振冲碎石桩在青藏±400 kV格尔木换流站工程中的设计与检测效果

胡丰，简政，郎旭海，张媛

（1.西北电力设计院，陕西 西安 710075；2.西安理工大学，陕西 西安 710048）

振冲法（Vibroflotation）是利用振动和水冲相结合、加固土体的一种方法，它以压力水的水冲作用和振冲器对土体的震动作用成孔，再将石块、砂砾等散粒材料挤压入孔中，形成大直径的密实桩体，桩体与原地基土体一起构成复合地基。最早于1937年，德国凯勒公司制造出具有现代振冲器形式的锥形振冲器，用来处理一幢建筑物的松砂地基，并取得了显著的加固效果，从而得到大力推广。我国应用振冲法地基处理始于1977年，因其处理效果较好，施工简便，工期短，造价低，在工业民用建筑和水利、交通工程中得到迅速推广。

青藏±400 kV格尔木换流站站址位于青海省格尔木市中心以东约24 km的戈壁滩上，站址区内及其附近分布有厚度不等的风积砂，局部为沙丘，地基土层基本为粉细砂，且厚度较大。本文就青藏±400 kV格尔木换流站工程采用振冲碎石桩进行复合地基加固处理站内粉细砂土层的实例，介绍了其地基处理方案确定过程、振冲碎石桩地基处理设计中各项设计参数的确定原则，并结合规范，对振冲碎石桩复合地基承载力的计算方法进行了分析和探讨。同时，对桩基的检测数据进行整理和图表分析，从而对振冲碎石桩的处理效果进行分析、评价和研究。

1 工程及地质概况

青藏±400 kV格尔木换流站是连接青海和西藏“电力天路”的枢纽工程，建设意义重大。站址的宏观地貌单元为冲洪积平缓倾斜平原，现为戈壁滩，无植被。站址区所揭露的地层为第四系全新统、上更新统冲洪积相的粉砂，局部夹角砾、砾砂、粗砂透镜体。根据地质成因、物理力学性质及密实度，共分为2个大层。各层岩土的岩性特征描述如下。

①粉细砂（Q4al+pl）。褐黄色，稍湿，稍密，混少量砾石。矿物成分主要为石英、长石、云母及一些暗色矿物。该层厚6～10 m。承载力特征值fak=100 kPa。

①-1角砾（Q4al+pl）。杂色，稍湿，中密。母岩成分主要为花岗岩及一些深色变质岩等，该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.5～2.0 m不等。承载力特征值fak=250 kPa。

①-2砾砂（Q4al+pl）。杂色，稍湿，稍密—中密。成分主要为花岗岩及一些深色变质岩碎屑。该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.3～0.5 m不等。承载力特征值fak=200 kPa。

①-3粗砂（Q4al+pl）。杂色，稍湿，稍密—中密。母岩成分主要成分为长石、石英、变质岩碎屑等。该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.3～1.0 m不等。承载力特征值fak=200 kPa。

②粉细砂（Q3al+pl）。褐黄色，稍湿，中密，混少量砾石。承载力特征值fak=180 kPa。

②-1角砾（Q3al+pl）。杂色，稍湿，密实。含砾石，母岩成分主要为花岗岩及一些深色变质岩等。该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.5～1.5 m不等。承载力特征值fak=250 kPa。

②-2砾砂（Q3al+pl）。杂色，稍湿，中密。母岩成分主要为花岗岩及一些深色变质岩碎屑。该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.5～1.5 m不等。承载力特征值fak=200 kPa。

②-3粗砂（Q3al+pl）。杂色，稍湿，中密。母岩成分主要成分为长石、石英、变质岩碎屑等。该层成层不稳定，分布深度无规律，厚度0.5～1.0 m不等。承载力特征值fak=220 kPa。

2 地基处理设计方案选择

针对本工程地质特点，地基土基本为粉细砂，厚度较大，对站区内地基土进行的室内溶陷试验，显示有一定的溶陷性。因此，从提高地基土承载力、降低变形和防止盐害（主要是溶陷性）的角度，需要对站内建构筑物进行地基处理，以满足站内建构筑物的地基要求。

