地基處理技術(shù)第四章

1、2022-7-6地基處理技術(shù)1一、概述 碎石樁(Stone Column)和砂樁(Sand Pile)等在國(guó)外統(tǒng)稱(chēng)為粗顆粒土樁(Granular Pile)。它是指用振動(dòng)、沖擊或水沖等施工方式，在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂等粗骨料擠壓入孔中，使被加固的松散地基擠密或填料成樁并和原地基土組成復(fù)合地基，提高地基強(qiáng)度的加固技術(shù)。2022-7-6地基處理技術(shù)2振沖法示意圖2022-7-6地基處理技術(shù)3 1937年德國(guó)凱勒公司（Jahann Keller）按斯圖門(mén)(Steuerman) 設(shè)計(jì)制造出具有現(xiàn)代振沖器雛形的機(jī)具，并開(kāi)始用于加密砂基，其有效性和經(jīng)濟(jì)性越來(lái)越為人們所承認(rèn)。50年代末60年代初德

2、國(guó)和英國(guó)相繼把振沖法用來(lái)加固黏土地基，我國(guó)在大壩、道路、橋涵、大型廠房及工業(yè)與民用建筑地基上廣泛采用了振沖法加固技術(shù)。 我國(guó)在實(shí)際工程中采用的振沖法是一種水平徑向的振動(dòng)。雙向振沖處于試驗(yàn)研究階段。 2022-7-6地基處理技術(shù)4 隨著各種不同的施工工藝相應(yīng)產(chǎn)生，如沉管法、振動(dòng)氣沖法、袋裝碎石樁法、碎石樁強(qiáng)夯置換法等，雖然它們施工不同于振沖法，但同樣可形成密實(shí)的碎石樁，人們自覺(jué)或不自覺(jué)地套用了“碎石樁”的名稱(chēng)。所以碎石校的內(nèi)涵擴(kuò)大了。不管加固的地基是砂性土還是黏性土；不論施工方法是振沖法、干振法、振動(dòng)沉管法還是其它方法，只要制成的是以石料組成的柱或樁體，均稱(chēng)為“碎石樁”。2022-7-6地基處理

3、技術(shù)5 振沖法按加固機(jī)理和效果的不同，分為振沖置換法和振沖密實(shí)法兩類(lèi)。前者是在地基土中借助振沖器成孔，在孔內(nèi)填料、振密，制作出以碎石、砂礫等散粒材料組成的樁體，該樁體與原地基土組成復(fù)合地基，又稱(chēng)振沖置換碎石樁法；后者是在松散的砂層中，使砂層液化、密實(shí)，可根據(jù)砂土的不同，有加填料和不加填料兩種，又名振沖擠密砂樁法。2022-7-6地基處理技術(shù)6振沖法加固軟弱地基的特點(diǎn)： 1.振動(dòng)力直接作用在地基深層軟弱土的部位，對(duì)軟弱土施加的振動(dòng)側(cè)向擠壓力大，因而使土密實(shí)的效果與其它地基處理方法相比為最好； 2.對(duì)不均勻的天然地基土，在平面和深度范圍內(nèi)，由于地基的振密程度可隨地基軟硬程度對(duì)不同的填料量進(jìn)行調(diào)整，

4、同樣可取得相同的密實(shí)電流，使加固后成為較為均勻的地基，以滿足工程對(duì)地基變形的要求； 3.施工機(jī)具簡(jiǎn)單、操作方便、施工速度較快、加固質(zhì)量容易控制，目前的施工技術(shù)最深可達(dá)30m；2022-7-6地基處理技術(shù)7 4.不用鋼材和水泥，僅用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂和中砂等當(dāng)?shù)赜操|(zhì)材料，因而造價(jià)較低，與鋼筋混凝土樁基相比較，一般可節(jié)約投資三分之一； 5.在天然軟弱地基中，經(jīng)振沖法灌入碎石或卵石等粗骨料，成樁后改變了地基排水條件，可加速地震時(shí)超孔隙水壓力的消散，有利于地基抗震和防止液化。 6.施工中排放污水、污泥量較大，在人口稠密地區(qū)和沒(méi)有排污泥場(chǎng)地時(shí)使用受到一定限制。2022-7-6地基處理技術(shù)

