胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩工法

摘要

胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩工法，用于加固夹泥皮及淤泥层的吹填砂质土地基，利用2～5台振冲器组成连锁式胁迫振冲；并适应吹填土层形成特点连续对加固土体实施予力作用，并不断调整工艺参数和予力度控制标准，同时利用振冲置换与挤密双重作用以形成多节大葫芦头挤密桩体去快速减小土体中孔隙以增加其密实度，将被加固土体的绝大部分沉降量在其振冲填料产生的预变形中得到消除；对于加固港口码头的吹填土地基来说，其予力度标准可控制在0.7～0.95范围内；并在振冲后1～7天时间内完成碾压或振动碾压密实处理的复合地基褥垫层施工。

说明书

一、技术领域

本发明属于软弱地基加固处理方法范畴，特别适合于夹泥皮及软淤层的砂性吹填土地基。它是一种加填料的快速处理夹泥皮及淤泥层的不均匀粉细吹填土地基的新工法。

二、背景技术

国内外的软基加固处理方法有几百种甚至上千种，对于加固处理新建扩建港口码头陆域堆场的大面积吹填软土，传统的处理方法多采用堆载预压和超载预压法，但那样处理周期太长，不能满足近年来快速新建或扩建深水港要求。对于常见的振冲法、强夯法和碾压法等工法，虽然可用，但效率太低，处理深度也受到限制，根本不能满足快速建造大型深水港重型堆场等现代化集装箱码头的使用需求。

CN03115076.4涉及一种无填料振冲法工艺，但限于它的具体工艺过程未能全面从根本上对软基土应用予力作用原理去解决问题，处理设计和施工没有完整的理论体系支撑，其处理效果及效益都受到了较多限制。

CN1743560A是一种基于完整的予力使用原理应用工法，设计施工有完整的理论体系加以牢固支撑，但对于夹泥皮及软淤层的不均匀砂质吹填土，如果不加填料置换出这些不均匀的软淤层，加固的效果就受到较多限制，处理质量的均匀性也会受到影响。

CN200310117676涉及一种大直径薄壁管桩复合地基加固软基工法，限于它的机型较重，进入松软处理场地十分困难，且费用很大，接桩中也受到较多限制。

三、发明内容

本发明克服现有方法缺点和不足之处，从振冲置换和振冲挤密双重效应施加予力作用，以建立多节葫芦头挤密桩复合地基模式，既消除了夹泥皮及软淤层对加固地基的严重不良影响，又较好地保证了不均匀土质的不同深度土层中形成挤密桩体的密实度，用多次加填料的工艺特征和高效快速施工更显现其工法的优越性和加固效果的可靠性。

软弱地基地加固处理，实是对其施加予力作用，不仅是施加预应力、而是施加一种广义的能改善地基土性的影响力。这种影响力，无论从时间上、空间上、数量上和可控或可调性方面，都可以由人们在设计时综合考虑进行优化设计，并可优化安排施工工艺及精心施工。工程技术人员主动给予地基土这种广义的影响力，将使地基土性达到最佳改良状态。

适应加固处理和改善地基土性能好坏程度需要，引入施加予力技术的予力度概念。予力复合地基的予力度λs是表示施加在地基中以改善地基土性能的影响力程度。该予力度可以用以下公式表示：

${\lambda }_s=\frac{N_0}{N}---\left(4\right)$

${\lambda }_s=\frac{S_0}{S}---\left(5\right)$

式中，N₀和S₀分别是改良土性所给定的予力和改良土性所预先给定的位移；

N和S分别为使用荷载下作用在地基上的应力和地基土体应产生的稳定位移。

实际上，地基土性的改良，其主要目标是为了减小地基土的压缩性和渗透性以提高地基承载力去满足承受上部作用荷载要求。因而，用土体体积变化的孔隙比公式表示予力复合地基的予力度更为直观。即

${\lambda }_s=\frac{e_f}{e}---\left(6\right)$

式中，e_f和e分别表示采用予力复合地基加固方法后的挤密充填孔隙比和加固前地基土在使用荷载下的稳定孔隙比。

而孔隙比的关系式：$e_f=\overline{V_f}/\overline{V_s},$$e=\overline{V_v}/\overline{V_s},$则按位移概念定义的予力度公式可以变为：

