碎石桩裹体桩法讲稿.doc

碎石裹体桩法处理软弱弱盐渍土地基实践与效果黄 明陕西长嘉实业发展有限公司（西安市 邮编：710038）1. 概述察尔汗盐湖位于柴达木盆地的中南部，盐湖东西长168公里，南北宽2040公里，总面积5856平方公里，自西向东分为别勒滩、达布逊、察尔汗、霍布逊四个区段。察尔汗意为蒙古语“盐的世界”。湖中储藏着500亿吨以上的氯化钠，可供全世界的人食用1000年。还出产闻名于世的光卤石，它晶莹透亮，十分可爱。伴生着镁、锂、硼、碘等多种矿产，工业盐资源极为丰富, 各类盐类矿物储量600多亿吨，其中，氯化钠555亿吨，氯化镁40亿吨，氯化钾1.45亿吨，氯化锂824.6万吨。钾、钠、镁、锂储量均居全国之首，所以称察尔汗盐湖是柴达木盆地里最璀璨的一颗明珠。 2003年位于察尔汗盐湖南侧察尔汗镇附近的青海盐湖工业集团100万吨钾肥项目装置建成投产，从此基本实现了国产钾肥的产业化，同时使察尔汗盐湖资源的开发也进入了一个新阶段。为可持续发展和资源综合利用，盐湖集团于2003年10月规划从原单一的氯化钾产品外又规划开发氢氧化钾、碳酸钾、硝酸钾、金属镁、无水氯化镁、氧化镁、PVC等产品，充分利用石油天然气和盐湖化工资源相结合向多种综合产品发展。将充分利用柴达木盆地良好的能源（石油、天然气、煤炭以及太阳能、风能等）、盐湖无机盐资源的有利资源，建设中国第一个盐湖资源和石油天然气资源结合的新型石油天然气盐化工基地。“十一五”期间，盐湖集团将在盐湖地区建设盐湖工业园区，形成钾盐、钠盐、气盐、镁盐、锂盐五大产业群，盐湖工业园区规划总占地面积达 （30）余 km2，是西北最大的化工基地。岩土工程勘察资料表明，规划建设盐湖工业园区域内，产业园区厂址都建筑在洪、湖积全新世超氯盐渍土上。本区的盐渍土是由含水量较高的粉质粘土和粉土互层组成，尤其表层土大多是饱和，可塑流塑状态，具有高压缩和触变性，不排水抗剪强度Cu20kPa,地基承载力地fak=80100kPa的盐渍土，属于软弱土地基。而这一层又是建筑基础的直接受力层，所以一般的建筑不能采用天然地基，必须经过人工处理以满足设计对地基承载力等参数的要求。又由于地基土是超氯盐渍土，它对混凝土和钢材具有强腐蚀性，排除了直接用水泥和钢材做材料的地基处理方法。正因为这层地基土是含卤水的粉质土，处于流塑软塑状态，灵敏度高，可夯性差，采用振动机具施工工艺必然破坏地基土的原状结构，不但需要较长的恢复期，其地基承载力提高有限；同时本区是以氯化物为主的盐渍土，地下水位浅（02米）对钢铁材料和水泥有强腐蚀性，因此又不能直接采用普通混凝土灌注桩、混凝土预制桩或水泥搅拌桩等桩型。在采用此裹体碎石桩法之前，大部分人工地基采用碎石桩或强夯方法，这两种方法都存在某些缺点，难以提高地基承载力和施工效率。针对软弱盐渍土的工程特性，我公司发明“在盐渍土地区用裹体桩进行地基处理的方法”，从2007年以来我们采用裹体碎石桩法处理地基这项新技术，现在已经在察尔汗盐湖地区盐渍土地基施工*平方米人工地基，取得良好的经济效益和社会效益，为青海盐湖工业集团节省10亿余元工程款，并提高工程施工速度和效率。碎石裹体桩设计思想主要是针对本区盐渍土的特性，一方面提高桩体强度、改善和提高盐渍土对桩周的径向支撑力，另一方面改善地基土的排水效果，加快地基土的固化速度和防液化能力。经过试验研究和大量工程实践证明：与碎石桩法相比能够较大幅度提高人工地基土承载力和强度，比碎石桩法的地基承载力特征值要提高50%100%。