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1、岩土工程研究所第四章 碎石桩、砂桩复合地基4.1概述碎石桩(stone column)和砂桩(sand column)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(vibrofotation stone column)，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。岩土工程
2、研究所1、按施工方法碎石桩分类岩土工程研究所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岩土工程研究所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岩土工程研究所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。利用利用振冲器的高频震动和高压水流振冲器的高频震动和高压水流，边振边冲将振，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，然入碎石，每段填料在振冲器振动作用下振挤密实，
3、然 后提升振冲器，通过重复填料和振密形成碎石桩。后提升振冲器，通过重复填料和振密形成碎石桩。岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所岩土工程研究所振冲碎石桩的动探检测岩土工程研究所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。岩土工程研究所3、沉管碎石桩1
4、、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 2、逐步拔管法逐步拔管法：将管沉到预定深度，将管沉到预定深度， 灌入碎石，每拔起一定长灌入碎石，每拔起一定长 度，停下来振动若干秒，度，停下来振动若干秒， 反复进行，直到地面。反复进行，直到地面。 （拔（拔0.5m0.5m，停，停20s)20s)岩土工程研究所3、重复拔管法将管沉到预定深度，将管沉到预定深度， 灌入碎石，按规定高度拔灌入碎石，按规定高度拔 管，填料，再向下压，使管，填料，再向下压，使 孔内碎石压实，反复进行孔内碎石压实，反复进行 ，直到地面。，直到地面。岩土工程研究所岩土工程研究所3、夯扩碎石
5、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。岩土工程研究所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：l为碎石桩提供侧向约束；l隔离、过滤，保证排水固结，防止软土受压 后挤入碎石桩。岩土工程研究所=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岩土工程研究所该结论告 诉 我们什 么？散体材料桩的承载力 主要取决于桩周土体
6、的侧限能力软粘土地基采 用散体材料桩 加固效果不好岩土工程研究所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岩土工程研究所3砂基预震效应
7、：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岩土工程研究所液化地基岩土工程研究所美国的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
8、本无效（ 10%)岩土工程研究所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岩土工程研究所岩土工程研究所4 在制桩过程中，由于振
9、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。 岩土工程研究所一、一般设计原则(一)加固范围 加固范围应根据建筑
10、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1.52.5m。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 设计计算岩土工程研究所dSa平面布置和设计参数(等价成圆)有效直径de 梅花形： de = 1.05 Sa 正方形： de = 1.13 SaSad0de岩土工程研究所(三)加固深度 加固深度应根据软弱土层的性能、厚度或
11、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。岩土工程研究所(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
12、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。 岩土工程研究所(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
13、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。 岩土工程研究所二、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l三角形布桩：l正方形布桩d:d:桩径桩径e e0 0: :处理前孔隙比处理前孔隙比e e1 1：处理后孔隙比：处
14、理后孔隙比 修正系数修正系数=1.1-1.2=1.1-1.2岩土工程研究所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)N63.5Ncr判别液化地面下15m深度内：岩土工程研究所Ncr计算：l 地面下15m深度内：l地面以下15-20m范围内：岩土工程研究所岩土工程研究所第十三章 复合地基(一)振冲法 四、施工方法岩土工程研究所第十三章 复合地基施工方法1施工前准备工作2施工组织设计 3施工顺序4填料方法5施工质量控制 岩土工程研究所第十三章
15、复合地基施工顺序在一个加固场地区域内，碎石桩的施工顺序如图13-3所示。一般可采 用“由里向外”或“一边向另一边”的顺序进行。在地基强度较低的 软粘土地基中施工时，要考虑减少对地基土的扰动影响，可采用“间 隔跳打”的方法。当加固区附近有其它建筑物时，必须先从邻近建筑 物一边的桩开始施工，然后逐步向外推移。 岩土工程研究所第十三章 复合地基填料方法填料方式一般有三种：第一种是把振冲器提出孔口，往孔内倒入约1m堆高的填料，然后再放 下振冲器使孔口的碎石填料落到先前振密的碎石顶部或孔底，当振冲 器达到碎石充填的位置时，振冲电流增加，开始振密作用，每次加料 都这样做。第二种方法是振冲器不提出孔口，只是
16、往上提升约1m左右，然后往孔 口填料，填料沿振冲器四周落入到先前振密的碎石顶部或孔底，再放 下振冲器进行振密。第三种是边把振冲器缓慢向上提升，边在孔口连续加料。对粘性土地基，由于容易塌孔，多数采用第一种加料方式。 岩土工程研究所第十三章 复合地基(二)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 振动成桩法和冲击成桩法两种。 1-其重打桩机；2-记录器；3-进料槽；4-减振器；5-振动机；6-桩管；7-提料斗；8-底 盖图13-4 振动沉管法施工机械岩土工程研究所第十三章 复合地基1. 振动沉管法（1）一次拔管法（2）逐步拔管法 （3）重复压拔管法 岩土工程研究所第十三章 复合地基2. 冲击成桩法（1）单管法单管法冲击成桩施工机具主要由蒸汽打桩机或柴油打桩机、下端带有活 瓣的钢质桩靴或预制钢筋混凝土锥形桩尖的（留在土中）桩管、装砂料 斗等组成。单管法冲击成桩施工步骤如下：首先使桩靴闭合，桩管垂直就位；然后 将桩管打入土层规定深
