采用振冲机具加密地基土或建造复合地基的实例探讨.docx
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采用振冲机具加密地基土或建造复合地基的实例探讨
第一节概述
采用振冲机具加密地基土或在地基中建造碎（卵）石桩柱并和周围土体组成复合地基，以提高地基的强度和抗滑及抗震稳定性的地基处理技术称振冲法。
1振冲法在水利水电工程中的应用和发展
振冲法于二十世纪三十年代始创于德国，1937年首次用于处理柏林某大楼砂基。
我国在二十世纪七十年代中期引进，目前已广泛应用于水利水电、火力发电厂、公路、铁路及石油、化工等工业和民用建筑工程的地基处理。
水利水电系统是我国最早引进振冲技术的行业，早在1978年采用振冲法成功地处理了北京官厅水库主坝坝基的中细砂层，使该层砂土达到了9度地震时防止液化的要求。
1982年北京向阳闸闸基处理是我国新建水利工程中最早应用振冲法的。
1985年在四川省铜街子水电站处理左岸副坝深槽地基，采用振冲法穿过8m厚漂卵石夹砂层加密下卧粉细砂层，这是目前国内外已知振冲法贯穿最粗粒径的地层。
1997年、2000年分别在三峡水利枢纽二期围堰水下抛填风化砂和黄壁庄水库副坝振冲法处理深度超过30m，表明我国在国产电动型振冲器，振冲技术及处理深度诸方面已达到国际先进水平。
振冲技术在不断发展，早期振冲技术的发展主要体现在振冲器的改进，如国内
振冲器从13kW发展到150kW的电动型振冲器。
动力源上由电动机向液压型驱动发展，使振冲器的功率加大、体积减小，具有更大的贯穿地层能力。
近年来国内外技术人员针对振冲法处理地基的缺点，如大量排放泥浆、在软粘土层中碎石桩承载力不高等进行了改进，研究、试验出振冲混凝土桩技术和碎石桩后压浆技术，就是利用振冲设备施工混凝土桩和利用水泥浆固结松散的碎石桩，以提高桩体承载力，减少排浆量，这是建筑地
基处理技术的一种新型复合桩基。
振冲法处理技术在水利水电工程应用具有广阔的前景，可以处理土石堤坝及其松软地基，可以用于新建水利水电工程，也可用于已建病险堤坝加固，提高堤坝及构筑物的强度和抗滑、抗震稳定性。
2振冲法的分类及其适用范围
振冲法可从不同角度进行分类。
（1）按施工工艺分类，振冲法施工可分为湿法和干法两类。
干法振冲在施工中不加水冲，常辅以压缩空气以利造孔和加密。
湿法振冲在施工中辅以压力水冲，有利造孔和加密，还能对振冲器起到冷却作用，保证机具正常地运行。
干法振冲不用水、不排出泥浆，成孔时将土挤入周围土体中进行加密，但要求振冲器具有冷却系统，目前国内的潜水电动机型振冲器不适合干法振冲。
干法振冲适用的土类、制桩深度等均受限制，国内很少采用。
本章内容均指湿法振冲或叫振动水冲法，简称振冲法。
（2）按对地基土加密效果分类，振冲可分为振冲加密和振冲置换两大类。
振冲加密是指经过振冲法处理后地基土强度有明显提高。
振冲置换是指经过振冲法处理后地基土强度没有明显提高，主要通过将部分地基土置换出去建造强度高的碎（卵）石桩柱与周围土组成复合地基，从而提高地基强度。
振冲法加固地基施工机具简单、操作方便、加固质量易控制，加固时不需钢材水泥，仅用当地产的碎（卵）石，工程造价低，具有明显的经济效益和社会效益。
振冲法几乎适用于各类土层，用以提高地基的强度和抗滑稳定性，减少沉降量。
振冲法是加强砂土抗震、防止液化的有效处理措施。
但是，对不排水抗剪强度Cu小于20kPa的软粘性土，采用振冲法处理应通过现场试验，确定成桩的可能性及桩体强度。
对卵（碎）石土采用振冲法处理，要通过现场造孔试验，验证选定的振冲器造孔能否达到要求处理的深度。
第二节施工准备
1施工机具
1.1振冲器
振冲器是一种通过自激振动并辅以压力水冲贯入土中，对土体进行加固（密实）的机具。
振冲器的振动方式有水平振动、水平振动加垂直振动两类，目前国内外振冲器均以单向水平振动为主。