满足设计地基特征值小于200kPa各类建筑物要求。 “在盐渍土地区用裹体桩进行地基处理的方法”是陕西长嘉实业发展有限公司的专利技术（专利：ZL2007 1 0018257.X）。技术核心是将碎石桩包裹在高强度的土工布织袋中，土工布袋限制桩体中的碎石材料的侧向移动，提高桩体的完整性和强度，既增强桩体径向围限力，又改善桩周土的径向支持力，使基础的竖向荷载可以传递到桩体的深部，发挥整个桩体的支撑力，提高地基的承载力和强度；同时由于桩体完整，包裹的土工布袋透水性良好，加快地基土排水效果，快速提高地基土的强度。包裹桩体的土工布袋具有耐酸、耐碱、抗腐蚀、强度高、稳定性强、透水性好的特点，它是各项建设工程中被广泛应用的聚乙烯或聚丙烯高分子材料机织土工布袋，这种材料已广泛应用在水利、交通和建筑领域。裹体桩在盐渍土地基应用已列为青海省建设推广项目，青海省技术监督局和青海省住房和城乡建设厅已发布青海省工程建设地方标准：裹体碎石桩法处理地基技术规程DB63/t885-2010. 专利证书2裹体碎石桩法处理软弱盐渍土地基机理 如前所诉裹体碎石桩是在碎石桩法基础上发展起来的一种新技术，下面重点对比介绍它与碎石桩的地基加固机理的不同点。2.1.裹体碎石桩与碎石桩的破坏模式区别1)碎石桩破坏模式 碎时桩的桩间土为软粘性土和饱和粉土时，存在一个共性的问题是桩的径向支持力(围限压力)低。由于碎石桩是散体材料桩，受荷载后经常发生破坏，其破坏模式有以下三种：a)刺入式破坏（如1a）；b)整体剪体破坏（如1b）；c)鼓胀变形破坏（如1c）。在三种桩体破坏模式中a）、b）破坏模式不多见，c）鼓胀破坏模式普遍和大量存在，所不同的是破坏程度有所差别，鼓胀破坏主要取决桩间土的工程性质。 为什么鼓胀破坏模式经常发生，因为散体材料之间属于单粒结构，单粒之间没有粘聚力(c)，因此，它的成型和支承上部荷载的能力，均需依靠桩间（周）土对桩体的侧向约束作用，或者说桩体发挥桩的作用靠的径向支持力。因此，欲获得高的或较高的复合地基承载能力，关键在于提高桩体的径向支持（Pr）。 桩体除了作为地基的一部分外，还具有支撑作用。对软弱的盐渍土来说，后者的作用大于前者。因此解决和调整好侧向鼓胀变形，是实现提高复合地基承载力和减少地基变形的重要因素和条件。而裹体碎石桩正是针对碎石桩存在鼓胀变形而发展起来的。裹体碎石桩在土工布袋的限制下桩体的径向支持力，将成倍的高于碎石桩，不仅成桩质量可靠，桩体密度明显高于碎石桩。因而，裹体碎石桩复合地基承载力成倍的高于碎石桩。有关裹体碎石桩作用机理如图2所示。 1 碎石 2土工布袋 3径向支持力 4 桩周土作用力 5排、导水图2 裹体碎石桩的作用机理2.2裹体碎石桩施工质量与碎石桩对比 碎石桩在软弱土地基中施工会形成四种桩体类型，如图3. 发生b)、c)和d)三种成桩质量问题，会极大地降低碎石桩的作用，承载能力锐降，达不到桩在复合地基中起到地预期效果。造成缩颈、断桩或错位的共同原因，完全是因为桩周土处于软流塑状态，强度低，因而缩孔、坍孔，很难保证成桩质量。保障碎石桩体成理想型桩较为困难。 实践证明早年施工的钾肥厂某些车间厂房地基是用干振碎石桩法，地基承载力提高有限，主要原因是发生b)、c)和d)三种形式，成桩质量低等。其本质是软弱地基土径向支持力偏低，桩孔缩颈等所导致的结果。裹体碎石桩，由于具有特定施工的机械和工艺，既能够保证成桩质量，同时还会有效地提高桩的径向支持力，因此，很少发生像碎石桩的b)、c)和d)三种破坏模式，所以最终能取得优于碎石桩的技术和经济效果。