还为数不多，通过该工程的应用实践和沉降观测记录表明，振冲加固地基处理段未出现明显的不均匀沉降和水平位移，同周边仅采用镇压层法处理地段相比（上部结构基本相同），沉降量大幅减少，减少沉降量超过60%。这充分说明振冲桩地基处理技术在沿海海堤工程中的应用是成功的。

作者简介：贺志贞，男，1975年生，2007年毕业于华北水利水电学院，工程师

［收稿日期：2008-01-23］

Application of Vibro-replacement Gravel Piles Technology to Treat soft soil Foundation in Sea Wall Engineering

Abstract:With the development and utilization of the tidal flat resources in coastal area, offshore dam construction technology has increasingly obtained the new breakthrough.Because coastal land foundation is on soft soil and the geological condition is complex higher requirements are required for the stability of sea embankmert. In order to control the settlement of sea embankment building after construction and the uneven subsidence effectively,various treatment techniques to treat soft soil foundation in sea embankment engineering are applied. Based on the example of reinforcing soft ground in sea embankment engineering,this paper introduces the techniques of the strengthening foundation by vibro-replacement gravel piles,and the process of finished piles and quality control and detection of strength of composite foundation soil.This paper also puts forward some advisable suggestions about construction and design.
Key words:sea wall engineering;vibro-replacement gravel piles;soft soil foundation;construction technology;suggestions.