振冲碎石桩联合堆载预压地基处理工艺在复杂地层中的应用

于健，刘丹忠，林治佳，周广鑫，武卫军

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.长江武汉航道工程局，湖北 武汉 430014；3.大连空港建设发展有限公司，辽宁 大连 116033；4.山西机械化建设集团有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

随着国民经济的快速发展，城市建设和工业发展用地日益紧张，越来越多的软弱、复杂的场地用于工程建设，例如天津和连云港地区大面积的高含水率、高孔隙比的吹填软土地基用于工业建设，西南地区的以九寨黄龙机场为代表的高填方地基用于机场建设，远海的珊瑚礁、钙质砂地基以及一些膨胀土、湿陷性黄土等特殊性岩土地基均开始用于建设场地。随之而来的，是地基处理技术的飞速发展。因此目前地基处理技术仍为岩土工程界最为活跃的领域之一，且呈现出从单一加固技术向复合加固技术发展的趋势[1]。

振冲法最早用于处理松散砂土地基，振冲器产生的荷载使得天然地基的物理力学性质得到直接改善[2]，提高地基密实度的同时还可消除地基液化效应。后来用于黏性土地基，振冲成孔置换为以碎石、砂砾等散粒材料为主组成的桩体，形成桩体与原地基共同作用的复合地基。而黏性土中的碎石桩又可作为黏性土竖向排水通道，在上部荷载的作用下，黏性土会发生排水固结作用而发生沉降，地基承载力也得到进一步的提高。因此具有复合地基和土体固结作用的碎石桩地基处理工艺应用的工程案例较多[3-5]；振冲法地基处理的机械设备及施工工艺也在不断改进创新[6]。

1 工程概况

某海上人工岛工程离岸约4 km，由开山碎石料直接填筑而成，形成上部为碎石料、下部为海相沉积淤泥的复杂地基。上层回填料以石灰岩为主，粒径不均，级配较差，孔隙大，较为松散；下层为高含水率、高液限的海相沉积淤泥。

场地自上而下地层如下：

1）碎石（Q4ml）：灰色，松散—稍密状，局部呈中密状，为人工回填形成，成分以灰岩为主，呈棱角状，粒径2～10 cm，少数大于10 cm，充填物为角砾和岩石碎屑，局部偶见白云岩。厚度约为10 m，平均动探击数N63.5=7.3 击，工程地质性质较差。

2）淤泥（Q4m）：灰色，饱和，流塑，土质均匀，切面光滑，手捻有滑腻感，偶见贝壳碎屑，局部夹砂粒。平均标贯击数N＜1 击，压缩系数av0.1-0.2=1.543 MPa-1，属高压缩性土，工程地质性质差。

3）黏土（Q4mc）：灰黄色，可塑，土质均匀，切面光滑，含铁锰质浸染及灰白色斑块。该层分布连续，受钻孔深度所限，多数钻孔未揭穿；平均标贯击数N=10.8 击，压缩系数av0.1-0.2=0.440 MPa-1，工程地质性质一般。

场地碎石层和淤泥层的工程地质性质较差，为控制场地地基的后期沉降，验证相应的施工工艺，开展了振冲碎石桩联合堆载预压地基处理试验，振冲施工过程中振冲器产生的振动荷载使松散的碎石层变密实，同时在淤泥层中形成密实的碎石桩体而成为复合地基，之后对地基进行堆载预压使该层的桩间土进一步固结压缩，使土性得到改善。

试验区面积为40 m×40 m，碎石桩为正三角形布置，桩间距2.5 m，桩径按1.2 m 考虑，桩长25 m。采用的振冲器功率不小于130 kW，碎石桩施工完成后对整个场地进行堆载预压，压载高度3.0 m，分2 级加载，每级加载高度1.5 m，二级加载间隔20 d，满载后恒载预压3 个月。

2 振冲碎石桩试桩效果检测

场地上层碎石层厚度约10 m，需采用大功率振冲器振冲成孔，为验证设备的适用性，分别进行了150 kW、180 kW、200 kW、260 kW 4 种型号振冲器的成孔工艺验证，结果表明4 种振冲器均能够穿透碎石层，150 kW 和180 kW 振冲器的日工效为3 根，200 kW 和260 kW 振冲器日工效为5 根，150 kW 和180 kW 振冲器效率明显偏低，且试桩过程中故障率较高，因此后期施工时采用200 kW、260 kW 2 种大功率的振冲器。

不同型号的振冲器施工工艺参数见表1。

表1 振冲碎石桩施工工艺参数Table 1 Construction technology parameters of vibroflotation gravel pile

为验证碎石桩的桩身密实度及成桩半径是否能够满足要求，首先采用200 kW 振冲器进行了试桩，并在离桩心不同距离进行了重型动力触探试验或标准贯入试验，检测平面布置图见图1。

