振冲碎石桩法是在造孔中填砂石等骨料,然后用振冲器振密和填料,碎石桩与原土层形成复合地基,可消除地基液化和提高地基承载力。何广讷 ^[1]详细地介绍了振冲法在国内外处理砂土和软黏土地基的工程实例,如徐州铜山水泥厂的粉砂地基、天津塘沽长芦锅炉车间软黏土地基、江阴船厂重型设备粉细砂地基等。振冲碎石桩已在电厂、公路路基、工民用建筑等软土地基中得到应用 ^[2,3,4],是常用地基处理方法之一,加固地基效果好、速度快、适用性广,已在我国得到较快应用和推广。

　　 但振冲碎石桩在处理圆砾夹砂层的地基时,常会用到150kW大功率振冲器,振冲器穿越此类地层相当困难,常会被孔壁坍塌砂层包裹和堵塞,在造孔过程中下沉相当缓慢,易出现“抱管”现象 ^[5],无法施工。若强行上拔出,将会导致振冲器电动机电流骤然增大,烧坏电动机。此外,“抱管”现象还会增加起重机吊重,强行上拔会拉断起重机大臂,施工风险大,经济损失大。

　　 对于这种地层的振冲碎石桩施工情况的处理,现行文献很少有对有关圆砾夹砂地层中大功率振冲器施工工艺的规定,仅是根据现场经验进行处理。本文针对此类施工问题,通过现场振冲碎石桩的资料分析以及试验模拟,提出相应的“气协法”施工技术,以加快施工造孔速度及效率、缩短项目工期、节约投资。

　　 由于碎石桩要挤入土层,振冲器要振动至密实电流,并要保证一定的留振时间,还有必要的水压及气压,才可保证桩体能密实成型。因此,造孔电流、留振时间、造孔水压、造孔气压是振冲器造孔阶段设备的关键参数值。这4个参数的大小与土层地质情况、所用的振冲器功率大小等有关,它们直接影响造孔能否顺利进行。

　　 云南某地区的油气管道工程———泵站,由于地基土液化,采用振冲碎石桩复合地基,以提高地基的承载力。根据勘察报告,场地地层条件为:(1)黏土,厚度为2m;(2)中密砾砂,厚度为2m;(3)中密砂土,厚度为3m;(4)中密砾砂,夹有少量卵石,厚度为2m;以下为中粗砂。

　　 本工程项目地层在采用振冲碎石桩施工造孔时,常需用到150kW大功率振冲器,由于JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》 ^[6]和DL/T 5214—2005《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》 ^[7]仅对130kW及以下的振冲器施工参数有所规定,对150kW大功率振冲器施工并没有给出相关的施工参数的规定。

　　 由于该区域地层情况较复杂,砂层和砾砂层的密实程度分布不均,各层的厚度变化较大,深浅也不同。根据现场对碎石桩施工记录,选取具有代表性的100根150kW大功率碎石桩的记录进行统计分析,如表1,2所示,然后提出造孔电流、留振时间、造孔水压、造孔气压等关键施工参数值。

　　 由表1可看出,密实电流分布的区间为110～130A,约占总桩数的15%;160～180A,约占18%;130～160A,约占52%,此区间占主要部分。留振时间为13s,约占52%,大约为总数的一半,其他区间留振时间均约为12%。因此,建议150kW振冲器密实电流宜为130～160A,留振时间为13s。

　　 由表2可看出,水压及气压的平均值分别为0.57MPa和0.56MPa,变异系数分别为0.36及0.38,考虑水压及气压控制值的方便性,故建议大功率150kW振冲器的气压及水压为0.6MPa。

　　 因此,基于上述统计分析,150kW大功率振冲器的造孔电流、留振时间、气压及水压等关键施工参数建议取值为:密实电流130～160A,留振时间13s,造孔水压0.6MPa,造孔气压0.6MPa。

　　 根据现场施工资料记录与分析,选取易出现“抱管”现象圆砾夹砂地层作为试验对象。为便于观察试验过程,采用透明玻璃容器,尺寸为1m×1m×1.5m,厚度为10mm,2台空压机,1台注水机,振捣棒的振率为450r/min,直径35mm,净长为1m,用来模拟振冲器,振捣棒的左侧管连接1台空压机,振捣棒的右侧管连接到注水机,注水机的端部连接另一台空压机。

　　 试验材料为中密状态的圆砾和细砂,圆砾含水量平均值为0.6%,相对密度为2.65,最大干密度为1.7g/mm³,最小干密度为1.5g/mm³。细砂含水量平均值为3.23%,相对密度为2.53,最大干密度为1.93g/mm³,最小干密度为1.41g/mm³。首先分层填实底层的圆砾层h,再填中间的砂层d,最后分层填装50cm高的中密圆砾层,如图1所示。

　　 1)试验1安装好试验装置后,选取最上面的圆砾层的中间部位为试验点,设置层厚d=40cm,h=50cm,开启连接注水机的空压机,其压力控制为60kPa,然后再打开注水机,同时开启振捣棒。试验开始后,随着振捣棒造孔进入土层,观察此过程中振捣棒在砂层造孔的状态。

　　 2)试验2“气协法”试验选取上面水冲法的同一位置为试验点,设置层厚d=40cm,h=50cm,然后同时开启2台空压机,控制其压力均为60kPa时,与此同时打开注水机,并开启振捣棒,观察并记录造孔过程。

