第3章 振密、擠密

第3章振密、擠密目錄3.1概述3.2強(qiáng)夯法3.3擠密砂石樁法3.4土樁、灰土樁和夯實(shí)水泥土樁法3.5孔內(nèi)夯擴(kuò)法概述3.1概述43.1概述1振密、擠密是指通過夯擊、振動(dòng)或擠壓使地基土體密實(shí)，土體抗剪強(qiáng)度提高，壓縮性減小，以達(dá)到提高地基承載力和減小沉降為目的的一類地基處理方法。主要有原位壓實(shí)法，強(qiáng)夯法，擠密砂石樁法，爆破擠密法，土樁、灰土樁法，夯實(shí)水泥土樁法，柱錘沖擴(kuò)樁法，以及孔內(nèi)夯擴(kuò)法等。在本章主要介紹強(qiáng)夯法，擠密砂石樁法,土樁、灰土樁法，夯實(shí)水泥土樁法，以及孔內(nèi)夯擴(kuò)法。3.2強(qiáng)夯法63.2.1加固機(jī)理和適用范圍1強(qiáng)夯法是利用重錘（一般為100kN~600kN），在高處（一般為6m~40m）自由落體落下強(qiáng)力夯擊地基土體，進(jìn)行地基加固的處理方法。強(qiáng)夯法利用重夯錘、高落距產(chǎn)生的高夯擊能給地基一沖擊力，在地基中產(chǎn)生沖擊波，振密、擠密地基土體。當(dāng)夯擊時(shí)，夯錘對(duì)地基淺部土體進(jìn)行沖切，土體結(jié)構(gòu)破壞，形成夯坑，并對(duì)夯坑周圍土體進(jìn)行動(dòng)力擠壓，夯坑四周地表可能產(chǎn)生隆起。73.2.1加固機(jī)理和適用范圍1某工程測得單點(diǎn)夯夯坑夯沉量及周圍地表隆起情況如圖3-2所示。在強(qiáng)夯夯擊作用下地基土體中超孔隙水壓力升高。某工程單點(diǎn)夯時(shí)地基中超孔隙水壓力沿深度分布情況如圖3-3所示，地基中超孔隙水壓力分布沿水平方向分布情況如圖3-4所示。圖3-1強(qiáng)夯法加固現(xiàn)場圖3-2單點(diǎn)夯夯坑夯沉量及地表隆起圖83.2.1加固機(jī)理和適用范圍1圖3-3單點(diǎn)夯時(shí)超孔隙水壓力沿深度分布圖圖3-4單點(diǎn)夯時(shí)超孔隙水壓力沿水平方向分布圖93.2.2設(shè)計(jì)1強(qiáng)夯法加固地基設(shè)計(jì)包括下述內(nèi)容：確定強(qiáng)夯法加固地基的有效加固深度和單擊夯擊能，選用夯錘的重量、形狀，以及夯擊落距，確定強(qiáng)夯施工夯擊范圍、夯擊點(diǎn)的平面布置、每點(diǎn)夯擊擊數(shù)、強(qiáng)夯施工夯擊遍數(shù)，以及間歇時(shí)間。1、強(qiáng)夯加固地基的有效加固深度和單擊夯擊能的確定強(qiáng)夯加固地基有效加固深度的影響因素比較復(fù)雜，一般應(yīng)通過試驗(yàn)確定。在試驗(yàn)前也可采用修正Menard公式估算。修正Menard公式為(3-1)103.2.2設(shè)計(jì)12、夯錘和落距的選用單擊夯擊能確定后，可根據(jù)要求的單擊夯擊能和施工設(shè)備條件確定夯錘重量和落距。夯錘重量確定后還需確定夯錘尺寸，以及選用強(qiáng)夯自動(dòng)脫鉤裝置。起重設(shè)備可用履帶式起重機(jī)、輪胎式起重機(jī)，以及專用的強(qiáng)夯機(jī)械。強(qiáng)夯設(shè)備的自動(dòng)脫鉤裝置由工廠定型生產(chǎn)。夯錘掛在脫鉤裝置上，當(dāng)起重機(jī)將夯錘吊到設(shè)計(jì)高度時(shí)，自動(dòng)脫鉤裝置可使錘自由下落對(duì)地基進(jìn)行夯擊。3、夯擊范圍和夯擊點(diǎn)布置采用強(qiáng)夯法處理地基時(shí)，強(qiáng)夯加固的范圍應(yīng)大于建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)范圍。