模块式振动挤密桩技术在可液化地基中的应用

赵统录，陈为栋，任再永

（1.日照港建设监理有限公司，山东日照 276826；2.杭州永创基建工程科技股份有限公司，浙江杭州 310020）

引言

传统的地基处理方法有很多，包括碾压法、强夯法、振冲法、复合地基法、排水固结预压法、化学处理法等，分别对应不同的地质情况和地基承载力和沉降要求，可以根据不同的情况和要求分别采用不同的地基处理方案。但各种地基处理方案也有不同的适应情况，往往难以满足特定地质和需求的情况，根据近年出现的特定地质，经过多年研究开发了模块振动挤密新工法，它是最新研究出来的一种地基处理新工艺，具有施工设备简便、功率大、振幅频率可调、施工速度块、造价低等优点，特别适合处理可液化土质地基和碎石等回填料价格较高的工程。

1 模块振动挤密新工法概述

模块振动挤密新工法利是用大功率振动锤配合特制楔形模块将回填料挤密至地基土中，形成连挤密带置换的复合地基。本工法地基处理深度最深可达9～10 m，如考虑振动对桩尖以下的土层的振动力，其影响深度最大可达到12～15 m。回填材料可以选择碎石、石渣、建筑废料等材料，只要不是淤泥土、有机质土等较差的土质，均可利用当地现有的材料用于回填。较之传统振冲碎石桩和强夯置换工艺，本工法振动锤功率大且振幅和频率均可调，楔形模块具有相对较强的挤压和穿透能力，对可液化砂性土和粉质土场地具有特殊的适应性。施工现场如图1。

图1 模块振动挤密施工现场

2 模块振动挤密新工法适用范围

模块振动挤密新工法适用于与传统的振冲碎石桩和强夯置换适用的类似土质，如松散粉土、松散砂性土、杂填土、含软弱夹层砂土地基等。对于上层存在较硬土层，本工法具有比一般的碎石桩更大的穿透硬层能力，且较强夯置换法具有较小的振动力。

沿海地区地貌多为滨海相沉积地貌单元，场地为滨海填海造地而成，地下水主要类型是海洋潮汐水且水量大并具有腐性，砂性土地基液化现象非常常见，且对于部分改造场地，场地表层由于先期回填块石等，2～3 m 范围内表层土较硬，一般工法难以穿透。

本工法处理案例为日照港某已建工程场地的内增设控制中心工程停车楼工程，原场地为回填场地，需进行半刚性复合地基或桩基础处理。半刚性复合地基或桩基桩端持力层需穿过回填场地达到全风化岩或中风化岩硬持力层，若构筑物荷载较小，上述地基处理方式均造价较高。模块振动挤密新工法可有效消除可液化地基的不良影响，满足构筑物对地基承载力要求，同时具有穿透硬层能力强、加固效果好、施工质量容易控制、施工效率高、造价适中、安全环保要求等优点。见表1。

表1 几种地基处理方案对比

3 模块振动挤密新工法加固机理

在动剪应力作用下，饱和砂土中孔隙水压力的增长使抗剪强度降低，当土的抗剪强度完全丧失时，该土体由于其本身的特性则变成粘滞流体，地基失去承载力，工程中称为液化。

从此概念出发，为防止土体液化，一方面应提高土体抗液化能力，这在工程中经常采用的是增加密实度的方法；另一方面是设法降低动剪切应力产生的超孔隙水压力，这在工程中经常采用液化层中设置排水通道的方法。

当地下水与海洋相通，受潮汐影响其它工法难以达到排水效果时，采用模块振动挤密新工法增加土体密实度效果颇佳。因为模块振动挤密新工法采用垂直振动的激振力将桩管沉入土中，土体挤向四周的同时，桩管的振动能量以波的形式在土中传播，引起桩周围地基的强烈振动，从而达到使桩周土体密实的效果。

在填料过程中，砂量不足、填充料强度不足或者含水量太高，都会使桩身密实度不足。模块振动挤密新工法解决办法：采用较大振动功率，增加投料次数，反复振动挤压，同时保证填充料强度及粒径。除此之外，还应该对振动设备进行定期检修和保养，保障机械动力。

