無填料振沖法加固吹填粉土地基現場試驗研究

鄧雷飛，韓冉冉

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 水工構造物檢測、診斷與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

20世紀30年代，德國STUERMAN首次利用振沖法完成了柏林的一幢建筑物粗砂地基的加固處理，并取得了良好的效果[1]。其后的30 a，振沖法在美洲、歐洲、亞洲及非洲得到了廣泛的應用及改進。我國最早由南京水利科學研究院引入，并將其應用于南京船廠船體車間工程的地基加固。由于振沖法具有施工簡單、工期短、工藝簡便、處理效果顯著等特點[2-3]，在我國地基處理工程中得到了廣泛的應用，尤其是近20 a來，填海造陸工程快速發(fā)展，使得該方法得到了進一步的發(fā)展和優(yōu)化。

通常振沖法分為有填料和無填料兩種方法，其中無填料振沖法主要應用于砂土地基加固，從國內外文獻看無填料振沖法對砂土中的細粒含量較為敏感，如Mitchell在文獻[4]中給出了適于振沖法加固地基的顆粒級配范圍，該文將顆粒級配范圍從左到右分為3個區(qū)，A區(qū)相對顆粒較粗易導致振沖器損壞，B區(qū)加固效果最好，C區(qū)顆粒較細加固難度較大。Massarsch[5]結合靜力觸探結果，研究了土體的振沖加密性，并得到了適于振沖加固的土類范圍。文獻[6]對無填料振沖法的適用范圍進行了總結，指出無填料振沖法適用于細粒(小于0.074 mm)含量不大于10%的中、粗砂地基。周健[7]等總結了無填料振沖加固粉細砂地基失敗的原因，指出傳統(tǒng)振沖工藝產生的流態(tài)區(qū)，粉細砂的初始密實狀態(tài)和黏粒含量均對加固效果有影響。此外,文獻[8-10]提供了無填料振沖法加固粉細砂地基的成功案例。從上述研究成果可以看出，采用無填料振沖法加固粉細砂時，其細粒含量的控制百分比還未有統(tǒng)一認識，決定加固效果的關鍵因素尚不明確。

為了研究無填料振沖法加固細粒土的適用性，尤其是無填料振沖對處理粒徑小于0.074 mm的顆粒含量超過10%的粉細砂、粉砂及粉土地基的可行性，本文將結合濰坊港中港區(qū)南岸吹填粉土地基處理工程，通過實測振沖過程中孔隙水壓力變化及加固前后的沉降變化，并結合標準貫入試驗和平板載荷試驗分析無填料振沖對吹填粉土地基的處理效果。

1 工程概況

本項目位于濰坊港中港區(qū)港池南岸擬建碼頭堆場區(qū)，工程場地系抽取海底粉土吹填而成，地形平坦。根據勘察資料(表1)，其場區(qū)地層自上而下分為3層：吹填粉土(Q4ml)、粉土(Q4m)、粉質粘土(Q4m)。其中，吹填粉土厚7.00～9.50 m，平均厚度7.50 m，淺黃-淺灰色，松散-稍密，稍濕-飽和，標慣擊數N=5.7擊。粉土厚度5.50～8.00 m，平均7.38 m，淺灰色，中密-密實，飽和，標慣擊數N=19.7擊。粉質粘土，厚度3.10～4.50 m，平均厚度3.80 m，灰色-淺灰色，可塑，標慣擊數N=8.6擊。其中吹填粉土層為主要的振沖加固土層，其粒徑小于0.074 mm的顆粒含量高達75%，顆粒級配范圍位于文獻[4]中所指的C區(qū)右側區(qū)域，說明本工程土體顆粒更細，加固難度更大。

表1 土層物理力學性質指標Tab.1 Physical and mechanical properties of soil layers

圖1 加固區(qū)振沖點及測點平面布置圖Fig.1 Layout of the vibroflotation reinforcing and measuring point of the reinforcement area

2 現場試驗方案

試驗場地為50 m×35 m的長方形區(qū)域，根據設計振沖點位距離不同分為A、B、C三個加固試驗區(qū)，A、B、C區(qū)振沖點位間距分別為2.1 m、2.5 m和3.0 m，按梅花形布置，振沖點位布置詳見圖1。振沖器[11]型號ZCQ-75，功率為75 kW，振動頻率1 460 rpm，振幅6.0 mm，額定電流150.0 A，外形尺寸φ351 mm ×3 010 mm。

2.1 施工工藝

(1)加固前面層處理。由于吹填粉土地基，含水量高，壓縮性大，面層承載力難以支撐振沖器起吊設備，需采用水路挖土機、推土機進行表層擾動、碾壓排水，使表層形成厚約1.0 m的硬殼層。