振冲器的振动源有电动机和液压马达两种，国产的振冲器均采用潜水电动机驱动。
液压马达驱动振冲器，转速可以变化，能更广泛适用于不同土类的造孔和加固；液压马达由柴油动力机驱动，因此可在缺乏电源条件下施工。
目前国内还没有厂家生产液压驱动振冲器，有的施工单位已从国外引进了130kW、150kW型机组，但数量较少。
1.1.1电动振冲器结构
图6-2-1为常见潜水电动机30kW振冲器结构图，主要分四大部分：
（1）电动机（驱动器）。
振冲器常在地下带水作业，因此用潜水电动机。
（2）振动器。
内部安装有偏心块的转动轴，用弹性联轴器与电动机连接。
电机带动偏心轴旋转使振冲器产生水平振动。
两侧翼板主要用来防止振冲器作业时发生扭转。
（3）通水管。
国内30kW和55kW振冲器通水管穿过潜水电机及振动器偏心块转动轴。
75kW以上振冲器水道通过电机保护壳沿振动器侧壁达到下端。
（4）减振器及导管。
减振器的作用是使振冲器实现独立水平振动减少对导管的影响。
目前国内大多采用橡胶型减震器。
导管是用来起吊振冲器并起到保护电缆、水管的作用。
1.1.2国产振冲器的型号
国内外电动型振冲器都以电机的功率确定，常用国产电动机型振冲有30kW型和75kW型振冲器，此外还有55kW型、100kW型和120kW型、150kW型振冲器等。
目前国家还没有制定振冲器制造的统一标准，不同厂家制造的振冲器性能也有较大的差别。
现有国产的主要振冲器技术参数列表见表6-2-1,国内现有国外厂商生产的振冲器技术参数见表6-2-2。
表6-2-1国产电动型振冲器技术参数
项目
型号
电动机功率（kW）
转速
（r/min）
额定电流
（A）
振动力
kN
振幅
（mm）
振冲器外径
（mm）
振冲器长度（mm）
重量
（kg）
30kW
BJ30
30
1450
60
100
10
375
2000
800
ZCQ30
30
1450
60
90
4.2
351
2150
HS30
37
1450
70
90
10
351
2005
900
55kW
BJ55
55
1450
110
120
10
375
2017
1000
ZCQ55
55
1450
100
200
5
450
2500
HS55
55
1450
103
130
9.3
377
2450
75kW
BJ75
75
1450
150
160
7.0
426
2700
2100
ZCQ75
75
1450
150
160
10
351
2900
1263
HS75
75
1450
160
160
8.7
426
2600
95kW
HS95
95
1450
180
180
8.3
426
2850
120kW
BJ120
100
1450
220
180
7.5
426
2806
2300
125kW
ZCQ125
125
1450
230
250
10.5
402
3200
1800
150kW
BJ150
130
1450
260
200
8.5
426
2980
2600
型号
动力
功率
（Kw）
额定电流
（A）
转速
（r/min）
振动力
（KN）
振幅
（mm）
外径
（mm）
长度
（mm）
V23
电动
130
250
1800
300
23
350
3250
V32
电动
130
250
1200~1800
450
32
350
3250
S150
电动
150
300
1800
206
17/18.5
400
2900
S300
电动
150
300
1775
290
25
400
2900
PENINE
130
液压
130
0~36*
0~3600
200
3.0
310
2000
V281
液压
130
1200~1800
280
23
360
3440
PENINE
150
液压
