振冲法加固粉细砂层施工技术在温州港状元岙港

温州港状元岙港区8#、9#多用途泊位道路堆场工程是在围垦一期工程吹填砂的基础上，通过对吹填海砂和其下部淤泥层进行地基加固处理具有一定承载力后，进行管道等附属设施及道路堆场面层施工。其中，在围堤、隔堤内侧100m范围内采用振冲法加固粉细吹填砂地基，经检测该工法对粉细沙地基加固效果较好，经振冲法处理后道路堆场后期沉降稳定，效果较好。现将振冲法加固粉细沙地基在本工程应用情况做一介绍，为其他类似工程提供参考。
 
一、工程概况
㈠工程概况
温州港状元岙港区8、9#泊位道路堆场工程总面积为56.3万㎡，其中道路11.83万㎡，堆场36.63万㎡，绿化6万㎡，其他场地 1.8万㎡，工程造价约3.1亿元。该项目地基加固工程分为淤泥层的软基处理和吹填粉细砂的加固处理。吹填砂以下的淤泥层采用常规的插设塑料排水板后堆载预压，淤泥层排水固结达到设计指标后，进行吹填砂层地基处理。其中，围堤与隔堤内侧内吹填砂采用振冲法进行处理，其他区域吹填砂采用强夯后进行普夯的方法进行加固处理。吹填砂经振冲法加固后，经静力触探、标贯、载荷板检测，砂层密实度与承载力满足设计与规范要求。
㈡地质条件
1、该工程原泥面标高自-4.7m～0.0m不等，经软基处理后淤泥层顶标高为-9.0m～-2.5m。工程地基属第四纪海相软弱淤泥及淤泥质粘土，土层自上而下依次为：1-1层-黄灰色淤泥、1-2层-灰色淤泥、1-3层-灰色淤泥、1-4层-灰色淤泥质粘土、2-1层-褐黄色含粘性土粉砂、2-2层-灰色粘土、3-1层-灰黄色～褐黄色粘土、3-2层-灰色粘土、4层-浅灰绿色粘土、5层-灰黄色～褐黄色碎石、6-1层-灰黄色全风化花岗岩、6-2层-浅黄～褐黄色强风化花岗岩、6-3层-浅灰色～浅黄色中风化花岗岩。淤泥层（1-1～1-4）呈流塑状，无层理高压缩性，土的物理力学性质差；粘土层（2-1～3-2）中等压缩性，土的物理力学性质稍好；粘土层、碎石层（4～5层）低压缩性，土的物理力学性质较好；风化花岗岩层（6-1～6-3）物理力学性质较好。
2、吹填砂卸载后加固处理前顶面标高为4.5～+5.0m，吹填砂底标高约为-8.99～-2.5m，吹填砂厚度为7.0～14m不等。吹填海砂粒径大于0.075mm的砂颗粒含量占吹砂体积的85%以上，小于0.015mm粒径的粉、粘颗粒含量在吹填砂体积的10%以内，吹填砂不均匀系数≥4。粉细砂层在堆载预压卸载后具有一定的承载力，但如不对砂层进行加固处理，会存在承载力不足和在动荷载作用下局部液化等现象，对港区堆场后期沉降和使用寿命产生不利影响。
㈢道路堆场地基加固方法
本场区地基为天然软土地基及吹填砂。对场地天然软土地基，采用插塑料排水板＋堆载预压进行处理。插板要求穿透淤泥层，再利用吹填砂分级分区进行堆载预压。卸载后在采用强夯或振冲加固吹填砂层，完成后铺设土工布及山皮石封层，振动碾压施工至加固成型面交工。
吹填砂层采用振冲或强夯法加固。根据设计文件，围堤后方约100m、隔堤后方约43.5m的卸载区域采用振冲法加固吹填砂层，其他区域采用强夯加固吹填砂层。见地基加固平面图。
 
 
 

