第四章砂桩

第四章砂桩（sandpile）第一节概述砂桩也称为挤密砂桩或砂桩挤密法。是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后将砂再挤入土中，形成大直径的密实砂柱体的加固地基的方法。砂桩属于散体桩复合地基的一种。砂桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不严的工程也可采用砂桩置换处理。根据国内外砂桩的使用经验，可适用在下列工程：⑴中小型工业与民用建筑；⑵港湾构筑物，如码头、护岸等；⑶土工构筑物，如土石坝、路堤等；⑷材料堆置场，如矿石场、原料场；⑸其它，如轨道、滑道、船坞等。砂桩在19世纪30年代源于欧洲，最早于1835年由法国工程师设计，用于在海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。当时，设计桩长为2m，直径只有0.2m，每根桩承担荷载10kN。制桩方法是在土中打入铁钎，拔出铁钎，然后在形成的孔中填入砂。此后，在很长时间内由于缺乏先进的施工工艺和施工设备。没有较实用的设计计算方法而发展缓慢。直到20世纪50年代，砂桩在国内外才得以迅速发展，施工工艺才逐步走向完善和成熟。在20世纪50年代后期，日本成功研制了振动式和冲击式的砂桩施工工艺，大大提高了工作效率和施工质量，处理进度很快由原来的6m增加到30余m。砂桩在我国的应用也始于50年代。起初，砂桩法用于处理松散砂土和人工填土地基的，视施工方法不同，又可分为挤密砂桩和振密砂桩两种，其加固原理是依靠成桩过程中对周围砂层的挤密和振密作用，提高松散砂土地基的承载力，防止砂土振(震)动液化。现在，在软弱粘性土地基上的应用也已取得了一定的经验。因为软弱粘性土的渗透性较小，灵敏度大，成桩过程中产生的超孔隙水压力不能迅速消散，挤密效果较差，而且因扰动而破坏了土的天然结构，降低了土的抗剪强度。根据国外的经验，在软弱粘性土中形成砂桩复合地基后，再对其进行加载预压，以提高地基强度和整体稳定性，并减少工后沉降。国内的实践也有砂桩处理后的软弱粘性土地基在载荷作用下仍发生大的沉降的事例，如不进行预压，砂桩施工后的地基在荷载作用下仍有较大的沉降变形，对沉降要求较严的建筑物难以满足要求。因此，采用砂桩处理饱和软弱钻性土地基应根据工程对象区别对待，通过现场试验来确定地基处理方法。我国在1959年首次在上海重型机器厂采用锤击沉管挤密砂桩法处理地基，1978年又在宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场地基。这两项工程为我国在饱和软弱粘性土中采用砂桩地基处理方法取得了丰富的经验。近十多年来，砂桩法在我国工业与民用建筑、交通和水利工程建设中得到了广泛的应用。工程实践表明，砂桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基，其挤密(或振密)效果较好，不仅可以提高地基的承载力、减少地基的固结沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震所产生的液化。砂桩处理饱和软弱粘性土地基时，主要是置换作用，可以提高地基承载力和减少沉降，同时，还起排水通道作用，能够加速地基的固结。第二节砂桩的加固机理一在松散砂土中的加固机理砂桩加固砂性土地基的目的主要有：提高桩和桩间土的密实度，从而提高地基的承载力，减小变形、增强抗液化能力。砂桩加固松散地基抗液化和改善地基力学性能的机理主要有以下三个方面：㈠挤密作用松散砂土地基属单粒结构，是典型的散粒状体，单粒结构可分为松散和密实两种极端状态。密实的单粒结构，其颗粒之间的排列已接近稳定状态，在动(静)荷载的作用下不会像松散结构一样产生较大变形；疏松单粒结构的松散砂土地基，其颗粒之间存在较大的孔隙，颗粒位置不稳定，在动(静)荷载的作用下很容易产生位移，因而产生较大的沉降，特别是在振动力作用下更为明显（体积可减小20％）。另外，砂土地基的承载力和抗液化能力也随其密实度的变化有很大差别，密实砂土地基承载力和抗液化能力达最佳状态，随着密实度的减小，其承载力和抗液化能力也随之减小或减弱。所以，松散砂土地基只有经过处理才能作为建筑物地基。而中密状态砂类土的性质介于松散和密实状态之间。