150
0～36*
0~3600
290
3.5
310
2200
V481
液压
212
1200~1800
480
25
450
4050
TR75
液压
224
1900
295
10.5
406
表6-2-2国外厂商生产的振冲器技术参数
*指工作压力（MPa）
1.1.3振冲器的选择
目前振冲器尚没有统一标准，各种振冲器的电动机和振动器结构、构造不同，即使相同功率型号的振冲器，其性能也有较大的差异。
施工中可按下列原则选择振冲器：
（1）如已进行现场振冲试验，施工中宜选择试验时使用的振冲器型号；
（2）设计确定的振冲器型号；
（3）缺乏上述二项条件时，施工单位可根据工程经验选择振冲器型号，并通过试验桩验证。
1.2施工辅助机具
振冲法施工主要辅助机具和设施有：
起吊机械、填料机械、电气控制设备、供水设备、排泥浆设施及其它配套的电缆、水管等。
1.2.1起吊机械
起吊机械是用来吊起振冲器进行施工作业，起吊力和起吊高度必须满足施工要求。
常用的起吊机械有汽车吊、履带吊、打桩机架和扒杆等。
汽车吊调遣机动性强，常为施工单位采用。
80kN汽车吊可满足30kW振冲器孔深9m以内施工要求，250～300kN汽车吊可满足75kW振冲器孔深20m以内施工要求。
履带式吊车虽然运进施工场地比较难，但对场地要求比较低，运行方便，机动性强，吊臂长度可根据需要装卸，施工中也很少发生吊臂弯折事故，有条件宜选用。
采用桩机架作为起吊设备是费用低的方法，但桩机架移动不灵活，对施工场地平整度要求较高。
采用扒杆，轻型简易，但起吊力低，移动比较困难，一般用于30kW振冲器施工。
1.2.2填料机械
使用填料机械将石料填到振冲孔中，可选用装载机或人力手推车。
采用装载机填料可保证及时供料，以利提高振冲施工效率，缺点是装载机运行需用石料填筑道路，施工中弃料较多。
人力手推车供料速度慢，施工效率较低，优点在于可以比较准确计算填料数量，填料损失比较少，在有充足人力资源条件下，30kW振冲器施工可采用人力手推车填料。
75kW大功率振冲器施工要求供料强度大，数量多，宜采用装载机供料，一般选用1.0m3装载机可满足填料要求。
1.2.3电气控制设备
电气控制装置除用于施工配电外，还具有控制施工技术指标的功能，即可控制振冲施工中造孔电流、加密电流、留振时间等。
目前常用的有手动式和自动控制式两种。
手动式即在施工中电流和留振时间是人工按键钮控制；自动控制式，可以人工设定加密电流值和留振时间，施工中当电流和留振时间达到设定值，会自动发出信号。
1.2.4供水设备
供水设备为振冲施工提供压力水，由储水设备、水泵、分水盘、压力表等组成。
储水设施可用水箱或蓄水池，施工中一般采用水箱，储水体积以大于4m3为宜。
水泵是将储水设施中的水加压送至振冲器供水。
根据施工需要可选用多级泵或单级泵，以满足施工水压和水量为原则。
一般情况下，选择供水压力0.3MPa～1.0MPa，供水量10m3/h～20m3/h的水泵即可。
分水盘和压力表用来配置水压和水量，分水盘一般为三叉式水管结构。
主管与水泵出口相联，一支叉管与振冲器水管相联，按装压力表调节供水压力，一叉管将多余水量返回水箱。
1.2.5排泥浆设备
用于排放施工中的泥浆水，由排泥浆泵和泥浆存储池组成。
当没有储存泥浆场地，可用罐车将泥浆外运。
泥浆泵应根据排泥浆量与排泥浆距离选择。
1.2.6电缆与胶管
电缆用于振冲器、水泵、排泥浆泵供电，电缆应与使用的电机功率相匹配。
各类型电动振冲器推荐选择4芯铜线电缆，按电机容量配线，见表6-2-3。
胶管分用于供水管与排泥浆管。
供水管一般选用耐压大于1.0MPa的胶管，管径应与振冲器进水口相配合。
排污管可选择一般的胶管或塑料管、布织管，当排浆量大、距离远也可选择钢管。
表6-2-3电动机功率与配线表
电机功率（kPa）
30