二、振冲法加固粉细沙地基检测方法及合格标准
道路堆场工程粉细沙振冲采用不加填料振冲密实法，振冲完成后设计要求采取静力触探、标贯、载荷板试验和压实度测试四项地基检测。
㈠静力触探测试
按设计要求，静力触探测试检测吹填砂层加固情况时，从距砂层表面下1m开始。要求加固范围内砂层静力触探Ps阻力值应不小于6MPa，检验频率每5000m²检验1点。如其中有一点不合格，采取加密检测，即将该区域分成数个25×40m的小块，每小块重新进行一次静力触探检测，检验合格表示该小块加固效果满足设计要求，否则该小块需返工重新加固。
㈡标贯检测
砂层加固后按设计要求标准贯入N63.5的检测范围为砂面1m以下的吹填砂层，每1m打一次标贯，检验频率每5000m²检验1点。要求吹填砂达到中密标准，其中砂面以下1～2m范围内标准贯入击数大于12击，2m以下标准贯入击数大于15击。
㈢载荷板试验
    振冲施工完毕待孔隙水压力消散后，用压路机振捣碾压整平，在具有代表性区域砂面上进行载荷板试验，载荷板布置数量为每块地基处理区域各2块。载荷板面积为2×2m²，试验时间为施工结束3-4周后，要求地基容许承载力不小于150kPa。
加荷等级为8～12级，最大加荷量为三倍设计荷载。每级加荷后按间隔10、10、10、15、15min，以后每隔半小时读一沉降，联系两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为已稳定，可加下一级荷载。
在试验时出现承压板周围的土明显的侧向挤出或出现裂缝和隆起，沉降急剧增大，荷载～沉降曲线出现陡降段；或在某一荷载下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；或s/b大于等于0.06（b为承压板宽度或直径），可以终止加载。满足其中一条时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。
承载力确定可按p～s曲线上有明显的比例界限所对应的荷载值，或取s＝0.01b、0.02b、0.03b所对应的荷载值。
㈣压实度测试
压实度测试采用挖坑灌砂法来测试压实度，检测频率每2000m²检验8点，不足200m²时，至少应检验2点。压实度检测采用重型压实标准。
检测要求振冲吹填砂距砂面0～0.5m范围内加固砂压实度应达到0.93，0.5m～1.5m范围内加固砂压实度应达到0.90。
三、振冲加固处理的方法与基本原理
㈠振冲法加固地基的基本方法
目前，振冲法加固地基主要有两类，一类是振冲置换法，二类是振冲密实法。国内外一般认为，振冲置换法（常指振冲碎石桩或振冲砂桩）的使用范围为饱和松散粉细砂、中粗砂和沙砾、杂填土、人工填土、粉土和粘性土和黄土地基；振冲密实法适用于处理砂土和粉土地基，不加填料的振冲密实法仅适用于处理粘粒含量不小于10%的粗砂、中砂地基。
本工程采用不加填料的振冲密实法处理粉细砂，虽然有些工程采用此法加固地基取得了成功，但是总的来说该方法处理粉细砂地基施工技术尚不成熟，很多施工参数和施工工艺需要通过典型施工获得。
㈡振冲密实法加固原理
振冲密实加固砂层是依靠振冲器的强力振动使松砂在振动荷载作用下，使饱和砂层发生液化，松散的、单粒结构的砂土颗粒重新排列，孔隙减小；同时依靠振冲器的重复水平振动力，在细砂自行塌落形成填料的情况下，还通过填料使砂层挤压加密。实践证明，饱和松散砂土受到振动时抗剪强度迅速降低，一定范围内受振颗粒在自重及上覆压力作用下，重新排列致密。在动荷载作用下，砂土的抗剪强度为
τ＝（σ－△u）tgφ
（σ－砂土所受到的正应力；△u－砂土所在位置的超静孔隙水压力；φ砂土的内摩擦角）。
当振冲器在加固砂土时，尤其是饱和砂土，在振冲器重复水平荷载作用下，土体中△u迅速增大，使土的抗剪强度减少，土粒有可能向低势能位置转移，这样土体由松变紧，形成较为紧密的稳定结构以适应新的应力条件。可是△u在振动作用下会继续增大，使△u趋近σ，此时，导致砂土的抗剪强度为零，土体开始变为流体，砂土结构遭到破坏，出现砂土液化现象。
当振冲器在加固砂土时，振冲器在振动时能产生较大的振动加速度，这一振动产生的水平力沿水平方向传播，并在传播中很快衰减，土体获得这种振动能量后产生振动，这就是土质点的强迫振动。如强迫振动的频率接近土体的自振频率时，土体振动将会特别显著，也会促进土体液化。
砂土液化以后，在上覆荷重和振动作用下，砂土颗粒又重新排列，使砂土孔隙比减小、相对密度增大、承载力提高、抗液化能量成倍增长。
四、振冲法在本工程中的具体应用
不加填料的振冲密实法在粉细沙地基加固中应用较少。根据设计要求，振冲加固前应进行典型试验区施工，根据典型试验区施工参数和检测结果，确定大面积施工的振冲施工参数。
本工程进行了两次振冲典型施工。第一次振冲典型施工因为施工参数选择不当，通过静力触探和标准贯入试验检测未达到设计要求。第二次典型施工是在第一次典型施工失败的基础上，通过调整施工参数和改变施工工艺进行典型施工，通过地基检测，地基加固效果达到了设计要求。后续大面积施工采用第二次典型施工获得的施工参数和形成的施工工艺进行施工，地基加固效果很好达到设计要求。
㈠第一次振冲典型施工
1、典型施工区域选择
C区北侧围堤后方靠近A区约7850 m²进行振冲典型施工。根据地质报告资料知，选定的典型施工区域吹填砂层较厚平均10.50m，具有很好代表性。
2、施工机械设备性能与参数
本工程振冲器型号为ZCQ-75，进行双点共振，振冲的主要设备是一个上部为75千瓦的立式潜水电机和下部为振动机所组成的振动器。振动器的端部有射水孔，射水量为0.2~0.3m³/min，射水深度10~15m/S。振冲器的水平振动力为11t，振幅在自由振动时为4.2mm，振幅在重力加速时为9mm。机体外径为426mm，长度为3162cm，重量为1140kg。
振冲器系列参数

