振冲碎石桩加固软土地基的设计与应用

　　摘 要: 振冲碎石桩法是一种经济有效的地基土体加固措施,以提高其承载力、增强稳定性、减少沉降量,同时还增强其抗震性能,无论是公路、桥涵、筏基，储罐，烟囱等建筑的软基均可采用振冲碎石桩处理成复合地基以满足工程的使用与抗震的要求。本文结合实际工程,对振冲碎石桩加固软土地基的原理以及设计与计算要点进行探讨,并对振冲碎石桩加固软土地基的方法在施工中的遇到的问题进行了分析，以供参考。

　　关键词:振冲碎石桩,软土地基,计算要点,基本程序

　　1、概述

　　在安楚高速公路程家坝立交匝BK0+210~430的设计中，进入匝BK0+210地段范围，表层工程地质情况发生了不利的变化，上为3-5米的杂填土，下为12-13.5米淤泥质粉砂，渠道两侧挡墙基础恰恰坐落在地耐力在60Kpa以下的泥质粉砂土层，经计算挡土墙基础的耐力必须提高到100Kpa以上能满足设计要求。如何提高地基承载力呢?纵观目前国内外加固软土地基的方法很多，如：砂砾垫层、砂桩、振冲碎石桩、石灰桩、锤击夯实、动力固结、各种液体灌注法、饱和软粘土的预压砂井固结法等等。我们根据渠道的实际情况摆出两种方案：①基础换土，搞砂砾垫层，按设计计算每延米要120厘米高，400厘米宽的垫层;②振冲碎石桩每延米5根，桩径d=40厘米，长13.5米，穿透软土层。无论从加固基础的材料数量，工程量，还是从施工条件进行比较，认为“振冲碎石桩”较为适宜。它具有施工迅速，无须换土，节约土方，对加固软地基，尤其是加固粉砂质土基强度，提高其密实，加速土基排水固结是非常有效的措施。

　　2、振冲碎石桩加固软土地基的原理

　　振冲碎石桩的出现在国外可追塑到30~40年代，而在国内比较广泛地应用还是近些年来的事。它加固地基的基本原理是通过振冲器内的一组偏心块、在每分钟1450转转速时产生的水平离心力，引起的高频“振动”，加速土基孔隙中的饱和与过多水分的排除，改变土层中土粒(或砂粒)的位置，使其重新排列而密实，在利用碎石填补其空间，相互挤压以及缩短，改善排水通道，使土质的密实增加，含水量降低，从而提高土质强度，减少土基的沉降，防止地基土的液化，达到加固软土地基的目的，使地基基础的强度和稳定都达到设计要求。在振冲碎石桩的施工中，关键的核心就是振冲的方向性，振冲器有单向和双向之分，现在以双向振冲器为好，使土基加固的效果更佳，更迅速。

　　3、设计与计算要点

　　虽然振冲挤压密法在应用方面积累了较丰富的挤压，但是在加密机理的认识和设计理论的研究还都在初期阶段，其下述的计算方法也只是一种尝试。本文提出的设计与计算的方法是根据其加固软土地基的原理而形成的。是按设计的基础承载能力要求进行计算的。其主要的设计参数就是孔隙比“e”。改变原土基的孔隙e0，使其达到设计要求的孔隙比e1，以此计算出应加固的土基面积，再根据其面积选择适宜的桩径，数目，进行平面布置，或正方形或三角形，但无论那种形式，纵横两方向不宜小于3排，桩间中心距为桩径的3~5倍，桩顶间须铺碎石不小于10厘米，使其连成一片，碎石桩的桩长应穿透软土层，否则应按桩底承载力和沉降量的要求加以计算来确定。 对于淤泥质粘性土。利用的液限指数(IL)与孔隙比(e)的物理性质指标换算关系，推求出被挤密到一定值的孔隙比，使地基承载力达到要求的数值(可参见JTJ024-35规范2，1.2-2)

　　利用Sy=Δs×W0/e的关系式，推导出e=f(IL)的关系，Sy—地基的饱和度，在饱和的软土地基中可以认为等于1或近似等于1，W0—土的天然含水量，而W0=WP+IL(WL-WP)式中：从Sy=Δs×W0,可得：

　　e=Δs[(WP+IL)WL-WP]