${\lambda }_s=\frac{\overline{V_f}/\overline{V_s}}{\overline{V_v}/\overline{V_s}}=\frac{\overline{V_f}}{\overline{V_v}}---\left(7\right)$

式中，是在设计的予力度作用下按加固方法要达到的挤密充填孔隙体积；

是地基土体加固前在使用荷载下对应的孔隙体积；

是地基土体加固前在使用荷载下的土粒体积。该体积在地基加固前后是不变化的。

本工法中，孔隙比e_f包括振冲挤密的e_f挤密和置换效应的e_f置换两部分，则控制的予力度λ_s也由两部分组成，即

则有

本工法的技术关键也正在于这两部分子力度的调控技巧。对于不变予力度λ_s1的施加，可以根据地基处理深度以及地基土所受恒载与活载的比例两个方面进行初选，然后在试验性施工时加以调整。具体初选时可参考表1。

                表1对于予力复合地基的予力度范围参考值

注：(1)对于有振动荷载时，予力度应取大值。(2)对于地基出现局部性的孔、洞、穴区域时，要采用相应的充填技术措施后，再控制其予力度处理。(3)当上部结构对地基不均匀沉降有特殊要求时，其予力度控制另作专门处理。(4)表中加*项需注意结构对地基的特殊要求。

本发明基于以上技术背景，基于本发明人的整个子力工法的基本理论体系；本发明是在予力作用原理基础上以完善加固处理夹泥皮及软淤层的吹填砂质土地基的予力胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩法的工艺工法为中心，以完善其技术实施方案的相关内容，具体包括：

(1)整个发明的施工工艺流程；

(2)本工法施工机械匹配与选型组合；

(3)胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩的施工工艺参数控制标准。

本发明基于上述方法配套完成了试验性方案设计，并有与本发明工法配套的技术质量保证措施。

本发明的目的是这样实现的：

胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩工法，用于加固夹泥皮及淤泥层的吹填砂质土地基，该法利用2～5台振冲器组成连锁式胁迫振冲，其振冲孔位布置常采用等边三角形和正方形两种。并适应吹填土层形成特点连续对加固土体实施予力作用，并不断调整工艺参数和予力度控制标准，同时利用振冲置换与挤密双重作用以形成多节大葫芦头挤密桩体去快速减小土体中孔隙以增加其密实度，将被加固土体的绝大部分沉降量在其振冲填料产生振冲置换与振冲挤密的预变形中得到消除，使地基土处理完成后能更好地满足使用阶段的承载变形要求。对于加固港口码头的吹填土地基来说，其予力度标准可控制在0.7～0.95范围内；并在振冲后1～7天时间内完成碾压或振动碾压密实处理的复合地基褥垫层施工。振冲孔位的间距视砂质土的颗粒组成、加固深度、软淤夹层土质条件、密实要求、振冲器功率等因素，按等边三角形和正方形布置。

予力度控制标准在0.7～0.95范围内，且在同一个振冲孔中可视土层土质变化情况加以调控，其变化范围也在上述标准之内加以控制。土质越软越疏松，控制标准越接近上限。拟加固吹填土地基的含水量一般在16～39％范围；高于此含水量或有积水时须对其湿砂层采取振冲前的降排水措施，低于此含水量时须对其地表干砂层采取振前洒水预湿处理。

对砂质土地基的振冲孔间距可按下式(1)～(3)进行估算：

等边三角形布置$S=0.95\mathrm{\zeta d}\sqrt{\frac{1+e_0}{e_0-e_1}}---\left(1\right)$

正方形布置$S=0.89\mathrm{\zeta d}\sqrt{\frac{1+e_0}{e_0-e_1}}---\left(2\right)$

式中，S——砂质吹填土地基振冲孔间距(m)；

d——振冲砂石桩直径(m)，按振冲力所设计桩孔计算；

ζ——修正系数，根据沉拔速度、水压水量大小、密实电流和留振时间的匹配情况加以选取，取1.12～1.30；

e₀——吹填土处理前的孔隙比，可按原状试验确定，也可根据动力或静力触探对比试验结果加以确定；

e₁——吹填土处理后要求达到的孔隙比，也可按下式确定：

          e₁＝e_max-D_r(e_max-e_min)                   (3)

