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摘要：本文结合工程实例介绍了振冲碎石桩的作用机理、工艺流程和质量控制，并对振冲碎石桩在堤防工程中的应用条件进行了探讨。
关键词：振冲碎石桩 防洪堤 基础 应用探讨
引言
振动水冲法由德国人S. Stewerman于1936年提出，我国于70年代中期开始用振冲碎石桩加固软弱地基，目前该法在我国已经广泛使用，特别是在高速公路软基处理中尤为常见，但应用于堤防工程实例相对较少。2006年福州市盖山南堤吴山至竹榄段修复工程在福州市水利工程领域首次应用振冲碎石桩技术加固地基，并取得成功。
一、工程概况
福州市闽江下游盖山南堤吴山至竹榄段地基由上至下分别为填土层、淤泥质土、粘土。2005年7月，桩号3+400附近突然发生堤身滑坡坍塌，坍塌长度近100米，堤身裂缝长度达120多米，堤顶道路中断。其后，在堤身恢复施工中再次发生滑动坍塌情况，经设计部门研究比较，决定在堤外反压平台处增设振冲碎石桩。碎石桩共设5排，桩径900mm，排距1.7米，桩距1.8米，呈梅花形布置，设计深度16米或深入持力层1-2米。
二、作用机理
振冲碎石桩是利用能产生水平方向振动的管状设备，在高压水流冲切配合下，在地基上成孔，然后向孔内分批填入碎石，用振冲器将其挤密，形成碎石桩。其加固地基的作用主要有三个方面：
（1）置换作用，碎石桩置换了部分土体，形成的碎石桩强度大大高于周围土体的强度，碎石桩与周围土体组成“复合地基”，在荷载作用下，压力随着桩土的等量变形逐渐集中到桩上，从而使桩间软弱土分担的压力相应减少。
（2）挤密作用，振冲碎石桩在成桩过程中桩体对周围土层产生很大的横向挤压力，土体产生径向位移，使桩周围的土粒重新排列密实，孔隙比减小，密实度增大，通过挤密作用，提高地基的强度、承载力和抗液化能力。
（3）排水作用，振冲碎石桩在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土排水固结，强度提高，抵抗桩体侧向变形能力更强，桩体应力集中更明显，达到桩、土协调一致，提高了复合地基强度。
三、施工工艺
振冲碎石桩的主要设备有振冲器、吊杆和水泵。振冲器靠底端喷出的压力水的冲击力和振冲器本身重量，使振冲器往下贯入土中。在这个过程中振冲器产生的水平振动力将挤密孔壁土层。当振冲器达到预定深度后，往孔内投碎石料，并靠振冲器的水平振动力将碎石料挤入周围土层中。随着射水和水平振动力持续时间的延长，土层（混入了碎石料）越来越密实，振冲器耗电随之加大，当达到设计值后，振冲器就可上提一定距离（30— 50cm），再住孔内投料，重复上述过程，直到整个孔均被碎石料填满并振冲到一定密实度为止。
3.1施工步骤
①清理场地，按图纸测放桩位；②设备就位，校核各项技术参数；③吊车起吊振冲器对准桩位；④造孔：启动振冲器（本工程选用BJ-75型振冲器）和高压水泵冲水，待振冲器运转正常后，使振冲器徐徐贯入土中，振冲器下降速率控制在1m/min左右；⑤清孔：造孔结束后，将振冲器提出孔口，再以较快速度从原孔贯入，使桩孔畅通，振冲器反复提升2-3次；⑥填料加密：向孔内倾倒部分碎石料压底，然后用振冲器反插至设计标高后上提30-50cm，待达到加密电流和留振时间后，可依次向上分段加密，加密段长度应符合设计要求，控制在30-50cm⑦重复上一步骤，自下而上加密，直至孔口；⑧关闭振冲器，关闭水泵，单根制桩结束；工艺流程简图
3.2 施工顺序
整个工作面采用排打推进法施工，即始终保持机械设备在制桩完毕场地行走，以利于桩头密实度。如果采用简易桩架，难以在制桩完毕场地行走，后期应对桩头和表层土进行碾压处理。