2.1 本工程地基处理的难点

针对青藏±400 kV格尔木换流站工程的具体特点，地基处理的难点主要有：

1）本工程的施工工期非常紧张，地基处理于2010年8月大面积开工，而格尔木地区属于高海拔、高寒地区，进入11月天气将极为寒冷，对现场施工将造成极大不便，因此，对地基处理的施工速度要求极高，需要选用施工简便、快捷的地基处理方案。

2）站址区地基土土质较为特殊，基本为粉细砂，厚度较大，土质含水量小，在施工机具、施工过程中造成砂土扰动，将破坏砂土天然结构，降低砂土强度，增加变形，原本稍密的粉细砂变得松散，甚至产生不良岩土问题。因此，地基处理方案的选择必须考虑这一特殊情况。

3）站址区地基土中有①-1角砾（Q4al+pl）、①-2砾砂（Q4al+pl）、①-3粗砂（Q4al+pl）3个亚层，最大厚度达到3 m左右，如采用长螺旋钻钻孔、管内泵压成桩等工艺，造孔成桩时，难以穿透3个亚层，使桩基施工受到极大影响，影响工期。

2.2 设计方案选择

换流站建（构）筑物地基处理方案合理与否，不仅直接影响到换流站土建投资水平的高低，同时，地基处理方案的好坏也将影响换流站的安全运行和建设周期。因此选择适合本工程具体工程地质条件、经济合理的地基处理方案，对工程的设计来说是一项十分重要的工作。由于站内地基土层中含有①-1角砾（Q4al+pl）、①-2砾砂（Q4al+pl）、①-3粗砂（Q4al+pl）3个亚层，分布不均匀，埋深浅，且厚度大，采用正常的桩基处理方案，难以造孔成桩，因此，对于站内重要的建（构）筑物，如阀厅、控制楼、户内直流场、检修备品库、综合办公楼、直流场构架等，考虑其上部结构型式及受力特点、重要性以及对基础沉降的敏感程度等因素，采用振冲碎石桩复合地基处理方案。

振冲法适用于砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基，是以起重机吊起振冲器，启动电机后带动偏心快，使振冲器产生高频振动，在边振边冲的联合作用下，将振冲器沉到土中预定深度，经过清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石，每段填料均在振动影响下被振密挤实，达到要求的密实度后，提升振冲器，开始下一段填料，如此重复填料和振密，直到设计桩顶标高，从而在地基中形成一个大直径的密实桩体。此法对砂类土效果最好。其对不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实等作用。对黏性土主要起到置换作用，对中细砂和粉土除置换作用外还有振实挤密作用。在以上各类土中施工都要在振冲孔内加填碎石（或卵石、砾石、粗砂等其他无腐蚀性的硬质材料）回填料，制成密实的振冲桩，而桩间土则受到不同程度的挤密和振密。桩和桩间土构成复合地基，使地基承载力提高，变形减少。

3 振冲碎石桩设计与计算

3.1 设计参数的确定

针对本工程，采用振冲碎石桩复合地基处理，需要处理的是①粉细砂土层，主要是从挤密的角度出发，考虑地基加固中的设计问题，首先根据工程对地基加固的要求（如提高地基承载力，减少地基变形等要求），确定碎石桩加固后要求达到的密实度和孔隙比，从而考虑桩位布置形式和桩径大小，再计算桩间距和桩长。

1）加固范围。加固范围应根据建筑物的重要性和场地工程地质条件确定，通常应大于基底面积。对一般地基，在基础外缘宜扩大1～2排桩；当为消除地基土液化时，宜在基础外缘扩大2～4排桩。

2）桩位布置。对大面积满堂处理，桩位宜采用等边三角形布置；对独立或条形基础，宜用正方形、矩形或梅花形布置。

3）桩径。振冲碎石桩的桩径可根据工程要求、地基土质情况和成桩设备等因素确定。采用ZCQ-30型振冲器成桩时，桩径一般为0.8～1.0 m，采用ZCQ-75型振冲器成桩时，桩径一般为0.9～1.5 m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。

