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1、第四章碎(砂)石桩法4.1概述4.2加固原理4.3设计计算4.4施工方法4.5质量检验,4.1概述碎石桩和砂桩总称为碎(砂)石桩，国外又称粗颗粒土桩，是指用振动、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（砂）石所构成的密实桩体。砂桩在应用初期，主要用于松散砂土地基的处理。目前日本采用的振动式和冲击式的施工方法，并采用了自动记录装置，提高了施工质量和施工效率，处理深度也有较大幅度的增大。,一、碎石桩目前国内外碎石桩的施工方法多种多样，按其成桩过程和作用可分为四类，如表4-1所示。,4.2加固原理4.2.1对松散砂土加固原理碎石桩和砂桩挤密法加固砂性土地基的
2、主要目的是提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性。碎石桩和砂桩加固砂土地基抗液化的机理主要有三方面作用：,1、挤密作用对挤密砂桩和碎石桩的沉管法或干振法，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。有效挤密范围可达34倍桩直径。,2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，将发生体积的收缩并趋于密实，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。有效应力也急剧降低，砂土产生液化现象。当加固砂土时，在桩孔内充填碎石、卵石、等反滤性好的粗颗粒料，形成渗透性能良好
3、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液化，并可加快地基的排水固结。,3砂基预震效应在振冲法施工时，振冲器以每分钟1450次振动频率，98m/s2水平加速度和90kN激振力喷水沉入土中，施工过程使填土料和地基土在挤密的同时获得强烈的预振，可以增强砂土抗液能力。,4.2.2对黏性土加固机理对黏性土地基（特别是饱和软土），碎（砂）石桩的作用不是使地基挤密，而是置换。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，在地基中形成具有密实度高和直径大的桩体，它与原黏性土构成复合地基而共同工作。
4、,总之，碎（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。不论对疏松砂性土或软弱黏性土，碎（砂）石桩的加固作用有：挤密、置换、排水、垫层和加筋五种作用。,4.3设计计算4.3.1一般设计原则一、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形式而定，通常都大于基底面积。见表4-2。,二、桩位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4-1所示。,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
5、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，加固深度应满足地基变形值不超过建筑物地基容许变形值并满足软弱下卧层承载力的要求；(3)对按稳定性控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面以下2m的深度；(4)在可液化地基中，加固深度应按要求的抗震处理深度确定；(5)桩长不宜短于4m。,四、桩径碎（砂）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，桩径一般为0.701.0m，采用沉管法成桩时，桩径一般为0.300.70m，对饱和黏性土地基宜选用较大的桩径。五、材料桩体材料可以就地取材，一般
6、使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂砾石等，含泥量不大于5%。,六、垫层碎（砂）石桩施工完毕后，基础底面应铺设3050cm厚度的碎（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。,4.3.2用于砂性土的设计计算对于砂性土地基，主要是从挤密的观点出发考虑地基加固中的设计问题，首先根据工程对地基加固的要求，确定要求达到的密实度和孔隙比，并考虑桩位布置形式和桩径大小，计算桩的间距。,一、桩距确定考虑振密和挤密两种作用，平面布置为正三角形和正方形时，如图4-2所示。,1、对于正三角形布置1根桩所处理的范围为六边形（图中阴影部分），加固处
7、理后的土体体积应变为式中：e0为天然孔隙比，e1为处理后要求的孔隙比。,因为1根桩的处理范围为（式中z为桩间距，H为欲处理的天然土层厚度），所以,而实际上V又等于碎（砂）石桩体向四周挤排土的挤密作用引起的体积减小和土体在振动作用下发生竖向的振密变形引起的体积减小之和，即式中d一桩直径；h一竖向变形，下沉时，取正值；隆起时，取负值；不考虑振密作用时，h=0。,整理后得：,2、对于正方形布置同理，正方形布桩：,在进行地基处理方案初步设计时，可按照建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)中给出的简化公式考虑施工振密效应：等边三角形布桩：正方形布桩：修正系数享用来考虑振动下沉密实作用，取值为1.1
8、1.2。地基挤密后要求达到的孔隙比e1可按工程对地基承载力要求或按下式求得：,分别为砂土的最大和最小孔隙比，可按国标土工试验方法标准（GB/T50123）的有关规定取地基挤密后要求砂土达到的相对密度，可取0.700.85。振冲桩的间距也可根据上部结构荷载大小和场地土层情况，并结合所采用的振冲器功率大小综合考虑。30kW振冲器布桩间距可采用1.32.0m;55kW振冲器布桩间距可采用1.42.5m。砂石桩的间距应通过现场试验确定。对粉土和砂士地基，不宜大于砂石桩直径的4.5倍。,二、液化判别建筑抗震设计规范(GB50011-2001)规定：应采用标准贯人试验判别法判别地面下15m深度范围内的液化
