碎石桩与砂桩复合地基施工工艺图文精讲

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第四章碎石桩、砂桩复合地基4.1概述碎石桩(stonecolumn)和砂桩(sandcolumn)又称粗颗粒土桩，是指通过振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体。1835年，法国人在Bayoune海湾软土地基上建造厂房采用了碎石桩，桩长2m，直径0.2m，加固后沉降降低了3/4。20世纪30年代，德国人发明的振冲法用于加固粘性土地基，形成振冲碎石桩(vibrofotationstonecolumn)，碎石桩法才为人们所重视。直至20世纪60年代人们才采用各种不同的碎石桩施工工艺。 1、按施工方法碎石桩分类 按施工方法分类及其适用性振密法沉管法干振法振冲挤密法 置换法钻孔锤击法排土法沉管法强夯置换法振动气冲法其它方法群围碎石桩法袋装碎石桩法水泥碎石桩法振冲置换法 1、振冲碎石桩:处理不排水强度不小于20kPa的粘土，粉土、砂土、饱和黄土和人工填土地基。利用振冲器的高频震动和高压水流，边振边冲将振冲器沉到土中预定位置。清孔后从地面向孔内逐段填入碎石，每段填料在振冲器振动作用下振挤密实，然后提升振冲器，通过重复填料和振密形成碎石桩。 振冲碎石桩的动探检测 2、干振挤密碎石桩施工工艺先用振动成孔器成孔（不排土），土被挤到周围土体中，提起振动成孔器，向孔内倒入1m厚碎石，再用振动成孔器捣实，然后提起振动成孔器，继续倒碎石，直至碎石桩形成。与振冲法不同之处：不用高压水冲。处理地下水位较低的非饱和粘性土，素填土、杂填土、二级以上非自重失陷性黄土。 3、沉管碎石桩1、一次拔管法：将管沉到预定深度，灌入碎石，边振边拔管，直到地面为止（1m/s)2、逐步拔管法：将管沉到预定深度，灌入碎石，每拔起一定长度，停下来振动若干秒，反复进行，直到地面。（拔0.5m，停20s) 3、重复拔管法将管沉到预定深度，灌入碎石，按规定高度拔管，填料，再向下压，使孔内碎石压实，反复进行，直到地面。 3、夯扩碎石桩（1）施工工艺：沉管碎石桩工艺的发展。先将沉管沉至设计深度，边投料边拔管，将投料夯成设计直径。如直径37.3cm沉管将碎石夯扩到60cm。成桩过程中土得到挤密。（2）适用范围：非饱和土地基、素填土地基、杂填土地基。 4、袋装碎石桩法土工织物袋维护碎石桩的加固方法。成孔直径40cm。土工织物袋作用：为碎石桩提供侧向约束；隔离、过滤，保证排水固结，防止软土受压后挤入碎石桩。 =散体材料桩的承载力主要取决于桩周土体的侧限能力若则2、碎石桩的荷载传递机理土碎石桩水碎石土碎石桩土碎石桩 该结论告诉我们什么？散体材料桩的承载力主要取决于桩周土体的侧限能力软粘土地基采用散体材料桩加固效果不好 1．挤密作用：用沉管法或干振法施工挤密碎石桩，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。由桩管灌入的砂或碎石在振动力或静压力作用下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3-4倍桩直径。2．排水减压作用：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静孔隙水压力的增高和砂土液化，并可加快地基的排水固结。4.2加固原理（一）对松散砂土的加固原理 3．砂基预震效应：在振冲法施工时，振冲器施工过程使填土料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，这对砂土地基增强抗液化能力是极为有利的。挤密作用排水减压作用砂基预震效应 液化地基 美国的H.B.Seed等人（1975）的试验表明，相对密度较低的砂样受到预先振动后，其抗液化能力相当于较高相对密实度的砂样。即在一定的应力循环次数下，当两试样的相对密度相同时，如果要使经过预振的试样液化，所需的应力要比未经液化的试样液化所需应力大幅度提高（46％）砂土液化特性除与其相对密度有关外，还与其振动应变史有关。当细粒含量达到一定含量以下时，都可以得到显著的挤密效果；高于这一量时挤密基本无效（<0.074mm含量>10%) 1．对粘性土地基（特别是饱和软土），由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透性低，在振动力或挤压力的作用下土中水不易排走，所以碎石桩和砂桩的作用不是使地基挤密，而是置换。2．