振冲法简述

无填料振冲法现状及新进展1概述振冲法是振动水冲法的简称，利用振冲器强烈振动和压力水灌入到土层深 处，使松砂地基加密，或在软土层中填人碎石等无凝聚性粘粒形成强度大于周围 土的桩柱和原地基土组成复合地基，提高地基强度的加固技术。振冲法工艺简单， 施工方便、工期短、经济实用和效果显著等优点。振冲法加固软弱地基适用土质广泛，尤其用于加固地震区易地震液化的砂性 土更有独到的优点。1964年日本新泻发生77级强烈地震，1968年日本十胜冲发 生78级强烈地震，两次震后调查发现用振冲法加固的砂土地基上建筑基本上没 有损坏，而同一地点未经过处理或已打过浅钢筋混凝土桩的地基由于地震液化使 建筑物产生了严重损坏。表明振冲法加固地震区易液化砂基有它显著的优点。按加固机理和填料的不同，振冲法可分为填料振冲法和无填料振冲法，对于 无填料加固，国内外一般认为仅适用于处理粘粒含量小于10的中粗砂等粗颗粒 土；对于粉砂地基，一般教科书和有关规范都有明确规定，不宜采用或不能采用。 但是填料振冲加固粉细砂地基也存在着一些问题：一是需要填料量大，工程质量 不易控制和检验；二是能否有效解决场地的不均匀沉降问题，目前尚存在较大争 论。无填料振冲法加固粉细砂地基，加固效果显著，可以有效提高地基均匀性、 可以在地基浅层形成一层均匀的相对硬层，从而有效消除不均匀沉降和减少工后 沉降。因此，研究无填料振冲法对于粉细砂地基加固的适宜性和有关工艺参数就 具有十分重要的理论和现实意义。2无填料振冲适用范围砂类土中的细粒含量对土体的振冲加密有很大的影响。Webb和lan Hall根据 在含黏粒的砂基中进行的填料振冲试验结果，认为细粒含量达30时，在距振冲 点1 m以内仍有一定的加密效果，不过加密影响范围和加固效果随黏粒含量的增 加而明显减小。Slocombe等认为，通过提高振冲器功率和改进施工技术，填料振 冲法可以用来加固细粒含量超过45%的土体。但Sai toll却指出对于细粒含量超 过20%的砂土，振冲法几乎没有任何挤密效果。Harder等也报道了对Thermalito Aflerbay坝基的粉砂（细粒含量超过20%，部分达35%）用填料振冲法加固失败的 例子，并认为加固失败的原因是由于加固砂层上面的黏土或粉土硬壳层或砂土中 含有较高细粒的缘故。Mitchell 给出了适合于振冲加固的颗粒级配范围，见图 2 。当土层颗粒级配全 部位于B区时，加固效果最好；若级配曲线全部落在C区，因颗粒过细则加固有困 难；若位于A区，则影响振冲器的贯入速度和易损坏振冲器。随着近年来大功率 振冲器的问世，可加密土体粒径的上限已逐渐提高，但可加密土体粒径的下限却 变化不大。对于不加填料的振冲密实法，国内外一般认为仅适用于处理黏粒含量小于 10的粗砂和中砂地基，对于粉细砂及吹填细砂地基，是否可以采用不加填料的 振冲法进行加固是有争议的。1Q 52 LQ 0.502 0.1 0.050.01 Q0050.001滋宀二一=一 hg运心卞7P图2振冲加固颗粒级配曲线3无填料振冲加固机理振冲法依靠振冲器的强力振动，将振冲器的水平振动力作用于四周土体，使 饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，空隙减少，从而达到加固的目的。加固后 的砂土地基，其相对密度可达80%以上。砂土受振时，饱和砂土在循环荷载作用 下，土体经受周期剪应力而使体积发生变化，产生超孔隙水压力，颗粒间摩擦减 小，外力逐渐转移而由孔隙水传递。当空隙水压力U趋于压力P时，剪力Sd=0， 土体结构遭到破坏，土粒有可能向低势能状态移动，出现液化现象，这时砂土强 度接近于零。砂土液化后在上覆荷重及振动作用下，砂土颗粒又重新排列并得到 振挤作用，使砂土空隙比大大减小，其相对密度得到显著增加。有研究表明，振 动加速度打0.5g时，沙土结构开始破坏；振动加速度达1.01.5g时，土体处于 流体状态；超过3.0g时，砂体不但不变密反而会由密变松。Greenwood和Kirsch根据从振冲器侧壁向外加速度的大小将振冲器周围的土 体分为5个区域，即紧靠振冲器测壁的剪胀区（土体处于剪胀状态）、流态区（土体 处于流体状态，土粒有时联接，有时不联接）、过渡区和挤密区（土粒保持联接， 能够通过图骨架传递振动应力）以及弹性区 （土粒受振动小，无挤密效果）（如图 1），只有过渡区和挤密区才有明显的挤密作用，过渡区和挤密区的大小取决于砂 土的性质和振冲器的性能。