Soft Soil Improvement Technique II: Vibroflotation

As mentioned earlier, there are three main methods for improving soft soil foundations, and the dynamic compaction method has been introduced. This paper will analyze the most common problems encountered during the construction of the second method—the vibroflotation method—as well as the key considerations that are most easily overlooked during the construction process.

 

The principle of the vibroflotation method can be summarized as the combination of "vibration" and "flushing," and depending on the soil type, it functions primarily through two mechanisms:

 

1. Vibro-compaction: Mainly applied to sandy soils. The powerful horizontal vibration of the vibrator causes liquefaction in saturated sands, allowing soil particles to rearrange under gravity, reducing the void ratio and thereby densifying the soil.

2. Vibro-replacement: Mainly applied to cohesive soils. After forming holes by vibroflotation, coarse granular materials such as gravel are backfilled into the holes to form high-strength stone columns. These columns, together with the surrounding soft soil, form a composite foundation, with the columns bearing the majority of the load.

 

Today we will focus on the vibro-replacement method (stone column method).

 

Applicable soil types: Cohesive soils, silty soils, saturated loess, artificial fill, etc.

Key criterion: The soil’s undrained shear strength should not be less than 20 kPa.

Core mechanism: Replacing part of the soft soil with stone columns to form a high-strength composite foundation.

 

The construction of the vibro-replacement method typically includes the following key steps:

Positioning: The crane lifts the vibrator and aligns it with the designated pile position.

Hole forming: The vibrator and high-pressure water pump are activated. Under the combined action of vibration and water jetting, the vibrator sinks to the designed depth. The sinking speed is generally 1–2 m/min.

Hole cleaning: The vibrator is lifted out of the hole, and circulating water is used to flush out the slurry from the hole, ensuring a clean hole bottom.

Backfilling: Gravel or other materials are fed into the hole in batches.

Compaction and pile forming: The vibrator is lowered again into the backfill layer to vibrate and compact it. This process is carried out from the bottom upward in successive layers until a complete stone column is formed. A gravel cushion layer of 300–500 mm thickness is usually placed on top of the pile.

 

Common problems, causes, solutions, and preventive measures in vibro-replacement construction

1. Difficulty in hole forming or hole collapse

- Excessively low strength of the foundation soil: When the vane shear strength of the soft soil is below 20 kPa, the lateral wall friction on the vibrator is extremely small. Under its own weight and vibration, the vibrator tends to "bog down" and cannot form a stable hole wall. In this case, high-pressure water flushing exacerbates the erosion and failure of the hole wall, causing large amounts of slurry to surge into the hole and creating a "rubber soil" phenomenon, which prevents further hole formation.

- Encountering hard soil interlayers: When lens-shaped dense silty soil, silty sand, or calcareous nodule layers are distributed within the soft soil, the vibration energy of the vibrator may not penetrate these hard strata, leading to a sharp decrease or even stagnation in penetration speed. Prolonged forced vibration may damage the bearings or motor of the vibrator.

- Improper control of water pressure and flow rate: During hole forming, if the water pressure is too high, the high-pressure jet will directly cut and scour the hole wall, undermining its stability and causing collapse. If the water pressure is too low, it cannot effectively lubricate or carry soil cuttings upward, resulting in excessive sediment at the hole bottom, which may also cause sticking or burial of the drill tool.

 

Solutions:

- For soft soils with excessively low strength: Use large-diameter gravel (e.g., 200 mm) for construction, or adopt special techniques such as bagged sand-gravel piles or bamboo-cage sand-gravel piles.

- For hard soil interlayers: Adopt the scheme of "pre-boring with a percussion drill followed by vibroflotation"—first pre-bore a hole at the hard interlayer position using a percussion drill, then proceed with the vibrator.

- For improper water pressure control: During hole forming, control the water pressure at 200–600 kPa, the water flow at 200–600 L/min, and the hole-forming speed at 0.5–2.0 m/min.

 

Preventive measures:

- Conduct field pilot pile tests before construction to determine the optimal water pressure, flow rate, hole-forming speed, and other parameters suitable for the specific site.

- For soft soil foundations with vane shear strength below 20 kPa, pre-assess whether the vibro-replacement method is suitable. If necessary, consider preloading treatment to improve soil strength before construction.

