第9章--碎石桩

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第9章碎石桩Chapter9StoneColumn9.1概论9.1Introduction在地基中设置由碎石组成的竖向增强体（或称桩体）形成复合地基达到地基处理的目的，均称为碎石桩法。按施工方法的不同，可分为（1）振冲碎石桩法；（2）干振挤密碎石桩法；（3）沉管碎石桩法；（4）沉管夯扩碎石桩法；（5）袋装碎石桩法；（6）强夯置换碎石桩法。碎石桩加固机理碎石桩加固地基原理是在地基中设置碎石桩体形成复合地基，以提高地基承载力和减少沉降。碎石桩桩体具有很好的透水性，有利于超孔隙水压力消散，碎石桩复合地基具有较好的抗液化性能。碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或租颗粒土桩。所谓散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。目前在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。碎石桩是散体桩的一种，按其制桩工艺可分为振冲(湿法)碎石桩和干法碎石桩两大类。采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩或湿法碎石桩。采用各种无水冲工艺(如干振、振挤、锤击等)制成的碎石桩统称为干法碎石桩。当以砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等为填充料制成的桩称为砂石桩。振动水冲法是1937年由德国凯勒公司设计制造出的具有现代振冲器雏形的机具，用来挤密砂土地基获得成功。20世纪60年代初，振冲法在德国开始用来加固粘性土地基，由于填料是碎石，故称为碎石桩，之后，在各国推广应用。我国应用振冲法始于1977年，在坝基、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基处理中，振冲法均已得到了广泛的应用。因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限制，且有软化土的作用。从80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生。如锤击法、振挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石柱置换法等。虽然这些方法的施工不同于振动水冲法，但是，同样可以形成密实的碎石桩，所以碎石桩的内涵扩大了。从制桩工艺和桩体材料方面也进行了改进，如在碎石桩中添加适量的水泥和粉煤灰(称为水泥粉煤灰碎石桩，即CFG桩)，或添加铝土矿湿泥等，使桩体获得一定程度的胶结强度。这种碎石桩按力学特性已属柔性桩，但是，按制桩工艺也属于法碎石桩的范畴。各种碎石桩只要制成的是以碎石科组成的桩体，均可称为碎石桩。各种干法碎石桩施工技术蓬勃发展，与湿法碎石桩并存，是碎石桩技术发展的特色之一。振冲碎石地基处理夯扩碎石桩•振冲碎石地基处理碎石振冲置换桩碎石桩地基处理采用振冲法在地基中设置碎石桩加固地基的方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的黏土、粉土、砂土、饱和黄土和人工填土地基。9.2振冲碎石桩法9.2VibroflotationStoneColumnMethod振冲法加固软粘土时，在制桩过程中，填料在振冲器的水平向振动力作用下挤向孔壁的软土中，从而桩体直径扩大。当这一挤入力与土的约束力平衡时，桩径不再扩大。显然，原土强度越低（即抵抗填料填料挤入的约束力越小），形成的桩体就越粗。但原土的强度过低，以致土的约束力始终不能平衡使填料挤入孔壁的力，那就始终不能形成桩体，这种方法就不再适用。振冲碎石桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：9.2.2复合地基承载力特征值等边三角形布桩正方形布桩矩形布桩s为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩间距，s1、s2分别为矩形布桩时的纵向桩间距和横向桩间距。skpkspkfmmff)1(22/eddmsde05.1sde13.12113.1ssde对小型工程的黏性土地基如无现场载荷试验资料，初步设计时复合地基的承载力特征值也可按下式估算：式中n为桩土应力比，在无实测资料时，可取2～4，原土强度低取大值，原土强度高取小值。skspkfnmf)]1(1[振冲碎石桩复合土层的压缩模量可按下式计算：式中Esp－－复合土层压缩模量（MPa）；Es－－桩间土压缩模量（MPa），宜按经验取值，可取天然地基压缩模量。n值当无实测资料时，对黏性土可取2～4，对粉土和砂土可取1.5~3，原土强度低取大值，原土强度高取小值。