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1、第4章 砂桩、土桩、灰土桩4.1 砂 桩4.1.1 概 述 采用砂桩处理软弱地基，19世纪30年代起源于欧洲。由于长期缺少实用的设计计算方法、先进的施工工艺和施工设备，砂桩的应用和发展受到很大影响。第二次世界大战以后，苏联对砂桩的研究取得了较大进展。最初，砂桩是用于处理松散砂土地基的。如今，在软弱粘性土中也有使用实践。砂桩技术自20世纪50年代引进我国以后，在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。近十年来，在应用砂桩处理可液化的松散砂土地基方面也取得一些成就，解决了一些实际工程问题。砂桩法处理软土地基与排水砂井法有类似之处，但排水砂井法的主要作用在于加速固结，砂桩法的主要作用在于置换。因此
2、砂桩较之于砂井有直径大、排列密、灌砂密度大的特点。所以其用砂量大得多。4.1.2 作用原理砂桩法原用于处理松散砂土地基，因施工方法不同可分为挤密砂桩和振密砂桩两种，主要是为了防止地基中砂土液化。应用于软土地基处理，其作用原理是砂桩的置换作用、压密桩间土作用及加速排水固结作用。1、砂桩在松散砂土中的作用 由于下沉桩管的方法和成桩方法不同，砂桩在施工过程中对周围砂层会产生挤密作用，或同时也产生振密作用。(1)挤密作用 采用冲击法或振动法往砂层中下沉桩管并采用一次拔管法成桩时，桩管对周围砂层会产生很大的横向挤压力，砂层中体积与桩管体积相等的砂就挤向桩管周围的砂层，从而使其密度增大，孔隙比减小。这个作
3、用称为“挤密作用”。挤密砂桩的有效挤密影响范围可达34倍桩管直径。成桩后地面一般有不同程度的隆起。(2)振密作用采用振动法往砂层中下沉桩管并采用逐步拔管法成桩时，下沉桩管过程会对周围砂层起挤密作用，而逐步拔管成桩过程则对周围砂层起振密作用。有效振密范围可达6倍桩管直径左右。成桩后地面一般有不同程度的下降。2、砂桩在软弱粘性土中的作用 在透水性差的饱和粘性土中下沉桩管时，由于产生的超孔隙水压力不能很快消散，所以横向挤压力虽然很大也不能使桩管周围的土体发生瞬时挤密，反而会使其天然结构破坏，强度降低。砂桩施工后需经过12个月时间，其周围土体的强度才可能恢复到或稍大于原有值。因此，使用砂桩处理软弱粘性
4、土时主要考虑下述两个作用。(1)置换作用砂桩在软弱粘性土中成桩后，地基就变成由砂桩和桩间土共同组成的复合地基。由于密实的砂桩取代了与砂桩体积相等的软土，所以复合地基的承载力就比天然地基的承载力大，其沉降也就比天然地基小。地基荷载试验证明，砂桩地基承受外部压力时会发生压力向砂桩集中的现象，这就表明砂桩承受外部压力的能力要比其周围土层大。压力向砂桩集中，桩间土承受的压力就减小，沉降也就相应减小。复合地基承载力增大率和沉降减小率都与置换率(即1根砂桩面积与1根砂桩承提的地基处理面积之比)有关，置换率增大，承载力增大率也增大，而沉降减小率却更小。(2)排水作用砂桩在软弱粘性土地基中构成排水路径，可以起
5、着排水砂井作用，使土层中的水向砂桩集中并且通过砂桩排走，加快地基固结沉降速率。3、砂桩用途 在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。在软弱粘性土中，可用于提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。4.1.3 设计计算砂桩法的设计应确定置换率、加固范围、几何排列、加固后之复合强度及沉降、施工方式等。1、桩材料和桩尺寸(1)材料使用中粗混合砂，含泥量不大于5%。在对砂桩成型没有足够约束力的软弱粘性土中，可以使用砂和角砾混合料。(2)直径根据置换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑确定砂桩直径。在软弱粘性土中尽可能采用较大的直径。目前，国内实际采用的直径为30cm左右，最大
