地基处理 第四章砂桩和第五章石灰桩.ppt

第四章砂桩 砂桩是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后 再将砂挤入土中 形成大直径的密实柱体 砂桩适用于松散砂土 人工填土 粘性土 粉土和杂填土等地基 以提高地基的强度 减少地基的压缩性 或提高地基的抗震能力 以防止饱和松散砂土地基的振动液化 对加固饱和软弱土地基则应慎重 如果建筑物以变形为控制条件 则砂桩处理后的软弱地基需经预压 以消除沉降后才可作为建筑物地基 否则难以满足建筑物对沉降的要求 根据国内外的使用经验 砂桩适用于中小型工业与民用建筑物 散料堆场 码头 路堤 油罐等工程的地基加固 4 1砂桩的加固机理一 在松散砂土中的加固机理砂土属单粒结构 可分为疏松和密实两种极端状态 密实的单粒结构 颗粒间的排列已接近最稳定状态 在动 静 荷载下 一般不再产生大的变形 而疏松的单粒结构 颗粒间孔隙大 颗粒位置不稳定 在动 静 荷载作用下容易产生位移 因而会产生较大的沉降 特别在动荷载作用下更为显著 可减少20 因此必须经过人工处理后才可作为建筑物的地基 在砂桩的成桩过程中 因采用振动或冲击方法 桩管对周围砂土产生很大的横向挤压力 将地基中等于桩管体积的砂挤向周围的砂层 这种强制挤密使砂土的相对密度增加 孔隙比降低 干密度和内摩擦角增大 土的物理力学性能得到改善 地基承载力大幅度提高 一般可提高2 5倍 当砂土地基被挤密到临界孔隙比以下时 还可防止砂土振动液化 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起置换作用和排水作用 这样形成的复合地基 可提高地基的承载力和整体稳定性 1 置换作用粘性大多为蜂窝结构 在成桩过程中受扰动后 比具有相同密实度和含水量的原状土的力学性质会降低 不仅很难起到挤密加固作用 甚至会使桩周土体强度出现暂时降低 所以砂桩加固软弱地基主要利用砂桩本身的强度形成复合地基 提高地基的承载力和地基的整体稳定性 2 排水作用一般软弱地基土的渗透性很小 渗透系数多在1 10 7 1 10 4cm s范围内 在软弱地基中设置砂桩后 减少了软弱地基土的的排水距离 加快了固结速率 有助于地基土强度的提高 4 2砂桩的设计与计算一 加固范围加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件确定 通常砂桩挤密地基的宽度应超出基础的宽度 每边放宽不应少于1 3排 当砂桩用于防止砂层液化时 每边放宽不宜小于处理深度的1 2 并不应小于5m 当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化层时 每边放宽不宜小于液化层厚度的1 2 并不应小于3m 二 桩位布置砂桩最常用的布置方式有等边三角形和正方形两种 对于砂土地基 砂桩主要起挤密作用 采用等边三角形更有利 可使地基挤密较为均匀 对于软粘土地基 采用正方形或等边三角形均可 三 砂桩直径砂桩直径可根据成桩方法 施工机械能力和置换率确定 多采用300 800mm 对饱和粘性土地基宜选用较大的直径 四 砂桩长度砂桩长度应根据软弱土层的性能 厚度或工程要求按下列原则确定 综合确定 1 当软弱土层厚度不大时 砂桩应穿过软弱土层 以减少地基变形 2 当软弱土层厚度较大时 对按稳定性控制的工程 砂桩长度应不小于最危险滑动面以下1m 一般为1 5 2 0m 深度 对按变形控制的工程 砂桩长度应满足砂桩复合地基沉降量不超过建筑物地基容许沉降量要求 并满足地基软弱下卧层强度要求 3 在可液化地基中 桩长应穿透可液化层 或按国家标准 建筑抗震设计规范 的有关规定执行 砂桩桩长不宜小于4m 五 桩距计算砂桩在砂性与软弱粘性土中桩距计算方法有差别 通常桩距是通过现场试验确定 如无现场试验资料 也可采用计算方法进行估算 一 砂性土地基中桩距设计当前砂性土地基中桩距设计方法主要有二种 第一种方法假定挤密后土体颗粒增多而体积不变 由加固后要求的孔隙比计算出砂桩的间距 第二种方法是以灌砂率为参数 绘出天然地基标贯值 砂桩地基桩土间标贯值之间关系曲线 借以求出砂桩间距和灌砂量 1 根据孔隙比要求设计设砂桩的布置如图4 2 1所示 