sspEnmE)]1(1[9.2.3振冲碎石桩振冲碎石桩是指利用振冲器成孔和制作的桩。振冲器构造如图：它是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机后，带动偏心轮，使振冲器产生高频振动，同时开动水泵，使高压水通过喷嘴喷射高压水流，在边振动边水冲的综合作用下，将振冲器沉到土中的设计预定深度，经过清孔后，就可从地面向孔中逐段填人碎石，每段填料均在振动作用下逐渐振挤密实，达到所要求的密实度后提升振冲器，如此重复填料和振密，直到设计预定的桩顶或至地面，从而在地基中形成一根大直径的很密实的碎石桩体。振冲器有两个功能，一是产生几十到几百kN的水平振动力作用于周围土体，二是从端部及侧面进行高压射水。振动力是加固地基的主要因素，射水协助振动力在土中钻进成孔，并在成孔后实现清孔和护壁。Stage1:ThejetatthebottomoftheVibroflotisturnedonandloweredintothegroundStage2:Thewaterjetcreatesaquickconditioninthesoil.ItallowsthevibratingunittosinkintothegroundStage3:Granularmaterialispouredfromthetopofthehole.Thewaterfromthelowerjetistransferredtohejetatthetopofthevibratingunit.ThiswatercarriesthegranularmaterialdowntheholeStage4:Thevibratingunitisgraduallyraisedinabout0.3-mliftsandheldvibratingforabout30secondsateachlift.Thisprocesscompactsthesoiltothedesiredunitweight.FromDas,1998振冲碎石桩一、干振挤密碎石桩法它与振冲挤密碎石桩的不同之处是不用高压水冲。主要适用于地下水位较低的非饱和黏性土、素填土、杂填土和二级以上非自重湿陷性黄土。二、沉管碎石桩法可分为管内投料重锤夯实法、管内投料振动密实法、先拔管后投料复打密实法。9.3其他碎石桩法9.3OtherGravelColumnMethods三、夯扩碎石桩法夯扩碎石桩法适用于非饱和土地基，对杂填土、素填土地基加固效果很好。四、袋装碎石桩法当天然地基土的侧限压力过小时，可采用土工织物将碎石桩包上，形成袋装碎石桩。它具有填料用量少，易于控制填料数量，桩身密实度较高，受力性能较好的优点，且土工织物袋能起到隔离、过滤保证排水固结并防止软黏土受压后挤入碎石孔隙的作用，特别适合于在高含水量、低强度的软黏土中应用。五、强夯置换碎石桩（墩）法该法为在地基中设置碎石墩，并对地基进行挤密，碎石墩与墩间土形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降。9.4碎石桩复合地基设计9.4DesignofGravelColumnCompositeGround1桩径可按每根桩所用的填料量计算，常为0.8~1.2m。桩径与成桩方法、成桩机械以及土质条件有关。2桩长桩长应根据软弱土层的性能、厚度或工程要求按下列原则确定：（1）当软土层不厚时，应穿透软土层；（2）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复合地基变形不超过地基容许变形值的要求；（3）对按稳定性控制的工程，桩长应不小于最危险滑动面的深度；（4）在可液化地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定；（5）桩长不宜小于4m。3布桩范围应根据建筑物的重要性和场地条件及基础形式而定。对一般基础，在基础外应扩大1～3排；对可液化地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。4桩间距应根据荷载大小和原土的抗剪强度确定，可用1.3～3.0m。5桩体材料可用碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料，含泥量不得大于5%，最大粒径不宜大于50mm。（1）对粉质黏土地基间隔时间可取21～28d，对粉土地基可取14～21d。（2）桩的施工质量可采用单桩载荷试验，检验数量为总桩数的0.5%，且不少于三根。桩体检验可用重型动力触探进行随机检验。对桩间土可用标准贯入、静力触探等进行检验。9.5质量检验9.5QualityVerificationTest（3）复合地基竣工验收，应采用复合地基载荷试验，数量不应少于总桩数的0.5%，且每个单体工程不应少于3点。思考题(Problems)（1）按施工方法不同，碎石桩分为哪几种？（2）振冲碎石桩复合地基的承载力如何计算？（3）振冲碎石桩施工质量如何控制？（4）振冲碎石桩复合地基如何进行质量检验？