4-砂石桩(碎石桩)解析

地基处理4砂（石）桩第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)一概述1、基本定义碎(砂)石桩又被称做粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔之后，形成由砂石构成的大直径密实桩体，包括碎石桩、砂桩和砂石桩，总称为碎石桩。砂石桩与桩周土共同组成基础下的复合土层，构成持力层。2、成桩方式1)成砂桩方式：振动法和冲击法为主；2)成碎石桩方式：有振冲法、沉管法、干振法、强夯置换法、钻孔锤击法等。3、适用范围：碎石桩用于挤密松散砂土、粉土、黏性土、素填土及杂填土地基。但需注意两点：1）当处理不排水抗剪强度小于20kPa的饱和黏性土和饱和黄土地基时，应在施工前通过现场试验确定其适用性。Why?因为如果桩周土强度过低，当其不排水抗剪强度小于20kPa时，将导致土的侧向约束力始终不能平衡由于填料挤入孔壁产生的作用力，那就始终不能形成桩体，故需经过预压加固处理；2）不加填料的振冲加密法适用于处理黏粒含量不大于10％的中砂、粗砂地基。Why?(周围砂料能自行塌入孔内，可进行原地振冲)。砂石桩法也可用于处理可液化地基。1)中、小型工业与民用建筑物；2)港湾建筑物(码头、护岸工程等)；3)土工构筑物(土石坝、路基等)；4)材料堆置场地(矿料场等)；5)其它场地。滑道、机场等。工程上，碎石桩法可用以下各类建筑：第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)一概述3、适用范围：图3-3-1碎石桩碎石桩体桩周土体砂桩二、加固机理1、松散砂土及粉土的加固机理第三章深层密实法第三节碎石桩(砂石桩)1)松散砂土的工程特性砂土和粉土属于散粒状结构，粒间孔隙大，颗粒的排列位置很不稳定，在外荷(动力和静力)作用下易发生移位,并会重新进行排列，趋于较稳定状态。因此，松散砂土沉降变形大、抗液化性弱、承载力小。尤其是受振动作用后，体积可缩小20%。2)加固机理通过碎石桩处理，可有效地改善松散砂(粉)土的工程特性，主要表现在三个方面：二、加固机理1、松散砂土及粉土的加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)①挤密作用：a、对振冲法而言：施工过程中由于水冲使得松散砂土达到饱和状态，并在高频强迫振动下产生液化、重新排列密实；孔中填入的粗骨料被强迫振动、密实的同时，桩体半径还不断增大，对桩周土形成水平挤压作用,甚至有一部分被挤入桩周土中。于是，砂土密实度、孔隙率，干密度和内摩擦角，达到力学性能改善、承载力提高、抗液化性能增强的目的；b、对沉管法或干振法而言：施工中，桩管对周围砂层产生很大的水平挤压力，并将桩管处砂子挤向桩管周围的土层中,桩管四周砂层孔隙率、密实度。新郑高速公路震动沉管挤密碎石桩施工上一张下一张二、加固机理1、松散砂土及粉土的加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)由于挤压，紧贴于桩周管上的土结构遭到完全破坏。桩管周围塑性变形区，由于受到挤压和孔隙水压力的共同作用，强度显著降低。桩管周围塑性变形区(图3-3-2)半径RP可由下式确定。（3-3-1）由式(3-3-1)知，塑性变形区域的大小与桩管半径、土的变形模量成正比，与土的抗剪强度成反比。图3-3-2桩孔周围应力分布区二、加固机理1、松散砂土及粉土的加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)完全破坏区桩周土挤密后干密度沿径向距离(l/d)的变化桩体或桩孔二、加固机理1、松散砂土的加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)砂土和粉土中排水减压振密作用比挤密作用显著，是砂石桩的主要加固作用之一。振密作用在宏观上表现为振密变形。振动成桩过程中，一般形成以桩管为中心的“沉降漏斗”，直径达桩径的6～9倍，并形成多条环状裂隙。②排水减压振密作用:振冲成桩过程中，桩周土体在循环荷载作用下发生收缩和趋于紧密，砂土在无排水条件下体积不断收缩导致超孔隙水压力产生，有效应力降为零时引起砂土液化。碎石桩体材料具有良好的反滤效果，是理想的人工竖向排水减压通道，土体中的超水孔隙水必然沿着改排水通道排出地面。随着孔隙水排出，土体的孔隙比降低，密实度得到提高。二、加固机理1、松散砂土的加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)③预震抗液化作用:砂石桩法的预震抗液化作用主要有两个方面：①桩间可液化土层受到挤密和振密作用。