55
75
100
120
150
4芯铜橡胶电缆（mm2）
16
25
35
50
75
75
2技术资料
施工技术资料主要指场地地质资料和施工技术要求的收集、整理、分析以及施工组织设计的编制等，见表6-2-4。
表6-2-4施工前准备的技术资料
资料名称
内容
地质资料
场地地质勘察报告、地质剖面图、钻孔柱状图、土的特性指标、水文地质资料等
建（构）筑物资料
建（构）筑物等级、荷载分布、基础类型与尺寸、基础埋深、地震设防裂度、对地基沉降变形的要求等
地基处理要求
设计桩（孔）布置图、柱长、桩距、桩径、复合地基承载力、抗剪强度、压缩（变形）模量、抗震要求等
施工技术参数
加密电流、留振时间、加密段长、水压和填料量等
施工组织设计
根据工程合同、设计文件和现场条件等，编制包括工程要求、施工计划、施工管理与劳动组合、施工机械、施工工艺、质量保证体系等内容的施工组织设计
3施工场地
3.1查清地下障碍物
施工场地内的地下障碍物，如地下水管、煤气管、电缆、光缆、地下建筑物等，应查清它们的位置、埋置深度，并予以清除、移动或提出避开和保护的措施。
否则在施工中可能造成事故甚至危及人身安全。
3.2完成三通一平
应当做到路、水、电通和场地平整。
（1）道路应满足施工机械和运料车辆进入施工场地；
（2）供水管线宜接到离施工场地50m以内，水量应满足施工要求，一般用水量可按单台机组10m3/h～20m3/h考虑；
（3）电源宜接至施工场地50m以内，不宜离施工场地过远，防止电压降过大，影响地基处理质量。
用电量应满足振冲器、供水泵、排污泵、夜间施工照明需要。
一般单台机组用电量30kW振冲器不少于60kW，75kW振冲器不小于120kW。
工作电压应保持在380V±20V。
（4）施工场地布置时，可划分施工作业区、石料堆放区、临时建筑物和机修场地区、泥浆收集和排放区等。
供水管、排泥浆管沟、电缆线的安置应不妨碍施工机械运行。
填料宜堆放在施工场地附近，比较大的工程可以划出部分施工场地堆料，施工后的场地亦可作为堆料场地。
施工场地宜划分若干施工作业区。
各作业区之间应有土垅、地沟相隔。
作业区内也应挖若干沟渠，使泥浆能流入集浆池，用泥浆泵泵送至指定地点或用车辆运走。
振冲施工时应防止泥水漫流，做到文明施工。
（5）振冲桩位应根据主要建筑物轴线或主要桩位按设计图纸测放，放线允许偏差小于30mm。
当建筑物主要轴线由建设单位测放时，施工单位必须复核；当主要轴线或主要桩位由施工单位测放时，建设单位必须验收，测量放线应有正式记录和验收单。
4试制桩
由于施工场地一般不是由单一土质组成，比较复杂，无论施工前是否做过现场试验，在正式施工前每个机组、每个单项工程都应进行试制桩工作。
试制桩可在护桩或建筑物非主要部位进行。
试制桩的目的：
调试施工机具，掌握施工工艺，熟悉并验证设计确定的施工工艺和加密技术参数。
第三节施工
1施工工序
振冲法施工一般包括造孔、清孔、填料、加密四个工序
1.1造孔
造孔是保证施工质量首要环节，造孔应符合下列规定：
（1）振冲器对准桩位，对准偏差应小于100mm。
先开启压力水泵，振冲器末端出水口喷水后，再启动振冲器，待振冲器运行正常开始造孔；
（2）造孔过程中振冲器应处于悬垂状态。
振冲器与导管之间有橡胶减震器联结，因此导管有稍微偏斜是允许的，但偏斜不能过大，防止振冲器偏离贯入方向；
（3）造孔速度和能力取决于地基土质和振冲器类型及水冲压力等，因此造孔速度不是完全可以人为控制。
在施工中只宜控制最大造孔速度，根据工程经验，造孔最大速度宜控制在不大于2m/min；
（4）松散粉细砂、粉土、粉煤灰、淤泥土等易被压力水冲刷，造孔深度可小于设计深度300mm以上。
待倒入填料后振冲器夹带石料再向下贯入至设计深度，减轻压力水冲刷破坏设计孔深下的土层；
（5）造孔水压大小取决振冲器贯入速度和土质条件。
