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振动沉管碎石桩机理及常见问题分析
【摘要】本文探讨了振动沉管碎石桩在沉桩过程中的机理，沉桩的效果，并在此基础上以一个工程为例对工程常见的施工问题以及处理方法进行探讨。
标签振动沉桩碎石桩的机理；效果；常见问题分析及解决方法一、前言
振动沉管挤密桩有碎石桩、砂桩、砂石混合桩等，碎石桩是挤密桩处理方法之一，分湿法与干法两种，在软土地基中应用较为广泛。振动沉管碎石桩属于干法碎石桩，对于砂土、粉土等的作用主要为挤密、振密及排水，对粘性土主要为置换、排水。通过振动沉管碎石桩对地基的处理，能减少地基的沉降量、提高复合地基承载力。
二、振动沉管碎石桩机理
振动沉管碎石桩加固机理：沉管在振动打入过程中对周围土层进行侧向挤密，管内填料振动拔升时，管内碎石在重力作用下落在地基土中形成碎石桩身，通过反插使得碎石桩体直径扩大并达到桩体密实，按一定间距重复施打，又使桩与桩之间的土层密实度得到增加，同时打设的每根碎石挤密桩体，形成一个个良好的竖向排水通道。地基处理后表层通常设置0.5m厚的砂褥层，处理后土体中的水渗出进入竖向排水通道，再进入砂褥层中水平方向排出，有利于砂土、粉土地基中超孔隙水压力的消散，有效地增强土体的抗液化能力，固结过程中，桩体本身及桩间土层承载能力得到提高，碎石挤密桩增强体与砂土、粉土地基等共同承担荷载作用，形成碎石挤密桩复合地基。
振动沉管碎石桩作为一种大型桩机，有走管式、步履式、履带式几种，功率有俗称的60、75、90、110、120甚至150型。根据设计要求的桩径、桩长及地质条件选用机型。沉管碎石桩机的施工步骤主要为：(1移动桩机及塔架，把桩机及桩尖对准桩位；(2启动振动锤，把桩机沉管下沉到设计的深度；(3向沉管内投入规定数量的碎石；(4振动提升时管内石料在重力作用下流入钻孔中；(5反插沉管，使石料密实并扩大桩径；(6重复(4、(5步骤；(7成桩结束，桩机移至下个桩位，重复上述步骤，直至施工完成。
振动沉管挤密碎石桩具有设备简单、操作方便、成本低、施工快、无污染等特点，在软土地基处理中得到广泛应用。经过碎石桩处理的地基有以下几个方面效果：
1、复合地基的承载力得到明显提高。
2、与振冲碎石桩（湿法碎石桩）相比，振动沉管碎石桩克服了振冲碎石桩耗水量大和泥浆污染的弊病。
3、处理深度较深，有效的减少深层土体的沉降量，处理后的地基整体性较强。
三、常见的问题分析及处理
但是笔者认为，碎石桩用于地基处理，因其成桩原理、用料等有其特定的缺陷，其桩身是由散体材料组成，材料本身没有粘性强度，桩体的强度主要是靠周围土体的约束和桩身材料的摩擦维持的，在承受上部荷载时，桩体主要受力集中在桩顶附近4倍左右的桩径范围内，作为复合地基承载效果明显,但遇到开挖或埋设管道等,复合地基即遭到破坏,同时对各种不同地质条件的地基，相同的处理 方法，得到的地基复合强度不一样。碎石桩处理的效果与地质条件、桩间距、桩
直径、桩深度、材料的选用等有密切的关系，因此正式施工前需要对整个处理区域合理选择试桩范围、试桩根数，以取得最合理、最满足设计要求的施工参数。另外在诸多工程实践中如桩身拔管后颈缩，反插后造成断桩、填料量难以下沉、打入困难、桩尖活瓣难以打开等均需在实践中有待改进与加强。
