第四章.碎石樁-地基處理

碎石樁復(fù)合地基

StoneColumnCompositionFoundation1概述碎石樁(StoneColumn)碎石樁最早在1835年由法國(guó)在Bayonne建造兵工廠車間時(shí)使用

1937年由德國(guó)人發(fā)明了振動(dòng)水沖法(Viborfloatation)(簡(jiǎn)稱振沖法)用來擠密砂土地基

,我國(guó)應(yīng)用振沖法始于1977年。

本世紀(jì)60年代初，振沖法開始用來加固粘性土地基，并形成碎石樁。

隨著時(shí)間的推移，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、強(qiáng)夯置換法等。它們雖施工不同于振沖法，但同樣可形成密實(shí)的碎石樁，人們自覺或不自覺地套用了“碎石樁”的名稱。碎（砂）石樁，是指用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入已成的孔中，形成大直徑的碎（砂）石所構(gòu)成的密實(shí)樁體。2按施工方法分類及其適用性振密法沉管法干振法振沖擠密法置換法鉆孔錘擊法振沖置換法排土法沉管法強(qiáng)夯置換法振動(dòng)氣沖法其它方法群圍碎石樁法袋裝碎石樁法水泥碎石樁法3加固機(jī)理3.1對(duì)松散砂土加固機(jī)理

疏松的單粒結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大的沉降，特別在振動(dòng)力作用下更為顯著，其體積可減少20％。

碎石樁和擠密法加固砂性土地基的主要目的是提高地基承載力、減少變形和增強(qiáng)抗液化性。擠密作用排水減壓作用砂基預(yù)震效應(yīng)3.2對(duì)粘性土加固機(jī)理?yè)Q土置換

不論對(duì)疏松砂性土或軟弱粘性土，碎石樁的加固作用有：擠密、置換、排水、墊層和加筋的五種作用。強(qiáng)制置換強(qiáng)制置換4設(shè)計(jì)計(jì)算4.1一般設(shè)計(jì)原則(一)加固范圍

大于基底面積。對(duì)一般地基，在基礎(chǔ)外緣宜擴(kuò)大1—2排；對(duì)可液化地基，在基礎(chǔ)外緣應(yīng)擴(kuò)大2—4排樁(不應(yīng)小于可液化土層厚度的1/2,并不應(yīng)小于5m)。(二)樁位布置（a）正方形（b）矩形（c）等腰三角形（d）放射形(三)加固深度(1)當(dāng)相對(duì)硬層的埋藏深度不大時(shí)，應(yīng)按相對(duì)硬層埋藏深度確定；(2)當(dāng)相對(duì)硬層的埋藏深度較大時(shí)，對(duì)按變形控制的工程，加固深度應(yīng)滿足碎石樁復(fù)合地基變形不超過建筑物地基容許變形值的要求；(3)對(duì)按穩(wěn)定性控制的工程，加固深度應(yīng)不小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的深度；(4)在可液化地基中，加固深度應(yīng)按要求的抗震處理深度確定；(5)樁長(zhǎng)不宜短于4m。

目前國(guó)外振沖碎石樁加固地基最大深度為25m，國(guó)內(nèi)振沖碎石樁加固地基最大深度為18m，因此設(shè)計(jì)時(shí)最大樁長(zhǎng)不要超過25m，否則應(yīng)做專門的試驗(yàn)研究。

碎石樁的直徑應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設(shè)備等因素確定。采用30kw振沖器成樁時(shí)，碎石樁的樁徑一般為0.70一1.0m；采用沉管法成樁時(shí)，碎石樁的樁徑一般為0.7m，對(duì)飽和粘性土地基宜選用較大的直徑。(四)樁徑(六)墊層樁體材料可以就地取材，一般使用中、粗混合砂、碎石、卵石砂礫石等，含泥量不超過5%。碎石樁樁體材料容許的最大粒徑與振沖器的外徑和功率有關(guān)，一般不大于8cm，對(duì)碎石，常用的粒徑為2~5cm。

碎（砂)石樁施工完畢后，基礎(chǔ)底面應(yīng)鋪設(shè)30~50cm的碎（砂）石墊層，墊層應(yīng)分層鋪設(shè)，用平板振動(dòng)器振實(shí)。在不能保證施工機(jī)械正常行駛和操作的軟弱土層上，應(yīng)鋪設(shè)施工臨時(shí)性墊層。(五)材料4.2用于砂性土設(shè)計(jì)計(jì)算方法

