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[摘 要] 在沿海地区新近回填形成的场地上,当回填土层较厚时,采用振冲碎石桩施工是一种常用的地基处理方法。在总结了以往场地回填土复杂松散，不均匀分布大粒径块石、且局部存在深层较厚淤泥时，采用常规75kw振冲器在施工中存在的成孔困难、碎石料难以下达孔底的难题后，本文提出了使用150kw大功率振冲器在填海形成场地加固处理中的应用，并结合工程实例对其设计方法及施工工艺作一探讨。
[关键词] 地基处理 150kw大功率振冲器 大粒径块石 算法研究
一、引言
在沿海回填场地中土体形成时间短，密实性差，且下部经常含有不同厚度的软弱淤泥夹层，承载力远不能满足其上部建筑物的要求。振冲碎石桩是一种常用的地基处理方法。当场地回填土复杂松散，不均匀分布大粒径块石、且局部存在深层较厚淤泥时，采用常规75kw振冲器施工中存在着成孔困难、碎石料难以下达孔底的难题。在目前的振冲碎石桩施工中，尝试应用获国家专利的150kw振冲器，在施工中取得了一些经验。本文从分析杂填土的工程地质性质、施工方案设计、施工工艺原理、施工机具特点、施工效果等几个方面结合工程实例进行阐述。
二、振冲碎石桩加固原理
（1）振冲碎石桩作为散体材料桩，在软土地基中是依靠碎石置换土，并形成高强度（相对软土）的桩柱体来提高承载力，减小沉降，达到加固软土的目的。由于碎石桩的压缩性明显小于软土，基础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，将应力传递给桩间土，使桩、土共同作用将应力向四周扩散，形成一个大型的桩、土协作体。
（2）土具有压硬性和剪胀性，软土在振冲碎石桩施工时受巨大的水平振动力（大于软土的结构破坏压力）扰动，结构强度遭破坏，孔隙水压急剧升高，抗剪强度降低，施工完后，随上部应力的增加，孔隙水压力经桩体消散，桩间土孔隙比变小，土显著压密，抗剪强度又开始恢复并比原来有所提高。故碎石桩体在软土地基中充当排水通道作用，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，桩、土协调一致提高了复合地基强度。
三、算法研究计算
（一）计算条件
（1）加固深度8m以上为杂填土，局部区域8m以下存在软弱层；
（2）地基土为各向同性；
（3）地坪面上设备支座荷载为宽3.0m的条形荷载；
（4）桩底达硬层。
（二）碎石桩设计计算
（1）振冲碎石桩布桩为边长2.3m的等边三角形，桩长14米左右，以达到下部硬层为准。成孔电流：90-200A，加密电流：130A。碎石桩桩体承载力特征值fpk=600 KPa，处理后桩间土承载力特征值fsk=170 KPa。振冲碎石桩直径为1.1m，桩截面积为0.95m2，桩土面积置换率m=0.21，复合地基承载力特征值fspk由下面公式求得：
fspk=m×fpk+(1－m)×fsk （1）
=0.21×600+(1－0.21)×170
=260.3 KPa大于250 KPa，满足设计要求。
（2）如果8.0 m以下存在软弱层，需进行软弱下卧层验算
根据振冲桩试验区质检资料, 桩间土承载力特征值为fsk=90KPa,碎石桩桩体承载力特征值fpk=4fsk=360KPa，软弱层振冲碎石桩桩径1.3m, 桩截面积为1.33m2，桩土面积置换率m=0.29,则复合地基承载力特征值fspk由公式(1)求得：
fspk=m×fpk+(1－m)×fsk
=0.29×360+(1－0.29)×90
=168.3 KPa
假定地坪面上设备支座荷载为宽3.0m的条形荷载, P0=250 KPa ,地下水位埋藏深度为2.0m。
①软弱下卧层顶面处的附加压力Pz，按条形基础计算公式
Pz= P0b/(b+2ztgө) （2）