土层的密实度增加，结构强度提高，表现在土层标贯击数的增加，从而提高土层本身的抗液化能力；②砂土的液化特性不仅与相对密实度和排水体有关，还与砂土的振动应变史有关。预先受过适度水平的循环应力预振的砂土，将具有较大的抗液化强度。砂石桩成桩过程中，桩间土受了多次预振作用，并通过桩体将产生的超孔隙水压力消散，因而提高桩间土的抗液化能力。2、对粘性土的加固机理二、加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)1)粘性土的工程特性:结构为蜂窝状或絮状结构，粘粒含量高、粘间结合力强、渗透性低。在受到动、静外荷作用时，黏粒之间的结合力以及黏粒、离子、水分子所组成的平衡体系虽然受到破坏，孔隙水压力升高，土的强度降低，塑性变形增大，但是土中水并不容易排放。黏性土密实度提高效果不佳，无法达到最终提高承裁力的目的。2、对粘性土的加固机理二、加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)2)加固机理主要通过置换法(用碎石桩置换粘性土)实现改良土基的目的，具体表现在两个方面。①桩体置换作用。以性能良好的砂石桩直接替换部分粘性土，构成性能良好的复合地基。由密实的碎石桩桩体取代了与桩体体积相同的软弱土，因为砂石桩的强度和抗变形性能等均优于其周围的土，所以形成的复合地基的承载力、模量就比原来天然地基的承载力、模量大，从而提高了地基的整体稳定性，减小了地基的沉降量。复合地基承载力增大率与沉降量的减小率均和置换率成正比关系。2、对粘性土的加固机理二、加固机理第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)2)加固机理：②排水固结作用。饱和黏性土地基中，碎石桩体的排水通道作用是砂石桩法处理饱和软弱黏性土地基的主要作用之一。由于沉管成桩过程中的挤压和振动等作用，桩间土会出现较大的孔隙水压力，导致土强度降低。碎石桩施工结束后，上覆土体重力作用下，借助于砂石桩良好的排水作用，桩间土发生排水固结，同时由于黏粒、水分子、离子之间重新形成新的稳定平衡体系，使土的强度得以恢复，甚至超过原土体强度。三、加固作用和效果第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)1砂石桩加固作用：不管是松散砂性土还是软弱粘土，砂石桩具有复合地基的加固作用，并具体表现在5个方面：挤密、置换、排水固结、垫层和加筋作用。2砂石桩加固效果：对地基的加固效果具体表现在：可以使承载力提高，使地基沉降量减小，抗剪强度增加和抗滑稳定性提高。四、设计计算(一)、一般原则1、加固范围：总体上要大于基础底面的面积，具体根据建筑物的重要性及场地条件确定。①对于一般地基，宜在基础外缘扩大1～3排桩；②对可液化地基，在基础外缘扩展宽度不小于基底可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。具体见下表所示。第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)基础形式加固范围独立基础不超出基底面积条形基础不超出或适当超出基底面积筏形、十字交叉及箱形基础基础平面外轮廓范围内满堂加固，轮廓线外加2~3排保护桩正方形布置矩形布置三角形布置扇形布置2、布桩形式：对大面积满堂处理，宜用等边三角形布置；对单独基础或条形基础，采用正方形、矩形，等腰三角形较合适。四、设计计算(一)、一般原则第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)四、设计计算(一)、一般原则第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)3、桩径：1)碎石桩：取决于施工设备的桩管大小和地基土条件，一般为0.7～1.0m；2)沉管法施工桩：一般为0.３～０.７m；3)振冲桩：直径一般为0.8～1.2m。4、材料要求：碎石料可使用砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等，这些材料可单独用一种，也可以粗细粒料以一定的比例配合使用。填料中含泥量≤5%，并且不含有粒径大于50mm的颗粒。5、垫层：垫层是基础的“保护层”。故桩体施工结束后，桩顶与基础间宜铺设300～500mm厚的碎(砂)石垫层，并振实。