2.3 振冲碎石桩破坏桩周土天然结构 振冲碎石桩检测结果显示，fspk仅为100kPa110kPa 。除了前述的原因之外，还有本区浅层盐渍土渗透性较小、灵敏度（St=Cu/Cl）达到3.13.6，属于灵敏度较高的土。成桩过程中产生的超孔隙水压力不能迅速消散，不仅挤密效果极差。相反却又破坏了地基的天然结构，使土的抗剪强度降低。桩间土承载力受损，也直接影响到复合地基的强度。 而裹体碎石桩属于排土桩，不存在振冲挤密作用，对桩间土的天然结构不发生干扰和破坏。2.4碎石桩和裹体碎石桩的径向支持力碎石桩承载力偏低，处理加固后承载力值提高不大，除成桩质量难以控制外，其主要原因是桩周土松软，桩体的径向支持力小，基础的压力不能由桩体向深部传递，就出现桩体顶部发生鼓胀破坏，这是复合地基承载力低的主要原因。如何提高径向支持力，或许有众多方法，但对于盐渍土地基的化学性质复杂，腐蚀性强。裹体碎石桩法就是选择既抗酸、抗碱、耐腐蚀和高强度的高分子土工合成材料，同时抗拉强度比较高成型的土工织布袋将碎石桩包裹起来，实现提高桩体的径向支持力。已如前述，裹体碎石桩是针对碎石桩散体单粒结构，承受荷载后产生超过允许的径向变形，引起桩周盐渍土产生被动抗力。而桩周土强度过低（Cu20kPa），不能使碎石桩得到所需的径向支持力，桩体就会产生鼓胀破坏。这样就便造成了对地基加固效果不佳。为此，我公司研发了增强桩身强度的方法，即将碎石桩用高强度的土工布袋包裹起来，克服散体碎石桩的工程缺点，形成比碎石桩地基承载力高的裹体碎石桩复合地基。因此，裹体碎石桩法是碎石桩法的延伸和发展，其基本理论和作用机理碎石桩虽然基本相似，但是，在软弱盐渍土地基加固处理是碎石桩法的革命。碎石桩复合地基鼓胀破坏,是由于桩周土对桩的径向支持力(Pr)(也叫径向围限力)偏低.桩体鼓胀破坏区在桩顶附近,该破坏段的具体长度(h)和(Pr)的理论公式计算,分别为式(1)和式(2)。h=2rptanp (1)式中, rp为桩半径; p=(/2)+(p/2), p为桩体材料内摩角Pr=Ks(s+rh/2)+2csKs（1/2） (2)式中, Ks=tan2(45+s/2); s, Cs, 分别为桩周土的内摩角、粘聚力和重度;s为桩间土顶面压力.碎石桩的h和Pr值计算参数 r=1.9g/cm3 CS=8.2kPa s=7.5度 s=25kPa rp=400mm碎石桩 d=500mm L=6.0m8.0m 得 h=290mm Pr=14.3 kPa裹体碎石桩h和Pr值计算参数 rp=100mm s=80度 d=200mm L=4.0m 得 h=23.8mm Pr=55 kPa两种碎石桩h、Pr数值对比分析 根据理论公式(3) 、(4)计算数据和大量实测经验数据,做如下简要讨论.a)h段长度,根据有关文献报导,碎石桩实测数值变化在2d、3d之间.b)计算值:碎石桩h=290mm, d=500,则h相当于3.6 d; 裹体碎石桩的h=23.8mm, d=200, h相当于1.2d.c)对比与分析碎石桩的h远大于裹体碎石桩,造成如此悬殊的原因,是碎石桩体的碎石密度低,实测桩顶部一段的N63.510,相当于松散到稍密状态.密实度低的原因,是桩周土松散(Cu60 kPa之后，两种曲线簇开始出现差别，天然地基曲线斜率小，变形量小；而碎石桩桩间土斜率大，变形量大。显示出天然地基性能优于振冲碎石桩桩间土。