=250×3/(3+2×8×0.424)
=76.66 KPa
式中z取8.0m, ө角取23º。
②软弱下卧层顶面处土的自重压力Pcz
Pcz=1h1+2h2
= 20×2+10×6
=100 KPa
式中地下水位以上的重度1=20KN/m3,地下水位以下土的重度2=10 KN/m3。
③软弱下卧层顶面经深度修正后,地基承载力设计值fz
fz=fk+ηb(b-3)+ ηd0(d-0.5)
=168.3+1.0×12.5(8-0.5)
=262.05 KPa
其中
0=(1h1+2h2)/( h1 +h2)=100/8=12.5 KN/m3,ηb=0,ηd =1.0,d=8
④验算
Pz+Pcz=76.66+100=176.66 KPa＜fz=262.05 KPa
故软弱下卧层承载力满足设计要求。
四、施工效果及评价
150Kw振冲器在设计上离心力、输出功率、振幅等几项参数强度上都要高于常规75Kw振冲器，但转速及激振频率相同。
设计激振频率相同的原因为：振冲器的激振频率并非越快越好，最佳数值应取决于欲处理土体的自振频率。当振冲器做圆周形的振动时，迫使周围土质颗粒一起振动，使土颗粒产生相对位移，破坏了原有颗粒间的粘结力，而起到改变颗粒空隙的作用。根据美国太沙基氏及日本岗本舞三的试验可以得出结论，在共振蜂值区域内土的下沉量达到最大值，所以这种密实过程最理想是发生在土颗粒振动和强迫振动的共振区效果为最好。故可把振冲器的激振频率Wi设计于接近或等于土质的自振频率Wn，从而使密实效果最佳。另外,150Kw振冲器在外形上优化了振冲机具的断面设计，减少其与孔壁的摩阻力，并减少异径断面的差异，采用渐变过渡，尽量消除卡钻的可能性。与75kw振冲器相比所具有优势：
（1）施工效率增快
在本工程中先期采用75KW振冲器制桩，施工中成孔困难，且碎石料难以下入孔底，碎石桩底部不能达到密实状态，振冲器电流很难达到设计加密电流。平均每根桩施工时间1.5-2小时，甚至经常出现制桩一根需3个小时的情况，施工效率很低，且加密效果不能保证。应用150KW振冲器施工后，因振冲器激振力增强，能将大块石振碎或挤开，成孔速度加快；且振冲成孔直径相应增大，石料能够送入底部。施工效率大幅提高，平均制桩时间1小时左右。
（2）加密效果增强。
与75KW振冲器相比，150KW振冲器具有激振力强、振幅大的特点，根据检测结果表明，应用150KW振冲器施工对桩周土体的挤密和对碎石桩体的加密效果显著增强。
150kw振冲器成桩与75kw振冲器成桩复合地基p-s曲线如下:
复合地基载荷试验
试验分析:两条曲线无明显拐点,参照评估天然地基承载力的相对沉降控制法,取s/b=0.01-0.015所对应的荷载值。现b=250cm,按b=200 cm取值,则控制沉降量S=2.0-3.0cm,取2.0cm。据此从复合地基载荷试验的p-s曲线上查出75kw振冲桩和150kw振冲桩对应的承载力值分别为240kPa和270kPa，可见，使用150kw振冲器成桩后，地基承载力可大幅增强。
五、结论
通过工程实践的总结，应用150KW振冲器在填海场地处理中具有较大的优越性：施工效率大幅提高，对碎石桩及桩间土加密效果显著增强，并解决了部分土层中因含大块石而无法成孔问题，在复杂松散回填土处理中具有普遍的应用前景。
参考文献：
[1]郁有文 常健 程继红. 传感器原理及工程应用[M] 西安:电子科技大学出版社 2008: 133-158.
[2]API Standard 618,Reciprocbting Compressors for Perroleum[S] Chemical and Gas Industry Services2005.
[3]唐永进 往复压缩机管道的防振设计[J]石油化工设备技术2001 22（3）35-39.