5、8振沖法適用條件： 振沖置換法一般適于處理不排水抗剪強(qiáng)度大于20kPa的黏性土、粉土、飽和黃土和人工填土等地基，但對(duì)不排水抗剪強(qiáng)度小于20kPa的淤泥質(zhì)土、淤泥等地基，應(yīng)通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)確定其適用性。這樣既不限制適用范圍，也對(duì)設(shè)計(jì)人員采用時(shí)提醒其應(yīng)持慎重態(tài)度； 振沖密實(shí)法適于處理砂土和粉土等地基，不加填料的振沖密實(shí)法僅適用于處理粘土粒含量小于10%的粗砂、中砂地基。2022-7-6地基處理技術(shù)9二、加固地基原理二、加固地基原理 （一）松散地基加固（一）松散地基加固 疏松的砂性土不經(jīng)處理不能作為建筑地基。碎石樁不論振沖法或干振法)加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承載力和模量，并增強(qiáng)抗液化性。

6、1. 擠密效應(yīng) 振沖器的水平振動(dòng)加水使飽和砂層液化、砂顆粒重新排列，孔隙減少；水平振動(dòng)力又可使砂層擠壓、加密；若做碎石樁，則樁體具有良好透水性，加速地基固結(jié)。2022-7-6地基處理技術(shù)102. 排水減壓效應(yīng) 砂土液化機(jī)理的研究證明，當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷裁作用時(shí)，將發(fā)生體積收縮和趨于密實(shí)。在砂土無(wú)排水條件時(shí)，體積的塊速收縮將導(dǎo)致超靜孔隙水壓力來(lái)不及消散而急劇上升，當(dāng)砂土中有效應(yīng)力降低為零時(shí)，便形成了完全液化。碎石樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超孔隙水壓力的增高和砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基的排水固結(jié)。2022

7、-7-6地基處理技術(shù)113. 預(yù)震效應(yīng) 美國(guó)的試驗(yàn)表明，密實(shí)度Dr54但未受過(guò)預(yù)震影響的砂樣，與其抗液化能力相當(dāng)于相對(duì)密實(shí)度Dr80的未受過(guò)預(yù)震的砂樣相比，即在一定循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)兩試樣的相對(duì)密實(shí)度相同時(shí)，要造成經(jīng)過(guò)預(yù)震的試樣發(fā)生液化，所需施加的應(yīng)力要比施加未經(jīng)預(yù)震的試樣引起液化所需應(yīng)力值提高46。從而得出了砂土液化的特性，除了與土的相對(duì)密實(shí)度有關(guān)外，還與其振動(dòng)應(yīng)變史有關(guān)的結(jié)論。在振沖法施工時(shí)，振沖器以每分鐘1450次振動(dòng)頻率，9.8ms2水平加速度和90kN激振力噴水沉入士中時(shí)，使填料和地基土在擠密的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)振，這對(duì)砂土增強(qiáng)抗液化能力是極為有利的。2022-7-6地基處理技術(shù)12彈性區(qū)

8、擠密區(qū)過(guò)渡區(qū)流態(tài)區(qū)振沖孔2022-7-6地基處理技術(shù)13 （二）黏性土地基加固 由于黏性土在施加上振動(dòng)后具有的“觸變現(xiàn)象”（密實(shí)度不變，強(qiáng)度能恢復(fù)到原來(lái)強(qiáng)度的特性），所以振沖法只是成孔，然后孔內(nèi)填料成樁，樁與原地基土形成復(fù)合地基。 由于樁、土的變形模量不等（土為15MPa；樁310MPa），施加荷載后，一部分荷載作用在樁上，另一部分作用在地基土上。由于碎石樁的剛度比樁周土的剛度大，而地基中應(yīng)力按材料變形模量進(jìn)行重新分配時(shí)，大部分荷載將由碎石樁承擔(dān)，樁體應(yīng)力和樁間黏性土應(yīng)力之比值稱(chēng)為樁土應(yīng)力比。 2022-7-6地基處理技術(shù)14 三、設(shè)計(jì)計(jì)算三、設(shè)計(jì)計(jì)算（一）設(shè)計(jì)的一般原則 1.處理范圍 振沖擠