出现差异原因是碎石桩在成桩进行过程中挤压（密）桩间土时，天然结构受到扰动所致。与孔隙水压力的作用无关，因为桩间土载荷试验是在成桩数月之后做的试验。2.7影响碎石桩单桩极限承载力的因素影响碎石桩极限承载力的因素，有以下三个方面：桩体材料内摩角的影响桩体材料的（或用紧密度表达）、桩径、桩周土的径向支持力等。如果把这几项假设均为常数保持不变，则可得桩体材料内摩角对单桩极限承载力的影响曲线，如图6所示。由图6可以看出，单桩极限承载力随桩体材料内摩角的增大而增大。当内摩角/6增加到/4时，单桩极限承载力增加近2倍。因此，提高桩体材料的内摩角是提高散体材料桩复合地基承载力的有效途径。桩体径向支持力对单桩极限承载力的影响 如果保持桩体材料的桩径不变，则可得桩体的径向支持压力对单桩极限承载力的影响，如图7所示。由图7可以看出，单桩极限承载力随桩周土对桩的径向支持力的增大而迅速增大。因此提高桩周土对桩体的径向支持力，也是提高散体材料复合地基的最有效途径。桩体材料粘聚力（C）对单桩极限承载力的影响如果保持桩体材料的内摩角、桩周土对桩的径向支持力、桩径不变，则可得到桩体材料的粘聚力对单桩极限承载力的影响曲线，如图8所示。目前，工程上的采用单桩承载力计算公式，都未考虑桩体材料粘聚力的影响，认为散体材料的粘聚力为0。通过试验发现：裹体碎石桩中的碎石散体材料制成的桩，其粘聚力大于8kPa左右。若粘聚力从0增加到约8kPa，则单桩极限承载力又将提高8%以上。3.裹体碎石桩的施工工艺裹体碎石桩施工主要采用长螺旋钻机施工桩孔，用长螺旋钻机取土施工桩孔，可以减少了对地基桩间土的扰动，减少破坏原状地基土的承载力，能充分利用原地基土的承载力与桩体共同组成复合地基承载力。因为本区地基上层土大部分处于软塑流塑状态，只能采用跟管钻进才能形成桩孔，在套管内下入土工布袋和投满碎石。工艺流程如下：提 起 钻 具钻 进 取 土钻 机 定 位下入土工布袋向袋内投入石料放下钻具压实裹体桩钻具压实裹体桩、提起外套管单 根 桩 形 成 图9工艺流程 4.裹体碎石桩法处理盐渍土软弱地基优点裹体碎石桩法处理地基技术与碎石桩复合地基比较，地基承载力的特征值会大幅度提高，同时通过碎石垫层既能够减少承台底面应力集中，调整桩、土荷载的分担，对桩、土共同承担基础荷载起着明显的作用。裹体碎石桩处理盐渍土软弱地基可以保证桩体完整和施工质量，同时可以节约碎石填料的20%左右，既合理又经济，且施工简单，成桩质量高，与同类地基处理方法相比可以将地基承载力特征值提高一倍，由于长螺旋钻机成孔可以减少对原地基土结构破坏，缩短地基土施工后恢复期，在时间上充分发挥投资经济效益。5. 碎石裹体桩法处理盐渍土地基施工质量控制和检测依据碎石裹体桩法处理地基技术是青海省建设推广新技术，施工主要依据青海省技术督局青海省住房和城乡建设厅发布的青海省工程建设地方标准裹体碎石桩法处理地基技术规程DB63/t885-2010.同时裹体碎石桩处于散体桩和柔体桩之间的一种新桩型，为此我们借鉴了建筑地基处理技术规范的砂石桩法和水泥粉煤灰碎石桩法的相关规定，依据建筑地基基础设计规范BG 500072002和建筑地基处理技术规范JGJ792002相关条文。在察尔汗盐湖地区青海盐湖集团的二期综合利用工程地基处理上广泛使用，经过沉降观测和工程实践证明是可行的，取得良好的经济效益和社会效益。6. 碎石裹体桩法处理盐渍土地基加固效果的检验碎石裹体桩法适合于加固本区粉土和粉质粘土组成盐渍土。