4）桩间距确定。桩间距应根据上部结构荷载大小和地基土层地质情况，并结合所采用的振冲器功率大小综合考虑，荷载大或对黏性土宜采用较小的桩距，荷载小或对砂土应采用较大的桩距。

当为砂土时，振冲密实桩的桩间距可按规范[1]给定的计算公式确定，该公式根据振动密实后要求达到的孔隙比估算其间距：

其中，s为桩间距，m；η为形状系数，根据桩位布置形式，按有效影响圆面积经计算得出，三角形布桩时为0.952，正方形布桩时为0.886，梅花形布桩为1.254；Ψ为考虑局部颗粒冲失影响的经验系数，粗砂为1.00，中砂为0.90，细砂为0.80，粉砂为0.70；d为桩径，m；e0为砂土的天然孔隙比；e1为地基处理后要达到的孔隙比；emax为天然砂土的最大孔隙比；emin为天然砂土的最小孔隙比；Dr为地基处理后要达到的相对密度，可取0.70~0.80。

振冲置换桩的桩间距目前尚无计算公式，可按经验值进行设计。采用ZCQ-30型振冲器成桩时，桩间距一般为1.3～2.0 m；采用ZCQ-55型振冲器成桩时，桩间距一般为1.4～2.5 m；采用ZCQ-75型振冲器成桩时，桩间距一般为1.6～3.0 m，并通过试桩最终确定。

5）桩长的确定。振冲碎石桩的桩长一般按下列原则进行确定。

①在黏性土地基中，应按建（构）筑物的允许沉降量及地基下卧层承载力验算结果确定。

②如相对硬层埋深不大，则桩体可贯穿整个软弱土层，直达相对硬层，此时桩体在荷载作用下主要起应力集中的作用，从而使软弱土负担的压力相应减少，与原天然地基相比，复合地基的承载力有所提高，而压缩性也有所减少。

③当相对硬层的埋藏深度较大时，对按变形控制的工程，加固深度应满足碎石桩复合地基加固后变形值不超过建筑物的地基变形允许值，并满足软弱下卧层承载力的的要求。

④对按稳定性控制的工程，桩体深度应不小于最危险滑动面的深度。

⑤在可液化地基中，桩长应按处理液化层厚度确定，满足抗液化要求。

⑥另外，试验表明，桩体在受荷过程中，在桩顶4倍桩径范围内将发生侧向膨胀，因此设计深度应大于受荷深度，桩长不宜小于4 m。

初步设计时，采用ZCQ-30型振冲器，根据上部建（构）筑物结构荷载大小、地基土层地质情况，桩位采用等边三角形布置，桩径0.8 m，桩间距1.8 m，桩长以伸入相对硬层（②层粉细砂）1 m来控制，则桩体可贯穿整个①层粉细砂，桩长约为5~12 m。

3.2 复合地基承载力计算方法分析

对于均质地基和桩基础的承载力和变形计算，理论研究较多，但对复合地基承载力和变形计算理论及复合地基设计理论的研究，目前还较少。由于复合地基的种类多，性质各异，加大了研究的难度。因而，在加强工程实践的同时，需分析实测资料，从而更好地推动复合地基理论研究系统的发展，进而提高复合地基的应用和普及。本文对振冲碎石桩复合地基承载力进行分析，得到一些有益的结论，供设计和工程实践参考。

振冲碎石桩复合地基承载力计算方法通常有2种思路：一种是先分别确定桩体的承载力和桩间土的承载力值，再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力值；另一种是把桩体和桩间土组成的复合土体作为整体考虑，确定复合地基的容许承载力，主要是通过复合地基滑弧稳定分析法确定复合地基承载力值。目前国内常用的计算方法，如规范[1-2]给出振冲桩的复合地基承载力计算公式均采用前一种思路，即面积比法、应力比法。

1）面积比法。计算公式为

式中，fspk为振冲碎石桩复合地基承载力特征值，kPa；fpk为桩体承载力特征值，kPa；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa；m为桩土面积置换率；d为桩径，m；de为单桩等效影响圆的直径，m。