9、密法：建筑物基礎(chǔ)外緣每邊加寬至少5m。振沖置換法：一般地基，在基礎(chǔ)外緣應(yīng)擴(kuò)大12排樁；對(duì)可液化地基，在基礎(chǔ)外緣應(yīng)擴(kuò)大24樁。 2.樁位布置和樁距 對(duì)大面積滿堂處理，樁位采用等邊三角形布置；對(duì)獨(dú)立或條形基礎(chǔ)，采用正方形、矩形、或等腰三角形布置。2022-7-6地基處理技術(shù)15 樁的間距根據(jù)地基土性質(zhì)、荷載大小、振沖器的功率來(lái)確定。如振沖器為30kW，則樁距為1.82.5m；振沖器為75kW，則樁距為2.53.5m。振沖擠密法也可按3-5式來(lái)計(jì)算。 FVVs（4-1） 式中 s樁距，m；系數(shù)，正方形為1，等邊三角形為1.075；VF單位樁長(zhǎng)平均填料量，0.30.7m3；V原地基為達(dá)到規(guī)定密實(shí)度單位

10、體積所需填料量。2022-7-6地基處理技術(shù)16 eeeeeVp11100 ep樁體材料孔隙比；e0原地基土孔隙比；e地基土要求達(dá)到的孔隙比。 振沖置換法的樁距一般為1.52.5m。3.樁長(zhǎng)的確定 當(dāng)相對(duì)硬層的埋藏深度不大時(shí)，應(yīng)按相對(duì)硬層的埋藏深度確定；當(dāng)相對(duì)硬層的埋藏深度較大時(shí)，應(yīng)按建筑物地基的變形允許值確定。樁長(zhǎng)不宜短于4m。樁頂應(yīng)鋪設(shè)一層200500mm厚的碎石墊層。 2022-7-6地基處理技術(shù)174.樁的直徑 可按每根樁所用的填料計(jì)算，一般振沖擠密法為0.30.5m；振沖置換法為0.81.2m。5.填料選擇 振沖擠密法：可采用中粗砂或砂礫混合物，原地基為中粗砂時(shí)可不加填料；振沖置換法

11、：碎石、卵石、礫砂、礦渣、碎磚等，粒徑一般為25cm。6.振動(dòng)影響 振沖器工作時(shí)其振波向四周傳遞，對(duì)于松砂地基，影響不超過(guò)8m；對(duì)于黏性土地基不超過(guò)23m。所以一般不做抗振處理。2022-7-6地基處理技術(shù)18二、對(duì)砂性土設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)砂性土地基，主要是從擠密的觀點(diǎn)出發(fā)考慮地基加固中的設(shè)計(jì)問(wèn)題，首先根據(jù)工程對(duì)地基加固的要求(如提高地基承載力、減少變形或抗地震液化等要求)，確定碎石樁加固后要求達(dá)到的密實(shí)度和孔隙比，從而考慮樁位布置形式和樁徑大小，再計(jì)算樁距和樁長(zhǎng)。2022-7-6地基處理技術(shù)19 1. 樁距確定 設(shè)碎石樁的布置如圖41示，假定在松散砂土中打入碎石樁能起到100的擠密效果，即在成樁過(guò)

