振沖法的現(xiàn)狀綜述

樓曉明，于志強(qiáng)，徐士龍

(1. 同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092；2. 上海港灣軟地基處理工程(集團(tuán))有限公司， 上海 200092)

振沖法，即通過振沖器產(chǎn)生水平或垂直方向振動(dòng)力，并輔以壓力水振密周圍土體，達(dá)到提高地基承載力、增加地基穩(wěn)定性、減少沉降量、提高抗地震液化能力的地基處理方法。英文常表達(dá)為vibrocompaction或者vibroflotation等，國內(nèi)亦稱之為振動(dòng)水沖法。

在眾多的地基處理方法中，振沖法以加固深度大、效果好、操作簡單、不用三材(鋼筋、水泥和木材)以及工期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于加固軟弱地基特別是砂土及吹填土地基[1]。

利用疏浚出來的泥沙進(jìn)行填海造陸，已成為很多沿海城市緩解土地資源緊張的有效途徑。但是，由吹填土構(gòu)成的地基，強(qiáng)度、密實(shí)度很差，不能直接用于工程建設(shè)，所以對其進(jìn)行地基處理加固就顯得尤為重要，振沖法仍有廣闊的應(yīng)用前景。

1 振沖法的起源及發(fā)展

振沖法最早是在1936年由德國工程師S Steuerman提出的。1937年德國凱勒公司(Jahann Keller)研制成功了第一臺(tái)振沖器，并將其首次用于柏林某大樓的7.5 m深松砂地基，結(jié)果承載力提高了一倍多，相對密度由40%提高到了80%[2]。40年代振沖法開始傳到美國，D′Appoloni[3,4]提出在淤泥含量很少的砂土中，振沖法效果顯著，并且提出了用相對密實(shí)度來檢驗(yàn)加固效果。50年代振沖法被引進(jìn)到英國和法國，后又被引入到非洲國家使用。50年代末60年代初，英國和德國等相繼通過回填碎石等把這一方法應(yīng)用在處理粘性土地基，例如德國紐倫堡一個(gè)工程，Keller公司通過回填碎石振動(dòng)密實(shí)，使軟粘土地基承載力顯著提高，這就是后來發(fā)展成為“碎石樁法”的基礎(chǔ)[5]。日本于1957年引入振沖法，1964年日本新瀉和1968年十勝?zèng)_地區(qū)分別發(fā)生了7.7和7.8級強(qiáng)震。震后調(diào)查結(jié)果表明，使用振沖法處理過的砂基上建筑物基本保持完好，而未經(jīng)處理的砂基上的建筑物則受到嚴(yán)重破壞。此外振沖法可以有效防止地震災(zāi)害的例子，國外還有很多報(bào)道[6]。

我國從1976年開始研究振沖法并試制振沖器，1977年南京水利科學(xué)院與交通部水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院協(xié)同合作，研制出了我國第一臺(tái)振沖器(ECQ-1)，首先應(yīng)用于南京造船廠加固船體車間，即使當(dāng)時(shí)設(shè)備簡陋還是取得了滿意的效果。1978年唐山錢家營礦采用振沖法，振后全部地面下降20 cm，使地基承載力和密實(shí)度大大提高。在隨后的官廳水庫和南通天生港電廠工程中，振沖法也取得了很好的效果[5]，此后在全國范圍內(nèi)得到了推廣?，F(xiàn)如今，振沖法已被廣泛應(yīng)用于各級各類工業(yè)民用建筑、道路、橋梁、水壩、油罐、港口、電站、高速公路、機(jī)場跑道等工程[7～14]。

通過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，振沖法已經(jīng)成為了一種常用的地基處理方法。振沖法分為加填料的振沖置換法，也稱“振沖碎石樁法”，以及不加填料的振沖密實(shí)法。其中前者被廣泛應(yīng)用于處理飽和松散粉細(xì)砂、粉土、中粗砂和礫砂、黏土、濕陷性黃土以及吹填土等地基，而后者一般認(rèn)為適用于處理黏粒含量小于10%的粗砂和中砂地基，對于粉細(xì)砂等細(xì)粒土地基，是否可以采用不加填料的振沖法加固尚無定論[15, 16]。