类别	型号		ZCQ-75
潜水泵	功率	千瓦	75
	转速	转/分	1460
	额定电流	安培	60
振 动 机 体	振动频率	次/分	1450
	动力距	N-m	68.3
	振动力	KN	160
	振幅（自由振动时）	毫米	5
	加速度（自由振动时）	米每秒平方	7.9
振动体直径		毫米	Ф426
长度		毫米	3162
总重量		公斤	940

 
3、施工工艺流程
⑴施工测量：用全站仪放出典型施工区块边界，场地整平碾压后进行标高测量，按5m×5m方格网测量高程，并做好记录。用全站仪进行边线放样，设置交点控制桩。振点平面布置采用等边三角形，间距为3.5m。
⑵场地灌水：为使加固区域砂面有适当的水压，振冲施工前4~6小时，对将要施工的区域进行灌水，使表层干砂层饱和，以改善上部砂层振冲效果，施工机械就位后，打开水源和电源，检查水压、电压和振冲器的空载电流是否正常。
⑶施工顺序
轴线定位→标高引测→振冲器、吊车就位 →开启水泵振冲器 →下沉并控制下沉速度 → 振冲上拔 → 关闭水泵振冲器 → 移至下一孔位
⑷每个孔位振冲施工工艺
振冲器钻孔时，加大水压，保持在0.8MPa，对准振冲孔位，误差不超过半个振冲器直径。
①匀速振动下沉至孔底处（泥面标高以上0.5m）留振60秒；
②匀速振动上拔至孔口处，留振120秒；
③匀速振动下沉至孔底处，留振20秒；
④匀速振动上拔0.5m，留振20秒；
⑤以次类推，每段上拔0.5m，每段留振20秒；
⑥直至孔口，留振60秒；
⑦再次振动下沉至孔第以上1.0米处，留振20秒;
⑧匀速振动上拔0.5米处，每段留振20秒；
⑨依此类推至孔口，每段上拔0.5米，每段留振20秒。
⑩一个孔位振冲结束，关闭水泵及振冲口，移至下一个孔位。
⑸技术参数控制
①振冲深度至泥面标高以上0.5米；
②贯入和上拔速度为1.5~2.0米/分钟；
③每段提升高度为0.5米；
④水压为600~800kpa；
⑤密实电流为55~70A；
⑥在上拔至孔口时填砂振密。
4、振冲地基加固后检测情况
⑴振冲沉降量
完成了振冲典型施工后，与振冲前标高比较沉降量为395mm。
⑵静力触探测试
典型施工完成后，检测单位分别在C区已卸载区域内选了四个点进行了静力触探测试和标贯测试，其中有两个点（C-3与C-4）选在已完成振冲典型施工区域内，另有两个点（C-1与C-2）选在尚未进行振冲典型施工区域内。检测结果表明加固效果未达到设计要求。
本次振冲典型施工后经静力触探检测得出典型区域砂层的静力触探比贯入阻力Ps均值如下表：（单位：MPa）