3.3 施工控制参数
施工中每根桩都要记录好水压、电流、填料量等各项参数。
（1）造孔:①对桩偏差不大于50mm；②造孔深度与设计桩底标高允许偏差±200mm；③水压控制在400-600Kpa；④电流最大为50-60A（空振电流为45A）；
（2）加密:①加密电流70-95A；②加密段长度30-50cm；③留振时间16-20s；④加密水压400Kpa；⑤实际施工桩深与设计深度的允许偏差不大于50cm；
（3）石料:①含泥量不大于5%；②粒径20-60mm，小于20 mm的碎石含量不大于20%；③无风化,有良好级配的新鲜碎石；
四、碎石桩的质量检测
4.1 碎石桩桩长检测
碎石桩的桩长关系到地基处理深度和复合地基承载力，是工程质量控制的重要环节。但目前主要是依靠制桩过程中的测量记录来控制桩长，施工完成后还没有一种经济可靠的技术方法来检测桩长。虽然使用地波雷达技术在理论上可以测量碎石桩的桩长，但该技术还未普及并且实际精度也难以令人满意。
4.2 碎石桩桩径检测
桩径大小与复合地基置换率、碎石桩的密度、复合地基承载力和抗剪强度关系密切。因此桩径控制和量测工作极为重要。目前，采用施工过程中填料量控制和完工后部分开挖检测的方法来控制，如能结合载荷试验则较为可靠。
4.3 碎石桩桩体中含泥量检测
桩体内含泥量对碎石桩单桩和碎石桩复合地基的抗剪强度影响很大。一般要求碎石桩含泥量小于10%.施工期结合桩径量测，在开挖的桩体中可直接量测含泥量。
4.4 承载力检测
采用单桩荷载试验。一般采用慢速维持荷载法，总加载量为设计值的两倍以上，可以比较准确直观的检测单桩承载力。
4.5 密实度检测
采用重型圆锥动力触探检测。这也是本工程事后控制的主要方法，具体采用重型（Ⅱ）动力触探N63.5试验，连续贯入10厘米，最小5击、最大45击，一般在10到30击，指标离散性一般，密实度大部分达到密实，部分中密，评定结果为合格。
五、应用探讨
振冲碎石桩的主要优点：①施工工效高，工期短，不受季节限制。 ②机械设备和施工工艺简单，易于操作，便于推广。③节省劳力，不消耗三材，如果施工场地适合，经济效益较好。④以复合地基和排水固结的方式处理地基，能最大程度发挥和充分利用天然地基的强度潜力，使地基强度变得比较均一。⑤施工噪声低，社会效益较好。
盖山南堤吴山至竹榄段修复工程正是充分发挥振冲碎石桩以上优点，以较少的经济投入取得较好的地基加固效果，该段土堤修复后运行近一年时间，没有发现明显的滑动或沉降变形。但是振冲碎石桩也不是适合任何的防洪堤地基处理工程，其缺点与其优点一样突出，这是今后考虑选择振冲碎石桩加固方案时不得不引起重视的。
5.1 在高含水淤泥地层中应用须谨慎
相对于砂质土和粉质土，振冲碎石桩并不太适合在高含水淤泥地层中应用，这是由淤泥的特性决定的：
（1）淤泥的天然孔隙比一般e=1-2之间，淤泥的天然含水量w=50-70%，一般大于液限，高的可达200%。 淤泥通常呈软塑一流塑状态，在外部荷载作用下，抗剪性能极差，根据部分资料统计，淤泥不排水抗剪强度一般小于30KN/m2。碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力来成桩的，侧限阻力与桩间土的岩土工程性能有关，直接关联的就是桩间土的不排水抗剪强度。由于碎石桩体压缩性明显小于淤泥，荷载传递给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩身上，同时桩身产生侧向变形压迫桩间土。当桩间淤泥质土不排水抗剪强度小于20KN/m2时，有可能无法提供足够大侧限阻力，从而造成碎石桩载荷在作用下发生过大变形。因此在高含水淤泥地层中采用振冲碎石桩要特别小心，最好先进行试验桩检验设计方案。