假定在松散砂土中打入砂桩能起到100 的挤密效果 即成桩过程中地面没有隆起或下沉现象 被加固的砂土没有流失 设一根砂桩所分担的加固面积为A 桩截面面积为Ap 桩距为L 单位深度灌砂量为q 原砂土地基单位深度的平均体积为Vo 其中砂固相颗粒体积为Vs 见图4 2 2 无粘性土紧密状态指标 相对密度 然而 由于砂土的密实度还与砂粒的形状 粒径级配有关 比如 疏松的级配良好的砂土的孔隙比 有时要比紧密的颗粒均匀的砂土的孔隙比小 因此仅采用天然孔隙比作为砂土紧密状态的分类指标缺乏概括性 新规范规定 砂石桩的间距应通过现场试验确定 对于粉土和砂土地基不宜大于砂石桩直径的4 5倍 对于粘性土地基不宜大于砂石桩直径的3倍 也可按以下公式进行估算 砂土地基和松散粉土地基可根据挤密后要求达到的孔隙比e1来确定 式中s 砂石桩的间距 Dr1 地基处理后要求达到的相对密度 可取0 7 0 85 e1 地基处理后要求达到的孔隙比密度 修正系数 当考虑振动下沉密实作用时 可取1 1 1 2 不考虑振动下沉密实作用时 可取1 0 第五章石灰桩石灰桩是指用人工或机械在地基中成孔后 灌入生石灰块 或在生石灰块中掺入适量的水硬性掺合料 如粉煤灰 火山灰等 经振密或夯压后形成的桩柱体 用石灰桩加固软弱地基 不同的土质会产生不同的加固效果 如果被加固土的渗透系数太小 不利于软土脱水固结 如果被加固土的渗透系数太大 石灰难以密实 根据国内外的工程经验 石灰桩适用于处理杂填土 素填土 饱和粘性土 淤泥质土和淤泥等 5 1石灰桩的加固机理 5 1石灰桩的加固机理石灰桩的加固机理可从桩间土 桩身和复合地基三个方面进行分析 一 桩间土1 成孔挤密作用如果石灰桩施工是采用振动沉管法成孔 则会对桩间土产生挤密作用 其挤密效果与石灰桩的置换率 土质情况 上覆土压力及地下水状况等有关 但对灵敏度高的饱和软粘土 成桩过程会破坏土的结构 这样不仅不会挤密桩间土 还会降低土的强度 另外 对饱和软粘土 成桩后地面会隆起 更使挤密效果减弱 若用人工成孔或钻孔施工方法成孔 就不存在挤密作用 2 吸水 升温和膨胀作用由于水化反映过程要吸收较多的水 并产生升温汽化现象 使地基中含水量下降 孔隙比减小 桩间土抗剪强度得到提高 提高的幅度与置换率有关 若采用10 的置换率 当石灰吸收的水全部是土孔隙中的水时 则土的平均失水量约为8 9 若石灰桩间距为3倍的桩径 采用正三角形布置时 置换率约为9 实测土的失水率为5 地基土降低5 9 的含水量 只能使土的承载力提高15 20 因此 吸水升温而提高的承载力的一般幅值为15 20 生石灰水化时 对桩间土产生较大的挤压力 使桩间土密实度提高 这将有助于提高地基的强度 3 胶凝及离子交换作用粘土颗粒表面带负电 从而由吸附作用形成一个扩散双电层 扩散双电层的存在使土具有可塑性 扩散双电层越厚 土的抗剪强度越小 生石灰水化反应过程中产生的二价钙离子 Ca2 与扩散双电层中的一价离子Na k 发生离子交换作用 交换的结果使扩散双电层变薄 粘土颗粒间的结合力增强形成团粒结构 从而使土的塑性减小 抗剪强度提高 粘土中的二氧化硅和氧化铝与水化过程中产生的Ca OH 2发生化学反应 生成水化硅酸钙 水化铝酸钙等水化产物 与粘土颗粒粘在一起形成网状结构 增强了颗粒间的联结作用 改善了土的物理力学性能 由于上述作用 往往在石灰桩周围形成一圈2 10cm厚的硬壳层 三 复合地基石灰桩复合地基承载力由三部分构成 桩身强度 桩间土 桩周形成的硬壳层 由于硬壳层的形成需要一个长期过程 在设计时一般不作考虑而作为安全贮备 根据国内外实测数据 石灰桩复合地基的桩土应力比一般为2 5 5 0 要提高复合地基的承载力可从两方面着手 即提高桩身强度与增加桩间土的加固效果 但应注意 桩间土的承载力应协调 既要保证桩身有较大的强度 又没必要过大增大桩身强度 桩身吸水量的增加有助于改善桩间土的物理力学性能 但吸水量过多又使桩身强度降低 为使两者兼备有时必须采用较大的置换率 因此在提高复合地基承载力时要进行综合考虑 确定桩间土强度 桩身强度和造价之间的最优关系 1 提高桩间土加固效果的方法 1 采用优质生石灰 生石灰中纯CaO含量越高 水化反应能力越大 2 增加石灰桩的置换率 3 在相同置换率的情况下 采用 细而密 的布桩方案 2 