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1、个人资料整理仅限学习使用振冲碎石桩在饱和软土地基处理中的应用研究关键词： 软土地基 振冲碎石桩 不排水抗剪强度1 前言碎石桩复合地基是处理软土地基的一种迅速而有效的方法。但是，建筑地基处理技术规范JGJ7991）第六章第一节第6.1.1条 “振冲置换法适用于不排水抗剪强度不小于20KPa 的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基。”，其他教科书等也认为振冲碎石桩不适应于不排水抗剪强度低于20KPa的软粘土中。本文详细介绍了汕头市某厂房内地坪成功采用振冲碎石桩的设计及施工方法，并结合广州地区近年来振冲碎石桩工程设计与施工实例进行技术评价，说明在不排水抗剪强度低于20KPa的软土地基完全可采用振冲
2、碎石桩进行处理，关键是施工中应认真执行有关设计施工操作规范，并进行必要的经济分析，以确定最优处理方案。2 某厂房内地坪振冲碎石桩设计实例2.1 工程简况汕头市某厂房内地坪用来承放高精密度机械设备，承载力要求仅为50KPa ，但该机械设备对不均匀沉降非常敏感，初步设计采用架空地坪，即地坪与桩承台连为一体。可是架空地坪造价太高且对机械设备的后期改良不利。应业主邀请，笔者建议采用振冲碎石桩复合地基进行处理，并就振冲碎石桩复合地基有关计算和施工参数进行了设计。共完成了振冲碎石桩3470 根， 39558M ，填料量37185m3 ，碎石垫层约5000m3 。2.2 场地土层情况场地土层自上而下为素填土
3、、耕作土；淤泥：底面埋深为-12.56-10.26,=15.9kN/m3, 十字板抗剪强度多为1013KPa，fk=40 KPa；粗砂：平均厚4.9m，20.2 KN/m3,fk=220 KPa；淤泥：平均厚16.5m， =16.4 KN/m3, fk=50 KPa；粉质粘土：平均厚3.0m，18.5 KN/m3,fk=110 KPa。场地地下水位高fsk，m=d2/de2=0.14，fsk40KPa ，n 取 4，计算得： fspk=56.8KPa。2.3.2计算假设 a加固深度内全部为淤泥，地基土为各向同性；b承台内88m 地坪范围等效为矩形面积上均布荷载作用下的刚性基础；c桩长达硬层；
4、d无相邻荷载影响。2.3.3地基受压层计算深度按建筑地基基础设计规范=8 (2.5 0.4In8=13.4m 。2.3.4地基土自重应力计算cz1 = (15.910 11.4=67.26Kpa cz2 =(20.2 10(13.4 11.4+ cz1 =87.7 KPa 2.3.5附加应力计算z0=50KPa l/b=1,z/b=3.35，查规范附表101 得 ac0.037z1= 4ac0=40.037 50=7.4KPa2.3.6下卧层承载力及变形验算z1+cz2=87.7+7.4=95.1KPa 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -
5、第 1 页，共 5 页个人资料整理仅限学习使用粗砂平均厚为4.9m，fk=220KPa 95.1KPa，且 z1=7.4 0.1 cz2=8.77KPa。对于软土，基础底面中心O 点下深度 Z 处的附加应力 z等于同一深度Z 处的自重应力 cz的 0.1 倍时，此深度即为地基受压深度Zn，说明粗砂具足够强度， Zn=13.4m 也符合变形计算深度要求。2.3.7基础中点下天然地基沉降量S 粗砂变形可忽略不计，假定计算深度范围内全部为淤泥。规范公式简化为： S=sPo(Z1 a1/Es1s沉降计算经验系数，由Es查表得； Po基底面处的附加应力，取50Kpa； Z1为 13.4m； a1查范附录
