二、垂向振动振冲器

垂向振动振冲器一般是基于振动杆原理设计的,它通过一个经特别设计的具有一定长度的密实管或杆,在管顶安装重型振动器并在其的激发下做垂向振动,通过反复插入土体内部若干次以逐步密实周围土体。目前此类振冲器主要有以下几种。

(1)1974年美国Anderson设计出一种新型振冲器即垂向振动管,该振动管为一直径0.76m的开口钢管,管壁厚9.5mm,长度大于应贯入的加固深度3～5m,钢管顶部装有一台Foster型振动打桩锤以产生垂直振动。振动锤频率为15Hz,垂直振幅为10～25mm。

(2)1977年日本Saito提出垂向振动杆法,其设备为一垂向振动的周围有许多棱状突起的振动杆(Double Tube Rod和Rod with Projective),贯入和振密也是通过一个安装在管顶的振动锤产生垂直振动来实现的,对于每一振冲点需将振冲器反复插入、提升若干次。

(3)振冲翅(Vibro-Wing)最早为一家瑞典公司制造并应用,其设备主要由一个约15m长的钢管和一个安装在其顶部的重型振动器组成,钢管周边有许多间距约0.5m、长0.8m的翅状突起。振冲翅的振动频率为20Hz,但其大小可根据具体场地条件进行调整。振动时间和上拔速率主要取决于加固深度、土的渗透性以及振冲点间距(Massarsch & Broms,1983)。

(4)Y形振动管(Franki TriStar probe,Y-probe)于20世纪70年代末期制造于比利时,该设备主要由钢管和三块连在一起的钢板组成,钢板宽500mm,厚20mm,以120°夹角焊接在一个约15～25m长的钢管一端,为提高振冲处理效果,在每个钢板的两边还镶有一些300mm×50mm×10mm的水平钢肋,间距约2m。钢管和钢板在安装于钢管顶部的可变频振动器驱动下以5～20Hz的频率做垂向振动。Y形振动管的加固效果主要取决于振动时间、振动频率、上拔速率、振点间距以及土体内的细粒含量(Neely和Leroy,1991;VanImpe等,1993)。

(5)共振密实振动器。基于土体在共振频率被激发时可以有效放大地面响应的原理,Massarsch于1991年提出了共振密实的概念(Muller Resonance Compaction System),它是通过不断调整振动器频率使其达到土层和振动器系统的共振频率来实现的。土层和振动器系统的共振频率可以通过改变振动器振动速度并测量其引起的地面响应来获得。MRC密实系统是由一开口双Y形的柔性密实管和一个安装在其顶部的可变频重型振动器构成,另外还包括一可连续记录振动频率、贯入深度、水压和地面振动速度等重要参数的电子记录系统。作业时密实管首先高频贯入到指定深度,然后调整振动器频率使其达到土层系统的共振频率,从而放大地面振动反应,提高对周围土体的有效密实。

上述各类振冲器的一个共同特点是使其产生垂向振动的驱动部分均安装在长钢管或钢杆的顶部,驱动部分在振冲加固过程中不贯入土体内部,其物理尺寸没有具体限制。

虽然该类振冲器与水平向振动振冲器相比在加固粗颗粒土方面有其各自的优势,并且在国外已经有相当的经验和理论的依据,但该工法存在着两个明显的缺陷,其一是经加固后的土体其强度明显提高,但整体均匀性很难保证;其二是有深度限制,这是由于该类振冲器在其整个贯入深度范围内均激发其周围土体进行振动,因此上部土体振动时间较长而下部土体振动时间较短,从而有可能使土体沿深度变化产生不一致的密实度。此外由于振动器本身的柔性,其诱发振动幅值沿振动器长度将逐渐减小,限制了加固的最大深度。