区号 深度	C-1 （加固前）	C-2 （加固前）	C-3 （加固后）	C-4 （加固后）
0m～12.0m	4.4	5.1	5.5	4.4
0m～1.0m	1.8	2.2	1.9	2.2
1.1m～2.0m	3.8	2.4	5.9	5.8
2.1m～3.0m	5.1	4.7	5.8	8.7
3.1m～4.0m	4.4	4.7	6.3	7.1
4.1m～5.0m	4.9	4.5	6.4	5.7
5.1m～6.0m	5.9	6.7	5.0	4.0
6.1m～7.0m	5.7	6.6	4.0	3.6
7.1m～8.0m	5.2	5.1	3.6	4.1
8.1m～9.0m	4.7	6.4	4.3	2.6
9.1m～10.0m	4.8	6.3	5.3	1.0
10.1m～11.0m	4.9	5.9	5.4	3.8
11.1m～12.0m	1.1	5.7	6.0	4.2

通过数据可以看出加固前后静力触探Ps阻力值均不能满足设计要求的6MPa。从加固前的两个检测点数据可以看出砂层2～11m范围比贯入阻力值相对较大且比较接近，砂层5～7m比贯入阻力值最大。从加固后的两个检测点数据可以看出砂层1.1～5m范围比贯入阻力值较大，且有些数据达到了设计要求，但是5m以下部位砂层的比贯入阻力值大小不均且数值较小，比较加固前的检测数据来看其阻力值反而减小。
⑶标贯检测
本次振冲典型施工后经标准贯入（N63.5）检测得出典型区域砂层的标准贯入（N63.5）均值如下表：(单位：击)

区号 深度	C-1 （加固前）	C-2 （加固前）	C-3 （加固后）	C-4 （加固后）
0m～12.0m	21	18	18	17
1.65m～2.10m		15	15	22
3.10m～3.55m	21	16	27	29
4.55m～5.00m	20	18	20	15
6.00m～6.45m	18	22	18	13
7.45m～7.90m	18	26	16	6
8.90m～9.35m	24	24	22
10.35m～10.80m	23	7	25
11.80m～12.25m	24	17	4