因此，在实际施工中对沉管碎石桩的施工工艺需要进行分析,拟定最合理的施工方案,不能准备不充分就贸然施工,否则会造成施工质量达不到设计要求,浪费成本延长工期。
以某石化油罐地基处理为例，分析施工中经常出现的问题及处理方法。工程概况简述：油罐基础直径32m～43m，由中心点向外呈放射性布置桩位，桩直径0.6m，桩长19m～22m，采用振动沉管沉桩碎石桩工艺施工，碎石桩总数量共计105000m。处理后的地基承载力特征值fak≥200kPa。检测需提供施工前后的物理力学指标如：空隙比、含水率、内摩擦角、地基承载力特征值及各土层的压缩模量等及施工参数。
地质报告简述：
①-1素填土：灰黄色，稍密，稍湿，成份以粘性土为主，为人工堆填物，局部含少量块石，粒径在2.0-20.0cm，硬杂质约占20%，经过强夯处理，夯击能量为点夯2000KN.M和3000KN.M，满夯1000KN.M，揭露厚度为1.50～3.50m，夯击停滞时间半年。
①-2填砂：松散～稍密，主要由吹填砂而成，含残质贝壳，疏密不匀。场区普遍分布，厚度:3.0～6.0m。工程地质性能差。
②淤泥质土：灰色，软塑，饱和，成份由粘、粉粒组成，含腐蚀质，嗅有臭味，厚度:1.00～5.60m。属高压缩该层为饱和软粘土，力学性能差。
③中砂：冲洪积成因，该层在新近回填区有分布，饱和，稍密告～中密，含少量粘性土，颗粒级配差，为中压缩性土。厚度1.10～4.50m。力学性能一般。
④粉质粘土：灰黄色，可塑～硬塑，湿～饱和，成份以粘粉粒为主，手搓具有少许砂感，粘韧性一般，刀切面较光滑，无摇震反应，干强度中等。揭露厚度为1.50～3.00m。工程地质性能较好。
⑤残积砂质粘性土：灰黄色，可塑～硬硬，饱和，母岩为花岗岩，组织结构已全部破坏，矿物成份除石英外均已风化成土状，风化较为均匀，揭露厚度为1.90～8.20m。工程地质性能良好。承载力特征值为240Kpa。
⑥全风化花岗岩：灰黄色，岩芯呈散体状，手捏即散，遇水易软化、崩解，组织结构基本破坏，矿物成份已风化成土状。揭露厚度为2.30～9.90m。工程地质性能良好。承载力特征值为300Kpa。
经现场查看并对照地质报告，发现该工程施工难度极大，主要表现在以下3个方面：
1、原场地经过强夯处理，虽然夯击能量不大，但对于振动沉管碎石桩机而言，沉管难度极大。如果当时设计时给予顺序颠倒，即先进行振动沉管碎石桩施工，而后再表层强夯处理，则碎石桩施工难度降低,整个场地的地基承载力也将大大增加。现在是先强夯后打碎石桩，碎石桩沉桩极为困难,振动施工的全过程也将原强夯处理场地全部振松，强夯处理的硬壳层全部被破坏。2、桩位为圆形布置，从中心点开始向外呈放射性布置，桩位布置在弧长上，间距不一，从0.9m～1.3m，桩间距较密。这种方法布桩，对于油罐基础而言有好处，但对实际施工非常不利，间距过密成桩很困难，顺圆弧放射性布桩则导致桩机移位对位困难。
3、地质报告显示①-2 为吹填砂层，③中砂层。振动沉管对砂层的穿透难度
大，尤其是中砂层，厚度在3m左右。
鉴于上述难点，项目部进行充分分析，最后形成以下施工措施：1、采用DZJ-110以上锤头进行沉孔，如沉孔还是困难则需要螺旋桩机引孔。2、改进桩尖，采用外挂八字形活瓣式桩尖，同时对桩尖钢板加厚，活瓣铰链轴加粗。
3、对管内充气或充水作为辅助下料措施。4、桩机机台前段根据情况增加4T