此计算方法的重点在于确定桩土面积置换率，即公式中m值，通过计算确定的m值，将单桩载荷试验确定的fpk值与fsk值进行叠加。计算所得的复合地基承载力特征值与实际检测值较为接近，在工程中应用较多。

2）应力比法。计算公式为

式中，n为桩土应力比；Sv为桩间土的十字板抗剪强度，也可用处理前地基土的十字板抗剪强度代替；其他参数意义同面积比公式。

应力比法的关键在于确定复合地基在荷载作用下桩土应力比n值，在无实测资料时，可凭经验数值确定，一般取2~4，天然地基承载力低时，取大值，反之则取小值。

由后一种思路得到的计算方法称为稳定分析法，采用圆弧分析法进行计算，分为加固区和未加固区。强度分区计算，采用不同的强度指标，通过一系列参数进行计算。

此外，还有郭蔚东、钱鸿缙根据鼓胀破坏模式，运用塑性能量法，提出计算复合地基承载力的计算方法，以及程家庆提出的复合地基接触应力的近似计算公式。

以上几种计算方法除面积比法、应力比法在工程计算中应用较多外，其余的计算方法多用于复合地基的理论计算与研究，在工程设计中的实际运用较少。因此，规范[1-2]中也仅罗列此2种方法，通过确定桩体承载力和桩间土承载力，可计算出复合地基承载力特征值。在无现场实测资料，进行初步设计时，可通过应力比法大致计算出复合地基承载力特征值，供设计计算时参考。

4 试桩及效果检测

工程试桩时，一组试桩共25根，桩位采用等边三角形布置，桩径0.8 m，桩间距1.8 m，桩长6 m。桩位布置及检测试验位置图见图1。

图1 试验桩桩位布置及检测试验位置图Fig.1 Test pile layout and testing location diagram

4.1 桩间土标准贯入试验

为取得振冲碎石桩施工前后地基土的强度变化情况，在载荷试验完成后进行了3点标准贯入试验，试验点均选在正三角形布桩的形心处。1～3 m平均击数11.8击，稍密，3～7 m击数22.7击，中密。将各试验区打桩后的标贯击数同试区附近的施工图阶段钻孔标贯击数比较，显示标贯击数稍有提高，但幅度不大。

4.2 桩身动力触探试验

桩身重型动力触探共3点，采用连续贯入方式进行，至深度4.0 m左右贯入，阻力过大，出现反弹，测试深度4.0 m左右。测试数据显示，深度变化较明显，深度0.0～1.4 m以上平均击数小于20击，为10～20击，中密；1.4～4.0 m平均击数大于20击，为20～39击，密实。总体来看，桩身振密效果较好。

4.3 剖桩试验

剖桩2个，剖桩较困难，受施工条件、安全等因素的影响，剖桩深度2.0～3.0 m，从所剖桩体来看，桩径变化不大，局部有缩、扩径现象，桩体碎石含泥土量小于规范要求，密实程度为中密—密实。

4.4 静载荷试验

本工程静载荷试验采用JCQ503D型静力载荷测试仪，钢结构承台，堆载提供反力，位移传感器通过测试仪自动记录沉降量。试验采用《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002进行荷载加压。共进行单桩静载荷试验3点，桩间土静载荷试验3点，复合地基静载荷试验3组。

复合地基检测采用方形承压板（2.8 m2），单桩与桩间土的地基检测所用承压板的形状均为圆形（分别为0.50 m2、0.25 m2）。第一组、第二组加荷等级采用十级加压，第三组采用八级加压法。各点承载力特征值的确定因均无明显的比例界限，故基本上都按相对变形确定，复合地基、单桩及桩间土取s/d=0.01所对应的压力。