（2）淤泥属于高灵敏度土质，在结构未被破坏时具有一定的抗剪强度，但一经扰动，抗剪强度将显著降低。淤泥受到扰动后强度降低的特性可用灵敏度（在含水量不变的条件下，原状土与重塑土无侧限抗压强度之比）来表示，软粘土的灵敏度一般在3-4之间，甚至更高。振冲碎石桩施工时的振动和水冲都使周边淤泥受到扰动，虽然成桩之后，在时间和排水固结的作用下，淤泥的抗剪强度会逐步恢复，但在刚施工结束时土体却呈现不稳定状态，此时应加强观测并避免短时间内加载过大负荷。
5.2 现场施工管理对成桩质量影响较大
正如上文所述，现在的常规检测方法几乎很難在事后对碎石桩长、桩径、密实度、是否断桩进行检测，常用的重型圆锥动力触探检测无法反映桩体中下部的密实度情况，荷载试验中即使发现承载力达不到设计值，也很难判断是地质原因、设计原因还是施工原因引起的。因此振冲碎石桩的质量保证很大程度上是依靠现场施工管理，这对施工队伍的技术力量、质量保证体系的落实及监理人员的责任心都提出较高要求。目前国内已经开发出通过计算机监控振冲桩机的专利技术，可以自动监测记录施工过程中进尺深度、电流、电压、水压等参数，今后该技术的推广应用将对振冲碎石桩的成桩质量提供有力保障。
5.3 环境污染成本应事先考量
振冲碎石桩施工主要的污染物为泥浆，每台桩机每台班产生泥浆100立方左右。本工程的施工现场附近就有低洼荒地，可供废弃泥浆沉淀，处理费用极低。但如果是市区工程，场地狭小，现场无法容纳和处理废弃泥浆需要外运时，施工成本将大幅度提高，在设计阶段环境污染成本也不得不考虑。
六、结束语
总之，振冲碎石桩有其先进性也有其局限性，不能一概而论，我们在选择振冲碎石桩作为防洪堤地基处理方案时，要从具体实际出发多方位考量。
注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看
关键词：振冲碎石桩 防洪堤 基础 应用探讨
引言
振动水冲法由德国人S. Stewerman于1936年提出，我国于70年代中期开始用振冲碎石桩加固软弱地基，目前该法在我国已经广泛使用，特别是在高速公路软基处理中尤为常见，但应用于堤防工程实例相对较少。2006年福州市盖山南堤吴山至竹榄段修复工程在福州市水利工程领域首次应用振冲碎石桩技术加固地基，并取得成功。
一、工程概况
福州市闽江下游盖山南堤吴山至竹榄段地基由上至下分别为填土层、淤泥质土、粘土。2005年7月，桩号3+400附近突然发生堤身滑坡坍塌，坍塌长度近100米，堤身裂缝长度达120多米，堤顶道路中断。其后，在堤身恢复施工中再次发生滑动坍塌情况，经设计部门研究比较，决定在堤外反压平台处增设振冲碎石桩。碎石桩共设5排，桩径900mm，排距1.7米，桩距1.8米，呈梅花形布置，设计深度16米或深入持力层1-2米。
二、作用机理
振冲碎石桩是利用能产生水平方向振动的管状设备，在高压水流冲切配合下，在地基上成孔，然后向孔内分批填入碎石，用振冲器将其挤密，形成碎石桩。其加固地基的作用主要有三个方面：
（1）置换作用，碎石桩置换了部分土体，形成的碎石桩强度大大高于周围土体的强度，碎石桩与周围土体组成“复合地基”，在荷载作用下，压力随着桩土的等量变形逐渐集中到桩上，从而使桩间软弱土分担的压力相应减少。
（2）挤密作用，振冲碎石桩在成桩过程中桩体对周围土层产生很大的横向挤压力，土体产生径向位移，使桩周围的土粒重新排列密实，孔隙比减小，密实度增大，通过挤密作用，提高地基的强度、承载力和抗液化能力。