检测数据来表明，未振冲加固的两个点标准贯入击数均大于设计要求（C-2点10.35～10.8m点除外），4.55～9.35m范围内贯入击数较大达到20击，而振冲加固后其最大击数位置处于3～4m范围内，标准贯入击数并没有比振冲加固前加大，反而比加固前少，C-4点7.45m以下标准贯入击数达不到设计要求。
⑷荷载板和压实度未做检测。
5、第一次典型施工失败原因分析：
⑴振冲至砂层底层施工水压太大。造成有的振冲点在泥面以上50cm的砂层被冲穿，致使淤泥沿孔壁上涌进入砂层，致使淤泥和砂混合在一起，严重影响振冲加固效果。
⑵振冲底标高控制不严，造成击穿砂层。首次振冲典型施工，标高控制不严，很多孔位的砂层被击穿造成淤泥上涌，形成了淤泥和砂混合，严重影响了砂的重新排列密实。另外，场区内原滩地的地质地貌情况复杂，下卧软土层在不同区域厚度、高程差异较大，地质勘探点位少，局部设计砂层底标高和实际不符。
⑶振冲至砂层底层时留振时间过长（60s）。
⑷振冲典型施工时有些孔砂层自行塌落灌填量不够，局部不密实。
㈡第二次振冲典型施工
     针对第一典型施工情况又选取一块面积约4000m²的场地进行第二次典型施工，该区设计要求的打设深度为10.75m为设计的最大深度，该区也具有较好的代表性。
1、第二次典型施工施工参数进行了相应的调整：
⑴成孔水压由800KPa调整为600KPa，振冲至砂层底层在泥面以上50cm减少冲水，水压控制在300KPa以下。
⑵振冲底标高由原来的0.5m，调整为泥面标高以上1m。
⑶密实电流原先为55~70A进行了调整，造孔及第一次振实加密时控制为45～50A，第二次振实加密控制在45～60A。
⑷对于振冲时个别孔位自行塌落灌填量不够的，采用人工填料及水冲填砂的两种方式填料。
⑸贯入及上拔速度原先为1.5～2m/min进行了调整，贯入速度调整为2m/min，上拔速度调整为3m/min。
地基振冲整平后，对砂面碾压采用自重不小于120KN、激振力不小于270KN的振动压路机碾压，碾压四遍（往返为1遍）。
2、振冲地基加固后检测情况
⑴振冲沉降量：调整参数后，振冲典型施工沉降量为472mm。
⑵静力触探测试
本次振冲典型施工后经静力触探检测得出典型区域砂层的静力触探比贯入阻力Ps均值如下表：（单位：MPa）

区号 深度	C-5	C-6
0m～12.0m	6.8	9.2
0m～1.0m	6.5	5.0
1.1m～2.0m	7.7	7.0
2.1m～3.0m	7.9	8.6
3.1m～4.0m	8.0	9.9
4.1m～5.0m	8.8	9.0
5.1m～6.0m	8.6	9.5
6.1m～7.0m	8.8	10.8
7.1m～8.0m	8.3	10.0
8.1m～9.0m	8.2	8.6
9.1m～10.0m	7.2	7.6
10.1m～11.0m	7.6	6.1
11.1m～12.0m	1.7	0.5

检测数据表明调整振冲参数后进行的第二次典型施工加固后静力触探Ps阻力值均能满足设计要求。检测数据表明加固后比贯入阻力Ps较大的部位在3.1～8.0m范围内。
⑶标贯检测：
本次振冲典型施工后经标准贯入（N63.5）检测得出典型区域砂层的标准贯入（N63.5）均值如下表：(单位：击)

区号 深度	C-5	C-6
0m～12.0m	22.5	20
1.0m～1.45m	15	13
2.5m～2.95m	18	16
4.0m～4.45m	25	27
5.5m～5.95m	36	28
7.0m～7.45m	23	16
8.5m～8.95m	19	22
10.0m～10.45m	21	21
11.5m～11.95m	29

检测数据表明，振冲加固的两个点标准贯入击数均大于设计要求，4.0m至淤泥层贯入击数较大达到20击左右。
⑷荷载板试验
     按设计要求振冲地基加固后3～4周进行载荷板试验，要求地基容许承载力不小于150KPa。
根据载荷板试验检测报告，试验最大加载量为450KPa，相应的沉降量为41.32mm，卸载后的残余沉降量为31.15mm，地基容许承载力大于设计值150 KPa。
载荷板各级加载量的沉降量及卸载后的残余沉降量见下表：

荷载(kPa)	90	135	180	225	270	315	360
累计沉降量（mm）	3.43	7.58	11.48	16.04	21.04	25.42	30.55
荷载(kPa)	405	450	360	270	180	90	0
累计沉降量（mm）	36.07	41.32	41.13	40.17	38.91	33.82	31.15

