[0001] 本发明涉及一种上硬下软地层中振冲碎石桩的分层施工方法。

[0002] 振冲碎石桩是通过振冲器成孔后填入碎石料，由碎石桩和加固土体组成复合地基，具有分担上部荷载、挤密桩周土、提供排水通道加快土体固结等作用。振冲碎石桩的施工可分为振冲成孔、清孔、填料振冲密实三个主要阶段。在上硬下软地层中，由于地层上部存在硬壳层，常规功率的振冲器难以振入，无法成孔。一般采用先引孔后填料的工艺，但引孔成本较高，不利于大面积实施。随着大功率振冲设备的开发，振冲器的穿透力明显提高，目前可选择大功率振冲器直接成孔后振冲密实，避免了引孔的工序。

[0003] 控制振冲碎石桩的施工质量通常采用密实电流和留振时间这两个施工控制指标，按照0.5m～1m高度内的碎石桩体作为一个加密段。在每个加密段内，当填料振冲密实时振冲器的施工电流(密实电流)在规定的留振时间内，保持不低于规定的密实电流值，即认为碎石桩已满足桩体密实度的要求。传统的振冲碎石桩主要用于加固地质条件较差且上部无硬壳层的地层，因此施工时通常采用固定的转动频率和施工控制指标。针对上硬下软地层，振冲造孔和清孔时需要充分发挥振冲器的激振力，以穿透上部硬壳层。但在填料后进行振冲密实时，振冲器的转动频率并非越大成桩质量越好。当转动频率过大时，激振力越大，下部软土层中的碎石填料会持续扩孔，难以形成密实的桩体。同时，由于软土层中土体难以提供有效的围压，其施工控制指标与上部硬壳层也不相同。因此，填料加密时需要结合不同土层的土体特性，选择符合各地层特性的施工参数和施工控制指标。

[0031] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0032] 请参阅图1，本发明的上硬下软地层中振冲碎石桩的分层施工方法，包括以下步骤：

[0033] 步骤一、根据勘察资料初步判断施工场地内的土层分布、土层厚度及各土层的土体强度，选择具有强穿透能力的大功率变频振冲器进行施工；

[0034] 步骤二、根据各土层的土体强度确定施工控制指标；施工控制指标包括：

[0035] 振冲造孔阶段的转动频率，采用振冲器的额定转动频率；

[0036] 清孔阶段的转动频率，采用振冲器的额定转动频率；

[0037] 填料振冲密实阶段的密实电流I k、留振时间T和转动频率f；

[0038] 先确定大功率变频振冲器在不同转动频率下的空载电流I 0，即振冲器在无阻力环境下的稳定电流值，再以此空载电流值I 0作为基准值来确定填料振冲密实阶段各土层的施工控制指标，即确定在各土层中能保证碎石桩达到一定密实度的密实电流I k和留振时间T；

[0039] 针对碎石土，密实电流I k取I 0+60A～I 0+100A，留振时间T取10s～15s；

[0040] 针对砂类土，密实电流I k取I 0+30A～I 0+60A，留振时间T取10s～15s；

[0041] 针对坚硬粘土和硬塑粘土，密实电流I k取I 0+30A～I 0+60A，留振时间T取10s～20s；

[0042] 针对软弱基层土，密实电流I k取I 0+30A～I 0+50A，留振时间T取10s～20s；

[0043] 确定各土层在填料振冲密实阶段的转动频率f：

[0044] 针对碎石土，在填料振冲密实阶段的转动频率f取50Hz～60Hz；

[0045] 针对砂类土，在填料振冲密实阶段的转动频率f取45Hz～55Hz；

[0046] 针对坚硬粘土和硬塑粘土，在填料振冲密实阶段的转动频率f取40Hz～50Hz；

[0047] 针对软弱基层土，在填料振冲密实阶段的转动频率f取35Hz～45Hz；

[0048] 步骤三、振冲造孔，将振冲器的转动频率设定为额定转动频率，启动吊机并开启振冲器，利用振冲器水平振动和高压水流冲击土层造孔，缓缓下沉振冲器入土，直至振冲器到达设定的深度后停止造孔；

[0049] 步骤四、清孔，通过多次上提和下沉振冲器进行清孔，每次上提振冲器1～2m后，再下沉振冲器0.5～1m，不停地冲水，反复循环至电流值与空载电流接近，重复施工至桩孔的顶部；