造孔速度慢或土质坚硬可加大水压力，反之宜减少水压。
一般造孔水压可控制在0.3MPa～0.8MPa,对松散的粉细砂、砂质粉土、粉煤灰地基造孔水量宜少，防止随返水带出大量泥砂；
（6）当造孔时振冲器出现上下颠动或电流大于电机额定电流，经反复冲击不能达到设计深度时，宜停止造孔，并及时报告监理研究解决。
1.2清孔
造孔时返出的泥浆较稠或孔中有狭窄或缩孔地段应进行清孔。
清孔可将振冲器提出孔口或在需要扩孔地段上下提拉振冲器，使孔口返出泥浆变稀，振冲孔顺直通畅以利填料沉落。
1.3填料
造孔或清孔结束后可将填料倒入孔中，填料方式目前有连续填料、间断填料和强迫填料三种方式。
（1）连续填料：
在制桩过程中，将振冲器留在孔内，连续向孔内填料，填料自动沉落孔底并被挤密，直至设计要求高程；
（2）间断填料：
填料时先将振冲器提出孔口，倒入一定数量填料（一般填料高度1.0m左右），再将振冲器贯入孔中，将填料振捣密实；
（3）强迫填料：
利用振冲器的自重和振动力将孔上部的填料挟送到下部需要填料的地方。
连续填料时要求填料速度和数量能保持孔中不缺填料。
若缺乏填料或填料不足，振冲器在孔中振动和压力水冲刷，孔径不断扩大，难以加密成桩。
连续填料一般采用装载机作业。
30kW振冲器施工时也可采用手推车填料，但应组织足够多的车辆和人力以满足连续填料的要求。
间断填料时每次将振冲器提出孔口，比较适合采用手推车填料。
但因提放振冲器所用时间多，当孔的深度深时，填料较难沉落到孔底，施工效率低。
一般30kW振冲器，孔深在8m以内可采用间断填料方式。
强迫填料时要求振冲器在填料满孔条件下向下贯入，所受贯入阻力大，因此强迫填料一般只适用于大功率振冲器施工，同时要避免电流超过电机额定电流，而使填料不能达到需要加密地段。
1.4加密
加密分为填料加密和不填料加密。
填料振冲加密是将填入孔中的填料挤振密实，而不填料振冲加密则是完全利用地基土自身振动密实；加密是振冲法处理地基关键环节，加密控制标准基本上可分三种：
（1）填料量控制：
加密过程按每延米填入填料数量控制。
该标准适合均匀土质场地。
当场地土质变化大，强度不均匀，相同填料量加密后，地基在沿垂直方向和水平方向都不能达到均匀，加密效果会不很理想。
目前采用单纯填料量控制较少；
（2）电流控制：
按振冲器的电流达到设计确定值控制。
振冲器启动后在贯入土层前运行的电流称空载电流。
贯入土层中受土约束，为克服周围土阻力保持自由振动状态，振冲器运行电流就会升高，即电机输出功率增大。
周围土约束力越大，振冲器运行电流越大。
设计确定的加密电流实际上是振冲器空载运行电流增加某一增量电流值。
当采用统一的加密电流值，地基土松软就需要填入较多的填料量，反之，地基土坚硬填入填料量就少，地基处理后强度相对比较均匀。
由于制造或使用原因，相同型号的振冲器空载电流也有差别。
因此，在施工中设计确定的加密电流宜根据振冲器空载电流不同而适当增减。
这在多台机组处理同一建筑物时更应注意；
（3）加密电流、留振时间、加密段长度综合指标法：
采用这三种指标是为了使加密质量更有保证，因为加密效果不仅与加密电流值大小有关，也和达到该电流值维持时间长短有关。
留振时间是指振冲器达到加密电流后的振动时间。
加密段长度小效果好，段长大效果差，甚至产生漏振。
目前，振冲法处理已逐渐采用综合指标法标准控制。
由于采用加密电流、留振时间、加密段长度作为加密控制标准，填料数量由上述标准所决定，因此，填料数量仅作为参考标准。
若施工中出现填料数量过少，特别对于以置换性质为主的加固，应予以充分关注，当与设计要求相差比较大，应及时向监理报告，通过设计变更加密技术参数，增减填料量，保证工程质量。
无论采用哪一种加密控制标准，加密时均应从孔底开始，逐段向上，中间不得漏振。