　　 3)试验3采用“气协法”试验,分别设置d=40cm,h=50cm;d=30cm,h=60cm;d=20cm,h=70cm 3个不同砂层厚度的试验,观察造孔过程。

　　 观察试验过程发现,在采用水冲法造孔中,振捣棒在圆砾层顺利下沉,此时只有少部分砂粒随着水流被携带出孔口,但振捣棒刚进入细砂层后,造孔下沉的速度明显减慢,最上面的圆砾层稍粗的颗粒逐渐向细砂层沉入,导致细砂层的砂粒被阻无法向上返出,从而在两层的分界面上方形成细砂堆积压密区,堆积区高度约5cm,底部宽度为20cm,振捣棒上提和下沉逐渐困难,水冲法造孔无法继续进行。

　　 此时,保持振捣棒高度不变,采用“气协法”造孔,同时打开水管与气管,由于气流混合振动作用,砂被水、气流携带出孔口,出砂量开始增多,最上面的圆砾层与细砂层的分界面上方并没有出现砂粒堆积区,随着细砂逐渐被水流携带出孔口,振捣棒的上提与下沉均很轻松。

　　 采用“气协法”试验发现不同夹砂层厚度均可顺利造孔,孔内砂颗粒处于振动状态,水流均可携带砂粒出孔口。夹砂层厚度d=30cm与d=40cm,造孔时间基本接近。但相比于d=40cm时,夹砂层厚度d=20cm时造孔完成时间相对较快,振捣棒在成孔过程中所受的阻力较小。

　　 通过上述试验对比发现,当采用水冲法时,在振捣棒进入细砂层后,细砂无法在水流作用下返到孔口,随着砂颗粒数量的增加,在分界面上方形成砂粒区,越堆越多,然后便会出现上述“抱管”现象。当采用水、气共同作用时则不会出现砂粒堆积区,不同夹砂层厚度均可顺利造孔,孔内砂颗粒处于振动状态,水流可携带砂粒出孔口,从而避免“抱管”现象。

　　 传统高压水冲法振冲碎石桩施工流程为:桩机就位后,开动高压水泵冲水造孔,清孔填料,振密成桩。在这种方法施工过程中发现,圆砾夹砂层的砂粒易悬浮在振冲器导杆的位置,且在振冲器的振动作用下重新固结密实,从而卡住振冲器。此时振冲器的上提和下沉均很困难。振冲器设备构造复杂,内敷设有电线、水管、减振器等附件,若强行上提,会出现振冲器连接件被拉断裂,还会烧坏振冲器的电动机,造成极大的经济损失。

　　 为解决此类问题,可在振冲器导管外壁焊接1根直径15～20mm镀锌管,管一端通过气压胶管连接空压机,另一端延伸到管的减振器上部,距减振器约20cm,“气协法”设备具体如图2所示。振冲碎石桩施工时开动气泵,可随桩深适当地增大气压值,在振冲器振动造孔时有高压气体喷出,由于高压气体连续扰动,使得导管周围的砂粒变成悬浮状态,无法形成密实沉积区,从而避免形成“抱管”现象。

　　 现场采用水、气共同作用的“气协法”振冲碎石桩施工,造孔顺利,效果良好。该方法的施工流程如下。

　　 1)施工准备清理场地,完成现场的“三通一平”,采用经纬仪或全站仪测量仪器,通过基准桩确定施工范围,确定桩位基线,用灰线布置桩点,对桩点采用适当的标识进行标记。检查起重机稳定情况,起吊振冲器对准桩位,误差应≤50mm。

　　 2)造孔施工同时开动高压水泵及气压,待振冲器下端喷水口出水后,启动振冲器,检查水压、电压和振冲器空振电流是否正常。达到要求后,起重机放下振冲器,使其贯入土中,贯入速度约控制为1m/min,造孔电流为130～160A,造孔水压和造孔气压均为0.6MPa。

　　 造孔过程中应保证振冲器悬垂,若孔口不返水,应适当加大送水量。若电动机的电流值大于额定电流,应减速或暂停振冲器施工,等到电流值下降并达到要求后再继续造孔。施工时应派专人记录造孔电流值、造孔速度、气压、水压及返水情况等。当达到桩孔的设计深度时即可终止造孔。

　　 3)清孔填料当造孔终止后,如果返水中含泥量很高,或孔口被高强黏性土塞住时,往往要清孔。清孔时是把振冲器提出孔口,反复作用直至孔口泥浆变稀,保证填料畅通。为防止孔内坍塌,应立即验收并记录。

　　 填料有连续填料和间断填料2种。施工时采用间接填料,其方法是应将振冲器提升孔口,每往孔内加入0.15～0.5m³碎石,下降振冲器至填料中振捣1次,如此反复直至桩体施工完成。选用级配碎石,粒径一般选用为6～8cm,厚度为40cm,留振时间一般为13s。

　　 4)振密成桩从设计深度的孔底到桩的顶部,分段振密,使填料挤密,直至达到设计要求的电流值、留振时间和碎石填料量。成桩间隔约21d后,由相应单位检测碎石桩复合地基的承载力。施工过程如图3所示。

　　 与传统振冲法相比,“气协法”可将大量砂粒排出孔外,避免了水冲法的“抱管”问题,加快了施工速度。从对环境影响上看,由于“气协法”用水量少,降低了泥浆排放量,减少了泥浆收集和外运,节省了水、电、材料的消耗,提高了工程质量,洁净、节能、环保。

　　 1)圆砾夹砂层150kW大功率振冲器的密实电流宜为130～160A,留振时间为13s,气压及水压宜为0.6MPa。

　　 2)“气协法”由于气体连续振动,砂粒可顺利随水、气流返出孔口,因而不会出现砂粒堆积区,避免“抱管”现象发生,是解决“抱管”现象的有效方法。