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冲法处理地基的原理及其工程应用综述

湖南文理学院学院

土木工程地质课程大作业

题目振冲法处理地基的原理及其工程应用综述

学生姓名杨福寿

学号201118010308

专业班级土建学院11103

指导老师李其林

2013年6月04日

振冲法处理地基的原理及其工程应用综述

1.《振冲法处理地基的原理》

振冲法，即通过振冲器产生水平或垂直方向振动力，并辅以压力水振密周围土体，达到提高地基承载力、增加地基稳定性、减少沉降量、提高抗地震液化能力的地基处理方法。

英文常表达为vibrocompaction或者vibroflotation等，国内亦称之为振动水冲法。

在众多的地基处理方法中，振冲法以加固深度大、效果好、操作简单、不用三材（钢筋、水泥和木材）以及工期短、成本低等优点被广泛用于加固软弱地基特别是砂土及吹填土地基。

利用疏浚出来的泥沙进行填海造陆，已成为很多沿海城市缓解土地资源紧张的有效途径。

但是，由吹填土构成的地基，强度、密实度很差，不能直接用于工程建设，所以对其进行地基处理加固就显得尤为重要，振冲法仍有广阔的应用前景。

具体操作是振冲器启动后，在很大的水平向振动力及端部射水的联合作用下，以每分钟0.5～3m的速度挤入地基中，下沉到加固设计标高。

清孔后，向孔内填入碎石或砂、砾石等填料，并向上逐段用振冲器挤密，使每段填料均达到要求的密实度，直至地面，使在地基中形成很多的地基土啮合的碎石桩体。

由于振冲器水平向振动力作用于四周土体，加之水的饱和，使四周的土体在径向一定范围内出现短暂时段的液化，使土的结构重新排列，从而大大减少地基土的孔隙而达到加固的目的。

2.《振冲法处理粘性软弱土地基的应用》

振冲法是用来加固松软土地基的一种较新的施工方法,尤其振冲置换法对于处理不排水、抗剪强度不小于20kPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土适应性较强,宜在地面建筑物和构筑物的松软地基处理中推广和应用。

1粘性软弱土地基的分析

粘性软弱土地基由于有天然含水量大、孔隙比大、压缩性大、抗剪强度低、透水性差等特点,地基土强度较低,特别是对于具有显著结构性质的淤泥质土,当荷载过大或者受扰动而引起土体结构破坏时,压缩性增加很多,土的强度会急剧下降,当建筑物或构筑物不能避开时,必须对地基采取有效的措施,使其满足工程建筑的要求。

若采用传统的换土垫层法施工,大面积换土往往施工非常困难,尤其是在地下水位较高、软弱土层较厚的地基土情况下,如果降水不好就无法施工,因此可以采取对软弱土层进行加固处理措施,提高地基土的加密效应,从而达到加固地基的目的。

2粘性软弱土地基处理的原理

用振冲法加固粘性软弱土地基,地基承载力高显著,其主要作用表现在:

（a）土体首先在振动力的作用下发生一系列的物理变化,土体抗剪强度随着振动的加速而降低,土体结构遭到破坏,土体在上部土体压力和振动力双重作用下,结构重新排列,使孔隙率减小,密实性显著增加;其次当灌入碎石填料时,通过振动器边振实边挤压,进一步增加了土体的密实度。

（b）密实的碎石桩取代了同体积松软的土体,起到了局部置换的作用,与振密的土体一起形成复合地基,改善了原有地基土的性能。

3工程实例

矿区铁路锅炉房,位于浊漳河一级阶地,由铁一院西安分院设计,建筑面积730m2,砖混结构,1992年开工建设,地基处理由陕西省第六建筑工程公司地基处施工,上部建筑由铁三局一处施工,1993年建成投入使用。

基础持力层为第四系全新统黄土质亚粘土,厚度8~9m,局部含透镜体细砂,其天然含水量2612%~3219%,孔隙比1~11040,饱和度8212%~100%,为饱和黄土,液性指数0184~1133,液限含水率2417%~3618%,压缩系数0152~1MPa,为高压缩性土,湿陷因数01001~01006,不具湿陷性,地基承载力为55kPa。