通常要求強(qiáng)夯加固范圍每邊超出基礎(chǔ)外緣一定的寬度。超出范圍寬度為設(shè)計(jì)強(qiáng)夯加固深度的1/2至1/3，并不小于3m。113.2.2設(shè)計(jì)1圖3-5（a）和（b）分別表示兩種夯擊點(diǎn)布置形式及夯擊次序。（a）（b）圖3-5夯擊點(diǎn)布置及夯擊次序4、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù)每遍每夯點(diǎn)夯擊擊數(shù)可通過試驗(yàn)確定。一般以最后二擊的平均夯沉量小于某一數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)。123.2.2設(shè)計(jì)15、間歇時(shí)間間歇時(shí)間是指兩遍夯擊之間的時(shí)間間隔。時(shí)間間隔大小取決于地基土體中超孔隙水壓力消散的快慢。對(duì)滲透性好的地基，強(qiáng)夯在地基中形成的超孔隙水壓力消散很快，夯完一遍，第二遍可連續(xù)夯擊，不需要間歇時(shí)間。若地基土滲透性較差，強(qiáng)夯在地基土體中形成的超孔隙水壓力消散較慢，二遍夯擊這間所需間歇時(shí)間要長，粘性土地基夯完一遍一般需間歇3~4星期才能進(jìn)行下一遍夯擊。6、墊層設(shè)計(jì)強(qiáng)夯施工設(shè)備較重，要求強(qiáng)夯施工場地能支承較重的強(qiáng)夯起重設(shè)備。強(qiáng)夯施工前一般需要鋪設(shè)墊層，使地基具有一層較硬的表層能支承較重的強(qiáng)夯起重設(shè)備，并便于強(qiáng)夯夯擊能的擴(kuò)散，同時(shí)也可加大地下水位與地表的距離，有利于強(qiáng)夯施工。133.2.2設(shè)計(jì)17、現(xiàn)場測試設(shè)計(jì)（1）地面沉降觀測（2）孔隙水壓力觀測（4）深層沉降和側(cè)向位移測試（3）強(qiáng)夯振動(dòng)影響范圍觀測143.2.3施工1強(qiáng)夯法加固地基施工一般可按下列步驟進(jìn)行：（1）清理并平整施工場地。（2）鋪墊層。對(duì)地下水位較高的粘性土地基與易于液化的粉細(xì)砂地基強(qiáng)夯前需鋪設(shè)砂石墊層，墊層厚度一般為0.5m~2.0m。對(duì)地下水位在2m深度以下的砂礫石地基，可以直接進(jìn)行夯擊，無需鋪設(shè)墊層。（3）夯點(diǎn)放線定位。（4）對(duì)第一遍第一次夯擊點(diǎn)進(jìn)行夯擊。在夯擊前和夯擊后需測量夯點(diǎn)處和夯點(diǎn)周圍地面標(biāo)高。每夯擊一次測量一次。按設(shè)計(jì)規(guī)定夯擊次數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，完成一個(gè)夯點(diǎn)的夯擊。移動(dòng)夯擊點(diǎn)對(duì)第一遍夯擊點(diǎn)依次進(jìn)行夯擊。（5）按設(shè)計(jì)要求順序完成第一遍夯擊。（6）完成第一遍夯擊后，用推土機(jī)填平夯坑，并測量場地高程。（7）在規(guī)定間歇時(shí)間后，按上述步驟（3）至（6）進(jìn)行第二遍夯擊。（8）按上述步驟完成設(shè)計(jì)要求的夯擊遍數(shù)。最后用低能量滿夯，將場地表層松土夯實(shí)，并測量夯后場地高程。