[4] 查尔斯·贝赫特（Charles Becht美国） 工艺管道ASME B31.3实用指南[M] CACI翻译 化学工业出版社 2006: 89-123.
[5] 李彦军 严登丰 一种新型差压流速流量计的研制与应用[J] 排灌机械2009（4）：27-31.
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[关键词] 地基处理 150kw大功率振冲器 大粒径块石 算法研究
一、引言
在沿海回填场地中土体形成时间短，密实性差，且下部经常含有不同厚度的软弱淤泥夹层，承载力远不能满足其上部建筑物的要求。振冲碎石桩是一种常用的地基处理方法。当场地回填土复杂松散，不均匀分布大粒径块石、且局部存在深层较厚淤泥时，采用常规75kw振冲器施工中存在着成孔困难、碎石料难以下达孔底的难题。在目前的振冲碎石桩施工中，尝试应用获国家专利的150kw振冲器，在施工中取得了一些经验。本文从分析杂填土的工程地质性质、施工方案设计、施工工艺原理、施工机具特点、施工效果等几个方面结合工程实例进行阐述。
二、振冲碎石桩加固原理
（1）振冲碎石桩作为散体材料桩，在软土地基中是依靠碎石置换土，并形成高强度（相对软土）的桩柱体来提高承载力，减小沉降，达到加固软土的目的。由于碎石桩的压缩性明显小于软土，基础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，将应力传递给桩间土，使桩、土共同作用将应力向四周扩散，形成一个大型的桩、土协作体。
（2）土具有压硬性和剪胀性，软土在振冲碎石桩施工时受巨大的水平振动力（大于软土的结构破坏压力）扰动，结构强度遭破坏，孔隙水压急剧升高，抗剪强度降低，施工完后，随上部应力的增加，孔隙水压力经桩体消散，桩间土孔隙比变小，土显著压密，抗剪强度又开始恢复并比原来有所提高。故碎石桩体在软土地基中充当排水通道作用，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，桩、土协调一致提高了复合地基强度。
三、算法研究计算
（一）计算条件
（1）加固深度8m以上为杂填土，局部区域8m以下存在软弱层；
（2）地基土为各向同性；
（3）地坪面上设备支座荷载为宽3.0m的条形荷载；
（4）桩底达硬层。
（二）碎石桩设计计算
（1）振冲碎石桩布桩为边长2.3m的等边三角形，桩长14米左右，以达到下部硬层为准。成孔电流：90-200A，加密电流：130A。碎石桩桩体承载力特征值fpk=600 KPa，处理后桩间土承载力特征值fsk=170 KPa。振冲碎石桩直径为1.1m，桩截面积为0.95m2，桩土面积置换率m=0.21，复合地基承载力特征值fspk由下面公式求得：
fspk=m×fpk+(1－m)×fsk （1）
=0.21×600+(1－0.21)×170
=260.3 KPa大于250 KPa，满足设计要求。
（2）如果8.0 m以下存在软弱层，需进行软弱下卧层验算
根据振冲桩试验区质检资料, 桩间土承载力特征值为fsk=90KPa,碎石桩桩体承载力特征值fpk=4fsk=360KPa，软弱层振冲碎石桩桩径1.3m, 桩截面积为1.33m2，桩土面积置换率m=0.29,则复合地基承载力特征值fspk由公式(1)求得：
fspk=m×fpk+(1－m)×fsk
=0.29×360+(1－0.29)×90
=168.3 KPa
假定地坪面上设备支座荷载为宽3.0m的条形荷载, P0=250 KPa ,地下水位埋藏深度为2.0m。
①软弱下卧层顶面处的附加压力Pz，按条形基础计算公式
Pz= P0b/(b+2ztgө) （2）
=250×3/(3+2×8×0.424)
=76.66 KPa
式中z取8.0m, ө角取23º。
②软弱下卧层顶面处土的自重压力Pcz
Pcz=1h1+2h2
= 20×2+10×6
=100 KPa