　　WP—塑限

　　WL—液限

　　IL—液限指数(稠度系数)

　　Δs—土的比重

　　将e1视为要想达到的孔隙比，而原地基土的孔隙比为e0，这样利用上述关系式可对碎石桩的根数、间距进行初算。

　　碎石桩加固的面积A按下式计算：

　　A1=(e0-e1)/(1+e0)×A

　　其中：A—基础面积，以超出基础每边各50厘米计算。

　　根数n按下式计算：

　　n=A1/F

　　F=лd2/4

　　F—碎石桩的截面积

　　d—桩径

　　根据基础尺寸，碎石桩的根数，计算出间距大小进行平面布置的设计。

　　对于淤泥质松散的砂性土，要利用相对的密度Dr的指标，反算确定其设计的孔隙比e1

　　Dr=(emex-e1)/(emex-emin)

　　emex—最大孔隙比

　　emin—最小孔隙比

　　相对密度是按设计要求地基承载力的数值确定的，根据规范JTJ024-85表2，1，2~5砂土的容许承载力[δ0]进行选择，emex—最大孔隙比按原土基天然孔隙比e0代入，emin—一般取0.5。

　　确定设计要求的孔隙比e1后，其余的计算均同以上所述。

　　设计前期工作中，工程地质的原始资料，诸如孔隙比e0，含水量W0，比重Δs等物理力学性质指标要取全取准，使设计计算有可靠的依据。

　　4、施工的基本程序及起应注意的问题

　　振冲碎石桩的主要施工机具就是振冲器，它类似棒式混凝土振捣器，直径27.3~42.6厘米，长10~15米，贯入速度粘性土1~3米/分，砂性土3~4米/分，水压400~600KPa，耗水量0.2~0.4米3/分，重730~2050公斤。与其配套的设备有吊车，水泵和运料的其他车辆等，施工前做好场地、电源、水源的准备工作，其基本程序如下：

　　⑴开挖基坑至基础设计标高，并挖好施工“振冲桩”时的排水通道。

　　⑵把振冲器用吊车在加固点定位，接通电源、水源开足下部射水。

　　⑶射水要快于地基内排水的速度，造成水流下方短时间的“流砂”状态，使振冲器在自重及振动下沉入。

　　⑷水流从下部射水改换为上部射水，水压要减低到足以使水回到地面，以防回填材料起拱，便于继续填料。

　　⑸振冲器填到设计标高后上提，扩孔至设计要求，然后再下沉在缓慢上提时下填料，并同时在0.3米左右的填料中上提升与下沉，使粒料在振冲器的重量及振动作用下同时在竖立压实并横向挤入土层，在整个软土层深度上形成填料的密实硬核。

　　施工中应严格按着设计的碎石桩平面布置方式，孔径大小，长度施工。(如遇有特殊情况时可适当地调整桩位)振冲器有不同型号，可按设计桩径、长度进行选择，一般工程常用φ273型，电机功率为12KW或30KW。为使设计桩径不致误差过大，要审慎地控制振冲器的下沉与提升的速度，孔径过大会造成填料的浪费，孔径过小达不到设计要求：为了使填料密实和形成排水孔道，石料的粒径要在规范的范围内，不允许出现大于50毫米的石块存在：因为加固施工时需要排出土基中孔隙和振冲器喷射的水，施工前一定要挖好排水沟，工程较大时应准备必要的排水机泵。

　　振冲碎石桩更适用于筏基，储罐，烟囱，桥涵等基础的加固，若与钢筋砂桩加固地基相比，那经济效益将更加明显，可节约投资大约在30~60%，又可防止地基液化。因此，振冲碎石桩加固软地基的前景是开阔的，是有发展前途的，这可能也就是近些年来发展迅速的直接原因。

　　5、结束语

　　振冲碎石桩法加固软土地基适用性非常广泛，尤其适用于组成性质不同的多层软弱地基。软土地基经振冲处理后可加快固结，减少沉降，提高强度指标、抗震性能。振冲法施工速度比较快，质量容易控制，是一种有效、简单、快捷、经济的软土地基加固方法。

《振冲碎石桩加固软土地基的设计与应用》

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