153.2.4質(zhì)量檢驗(yàn)1強(qiáng)夯法處理地基加固效果檢驗(yàn)可根據(jù)地基工程地質(zhì)情況及地基處理要求選擇下列幾種方法中的二種或二種以上方法進(jìn)行：室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場十字板試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓儀試驗(yàn)、波速試驗(yàn)和載荷試驗(yàn)等。通過強(qiáng)夯加固前后測試結(jié)果的比較分析可了解強(qiáng)夯加固地基效果。3.3擠密砂石樁法3.3擠密砂石樁法3.3.1加固機(jī)理和適用范圍3.3.2設(shè)計(jì)3.3.3施工及質(zhì)量檢驗(yàn)17183.3.1加固機(jī)理和適用范圍1加固原理是通過將在地基中設(shè)置砂石樁（也包括設(shè)置只由碎石組成的碎石樁和只由砂組成的砂樁），并在地基中設(shè)置樁體過程中對(duì)樁間土進(jìn)行擠密，形成擠密砂石樁復(fù)合地基，以達(dá)到提高地基承載力，減小沉降的目的。適用范圍：擠密砂石樁法常用于處理砂土、粉土和雜填土地基。在樁體設(shè)置過程中，樁間土體被有效振密、擠密。193.3.2設(shè)計(jì)1采用擠密砂石樁法加固地基設(shè)計(jì)內(nèi)容包括施工方法的選用，樁長、樁徑、復(fù)合地基置換率、加固范圍和樁位布置的確定，地基沉降計(jì)算以及質(zhì)量檢驗(yàn)方法等。203.3.2設(shè)計(jì)1施工方法的選用在地基中設(shè)置砂石樁可采用多種方法，如振沖法，振動(dòng)沉管法等。可根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工設(shè)備條件、擬采用的樁徑、樁長，并根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析決定選用施工方法。樁長主要根據(jù)工程地質(zhì)條件確定，應(yīng)讓砂石樁穿過主要軟弱土層，以滿足控制沉降要求。對(duì)可液化地基，應(yīng)滿足抗液化設(shè)計(jì)要求。擠密砂石樁樁長不宜小于4.0m。復(fù)合地基置換率設(shè)計(jì)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行擠密砂石樁復(fù)合地基初步設(shè)計(jì)，然后通過現(xiàn)場試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，包括砂石樁樁徑，單樁承載力和樁間土地基承載力等。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)提供的設(shè)計(jì)參數(shù)，修改完善設(shè)計(jì)。復(fù)合地基置換率m表達(dá)式為213.3.2設(shè)計(jì)1加固范圍和樁位布置擠密砂石樁處理范圍宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1~3排樁。對(duì)可液化地基，在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度不小于可液化土層厚度的1/2，并應(yīng)不小于5m。樁位布置一般可采用三角形布置，或正方形布置。墊層擠密砂石樁法加固地基宜在樁頂鋪設(shè)一砂石墊層，一般可取300-500mm厚。沉降計(jì)算擠密砂石樁復(fù)合地基沉降可采用分層總和法計(jì)算。擠密砂石樁加固范圍內(nèi)復(fù)合土體壓縮模量Ec可采用下式計(jì)算。Ec＝mEp＋（1－m）Es(3-4)式中Ep－砂石樁體壓縮模量；