式中地下水位以上的重度1=20KN/m3,地下水位以下土的重度2=10 KN/m3。
③软弱下卧层顶面经深度修正后,地基承载力设计值fz
fz=fk+ηb(b-3)+ ηd0(d-0.5)
=168.3+1.0×12.5(8-0.5)
=262.05 KPa
其中
0=(1h1+2h2)/( h1 +h2)=100/8=12.5 KN/m3,ηb=0,ηd =1.0,d=8
④验算
Pz+Pcz=76.66+100=176.66 KPa＜fz=262.05 KPa
故软弱下卧层承载力满足设计要求。
四、施工效果及评价
150Kw振冲器在设计上离心力、输出功率、振幅等几项参数强度上都要高于常规75Kw振冲器，但转速及激振频率相同。
设计激振频率相同的原因为：振冲器的激振频率并非越快越好，最佳数值应取决于欲处理土体的自振频率。当振冲器做圆周形的振动时，迫使周围土质颗粒一起振动，使土颗粒产生相对位移，破坏了原有颗粒间的粘结力，而起到改变颗粒空隙的作用。根据美国太沙基氏及日本岗本舞三的试验可以得出结论，在共振蜂值区域内土的下沉量达到最大值，所以这种密实过程最理想是发生在土颗粒振动和强迫振动的共振区效果为最好。故可把振冲器的激振频率Wi设计于接近或等于土质的自振频率Wn，从而使密实效果最佳。另外,150Kw振冲器在外形上优化了振冲机具的断面设计，减少其与孔壁的摩阻力，并减少异径断面的差异，采用渐变过渡，尽量消除卡钻的可能性。与75kw振冲器相比所具有优势：
（1）施工效率增快
在本工程中先期采用75KW振冲器制桩，施工中成孔困难，且碎石料难以下入孔底，碎石桩底部不能达到密实状态，振冲器电流很难达到设计加密电流。平均每根桩施工时间1.5-2小时，甚至经常出现制桩一根需3个小时的情况，施工效率很低，且加密效果不能保证。应用150KW振冲器施工后，因振冲器激振力增强，能将大块石振碎或挤开，成孔速度加快；且振冲成孔直径相应增大，石料能够送入底部。施工效率大幅提高，平均制桩时间1小时左右。
（2）加密效果增强。
与75KW振冲器相比，150KW振冲器具有激振力强、振幅大的特点，根据检测结果表明，应用150KW振冲器施工对桩周土体的挤密和对碎石桩体的加密效果显著增强。
150kw振冲器成桩与75kw振冲器成桩复合地基p-s曲线如下:
复合地基载荷试验
试验分析:两条曲线无明显拐点,参照评估天然地基承载力的相对沉降控制法,取s/b=0.01-0.015所对应的荷载值。现b=250cm,按b=200 cm取值,则控制沉降量S=2.0-3.0cm,取2.0cm。据此从复合地基载荷试验的p-s曲线上查出75kw振冲桩和150kw振冲桩对应的承载力值分别为240kPa和270kPa，可见，使用150kw振冲器成桩后，地基承载力可大幅增强。
五、结论
通过工程实践的总结，应用150KW振冲器在填海场地处理中具有较大的优越性：施工效率大幅提高，对碎石桩及桩间土加密效果显著增强，并解决了部分土层中因含大块石而无法成孔问题，在复杂松散回填土处理中具有普遍的应用前景。
参考文献：
[1]郁有文 常健 程继红. 传感器原理及工程应用[M] 西安:电子科技大学出版社 2008: 133-158.
[2]API Standard 618,Reciprocbting Compressors for Perroleum[S] Chemical and Gas Industry Services2005.
[3]唐永进 往复压缩机管道的防振设计[J]石油化工设备技术2001 22（3）35-39.
[4] 查尔斯·贝赫特（Charles Becht美国） 工艺管道ASME B31.3实用指南[M] CACI翻译 化学工业出版社 2006: 89-123.
[5] 李彦军 严登丰 一种新型差压流速流量计的研制与应用[J] 排灌机械2009（4）：27-31.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文