2 振沖碎石樁的研究現(xiàn)狀

目前，由于振沖的物理過程極其復(fù)雜，始終沒有建立合理的數(shù)值模型，其理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程實(shí)踐要求，主要依據(jù)還是來源于工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐。國內(nèi)外主要從以下幾個(gè)方面對振沖碎石樁法進(jìn)行了研究。

2.1 振沖碎石樁加固機(jī)理的試驗(yàn)研究

1953年D′Appoloni[3, 4]利用試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了振沖法加固純凈粗砂地基的有效性，建議采用影響系數(shù)來評估加固效果，并指出加固后的密實(shí)度隨著離開振沖器中心的徑向距離呈指數(shù)關(guān)系減小。文獻(xiàn)[4]中認(rèn)為振沖樁間距大于2.4 m時(shí)，其疊加作用甚微；間距小于1.8 m，壓實(shí)區(qū)內(nèi)所獲得的相對密度大于70%，此時(shí)三角形布置可以給予最大的疊加作用。

Brown[17]結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，分析了土質(zhì)條件、振沖器類型、振點(diǎn)間距和布點(diǎn)方式、填料、振沖器貫入和上提方式等對加固效果的影響。Metzger和Koerner[18]通過模型試驗(yàn)研究了初始相對密度、填料類型等對加固效果的影響以及加固效果隨離開振沖器中心距離的變化規(guī)律。

我國的許多科研人員也進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，冶金部建研總院、中國建筑科學(xué)研究院地基所研究了碎石樁的排水減壓、抗液化影響范圍、布樁范圍以及深度對場地加固區(qū)抗液化性能的影響。王盛源[19]通過幾個(gè)工程實(shí)例，研究了振沖法對砂土地基的加固機(jī)理。黃茂松和吳世明[20]對振沖法加固飽和粉砂地基進(jìn)行了研究，包括液化分析和孔壓變化規(guī)律分析。

國內(nèi)目前常用的振沖碎石樁樁徑為0.8～1.0 m，填料宜用角礫、碎石、礫砂、卵石、礦渣或粗砂等硬質(zhì)材料，不宜使用砂石混合料。1977年Brown[17]基于工程實(shí)踐提出了一個(gè)衡量外加填料適用程度的定量指標(biāo)“適宜數(shù)”Sn(Suitability number)：

(1)

式中，D50、D20、D10分別為顆粒大小分配曲線上對應(yīng)于50%、20%、10%的顆粒直徑(mm)。

葉書鱗等[1]總結(jié)認(rèn)為，振沖碎石樁在松散砂土中的加固機(jī)制為擠密、排水減壓和預(yù)振效應(yīng)，在軟粘土中則主要為置換作用，振沖碎石樁與樁間土構(gòu)成復(fù)合地基而共同作用。

2.2 振沖碎石樁的適用范圍

很多學(xué)者對土中的細(xì)粒含量對土體振沖加固效果的影響做了研究。Slocombe等[21]認(rèn)為，填料振沖法可以用來加固細(xì)粒含量超過45%的土體。Webb和Ian Hall[22]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為細(xì)粒含量達(dá)30%時(shí)，在距振沖器周圍1 m以內(nèi)仍有一定的加密效果。Harder等[23]分析了對Thermalito Afterbay壩基的粉砂(細(xì)粒含量超過20%，部分達(dá)35%)用填料振沖法加固失敗的例子，認(rèn)為加固失敗的原因是由于加固砂層上面的土層中含有較高細(xì)粒的緣故。Saito[24]也指出對于細(xì)粒含量超過20%的砂土，振沖法幾乎沒有擠密效果。

振沖碎石樁法加固松軟土體的機(jī)理清晰、明確，加固的效果好，適用性廣，軟土強(qiáng)度過于低下，土的阻力始終不能平衡填料的擠入力，則無法形成樁體。目前一般認(rèn)為振沖碎石樁法只適用于地基土不排水抗剪強(qiáng)度cu大于20 kPa的情況[1]，但Barksdale[25]等1983年指出，振沖碎石樁法可適用于不排水抗剪強(qiáng)度cu為15～50 kPa的地基土以及高地下水位的情況。我國《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中也指出，對于不排水抗剪強(qiáng)度不小于20 kPa的飽和粘性土和飽和黃土地基，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性。