4 模块振动挤密新工法施工工艺

模块振动挤密新工法施工流程见图2。以设计为基础，对地基处理范围进行测设，主要工艺如下：

图2 模块振动挤密新工法施工流程图

1）使用测量仪器对地基处理范围进行确定，再对边界边线进行标注，以桩位布置图和施工计划为基础，确定砂桩位置，用小木桩和钢钉进行标记；

2）楔形模块沉入桩位前，需对模块深度进行确认，从而达到控制桩施工现场深度的目的；

3）桩基就位后，对振动模块挤楔形模块垂直度及平稳度进行检查，确保符合要求；

4）启动机械，对楔形模块下沉过程进行控制，拔出模块后对灌料量进行控制，直到桩位被灌满压实后再进行楔形模块下沉压实。

5 模块振动挤密新工法工程实例

1）工程简述

日照港石臼港区集装箱改造三期工程控制中心工程停车楼，建筑层数3 层，建筑高度10.35米，占地面积约3 100 平米，建筑面积约6 234 平米，框架结构设计使用年限50 年。

2）地质条件

场区地貌为滨海相沉积地貌单元，场地为滨海填海造地而成，地形较为平坦，地下水主要类型是海洋潮汐水，水量大且有若腐性。根据地勘报告，本场地存在表层回填土(含回填碎石)、②-1层粉土、③层粉土、④层粗砂，按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016 年版)，经初判：②-1 层粉土、③层粉土、④层粗砂均为可能液化层。根据标贯测试结果进行详细判别，②-1 层粉土、③层粉土均液化，④层粗砂不液化，钻孔液化指数在0～4.89。综合判定场地液化等级为轻微液化。

3）地基处理要求

地基处理完成后，要求：（1）复合地基承载力特征值不小于200 kPa。（2）桩间土标贯击数不小于15 击。（3）桩体要求填料为密实（动探击数大于20 击）。

4）施工工艺

本工程采用的挤密模块选用楔型模块，尺寸为：1.3×1.15×6.5 m，振动器型号为EP400 型，振动功率：75 kW，振动挤密桩间距3.2 m，置换率约16%，填料采用碎石和建筑废料，加固深度8-10 m，合计共施工306 根桩。

5）效果检验

①采用静载试验检测复合地基承载力（压载面积10.24 m2），按照比例做4 处；②采用标准贯入试验检测桩间土强度（检测深度6.5 m），按照比例做6 处；③采用动力触探试验检测桩身强度（检测深度6.5 m），按照比例做6 处。

①静载试验：通过4 处静载试验，加到最大实验荷载（400 kPa）最小沉降量19.07 mm，最大沉降量23.03 mm，结果表明实测复合地基承载力达到200 kPa。②标准贯入试验：通过6 处标准贯入试验，修正后的标贯击数最小值16.8 击，最大值21 击，标准值18.4 击，满足15 击的设计要求。③动力触探试验：通过6 处动力触探试验，修正后的标贯击数最小值19.7 击，最大值21.4 击，标准值20.60 击，满足20 击的设计要求。

图3 典型载荷试验P-S 曲线

图4 典型标准贯入试验击数

图5 典型动力触探试验击数

地基检测结果表明：其复合地基承载力特征值、标准贯入试验检测结果表明：各孔标贯贯入试验、动力触探试验结果均显示满足设计要求。

6）经济效益和工期节省

模块振冲挤密工法造价低，日照港石臼港区集装箱码头改造三期工程停车楼地基处理，若采用传统的混凝土灌注桩基础，需多花费100 多万元，施工工期需35 天，比计划工期延长15 天，况且质量安全难以保证。模块振冲挤密工法仅仅用了25 天，面对如此大的环保压力，模块振冲挤密桩噪音低、无污染，采用的回填料就地取材，减少了材料运输及道路污染，取得了很好的效果。

6 结语

模块振动挤密新工法新工法具有造价低、施工效率高、加固质量可控性好、振动不利影响较小、安全环保等优点。在合适的土质条件和加固深度范围内，比桩基基础具有节省造价和工期的优点，比普通振冲碎石桩和强夯置换法有减小振动、处理深度较大的优点。在近海环境下，可作为一种更经济的抗液化、提高地基承载力的加固方法，代替传统的桩基或振冲碎石、强夯置换施工。模块振动挤密新工法具有良好的应用前景。