加固方法是按一定间距在盐渍土地基中满堂布置裹体碎石桩体，装碎石裹体桩体与盐渍土地基共同组成一个复合地基，它的承载力比原地基土高，压缩性比原地基土小。加固效果的检验主要采用多桩复合地基静载荷试验。6.1.载荷试验类型对复合地基处理效果的检测大多数采用多桩复合地基载荷试验，较少检测单根桩体和单桩复合地基。在施工中检测单桩或单桩复合地基只是作为监控地基处理施工质量。在本区选用覆盖4根桩体的复合地基载荷试验，承压板采用大于100厚钢板加工成不变形的承台板，其面积大小应为四根桩所承担的地基处理面积，因为场地采用正三角形方案布桩，所以采用正方形覆盖四根桩体承压板。6.2.载荷试验要点6.2.1.恢复期虽然施工过程中虽然用长螺旋钻机成孔比振动成孔对地基土扰动小，但是由于施工机具活动，对地基土表层结构和构造的仍会有扰动，使其强度暂时降低。本区上层是饱和的盐渍土地基，经过扰动即会产生较高的超孔隙水压，超孔隙水压消散以后地基土强度才能恢复，一般施工完成34周以后即可以进行静载荷试验。6.2.2.试验（1）承压板底面高程：承压板底面高程应于建筑物基础底面相同，因为碎石裹体桩法复合地基设计有300的垫层，试验时将承压板直接放在垫层顶面（基础底面设计高程）上，在底面铺设50的中粗砂找平层，使承压板保持水平。图3 复合地基载荷试验示意图（2）加荷：总加荷量是设计要求值的2.2倍，荷载分级等量施加，分成810级。规范规定：“当1小时内沉降量小于0.1时，即可施加下一级荷载”；本区天然地基是由饱和的粉质粘土和粉土互层组成的盐渍土，加压后地基土产生超孔隙水压，稳定时间长，达到在1个小时内沉降量小于0.1需要较长时间，我们依据有关资料确定1个小时内沉降增量小于0.25时即可施加下一级荷载。所测的的结果与长时间（一周）观测取得资料基本一致。（3）读数：加荷前、加荷后各读一次。以后每隔0.5小时读一次数，当读数变化小时可以个1个小时读一次数。（4）终止试验条件：试验过程中出现下列现象之一时可以终止试验。 承压板突然下沉，地基土被挤出或压板周围出现明显裂缝； 累计沉降量已超过0.1b或0.1D（b为压板的宽度或直径）； 最大加载压力已经大于设计要求压力值的2倍。（5）卸荷：分3级等量卸荷，每级读回弹量，直至变形结束。6.2.3.复合地基承载力特征值的确定 在盐湖地区复合地基静载荷试验检测进行数百组，由于本区的地基土特性很难找到明显的比例界限点和极限值。大量的复合地基载荷试验的资料表明，压力（P）和沉降（S）的关系线是一条平缓的曲线，较少有明显的拐点，相邻两级压力所对应的沉降量之比亦无明显的规律。我们依据建筑地基处理技术规范JGJ 79-2002和国外对天然地基标准载荷试验多数按控制变形方法确定容许承载力资料。在本区采用沉降比，即S/b或S/D（S是沉降量，b和D分别是压板的宽度或直径）确定复合地基承载力。本区天然地基土主要是饱和的粉质粘土和粉土互层盐渍土，我们采用s/b=0.02沉降比确定复合地基承载力标准值。对建筑物沉降观测和工程实践表明安全合理。对于碎石裹体桩法的复合地基较少采用动力触探检查桩体的密度，因为动力触探头容易挫破土工布袋，如果做动力触探检验只能在试验施工时地段进行，在工程中不宜大量采用。6.2.4 载荷试验实例 青海盐湖工业集团综合利用项目二期PVC配电楼，地基面积860，设计要求复合地基承载力标准值为180kPa，采用碎石裹体桩复合地基。 桩位布置采用正三角形，有效桩长4.00m，桩径400，行距1