无填料振冲法在人工岛地基处理中的应用

赵玉田

（上海交通建设总承包有限公司 中国 上海 201913）

1 无填料振冲加固机理

振冲法是利用振冲器的强烈振动和压力水冲贯入到土层深度，使松砂地基加密，或在软土层中填入碎石等无凝聚性粗颗粒，形成强度大于周围土的桩柱并和原地基土组成复合地基，以提高地基整体强度的加固技术。目前振冲法加固砂土类地基主要有无填料加固和填料加固两种方法。本文主要研究和总结无填料振冲法对于地基加固的适宜性和有关工艺参数。

砂类土振冲加密，简单地说就是利用松砂在振动荷载作用下，颗粒重新排列，体积缩小，变成密砂的特性。

在动荷载作用下砂土抗剪强度为：

式中σ——砂土所受的正应力

Δμ——砂土所在位置的超静空隙水压力

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，使砂土空隙比减少，相对密度增加，承载力提高。

2 工程及地质概况

2.1 项目工程概况

冀东油田人工岛工程主要用于采油作业。陆域形成后，将进行桩机打桩及钻机钻井作业，最大干重荷载1540吨，井架高度45.2米，要求人工岛地基具有较高的地基承载力和较小的工后沉降。由于吹填土颗粒较细，且系吹填成陆，砂体处于松散～稍密状态，承载力低，结构比较松散，地基承载力不能满足设计要求，在地震力作用下，吹填砂质粉土极易发生地震液化并导致地表产生过大沉降及不均匀沉降，影响钻机作业及后续结构安全和使用功能。因此必须对吹填砂层进行密实加固，提高密实度（达到中密），消除液化，提高承载力，减小工后沉降，满足人工岛陆域正常使用要求。

2.2 项目地质概况

（1）淤泥质粉质粘土：灰色～灰黑色，饱和～过饱和，流塑状态，含水量较高，成分不均匀，含有机质，有腥味，含有少量贝壳碎片，局部夹有粉砂、粉土薄层。

（2）粉土：灰～深灰色，饱和，中密状态，含少量的贝壳碎片，其含量不均匀，局部夹粉砂。

（3）粘质粉土：灰～深灰色，饱和，软可塑状态，分选较好，均匀，有时以粉土为主，无粘感，含少量贝壳碎片。

（4）粉砂：灰色～灰黑色，饱和，松散～稍密状态，含少量贝壳碎片，含量不均匀，含少量粉土。

人工岛吹填用砂为以上4种土的混合体，其中以粉砂为主。在吹填施工中对砂源质量按设计要求进行了质量抽检，砂料粒径≥0.05 mm 的颗粒含量≥50，粘粒 (d＜0.005mm)含量≤10；吹填中土质均匀，未出现淤泥包。

2.3 地基处理要求

（1）抗地震液化要求：满足抗震设防烈度7度（设计基本地震加速度值为0.18g）抗震设防要求。

（2）承载力及工后沉降要求：

1）地基承载力要求：地基承载力特征值fak≥150kPa。

2）工后沉降要求：工后沉降不大于20cm。

2.4 地基处理方案

适用振冲挤密法处理的土质主要是松散砂性土，粒径小于0.005mm的粘粒含量不超过10%，可得到显著的挤密效果。但对于吹填砂混合软粘土淤泥土夹层的地基，振冲密实效果将明显降低。不适用于加固粘性土。 适用于深层地基加固，一般加固深度可达15～18m。地基承载力≥150kPa，消除地震液化，满足使用要求。

根据本工程实际情况，采用无填料振冲方法对浅层地基及吹填砂层进行地基处理较为经济合理，振冲处理后，表层有约1～2m后的松散层，采用振动碾压法进行压实。

3 振冲设备及施工要点

3.1 振冲器型号选择

选择适合于粉细砂特性的振动力和振动频率。一般来说，振动力越大，影响距离就越大。但过大的振动力，扩大的多半是流态区而不是挤密区。因此，根据吹填砂的动力特性，选择合适的振冲器，一般采用ZCQ30、ZCQ45和ZCQ75型振冲器。