 

2. Cross-hole interference (adjacent hole disturbance)

- تقارب الركائز بشكل مفرط: عندما يكون تباعد الركائز المصمم أقل من 1.5 ضعف قطر الركيزة (خاصة في التربة الطينية الناعمة)، فإن ضغط ماء المسام الزائد وموجات الاهتزاز المتولدة أثناء بناء ركيزة واحدة تنتقل بسرعة عبر التربة، مما يتسبب في حدوث ضغط أو تلف اهتزازي للركائز المجاورة التي لم تتصلب بالكامل بعد.

- انتقال الماء عالي الضغط والاهتزازات الجانبية : يُؤدي ضغط الماء العالي والاهتزازات الشديدة الناتجة عن الحفرة قيد الإنشاء إلى تكوين "منطقة سائلة" حولها. إذا تم تشكيل ركيزة مجاورة حديثًا ولم يتم تغليف الحصى بالتربة بشكل كامل، فقد يتسرب الحصى بسهولة، وقد يتقلص قطر الركيزة داخل هذه المنطقة السائلة - وهي ظاهرة تُعرف بتداخل الحفر . في الحالات الشديدة، قد يؤدي ذلك إلى انهيار الركيزة المجاورة بالكامل.

- تسلسل بناء غير معقول: إذا تم بناء الركائز بشكل مستمر صفًا تلو الآخر بدلاً من ملء الفراغات أو البناء على فترات، فإن الركائز المثبتة مسبقًا - والتي لم تستعد قوتها بعد - تتعرض لاضطراب قوي من الركائز اللاحقة، مما يؤدي بسهولة إلى تداخل واسع النطاق بين الثقوب .

 

الحلول:

- عند حدوث تداخل بين الحفر ، يجب إيقاف أعمال البناء في المنطقة المجاورة فوراً. ولا يُستأنف العمل إلا بعد زوال ضغط الماء الزائد في التربة المضطربة المحيطة بالركائز المتأثرة واستعادة التربة لقوتها.

بالنسبة للأوتاد المتجاورة التي تأثرت بتداخل الحفر ، يجب إعادة دكّها . وإذا لزم الأمر، يجب تركيب أوتاد إضافية لضمان استيفاء قدرة تحمل الأساس لمتطلبات التصميم.

 

التدابير الوقائية:

- اختر تسلسل بناء معقول. يُنصح باستخدام طريقة ملء الفراغات ( بناء ثقب واحد من كل ثقبين في كل صف) أو طريقة الستارة (بناء حلقتين أو ثلاث حلقات خارجية من الثقوب أولاً، ثم الحلقات الداخلية).

- زيادة المسافة بين الركائز بشكل مناسب لتجنب التقارب المفرط الذي يسبب التداخل المتبادل.

- التحكم في معدل تدفق المياه أثناء تشكيل الحفرة وضغطها لتجنب التليين المفرط للتربة المحيطة بالركائز.

- يُفضّل استخدام الرافعات المجنزرة على الرافعات المثبتة على الشاحنات في أعمال البناء. يوفر صاري الرافعة المجنزرة ثباتًا أفضل، مما يقلل من انحراف الركائز الناتج عن انحراف الصاري.

 

3. عدم كفاية جودة دك جسم الركيزة

- تطبيق متساهل لمعايير البناء:

تيار الدمك لا يصل إلى القيمة المطلوبة: يعكس تيار الدمك مقاومة الهزاز أثناء اهتزازه في طبقة الردم، وهو مؤشر مباشر على جودة الدمك. إذا توقف الاهتزاز قبل الأوان لتسريع العملية (مدة تثبيت غير كافية) أو إذا كانت قيمة التيار المضبوطة منخفضة جدًا، فسيبقى الحصى في جسم الركيزة غير متماسك.

- حجم الردم غير الكافي: إذا كان حجم الحصى الفعلي الذي تم وضعه في الحفرة أقل من حجم التضخيم المصمم، فسيكون قطر الركيزة أصغر من الحجم المصمم، مما يؤدي إلى ضغط غير كافٍ للتربة المحيطة وإضعاف تأثير الاستبدال.

- عدم ملاءمة تصنيف وحجم جزيئات الردم:

حجم الجسيمات الكبير للغاية (على سبيل المثال، >200 مم): في حفرة ضيقة، تميل جزيئات الحصى الكبيرة إلى تشكيل "جسور"، مما يخلق فراغات بينها يصعب ضغطها، مما يؤدي إلى مسامية داخلية عالية.