[0050] 步骤五、开始最下部土层即桩底所处土层的填料加密施工，将振冲器的转动频率切换至与本土层对应的转动频率f；

[0051] 步骤六、先上提振冲器0.5～1mm，再通过提料斗向桩孔内填入碎石料；

[0052] 步骤七、反插振冲器至加密位置并开始振冲加密，保持振冲直至达到施工控制指标所规定的留振时间T；

[0053] 步骤八、在留振时间T内观察振冲器的电流是否一直保持不低于施工控制指标所规定的密实电流I k；当不能满足本土层的密实电流I k时，上提振冲器0.5～1m高度后继续向桩孔内填入碎石料，再反插振冲器至加密位置，重复振冲密实，直至满足本土层的密实电流I k；当满足本土层的密实电流I k时，继续上提振冲器1～1.5m向桩孔内填入碎石料，再反插至本土层的下一段加密位置后继续振冲密实，保证各加密段均满足本土层的留振时间T和密实电流值I k，重复施工直至完成本土层内的填料加密施工；

[0054] 步骤九、进行下一土层的填料加密施工，先将振冲器的转动频率调整至与该土层对应的转动频率f，然后重复步骤六至步骤八，直至完成该土层的填料加密施工；

[0055] 步骤十、重复步骤九，直至完成最上部土层的填料加密施工，振冲器提升到地面，施工完毕。

[0056] 下面以某碎石桩工程项目为例来说明本发明的上硬下软地层中振冲碎石桩的分层施工方法，包括以下步骤：

[0057] 步骤一、根据勘察资料初步判断施工场地内的土层分布、土层厚度及各土层的土体强度，其中最上部的为抛石层，厚度为10～15m，抛石层的下部为淤泥质土层，厚度为6～9m，淤泥质土层的下部为硬塑粘土；碎石桩的加固深度位于硬塑粘土层内；

[0058] 步骤二、先根据施工场地上最上层土体的强度及厚度，选择功率为225kW的变频振冲器进行施工；再根据各土层的土体强度确定施工控制指标；施工控制指标包括：

[0059] 在振冲造孔节段的转动频率，采用225kW变频振冲器的额定转动频率；

[0060] 在清孔阶段的转动频率，采用225kW变频振冲器的额定转动频率；

[0061] 该225kW变频振冲器在转动频率为50～55Hz下的空载电流I0为220A，在转动频率为45～50Hz下的空载电流I0为215～220A，在转动频率为40～45Hz下的空载电流I0为210～215A；

[0062] 在填料振冲密实阶段，基于本发明的施工控制指标的选取规则，即各土层在填料振冲密实阶段的密实电流I k是在各转动频率下的空载电流I0的基础上增加一定比例，填料振冲密实阶段各土层的施工控制指标见下表1：

[0063] 表1

[0064]

[0065] 步骤三、振冲造孔，通过振冲器的控制面板将振冲器的转动频率设定为额定转动频率，即50～55Hz，启动吊机并开启振冲器，利用振冲器水平振动和高压水流冲击土层造孔，缓缓下沉振冲器入土，直至振冲器到达设定的深度后停止造孔；

[0066] 步骤四、清孔，通过多次上提和下沉振冲器进行清孔，每次上提振冲器1～2m后，再下沉振冲器0.5～1m，不停地冲水，反复循环至电流值与空载电流接近，重复施工至桩孔的顶部；

[0067] 步骤五、开始最下部土层即硬塑粘土层的填料加密施工，通过振冲器的控制面板将振冲器的转动频率调整到针对硬塑粘土层的转动频率f＝45～50Hz；

[0068] 步骤六、先上提振冲器0.5～1mm，再通过提料斗向桩孔内填入碎石料；

[0069] 步骤七、反插振冲器至加密位置并开始振冲加密，保持振冲直至达到施工控制指标所规定的留振时间T＝10～20s；

[0070] 步骤八、在留振时间T＝10～20s内观察振冲器的电流是否一直保持不低于施工控制指标所规定的密实电流I k＝250～270A；当不能满足硬塑粘土层的密实电流I k时，上提振冲器0.5～1m高度后继续向桩孔内填入碎石料，再反插振冲器至加密位置，重复振冲密实，直至满足本土层的密实电流I k；当满足本土层的施工控制指标时，继续上提振冲器1～1.5m向桩孔内填入碎石料，再反插至硬塑粘土层的下一段加密位置后继续振冲密实，保证各加密段均满足硬塑粘土层在留振时间T＝10～20s内的密实电流I k不低于250～270A，重复施工直至完成本土层内的填料加密施工；

