陳旭濤 ，張瑞棋

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；4.天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222）

0 引言

無填料振沖法是通過反復強力振動和水沖，將振沖器周圍的飽和砂土層及振沖器上部塌陷的砂土短暫液化或結構破壞，顆粒重新排列，顆粒間孔隙減少，砂土形成密實結構，從而砂層承載力提高，達到加固的目的。國內外學者一般認為無填料振沖加固僅適用于處理黏粒含量約10%的中粗砂和粗顆粒土，規(guī)范明確規(guī)定無填料振沖加固技術不宜或不能用于粉細砂地基[1-2]。無填料振沖施工工藝參數(shù)和地區(qū)適用性也需要通過現(xiàn)場試樁確定和完善。周健[3-5]等針對無填料振沖法加固飽和疏松粉細砂地基的有效性和工藝參數(shù)，發(fā)現(xiàn)加固效果顯著，并總結無填料振沖粉細砂施工工藝發(fā)展及存在的問題。何開勝[6]等通過對長江下游新吹填松散粉細砂無填料振沖試驗，研究振沖過程中超靜孔壓變化、樁周土強度變化、部分檢測樁出現(xiàn)局部缺陷等問題，分析總結適用于吹填粉細砂的無填料振沖設計參數(shù)、施工工藝和質量控制方法。蘇榮臻[7]以上海某工程研究了不同功率振沖器、兩種施工工藝、振沖參數(shù)等對于粉細砂地基振沖地區(qū)經驗。葉觀寶[8]等通過現(xiàn)場孔隙水壓力監(jiān)測試驗得出振沖液化時間與留振時間的關系，留振時間與深度和土性有關。以上文獻均是研究針對具體工程地質條件下，合理的振沖施工工藝可以有效地對砂土進行加固。本研究通過改進振沖器，完善傳統(tǒng)的振沖工藝，對采用無填料振沖加固粉細砂地基的有效性進行試驗，現(xiàn)場大面積施工后檢測，加固效果滿足設計要求。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某工程位于南美洲，地質條件復雜，大多區(qū)域覆蓋深厚湖沼相泥炭土層。為能滿足波音747-400等大型客機的起降，計劃將-有跑道延長1 090 m，其中東北端延伸710 m，西南端延伸840 m。跑道延伸端地處沼澤地，淤泥深厚，需要經過地基處理并進行高填方可與-跑道銜接。機場跑道由0耀30 m粉細分層砂堆填形成，與-跑道相接處地勢比較高，跑道端頭地勢最低。

1.2 粉細砂顆粒組成

本工程堆載砂主要為粉細砂，按照美標ASTM C136/C117[9]Standard Test Method for Sieve Analysis of Fine and Coarse Aggregates進行篩分試驗，根據(jù)篩分結果可以看出堆載砂黏粒含量躍10%，粉細砂顆分試驗結果曲線見圖1。

圖1 粉細砂顆分試驗曲線Fig.1 Sieve analysis aggregate curve of fine sand

2 傳統(tǒng)振沖工藝及出現(xiàn)的問題

2.1 傳統(tǒng)施工工藝

振沖設備采用75 kW振沖器，振沖點位平面布置采用等邊三角形，間距3.5 m，最大振沖深度15 m，振沖方式采用雙點共振。振沖步驟如下：

1）施工準備工作完成后，進行振沖點位放樣。

2）吊機就位，振沖器對準振沖點位，開啟振沖器，開啟水泵、氣泵。

3）振沖器下沉，下沉速度由現(xiàn)場下沉難易程度決定，保持勻速下沉，到達振沖深度后，留振20 s，至密實電流130~160 A；提升振沖器，提升速度由現(xiàn)場提升難易程度決定，每提升0.5 m留振20 s，振沖器頂部距孔口0.5 m處留振120 s。

4）上拔振沖時，關閉高壓空氣，適當減小振沖頭噴水，下部砂體被振動擠密。

5）振沖施工時，振沖器孔端噴出水壓0.7~0.8 MPa，電源控制在（380依20） V，電流不超過振沖器額定電流180 A，當超過額定電流值時，必須減慢振沖器下沉速度直至停止下沉。若持續(xù)超過額定電流，振沖器也不下沉，則把振沖器上提0.5 m后，再次下沉。重復上述步驟3次后振沖器還不下沉，則開始提升留振。

2.2 質量問題及-因分析

采用傳統(tǒng)的振沖工藝進行現(xiàn)場小面積試樁，進行2個標貫試驗孔，檢測結果見圖2。從檢測結果可以看出，振沖后，地面以下5 m左右地基強度沒有達到設計要求（大于18擊）。產生質量問題的-因如下：

圖2 試樁標準貫入試驗結果Fig.2 Standard penetration test results of test pile

1）表層標貫擊數(shù)偏小。主要-因是高填方砂土地基水位比較低，表層砂在振沖過程中處于非飽和狀態(tài)，砂土并不能有效的重新排列，振沖后砂土顆粒不密實。

2）下部個別深度標貫擊數(shù)不滿足設計要求。主要-因是黏粒含量較大的粉細砂不容易坍塌，在振沖中容易出現(xiàn)振沖器空振現(xiàn)象，砂土沒能受到振沖器有效的水平擠壓，砂土不密實。

3 改進后的振沖設備及工藝

3.1 改進振沖設備

對于高填方無填料粉細砂地基采用傳統(tǒng)的振沖器振沖，檢測結果顯示淺層標貫擊數(shù)偏低、個別深層標貫擊數(shù)不滿足設計要求，地基承載力不能滿足使用要求，工后沉降大、使用期會出現(xiàn)道面開裂等問題。主要-因是高填方粉細砂板結效應，在振沖過程中不容易塌孔，導致振沖器電機空振，起不到側向擠壓密實效果。