图 1 砂土对振冲的理想反应在国内，李君纯认为振冲加固砂性土的机制为振挤、浮振和固结作用。造 孔时主要为振挤作用， 留振时主要为浮振作用，停振后主要为固结作用。龚晓 南认为砂土加固主要依靠振动加密、振动机密、碎石桩的“石柱”作用、碎石桩 排水作用、砂土预振作用。叶书鳞等认为，砂性土的振冲加固机制为挤密、排水 减压和预振效应。郑建国认为，造孔时主要为挤密过程，而上拔时主要为振密过 程。4 无填料振冲加固范围从波动理论看，振冲器的振动是一种胁迫振动，其产生的能量是持续性的以波 的形式向外传播，并影响周围土层，但波在土层中的传播为阻尼振动，随着其在 土层中的传播，波的能量逐渐消失，能量越小对砂土的密室作用越小，这使得振 冲具有一定的影响范围，超过了这个范围振冲的密实作用就不明显了。林晓斌等根据波在地基中的传播速度和对能量的吸收能力，可以计算出波的有效传播范围，也就是振冲地基加固半径r可按下式计算：ky/PSr V ap式中r加固半径（m）； P振冲器功率（kw）； V纵波波速；pS振冲留振时间；a 土能量吸收系数，见表1；k大于一的系数（35）表1 土的能量吸收系数a土斌种类ck值伽/m)松轶饱和粉细砂八片粘王轻亚粘土，粘土0.01 0.03很湿的亚粘土 粘土0. 04 2 06稍湿的和|:的轻亚粘土，亚粘土0. 07 -0. 10硬塑的粘土和中密的块石!碎石0.08750. 115可塑的粘土和中密的粗砂.砾石0. 1 4 125有效加固深度是指经过振冲加固后，土体强度提高和压缩模量增大而加固明 显的土层范围。在表层附近，由于上覆有效应力比较小，加固效果相对会差一些， 需对表面进行碾压，最终效果会较好。5 无填料振冲施工工艺周健等认为，以往对于粉细砂地基无填料振冲加固的失败，除了由于传统的 振冲工艺容易产生流态区而影响其最终的挤密效果外，还与粉细砂的初始密实状 态和粘粒含量等有关。基于饱和疏松粉细砂土的工程特性，只要采用正确的振冲 工艺和施工参数，采用无填料振冲加固可以取得显著的加固效果。（1）采用双机共振或三机共振施工工艺，共振有利于放大土层的振动响应， 可以有效限制振冲流态区的发展和扩大挤密范围，提高挤密效果。考虑到施工难 易性，具体施工时宜选择双机共振工艺，不但可以有效提高加固效果，而且还可 以提高施工效率，降低施工工期。（2）选择合适的振冲水压和水量。砂层在振动荷载作用下易发生液化且其 比贯入阻力较小，因此振冲时宜进行干振或将水压和水量减小至避免细砂堵塞出 水管为宜，以有效阻止大量细颗粒随水流失。（3）选择合适的振动力和振动频率。增大振动力可以提高加固效果和加大 加固影响范围。但加固效果通常不随其成比例增加。当振动频率接近土颗粒振动 频率使土体处于共振状态时，加固效果最佳。过高振动频率虽有利于振冲器的贯 入，但无助于土体振密。振冲力和振动频率过小，振冲影响距离较小；振动力和 振动频率过大，会造成宽广的流态区而不是挤密区。因此，根据粉细砂的动力特 性，振冲粉细砂地基时宜采用最大振动力为90kN、振动频率为24Hz。（4）控制振冲器下降和上升速率及上提间距。为了避免振冲不充分和漏振， 保证施工质量，振冲时振冲器上升间距、速率和下降速率应严格控制。对于粉细 砂，上升速率宜为0.5lm/min,上升间距为3050cm,下降速率宜为12m/min。（5）正确确定振冲密实电流和留振时间等施工参数。过长的留振时间不但 无益于提高加固效果，而且会使密实电流降低。地下水位比较深的场地，需要在振冲之前对地表进行适度灌水，以提高表层 饱和度，并在振冲完毕后需要对地表进行振动碾压，以保证浅层处理效果。 6 影响振冲加密的因素研究表明振冲加固与以下几个因素紧密相关（1）振动器的振动参数。砂土的加密效果主要与振冲器的振动频率、振动强 度、振动作用时间有关。实验研究证明机械的激振频率与被压实土的固有频率范 围相同时，土的压密效果最好。影响历密效果的决定性因素是振动机械的激振力大小。振冲器激振力较大、 自由振幅较大时，加密的影响范围就较大，砂土也加密得比较密实和均匀。足够 的振动作用时间对振动的传递、颗粒间的相互作用、土颗粒的充分位移和沉密十 分重要。（2）砂土粘粒含量对振密的影响。振动适于砂土的加密，但是，天然地基理 想的纯砂很少，通常砂土中常含有不同程度的粘粒，也经其存有粘性土层。砂中 的粘粒使砂的透水性减小，当含水量高时，土变得有弹性而难以振动加密。（3）砂土含水量。在剪力作用下松散的砂骨架容易失稳并趋向密实。实验证 明只有完全干燥或充水饱和状态的砂土才可能获得最大的振动密实度，含水量在 这两种状态范围之间的湿砂，振动得到的密实度均较低。