一、前言

 

　　近年来，由于振动沉管挤密碎石桩技术的不断发展，振动沉管挤密碎石桩在黄河冲积平原地区的应用试验研究问题得到了人们的广泛关注。虽然我国在此方面取得了一定的成绩，但依然存在一些问题和不足需要改进，在科学技术突飞猛进的新时期，加强振动沉管挤密碎石桩在黄河冲积平原地区的应用试验研究，对我国黄河冲积平原地区的发展有着重要意义。

 

　　二、振动沉管挤密碎石桩的概述

 

　　振动沉管挤密碎石桩就是在振动机的振动作用下，把套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密了套管周围土体，然后投入碎石，振动密实成桩，桩与桩间土形成复合地基，用振动沉管挤密碎石桩法加固砂土、粉土地基，可以使地基的承载力增加，沉降量减少，防止地震液化的发生，同时也可用于增大软弱粘性土的整体稳定性。近年来，该工法作为经济和可靠的地基处理方法，已被扩展用于处理素填土、杂填土、粘性土、湿陷性黄土等地基，被广泛应用于各类工业与民用建筑、道路、桥梁、油罐、水坝、港口、电站等工程的地基加固。

 

　　其施工方法为：通过冲锤在套管内不断地冲击套管底部的碎石塞，将套管带到预定深度，然后稍提起冲锤将碎石塞冲出管底，再分段填入碎石料，分段提升套管，分段将套管内的碎石冲出管底并冲密，从而在地基中形成一根直径较大的密实的碎石桩体。它具有经济成本低廉、施工工艺简单、对环境无污染、加固及消除液化效果良好等特点。

 

　　三、振动沉管挤密碎石桩的机理

 

　　挤密碎石桩通过对地基土的挤密、置换及排水固结等作用，形成桩土复合地基，提高软弱地基的承载能力及抗液化能力，改善地基土的沉降、变形性质，满足上部结构的要求。具体表现在：挤密作用，置换作用(应力集中作用)，垫层作用，排水作用。

 

　　对砂性土碎石桩法加固地基技术的机理是挤密作用，在振冲器强大的水平振动力和竖向冲压作用下，把填入土层的碎石挤入桩孔及四周，对周围土体产生挤压，减小土体的孔隙，提高密实度，增大承载力。对松砂和饱和粉土的加固机理是排水置换作用，土体在横向和竖向振动作用影响下，土颗粒会处于运动状态，有增密的趋势，孔隙水若不能排出，会造成孔隙水压不断上升以致产生液化，而渗透性良好的碎石桩会使得孔隙水很快排出，使土体挤密，并在较短的时间内固结，增强了承载力，干法振动沉管挤密碎石桩法的预振作用和减震作用机理还能使被加固的土体抗液化性能和抗震性能大大提高。

 

　　四、实例分析

 

　　下面以濮阳至范县高速公路第八合同段碎石桩复合地基为例简介原体试验研究情况。

 

　　1、试验区工程地质条件试验区为典型黄河冲积平原地层结构：①一④层为第四系全新统冲积层，⑤层以下为第四系上更新统冲积层，揭露层序及主要特征描述如下：

 

　　（1）粉土：褐黄、灰褐、黄褐等色，稍湿~很湿，稍密~中密，具有触变性，夹粉质粘土薄层，层厚4.00~8.50m。

 

　　（2）粉质粘土：灰褐、灰黑、棕褐、灰棕等色，软塑~可塑状态，湿~很湿；夹淤泥质粉土、淤泥质粉质粘土，灰黑、灰褐等色，软塑~流塑状态。层厚1.00~6.90m，局部缺失。

 

　　（3）粉土：黄褐、褐黄、灰褐等色，湿~很湿，稍密~中密，具有触变性，夹粉质粘土薄层，部分地段相变为粉砂，层厚1.00~8.50m。局部缺失。

 

　　（4）粘土：灰褐、棕褐、灰棕等色，可塑~硬塑状态，湿~很湿；夹粉质粘土，层厚0.40~5.60m。

 