基于以上-因，對振沖器進行了改進：在傳統(tǒng)振沖設備的基礎上增加1組徑向出水管路和1組豎向出水管路，使振沖器周邊及上部粉細砂容易塌孔，減少空振時間，提高振沖密實效果。傳統(tǒng)振沖設備和改進后振沖設備分別見圖3和圖4，改進后振沖設備及施工工藝已申請發(fā)明專利。

圖3 傳統(tǒng)振沖器實物圖Fig.3 Physical drawing of traditional vibroflot

圖4 改進后振沖器設計圖Fig.4 Design drawing of improved vibroflot

3.2 改進振沖設備

改進后的工藝如下：

1）整平場地，放樣振沖孔位，用鋼尺放測孔位，孔位正三角形布置，間距3.5 m。

2）振沖前，對振沖區(qū)域浸水處理6~12 h，使地基充分濕潤，砂土處于飽和狀態(tài)。

3）振沖設備就位，振沖器頭對準點位，保持垂直，打開電源和水源，檢查水壓、水量、電壓和振沖器的空載電流是否正常，開始振沖下沉。

4）振沖器勻速下沉，保證振沖器垂直，將豎向出水管路出水量開到30耀50 m3/h，徑向出水管路出水量盡量調低，當振沖器達到設計振沖深度，關閉氣泵，留振20 s。此步驟豎向出水管路出水量較大，以加速振沖器下沉，為了防止細砂堵塞環(huán)形水管的出水通孔，徑向出水管路需要保持一定的較低的出水量。

5）開始提升振沖器，提升過程中將豎向出水管路水量盡量調低，徑向出水管路水量開到最大，加大孔口注水量，促使上部砂體塌陷，提升速度由現(xiàn)場提升難易程度決定，每提升0.5 m留振20 s，振沖器頂部距孔口0.5 m處留振120 s，密切關注密實電流。如果出現(xiàn)電流偏低應進行上下往復反插拔振沖器，避免局部振沖不密實現(xiàn)象；如果出現(xiàn)電流突然增大，迅速上提振沖器，避免出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象；此步驟將徑向出水管路水量開到最大，加大非飽和砂含水量，在振沖器強力振動過程中，粉細砂更容易液化，砂顆粒重新排列，更容易塌孔，從而避免振沖器電機空振，利用振沖器水平側向擠壓提高砂層振沖密實效果。

3.3 優(yōu)點

改進后振沖設備及施工工藝具備以下優(yōu)點：

1）通過外部進水通道，加大非飽和砂的含水量，在振沖器強力振動過程中，砂土更容易液化，砂顆粒重新排列，孔隙減少。

2）通過設置徑向出水管路，振沖器外側粉細砂更容易塌孔，避免振沖器電機空振，利用振沖器水平側向擠壓來提高砂層振沖密實效果。

3）設計精巧、結構簡單、制造成本較低，操作簡單，能夠有效地提高工作效率。

4 檢測效果評價

4.1 標貫試驗檢測

現(xiàn)場振沖結束28 d后，每1 000 m2進行1組標貫試驗檢測，檢測點位由咨工現(xiàn)場隨機選定，標貫試驗按照美標ASTM D1586-11[10]Standard Test Method for Standard Penetration Tset（SPT）and Split Barrel Sampling of Soils規(guī)定進行，每1.5 m進行1次標貫試驗。改進工藝后地基處理區(qū)域共計進行17孔標貫試驗檢測，檢測結果見圖5。

4.2 動力觸探試驗檢測

圖5 標貫擊數(shù)-深度關系曲線Fig.5 Relation curve of standard penetration number and depth

現(xiàn)場振沖結束28d后，每2000m2進行1組動力觸探試驗檢測，檢測點位由咨工現(xiàn)場隨機選定，動力觸探試驗按照美標ASTM D6951M.11436[11]Use of the Dynamic Cone Penetrometer in Shallow Penetrometer in Shallow Pavement Applications規(guī)定進行，每0.1 m進行1次動力觸探試驗。改進工藝后地基處理區(qū)域共計進行10孔動力觸探試驗檢測，檢測結果見圖6。

圖6 動力觸探擊數(shù)-深度關系曲線Fig.6 Relation curve of dynamic cone penetration number and depth

4.3 試驗檢測結果分析

1）由標準貫入試驗結果可知，0~15 m經修正后的標貫擊數(shù)為20~69擊，相應承載力標準值為160~552 kPa，隨深度的增加標貫擊數(shù)增加，但沒有明顯的線性關系，比改進工藝前提高30%。

2）由動力觸探試驗結果可知，0~15 m經修正后的動探擊數(shù)為6~78擊，相應承載力>180 kPa。

5 結語

對于處理黏粒含量躍10%的粉細砂采用常規(guī)或規(guī)范上的振沖工藝很難達到預期的效果，需因地制宜，根據(jù)現(xiàn)場實際試樁確定合理的施工工藝。南美地區(qū)粉細砂可用于大面積回填料，地基處理需對傳統(tǒng)的振沖設備進行改進，并探索適合當?shù)氐氖┕すに?，同時振沖前應在振沖區(qū)域大量灌水，保證砂土在振沖過程中可以快速液化。采用無填料振沖工藝可以就地取材，有效降低工程造價，滿足不均勻沉降要求，具有很大的經濟效益和應用前景，可在當?shù)剡M行大面積推廣。