9、；当采用桩基或埋深大于5m的深基础时，尚应判别1520m范围内土的液化。,三、设计时应注意的事项(1)当黏土颗粒含量大于20%的砂性土，会影响挤密效果，因此，对包括碎（砂）石桩在内的平均地基强度，必须另行估计。(2)由于成桩挤密时产生的超孔隙水压力在黏土夹层内不可能很快地消散，因此，对细砂层内有薄黏土夹层时，在确定标贯击数时应考虑“时间效应”，一般要求有一个月时间再进行测试。(3)碎（砂）石桩施工时，在表层12m内，周围土所受的约束小，而需用其他表层压实的方法进行再处理。,4.3.3用于黏性土的设计计算一、计算用的参数1.不排水抗剪强度Cu不排水抗剪强度Cu不仅可判断加固方法的适用性，还可以初
10、步选定桩的间距，预估加固后的承载力和施工的难易程度。2.桩的直径桩的直径与桩土类及其强度、桩材粒径、施工机具类型、施工质量等因素有关。桩的直径是指按每根桩的用料量估算的平均理论直径，一般为0.81.2m。,3.桩体内摩擦角根据统计，对碎石桩，可取350450，多数采用380；对砂桩有以下经验公式：,4.面积置换率面积置换率为桩的截面积Ap，与其影响面积A之比，用m表示。m是表征桩间距的一个指标，m越大，桩的间距越小。习惯上把桩的影响面积转化为与桩同轴的面积相等的等效圆，其直径为de。对等边三角形布置de=1.05L对正方形布置de=1.13L对矩形布置de=1.13以上L1、L2、L3。分别为
11、桩的间距、纵向间距和横向间距。其面积置换率为m=d2/d2e一般采用m=0.250.40。,二、承载力计算1单桩承载力作用于桩顶的荷载如果足够大，桩体发生破坏。可能出现的桩体破坏形式有三种：鼓出破坏、刺入破坏和剪切破坏，如图4-3所示。由于碎（砂）石桩桩体均由散体土颗粒组成，桩体的承载力主要取决于桩间土的侧向约束能力，绝大多数的破坏形武为桩体的鼓出破坏。,目前国内外估算碎（砂）石桩的单桩极限承载力的方法有若干种，如有侧向极限应力法、整体剪切破坏法、球穴扩张法等，以下只介绍Brauns单桩极限承载力法和综合极限承载力法。(l)Brauns单桩极限承载力法根据鼓出破坏形式，JBrauns(1978
12、)提出单根桩极限承载力计算，如图4-4所示。,JBrauns假设单桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。如碎（砂）石料的内摩擦角为,当桩顶应力Po达到极限时，考虑BBAA内的土体发生被动破坏，即土块ABC在桩的侧向力Pr0的作用下沿BA面滑出，亦即出现鼓胀破坏的情况。JBrauns在推导公式时作了三个假设条件：,桩的破坏段长度（式中r0为桩的半径，)；桩土间摩擦力，土体中的环向应力P0=O;不计地基土和桩的自重。,根据以上前提，Brauns推导出单桩极限承载力为：式中可按下式用试算法求得,(2)综合单桩极限承载力法目前计算碎（砂）石桩单桩承载力最常用的方法是侧向极限应力方法，即假设单根
13、碎（砂）石桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。为此，碎（砂）石桩的单桩极限承载力可按下式计算：(4-12)式中Kp被动土压力系数，,-碎（砂）石料的内摩擦角，可取350450;-桩体侧向极限应力。有关侧向极限应力目前有几种不同的计算方法，但它们可写成一个通式，即(4-13)式中cu一地基土的不排水抗剪强度(kPa)；k一常量，对于不同的方法有不同的取值；一某深度处的初始总侧向应力。的取值也随计算方法不同而有所不同。为了统一起见将的影响包含于参数K，则式(4-12)可改写为：(4-14),如表4-4所示对于不同的方法有Kp.K其相应的值，在表中可看出，它们的值是接近的。不排水抗剪强度及
14、单桩极限承载力表4-4,2.复合地基承载力如图4-5所示，在黏性土和碎（砂）石桩所构成的复合地基上，当作用荷载为P时，设作用于桩的应力PP和作用于黏性土的应力为Ps时，假定在桩和土各自面积Ap和A-Ap范围内作用的应力不变时，则可求得：（4-15）A为一根桩所分担的面积。,若将桩土应力比及面积置换率代人式(4-15），则公式可改为：式中应力集中系数；应力降低系数。,式(4-15)又可改写为：从上式可知，只要由实测资料求得Pp和Ps后，就可求得复合地基极限承载力P,一般桩土应力比n可取24，原土强度低者取大值。,建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)阐明，振冲桩复合地基承载力特征值应通过现
15、场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：对小型工程的黏性土地基如无现场载荷试验资料，初步设计时复合地基的承载力特征值也可按上式估算。,三、沉降计算碎（砂）石桩的沉降计算主要包括复合地基加固区的沉降和加固区下卧层的沉降。加固区下卧层的沉降可按建筑地基基础设计规范(GB50007)计算。复合土层的压缩模量可按下式计算：式中：Esp复合土层的压缩模量(MPa)；Es桩间土的压缩模量(MPa)，宜按当地经验取值，当无经验时，可取天然地基压缩模量。式中桩土应力比n在无实测资料时，对黏性土可取24，对粉土可取1.53，原土强度低者取大值，原土强度高者取小值。目前尚
16、未形成碎（砂）石桩复合地基的沉降计算经验系数。,四、稳定分析若碎（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，再使用圆弧滑动法来进行计算。,假定在复合地基中某深度处剪切面与水平面的交角为，如果考虑碎（砂）石桩和桩间土两者都发挥抗剪强度，则可得出复合地基的抗剪强度tsp为：,如不考虑荷载产生的固结对黏聚力提高的影响，则可用天然地基黏聚力C0。如考虑作用于黏性土上的荷载产生固结，则可计算黏聚力提高。(4-23),若则强度增长率为：式中W与桩土应力比和置换率有关的参数，一般W=0.40.6。如已知Csp和Psp后，可用常规稳定分析方法计算抗滑安全系数；或者根据要求的安全系数，反求需要的W和m。,4.4施工方法目前施工方法多种多样，本书主要介绍两种施工方法，即振冲法和沉管法。4.4.1振冲法振冲法是碎石桩的主要施工方法之一，它是以起重机吊起振冲器（图4-7），启动潜水电机后，带动偏心块，使振冲器产生高频振动，同时开动水泵，使高压水通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的联合作用下，将振冲器沉到土中的设计深度。重复填料和振密，直至地面，从而在地基中形成一根大直径的和很密实的