對(duì)于砂性土地基，根據(jù)工程地基加固的要求(如提高地基承載力、減少變形或抗地震液化等)，確定要求達(dá)到的密實(shí)度和孔隙比，并布置型式和樁徑大小，計(jì)算樁的間距。(一)樁距確定當(dāng)正方形布置時(shí)：處理前體積：處理后體積：可得正方形樁位布置計(jì)算樁距孔隙比e變化圖故設(shè)樁體直徑為d，由于代入當(dāng)正方形布置時(shí)：當(dāng)?shù)冗吶切尾贾脮r(shí)：Dr——地基擠密后要求砂土達(dá)到的相對(duì)密實(shí)度，可取0.70—0.85。(二)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法：Ncr——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值（可查表得到）ds——飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)ρ0——粘粒含量百分牢，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，均采用3dw——地下水位深度(m）15≤ds≤20ds≤154.3用于粘性土設(shè)計(jì)計(jì)算方法

（一）樁間距確定等邊三角形布置時(shí)：正方形布置時(shí)：式中：Ae——一根碎石樁承擔(dān)的處理面積；Ap——碎石樁的截面積；m——面積置換率，一般為0.10~0.30(二）、承載力計(jì)算(1)單樁承載力作用在樁頂?shù)暮奢d如果足夠大，樁體可能出現(xiàn)的樁體破壞形式有三種：鼓出破壞、刺入破壞和剪切破壞。由于碎(砂)石樁樁體均由散體土顆粒組成，其樁體的承載力主要取決于樁間土的側(cè)向約束能力，絕大多數(shù)的破壞形式為樁體的鼓出破壞。目前國(guó)內(nèi)外估算碎(砂)石樁的單樁極限承載力的方法有若干種，如Brauns單樁極限承載力法和綜合極限承載力法。1)Brauns單樁極限承載力法

假設(shè)單樁的破壞是空間軸對(duì)稱問題，樁周土體是被動(dòng)破壞。如碎石樁，求解時(shí)可假定碎石樁的內(nèi)摩擦角=38o，可得:2)綜合單樁極限承載力法

目前計(jì)算碎(砂)石樁單樁承載力最常用的方法是側(cè)向極限應(yīng)力方法，即假設(shè)單根碎(砂)石樁的破壞是空間軸對(duì)稱問題，樁周土體是被動(dòng)破壞。(2)復(fù)合地基承載力假定在樁和土各自面積和范圍內(nèi)作用的應(yīng)力不變時(shí)，則可求得：（三）沉降計(jì)算1、分層總和法樁土應(yīng)力比m在無實(shí)測(cè)資料時(shí)，對(duì)粘性土可取2-4，對(duì)粉土可取1.5-3，原土強(qiáng)度低者取大值，原土強(qiáng)度高者取小值。目前尚未形成碎石樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Ψs。韓杰通過對(duì)5幢建筑物的沉降觀測(cè)資料分析得到，Ψs＝0.43-1.20，平均值為0.93，在沒有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)可假定Ψs＝1.0。

碎(砂)石樁的沉降計(jì)算主要包括復(fù)合地基加固區(qū)的沉降和加固區(qū)下臥層的沉降。均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ79-2002)計(jì)算。地基土加固區(qū)的復(fù)合壓縮模量可按下式計(jì)算2．沉降折減法處理后的沉降量可用下式表示：1.穩(wěn)定分析

若碎(砂)石樁用于改善天然地基整體穩(wěn)定性時(shí)。可利用復(fù)合地基的抗剪特性，再使用圓弧滑動(dòng)法來進(jìn)行計(jì)算。假定在復(fù)合地基中某深度處剪切面與水平面的交角為，如果考慮碎(砂)石樁和樁間土兩者都發(fā)揮抗剪強(qiáng)度，則可得出復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度:(四)穩(wěn)定分析(四)穩(wěn)定分析Priebe(1978)所提出的方法，采用了φsp和csp的復(fù)合值，并由下式求得：式中ω－與樁土應(yīng)力比和置換率有關(guān)的參數(shù)，ω＝m·μp，一般ω＝0.4－0.6。μp－應(yīng)力集中系數(shù)，