外力作用时饱和砂土与 水共同承担和传递外力，水使砂土抗剪强度减小，在反复剪力作用下砂土容易发 生液化，并形成液化区扩大，使振冲器得以快速下沉造孔，同时砂土颗粒重新排 列致密。当砂土含水但未达饱和状态时，在土颗粒间存在自由水自由水对土粒 产生内向的使土粒相互挤紧的毛细压力。出于毛细压力的作用，湿砂可以用力捏 成团，但振动和夯击都难以使它达到最佳压密。因此，振冲施工必须冲水饱和砂 土增强加固效果。7振冲加固后的时间效应研究研究表明，振冲结束后，虽然粉细砂土的振动孔隙水压力消散很快，一般两 个小时消散结束；但粉细砂的强度在固结完成后很长时间仍有较大幅度的增长。 中粗砂振冲后静探值增长主要在1周内，振后1个月增长就基本完成。但是对于 粉细砂，特别是有粘粒含量的粉细砂，静探值增长与时间密切相关。粉细砂在振 冲1个月后静探值仍在增长，离振冲点越近，增长幅度越大，振冲点处的静探值 在振后14天恢复到振前水平，静探值的增长主要在振后14天到两个月间完成。且 时间效应随着粘粒含量的增加越来越明显,特别是振冲点附近,颗粒在振冲荷载 下液化，颗粒越细，颗粒重新排列，重新密实所需要的时间就越长。粘粒含量为 5%的粉细砂，需要34个月；粘粒含量为10%的粉细砂，需要45个月；粘粒含量 为15的粉细砂，需要6个月以上。从土体强度增长幅度看，加固浅层粉细砂地 基时，其质量检验可在加固结束后15d左右进行。粉细砂土强度随时间的增长除了与振动孔压消散引起的有效应力增加有密 切关系外，还与土的结构性、触变性、上覆土压力、细颗粒间的化学胶结作用、 气体的溶解和颗粒重组引起的二次压缩等因数有关。8问题及展望目前，由于振冲的物理过程极其复杂，还没有建立合理的数值模型，其设计 施工还没有一套很成熟、完善的设计计算方法，基本还是建立在经验和现场试验 基础上。另外，对于振冲过程中出现的一些现象仍没有得到确切解释。因此，今 后振冲研究还需在以下几个方面努力：（1）从细观的角度对无填料振冲法加固砂性土的机理进行研究，探讨振冲前 后砂土颗粒的细观组构变化;（2）针对振冲法对较深区域加过效果好，表层加固效果稍差的特点，探索 采用复合式地基加固研究；（3）可 以对不同的排水条件、不同含水量、不同砂土的无填料振冲法进行 对比分析，进一步研究无填料振冲法在粉细砂地基中的规律；（4）在未来振冲法研究的过程中可以加强对振冲影响范围的理论研究，这对 于优化设计起着重要的作用；（5）振冲加固效果检测与评价；（6）无填料振冲的加固机制、设计，可从波动理论和能量原理方面入手；（7）施工参数优化，针对不同土体分析研究适合的振冲机具、振动力和振动 频率、水压和水量、振冲器下降和上提速率及上提间距、振冲密实电流和留振时 间等与土体物理力学化学参数的最佳组合。（8）目前对于产生砂性上时间效应的原因和控制因素仍缺乏正确的理解和认 识，还没有为大家所普遍接受的解释。由于砂土时间效应的产生和增加幅度直接 影响到砂性土的加固设计标准和质量检验时间，因此正确理解砂性土的时间效应 现象对于工程实践来说无疑具有十分重要的意义。参考文献1】 周健，贾敏才等. 无填料振冲法加固粉细砂地基试验研究及应用. 岩石力 学与工程学报，2003，22（8）:13501355.2】 周健，王冠英，贾敏才. 无填料振冲的现状及最新技术进展. 岩石力学， 2008，22（1）：3742.3】 周健，姚浩，贾敏才. 大面积软弱地基浅层处理技术研究 . 岩石力学， 2005，26（10）：16851688.4】 黄茂松等 . 振冲碎石桩加固饱和粉砂粉土地基研究 . 岩土工程学报， 1992，14（6）：6972.5】 叶观宝等. 振冲法处理吹填土浅地基的分析. 施工技术，2007，36（9） 4751.6】 李君纯等. 振冲法加固砂壳坝试验研究. 岩土工程学报,1982,4（4）1-16.7】 龚晓南. 地基处理技术发展与展望. 北京：中国水利水电出版社，2004.8】 南京水利科学研究院. 软基加固新技术振动水冲法. 北京：水利水电出 版社.9】 林晓斌. 振冲法在细砂地基处理中的实验研究. 同济大学硕士学位论文， 2002.10】朱鹏宇. 上海港外五期工程浅层地基处理研究. 同济大学硕士学位论文， 2005.11】章丹峰. 深厚吹填砂无填料振冲加固试验研究. 同济大学硕士学位论文， 200512】苏荣臻. 无填料振冲法在粉细砂地基中的试验研究 . 南京工业大学硕士 学位论文，2005