2.3 振沖法的工藝研究

2.3.1振動(dòng)器類型

隨著振沖法的廣泛應(yīng)用，其施工器具也得到了快速發(fā)展。振沖法的施工器具主要包括振沖器、伸縮管和支撐吊機(jī)三部分，其中振沖器的性能對土體的加固效果起到了決定性的作用。目前國內(nèi)外出現(xiàn)了各種型號(hào)的振沖器，根據(jù)其振動(dòng)方向主要分為水平向振動(dòng)振沖器(Vibroflot)、垂向振動(dòng)振沖器(Vibratory Probe)以及水平垂直雙向振動(dòng)振沖器。水平向振動(dòng)是國內(nèi)外最常采用的振沖方式，最早的振沖器就是采用這種方式。我國早期自行研制的一些振沖器如ZCQ13等也是采用水平向振動(dòng)方式，目前國內(nèi)外常用的水平向振動(dòng)振沖器如表1[26]和表2所示。垂向振沖器一般基于振動(dòng)桿原理設(shè)計(jì)，通過一個(gè)特別設(shè)計(jì)的長密實(shí)桿在管頂?shù)闹匦驼駝?dòng)器的激發(fā)下做垂向振動(dòng)，并反復(fù)插入土體內(nèi)部達(dá)到加固周圍土體目的。水平垂直雙向振動(dòng)振沖器近則兼?zhèn)淞怂胶痛怪闭駝?dòng)的各自優(yōu)勢，在工程實(shí)踐中取得了很好的效果。

表1 國外常用的水平向振動(dòng)振沖器的主要技術(shù)參數(shù)

表2 國內(nèi)常用的水平向振動(dòng)振沖器的主要技術(shù)參數(shù)

2.3.2振動(dòng)器固有參數(shù)對加固效果影響

大量的研究表明，過高的振動(dòng)頻率雖有利于振沖器的貫入，但無助于土體振密，當(dāng)振動(dòng)頻率接近土體顆粒振動(dòng)頻率而使土體處在共振狀態(tài)時(shí)，加固效果最佳。葉書鱗等[1]提出增大振動(dòng)力可以提高加固效果和增大影響范圍。但加固效果與振動(dòng)力并不成線性關(guān)系，要根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)情況和經(jīng)驗(yàn)選擇合適的振動(dòng)力。王盛源等[19]認(rèn)為當(dāng)土體振動(dòng)加速度為(1.0～2.0)g時(shí)，孔隙水壓力隨加速度增加而增加；當(dāng)加速度在2g以上時(shí)，孔隙水壓力基本不再增加，這說明過大的振動(dòng)加速度對砂土加固是沒有意義的。實(shí)測資料也表明，振動(dòng)加速度和振動(dòng)孔壓隨離振中距離的增加而呈指數(shù)關(guān)系衰減。1987年Chang[27]利用振動(dòng)臺(tái)研究了振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、振幅、加速度、初始密度、飽和度等因素對振動(dòng)密實(shí)的影響，得出砂土振動(dòng)密實(shí)存在一最優(yōu)振動(dòng)加速度。

3 無填料振沖法的研究現(xiàn)狀

無填料振沖法與填料振沖法相比，顯然具有施工更簡便、工期更短和造價(jià)更低等優(yōu)點(diǎn)，近年來許多學(xué)者對無填料振沖法進(jìn)行了理論及試驗(yàn)研究。