根据工程经验，30kW振冲器、75kW振冲器常见加密技术参数见表6-3-1。
表6-3-1常见振冲加密技术参数
机型
加密电流
（A）
留振时间
（s）
加密段长
（mm）
水压
（MPa）
30kW振冲器
45~60
5~10
200~500
0.1~0.4
75kW振冲器
70~100
5~20
200~500
0.1~0.4
（4）加密结束：
先停止振冲器运行，后停止水冲。
施工过程中每一孔（桩）都必须有完整的原始记录，记录应及时、准确、字迹清晰，不得随意涂改。
2制桩顺序
对单项振冲法加固工程施工顺序可采用排打法、围打法、跳打法。
（1）排打法：
由一端开始，依次到另一端结束；
（2）围打法：
先施工外围的桩孔，逐步向内施工；
（3）跳打法：
一排孔施工完后隔一排孔再施工，反复进行。
一般情况下常采用排打法。
该法施工方便、难度小。
当地基为强度低的软粘土或易液化的粉土、粉细砂，可采用跳打法。
对中粗砂，围打法可以取得较好加密效果，但在孔距较小的情况下，采用围打法施工也可能出现地基土加密后造孔困难的情况。
当桩（孔）附近有建筑物时，宜先从靠近建筑物的一边开始施工，逐步向外推移。
3振冲加密
振冲加密指通过振冲法处理后地基土能获得比较明显的加密。
适用于振冲加密的土层有卵（碎）石类土、砂类土、砂质粉土、粉煤灰及由该类土组成的填土。
振冲加密根据是否添加填料及填料的性质可划分为就地加密和填料加密两类。
3.1就地加密
就地加密或称不填料加密，主要适用于卵（碎）石土、中粗砂层等。
由于土颗粒粗、渗透系数大，振冲施工时周围土不能形成明显的液化区，土颗粒之间保持骨架接触，能有效传递振动应力，使周围土体有效加密。
就地加密要点如下：
（1）在振动应力作用下，土颗粒向振冲器移动，地表形成坍落漏斗，随深度增加，振冲器电流上升。
当电流超过电机额定电流，加密深度受到限制时，通过增设外水管，加大水压或水量可在一定程度上增大造孔深度；增大振冲器电机功率也可有效增加造孔深度。
例如，30kW振冲器在中粗砂层造孔深一般为8m左右，75kW振冲器在松散中粗砂中加密深度可达20m；
（2）在该类土造孔时，为防止周围土过早被加密而影响造孔深度，造孔速度宜快，不宜慢；
（3）在地表层，由于周围土塌落量不足，电流值不能达到设计要求，可以用装载机、人工或水冲填入原地基土；
（4）在该类土造孔时，随深度增加塌落的土可能将振冲器的导管抱住，使振冲器不能向下贯入，施工中表现为开始振冲器贯入速度快，电机电流增大，以后贯入速度降低，电流降低，最后电流接近空载，不仅振冲器不再向下贯入，而且向上提拔振冲器亦困难。
此时需要采取一定措施，消除坍落土，避免抱住导管，振冲器仍有可能继续向下贯入；
（5）在卵（碎）石地层造孔，当振冲器出现上下颤动，表示遇到大孤石或基岩，应及时终止造孔，防止损坏振冲器；
（6）在该类土造孔，当电流超过电机额定电流，经反复冲击而不能继续深入时，表示该类型号振冲器已不能再向下贯入，应终止造孔。
3.2填料加密
填料加密指振冲时需要加入填料。
填料加密能获得良好效果的土类主要有粉细砂、砂质粉土、粉煤灰等及由这类土组成的填土。
在振动作用下这类土在振冲器周围产生液化区，液化区的存在使振动剪应力不能得到有效传递，周围砂土也不能获得加密。
填入粗颗粒填料能消除振冲器周围液化区，使振冲器振冲应力有效地加密周围的桩间土。
填料加密施工要点如下：
（1）填料应是振动作用下不发生液化的粗颗粒料，通常用卵（碎）石充填液化区，使振动剪应力能传递给周围土并获得加密；
（2）填料形成的桩柱强度高于加密后地基土，并和地基土组成复合地基，因此填料加密具有振冲置换性质；
（3）地基土颗粒细，缺少粘粒，在压力水作用下易被返水冲出。
因此，造孔和加密时水量宜
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