通过方案比选,采用了振冲法加固地基的施工方法。

3.《振冲法在液化地基的应用》

在可液化场地和地基土上进行工程建筑时,采用加强上部结构的常规抗震措施往往是很难见效的,甚至根本无济于事。

有效的措施是改善地基条件,防止地基土产生液化,特别是防止喷水冒砂和水土流失的发生。

采用桩基,把建筑物的荷载通过桩穿过可液化层,传到下面的稳定地层上,当然是一种可靠的办法。

但在许多场合,这个办法是不经济的;而用振冲法加固和改良地基,不仅可以提高土的力学强度,提高土的抗液化能力,而且可以改善排水条件,加速孔压力消散,防止水土流失。

由于振冲法效果显著,施工简单易行,经济上也比较合理,是一种比较理想的地基处理方法。

1.振冲法处理松软、可液化的地基,是一种有效的方法,且施工简便,经济合理,龙口发电厂是一个比较好的实例。

2.松软地基经过振冲加固后,密度增大,压缩性减小,强度及容许承载力显著提,因而满足了重型建筑物对地基的要求。

3.地震液化对建筑物的危害,主要在于喷水冒砂造成大量水土流失,利用振冲法设置排水井后,在加速孔压消散的同时,又改变了水的流向,即由向地表的竖向流变为向排水井的径向流,从而消除了喷水冒砂及水土流失的可能性。

4.由于土质条件的千差万别,目前尚难用一两种方法准确地、定量地计算振冲处理地基的效果。

我们认为,对于大型工程和缺乏经验的场地,采用多种方法进行现场检测和评价是必要的。

4.《振冲法在燃汽一蒸汽发电厂地基处理工程中的应用》

燃汽一蒸汽联合循环发电在我国是首次采用,其冷却塔地基采用振冲法加固方案,根据设计要求,环基和中央竖井区域复合地基承载力达到ZO0kPa,淋水构架、配水槽区域复合地基承载力达到170kPa。

根据场地的《岩土工程勘察报告》可知,本工程场地为原张家港市发电厂厂区,原有建、构筑物（含基础）已于2002年拆除,因此原始地形和地貌己被改观。

总体地貌单元属长江高河漫滩。

由于原老电厂主厂房、干煤棚、烟囱等建（构）筑物基础下布置有碎石桩,桩长一般在8~12m之间,桩径一般为0.9~0.95m,数量较多。

老电厂运行己有10多年,建（构）筑物下的地基土已基本固结,但2002年拆除的建筑物基础回填土为欠固结土,承载力较低,且易发生不均匀沉降。

张家港市华兴电厂为我国首家大型燃气发电厂,建设规模为2x395姗燃汽一蒸汽联合循环发电机组。

本工程中冷却塔、净水站等建（构）筑物采用振冲碎石桩复合地基,设计要求复合地基承载力特征值最大为20OkPa。

原场地主要持力层为淤泥质土,其承载力特征值为75kPa,经振冲处理后,复合地基承载力及变形模量等均满足设计要求,为振冲法在以后处理同类地基土提供了有益的实践经验。

5.《振冲挤密法加固砂类土地基在海岸工程中的应用》

为了有效控制软土地基上海岸建筑物的工后沉降和不均匀沉降,各种软基处理方法在海岸工程建设中得到了越来越广泛的应用。

结合海岸工程软土地基处理实例,对振冲挤密法的地基加固机理、加固砂类土地基时的设计参数、施工及加固后地基的检测等进行了探讨,结果表明,振冲挤密处理砂类土地基是行之有效的,并对今后的施工和设计提出了一些参考性建议。

振冲密实加固砂层的原理是:

一方面依靠振冲器的强力迫使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少;另一方面依靠振冲器的水平振动力,在加回填料的情况下,通过填料使砂层挤压加密,所以这一方法对于砂性土也称振冲挤密法在青岛港前湾港区三期工程1号~2号泊位工程中的应用为实例,对振冲挤密法的地基加固机理、施工工艺、加固后地基检测等进行了探讨,以期今后对海岸工程软土地基处理技术的应用和提高有所裨益。