12、程中地面沒(méi)有隆起或下沉現(xiàn)象，被加固的砂土沒(méi)有流失。已知一根碎石樁所分擔(dān)的加固面積為A，單位深度灌碎石量為AP，原砂土地基單位深度的平均體積為Vo，其中原砂的固體顆粒所占的體積為Vs，樁距為L(zhǎng)(圖42)。圖4-1正方形布樁示意圖圖4-2孔隙比變化示意圖2022-7-6地基處理技術(shù)20 當(dāng)正方形布置時(shí)，處理前體積：（4-2）處理后體積： （4-3）從式(42)和(4-3)可求得： （4-4）（4-5）設(shè)樁體直徑為d，由于2022-7-6地基處理技術(shù)21 當(dāng)正方形布置時(shí)： （4-6）當(dāng)?shù)冗吶切尾贾脮r(shí)： （4-7） 地基擠密后要求達(dá)到的孔隙比e1，可按工程對(duì)地基承載力要求或按擠密后要求，達(dá)到抗液化的

13、相對(duì)密實(shí)度Dr確定：（4-8）砂土的最大和最小孔隙比，可按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GBJl2388)的有關(guān)規(guī)定確定；地基擠密后要求砂土達(dá)到的相對(duì)密實(shí)度，可根據(jù)場(chǎng)地地震烈度需要而取得，一般為0.78-0.85。 2022-7-6地基處理技術(shù)22 碎石樁每根樁每米長(zhǎng)度的填料量q為： （4-9）式(46)和(47)也可用加固前、后土的重度o和1，表示，即：（4-10）（4-11） 當(dāng)正方形布置時(shí)： 等邊三角形布置時(shí)： 實(shí)際上，成樁后擠密范圍內(nèi)地面經(jīng)常發(fā)生隆起或下沉現(xiàn)象，說(shuō)明擠密范圍內(nèi)土層體積已發(fā)生變化，因此，若按以上公式計(jì)算，則結(jié)果會(huì)時(shí)大時(shí)小，需要修正：2022-7-6地基處理技術(shù)23 當(dāng)正方形布

14、置時(shí)： 等邊三角形布置時(shí)： 式中：l樁長(zhǎng)，m；h制樁過(guò)程中地面高程 升降變化（升降），m。2022-7-6地基處理技術(shù)24 2.液化判別 根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJll89)規(guī)定：應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法，在地面下15m深度范圍內(nèi)的液化土應(yīng)符合下式要求(當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，尚可采用其它判別方法)。N63.5飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測(cè)值(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)；Ncr液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；2022-7-6地基處理技術(shù)25N0液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊基準(zhǔn)值，應(yīng)按表采用ds飽和土標(biāo)準(zhǔn)貴入點(diǎn)深度，mdw地下水位深度，宜按建筑使用期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期年最高水位采用，m ；c粘粒含量百分率，當(dāng)小于3

15、或?yàn)樯巴習(xí)r，均應(yīng)采用3。2022-7-6地基處理技術(shù)26三、黏性土設(shè)計(jì)計(jì)算 在黏性土地基中打入擠密砂樁后，形成了黏性土和砂樁的復(fù)合地基，其應(yīng)力分布由于黏性土和砂樁的物理、力學(xué)性質(zhì)不同，二者分擔(dān)的應(yīng)力也有所不同，應(yīng)力分布產(chǎn)生向砂樁的應(yīng)力集中，在黏性土地基上，進(jìn)行砂樁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的對(duì)象，滿足地基承載力、穩(wěn)定性和沉降等要求。樁土應(yīng)力比大小土的主要受力區(qū)上下AcApAA=Ac+Ap圖4-3 復(fù)合地基示意圖2022-7-6地基處理技術(shù)27 在黏性土和砂樁所構(gòu)成的復(fù)合地基中，當(dāng)作用的外荷載為p時(shí)，設(shè)作用在砂樁的應(yīng)力為fp、作用于樁間黏性土上的應(yīng)力為fs，假定在砂樁和黏性土的各自的作用面積為Ap及A-