Es－擠壓后樁間土壓縮模量，可由原位試驗(yàn)測定；m－復(fù)合地基置換率。223.3.2設(shè)計(jì)1質(zhì)量檢驗(yàn)方法擠密砂石樁復(fù)合地基一般要求通過復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定地基承載力。3.3.3施工及質(zhì)量檢驗(yàn)1、

振沖法2、振動(dòng)沉管法23243.3.3施工及質(zhì)量檢驗(yàn)11、振沖法原理和適用土質(zhì)孔位布置和間距振沖器和填料選擇施工工藝25a原理和適用土質(zhì)1振沖密實(shí)法對(duì)砂層的加固作用來源于兩方面，一是由振沖器的強(qiáng)力振動(dòng)使飽和砂層發(fā)生液化，砂顆粒重新排列，孔隙減少，二是振沖器的水平振動(dòng)力以及回填料對(duì)砂層產(chǎn)生擠壓加密。適用振沖法處理的土質(zhì)為：小于0.005mm的粘粒含量不超過10%的粗砂、中砂地基。若砂土粘粒含量大于30%，擠密效果會(huì)明顯降低。26a原理和適用土質(zhì)1圖3-6適用于振沖密實(shí)的顆粒級(jí)配曲線范圍27b孔位布置和間距1振沖孔位布置常用等邊三角形和正方形兩種，對(duì)大面積擠密處理，用等邊三角形布置比正方形布置可以得到更好的擠密效果。對(duì)于大面積砂層擠密處理時(shí)，振沖孔間距可用下式估算：

3-5式中d--振沖孔間距（m）；

--系數(shù)，正方形布置為1，等邊三角形布置為1.075；

VP--單位樁長的平均填料量，一般為0.3-0.5m3；

V--原地基為達(dá)到規(guī)定密實(shí)度單位體積所需的填料量，可按式（3-3-4）計(jì)算。28c振沖器和填料選擇1振沖法施工采用的振沖器可根據(jù)工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)樁長、樁徑等情況選用不同功率的振沖器。振沖器常用型號(hào)有30kW、55kW、75kW振沖器等。填料一方面可填充在振沖器上提后在砂層中可能留下的孔洞，另一方面對(duì)砂層產(chǎn)生擠壓加密。對(duì)于中粗砂，振沖器上提后孔壁極易塌落自行填滿下方的孔洞，可以不加填料就地振密，而對(duì)粉細(xì)砂，宜加填料才能獲得較好振密效果。29d施工工藝1施工機(jī)具振沖法施工主要機(jī)具有振沖器、吊機(jī)和水泵。振沖器的構(gòu)造見圖3-7。正式施工前的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定正式施工時(shí)采用的施工參數(shù)，如振沖孔間距、造孔制樁時(shí)間、控制電流，填料量等。圖3-7振沖器構(gòu)造示意圖30d施工工藝1砂土地基單位體積所需的填料量可按下式計(jì)算:正式施工前的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

式中V--砂基單位體積所需的填料量；

eo--振沖前砂層的原始孔隙比；

ep--樁體的孔隙比；

e1--振沖后要求達(dá)到的孔隙比。3-631d施工工藝1振密施工對(duì)粉細(xì)砂地基，宜采用加填料的振密工藝；對(duì)中粗砂地基可用不加填料就地振密的方法。在粉細(xì)砂層中振沖，造孔時(shí)水壓和水量都不必很大。水壓一般采用400-600kPa，供水量一般采用200-400L/min。在疏松粉細(xì)砂層中造孔比較容易，一般不會(huì)發(fā)生塌孔；通常控制造孔速率約每分鐘l～2m，使孔周砂土有足夠的振密時(shí)間。

32d施工工藝1采用振沖法在地基中設(shè)置碎石樁步驟如下：（a）清理平整施工現(xiàn)場，布置樁位；（b）施工機(jī)具就位，將振沖器對(duì)準(zhǔn)樁位。升降振沖器的機(jī)械可用起重機(jī)、自行井架式施工平車或其它設(shè)備。（c）啟動(dòng)供水泵和振沖器，將振沖器徐徐沉入地基土中，直到設(shè)計(jì)深度；（d）分層填料，每次填料厚度不宜大于0.5m。利用振沖器進(jìn)行振密制樁，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定的密實(shí)電流和到了規(guī)定的留振時(shí)間后，將振沖器提升30~50cm，然后重復(fù)制樁直至樁頂。（e）關(guān)閉振沖器和水泵，移位至下一個(gè)樁位。