6.《振冲法处理某闸基液化砂土工程应用》

振冲法利用振冲器的强力振动和高压水冲加固土体，可以达到提高地基承载力、减小建筑物地基不均匀沉降、消除地基液化的目的。

该法适用于处理砂土、粉土（特别是可液化的砂、粉土）、粉质黏土、填土等。

由于大量工业与民用建筑和水利、交通工程地基抗震加固的需要，振冲法得到迅速推广。

水利水电系统是我国较早引进振冲法地基处理技术的行业之一，许多大、中、小型水电水利工程采用振冲法地基处理技术后，获得了很好的经济效益。

但是在工程实际应用中，由于从业人员对振冲法处理地基的理解、掌握程度不一致，以及受施工设备的性能等因素影响，常导致振冲处理效果不能满足设计要求。

通过从振冲碎石法处理某闸基松散砂土未完全消除砂土液化问题这一案例出发，探讨分析出现振冲失效的可能原因，以期为今后工作提出警示，避免类似情况发生。

例如某平原区闸工程等级为Ⅱ等2级。

采用闸桥合一布置，闸室共7孔，每孔净宽12m，总净宽为84m，包括船闸、楼梯间共9孔。

闸室采用钢筋混凝土山字形结构，设计闸基底板顶高程15.77m，设计最大基底压力为170kPa。

主要建筑物地震设防烈度为Ⅷ度。

闸址区主要为第四系冲洪积地层，河床表层普遍分布厚度0.5～1.5m的淤泥层;其下为液化砂层，液化深度7～10m，局部为4m;下部为非液化砂层及粉质黏土层。

基础处理方案为将河底淤泥清除，换填砂砾料，达到压实标准后采用振冲碎石桩法与液化砂层一并进行消除液化和提高承载力的基础加固处理。

振冲碎石桩设计在闸室段和两岸边墙挡墙以及上下游铺盖，采用等边三角形布置，设计桩长10.5m。

振冲碎石施工采用功率为75kW振冲器，留振时间10～15s。

施工中局部地段振冲器贯入困难，实际振冲有效桩长为3.0～12.5m，与设计处理深度相差较大。

施工完毕后，对场区施工质量进行检测，结果为场地复合地基承载力特征值≥170kPa，满足设计要求，但场区局部地段饱和砂层仍存在液化问题、局部地段碎石桩桩身不密实。

考虑本工程的重要性，经专家讨论，对本工程地基处理采取了消除液化补救措施，即采用地下连续墙对饱和液化砂

土进行围封，最终造成工期延误及经济损失。

7.《振冲法处理油罐地基的应用》

石油化工系统是最早推广应用振冲技术的部门之一,其中以油罐地基处理最引人注目。

国内已有许多油罐地基采用振冲法处理,容积从几千到几万m3,目前最大为1215万m3。

（1）油罐地基油罐基础属特殊构筑物,对地基有特殊的要求。

地基土要有足够的强度。

1油罐底由钢板组成,罐底面积大,具有较大的柔性,要求地基提供与罐底应力相适应的反力。

2油罐基底面积大,在柔性地基土上,罐中心沉降大于罐底边缘。

罐底中心与边缘沉降差必须控制在罐底结构变形的允许范围内,以防造成结构破坏。

3油罐可承受比较大的沉降量。

地基有大的沉降可预先提高基础解决,但油罐建成投入使用后,不能有过大的沉降,以防与管路系统联结产生困难。

4油罐允许总沉降量较大,但对不均匀沉降要求很严。

5石油化工圆形钢板焊接储罐设计规范6中规定,沿罐壁圆周方向任意10m弧长内的沉降差应不大于25mm。

（2）振冲法处理适用性探讨

振冲法处理油罐地基是行之有效的方法之一。

目前建成10万m3的大型储罐已达40多个。

振冲法处理油罐地基的适用性和优越性有以下几个方面:

1提高地基强度:

振冲法处理地基可使无凝聚性土,如砂类土、碎石土、砂质粉土、粉煤灰等得到加密,提高地基土强度。

振冲法处理粘性土地基主要依靠强度高的碎石桩与周围土组成复合地基提高地基强度,一般可提高一倍以上。

2改善地基不均匀性:

振冲法用电流控制地基的质量。

当地基内土强度低时,需要填入较多的石料;反之,填入较少石料。

通过填入石料的多少可使处理后的地基土减少不均

匀性,这是振冲法处理地基的优点之一。

3消除液化土层:

振冲法将砂土加密具有的抗震防液化效果已为工程界认同,并且得到日本大地震的多次证实。

如新泻发生6级强烈地震时,有2个地基经过振冲法处理的2万m3的油罐,储油基本满罐,振后地基均匀沉隐降2~3cm,不影响继续使用。

而附近未经处理的油罐则产生严重倾斜。

4排水固结作用:

大量工程实例证实,振冲法在软粘土中设置的碎石桩有良好的排水效果。

韩杰、叶书麟研究认为,考虑井阻和涂抹作用后,碎石桩地基可按固结排水原理进行沉降计算。

5调整油罐中心和边缘沉降差:

油罐以均布荷载作用于柔性地基,油罐中心沉降量大、边缘小。

振冲法处理油罐地基可以在中心部位减少桩距或增加处理深度,以减少油罐中心和边缘的沉降差。

8.《无填料振冲法处理新近吹填粉细砂地基的工程应用》

1无填料振冲法加固地基原理

振冲器在加固砂土时，砂土结构遭到破坏，出现砂土液化现象，砂土液化以后，在上负荷重力和振动作用下，砂土颗粒又重新排列，使砂土孔隙比减少，相对密度增加，液化消除、承载力提高。

具体分析如下。

在动荷载作用下砂土抗剪强度为:

τ=（σ－Δμ）tgφ式中σ———砂土所受的正应力;Δμ———砂土所在位置的超静孔隙水压力;φ———砂土的内摩擦角。

当振冲器在加固砂土时，Δμ不断增长，使Δμ趋近σ，此时导致砂土抗剪强度为零。

砂土结构遭到破坏，出现砂土液化现象。

砂土液化以后，在上负荷重力和振动作用下，砂土颗粒又重新排列，使砂土孔隙比减少，相对密度增加，承载力提高。

2无填料振冲加固法的应用条件

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79－2002）第七章第一节第7．1．1条“不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基。

”对于处理粉细砂地基无填料振冲法在规范没有进行说明。

在唐山港曹妃甸港区煤码头（二期）（新近吹填区域）粉细砂地基进行处理中采用了无填料振冲施工工艺，消除了地基液化，提高了承载力，减小长期地基变形，取得了成功的经验。

并对采取不同桩距的地基承载力的提高进行了统计，可为以后类似工程提供借鉴。

（1）采用无填料振冲处理粉细砂类土地基的方法，对提高地基承载力、消除液化地基液化的效果毋庸置疑。

它的突出优势在于处理深度深，，从上到下处理深度内，砂的密实度都得到了提高，消除了大部分后期沉降。

采用常规的强夯法、“塑料排水板+强夯”，无法处理消除如此深度的地基液化。

（2）无填料振冲与传统填料振冲相比，具有不需石料、排污少、施工简便、施工效率高、施工工期短等优势。

（3）含泥量的大小对施工参数和地基加固质量有较大的影响，采用无填料振冲法进行粉细砂地基加固，必须先在典型区域做试验区，验证有关技术参数及无填料振冲在本场区的适用性。

（4）本工程的成功实施，为无填料振冲法在同类地基中的推广应用及相应规范的制定或修改提供了一些成功的经验。

9.《振冲碎石桩法在某内排土场地基处理中的应用》

1.工程概况

某煤矿位于内蒙乌兰木伦镇,原始地貌为丘陵山区，呈北高南低，因露天煤矿开采，采煤后随意回填剥离土体，现场区内以回填土为主，回填期限约为2年，回填时间较短，厚度大，土质不均，未完成自身沉降，具有高压缩性。