- صغر حجم الجسيمات بشكل مفرط (مثلاً، أقل من 20 مم مع نسبة عالية من المواد الناعمة): يسهل على الماء المتدفق حمل الجسيمات الناعمة أثناء عملية الترسيب. وعندما تتراص الجسيمات الخشنة المتبقية، فإن نقص المواد الناعمة يمنعها من الوصول إلى أقصى كثافة.

- ضعف التثبيت الجانبي عند قمة الركيزة: في الجزء العلوي من الركيزة (0.5-1.0 متر تحت سطح الأرض)، يكون ضغط التربة العلوية غير كافٍ، ويفتقر التثبيت الجانبي أثناء عملية الدمك. ونتيجة لذلك، تميل ركيزة الحصى إلى التشتت أو التفكك بفعل الاهتزاز، مما يُشكل منطقة رخوة عند رأس الركيزة - وهذه هي أضعف نقطة يُحتمل أن تنكشف أثناء اختبار قدرة التحمل.

 

الحلول:

- إذا لم يستوف تيار الضغط المتطلبات: أعد إدخال الهزاز في ذلك القسم وقم بإجراء ضغط تكميلي حتى يصل التيار المستقر إلى قيمة تيار الضغط المحددة ويستوفي وقت التثبيت المتطلبات (عادةً 30 ثانية على الأقل).

- إذا كان حجم الردم غير كافٍ: أضف المزيد من الحصى إلى ذلك القسم وأعد ضغطه ، مع التأكد من أن حجم الردم لكل قسم يفي بمتطلبات التصميم.

- إذا كان الجزء العلوي من الركيزة مفككًا: قم بتعزيز عملية الرص بشكل خاص عند الجزء العلوي من الركيزة؛ وإذا لزم الأمر، قم بزيادة حجم الردم ووقت الاحتفاظ لهذا الجزء.

 

التدابير الوقائية:

- قبل البدء في أعمال البناء، يجب إجراء اختبارات تجريبية ميدانية للركائز لتحديد معايير اللب مثل قيمة تيار الدمك، ووقت الثبات، وحجم الردم لكل قسم.

- تحكم بدقة في حجم جزيئات الردم: فالجزيئات كبيرة الحجم يصعب إدخالها في الحفرة، بينما الجزيئات صغيرة الحجم يصعب ضغطها. استخدم ركامًا صلبًا ومستقرًا كردم.

- يجب ألا يتجاوز سمك كل طبقة من طبقات الردم 500 مم؛ يتم ضغطها طبقة تلو الأخرى من الأسفل إلى الأعلى.

- سجل تيار الضغط، ووقت التثبيت، وحجم الردم عند كل عمق في الوقت الفعلي أثناء البناء لضمان أن كل قسم يفي بالقيم المحددة.

 

4. انحراف موضع الركائز وانحراف استقامتها

نظراً لأن عملية التعويم الاهتزازي عملية مخفية، فإن دقة تحديد المواقع المكانية تتأثر بعوامل متعددة.

- صعوبات في تحديد الموقع تحت الماء وتحت الأرض: يُعلق الهزاز بواسطة حبل سلكي ويعمل في حفر يصل عمقها إلى عشرات الأمتار. لا يمكن لعلامات الركائز السطحية التحكم في الموقع إلا عند نقطة التثبيت. في الطبقات ذات الصلابة المتغيرة، يتعرض الهزاز لقوى جانبية أثناء الغمر، مما يؤدي إلى انحرافه.

- "الانحراف" الناتج عن الطبقات اللينة والصلبة المتناوبة: عندما يخترق الهزاز من طبقة لينة إلى طبقة صلبة بينية، أو من طبقة صلبة إلى طبقة لينة، فإن التغير المفاجئ في المقاومة عند السطح البيني يميل إلى انحراف طرف الهزاز نحو الجانب الأكثر ليونة، مما يؤدي إلى ميل الركيزة.

- عدم كفاية استقرار معدات الرفع: يمكن أن يؤدي عدم استواء وضع المنصة أو الرافعة، أو الإزاحة تحت تأثير قوة رد فعل الاهتزاز، إلى ميل الصاري الموجه بشكل مباشر، مما يجعل استقامة الفتحة تتجاوز الحد المسموح به وهو 1٪.