333.3.3施工及質(zhì)量檢驗(yàn)12、振動(dòng)沉管法孔位布置樁長和樁徑填料選擇樁距設(shè)計(jì)施工步驟34a樁位布置1(a)正方形(b)矩形(c)等邊三角形(d)放射形圖3-9樁位布置35b樁長和樁徑1砂石樁樁長可根據(jù)工程地質(zhì)條件和具體工程要求通過計(jì)算確定：

(1)當(dāng)松軟土層厚度不大時(shí)，砂石樁樁長宜穿過松軟土層；

(2)當(dāng)松軟土層厚度較大時(shí)，對(duì)按穩(wěn)定性控制的工程，砂石樁樁長應(yīng)不小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2m的深度；對(duì)按變形控制的工程，砂石樁樁長應(yīng)滿足處理后地基變形量不超過建筑物的地基變形允許值并滿足軟弱下臥層承載力的要求；

(3)對(duì)可液化的地基，砂石樁樁長應(yīng)當(dāng)在15m(天然地基)以內(nèi)，并穿透可液化地基；

(4)砂石樁的單樁載荷試驗(yàn)表明，在樁頂4倍樁徑范圍內(nèi)將發(fā)生側(cè)向膨脹，因此樁長一般不宜小于4m。36c填料選擇1樁體材料可用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑等硬質(zhì)材料，含泥量不得大于5%，填料最大粒徑不宜大于50mm。材料在樁孔內(nèi)的填料量應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，估算時(shí)可按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以充盈系數(shù)確定，可取1.2-1.4。如施工時(shí)地面有下沉或隆起現(xiàn)象，則填料數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體情況予以增減。37d樁距設(shè)計(jì)1首先根據(jù)工程對(duì)地基加固的要求(如提髙地基承載力、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，并考慮樁位布置型式和樁徑大小，計(jì)算樁的間距。對(duì)粉土和砂土地基，樁距不宜大于砂石樁直徑的4.5倍。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，砂石樁的間距S可按如下公式計(jì)算：

正方形布置，（3-8）

正方形布置，（3-9）38d樁距設(shè)計(jì)1假定在松散砂土中打入砂石樁或砂樁能起到100%的擠密效果，亦即成樁過程中地面沒有隆起或下沉現(xiàn)象，被加固的砂土沒有流失，有則e1與（樁的面積與被處理的地基土面積之比）的關(guān)系為：（3-10）

實(shí)際上，很多工程都采用振動(dòng)沉管法施工，對(duì)砂土和粉土地基有振密和擠密雙重作用，施工后地面下沉量可達(dá)100-300mm。因此，有必要通過一個(gè)修正系數(shù)來考慮施工過程中的振密作用，這樣上述根據(jù)公式3-3-6和3-3-7計(jì)算結(jié)果可通過ξ修正，當(dāng)考慮振動(dòng)下沉密實(shí)作用時(shí)，ξ取1.1-1.2；不考慮振動(dòng)下沉密實(shí)作用時(shí)，ξ取1.0。39e沉管施工采用振動(dòng)沉管法在地基中設(shè)置擠密砂石樁步驟如下：1（1）清理平整現(xiàn)場，布置樁位；（2）振動(dòng)沉管機(jī)具就位，樁管垂直對(duì)準(zhǔn)樁位；（3）啟動(dòng)振動(dòng)樁錘，將下端裝有話瓣樁靴的樁管振動(dòng)沉入地基中，達(dá)到設(shè)計(jì)深度；（4）從樁管上端的投料漏斗加入砂石料（擠密砂樁，加砂料；擠密碎石樁，加碎石料；擠密砂石樁，加砂石料），為保證順利下料到樁管中，可加適量水。（5）邊振動(dòng)邊拔管直到樁管拔出地面。（6）移動(dòng)樁機(jī)至下一樁位。403.3.4工程實(shí)例（根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]編寫）1工程概況某大廈位于煙臺(tái)長江路北側(cè)，總高為21層，大廈高度為72.6m。主樓為鋼筋混凝土筒中筒結(jié)構(gòu)，重25000t。箱形基礎(chǔ)。箱基底面積為25m×40m，箱基埋深7