（3）排水作用，振冲碎石桩在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水通道，使桩间土排水固结，强度提高，抵抗桩体侧向变形能力更强，桩体应力集中更明显，达到桩、土协调一致，提高了复合地基强度。
三、施工工艺
振冲碎石桩的主要设备有振冲器、吊杆和水泵。振冲器靠底端喷出的压力水的冲击力和振冲器本身重量，使振冲器往下贯入土中。在这个过程中振冲器产生的水平振动力将挤密孔壁土层。当振冲器达到预定深度后，往孔内投碎石料，并靠振冲器的水平振动力将碎石料挤入周围土层中。随着射水和水平振动力持续时间的延长，土层（混入了碎石料）越来越密实，振冲器耗电随之加大，当达到设计值后，振冲器就可上提一定距离（30— 50cm），再住孔内投料，重复上述过程，直到整个孔均被碎石料填满并振冲到一定密实度为止。
3.1施工步骤
①清理场地，按图纸测放桩位；②设备就位，校核各项技术参数；③吊车起吊振冲器对准桩位；④造孔：启动振冲器（本工程选用BJ-75型振冲器）和高压水泵冲水，待振冲器运转正常后，使振冲器徐徐贯入土中，振冲器下降速率控制在1m/min左右；⑤清孔：造孔结束后，将振冲器提出孔口，再以较快速度从原孔贯入，使桩孔畅通，振冲器反复提升2-3次；⑥填料加密：向孔内倾倒部分碎石料压底，然后用振冲器反插至设计标高后上提30-50cm，待达到加密电流和留振时间后，可依次向上分段加密，加密段长度应符合设计要求，控制在30-50cm⑦重复上一步骤，自下而上加密，直至孔口；⑧关闭振冲器，关闭水泵，单根制桩结束；工艺流程简图
3.2 施工顺序
整个工作面采用排打推进法施工，即始终保持机械设备在制桩完毕场地行走，以利于桩头密实度。如果采用简易桩架，难以在制桩完毕场地行走，后期应对桩头和表层土进行碾压处理。
3.3 施工控制参数
施工中每根桩都要记录好水压、电流、填料量等各项参数。
（1）造孔:①对桩偏差不大于50mm；②造孔深度与设计桩底标高允许偏差±200mm；③水压控制在400-600Kpa；④电流最大为50-60A（空振电流为45A）；
（2）加密:①加密电流70-95A；②加密段长度30-50cm；③留振时间16-20s；④加密水压400Kpa；⑤实际施工桩深与设计深度的允许偏差不大于50cm；
（3）石料:①含泥量不大于5%；②粒径20-60mm，小于20 mm的碎石含量不大于20%；③无风化,有良好级配的新鲜碎石；
四、碎石桩的质量检测
4.1 碎石桩桩长检测
碎石桩的桩长关系到地基处理深度和复合地基承载力，是工程质量控制的重要环节。但目前主要是依靠制桩过程中的测量记录来控制桩长，施工完成后还没有一种经济可靠的技术方法来检测桩长。虽然使用地波雷达技术在理论上可以测量碎石桩的桩长，但该技术还未普及并且实际精度也难以令人满意。
4.2 碎石桩桩径检测
桩径大小与复合地基置换率、碎石桩的密度、复合地基承载力和抗剪强度关系密切。因此桩径控制和量测工作极为重要。目前，采用施工过程中填料量控制和完工后部分开挖检测的方法来控制，如能结合载荷试验则较为可靠。
4.3 碎石桩桩体中含泥量检测
桩体内含泥量对碎石桩单桩和碎石桩复合地基的抗剪强度影响很大。一般要求碎石桩含泥量小于10%.施工期结合桩径量测，在开挖的桩体中可直接量测含泥量。
4.4 承载力检测
采用单桩荷载试验。一般采用慢速维持荷载法，总加载量为设计值的两倍以上，可以比较准确直观的检测单桩承载力。
4.5 密实度检测
采用重型圆锥动力触探检测。这也是本工程事后控制的主要方法，具体采用重型（Ⅱ）动力触探N63.5试验，连续贯入10厘米，最小5击、最大45击，一般在10到30击，指标离散性一般，密实度大部分达到密实，部分中密，评定结果为合格。