6、十: 附表 10-2 “矩形面积上均布荷载作用下角点的平均附加应力系数 a ”, 按应力叠加原理l/b=4/4 1.0 ，z1/b=13.4/4=3.35，查表得 a=0.12695，a1=4 a=0.508。 Es11.74Mpa； Es Ai /( Ai/ Esi, A1= z1 (a0 + a1/2 , A2= (z2z1(a1 + a2/2 ，因为加固范围内全部为淤泥，故EsEs11.74Mpa。查表内插得s1.45, 计算： s=283.6mm 2.3.8复合地基总沉降量, m为置换率，n 为桩土应力比； S为天然地基沉降总量； Ssp为复合地基总沉降量。计算得： 0.70 。 Ss
7、pS =0.70 283.6=198.5mm 2.3.9复合地基沉降稳定时间振冲碎石桩复合地基变形的组成包括桩体自身沉降和桩间土的变形两部分。桩体自身沉降是以桩柱体在荷载作用下的压胀变形为主，对于桩间土的变形则是以压缩变形为主。本工程设计复合地基置换率为0.14 ，即压胀变形忽略不计，因此，变形可近似由桩顶变形和桩间土表面变形构成。施工期间车辆碾压、桩顶碎石垫层施工的碾压作用和后继填土施工时的碾压作用、以及依靠垫层的流动补偿性，桩顶变形和桩间土表面变形能在施工期间迅速均匀地进行。经测试结果表明，软土在施工30 天后排水固结完成，强度得到恢复，故振冲碎石桩复合地基一般在地基处理完后的30 天即可
8、完成80沉降，剩下20的沉降在加载后桩间土强度改善过程中完成据填土荷载及机械荷载要求，复合地基承载力标准值不小于 50Kpa。 b根据机械设备的工艺要求, 工后沉降控制在25 30mm,且不出现差异沉降。2.4.2振冲碎石桩技术要求 a按内地坪单元布桩，单元规格为85008500、8500 9000 和 90009000 三种，每个单元布桩14 根。桩径1000，桩距 2.50m，行距 2.20m，桩长以达相对硬层粗砂层为准，平均长11.4m。 b碎石桩施工采用ZCQ-30型振冲器，施工后桩顶铺设碎石垫层，厚度为30cm 。 c碎石材料采用未风化3080cm碎石，含泥量不大于5。 d内地坪处理
9、范围外加一排护桩，距外轴线2.0m 布桩，护桩桩径1000，桩距 3.0m。 e密实电流暂定为4550A，留振时间1015S，具体施工参数经试桩后确定。 f其他工程参照有关规范、规程。2.4.3设计检测方法 a复合地基承载力标准值采用单桩复合地基载荷实验确定，实验按建筑地基处理技术规范埋设沉降观测杆和位移观测桩，振冲碎石桩施工完后进行观测。观测时间为一年，并根据观测资料的分析，预测后期沉降和最终沉降。2.4.4施工注意事项精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 5 页个人资料整理仅限学习使用 a施工前应平整场地，铲除杂草等，为方
10、便施工，应先铺设50cm厚中砂垫层，施工平面不得低于地下水位。 b振冲碎石桩施工水压不小于500KPa，水量不小于30m3/h 。 c施工顺序按“由外到里、两边往中间”的原则同时推进施工。 d单位填料量不少于理论填料量，扩散系数按1.2 计，即 0.785 1.2 0.94 m3，保证复合地基置换率。 e有关碎石桩施工允许偏差还应符合公路软土地基路堤设计与施工技术规范JTJ01796）中相关规定。2.5 试桩桩长为11.0m，施工密实电流4550A，留振时间10S，单桩耗碎石13.5 m3，单位填料量约1.23m3/m，说明施工参数与设计桩径相匹配。最后由设计、监理、质监、施工单位及业主共同确
11、定按原设计参数即：密实电流4550A，留振时间 1015S进行大面积施工。2.6 处理效果2.6.1 施工监测在施工过程中，笔者使用了广东有色地勘局九三二队曹志明等研制的DC-3 振冲监测系统一种带数字分析模型的施工监控与分析系统）对成孔与制桩进行全程监控，重点监测振冲三要素：密实电流、留振时间和填料量。其中填料量计算方法采用每个振密段长0.5m）对应的成孔电流、密实电流和施工时间该段成孔时间与振密制桩时间）联立方程求解所得，对比人工记录的填料量和总体耗填料量，误差较小。将收集的数据按施工位置平均分四组，再从这四组数据中随机抽样另组成一组数据，对此五组数据进行综合分析，成果包括施工电流变化特征