式中，e_max和e_min——分别为拟处理吹填土的最大、最小孔隙比；

D_r——地基挤密后要求吹填土达到的相对密实度，根据现场地震烈度设计要求，可在0.70～0.88范围进行选取。

振冲设备可选用30kw、55kw、75kw和100kw四种功率型号之一，同一胁迫振冲组合须匹配相同功率振冲器，合适的振冲点间距为2～4m，应在保证形成大葫芦头直径前提下根据试验性施工成果分析后最后确定。

根据土层土质变化特点，须首先选择代表性场地以设计的多参数的施工工艺方案(8～10种)为基础开展试验性施工，尤其要匹配好形成大葫芦头挤密桩的工艺参数，以选择确定最佳施工方案后再付诸拟处理场地的大面积施工。

胁迫振冲挤密桩完成后1～7天内要根据设计要求最后匹配1～3遍碾压或振动碾压以形成挤密砂石桩复合地基的表层褥垫层。该褥垫层的厚度可取200～500mm。

本发明工法工艺适应多次填料挤密需要。予力胁迫振冲每组配备2～5个振冲器，在同步振冲过程中产生激振力、共振力、挤压力等予力作用将不断调整原始松散砂土的排列状况进行重新嵌合就位，紧缩排列构造，并与源源不断掺加挤入的新砂石颗粒一并挤压嵌合加密，形成重新的紧密排列状况。最后，将在振动碾压工序中，分层挤实找平挤密桩顶上的复合地基褥垫层。在整个工艺实施过程中，都是借助于予力度控制的总目标来全面实现的。

本发明的技术要点是：通过选择试验场地进行试验性施工，以获取确保予力施加的机械选型、施工工艺匹配控制参数和加固质量检测指标，进而达到加固处理总目标所需要的予力度控制标准。其中，以振冲器的功率选型为中心，并做好扩径的多节葫芦头的工艺参数匹配优化工作。

本发明方法工艺适应多次填料以形成多次扩径的葫芦头挤密桩体需要。该法通过2～5个振冲器的联合胁迫振冲，使之按予力度标准达到相应的振冲力、激振力、共振力、挤压力和碾压力等予力作用，不断置换泥皮和软淤土层以及不断调整松散砂质土颗粒原始排列状况进行重新排列与嵌合加密就位，借助予力作用效应以实现重新紧密排列效果。

本发明工法的实施技巧还应完善好与工法配套的施工技术措施。如振冲前的降排水措施、对于干砂表层的洒水预湿措施、不同桩位处形成多节葫芦头的时控措施以及辗压或振动辗压设置褥垫层处理措施等。它们对工法的有效实施和加固效果增强都是十分有用的。

本发明有益效果是：通过选择试验场地进行试验性施工以获取确保予力施加的机械选型、施工工艺控制参数和质量检测指标，进而达到处理目标所需的予力度控制标准。其中，以振冲器的选型为中心做好工法机械的匹配是最重要的，它能调控予力胁迫振冲的共振效应。根据“因地制宜、实事求是”的原则，选型匹配好施工机械，并在试验中对比选择好施工参数以及在试验性施工中优选好施工参数，凭借着振冲置换与挤密双重作用效应，使之形成符合予力度要求及密实度指标的多节大葫芦头挤密砂石桩，确保加固处理后形成的大葫芦头挤密砂石桩复合地基能满足建造港口码头堆场等承载及变形要求。

本发明工法适用于加固处理夹泥皮及淤泥层的不均匀砂质吹填土，虽然多次加料挤密，但成桩快速，费用较低，且施工周期短，加固效果明显。对吹填土地基的处理深度可达15m以上。