 

الحلول:

- إذا كان الانحراف ناتجًا عن ظروف التربة غير المستوية: ابدأ بتشكيل الحفرة من الجانب الأكثر صلابة لتصحيح الانحراف، أو صب الردم على الجانب الأكثر ليونة لمنع المزيد من الانحراف.

- إذا كان الانحراف ناتجًا عن شد غير مناسب في حبال السحب: اضبط اتجاه وشد الحبال.

- إذا كان أنبوب التوجيه مثنيًا أو غير مثبت بشكل عمودي: اضبط محاذاة الهزاز وأنبوب التوجيه إلى الوضع العمودي؛ قم بتقويم الأنبوب المثني أو استبداله.

- إذا كان الانحراف ناتجًا عن بثق الردم من جانب واحد : قم بتغيير اتجاه الردم وقم بتغذية المادة بالتساوي من جميع الجوانب حول الفتحة.

- إذا تجاوز انحراف موضع الركيزة بعد تشكيلها القيمة المسموح بها المحددة في الكود (يجب ألا يتجاوز 0.2 ضعف قطر الركيزة)، فأعد حفر ثقب في الموضع الصحيح وشكل ركيزة جديدة مع زيادة الكثافة.

 

التدابير الوقائية:

- قبل تشكيل الثقب، تأكد من أن الانحراف بين مركز نفاث الماء للاهتزاز ومركز الركيزة - الثقب أقل من 0.2D (حيث D هو قطر الركيزة).

- التحكم بدقة في انحراف الاستقامة أثناء البناء بحيث لا يتجاوز 1/100.

- قم بوضع علامات على طول الهزاز وأنبوب التوجيه (عادة كل 0.5 متر) لتسهيل التحكم في العمق من قبل المشغلين.

- استخدم رافعة مجنزرة ذات ثبات جيد كمعدات رفع لتقليل تأثير تأرجح المعدات على الوضع الرأسي.

 

5. ثقوب مفقودة

هذا خطأ منهجي ناتج عن سوء التنظيم والإدارة في الموقع .

- إدارة البناء غير المنظمة ونقص السجلات: في مواقع البناء الكبيرة ذات الأكوام الكثيرة والتخطيطات الكثيفة، إذا لم يتم اعتماد نظام ترقيم علمي وطرق وضع العلامات في الوقت الفعلي ( مثل وضع العلامات أو وضع علامات مسحوق الجير)، واعتمد العمل فقط على الذاكرة، فمن السهل تفويت مواقع الأكوام الفردية.

- عدم كفاية تسليم العمليات وإعادة المسح : عادةً ما يكون موقع البناء موحلاً، وغالبًا ما تكون علامات الركائز المكتملة تالفة أو مغطاة أو ملوثة. إذا لم يقم المساحون بإعادة المسح وإعادة تحديد المواقع في الوقت المناسب، فقد يتسبب فريق البناء في إحداث مناطق غير ظاهرة عند تحريك المعدات، مما يؤدي إلى عدم اكتشاف بعض الحفر، وفي النهاية، إلى ظهور مناطق ضعف محلية أثناء اختبار قدرة التحمل.

 

الحلول:

- بمجرد العثور على ثقب مفقود، قم على الفور بتركيب ركيزة في الموضع المفقود لضمان التغطية الكاملة لجميع مواقع الركائز المصممة.

- يجب بناء الركيزة البديلة باستخدام نفس معايير البناء ومعايير الجودة لضمان تطابق جودتها مع جودة الركائز الأصلية.

 

التدابير الوقائية:

- قم بترقيم جميع مواقع الثقوب قبل البناء وقم بإنشاء سجل كامل لمواقع الركائز.

- إجراء عمليات إعادة تفتيش في الوقت المناسب أثناء البناء؛ وضع علامات واضحة على الركائز المكتملة (على سبيل المثال، باستخدام الأعلام أو مسحوق الجير وما إلى ذلك).

- اعتماد تسلسل بناء منهجي ( طريقة صف تلو الآخر، أو طريقة ملء الفراغات ، أو طريقة الستارة ) والتقدم صفًا تلو الآخر لتجنب حالات الإغفال الناتجة عن فوضى الموقع.

- ينبغي على المساحين إعادة قياس وإعادة وضع العلامات بانتظام لتلك التي تضررت أو تم تغطيتها.