　　（5）粉土：黄褐、褐黄、灰褐等色，湿~很湿；稍密~中密，具有触变性，层厚0.60~9.oom。夹5~1粘土：棕褐、灰棕等色，可塑~硬塑状态，稍湿~湿；最大厚度5.40m。

 

　　（6）粉细砂：褐黄、灰褐、棕黄等色，中密~密实，饱和。层厚1.40~8.90m。

 

　　场地地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于砂层和粉土层中，地下水稳定水位埋深1.50~2.50m，厂址区近期年最高水位埋深1.00m，地下水位变化幅度为2.00m。

 

　　厂址内广泛分布的饱和粉土和砂土在地震烈度达7度时将产生地震液化，轻微、中等和严重液化程度的土层在厂址内均有分布。

 

　　2、振动沉管挤密碎石桩试桩设计与施工

 

　　由于该厂址地层沉积时间较短，地基土工程性质较差，挤密碎石桩不仅要消除液化，而且要提高地基强度，并考虑到挤密碎石桩不置换土层，不宜采取太小的桩间距，所以试桩主要按以下原则设计：

 

　　（1）处理全部可液化地层，碎石桩长度达到④层土的顶面；

 

　　（2）考虑上部土层的强度较低，采用桩间距为1.10m和1.30m，桩位按等边三角形布置；

 

　　（3）选择使用较广泛的Φ377mm沉管，以投料量控制成桩直径，桩体有效直径为Φ500mm；

 

　　（4）碎石粒径2~4mm，使用产地较近的碳酸盐岩新鲜碎石。

 

　　挤密碎石桩施工使用走管式打桩机，配用DD60型振动桩锤、Φ377mm沉管和对开式桩靴，采用“一边推”的施工顺序。施工时要检验碎石质量，严格控制投料量与反插次数：投料量为成桩体积的1.25~1，30倍；每2m反插1~2次，总的反插次数控制在6~12次。单桩施工工序为：效验桩位；桩机就位；振动沉管至设计深度；填料--振动拔管--反插--振动密实1~2次/2m--加料--反插--振动密实1~2次/2m--直至成桩；移至另一桩。

 

　　3、试验成果分析

 

　　（1）孔隙水压力监测。在挤密碎石桩施工进行的同时，进行土层孔隙水压力监测，孔隙水压力计于施工前10天埋设并开始每天观测一天。距离最近的一棵桩沉管完毕观测一次，第一棵桩施工完毕观测一次，第二棵桩沉管完毕观测一次，第三棵桩沉管完毕观测一次，以后因为孔隙水压力已趋稳定，改为每天观测两次。各孔孔隙水压力计埋设位置及观测成果如图1所示。

 

　　图1孔隙水压力计埋设位置及观测成果图

 

　　可以看出：第一棵桩沉管过程中，孔隙水压力急剧上升；第二棵桩沉管时，由于①离开观测孔距离增大②第一棵桩对孔隙水压力的影响尚未消散③孔隙水压力已有第一棵桩桩体作为消散通道，观测到的孔隙水压力进人逐渐消散的过程；以后的第三棵桩、第四棵桩……因为有越来越多的消散通道，孔隙水压力已不再上升，而且在施工后1小时内消散到正常水平。

 

　　在挤密碎石桩施工过程中，施工区域地表均有不同程度的地表下陷，虽然在土体中挤人了15%~20%的碎石，土体体积仍然缩小，这说明土体经历了强制振动液化、颗粒重新排列、挤密压实、孔隙减小、排水固结的加固过程，其加固效果可由后续的试验验证。

 

　　（2）复合地基静荷载试验对两种桩间距的挤密碎石桩复合地基各进行1组(3个点)的静荷载试验，其结果与天然地基土比较如表1所示。

 

　　表1处理前后承载力与压缩指标比较表

 

　　（3）超重型动力触探试验。通过该项试验检测挤密碎石桩桩体的连续性和密实程度，从试验结果来看，碎石桩桩体是连续的，密实效果也较好。

 

　　图2是其中一个试验孔的超重型动力触探—深度曲线，其他试验孔超重型动力触探—深度曲线与其类似。

 

　　图2挤密碎石桩桩体超重型动力触探——深度曲线（桩间距1.30m）

 