四、附图说明

图1是本发明处理的吹堆场实施例工程图

五、具体实施方式

(1)首先进行细致的全面调查分析，掌握拟建场地和道路等地域设施的荷载标准及设计要求，明确拟建场地的加固处理等级标准(包括设计要求达到的指标)。同时，熟悉拟建场地的工程地质勘察资料以及吹填砂质土层形成的技术条件与施工过程，认清土性土质特征，掌握处理深度及处理范围，制定好工艺流程及合适的予力度控制标准。

(2)本发明利用多机匹配的振冲器组成成组胁迫振冲，对被加固土体骨架多次使用予力技术作用，多次填料振冲挤密，并在泥皮及淤泥层处通过振冲置换进行大填料挤密，并沿土层深度多处形成大葫芦头挤密桩，最后通过填料找平碾压铺设好桩顶褥垫层以完善该挤密桩复合地基。

多次振冲挤密与置换使吹填松散砂土按照设计的予力度调控标准产生预变形和预沉降。在最后通过碾压或振动碾压1～3遍以铺设厚200～500mm的桩顶褥垫层过程中，仍须贯彻匹配设计的予力度标准。对于最后碾压或振动碾压铺设挤密桩复合地基褥垫层时，须控制好表层土的含水量尽量接近最优含水量W_op，以满足碾压密实度实施的可操作性要求。

加固处理施工过程主要以胁迫振冲工艺安排为主线。根据试验研究对比资料，3～5台振冲器匹配成组进行胁迫振冲，其效果较两台振冲器匹配的胁迫振冲更好。但对吹填土层水平土质变化较大时，2～3台振冲器匹配成组更容易解决同步施工技术要求。

关于孔位布置和间距：振冲孔位布置常采用等边三角形和正方形两种。对大面积振冲挤密处理而言，采用等边三角形布置比正方形布置可以得到更好的挤密效果。

振冲孔位的间距视吹填土的颗粒组成、加固深度、软淤夹层土质条件、密实要求、振冲器功率等因素，宜通过现场试验结果择优确定。也可先按上海市标准(DBJ08-40-94)《地基处理技术规范》的等边三角形布置参考选取，或直接参照振冲孔间距的以上公式(1)～(3)进行估算。

选择好振冲器功率和吊机起重量后，即可确定振冲机械的选型匹配。在此基础上再选择合适能量的振动碾压机械与之匹配组合。确定施工机械匹配与选型组合对实现事先设计的予力度控制标准非常重要。按予力度调控标准有效施加振冲力、激振力、共振力、挤压力和碾压力，从而促成夹泥皮及软淤层的吹填土按预定目标产生预变形及预沉降，以完成加固总目标要求。

本发明工法的实施还应完善好与工法配套的施工技术措施。如振冲前的降排水措施，对地表干砂层的洒水预湿措施以及碾压铺设桩顶褥垫层的时控措施等。成桩完成及桩顶褥垫层铺设完毕，即能将使用荷载作用上去后的绝大部分沉降量消除掉，使之该吹填土经处理后能更好地满足工程使用阶段的承载变形要求。

对于加固港口工程的吹填土地基，其予力度控制标准在0.7～0.95范围内。尤其注意沿加固深度视土质条件变化及置换与挤密作用的差别而加以变化匹配，以确保其密实度的控制总目标。

(3)合理设计该拟建场地应用本工法的施工组织设计，尤其制定好优选的施工工艺流程，切实做到具体场地具体分析，使工艺流程对号入座，更加切合拟建工程实际情况。

(4)认真细致设计好应用本工法的试验性施工方案，使之方案设计的针对性要强，试验分区要明确，可对比性要突出，以便选择确定大面积施工的最佳施工方案。

(5)深入探讨该拟建场地大面积加固处理应用本工法的合理施工工艺和优选的施工控制参数。

这个深入探讨对有效指导大面积的加固处理施工，以及增强处理效果和加快施工周期都起着关键性作用。通常，多选择一些试验方案作为对比选择依据。对于施工工艺方案，可设计成6～10种，而且要变换不同振沉、上拔和填料的工序工艺控制参数。对于不同的施工场地还要作相应的适当变化，以适应不同的特征场地的实际需求，使外加予力作用更好地集中施加到被加固土体骨架上去以获取更大的加固效果。