3.2 加固深度

海油陆采工艺通常来讲，适用于浅海海滩，滩面标高在-5.0m以上，吹填砂土层厚度大约在8m～12m之间，比较松散，不能满足地震荷载抗液化要求，地基处理须贯穿该层。天然地基在吹填期将会出现一定的沉降，固结度将有所提高，人工岛天然地基表层处理深度视地质情况而定。人工岛深部土层参考《建筑场地抗震设计规范》（GB50011-2001）4.3.3条当du＞d0+db-2时可不考虑液化影响，du为上覆非液化土层厚度，d0液化土的特征深度，7度土质为砂土时取7m，db基础埋置深度，不超过2m时应采用2m，由此可见满足规范要求，可不考虑其深部土层液化影响。

根据人工岛经验，地基处理加固深度一般在10m～15m之间。

3.3 振冲方式和振冲点布置

针对粉细砂的工程特性，常用的方式为单机振冲、双机共振和三机共振。研究结果表明，虽然双机共振及三机共振区的振冲间距（2.5 m）较单机振冲区（2.0 m）大，但其加固效果明显好于单振区的加固效果，其中三机共振区效果最佳。这说明振冲器和粉细砂层共振的形成有利于放大土层的振动响应，对提高粉细砂土的加固效果和扩大挤密区作用是显著的。考虑到施工的难易性，视施工班组的素质，具体施工时在双点共振和三点共振工艺中进行选取，不但可以有效提高加固效果，而且还可以有效提高施工效率，降低施工工期。

振冲点布置有两种：正方形或矩形布置和等边三角形布置（见下图）。前者主要用于单独基础、条形基础等小面积加固，后者主要用于大面积满堂加固。

桩位布置

4 施工工艺及施工参数

4.1 施工准备

（1）施工现场要保证三通一平，即水通、电通、料通和场地平整。

水通：一方面要保证供应施工中所需的水量，另一方面也要把施工中产生的泥水开沟引走。压力水由水泵送出通过胶管进入各个振冲器的水管。每个振冲器的管线上应设置一个阀门，以便按需要随时调节水量。各施工车产生的泥水应通过明沟集中引入沉淀池。沉淀后的清水可以重复使用。

电通：施工中需要三相和单相两种电流。施工时用三相电源，电压为380±20V，电压过低或过高都会影响施工或者损坏振冲器的潜水电机。如果要进行夜间施工，需在现场布置照明系统。

料通：对于无填料振冲，无需填料，所以没有运料路线的要求。

场地平整：以保证施工机械正常行走为标准。

（2）施工前根据施工区域坐标及控制点，测放施工区具体位置。用木桩定出施工区域的每个角桩，并根据50m×50m（2500m2）划分施工小区，并用10m×10m方格网测量施工小区的初始标高。

4.2 振冲法施工技术参数

（1）振冲设备采用

ZCQ-30振冲器和ZCQ-75振冲器

采用多点共振法。（图1）

图1 振冲施工设备、动力及仪表系统示意图

（2）施工参数一览表 （表1）

表1 地基处理参数一览表（以1号人工岛一般建筑物区为例）

4.3 振冲法工艺流程

（1）振冲法施工流程

（2）建立施工测量控制网，进行振冲前各小区的振前标高测量，将各施工小区划分成10m×10m井字形布置测量点，计算出施工小区振前平均标高,振后以同样方式进行复测，以取得振冲地基处理的沉降值。

