第五章1砂石桩法).pptx

5.1 砂石桩法 1.概述 碎石桩、砂桩和砂石桩总称为砂石桩，又称粗颗粒土桩，是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石、砂或砂石挤压入已成的孔中，形成砂石所构成的密实桩体，并和原桩周土组成复合地基的地基处理方法。砂石桩适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不严的工程也可采用砂石桩置换。砂石桩也可用于处理可液化地基。2.加固机理 (1)对松散砂土和粉土的加固机理 砂石桩法加固砂性土地基的主要目的是提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性。砂石桩加固砂土地基抗液化的机理主要有下列三方面作用：挤密作用 砂土和粉土属于单粒结构，其组成单元为松散粒状体，渗透系数大，一般大于10-4cm/s。单粒结构在松散状态时，颗粒的排列位置是极不稳定的，在动力和静力作用下会重新进行排列，趋于较稳定的状态。即使颗粒的排列接近较稳定的状态，在动力和静力作用下也将发生位移，改变其原来的排列位置。松散砂土在振动力作用下，其体积可减少20%。对挤密砂桩和碎石桩的沉管法或干振法，由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管中的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙比减小，密实度增大，这就是挤密作用。有效挤密范围可达34倍桩直径。对振冲挤密法，在施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，且在桩孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的密实度增加，孔隙比降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地基承载力大幅度提高，一般可提高25倍。同时，由于地基密实度显著提高，其抗液化的性能也得到改善。排水减压作用 对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。当砂土中有效应力降低为零时便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石（卵石、砾石）等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。砂基预震效应 美国H.B.Seed等人（1975）的试验资料表明，相对密度Dr=0.54但受过预震影响的砂样，其抗液能力相当于相对密度Dr=0.8的未受过预震的砂样。即在一定应力循环次数下，当两试样的相对密度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46%。从而得出了砂土液化特性除了与砂土的相对密度有关外，还与其振动应变史有关的结论。国外报道中指出只要小于0.074mm的细颗粒含量不超过10%，都可得到显著的挤密效应。根据经验数据，土中细颗粒含量超过20%时，振动挤密法对挤密而言不再有效。(2)对粘性土的加固机理 置换作用 密实的砂石桩在软弱粘性土中取代部分软弱粘性土，形成复合地基，使承载力有所提高，地基沉降减少。载荷试验和工程实践证明，砂石桩复合地基承受外荷载时，发生压力向砂石桩集中的现象，使桩周围土层承受的压力减少，沉降也相应减小。砂石桩复合地基与天然软弱粘性土地基相比，地基承载力增大率和沉降减小率与置换率成正比关系。根据日本的经验，地基沉降减少70%90%；根据我国在淤泥质亚粘土和淤泥质粘土中形成的砂石桩复合地基的载荷试验，在同等荷载作用下，其沉降可比天然地基减少20%30%。排水作用 如果在选用砂石桩材料时考虑级配，则所制成的砂石桩是粘土地基中一个良好的排水通道，它能起到排水砂井的效能，且大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速软土的排水固结，使沉降稳定加快。总之，砂石桩作为复合地基的加固作用，除了提高地基承载力、减少地基的沉降量外，还可用来提高土体的抗剪强度，增大土坡的抗滑稳定性。国外通常将这类加固归属于“加筋法”范畴。不论对疏松砂性土或软弱粘性土，砂石桩的加固作用有：挤密、置换、排水、垫层和加筋。3.设计计算 (1)处理范围 砂石桩处理范围应根据建筑物的重要性和场地条件及基础型式而定，通常都大于基底范围。处置宽度宜在基础外缘扩大13排桩；对可液化地基，在基础外缘扩大宽度应不小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。(2)桩位布置 砂石桩桩位宜采用等边三角形或正方形布置。对大面积满堂处理，桩位宜用等边三角形布置；对独立或条形基础，桩位宜用正方形、矩形或等腰三角形布置；对于圆形或环形基础（如油罐基础）宜用放射形布置，如图5-1。