碎石桩置换法是一种换土置换，即以性能良好的碎石来替换不良地基土；排土法则是一种强制置换，它是通过成桩机械将不良地基土强制排开并置换。3．振冲法施工时，通过振冲器借助其自重、水平振动力和高压水将粘性土变成泥浆排出孔外，形成大于振冲器直径的孔，再向孔中灌入碎石料，并在振冲器的作用下，形成密实度高和直径大的桩体。（二）对粘性土的加固原理 4．在制桩过程中，由于振动、挤压或扰动等原因，桩间土会出现较大的超静孔隙水应力，对灵敏性粘土将导致原地基土强度降低。制桩结束后一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复；另一方面孔隙水应力逐步消散，强度恢复并提高，甚至超过原土体强度。5．由于碎石桩和砂桩是由散粒材料组成，承受荷载后产生径向变形，并引起周围的粘性土产生被动抗力，如果粘性土的强度过低，不能使碎石桩和砂桩得到所需的径向支持力，桩体就会产生鼓胀破坏，这就使加固效果不佳。为此，近年来国外开发了增强桩身强度的方法，如袋装碎石桩、水泥碎石桩和裙围碎石桩等方法。水泥碎石桩类似于CFG桩。 一、一般设计原则(一)加固范围加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件及基础型式而定，通常都大于基底面积。对一般地基，在基础外缘应扩大1-2排；对可液化地基，在基础外缘应扩大2-4排桩。(二)桩位布置形式和间距桩位的布置形式有等边三角形、正方形、矩形或等腰三角形等布置形式。桩的间距应根据荷载大小和天然地基的抗剪强度确定，可取1.5～2.5m。当荷载大或天然地基的强度低时宜取较小的间距，反之，则可取较大的间距。4.3设计计算 dSa平面布置和设计参数(等价成圆)有效直径de梅花形：de=1.05Sa正方形：de=1.13SaSad0de (三)加固深度加固深度应根据软弱土层的性能、厚度或工程要求按下列原则确定：1．当相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层埋藏深度确定；2．当相对硬层的埋藏深度较大时:对按变形控制的工程，应通过试算确定：假定某一加固深度，验算其是否能满足采用碎石桩或砂桩加固后的复合地基变形不超过建筑地基容许变形值的要求，在保证安全的前提下选择一个经济合理的加固深度。对按稳定性控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面的深度。3．在可液化地基中，加固深度应按要求的抗震处理深度确定4．桩长不宜短于4m。 (四)桩径碎石桩的直径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。采用30kW振冲器成桩时，碎石桩的桩径一般为0.7-1.0m；采用沉管法成桩时，碎石桩的直径一般为0.3-0.7m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。(五)材料桩体材料可以就地取材，一般使用中粗砂、碎石、卵石、砂砾石等，含泥量不大于5%。碎石桩桩体材料的容许最大粒径与振动冲器的外径和功率有关，一般不大于80mm，常用的粒径为20-50mm。对强度较低的饱和软粘土地基，碎石粒径可达200mm以上，这时需要根据现场试验结果确定合适的碎石级配。 (六)垫层碎石桩施工完毕后，基础底面应铺设30-50cm厚度的垫层，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。(七)软粘土地基中碎石桩的充盈系数充盈系数定义:每根桩实际碎石用量与设计的碎石桩理论体积的比值。砂土、粉土和一般粘土中，碎石桩的充盈系数一般为1.2左右。软粘土中的粗粒径碎石桩的充盈系数较大，根据现场试验的实测资料，充盈系数要求达到1.4到1.5，才能保证实测碎石桩的桩径不小于设计桩径，这是由于一部分碎石挤入桩外土体中，在桩底需要形成较大的桩头使桩体密实等因素造成的。 二、用于砂土的设计计算从挤密的观点出发考虑地基加固设计。已知桩径，根据加固要达到的密实度和孔隙比，设计桩的布桩形式和间距l。1、桩距确定三角形布桩：正方形布桩d:桩径e0:处理前孔隙比e1：处理后孔隙比修正系数ζ=1.1-1.2 2、液化判别根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定：（1）应采用标准贯入试验判别地面下15m深度范围内（2）当采用桩基或埋深大于5m深基础时，应判别15-20m土的液化。(3)N63.5