1978年，日本宫城地震，油罐区地面加速度约为0.185g，采用水力冲填的粉砂地基广泛地出现液化，大量油罐倾斜；然面其中有3个6000t的油罐，地基采用了挤密砂桩处理，挤密砂桩的间距为1.8m的三角形布置，桩径为0.7m，加固深度为15.5m，加固范围宽出罐周2.8m，加固前后地基土的标贯值分别为5和15。成功地接受了强烈地震的考验，砂桩的抗液化能力是显而易见的。我国对地震区的广泛调查和室内试验可以证明这一点。无论采用哪一种施工工艺都能对松散砂土地基产生较大的挤密作用，挤密砂桩的加固效果是：⑴使砂土地基挤密到临界孔隙比以下，以防止砂土在地震或其它原因受振时发生液化；⑵由于形成强度高的挤密砂桩，提高了地基的抗剪强度和水平抵抗力；⑶加固后大大减少了地基的固结沉降；⑷由于施工的挤密作用，使砂土地基变得十分均匀，地基承载力也大幅度提高。㈡排水减压作用对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩并趋于密实，在砂土无排水条件时，体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，当向上的超静孔隙水压力等于或大于土中上覆土的自重应力时，砂土的有效应力降为零时便形成了砂土的完全液化。而砂桩加固砂土时，桩孔中充填的粗砂(碎石、卵石、砾石)等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超静孔隙水压力的增高和砂土的液化。在地基中形成的砂桩，大大缩短了土中超静孔隙水的排水路径，加快了地基土的排水固结。我国北京官厅大坝下游坝基中细砂地基位于8°地震区，天然地基e0.615，N12，rD53％，经分析8°地震时将液化，采用2m孔距振冲挤密加固后，e0.5，N34～37，rD80％，地基的孔隙水压力比天然地基的降低了66％。㈢砂土地基预震作用砂(石)桩在成孔或成桩时，强烈的振动作用，使填入料和地基土在挤密和振密的同时，获得了强烈的预震，对增加砂土抗液化能力是极为有利的。美国H．B．seed等人(1975)的试验表明rD54％，受到预震作用的砂样，其抗液化能力相当于相对密度rD80％的未受到预震的砂样。也就是说，在一定循环次数的作用下，当两个试样的相对密度相同时，要造成经过预震的试样的液化，所需施加的应力要比施加于未经预震的试样的应力高46％。由此可知，砂土液化的特性除了与土的相对密度有关外，还与其振动应力历史有关。如：在震冲法施工中，振冲器以每分钟1450次的振动频率、98sm的水平加速度和90kN的激振力喷射沉入土中，施工过程使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，这对砂土地基的抗液化能力是极为有利的。有资料介绍，在1964年日本新泻发生7.7级地震时，大部分砂基发生液化，震害严重；而现场调查结果表明，地基采用了振冲处理的2万2m的油罐厂房基本没有破坏，基础仅下沉了20～30mm，同一地点相邻的几个厂房，虽然已打了深7m、直径约0.3m的钢筋混凝土摩擦桩，并打到了N20的土层上，但还是发生了明显的沉陷和倾斜。另外，未经处理的建筑物都遭到了严重的破坏。二在软弱粘土中的加固机理砂桩在软弱粘性土地基中，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土体的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性能。㈠置换作用对粘性土地基，特别是软弱粘性土地基，其粘粒含量高，粒间应力大，并多为蜂窝结构，渗透性低，在振动力或挤压力的作用下，土中水不易排走，会出现较大的超静孔隙水压力，扰动土比具有同密度同含水量的原状土，其力学性能会变差。所以，砂桩对饱和粘性土的地基的作用不是挤密加固作用，甚至桩周土体的强度会出现暂时的降低。砂桩对粘性土地基的作用之一是密实的砂桩在软弱粘性土中取代了同体积的软弱粘性土（置换作用），形成复合地基。载荷试验和工程实践表明，砂桩复合地基承受外荷载时，发生压力向刚度大的桩体集中的现象，使桩间土层承受的压力减小，沉降比相应减小。砂桩复合地基与天然的软弱粘性土地基相比，地基承载力增大率和沉降减小率与置换率成正比。