图1 单桩成桩效果检测平面布置图（m）Fig.1 Plane layout of pile forming effect detection of single pile

在距离桩心0.25 m 和0.5 m 位置的重型动力触探试验结果表明：原人工填土层（碎石）平均重型动探击数为13.1～20.0 击，为中密状态；原淤泥层经地基处理后的平均重型动探击数为6.9～12.5击，为稍密—中密状态；原黏土层经地基处理后平均重型动探击数为12.9～15.1 击，为中密状态。

在距离桩心0.75 m 和1.0 m 位置的标贯试验结果表明：淤泥层中BG1 孔（距中心0.75 m）12.7～17.5 m 之间和BG3 孔（距中心0.75 m）13.8～17.1 m之间标贯击数相对较高，该位置含有回填碎石；其它深度位置及BG2、BG4 孔标贯试验时出现自沉情况，属于流塑状态的软土，说明局部位置碎石桩半径达到0.75 m。

3 加固后场地检测

1）桩身成桩效果检测

在碎石桩位置进行重型动力触探试验检测桩身的密实程度（图2），碎石层的桩身重型动力触探平均击数为16.6～22.1 击，桩身密实程度为中密—密实状态；淤泥层的桩身重型动力触探平均击数为11.0～19.3 击，桩身密实程度为中密状态；黏土层的桩身重型动力触探平均击数为11.2～11.7击，桩身密实程度为中密状态。

图2 桩身重型动探击数沿深度变化曲线图Fig.2 Curve chart of heavy dynamic penetration blow count of pile shaft along depth

浅层碎石层和淤泥层中碎石桩成桩效果较好，深部土层的成桩效果相对较差，说明碎石桩加固深度有限。

2）桩间土加固效果检测

上部的碎石层采用重型动力触探试验检测，平均重型动力触探击数在16.5～20.3 击，为中密—密实状态；原软土层加固处理后标贯击数为3～6击，为软—中等状态；同时对原软土层进行取土并进行室内土工试验，与加固前相比桩间土的含水率、孔隙比、变形指标和土的强度等物理力学指标均有一定的改善。

加固前后桩间土主要物理力学指标统计如表2 所示。

表2 原软土层加固前后土性对比统计表Table 2 Comparison statistics of soil properties before and after reinforcement of original soft soil layer

4 堆载预压沉降分析

开始加载时间为2019-12-14，2020-04-10卸载完成，加载期共计为118 d，累计沉降量为103.4～142.1 mm，平均沉降量为123.0 mm。其中一级堆载高度1.5 m，加载起止时间为2019-12-14—15；二级堆载至3 m 高度，加载起止时间为2020-01-05—06；恒载至2020-04-08 开始卸载，04-10 卸载完成，满载预压时间93 d。

堆载期间地表沉降—时间关系曲线图如图3所示。

图3 堆载期间地表沉降—时间关系曲线图Fig.3 Relation curve between surface settlement and time during surcharge period

软黏土地基中打设碎石桩，碎石桩可作为地基良好的排水通道，在上部预压荷载作用下软黏土地基将发生排水固结作用，根据实测沉降曲线，一般采用“经验双曲线法”、三点法和Asaoka 法推算在该荷载作用下软黏土的最终沉降量[7-10]，计算结果见表3。

表3 软黏土地基沉降量计算表Table 3 Calculation table of settlement of soft clay foundationmm

可见，采用三点法和Asaoka 法推算的残余沉降较为接近，双曲线法推算的残余沉降明显偏大，偏于保守[11-12]，工程应用上可采用双曲线法和三点法的平均值，这里的残余沉降量为75.7 mm。

5 结语

1）150 kW 以上的大功率振冲器均能够打穿上部约10 m 厚碎石层，考虑到工效及设备磨损采用200 kW 以上的振冲器应用效果更好。

2）通过单桩工艺验证表明距离桩中心0.50 m以内的桩身基本达到中密以上状态，距桩心中心0.75 m 的淤泥层中局部存在碎石，距离桩中心1.00 m 位置未见碎石。可见采用200 kW 振冲器成桩半径在0.50～0.75 m 之间，局部超过0.75 m。

3）处理后碎石层和淤泥层中碎石桩桩身基本达到中密以上状态，但深层的桩身处理效果一般，可推测振冲碎石桩的加固深度不宜太深。

4）振冲施工使得桩间碎石层也得到明显改善，由加固前的稍密状态变为中密—密实状态；在联合堆载预压作用下桩间淤泥层的含水率、孔隙比、压缩性有所降低，湿密度、压缩模量和抗剪强度指标得到了提高，原软土地基得到了明显改善。