16、Ap的范圍內(nèi)，作用的應(yīng)力為均勻分布，則根據(jù)平衡條件求得：式中 A1根砂樁所分組的處理面積。樁土應(yīng)力比(也稱(chēng)為應(yīng)力集中比）面積置換率2022-7-6地基處理技術(shù)28式中：p應(yīng)力集中系數(shù)； s應(yīng)力降低(擴(kuò)散)系數(shù)。 從上式可知，當(dāng)n1，m0時(shí)，應(yīng)力向樁體集中，并使作用于樁間黏土的應(yīng)力減小。2022-7-6地基處理技術(shù)29 一般情況下，樁土應(yīng)力比n可取24，原土強(qiáng)度高時(shí)，取小值，原土強(qiáng)度低時(shí)，取大值。如原地基土為砂土、粉土?xí)r，n取1.52；原地基土為黏性土、素填土?xí)r，n取23；原地基土為軟塑黏性土?xí)r，n取34。2022-7-6地基處理技術(shù)30 對(duì)于小型工程的黏性土地基，如無(wú)載荷試驗(yàn)資料，復(fù)合地基承載

17、力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式求 式中 Sv樁間土的十字板的抗剪強(qiáng)度，也可用處理前地基土的十字板抗剪強(qiáng)度代替。2022-7-6地基處理技術(shù)31四、振沖法施工設(shè)備、機(jī)具（一）振沖器1.振動(dòng)器結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力部分振動(dòng)器振動(dòng)部分 通水管水路部分減振器及導(dǎo)管防扭部分 圖4-4 振沖器結(jié)構(gòu)示意圖 1-水管；2-導(dǎo)管；3-活接頭；電動(dòng)機(jī)墊板；5-潛水電機(jī)；6-轉(zhuǎn)子；7-電動(dòng)機(jī)軸；8-聯(lián)軸節(jié)；9-空心軸；10-殼體；11-翼板；12-偏心塊；13-向心軸承；14-推力軸承；15射水管2022-7-6地基處理技術(shù)322.振動(dòng)參數(shù)選擇 振動(dòng)頻率 振沖器振動(dòng)迫使周?chē)令w粒強(qiáng)迫振動(dòng)，處在共振狀態(tài)，產(chǎn)生相對(duì)位移達(dá)到最佳加密效果。國(guó)外

18、試驗(yàn)表明振動(dòng)頻率在1500r/min時(shí)，可獲得最佳加密效果，3000r/min時(shí)效果最差。目前我國(guó)振沖器所選用的電機(jī)轉(zhuǎn)速是1450r/min，接近最佳加密效果。 振幅 振沖器的振幅在一定范圍內(nèi)給土體以擠壓。在相同振動(dòng)時(shí)間內(nèi)，振幅增加，地基土的沉降量亦增加，加密效果好。但振幅過(guò)大或過(guò)小，均不利于加固土體。我國(guó)振沖器的振幅設(shè)計(jì)一般在10mm左右（全振幅）。 加速度 反映振沖器振動(dòng)強(qiáng)度的主要指標(biāo)，我國(guó)振沖器自身發(fā)出加速度值一般為10g左右。2022-7-6地基處理技術(shù)33 型號(hào)ZCQ-13ZCQ-30ZCQ-55BL-75BL-100PENINE150電動(dòng)機(jī)功率/k柴油機(jī)）

19、HD225轉(zhuǎn)數(shù)/r/min1450145014501450145003600額定電流/A22.560100150220油壓/036MPa 振動(dòng)力/kN3590200160200290振幅/mm4.204.205.07.07.03.5振沖器外徑/mm274351450426426310振沖器長(zhǎng)度/mm200021502500300031502200總重量/kg78094016002050表4-1 振沖器主要技術(shù)參數(shù) 2022-7-6地基處理技術(shù)34（二）其它設(shè)備、機(jī)具 1.起吊設(shè)備 30kW振沖器宜大于80kN；75kW振沖器宜大于160kN。起吊高度必須大于施工深度。 2.填料設(shè)備 填料可用裝

