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7．7级强烈地震，1968年日本十胜冲发生7．8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Saitoll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。

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S d=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1.0～1.5g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：

p r V a

式中r ——加固半径（m ）；P ——振冲器功率（kw ）；p V ——纵波波速；

S ——振冲留振时间； a ——土能量吸收系数，见表1；

k ——大于一的系数（3～5）

表 1 土的能量吸收系数a

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