四、设计计算(一)、一般原则第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)6、桩长(加固深度)：取决于建筑物对地基的强度和变形条件等的设计要求以及地质条件(软土层的厚度、性能等)而定，砂土地基还应考虑抗液化的要求。主要注意四个方面：1）地基中松软土层厚度不大时。根据较好土层埋深确定。2）松软土层厚度较大时。按稳定性控制的工程，桩长不应小于最危险滑动面的深度；按沉降变形控制的工程，桩长应满足复合地基的沉降量不超过建筑物地基的容许沉降量。3）对于可液化地基，加固深度按要求的抗震处理深度确定。4）桩长不宜小于4m，砂桩的长度一般应达8-20m。四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算加固目的是提高地基承载力，减小变形及抗液化性等。因此，基本出发点是挤密。由此，要求我们确定密实度(rd)，孔隙度(e)，桩位布置，桩径(d)，间距(L)，桩体长或处理深度(H)。第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)假定在松散砂土中打入的砂石桩达到100%的挤密效果(即成桩过程中无隆起、下隆沉现象，加固土无损失)。设：A—单根桩所分担的加固面积；ΔV—加固处理后的土体体积变化量；V0—原砂土地基单位深度的平均体积，对应体重为G；VS—砂层固体颗粒单位深度的体积；L—桩距，处理前后重度g0、g1(对应孔隙比eo，e1)，h—为地基竖向变形，下沉时取正值，反之取负值，H为欲处理的天然土层厚度;Vv处理后空隙体积。四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算svosvVVeVVe.1(3-3-1)1、桩距L的确定第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)图3-3-1正方形桩位图3-3-2孔隙比变化示意图四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算则：处理前的体积：V0==Vs(1+e0)(3-3-2)处理后的体积：V1=Vs(1+e1)=V0-ΔV(3-3-3)00010111VVVeeVV(3-3-4)第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)HLeeeV20101(3-3-5)当桩位正方形布置时四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算hlhHdVd22)(4,又设桩径hHeeehHdL0101887.0当正方形时(3-3-6)hHeeehHdL010195.0:当等边三角形布置时(3-3-7)第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)桩径d与桩距L的关系四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算1001887.0eeedL当正方形时100195.0:eeedL当等边三角形布置时第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)按照规范给出的简化公式修正系数ξ用来考虑振动下沉密实作用，取值为1.1～1.21100ggG，VGV，由于处理前后体积如果转用重度表示)1(00eVVs正方形布置时011887.0gggdLdddccddLrrrgggmaxmax01195.095.0(3-3-8)(3-3-9)四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)——地基挤密前干密度；——桩间土最大干密度；——挤实后的平压实系数(取0.93)drmaxdrc)1(11eVVs四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算地基挤密后，要求达到的孔隙比e1，可按下式求得：)(minmaxmax1eeDeer这儿：emax、emin为砂土最大、最小孔隙比，按《土工试验方法标准》确定(GB/T50123)；Dr——地基挤密后要求达到的相对密实度(一般取0.7～0.85)。AAeee0110101qggg(3-3-10)第三章深层密实法第三节砂石桩(碎石桩)由式(3-3-5)可引伸出，单根桩(分担的加固面积为A)、单位长的填料量为q2、桩长四、设计计算(二)、用于砂性土地基的设计计算2)对松散土层较厚时。桩长不应小于地基稳定性分析所确定的危险滑动面以下2m的深度；对于按变形要求控制的工程，长度应满足处