　　（4）静力触探试验。通过挤密前后地基土层的静力触探试验指标对比，如表2所示，可以看出，粉土的挤密效果非常明显，而粘性土的挤密效果不甚明显。

 

　　表2处理前后地基土的精力触探锥尖阻力比较表

 

　　（5）标准贯入试验及桩间土液化判定分析

 

　　根据桩间土标准贯入试验，按《建筑抗震设计规范(GBJll-89)》判定，施工前的饱和粉土及砂土的液化指数为0.90-16.95，而施工后两种挤密碎石桩桩间土已全部消除液化。其判定结果分别见复合地基饱和粉土(砂土)标准贯入试验液化判定表与施工前饱和粉土(砂土)标准贯入试验液化判定表。显然，采用挤密碎石桩消除饱和粉土的液化是行之有效的。

 

　　另外，在试验区的周边，距碎石桩中心距离1.50m处的H2孔的液化也完全消除，距碎石桩中心距离3.00处的Hl孔的粉土的密度有所提高，液化程度降低。虽然在这些位置的粉土只受到一个方向的挤密，但效果仍然是很明显的。考虑到挤密碎石桩复合地基中的桩间土受到多个方向的振动挤密效应，碎石桩若按等边三角形布置，则三角形的中心距可按1.50m考虑，此时桩间距应为2.60m，这个桩间距偏大。为使处理效果稳定、显著而且经济，按2.00m的桩间距处理仅需消除液化的土层是切实可行的。

 

　　4、结论及应用推广综合试验成果分析，可以得出以下结论：

 

　　（l）振动沉管挤密碎石桩在成桩过程中，桩间土体经历了强制振动液化、颗粒重新排列、挤密压实、孔隙减小、排水固结的过程，从而达到挤密加固、消除液化的效果；

 

　　（2）振动沉管挤密碎石桩复合地基在聊城电厂的试验表明：在黄河冲积平原地区的典型地段上，挤密碎石桩能够明显改善地基土的工程性质，提高地基强度，消除饱和粉土和砂土的液化，是一种有效的、经济的地基处理措施。这对该地区的地基处理设计、施工有重要的指导意义：根据本次试验成果，聊城电厂1#和2#炉后及电除尘地段分别采用桩间距为1.30m、2.00m的挤密碎石桩复合地基，效果良好，既节约了成本，又缩短了工期。

 

　　（3）振动沉管挤密碎石桩复合地基经济成本低廉、施工工艺简易、对环境无污染、加固和消除液化效果良好，应在黄河冲积平原地区大力推广使用。

 

　　（4）在黄河冲积平原地区，振动沉管挤密碎石桩复合地基设计与施工前，建议进行试桩；也可参加如下方案：处理全部可液化地层，采用桩间距为1.30~2.00m，等边三角形满堂布置；使用Φ377mm沉管，以投料量控制成桩直径，采用“一边推”的施工顺序。施工时要检验碎石质量，严格控制投料量与反插次数：投料量为成桩体积的1.25~1.30倍；每2m反插1~2次，总的反插次数控制在6~12次。

 

　　（5）在进行挤密碎石桩地基加固处理设计时，应充分考虑到挤密碎石桩的适用条件、基础型式、上部荷载要求等，把地基与基础视为一个整体，从加强地基基础整体刚度出发进行精心设计。

 

　　六、结束语

 

　　通过对振动沉管挤密碎石桩在黄河冲积平原地区的应用试验研究的问题分析，进一步明确了振动沉管挤密碎石桩技术在黄河冲积平原地区应用的重要性。因此在黄河冲积平原地区的后续发展中，要加强振动沉管挤密碎石桩技术的运用，促进黄河冲积平原地区的发展。

 

　　参考文献

 

　　[1]叶书麟地基处理工程实例应用手册中国建筑工业出版社2010年

 

　　[2]张季超复合地基设计理论与施工技术的研究南京建筑工业出版社2009年

 

　　[3]刘正峰地基与基础工程技术实用手册海潮出版社2008年

 

　　[4]公路软土地基路堤设计与施工技术规范人民交通出版社2009年