6、者5070cm；国外实际采用的直径为6080cm，最大达200cm。砂桩在平面上的布置可以采用正三角形或正方形。(3)长度根据软土层厚度或根据工程要求通过计算确定砂桩长度。当软土层厚度不大时，砂桩长度可按软土层厚度确定；当软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程来说，砂桩长度应不小于最危险滑动面的深度；对按沉降控制的工程来说，砂桩长度应满足砂桩地基沉降量不超过建筑物或构筑物容许沉降量的要求，可通过沉降计算确定；当使用砂桩处理易振动液化的饱和松散砂土时，砂桩长度应达到可能发生液化的砂层底部。(3)垫层砂桩施工完毕后，地面应铺设3050cm厚度砂垫层或砂和碎石混合料垫层。垫层要分层铺设，用平板振动器
7、振实。在地面很软不能保证施工机械正常行驶和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。2、成桩方法选择设计时可根据土的类别选择适宜的成桩方法。目前国内外常用的成桩方法分成二类：(1)振动成桩法用振动打桩机将桩管沉入土层中，其成桩工艺分成三类：一次拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂，边振动边缓慢地从土层中拔出桩管。 逐步拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下逐步拔起桩管，拔起一定高度时停拔，并继续振动若干秒后，再拔起一定高度，如此重复进行，直到桩管拔出地面。就砂桩质量和其周围砂层变密度而言，逐步拔管法效果较好。重复压拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下将桩管拔起h高度，使砂下落，然后再
8、将桩管压下h1高度，并将落入桩孔内的砂压实，如此重复进行直到桩管拔出地面。这种成桩方法是使桩体分段成型，其优点是可以压实桩体的砂和使桩径扩大。根据饱和松散砂土容易振密的特点，应考虑选用振动成桩法。如果对砂桩质量要求严格，可以选用逐步拔管法或重复压拔管法成桩工艺。(2)冲击成桩法使用蒸汽打桩机或柴油打桩机将桩管打入土层中，其成桩方法分成两类：单管法：将底端焊有活瓣桩靴的桩管打入土层中，往桩管内灌砂后缓慢地拔出桩管，砂从桩管内排出落入桩孔中就形成砂桩。就砂桩质量而言，此法效果不佳。双管法：将有外管(底端开口)和内管(底端封口)的双层桩管打入土层中，拔起内管向外管中灌砂后，放下内管到砂面上，拔起外管
9、与内管底面齐平，然后按规定的贯入度将内外管同时打下就形成一段直径比桩管直径大的砂桩。重复进行上述工艺直到桩管拔出地面。双管法也是使砂桩分段成型。就砂桩质量和挤密效果而言，此法效果较好。由于桩体是分段成型和按贯入度控制施工，所以此法对改善天然软土地基的密实度和不均匀性有显著效果。在软弱粘性土中可以选用冲击成桩法，也可以使用振动成桩法。对砂桩质量要求严格或要求小直径管打出大直径砂桩时，可以选用双管冲击成桩法或单管振动重复压拔成桩法。3、桩距计算现有的桩距计算方法不很成熟，也不够严密，仅供参考使用。在有试验条件时，桩距宜通过现场试验确定。(1)松散砂土地基中的桩距计算根据孔隙比要求 当砂桩按正三角形
10、布置时，按如下关系计算桩距S：假设在松散土中，砂桩能起到完全理想的预期挤密效果，如原松散土的孔隙比e0，挤密后要求达到的孔隙比为e1，又设一根砂桩所承担的地基处理面积为A(如图4-1所示)。当砂桩直径为d，桩长为l，则一根桩孔的体积为，单位体积处理土的孔隙改变量为。(a)等边三角形布置： 处理面积A=；处理体积的孔隙改变为，令其与桩孔体积相等，则表明砂桩挤密作用，即得桩距s： (4-1)(b)正方形布置处理面积A=s2，同样按上述关系，可得桩距s： (4-2)根据压砂率要求 设1根砂桩所分担的地基处理面积为A，砂桩每米压砂体积为SA，则单位长度的平均压砂率。求得要求的压砂率Fs后，就可由砂桩间