(3)桩长 砂石桩桩长可根据工程要求和工程地质条件通过计算确定：当松软土层厚度不大时，砂石桩桩长宜穿过松软土层；当松软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程，砂石桩桩长应不小于最危险滑动面以下2m的深度；对按变形控制的工程，砂石桩桩长应满足处理后地基变形量不超过建筑物地基的容许变形值并满足下卧层承载力的要求；对可液化地基，砂石桩桩长应按现行国家标准建筑抗震设计规范（GB50011-2001）的有关规定采用；桩长不宜短于4m。(4)桩径 砂石桩直径可采用300800mm，可根据地基土质情况或成桩设备等因素确定。对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。(5)桩间距 砂石桩间距应通过现场试验确定。对粉土和砂土地基不宜大于砂石桩直径的4.5倍；对粘性土地基不宜大于砂石桩直径的3倍。初步设计时，砂石桩的间距可按下列公式估算:松散粉土和砂土地基 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）规定，按下列公式确定桩间距：正方形布桩 正三角形布桩 粘性土地基 建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）规定，按下列公式确定桩间距：正方形布桩 正三角形布桩 (6)桩体材料 砂石桩桩体材料可就地取材，一般可用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料，含泥量不得大于5%。最大粒径不宜大于50mm。(7)填料量 砂石桩桩孔内的填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数确定，可取1.21.4。如施工中地面有下沉或隆起现象，则填料量应根据现场具体情况予以增减。(8)垫层 砂石桩施工完毕后，砂石桩顶部宜铺设300500mm厚度的砂石垫层。垫层应分层铺设，用平板振动器振实。在不能保证施工机械正常行驶和操作的软弱土层上，应铺设施工用临时性垫层。(9)砂石桩复合地基承载力特征值 砂石桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基荷载试验确定，初步设计时也可采用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：对小型工程的粘性土地基如无现场载荷试验资料时，初步设计时复合地基的承载力特征值也可按下式估算：(10)稳定性分析 若砂石桩用于改善天然地基整体稳定性时，可利用复合地基的抗剪特性，再使用圆弧滑动法进行计算。(11)沉降计算 砂石桩处理地基的沉降变形包括复合地基加固区的沉降变形和下卧层的沉降变形两部分。砂石桩处理地基的沉降变形应按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）的有关规定计算。复合土层的压缩模量可按下式计算：例5-1 某砂土地基，e0=0.902，emax=0.978，emin=0.742，该地基拟采用挤密碎石桩加固，正三角形布桩，挤密后要求砂土相对密度Dr=0.886，求碎石桩间距（=1.0，桩径0.4m)。例5-2 某天然地基fsk=100kPa，采用振冲挤密碎石桩复合地基，桩长l=10m，桩径d=1.2m，按正方形布桩，桩间距s=1.8m，单桩承载力特征值fpk=450kPa，桩设置后，桩间土承载力提高20%，试求复合地基承载力特征值。例5-3 振冲碎石桩桩径0.8m，正三角形布置，桩距2.0m，复合地基承载力特征值为200kPa，桩间土承载力特征值为150kPa，试求桩土应力比。4.施工 砂石桩施工可以采用振冲法、沉管法、冲击法、振动法等。下面主要介绍以下两种施工方法：振冲法和沉管法。(1)振冲法 振冲法是指在振冲器和高压水的共同作用下，使松砂土层振密，或在软弱土层中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成桩柱，并和原地基组成复合地基的处理方法。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。施工机具振冲器是振冲法施工的主要机具，国内常用的振冲器型号见表5-2。施工步骤 a.清理平整场地，布置桩位；b.施工机具就位，使振冲器对准桩位；c.启动水泵和振冲器，水压可用200600kPa，水量可用200400L/min，将振冲器徐徐沉入土中，造孔速度宜为0.52.0m/min，直至达到设计深度。记录振冲器经各深度的水压、电流和留振时间。d.造孔后边提升振冲器边冲水至孔口，再放至孔底，重复23次扩大孔径并使孔内泥浆变稀，开始填料制桩。e.大功率振冲器投料不提出孔口，小功率振冲器下料困难时，可将振冲器提出孔口投料，每次填料厚度不宜大于50cm。将振冲器沉入填料中进行振密制桩，当电流达到规定的密实电流值和规定的留振时间后，将振冲器提升3050cm。f.重复以上步骤，自下而上逐段制作桩体直至孔口，记录各段深度的填料量、最终电流和留振时间，并均应符合设计规定。g.关闭振冲器和水泵。施工顺序 施工顺序见图5-5。施工要点 a.为了保证桩顶部的密实，振冲前开挖基坑时应在桩顶高程以上预留一定厚度的土层。一般30kW振冲器应留0.71.0m，75kW振冲器应留1.01.5m，当基槽不深时可振冲后开挖。b.