12、曲线、施工状态分析和处理效果评述等。五组数据表明，振冲三要素基本一致达到设计要求），平均桩径115，场地整体施工状况较为均一，处理效果良好。三要素统计结果见表1：表 1 DC-3 振冲三要素统计数据分析结果要素组号平均密实电流IA）平均留振时间Ss）每 M填料量m3）1 50 12 1.0 2 47 14 1.2 3 50 10 0.92 4 43 12 1.0 5 55 10 1.1 2.6.2 施工要点：饱和软土地基上施工振冲碎石桩，主要难点是成孔质量问题和成桩时电流及留振时间难以达到设计要求，这都要在施工中采取有效的工艺措施来解决，主要方法有：1）成孔：成孔速度宜慢，振冲器在成孔过程中应
13、保持悬垂状态，保证孔壁的完整和孔的垂直度；成孔时水压不宜小于500kpa，水量不小于30m3/h ，保证孔内淤泥及其团块返出地面，保证填料的畅顺，提高施工功效，还能保证桩体的排水固结作用不因桩体含泥量大而影响。为进一步保证成孔质量，终孔后必须进行清孔1-2 遍。2）成桩：成桩时电流及留振时间难以达到设计要求，主要原因是碎石难以充分地到达预定位置。为解决这些问题，除成孔质量要保证外，在成桩时还要根据不同的地质条件，采取不同的成桩工艺。饱和软土中主要解决填料工艺问题，规范要求采用“间断填料法”，但在实际施工中，我们都采用“综合填料法”，即在成桩过程中根据实际情况，有时采用“间断填料法”，有时采用“
14、不间断填料法”，更多的是综合此两种方法，让振冲器在孔内不停地上、下串动进行填料、振密和留振。此法能避免饱和软土振冲碎石桩施工常见的“卡管”和“断桩”现象，保证桩体连续性和密实度。3）成桩过程中还应注意密实电流和瞬间电流的区别，留振时间应是“在稳定密实电流下的持续时间。”2.6.3 检测结果复合地基承载力标准值采用单桩复合地基载荷实验确定，按建筑地基处理技术规范 残 余 沉降fspk对应沉精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 5 页个人资料整理仅限学习使用承载力设计值fspk(kPa 力QU(Kpa 量(mm 降量(mm 1 2
15、A-9 50 100 14.32 9.37 6.81 2 1N-6 50 100 12.57 8.98 5.72 3 13J-5 50 100 6.64 3.44 2.50 4 17C-6 50 100 11.98 6.66 4.32 结果表明，总沉降量小，fspk对应的沉降量极小平均4.83mm ），回弹率37.5%，QS 曲线平缓， Slgt 曲线呈平行规则排列，复合地基承载力标准值50KPa ，完全符合设计标准和满足工程要求。该厂房地坪处理后，经一年的沉降观测，沉降在施工完后的三个月就已趋于稳定，总沉降量较小平均为151mm,小于设计计算量），各观测点沉降较均匀。说明经振冲碎石桩处理后，
16、沉降能很快完成，总沉降量较小，且无差异沉降。比设计预期效果还要好。3 振冲碎石桩与桩间土抗剪强度3.1 工程应用实例近几年来，笔者在珠三角及沿海地区软土地基上主持了许多振冲碎石桩的设计和施工工程，满足了不同建筑类型的承载和变形要求，现列举如下几个工程事例：3.1.1华南路 1 标振冲碎石桩工程：设计桩径为60cm，桩长 5m和 6m，桩距 1.3m，正三角形布桩，密实电流2024A实际施工为2730A），留振时间1015S 极限承载力QU(Kpa 大沉降 (mm 残 余 沉降量(mm Pa 对应沉降量(mm 1 试验 1330 15.20 8.64 3.08 2 试验2330 16.07 8.