拟在回填土地基上建设1号封闭圆形储煤场，储煤能力为7.5万t。

经论证，回填土地基不能直接作为天然持力层，需对回填土地基进行地基处理，当承载力满足设计要求后，方可作为持力层。

本工程采用振冲碎石桩法进行地基处理。

振冲碎石桩处理地基土具有多种功效，既能提高地基土的承载力与稳定性，减少沉降与不均匀沉降，还能增加地基土的抗震性能，尤其对阻抗地震液化更具有显著的效果。

因其施工简单、工期短、造价低廉、适用性较广等特点而被广泛应用于各种地基土的地基处理。

2加固地基原理

振冲碎石桩，对于不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实等加固作用。

施工中振冲孔内加填的碎石（或卵石等）回填料，形成密实的振冲桩，在粘土地基中主要起置换作用；在中细砂和粉土地基中除置换作用外还有振实挤密作用；在回填土地基中主要靠桩的挤密和振密，使桩周土的密实度增大，桩和桩间土形成复合地基，从而使地基的承载力提高，变形减少，压缩性降低，并可消除土层的液化。

振冲桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时可按下式估算

（1）：

Fspk=mFpk+（1-m）Fsk

（1）：

m=D^2/De^2

（2）：

式中：

fspk—振冲桩复合地基承载力特征值，kPa；

Fpk—桩体承载力特征值，宜通过单桩载荷试验

确定；Fsk—处理后桩间土承载力特征值，宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地承载力特征值；

m—桩土面积置换率。

D—桩身平均直径，m；

De—一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径。

10.《振冲碎石桩与强夯法组合处理软弱地基的工程应用》

振冲碎石桩法是处理软弱土地基,如饱和软黏性土、淤泥质土、素填土和冲填土等的一种行之有效的方法,通过对软土地基振冲置换,加速地基土的排水固结,从而达到加固地基土、提高地基土强度和抗滑稳定性。

强夯法也是一种加固软土地基的有效方法,利用其强大的夯击能力将土体表面及其一定深度内的土体夯实,提高地基土承载力和稳定性。

经振冲碎石桩处理后的软弱地基土的表层土承载力偏低,经对其表面进行强夯法处理,取得了良好的加固效果,使得地基深层和表层土强度都得到很大的提高,弥补了振冲碎石桩法表层处理效果的不足,值得在类似工程中推广。

大连港大窑湾二期集装箱码头位于大连市金州区大窑湾南岸,是大连港集团的一项重点工程,该项工程中的15、16号泊位是两个重型泊位,也是国家重点工程。

其软基处理工程采用了多种不同地基处理方法,振冲碎石桩+强夯组合处理法是其中主要的施工方法之一。

总结：

通过以振冲法地基加固处理为研究对象,对各类适用于振冲法加固的地基进行了深入的探讨,对振冲法加固地基的加固原理、加固方法及适用范围进行研究与概述,结合实际生活中地基的特征、特点、设计与施工方法进行了验证，,并获得了一些具有理论意义和实用价值的成果下:

运用地质工程与岩土工程科学中的应力应变方法和理论,对振冲不同种的地基处理加固方式分别描述,将我国各地的适用振冲法加固的地基进行了适当分类,为以后各地在不同地质条件下振冲处理的效果及施工提供综合性的理论和经验。

另外通过本文描述和查阅相关资料可将上述所讲总结为一下几点：

（1）振冲法处理饱和松砂和软土地基是一种行之有效的方法,其作用机理清楚,加固效果良好。

实践经验说明振冲法是一种经济性好、适用范围较大的地基处理方法,应用得当会取得满意的效果。

（2）采用重型动力触探方法对振冲碎石桩施工进行跟踪检测,具有方法简单、灵活、费用低廉的优点,是施工质量检测的有效手段。

（3）比较而言,大功率振冲器有对地层和填料规格适应性强、加固效率高等优点,因而具有更高的经济效益。

（4）振冲碎石桩填料粒径应本着宜粗不宜细的原则选用,填料粒径过小,不仅影响施工速度,施工质量也不易保证。

（5）对粘粒含量较高的粉土和粘性土地基,尤其对饱和软粘土地基,从施工难度、速度和加固效率比较,采用CFG桩或深层搅拌复合地基等可能会取得更好的效果。

参考文献

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