据日本的经验，地基的沉降减小率为0.7～0.9。我国的淤泥质粘性土中形成的砂桩地基的载荷试验表明，在同等荷载作用下，其沉降可比原地基土减小20％～30％。㈡排水作用如前所述，软弱粘性土是一种颗粒细、渗透性低且结构性较强的土，在成桩的过程中，由于振动挤压等扰动作用，桩间土出现较大的超静孔隙水压力，从面导致原地基土的强度降低。有工程实测资料表明，制桩后立即测试可知：桩间土含水量增加了10％、干密度下降了3％、十字板强度比原地基土降低了10％～40％。制桩结束后，一方面原地基土的结构强度逐渐恢复；另外，在软粘土中，所制成的砂桩是粘性土地基中一个良好的排水通道，砂桩可以和砂井一样起排水作用，大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速了软土的排水固结，加快了地基土的沉降稳定。加固结果使有效应力增加、强度恢复并提高，甚至超过原土强度。以《地基处理手册》中介绍的上海宝山钢铁总厂的对比试验为例来说明砂桩在粘性土中的处理效果。在载荷板面积影响范围内，饱和的粉质粘土和淤泥质粉质粘土，当荷载约为160h时，砂桩复合地基沉降稳定时间为69～70h，而天然地基的稳定时间为190h，这说明砂桩促进地基固结沉降有十分显著的作用。㈢加筋作用如果软弱土层不大，则桩可穿透整个软弱土层达到其下的相对硬层上面，此时，桩体在荷载作用下就会产生应力集中，从而使软土地基承担的应力相应减小，其结果与天然地基相比，复合地基的承载力会提高、压缩会减小、稳定性会增加、沉降速率会加快、还可用来改善土体的抗剪强度，加固后的复合桩土层还能大大改善土坡的稳定，这种加固作用就是通常所说的“加筋法”。㈣垫层作用如果软弱土层较厚，则桩体不可能穿透整个土层，此时，加固过的复合桩土层能起到垫层作用，垫层将荷载扩散，使扩散到下卧层顶面的应力减弱并使分布趋于均匀，从而提高地基的整体抵抗力，减小其沉降量。综上所述，砂桩无论对砂类土地基还是对粘性土地基，均有如下加固作用：挤(振)密作用、排水减压作用、砂基预震作用、置换、排水固结、复合桩土垫层作用及加筋土作用。通过以上加固作用，可以达到提高地基承载力、减小地基沉降量、加速固结沉降、改善地基稳定性、提高砂土地基的相对密度、增强抗液化能力等目的。第二节砂桩的设计一加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件及基础形式而定。二桩位布置对大面积满堂处理，桩位宜用三角形布置，对于独立或条形基础，桩位宜采用正方形或矩形布置。三加固深度取决于软弱土层的性能、厚度或工程要求，其原则：★当软土层不厚时，应穿透软土层；★当软土层较厚时，对按变形控制的工程，加固深度应满足砂桩符合地基变形不超过地基容许变形值并满足下卧层承载力的要求，对于按稳定性控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面以下2m的深度；★在可液化地基中，加固深度应按要求的抗震处理深度确定；★桩长不宜小于4m四桩径置换率、成桩方法、施工机械能力，在饱和软弱粘性土中尽可能采用较大直径，国内一般采用0.3～0.8m，国外最大达2m。五桩距应通过现场试验确定，初步设计时，也可按下列公式估算：★砂土和粉土地基：可根据挤密后要求达到的孔隙比e1来确定。等边三角形布置时：教材27页公式4.2-6正方形布置时：教材27页公式4.2-5★粘性土地基等边三角形布置时：教材30页公式4.2-12正方形布置时：教材30页公式4.2-13第三节砂桩的施工砂桩的施工方法和相应的机械多种多样，可根据施工条件选用。通常采用的施工方法有振动成桩法、锤击成桩法。一振动成桩法㈠施工机械通常振动挤密砂桩的施工机械包括以下几部分：振动机、进料槽、振动套管等组成的振动打桩机；吊钩、减振器悬挂在中间，可沿着导架上下移动；套管的下端装有底盖和排砂活瓣。为了使砂能有效地排出或套管容易打入，对于重复压管法成桩的打桩机上，还装有高压空气(或水)的喷射装置。其配套的机械有：起重机、装砂机、空压机、施工管理仪器等。㈡施工工艺振动挤密砂桩的成桩工艺就是在振动机的振动作用下，把带有底盖或排砂活瓣的套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密了套管周围的土体