第六节　加固机理与效果评述

一、加固机理

振冲法的加固机理分为在砂性土地基中的挤密机理和在黏性土地基中的置换机理。

(一)挤密机理

砂类土地基振冲加密的机理是利用松砂在振动荷载作用下辅以水冲,使得砂颗粒重新排列,体积缩小,变成密实砂体的特性。对于饱和砂土,在振冲器重复水平振动应力作用下,土体中超空隙水压力迅速增大,促使土颗粒间联结力减小,土颗粒向低势能位置转移,形成紧密的稳定结构以适应新的应力条件。

1.振冲过程中使砂基受3种加密作用

(1)振挤作用:是振冲器的水平振动力通过土的骨架传递将周围土挤压密实。

(2)振浮作用:是通过振冲器振动使周围土体内超孔隙水压力升高,促使土粒间结构力破坏,进而形成稳定的结构形式。

(3)固结作用:在砂土上覆有效应力作用下超孔隙水压力消散时产生排水固结压密。

2.振冲器周围土的状态

伴随振冲器在砂基中振动,周边砂土根据经受加速度值的大小,由内向外可以划分为四个区域,即剪胀区、流态区、挤密区和弹性区。

(1)剪胀区紧贴振冲器侧壁,该区加速度值大,砂土处于剪胀状态。

(2)流态区砂土受到较强振动及高压水冲击,处于流体状态。颗粒时接连时不连接。

(3)挤密区砂土经受振动,结构开始破坏,但土颗粒间仍保持连接,能够通过土骨架传递振动应力。

(4)弹性区砂土收到振动小,土体处在弹性变形状态,不能获得显著加密。

振冲器在土中为一个移动着的点振源,因此,剪胀区、流态区、挤密区不是固定的,随着振冲器移动,剪胀区可以变为流态区、挤密区、弹性区或反之。

(二)置换机理

黏性土地基振冲法加固,主要是利用振冲器的强力振动和高压水冲在地基内制造碎石桩,碎石桩为散体材料桩,在荷载作用下可以变形,但强度比周围土体高,碎石桩和周围土体组成复合地基从而达到提到承载力的目的。碎石桩在复合地基中主要起到以下几种作用。

1.桩柱作用

碎石桩体的压缩性明显比周围黏性土体小。上部荷载通过基础传给复合地基的附加应力,随着地基的压缩变形逐渐集中到碎石桩上,土负担的附加应力相应减少。碎石桩在复合地基中起到了桩柱的作用。

2.垫层作用

碎石桩是依赖周围土体的侧压力保持形状并承受荷重。承重时桩体产生侧向变形。同时通过侧向变形将应力传递给周围土体。这样碎石桩和周围土体一起组成一个刚度较大的人工垫层,使基础荷重引起的附加应力向四周扩散。

3.排水作用

在黏性土地基特别是含水量高的饱和软黏土中,设置碎石桩,有利于排水固结,提高黏性土的强度。同时当施加建筑荷载时,地基土内产生的超孔隙水压力也能比较快地通过碎石桩消散,因此固结沉降能够相对较快地完成。

目前,对振冲法加固黏性土地基(特别是软黏土地基)有不同认识,焦点在振冲对黏性土强度的影响以及碎石桩的排水作用上。一般认为,振冲器在黏性土中运转,黏土受到扰动强度有所降低(约20%左右)。但振动停止后,随着时间推移(振后20～30d),土体经过固结排水作用,其结构和强度都能恢复,并且还能有所提高。

值得注意的是:振冲对高灵敏度的软黏土强度影响较大,但对老黏性土、一般黏性土的强度影响不大。粉土(Ip=3～10)经振冲后能还获得不同程度加密,强度有明显提高。

其次对碎石桩的排水性能看法不尽一致,而且专门性研究较少,但从许多工程实例可以证实,碎石桩的排水作用确实存在。例如,昆明云新饭店地基,表层0.0～4.0m为黏土,4.0～8.0m为含水量50%的淤泥。淤泥下面为不饱和砂砾层。由于淤泥不透水成为隔水层,天然状态下地下水的埋深仅1.0m左右。开挖基槽形成深达6.0m大水坑,加上岸坡坍塌无法再施工。因而采用振冲法加固,打穿淤泥层,进入砂砾层后基坑开挖4.0m未见地下水,淤泥也脱水,不再具有流动性。

国内应用振冲法地基处理技术所制成的碎石桩,一般具有良好的透水性,这与其振冲施工工艺有关。国外介绍资料中,振冲器有端部下喷水口和位于电机上端的上喷水口。造孔时利用下喷水口,制桩时关闭下喷水口,打开上喷水口。这样则易使回填的碎石与泥土混合。而国内施工中一般不采用上喷水口。制桩时水仍从下喷水口通过碎石返到地面。部分泥土随返水冲出地面,不会将碎石孔隙堵住。因此只要工艺合适,回填料有一定级配,冲水量适宜,所制成碎石桩的排水作用是存在的。为了保证碎石桩具有良好的透水性,回填石料应有一定级配,施工时不能停用下喷水口,制桩时冲水量不宜太小,成桩后应防止泥浆再回灌桩体内。