4.4 振冲施工方法

（1）灌水：施工前2h～3h对将要施工的试验小区进行灌水，使表层充分含水，以便改善上部砂土振冲效果。

（2）对准振冲孔位，误差不超过半个振冲器直径。

（3）振冲施工成桩：

①慢速振冲下沉至桩底，留振60s；

②慢速振冲上拔至孔口处，留振120s；

③慢速振冲下沉至桩底以上0.5m处，留振30s；

④慢速振冲上拔0.5 m，留振l0s；

⑤依次类推，每段上拔0.5m，每段留振l0s；

⑥直至孔口处，再留振60s；

⑦再次振冲下沉至桩底以上1.0m处，留振20s；

⑧慢速振冲上拔0.5m处，留振l0s；

⑨依次类推至孔口，每段上拔0.5m，每段留振10s；

⑩成桩结束，关闭水泵及振冲器，移至下一根桩。

（4）施工结束后，必须进行表层振动碾压处理。 振动碾压的激振力不小于270kN，稳压一遍，振动碾压4遍。

图2 振冲施工过程图

4.5 振冲法施工机械配备

（1）测量仪器配置

表2

（2）振冲设备配备表

表3

施工中应严格控制质量，不漏孔，不漏振，确保加固效果。必须强调指出，如在施工中发生底部漏振或电流未能达到控制值从而造成质量事故，在施工后很难采取补救措施，这是因为上部砂层已经振密，再用振冲补孔十分困难。

无填料振冲法现场施工

5 质量控制

施工过程中质量控制要素主要有：桩位偏差、施工深度、施工技术参数的控制。

5.1 桩位偏差控制

造孔过程中发生孔位偏移原因及纠正方法如下。

（1）由于土质不均匀，造孔时易向土质软的一侧偏移。纠正方法可使振冲器向硬土一侧对桩位并开始造孔，偏移量多少在现场施工中确定；

（2）振冲器导管上端横拉杆拉绳拉力方向或松紧程度不合适造成振冲器偏移。纠正方法调整拉绳方向和松紧度；

（3）当制桩结束发现桩位偏移超过规范或设计要求时，应找准桩位重新造孔至偏移处，加密成桩。

5.2 孔深控制

（1）在振冲器和导管安装完后，应用钢尺丈量并在振冲器和导管标出长度标记，一般0.5m为一段，使操作人员据此控制振冲器入土深度；

（2）应了解地面高程变化情况，依据地面高程确定应造孔的深度；

（3）施工中当地面出现下沉或淤积抬高时，振冲器入土深度也要做相应的调整，以确保成桩长度。

5.3 施工技术参数控制

施工技术参数有加密电流、留振时间、加密段长、水压。

施工技术参数控制时应注意下列事项：

（1）为保证加密电流和留振时间准确性，施工中应采用自动控制装置。在振动条件下使用，设定的加密电流值，留振时间可能发生变化，应及时检查；

（2）施工中应确保加密电流、留振时间和加密段长都已达到设计要求，否则不能结束一个段长的加密；

（3）应定期检查电气设备，不合格，老化，失灵的原器件应及时更换。

天气也是影响施工的重要因素，振冲施工受自然条件影响较大，生活物资以及机械用油都需要海运。由于人工岛属于孤岛，施工条件较差，所以岛上应备有储油罐和储水罐，以备天气恶劣时船舶无法出行，物资无法运到人工岛，避免机械无油影响施工的情况发生。

6 检测

6.1 检测目的及标准

标准贯入检测

（1）满足抗震高防列度7度(0.185g)的要求；

（2）静力触探：砂土锥头阻力不小于5MPa，粘性土锥头阻力不小于1.2MPa；

（3）砂性土、粉性土标贯：0～4m不小于13击，4～8m不小于16击，8～10m不小于20击；

（4）地基承载力特征值fak≥150kPa。

6.2 具体要求

（1）检测在振冲施工结束后14天之后进行。

（2）对地基处理区域采用标准贯入法进行检验，检验密度轨道梁区域可取2000平方米一个测点，堆场区可取3000平方米一个点，具体可根据地基均匀程度适当调整，检验点应具有代表性，并选在振冲点围成的区域形心处及振冲点的中心处。

（3）标准贯入实验间距为1m。

（4）要消除处理深度范围内土层的液化问题，并对复合地基承载力进行估算。

7 结语

无填料振冲法具有工艺简单、经济实用、效果显著等优点，结合在人工岛的地基处理工程实践，表明无填料振冲法加固饱和吹填粉细砂地基效果良好，为类似地基处理提供了很好的参考依据。

［1］软土地基处理技术.中国交通建设继续教育系列教材.

［2］陈希哲.土力学地基基础.清华大学出版社.