如已知φsp和csp后，可用常規(guī)穩(wěn)定分析方法計(jì)算抗滑安全系數(shù)，或者根據(jù)要求的安全系數(shù)，反求需要的ω和m。按置換要求計(jì)算步驟如下：a、根據(jù)所提供的天然地基容許承載力、已確定的砂石樁容許承載力、要求達(dá)到的復(fù)合地基承載力，利用復(fù)合地基承載力計(jì)算公式，求出滿足上述要求的置換率。b、按碎石樁設(shè)計(jì)直徑，計(jì)算出碎石樁截面積。c、求出一根樁所分擔(dān)的地基處理面積。d、求樁間距。五、施工方法目前施工方法主要有振沖法和沉管法。振沖法是碎石樁的主要施工方法之一，其原理是水沖致密和振動(dòng)致密。施工順序一般可采用“由里向外”或“一邊向另一邊”的順序進(jìn)行。在地基強(qiáng)度較低的軟粘土地基中施工時(shí)，要考慮減少對(duì)地基土的擾動(dòng)影響，因而可采用“間隔跳打”的方法。當(dāng)加固區(qū)附近有其它建筑物時(shí)，必須先從鄰近建筑物一邊的樁開始施工，然后逐步向外推移。振沖法施工5.1施工工藝（一）振沖法振沖器構(gòu)造圖

施工步驟(1)清理平整施工場(chǎng)地，布置樁位。（2）施工機(jī)具就位，使振沖器對(duì)準(zhǔn)樁位；（3）啟動(dòng)供水泵和振沖器，將振沖器徐徐沉入土

中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度；（4）擴(kuò)大孔徑，開始填料制樁；（5）振沖器振密制樁；（6）重復(fù)以上步驟；（7）關(guān)閉振沖器和水泵。（二）

沉管法振動(dòng)成樁法振動(dòng)擠密碎石樁施工順序圖一次拔管法施工機(jī)具

主要有振動(dòng)打樁機(jī)、下端裝有活瓣鋼樁靴的樁管、移動(dòng)式打樁機(jī)架、裝碎（砂）料石提料斗等施工工藝

樁靴閉合，樁管垂直就位

將樁管沉入土層中到設(shè)計(jì)深度

將料斗插入樁管，向樁管內(nèi)灌碎（砂）石

邊振動(dòng)邊拔出樁管到地面質(zhì)量控制

樁身連續(xù)性

樁直徑逐步拔管法施工機(jī)具

主要有振動(dòng)打樁機(jī)、下端裝有活瓣鋼樁靴的樁管、移動(dòng)式打樁機(jī)架、裝碎（砂）料石提料斗等施工工藝

樁靴閉合，樁管垂直就位

將樁管沉入土層中到設(shè)計(jì)深度

將料斗插入樁管，向樁管內(nèi)灌碎（砂）石

邊振動(dòng)邊起樁管，每拔起一定長(zhǎng)度，停拔繼振若干秒，如此反復(fù)進(jìn)行，直至樁管拔出地面。質(zhì)量控制

根據(jù)試驗(yàn)，每次拔起樁管0.5m，停拔繼振20s，可使樁身相對(duì)密度達(dá)到0.8以上，樁間土相對(duì)密度達(dá)到0.7以上。重復(fù)壓拔管法施工機(jī)具

主要有振動(dòng)打樁機(jī)、下端設(shè)計(jì)成特殊構(gòu)造的樁管、移動(dòng)式打樁機(jī)架、裝碎（砂）料石提料斗、輔助設(shè)計(jì)等施工工藝樁管垂直就位

將樁管沉入土層中到設(shè)計(jì)深度

將料斗插入樁管，向樁管內(nèi)灌碎（砂）石

按規(guī)定的拔起高度拔起樁管，同時(shí)向樁管內(nèi)送入壓縮空氣使填料容易排出，樁管拔起后核定調(diào)料的排出情況

按規(guī)定的壓下高度再向下壓樁管，將落入樁孔內(nèi)的填料壓實(shí)，直至3）~5）工序直至樁管拔到地面質(zhì)量控制(二)沖擊成樁法1．單管法單管沖擊成樁工藝2、雙管法

（1）芯管密實(shí)法芯管密實(shí)法成樁工藝(2)內(nèi)擊沉管法內(nèi)擊沉管法制樁工藝6質(zhì)量檢驗(yàn)碎石樁施工結(jié)束后，除砂土地基外，應(yīng)間隔一定時(shí)間方可進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。對(duì)粘性土地基，間