11、距与压砂率和压砂量的关系曲线(图4-3和图4-4)求得需要的桩距。要求的压砂率Fs用下述方法确定：设地基处理后要求的标贯值为N1，地基处理后的平均标贯值为N-1，则=FsNp+(1-Fs)N1 (4-3)式中Np砂桩中心处的标贯值；N1地基处理后桩间土的标贯值。首先假定一个压砂率Fs，根据图图4-4和图4-5曲线求得Np和N1，然后利用式4-4计算出平均标贯值N-1值，如此反复进行，直到与N1一致。此时的压砂率就是要求的压砂率。为安全计，处理后的地基标贯值只取桩间土的标贯值时，则=(1-Fs)N1。 (4-4)图4-5和图4-6是根据以前使用砂桩处理过的地基工程实例，分别将天然地基的标贯值N0
12、与砂桩中心处的标贯值Np和地基处理后桩间土的标贯值N1之间的关系以压砂率Fs为参数而绘制的关系曲线。因此，使用这个方法确定桩距必需具备以下两个条件：a)要有根据以前使用砂桩处理过的地基工程实例而绘制出的天然地基标贯值N0与处理后桩间土标贯值N1的关系曲线(图4-5)以及天然地基标贯值N0与砂桩中心处标贯值Np的关系曲线(图4-6)；b)设计时选用的成桩方法必须与得出上述两图所采用的成桩方法基本相同。(2)软弱粘性土地基中的桩距计算按置换率要求计算砂桩用于提高天然地基承载力时，可根据置换率要求计算桩距。【例4-1】天然地基容许承载力R1为90kPa，砂桩容许承载力R2为300kPa，要求砂桩复合
13、地基容许承载力RSP达到150kPa，试求砂桩正方形布置时的桩距。【解】a)砂桩复合地基容许承载力RSP=(1-m)R1+R2m，则达到150kPa承载力时需要的置换率。b)砂桩直径设计为60cm，则砂桩面积为As=3.1416(60/2)2=2827(cm2)c)由置换率m=Ap/A可以求得1根砂桩分担的地基处理面积为A=Ap/m=2827/0.28610000(cm2)d)砂桩按正方形布置时桩距为按地基固结要求计算砂桩复合地基容许承载力不能满足设计要求而需采用预压法提高桩间土承载力时，应根据地基固结度和固结速率要求计算桩距，计算方法与第3章排水固结法中砂井间距计算方法相同。但是，地基需作稳
14、定验算时，应使用复合地基抗剪强度。砂桩复合地基抗剪强度是由砂桩抗剪强度和桩间土抗剪强度组成，其表达式可写成为： (4-5)式中: m为置换率(1根砂桩面积Ap与1根砂桩分担的地基处理面积A之比)；p为砂桩内摩擦角；p为砂桩应力集中系数，n为应力分担比，一般取35； z为计算深度；为砂桩容重；为计算深度z处土中平均应力；为剪切面与水平面交角；c为桩间土粘聚力，即=0情况下的强度。如果考虑桩间土上作用垂直应力0=S，固结后强度得到提高，则c=c0+s*U*tancu式中：c0为桩间土固结前的强度；s为应力降低系数，；U为固结度；tancu为强度增长率； cu为桩间土固结不排水内摩擦角。砂桩复合地基
15、设计按稳定性控制时，应使用复合地基强度进行稳定性验算，如果不能满足稳定要求，则可改变置换率再进行验算，直到满足稳定要求为止。如果建筑物或构筑物对地基沉降敏感，应进行地基沉降计算，计算值不得大于地基设计规范的容许值。在上述算例中，如果要求砂桩复合地基容许承载力达到200kPa，则需要的置换率高达0.52(桩距74cm)，这样大的置换率会给砂桩施工带来很大困难。在此情况下可以考虑两个解决办法：a)将砂桩直径增大；b)使置换率降低，使用适当荷载进行地基预压。实现这些解决办法都有困难时，则可选用其他地基处理方案。4.1.4 施工要求1、施工标高砂桩施工标高一般应高于基础底面设计标高12m，以便开挖基坑时将没有充分挤实的或被挤松的表