(6)完善与本工法配套的技术质量保证措施。

特别在加固前、试验区施工时、大面积施工中和遇见地层土质异常情况时，都离不开加强相应的技术质量保证措施，它对增强加固处理效果可以发挥很好的作用。

实例介绍

(1)拟建场地试验性施工概况

江苏太仓港某港区位于岸坡坡地上，在表层3～6m厚吹填土上建造码头堆场。该吹填土不均匀，夹有0～1.2m厚泥皮及淤泥层。现选择90m×90m的试验区采用本工法进行试验性施工。

该吹填土表面以下15m深处进入砾石层。在吹填土下分布有四层土：①层砂土，厚2～3m；②层粉土，厚3～3.5m；③层中砂层，厚2～2.5m；④层淤泥质粉质粘土，厚3～3.5m，它们的地基承载力分别为80kPa、85kPa、100kPa和90kPa。

(2)设计资料及设计要求

a)设计荷载

堆场均布荷载：轮轨式龙门吊堆场高五层，均布荷载q＝5.5t/m²

角荷载：40′重箱堆高五层，p＝34t；20′重箱堆高五层，p＝22.5t

b)建筑物等级及地震标准

场区内为I级建筑物。地震基本烈度为6度，设计烈度为7度。

c)加固深度及场地整平标高

加固处理深度至砾石层，约15m深。地基加固整平验收标高为+5.5m。

d)地基承载力：地基加固整平后的承载力为180～200kPa。

e)差异沉降量和残余沉降量：差异沉降量小于5％；残余沉降量小于15～20cm。

f)现场检验标准：静力触探锥尖阻力q_c＞7MPa；

标准贯入试验锤击数N_63.5＞18击。

(3)加固方案选择

由于该集装箱堆场及道路对地基承载力及变形要求较高，故初步选择胁迫振冲大葫芦头挤密砂石桩工法的复合地基方案。桩径采用φ700mm，间距取2.8m～3.2m，视场地土层土质条件及大葫芦头桩径变化而定。

选用三机匹配的予力胁迫振冲工艺。选择75kw和100kw两种功率的振冲器进行对比试验，并按照试验加固效果做出对比以优选实施方案。

不同的施工工艺，对工效的影响比较明显。特别是不同留振时间、下沉与上拔次数、加料次数及数量、葫芦头形成的密实电流以及振拔速度控制等因素是不同施工工艺的主要区别，可通过试验效果对比后进行优选。加固处理设计制定了全套9种振冲置换与挤密工艺试验方案，进行检测效果对比分析后再做出优选确定。

(4)试验程序和步骤：

a)场区平整，预埋水位管和孔隙水压力计及地面沉降观测基准点及标点；

b)振前对吹填砂土的干密度试验和静力触探试验，测定沉降标点和地下水位初始读数；

c)本工法的予力胁迫振冲挤密桩施工及最后完成复合地基褥垫层铺设；

d)地面沉降观测；

e)本工法试验结束后的三周内，进行标准贯入试验、静力触探试验、平板载荷试验和干密度试验。

f)提供试验检测报告，全面分析加固处理质量。

(5)本工法试验取得的成果

针对本工法试验区划分的二块试验小区，采用组合匹配的三台50t起重吨位的履带式起重机，分别吊起75kw和100kw振冲器在二块试验小区进行本工法的予力胁迫振冲对比试验。

由于采用了三机匹配组合的振冲器的予力胁迫振冲工艺，地基加固效果提高较好，加固功效也提高较多，故按两种振冲器的试验结果加以对比后进行选择。

对于75kw和100kw振冲器的对比试验成果，如表2所示。

                    表2  75kw、100kw振冲器的对比试验成果表

  振冲器功率  (kw)  振冲挤密区  范围(m)  胁迫振冲影  响后范围(m)  合适振冲点  间距(m)  明显提高承  载力的孔深  位置  每组振冲桩  施工时间  (min)  75  1.5～2.0  2.5～3.5  3.0～3.5  11.5  80±5  100  1.5～2.5  3.0～4.0  3.5～4.0  12.0  60±5