不加填料振冲加密宜采用大功率振冲器，为了避免造孔中塌砂将振冲器抱住，下沉速度宜快，造孔速度宜为810m/min，到达深度后将射水量减至最少，留振至密实电流达到规定值时，上提0.5m，逐段振密至孔口，一般每米振密时间约1分钟。在粗砂中施工如遇下沉困难，可在振冲器两侧增焊辅助水管，加大造孔水量，但造孔水压宜小。c.要保证振冲桩的质量，必须控制好密实电流、填料量和留振时间。(2)沉管法 沉管法过去主要用于制作砂桩，近年来已开始用于制作碎石桩，这是一种干法施工。沉管法包括振动沉管成桩法和锤击沉管成桩法两种。垂直上下振动的机械施工称为振动沉管成桩法，用锤击式机械施工成桩的称为锤击沉管成桩法，锤击沉管成桩法的处理深度可达10m。当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法。施工机具 砂石桩机（图5-6）通常包括桩机架、桩管及桩尖、提升装置、挤密装置（振动锤或冲击锤）、上料设备及检测装置等部分。DZ50型桩机上料斗 检查管内混凝土高度实测桩长 施工步骤 a.振动法施工有一次拔管法，逐步拔管法和重复压拔管法三种，比较常用的是重复压拔管法。其成桩步骤如下：1)移动桩机及导向架，把桩管及桩尖对准桩位；2)启动振动锤，把桩管下沉到规定的深度；3)向桩管内投入规定数量的砂石料；4)把桩管提升一定的高度（下砂石顺利时提升高度不超过12m），提升时桩尖自动打开，桩管内的砂石料流入孔内；5)降落桩管，利用振动及桩尖的挤压作用使砂石密实；6)重复d、e工序，桩管上下运动，砂石料不断补充，砂石桩不断增高；7)桩管提至地面，砂石桩完成。b.锤击法施工有单管法和双管法两种，但单管法难以发挥挤密作用，故一般宜用双管法。双管法的施工根据具体条件选定施工设备，也可临时组配。其施工成桩过程如图5-7所示：1)将内外管安放在预定的桩位上，将用作桩塞的砂石投入外管底部；2)以内管做锤冲击砂石塞，靠摩擦力将外管打入预定的深度；3)固定外管将砂石塞压入土中；4)提内管并向外管投入砂石料；5)边提外管边用内管将砂石冲出挤压土层；6)重复4)、5)工序；7)待外管拔出地面，砂石桩完成。其他施工控制和检测记录参照振动法施工的有关规定。此法优点是砂石的压入量可随意调节，施工灵活，特别适合小规模工程。施工顺序 对砂土地基，砂石桩主要起挤密作用，应间隔（跳打）进行，并宜由外围或两侧向中间推进；对粘性土地基，砂石桩主要起置换作用，为了保证设计的置换率，宜从中间向外围或隔排施工；在既有建（构）筑物邻近施工时，为了减少对邻近既有建（构）筑物的振动影响，应背离建（构）筑物方向进行。施工要点 a.施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径；套管垂直度偏差不应大于1%。b.施工中应选用能顺利出料和有效挤压孔内砂石料的桩尖结构。当采用活瓣桩靴时，对砂土和粉土地基宜选用尖锥形；对粘性土地基宜选用平底形；一次性桩尖可采用混凝土锥形桩尖。c.应在施工中进行详细的观测和记录。观测内容包括桩管下沉随时间的变化；灌砂石量预定数量与实际数量；桩管提升和挤压的全过程（提升、挤压、砂石桩高度的形成随时间的变化）等。d.砂石桩施工完毕，当设计或施工投砂石量不足时地面会下沉；当投料过多时地面会隆起，同时表层0.51.0m常呈松软状态。e.砂石桩顶部施工时，由于上覆压力较小，因而对桩体的约束力较小，桩顶形成一个松散层，加载前应加以处理（挖除或碾压）才能减少沉降量，有效地发挥地基作用。5.单桩和复合地基载荷试验 在实际工程中，单桩和复合地基载荷试验是检验加固效果和工程质量的一种有效而 常用的方法。一般可分为工程类载荷试验和试验类载荷试验两大类。工程类载荷试验是对工程质量和效果的检验，其检测数据不直接作为设计的依据，只是用以判断设计方案的正确性和施工质量。试验类载荷试验是提供工程设计的参数和确定质量检验的标准，其检测数据要求做到准确、可靠和有代表性，即试验要求比工程类载荷试验要更加严格。6.质量检验 (1)应在施工期间及施工结束后，检查砂石桩的施工记录。对沉管法，尚应检查套管往返挤压振动次数与时间，套管升降幅度和速度，每次填砂石料量等各项施工记录。如有遗漏或不符合规定的桩或振冲点，应补做或采取有效的补救措施。(2)振冲法施工结束后，除砂土地基外，应间隔一定时间方可进行质量检验。对粉质粘土地基间隔时间可取2128d，对粉土地基可取1421d。沉管法施工结束后，也应间隔一定时间方可进行质量检验。对饱和粘性土地基应待孔隙水压力消散后进行，间隔时间不宜少于28d；对粉土、砂土和杂填土地基，间隔时间不宜少于7d。(3)砂石桩的施工质量检验可采用单桩载荷试验，对桩体可采用动力触探试验检测，对桩间土可采用标准贯入、静力触探、动力触探或其他原位测试等方法进行检测。桩间土质量的检测位置应在等边三角形或正方形的中心。检测数量不应少于桩孔总数的2%。对不加填料振冲加密处理的砂土地基，竣工验收承载力检验应采用标准贯入、静力触探、动力触探、载荷试验或其他合适的试验方法。检验点应选择在有代表性或地基土质较差地段，并位于振冲点围成的单元形心处及振冲点中心处。检验数量可为振冲点数量的1%。总数不应少于5点。(4)砂石桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。复合地基载荷试验数量不应少于总桩数的0.5%，且每个单体建筑不应少于3点。