载荷板试验的P－S曲线见下图
从载荷板试验成果看，P－S关系曲线为缓变曲线，临塑压力Pcr特征不明显，在3倍设计值压力在作用下，地基承载力满足设计要求。加固后地基容许承载力大于设计值150KPa。
 

⑸压实度试验
压实度测试采用挖坑灌砂法来测试压实度，本次检验16点，均达到设计要求，表明振动碾压加固粉细吹填砂地基可行，机械选型及施工方法及施工参数选择合理。

点位	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
0～0.5m	95	93	96	97	97	95	98	99	94	98	96	93	98	99	96	95
0.5～1.5m	91	90	93	92	93	93	94	94	91	92	91	90	95	95	92	92

㈢大面积施工情况
本工程根据第二次典型施工工艺流程及施工参数进行控制开展大面积施工。我项目部对振冲典型施工后一个月A区面积约为25000m²的施工地基进行了静力触探和标准贯入检测及压实度检测，检测情况如下：
⑴静力触探测试

区号 深度	A-1	A-2	A-3	A-4	A-5
0m～12.0m	8.3	9.2	8.6	9.2	10.1
1.1m～2.0m	7.0	9.6	6.5	8.8	10.5
2.1m～3.0m	10.5	10.1	7.1	6.7	11.1
3.1m～4.0m	8.8	8.7	9.8	6.3	11.6
4.1m～5.0m	10.5	12.8	13.4	9.5	12.4
5.1m～6.0m	11.5	13.6	8.9	15	11.8
6.1m～7.0m	13.2	11.9	11.2	18.2	12.4
7.1m～8.0m	2.0	8.2	10.3	9.1	10.6
8.1m～9.0m	0.3	7.3	4.8	10.9	9.3
9.1m～10.0m		8.9		3.8	5.8
10.1m～11.0m		6.3		0.9	0.6
11.1m～12.0m		0.8

⑵标准贯入（N63.5）检测

区号 深度	A-1	A-2	A-3	A-4	A-5
1m～12.0m	26.2	27.9	33	29	27.8
1.0m～1.45m	15	17	18	18	17
2.45m～2.90m	28	23	39	18	24
3.90m～4.35m	22	22	39	41	26
5.35m～5.80m	39	37	37	33	32
6.80m～7.25m	27	38	33	32	31
8.25m～8.70m		38	32	32	37
9.70m～10.15m		20
11.15m～11.60m

⑶压实度检测
根据设计要求，在已施工完成的场地内共抽查了100个点进行压实度检测，检测结果均满足设计要求。因检测数据较多，本处不将其列出。
根据上述大面积地基处理的检测结果可知，采用振冲密实法加固后的粉细砂地基的加固效果达到了设计要求，其加固效果非常良好。
五、结论
1、通过两次振冲典型施工，经深入细致地分析研究典型施工参数，得出了适用于本工程无填粗骨料振冲加固粉细砂层的施工工艺，确保了本工程能够按照设计要求顺利进行。本工程振冲法加固粉细砂地基的成功经验，能为其他类似工程的吹填粉细砂地基加固提供参考。
2、在碎石、中粗砂材料价格贵的地区，采用振冲密实法加固粉细吹填地基，无需另外填加粗骨料，在确保施工质量的前提下，可以节约工程造价，加快施工速度。
3、振冲施工振动小，对周边已有建筑物沉降位移影响很小。在振冲施工过程中，通过对前方围堤、隔堤进行沉降位移观测，振冲施工对围堤沉降位移影响非常小。该工法对周边有建筑物的相类似的地基加固有很大的应用价值。
4、本工程施工的一些成功经验及有关注意事项，可供有关设计人员设计振冲施工提供参考。
 
参考文献：
1、叶书麟、叶观宝.地基处理与托换技术[m].北京,中国建筑工业出版社，2005。
2、周健、胡寅、林晓斌.粉细砂的室内无填料振冲试验研究.岩土力学,2003,Vol24(5):790-795。

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文章名称： 振冲法加固粉细砂层施工技术在温州港状元岙港

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