3.1 無填料振沖法加固機(jī)理的試驗(yàn)研究

無填料振沖法加固砂類土地基一方面是依靠振沖器的強(qiáng)力振動(dòng)和水沖在地基中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，使振沖器周圍砂土發(fā)生短暫液化或結(jié)構(gòu)破壞，砂顆粒在自重和振動(dòng)器的振動(dòng)擠壓作用下重新排列，孔隙減少；另一方面是依靠振沖器的反復(fù)強(qiáng)烈水平振動(dòng)和側(cè)向擠壓作用將補(bǔ)充的周圍自行塌陷的砂振動(dòng)擠壓密實(shí)，從而達(dá)到提高地基承載力和均勻性、消除不均勻沉降的加固目的。此外，振動(dòng)作用還可以使可能發(fā)生液化的砂土產(chǎn)生預(yù)振效應(yīng)，減小砂土在地震時(shí)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，從而有效降低或消除砂土的液化趨勢[28]。

Greenwood 和 Kirsch[29]根據(jù)從振沖器側(cè)壁向外加速度的大小將振沖器周圍的土體分為5 個(gè)區(qū)域，即緊靠振沖器側(cè)壁的剪脹區(qū)、流態(tài)區(qū)、過渡區(qū)、擠密區(qū)以及彈性區(qū)(如圖1)，并且認(rèn)為只有過渡區(qū)和擠密區(qū)才有明顯的擠密作用。過渡區(qū)和擠密區(qū)的大小不僅取決于砂土的性質(zhì)(如初始相對密度、形狀和級配、顆粒大小、土粒比重、地基應(yīng)力、滲透系數(shù)等)，還取決于振沖器的性能(如振動(dòng)頻率、振動(dòng)力、振幅等)。在國內(nèi)，李君純等[30]認(rèn)為振沖加固砂性土的機(jī)制為擠振、浮振和固結(jié)作用。文獻(xiàn)[1]中認(rèn)為，砂性土的振沖加固機(jī)制為擠密、排水減壓和預(yù)振效應(yīng)。鄭建國[31]認(rèn)為，造孔時(shí)主要為擠密作用過程，而上拔時(shí)主要為振密過程。

圖1 砂土對振沖的理想反應(yīng)

試驗(yàn)研究方面，近幾年學(xué)者對無填料振沖技術(shù)在加固飽和粉細(xì)砂及吹填細(xì)砂地基中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了一定的進(jìn)展。2003年周健等[32]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了粉細(xì)砂地基在無填料振沖中孔隙水壓力空間分布規(guī)律、孔隙水壓力增長與消散的規(guī)律、相對密度和靜力觸探指標(biāo)與振沖次數(shù)之間的關(guān)系等，定性地驗(yàn)證了無填料振沖對于規(guī)范中未推薦使用的粉細(xì)砂土的適應(yīng)性。同時(shí)，周健等[33]通過改進(jìn)和革新傳統(tǒng)的振沖工藝及施工參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了級配較差的飽和疏松粉細(xì)砂地基采用無填料振沖法加固的有效性，探討了振沖加固后粉細(xì)砂土強(qiáng)度的時(shí)間效應(yīng)問題。并通過工程實(shí)踐論證了無填料振沖法加固淺層吹填粉細(xì)砂及下臥擾動(dòng)軟粘土層雙層地基的適宜性[34]。周國鈞[35]介紹了無填料振沖在粉細(xì)砂地基中的應(yīng)用研究。牟宏彬等[36]通過相關(guān)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，介紹了無填料振沖法加固粉細(xì)砂地基的成功案例，并提出了適宜的施工參數(shù)。周健等[37]進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果顯示雙機(jī)共振加固效果明顯好于單機(jī)振沖的加固效果，三機(jī)共振加固效果最佳，最大振動(dòng)孔隙水壓力隨振源距在粉細(xì)砂中近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系衰減，在中粗砂中近似呈冪函數(shù)關(guān)系衰減，15天左右加固區(qū)的土體強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。2009年葉觀寶[38]等推導(dǎo)了孔壓變化的解析式，得到一定條件下砂土地基臨界液化時(shí)間的精確值。