(2)無填料振沖施工。根據施工前放樣振沖點位安排施工機械就位，然后開始進行試振沖試驗。本項目采用3次成孔成形法，第1次勻速下沉至地面以下9.0 m，留振20 s，勻速上拔至孔口留振20 s；第2次勻速下沉至地面以下8.5 m，留振20 s，勻速上拔，每間隔0.5 m留振8～10 s直至地面；第3次勻速下沉至地面以下8.0 m處，留振20 s，勻速上拔，每間隔1.0 m留振8～10 s直至地面，振沖結束，移至下一組孔位。振沖結束前檢查施工孔位，如有孔洞，需回填現場的吹填土并重新振密實。

2.2 現場測試

(1)孔隙水壓力。為了研究無填料振沖加固吹填粉土地基的孔隙水變化及粉土液化情況，選擇有代表性的振沖點對振沖過程中孔隙水壓力進行實時監(jiān)測。為便于比較分析，可分別在振沖點間距2.1 m、2.5 m及3.0 m振沖點附近分別埋設1組孔隙水壓力計，如圖1所示。埋設時以圖示振沖點位中心為圓心，沿著半徑方向向外每間隔一定距離埋設1只孔壓傳感器，以便分析孔隙水壓力在振沖過程中的變化情況。

(2)土體沉降。土體沉降是地基處理的一個重要指標，通常情況下地基在經過加固處理(無外加物)后，均會產生不同程度沉降，使得土體孔隙比減小，壓縮模量增大及承載力提高。為了了解無填料振沖加固吹填粉土的地基沉降變形規(guī)律，選擇3個振沖點進行跟蹤監(jiān)測，分別對應前文所述的3個振沖點間距，如圖1所示。

(3)加固效果。振沖加固完成后，須對地基處理效果進行檢驗，檢驗的方法一般采用靜力觸探、標準貫入試驗及平板載荷試驗中的一種或多種組合的方式，本項目在具體實施中采用標準貫入試驗和平板載荷試驗兩種方法對無填料振沖加固后的吹填粉土地基進行了檢測，檢測點布置詳見圖1。

3 檢測結果與分析

3.1 孔隙水壓力分析

振沖加固吹填粉土過程中的液化和密實情況，可通過觀測孔隙水壓力的變化情況進行分析，圖2～圖4分別為振沖點間距2.1 m、2.5 m和3.0 m等3個試驗區(qū)的孔隙水壓力變化曲線。從3個無填料振沖試驗區(qū)的孔隙水變化規(guī)律看，增長和消散變化特點基本一致。以圖2為例，K1-1～K1-5測試點距離振沖點依次漸遠，分別為1.0 m、3.0 m、5.0 m、9.0 m和13.0 m。由圖2可知，振沖過程中孔隙水壓力增加的最大值為35.8 kPa，發(fā)生在距離振沖點最近的1.0 m測試點位置，距振沖點3.0 m處的峰值孔隙水壓力次之，孔隙水壓力增加最小點為距離振沖點最遠的13.0 m處，僅為4.1 kPa。由此可見，隨著測試點距離的增大，孔隙水壓力增加的幅度逐漸減小。

圖2 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.2 Curve of pore water pressure in K1 group圖3 K2組孔隙水壓力變化曲線Fig.3 Curve of pore water pressure in K2 group

圖4 K3組孔隙水壓力變化曲線Fig.4 Curve of pore water pressure in K3 group圖5 K1組孔隙水壓力變化曲線Fig.5 Curve of pore water pressure in K1 group

振沖過程中粉土液化問題也是學者們普遍關注的問題，它對振沖加固效果有重要影響。本工程孔壓測點埋設深度均為3.5 m，該深度土體的有效自重壓力σ′為33.3 kPa。結合圖2～圖4可知，在距離振沖點1.0 m測試點位置處，振沖點間距2.1 m、2.5 m和3.0 m試驗區(qū)孔壓比值△u/σ′分別為1.08、0.98、1.02，土體剛剛處于完全液化狀態(tài)，而其他各測點均未達到完全液化狀態(tài)，這與文獻[2]中提及的振動孔隙水壓力的研究規(guī)律相似。

圖5為振沖點間距2.1 m試驗區(qū)無填料振沖不同階段孔隙水壓力變化圖。從圖中可以看出，在振沖點3次振沖成孔加固過程中，第1次和第2次成孔孔隙水壓力增加幅度較大，如距離振沖點1.0 m位置的測試點，第1次成孔時的孔隙水壓力增加了12.8 kPa，第2次成孔時，該點孔隙水壓力增大到31.7 kPa，增幅達147%，而第3次成孔孔隙水壓力增加幅度相對前兩次卻很小。由于該方面研究尚沒有文獻提及，筆者認為在振沖過程中，通過前兩次成孔的擾動作用，使得土體處于半流動-流動狀態(tài)，土體結構的破壞使得土體中存在大量的“毛細通道”，從而增多了吹填粉土的排水通道，有利于超孔隙水壓力的快速排出，表現為第3次振沖成孔時孔隙水壓力增幅變小。