1）单桩及桩间土静载荷试验。单桩静载荷试验最大加载量500 kPa，最大沉降量分别为1.97 mm、2.42 mm、4.01 mm。其P-S曲线图见图2。

桩间土静载荷试验最大加载量500 kPa，最大沉降量分别为5.09 mm、5.47 mm、6.8 mm。其P-S曲线图见图3。

图2 单桩静载荷试验P-S曲线图Fig.2 P-S curve diagram of static load test for single pile

图3 桩间土静载荷试验P-S曲线图Fig.3 P-S curve diagram of static load test for soil between piles

2）复合地基静载荷试验。复合地基静载荷试验结果显示，最大加载量500 kPa，最大沉降量分别为14.74 mm、19.74 mm、15.02 mm。复合地基承载力标准值大于250 MPa，地基沉降量小，满足设计要求。其P-S曲线图见图4。

图4 复合地基静载荷试验P-S曲线图Fig.4 P-S curve diagram of static load test for composite foundation

4.5 施工参数的确定

通过试桩，确定的桩基施工参数一般值为：造孔水压8 MPa，成桩加密水压4 MPa；造孔电流45 A，成桩振密电流60 A；单桩造孔耗时平均约40 min，单桩成桩耗时平均约25 min；成桩时每次填料量约0.7 m3。

试验桩施工时，造孔和成桩电流随孔深度变化不大，在水压、电流和每次填料约0.7 m3的情况下，单桩耗时接近，说明地基土层较均匀，在竖向及水平方向变化较小。

5 结论

振冲碎石桩是一种处理粉细砂土地基的有效方法，其工程造价低，施工工期短，优越性主要如下。

1）针对青藏±400 kV格尔木换流站工程，采用振冲碎石桩加固地基处理后，从试验桩检测结果来看，复合地基承载力提高2.5~3.0倍，变形模量提高2~4倍。单桩、桩间土、复合地基承载力特征值均大于或等于250 kPa，能够满足换流站主要建构筑物的承载力设计要求。

2）从静载荷试验P-S曲线图看，当P=250 kPa时，单桩的沉降量最小，但桩间土的沉降量明显比复合地基小很多，产生此种现象的原因主要是压板的尺寸效应和桩间土周围桩的保护作用。本次试验桩桩间距仅为1.8 m，桩径0.8 m，桩间土面积较小，进行桩间土地基承载力试验时，承压板只能采用直径约0.6 m的圆形钢板，承压板尺寸较小：这反映了当加载在地基土上的压强相同时，上部荷载越大，即承压板的面积越大，沉降量越大的特点，也证明了承压板的面积越小其影响深度越小的特点。经过估算，桩间土静载荷试验中承压板下的影响深度约为1.5 m，在此影响深度内，试验桩区域基本为①-1角砾层或①-2砾砂层，说明该土层经振冲挤密后，承载力变得更高，同时，桩间土周围的3根碎石桩也起到了限制桩间土侧向变形的作用，也提高了桩间土的地基承载力。但此试验结果仅反映桩间表层硬土层的承载能力，并不能反映影响深度下土层的地基承载力，故结果偏高。

3）振冲碎石桩复合地基在竖向荷载作用下，是通过侧向膨胀变形来实现桩与土竖向变形的协调一致，桩土之间的侧向变形也是协调相容和连续的。振动力直接作用在地基深层部位，对土层施加的振动侧向挤压力大，因而使粉细砂土层密实的效果与其他地基处理方法相比为最好。

4）对不均匀的天然地基土，在平面和深度范围内，由于地基的振密程度可随各土层软硬程度的不同而分别采取不同的填料量进行调整，因而造孔和成桩的振密电流随孔深的变化基本相同，使加固后成为较为均匀的地基，从而提高地基承载力，减少地基沉降变形，增加稳定性，满足工程建设的要求。

5）振冲碎石桩桩体材料不需钢材和水泥，可因地制宜、就近取材，采用碎石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂和中砂等当地硬质材料，因而能大幅节约投资。

6）振冲碎石桩施工机具简单，操作方便，施工速度相对其他桩型大幅提高，对于保障并加快工程建设进度具有明显优势，可以满足青藏±400 kV格尔木换流站工程对于建设工期的特殊要求，加固质量也容易控制。

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