对于本工法形成的振冲挤密桩芯来说，采用75kw振冲设备的承载力提高较为明显。从合适的振冲点间距与振冲用时分析看，100kw振冲设备的工效明显高于75kw的工效；但75kw振冲点的间距较小，其处理施工后的地基均匀性又优地振冲点间距较大的100kw振冲器。

经试验区振冲后的施工质量检测，其予力胁迫振冲后静力触探比贯入阻力较振冲前提高2.2～3.8倍，地基承载力达到200kPa以上，较好地满足了设计要求，并消除了地震液化可能性，试验性施工获取了最佳工艺方案，即可以此为基础应用上述试验成果进行大面积施工。

(6)大面积施工工法

通过慎密的拟建现场试验性施工，对比了方案的实施效果和工艺参数实施的可靠性，取得了成功的施工经验，对后面大面积加固处理施工提供了决策依据，现分述如下：

a)施工方案

选用75kw功率振冲器，组成三机匹配的予力胁迫振冲挤密与置换工艺，采用予力胁迫振冲大葫芦头砂石挤密桩复合地基加固方案，桩径为φ700mm，桩长15m，除在挤密桩端形成扩大头外，沿桩身土层在夹泥皮及软淤层处通过振冲置换以形成多节大葫芦头挤密砂石桩。

采用三角形布桩方式，桩距选择为3.0～3.3m。制桩及成桩过程中的予力度标准控制在0.72～0.93范围内，视土质条件变化及置换与挤密作用的差别而加以变化匹配，其桩顶上褥垫层铺设的予力度控制标准也在该范围内加以调控。

三机匹配的予力胁迫振冲挤密桩加固试验示意图如图1所示。

b)予力胁迫振冲施工工艺

在振冲前约3～4小时，对拟施工场地进行洒水预湿，使表层吹填土体充分预湿。冲水能充分传递振动力，从而可提高上部吹填土的振冲效果。

对每个振冲点位，采用以下施工工艺：

①对准振冲孔位，误差不超过半个振冲器直径，开启水泵和振冲器。

②慢速振冲下沉至设计要求(15m深)处，留振20s。以予力度标准控制水压及控制水量和造孔速度。

③慢速振冲上拔至孔口处，留振120s。

④慢速振冲下沉至设计要求(15m深)处，留振20s。这样重复下沉与上拔二三次扩大孔径后开始填料制桩。投料时振冲器不用提出孔口。

⑤依次按段距0.5m上拔，每段留振15～20s；在夹泥皮软淤处加大水压进行振冲置换并造出葫芦头桩孔，并按予力度调整延长留振时间及加大密实电流。

⑥予力胁迫振冲匹配三机组合的3个振冲器要实施同步振冲以保证实现共振挤密效应。

⑦成桩结束，关闭水泵及振冲器，移机至下一个振冲孔位。同一机组同时移位至下一个振冲孔。

⑧本工法挤密桩施工完毕后，即在桩顶处采用振动碾压铺设200～500mm厚复合地基褥垫层。

c)振冲施工工艺中的技术参数控制。

①振冲器下沉贯入和上拔提升速度为2～3m/min。

②水压控制在0.3～0.4MPa范围。

③每段制桩提升高度为0.5～1.0m。

④留振时间区分制桩段加以控制，可控制在15～120s范围内。

⑤密实电流为55～70A范围内进行调控。

d)施工质量检测

施工完成后进行了80个点的静力触探试验，并经可靠度95％概率分析，其静力触探比贯入阻力P_s＝7.53～9.34MPa，均大于设计加固值要求。

同时，采用了1.5m×1.5m的三组承压板载荷试验，最大加载压力P_max已达到设计值的1.8倍，其P-S曲线均为缓变形，按照常规的0.01～0.02S/b相对沉降法进行判断，其地基承载力分别为205、210和218kPa，均超过设计的承载力标准。试验性施工已能满足该拟建场地处理加固的设计要求，可将此试验加固施工方案付诸拟建场地的大面积加固施工。

如图1所示，在桩径φ700mm，桩长L为15m，桩距为3.0～3.2m。