[0071] 步骤九、进行次下部土层即淤泥质土层的填料加密施工，先将振冲器的转动频率调整至与淤泥质土层对应的转动频率f＝40～45Hz，然后重复步骤六至步骤八，保证淤泥质土层中各加密段在留振时间T＝10～20s内的密实电流I k不低于240～260A，直至完成淤泥质土层的填料加密施工；

[0072] 步骤十、进行最上部土层即抛石层的填料加密施工，先将振冲器的转动频率调整至与抛石层对应的转动频率f＝50～55Hz，然后重复步骤六至步骤八，保证抛石层中各加密段在留振时间T＝10～15s内的密实电流I k不低于280～320A，直至完成抛石层的填料加密施工，振冲器提升到地面，施工完毕。

[0073] 振冲器是由电动机、振动器、减震器及导管四大部分组成，其工作原理是依靠振冲器内的偏心块转动产生离心力，使壳体作用于土体一定的频率和振幅的水平向振动力，通过自激振动，配合水力冲击进行成孔和密实作业的设备。通过调整偏心块的转动频率，以此降低偏心块的转动角速度，从而产生不同强度的激振力。振冲器的激振力是偏心块转动时产生的离心力F，F通过以下公式计算：

[0074] F＝m·e·ω2

[0075] 上式中，ω为偏心块的转动角速度(rad/s)，e为偏心块的偏心距(m)，m为偏心块的质量(kg)

[0076] 振冲器需要履带吊配合施工，主要工序分为振冲造孔、清孔、填料振冲密实这三个主要阶段。振冲造孔阶段主要依靠振冲器的自重和振冲器的激振力克服管道与土体间的摩阻力及振冲器头部土体的阻力，需要充分发挥振冲器的激振力，提高设备穿透能力，因此需要开启振冲器的额定转动频率，实现在硬壳层中快速造孔；清孔阶段主要通过上下反复插拔振冲器来冲洗桩孔壁，以降低桩孔内的泥浆比重，同时进一步扩孔，可直接采用额定转动频率快速完成；填料振冲密实阶段主要通过上提振冲器，料斗提升至集料斗的投料入口，下料完成后反插振冲器至碎石填料内，开始振冲加密，以0.5～1m为一个加密段，每个加密段内重复上提下料并反插密实的操作。由于上硬下软地层需要加固下部的软土层，若振冲器的转动频率过大，会导致激振力过大，碎石填料侧向挤压的范围大，振冲加密时周围形成的泥浆量高，增大桩体的含泥量，不利于软土层排水固结。同时，由于振动范围越大，导致碎石填料持续发生扩孔，反而不利于碎石填料达到较高的密实度。因此本发明根据上述振冲器的原理，调整偏心块的转动频率，从而使振冲器产生的激振力符合不同土体的特性，进而保证碎石桩的施工质量。

[0077] 同时，由于上硬下软地层中土层的强度差异较大，而填料密实时的密实电流与周围土体的围压相关，当桩周土体强度高时，可提供较大的围压，需采用高密实电流值进行控制；当桩周土体强度低时，无法对碎石桩提供有效围压，即使长时间留振也难以达到较大的密实电流，且会造成碎石填料的浪费，需要降低密实电流值进行施工控制。因此在上硬下软层中，由于土层的不同，需要采用分层控制施工策略，针对不同的土层采取符合土体特性的施工控制指标。

[0078] 本发明的上硬下软地层中振冲碎石桩的分层施工方法，通过调节振冲器内偏心块的转动频率，改变转动角速度，从而使振冲器产生的激振力符合不同土体的特性。同时，本发明根据上硬下软地层的特点，各土层采用不同的密实电流和留振时间这两个施工控制标准，实现振冲碎石桩分层施工控制，在提高成桩质量的同时还能节省能源，且具有操作便捷、质量可靠等优点，对提高振冲碎石桩的施工质量有重要作用。

[0079] 以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。