3.2 沉降分析

由于無填料振沖施工速度較快，且施工過程中振沖點周圍土體呈半流態(tài)，實施沉降過程監(jiān)測難度較大，通常情況下采用施工前后對照的方式進行土體沉降觀測。為了了解無填料振沖加固后的吹填粉土沉降變形情況，在振沖點周圍以振沖點為圓心每間隔0.5 m或1.0 m布置一個沉降觀測點。

圖6為3個試驗區(qū)振沖點附近沉降變形情況，C1～C3點分別對應振沖點間距2.1 m、2.5 m和3.0 m等3個試驗區(qū)沉降變形情況。從圖6-a可以看出3組曲線變化規(guī)律基本相似，振沖點中心區(qū)域3個試驗區(qū)沉降量分別為957 mm、982 mm、904 mm。若以地面沉降200 mm為振沖影響較明顯區(qū)域，則無填料振沖的顯著影響半徑約為3.0 m。由圖6-a還可以看出，當距離振沖點8.0 m時，振沖加固后3個試驗區(qū)地面沉降量僅為10 mm左右，說明振沖對該范圍土體的加固效果很微弱。

通過對圖6-a沉降曲線進一步分析，可以得到距離和對數沉降曲線圖6-b。從該圖可以發(fā)現，加固后振沖點附近地面的對數沉降與距振沖點的距離呈較好的線性關系，可以表述為y=ae-bx，其中x為距振沖點的距離，y為與x對應的沉降。

6-a 沉降隨振點距離變化曲線6-b 對數沉降隨振點距離變化曲線圖6 振沖加固后沉降變化曲線Fig.6 Settlement curve after vibroflotation reinforcing

3.3 土體密實度分析

本工程設定不同的振沖點間距，主要是為了分析無填料振沖加固效果與振沖點間距的關系。表2為3個試驗區(qū)加固前后標準貫入試驗成果。由該表可以看出，吹填粉土經無填料振沖處理后，各個試驗區(qū)標準貫入擊數均有了較大的提高，其中A區(qū)提高了247%，幅度最為明顯；B區(qū)為213%，次之；C區(qū)為117%，最小。通過比較可知，當振沖點間距從3.0 m減小到2.5 m后，標準貫入擊數增幅達到106%，而從振沖點間距2.5 m減小到2.1 m，標準貫入擊數增幅僅為34%，說明振沖點間距從3.0 m調整到2.5 m效果更明顯。從加固后土體密實狀態(tài)看，3個加固區(qū)均處于中密狀態(tài)，密實狀態(tài)接近。考慮到過小的振沖點間距將大大增加施工成本和工期，結合土體密實度分析，經比較認為振沖點間距2.5 m為本項目最優(yōu)選擇。

表2 加固前后標準貫入試驗對比Tab.2 Comparison of standard penetration test before and after vibroflotation reinforcing

3.4 土體承載力分析

平板載荷試驗是驗證地基處理效果最直接最有效的方法。表3為加固前后平板載荷試驗成果。表中采用了安全系數法[12]和相對變形法[13]兩種方法對地基承載力進行了計算，并以其中的小值評定加固前后的地基承載力。由表3可知，加固前3個試驗區(qū)采用相對變形法得到的承載力均比安全系數法低，根據相關規(guī)范[13]，采用相對變形法計算承載力特征值，經計算A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)承載力特征值依次為71.5 kPa、71.0 kPa和69.7 kPa，而加固后相應承載力特征值分別為175.0 kPa、175.0 kPa、151.7 kPa，3個試驗區(qū)承載力增幅分別為A區(qū)145%、B區(qū)146%、C區(qū)118%，說明B區(qū)加固效果最為明顯，C區(qū)加固效果最差。

表3 加固前后地基承載力對比Tab.3 Comparison of bearing capacity of foundation before and after vibroflotation reinforcing

注：采用相對變形法確定承載力特征值時，取s/b=0.015對應的荷載值。

4 結語

根據對無填料振沖加固吹填粉土地基現場監(jiān)測及加固前后的檢測結果，可以得到以下幾點結論：(1)在無填料振沖加固吹填粉土地基過程中，孔隙水壓力的增幅與測點距振沖點的距離有關，距振沖點距離越遠，孔隙水壓力增加幅度越小。在整個區(qū)振沖加固完成后，孔隙水壓力消散較快，一般在3次成孔振沖后，1 h內孔隙水壓力消散約80%；(2)無填料振沖加固吹填粉土地基后，土體產生較大的沉降量，且振沖點附近地面距振沖點的距離與該點的對數沉降成較好的線性關系；(3)通過對比加固前后標準貫入試驗及平板載荷試驗結果可知，加固后土體標貫擊數明顯增大，土體密實度得到大幅度提高，土體承載力得到了顯著提高。此外，還比較了不同振沖點間距對加固效果的影響，綜合土體密實度、承載力、經濟性等多個指標，認為振沖點間距2.5 m為本工程最優(yōu)振沖點間距。