五、应用探讨
振冲碎石桩的主要优点：①施工工效高，工期短，不受季节限制。 ②机械设备和施工工艺简单，易于操作，便于推广。③节省劳力，不消耗三材，如果施工场地适合，经济效益较好。④以复合地基和排水固结的方式处理地基，能最大程度发挥和充分利用天然地基的强度潜力，使地基强度变得比较均一。⑤施工噪声低，社会效益较好。
盖山南堤吴山至竹榄段修复工程正是充分发挥振冲碎石桩以上优点，以较少的经济投入取得较好的地基加固效果，该段土堤修复后运行近一年时间，没有发现明显的滑动或沉降变形。但是振冲碎石桩也不是适合任何的防洪堤地基处理工程，其缺点与其优点一样突出，这是今后考虑选择振冲碎石桩加固方案时不得不引起重视的。
5.1 在高含水淤泥地层中应用须谨慎
相对于砂质土和粉质土，振冲碎石桩并不太适合在高含水淤泥地层中应用，这是由淤泥的特性决定的：
（1）淤泥的天然孔隙比一般e=1-2之间，淤泥的天然含水量w=50-70%，一般大于液限，高的可达200%。 淤泥通常呈软塑一流塑状态，在外部荷载作用下，抗剪性能极差，根据部分资料统计，淤泥不排水抗剪强度一般小于30KN/m2。碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力来成桩的，侧限阻力与桩间土的岩土工程性能有关，直接关联的就是桩间土的不排水抗剪强度。由于碎石桩体压缩性明显小于淤泥，荷载传递给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩身上，同时桩身产生侧向变形压迫桩间土。当桩间淤泥质土不排水抗剪强度小于20KN/m2时，有可能无法提供足够大侧限阻力，从而造成碎石桩载荷在作用下发生过大变形。因此在高含水淤泥地层中采用振冲碎石桩要特别小心，最好先进行试验桩检验设计方案。
（2）淤泥属于高灵敏度土质，在结构未被破坏时具有一定的抗剪强度，但一经扰动，抗剪强度将显著降低。淤泥受到扰动后强度降低的特性可用灵敏度（在含水量不变的条件下，原状土与重塑土无侧限抗压强度之比）来表示，软粘土的灵敏度一般在3-4之间，甚至更高。振冲碎石桩施工时的振动和水冲都使周边淤泥受到扰动，虽然成桩之后，在时间和排水固结的作用下，淤泥的抗剪强度会逐步恢复，但在刚施工结束时土体却呈现不稳定状态，此时应加强观测并避免短时间内加载过大负荷。
5.2 现场施工管理对成桩质量影响较大
正如上文所述，现在的常规检测方法几乎很難在事后对碎石桩长、桩径、密实度、是否断桩进行检测，常用的重型圆锥动力触探检测无法反映桩体中下部的密实度情况，荷载试验中即使发现承载力达不到设计值，也很难判断是地质原因、设计原因还是施工原因引起的。因此振冲碎石桩的质量保证很大程度上是依靠现场施工管理，这对施工队伍的技术力量、质量保证体系的落实及监理人员的责任心都提出较高要求。目前国内已经开发出通过计算机监控振冲桩机的专利技术，可以自动监测记录施工过程中进尺深度、电流、电压、水压等参数，今后该技术的推广应用将对振冲碎石桩的成桩质量提供有力保障。
5.3 环境污染成本应事先考量
振冲碎石桩施工主要的污染物为泥浆，每台桩机每台班产生泥浆100立方左右。本工程的施工现场附近就有低洼荒地，可供废弃泥浆沉淀，处理费用极低。但如果是市区工程，场地狭小，现场无法容纳和处理废弃泥浆需要外运时，施工成本将大幅度提高，在设计阶段环境污染成本也不得不考虑。
六、结束语
总之，振冲碎石桩有其先进性也有其局限性，不能一概而论，我们在选择振冲碎石桩作为防洪堤地基处理方案时，要从具体实际出发多方位考量。
注：文章内的图表及公式请到PDF格式下查看