17、90 3.08 3 试验 3300 14.42 8.13 2.74 4 试验 4410 17.29 10.21 2.76 3.1.2广园东路碎石桩工程：场地地层主要为淤泥、淤泥质土和淤泥质粉砂，含水量高、孔隙比高、具高压缩性、呈流塑或松散状。要求处理后复合地基承载力标准值不小于100KPa ，在引道范围不小于130KPa；设计桩长9.0m，桩径80cm ，桩间距1.6m，正三角形布桩，软土不排水抗剪强度CU值为 2.011.0KPa ，平均为5.3KPa，天然地基载荷实验结果仅为 45KPa 。共施工桩数14 万多根，约130 万延 M ，施工完后进行单桩复合地基载荷实验检验全部达到设计要求。
18、3.1.3其他实例有： 顺德新港码头软基工程，顺德大学软基工程，广州东南西环高速公路软基工程等等，总括起来，在珠三角饱和软土地基上振冲碎石桩施工成功的桩数超过100 万根之多！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 5 页个人资料整理仅限学习使用3.2 振冲碎石桩成桩及加固机理振冲碎石桩为散体材料桩，在软土地基中是依靠碎石置换软土，并形成高强度相对软土）的桩柱体来提高承载力和减小沉降，从而达到加固软土的目的。碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力来成桩的，侧限阻力与桩间土的岩土工程性能有关，直接关联的是桩间土的不排水抗剪强度 Cu值。由于
19、碎石桩体压缩性明显小于软土，基础传递给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩身上，同时桩身产生侧向变形压迫桩间土，将应力传递给桩间土，使桩、土共同作用将应力向四周扩散，这样就形成一个大型的桩、土协作体。众所周知，土具有两个基本特性，即压硬性和剪胀性，其中压硬性是指土的强度和刚度随压应力的增大而增大。软土在振冲碎石桩施工时受巨大的水平振动力有关经验公式计算是远远达不到设计要求的，如3.1.1中按规范计算复合地基承载力标准值为：fspk=1+m(n-1 fsk，m=d2/de2=0.62/(1.051.32=0.19 ， n取 4，fsk取 60KPa计算： fspk=94.2KPa( 。而
20、3.1.2中也是与设计相差悬殊：m=d2/de2=0.82/(1.05 1.62=0.23 ， n 取 4，fsk取 45KPa，计算得： fspk=76KPa(，但是静载结果大多还超过120 KPa。笔者在以上及其他同类工程研究总结认为，软弱地基上采用振冲碎石桩关键应做到：精心设计，合理组织，认真施工，严格把关，规范监理。在选择施工队伍时特别是实验桩施工应选择具丰富施工经验的队伍。振冲碎石桩是靠振冲器的水平振动力来制桩，桩间土不同的Cu值对应于不同的密实电流、留振时间和桩径。实践证明，只要能达到一定的密实电流和留振时间即桩体和桩间土之间能达成一力学平衡，且不产生“串桩”现象就可采用振冲碎石桩
21、工艺，取舍在于与其他工艺作经济对比是否合理。施工参数一般认为：留振时间35S 为宜， 1M桩径时一般为10S；密实电流多为3055A，为保证桩体密实度，设计桩径宜大于80Cm 。4 结语 1）实践证明，只要在不排水抗剪强度小于20KPa 的软弱地基上能够成桩就可采用振冲碎石桩处理。采用振冲碎石桩时宜计算验证复合地基是否符合承载力和满足沉降要求，并作经济对比核算进行取舍。 2） 设计振冲碎石桩可用规范法进行变形验算和采用经验公式计算复合地基承载力标准值，然后用沉降折减法计算复合地基总沉降量。 . 北京 : 中国建筑工业出版社,1989 2.2中华人民共和国行业标准: 建筑地基处理技术规范(JGJ7991. 北京 : 中国计划出版社,1992 3.3陈希哲 . 土力学地基基础. 第三版 . 北京 : 清华大学出版社,1997 4.4蓝冰. 论碎石垫层在振冲碎石桩复合地基中的必要性. 岩土工程师 ,2001,13(1:3941 5 沈珠江 . 理论土力学 . 第一版 . 北京 : 中国水利水电出版社,2000 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 5 页