20、載機(jī)和人工手推車(chē)，30kW振沖器配0.5m3以上的裝載機(jī)，75kW振沖器配1.0m3以上裝載機(jī)。 3.電器控制設(shè)備 電氣控制系統(tǒng)除為施工配電外，還應(yīng)具有控制施工質(zhì)量的功能?？刂普駴_加固的標(biāo)準(zhǔn)是一般用振沖器達(dá)到某一電流值及該電流維持的時(shí)間即留振時(shí)間。 4.供水設(shè)備 供水泵要求壓力0.41.0MPa，供水量2030m3/h左右。 5.排泥漿設(shè)備 排漿泵應(yīng)根椐排漿量和排漿距離選用合適的排污泵。2022-7-6地基處理技術(shù)35五、振沖法施工（一）施工準(zhǔn)備工作 施工準(zhǔn)備一般應(yīng)做好下列工作：1.參加設(shè)計(jì)單位的技術(shù)交底2.收集、分析施工場(chǎng)地地質(zhì)資料3.查清施工場(chǎng)地內(nèi)地下障礙物4.編寫(xiě)施工組織設(shè)計(jì)5.配備相應(yīng)

21、功率及型號(hào)的振沖器和配套機(jī)具6.施工場(chǎng)地應(yīng)做到“三通一平”7.根據(jù)建筑物或樁位主要軸線按圖紙測(cè)放樁位 8.做好施工場(chǎng)地作業(yè)布置9.在護(hù)樁或建筑物非主要部位進(jìn)行試制樁2022-7-6地基處理技術(shù)36（二）施工施工的一般工序?yàn)椋撼煽?、清孔、填料、加密四個(gè)步驟,見(jiàn)圖4-5。 圖4-5 振沖碎石樁施工工藝(a)-定位；(b)-振沖下沉；(c)-振沖至設(shè)計(jì)標(biāo)高并下料；(d)-邊振邊下料、邊上提；(e)-成樁2022-7-6地基處理技術(shù)372022-7-6地基處理技術(shù)38 1.成孔 成孔最大速度一般控制在每分鐘不大于2m為宜。造孔深度可小于設(shè)計(jì)樁深300mm。加密深度必須達(dá)到設(shè)計(jì)深度。成孔水壓大小視振沖器

22、貫入速度和地基土沖刷情況而定。一般0.30.8MPa。 2.清孔 成孔時(shí)，返出泥漿密度大或孔中有狹窄或縮孔地段時(shí)，應(yīng)進(jìn)行清孔。將振沖器提出孔口或需要擴(kuò)孔地段上下提拉振沖器，使孔口返出泥漿變?。芏冉档停駴_孔順直通暢，以利填料加密。 3.填料 連續(xù)填料、間斷填料或強(qiáng)迫填料三種方式。 2022-7-6地基處理技術(shù)39 4.振（加）密 振密是振沖法處理地基關(guān)鍵環(huán)節(jié)，振沖法振密控制標(biāo)準(zhǔn)基本上可分三種： 填料量控制：振密過(guò)程中按每延米填入填料數(shù)量控制。這種控制標(biāo)準(zhǔn)缺點(diǎn)在于：由于孔內(nèi)土質(zhì)不同、強(qiáng)度不同，相同填料量可能造成沿孔深不同土層存在填料“不足”或“富余”情況，加密不甚理想。目前單純填料量控制采用較少。 電流控制：是指振沖器的電流達(dá)到設(shè)計(jì)確定的加密電流值。振沖器在貫入土層前運(yùn)行時(shí)的電流稱(chēng)為振沖器空載電流。當(dāng)振沖器貫入土層中，受到周?chē)恋募s束，此時(shí)為保持振沖器處于自由振動(dòng)狀態(tài)，必須克服周?chē)翆?duì)振沖器的約束力，結(jié)果電機(jī)電流必然增大，即電機(jī)輸出功率增加?？刂埔欢ǖ募用茈娏骷凑駴_器以一定電機(jī)功率的振動(dòng)力施加于周?chē)临|(zhì)，這樣在孔周?chē)临|(zhì)軟弱地段需要多填填料，而在土質(zhì)強(qiáng)度高的地段填料數(shù)量就需要小些，以達(dá)到與振