3.2 無填料振沖法的應(yīng)用范圍

無填料振沖法按作用機(jī)理來分應(yīng)屬于振沖密實(shí)法，適用于振沖密實(shí)法的土體主要是指砂類土，一般認(rèn)為小于0.005 mm且粘粒含量不超過10%，都可以得到顯著的擠密效果；若粘粒含量大于30%,則擠密效果明顯降低。Mitchell[39]給出了適合于振沖密實(shí)法加固的顆粒級配范圍，如圖2所示。當(dāng)土層顆粒級配全部位于B區(qū)時(shí)，加固效果最好；若級配曲線全部落在C區(qū)，因顆粒過細(xì)從而加固有困難；若位于A區(qū)或者地下水位過深，則影響振沖器的貫入速度并且易損壞振沖器。

圖2 振沖密實(shí)法的顆粒級配曲線

目前一般認(rèn)為無填料振沖法僅適用于小于0.074 mm的細(xì)粒含量不超過10%的中、 粗砂地基[1]。對于粉細(xì)砂地基無填料振沖加固失敗的原因，周健等[33～34]認(rèn)為，一方面是由于傳統(tǒng)的振沖工藝容易產(chǎn)生流態(tài)區(qū)而影響其最終的擠密效果；另一方面還與粉細(xì)砂的初始密實(shí)狀態(tài)和粘粒含量有關(guān)。但隨著越來越多的工程實(shí)踐以及試驗(yàn)的進(jìn)行，無填料振沖法已開始被應(yīng)用于粉細(xì)砂地基[32～38]，所以只要采用適當(dāng)?shù)恼駴_工藝，無填料振沖法是可以應(yīng)用于粉細(xì)砂地基加固的。

3.3 無填料振沖法的國內(nèi)工程實(shí)例

振沖法自1937年誕生以來得到了廣泛的推廣，無填料振沖也以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于地基加固，表3根據(jù)前人的資料總結(jié)了無填料振沖法成功運(yùn)用的一部分國內(nèi)工程實(shí)例。

表3 應(yīng)用無填料振沖法的國內(nèi)工程

由表中統(tǒng)計(jì)的資料可以看出，無填料振沖法在粉細(xì)砂地基中已經(jīng)開始被應(yīng)用，其在中粗砂中的振沖最大深度可達(dá)25 m甚至更深，而無填料振沖法在粉細(xì)砂地基中的加固深度最大也達(dá)15 m。

4 問題與建議

采用振沖碎石樁加固地基時(shí)，一是需要碎石等外加填料量大，工程質(zhì)量不易控制和檢驗(yàn)；二是很難有效地解決場地的不均勻沉降等問題[15]。當(dāng)前由于碎石單價(jià)高，明顯增加了振沖碎石樁的單位造價(jià)；碎石樁屬于柔性樁，加固效果依賴對樁間土的改善效果，如果樁間土得不到明顯改善，振沖碎石樁復(fù)合地基控制地基沉降的效果就不明顯。

目前規(guī)范在振沖碎石樁復(fù)合地基承載力的計(jì)算方法中，對處理后樁間土承載力特征值的規(guī)定為[49]：宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取天然地基承載力特征值。顯然對樁間土的加固效果缺乏定量指導(dǎo)意見，設(shè)計(jì)人員從保守角度，傾向于取天然地基承載力特征值，這導(dǎo)致振沖對樁間土的加固作用難以體現(xiàn)。因此需要建立完善振沖加固效果的檢測與評價(jià)方法。

振沖法具有對較深區(qū)域加固效果好，表層加固效果較差的特點(diǎn)[35,37]，表層需要采取振動(dòng)輾壓等密實(shí)措施。

盡管振沖施工設(shè)備較輕，對于細(xì)顆粒含量較高的新近吹填土，表面承載力很低，也需要采取其他適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施。

5 結(jié) 語

雖然國內(nèi)外對于振沖法的加固機(jī)理研究較多，但相關(guān)設(shè)計(jì)方法還不成熟，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際工程的需要。

無填料振沖法在造價(jià)、工期方面具有更大的優(yōu)勢，適用范圍除了粘粒含量不超過10%的中、粗砂地基外，在粘粒含量不超過10%的粉砂、細(xì)砂地基也適用。

在吹填土地基上，振沖法具有設(shè)備較輕的優(yōu)點(diǎn)，對于表面承載力很低的新近吹填土，需要采取其他適當(dāng)?shù)念A(yù)處理措施。

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