提高桩身强度的方法 1 石灰桩具有一定的初始密度并且吸水过程中有一定的约束力限制其自由胀发 满足这两个条件就可避免产生 软心 现象 并且桩身具有一定的强度 当填充密度为1 57t m3 上覆压力大于50kPa时 石灰吸水并不软化 具体措施如下 控制填料量 采用较大的充盈系数 如1 6 1 7 夯实桩体填料等 桩顶采用粘土或其它不透水材料封顶 增加石灰桩膨胀时的约束力 用砂等充填料填充石灰桩的孔隙 充分发挥生石灰的膨胀力 2 桩身掺入活性材料 如粉煤灰 火山灰等 工程中多采用粉煤灰 石灰桩身中掺入粉煤灰或火山灰后 由于其中含有丰富的SiO2 Al2O3 Fe2O3等成分 能与生石灰产生一系列的化学反应 生成具有一定强度和水硬性的水化硅酸钙CaO SiO2 n 1 H2O 水化铝酸钙CaO Al2O3 n 1 H2O和水化铁酸钙CaO Fe2O3 n 1 H2O 增加了桩身强度 5 2石灰桩的设计计算石灰桩的设计方法多以经验为主 对无石灰桩应用经验的地区 在确定方案前应进行成桩工艺 桩身材料配合比 地基加固效果等有关试验 以证实石灰桩方案的可行性并取得合理的设计和工艺参数 石灰桩主要固化剂为生石灰和外加掺合料 掺合料为粉煤灰 火山灰和炉碴等工业废料 生石灰和掺合料的体积比为1 1或1 2 而对于加固淤泥 淤泥质土等软土可适当增加生石灰用量 为了提高桩身强度 还可掺加石膏 水泥等外加剂 石灰桩的设计内容包括 桩径 桩长 桩距 承载力及沉降等 一 桩径桩径主要由当地施工条件决定 一般为150 400mm 三 桩距桩距宜用试验确定 要满足地基承载力和变形的要求 一般为桩径的3倍左右 对淤泥和淤泥质土可取2 3倍桩径 若土质好可适当放宽 四 桩长桩的长度取决于石灰桩的加固目的和上部结构的条件 1 对变形要求较高的建筑物地基 桩长宜达到计算压塑层底部 2 对用于地基稳定目的的石灰桩 桩长应穿过可能的滑动面 3 对其它情况 可采用复合垫层法确定桩长 即把加固土层看作硬层 和未加固的软弱下卧层组成双层地基 应满足软弱下卧层的承载力要求 并使其复合地基沉降控制在容许范围之内 五 承载力计算确定石灰桩复合地基承载力的方法有现场荷载试验和计算方法 现场荷载试验方法可参考有关规定进行 计算方法可采用一般复合地基承载力特征值计算公式 fsp k 1 m n 1 f s k 5 2 4 式中 f s k 加固后桩周土承载力特征值 公式中m 受石灰质量 掺合料配合比 桩体密实度 桩周土质等情况的影响 宜由现场试验确定 但也可按m m估算 桩土应力比n一般采用n 3 5 加固后桩周土的承载力标准值f s k可按加固后桩间土的平均含水量w 孔隙比e 等物理指标查有关现行规范而得 六 沉降计算 参照复合地基 本讲重点 1 了解砂桩 散体 石灰桩 柔性桩 的适用范围 2 了解砂桩 石灰桩的加固机理 3 掌握砂桩 石灰桩的在地基加固中的加固范围原则 类似 稍有差异 4 掌握砂桩 石灰桩的桩长确定原则 砂桩前两点与石灰桩前三点类似 砂桩第三点针对液化处理 本讲重点 5 砂桩设计重点之一 砂桩桩距的确定 1 掌握在砂土地基中的确定方法 2 掌握在粘土地基中按地基承载力的确定方法 5步 6 了解石灰桩复合地基承载力计算与一般复合地基承载力的异同 7 整体上把握砂桩 石灰桩的设计内容 思考题 1 1 砂石桩适用于哪些类型地基处理 2 其桩间距和桩长如何确定 1 要点 A 砂桩适用于松散砂土 人工填土 粉土和杂填土的地基处理 B 饱和粘性土地基对变形控制要求不严的工程也可采用砂市桩置换处理 砂石桩法也可处理可液化地基 2 桩间距确定要点 砂石桩的间距应通过现场试验确定 对于粉土和砂土地基不宜大于砂石桩直径的4 5倍 对于粘性土地基不宜大于砂石桩直径的3倍 也可按以下公式进行估算 A 砂土地基和松散粉土地基可根据挤密后要求达到的孔隙比e1来确定 式中s 砂石桩的间距 Dr1 地基处理后要求达到的相对密度 可取0 7 0 85 e1 地基处理后要求达到的孔隙比密度 修正系数 当考虑振动下沉密实作用时 可取1 1 1 2 不考虑振动下沉密实作用时 可取1 0 B 粘性土地基中 正三角形布置 L 1 08A1 2 新规范 正方形布置 L A1 2 新规范 桩长确定要点 砂石桩长度应根据软弱土层的性能 厚度或工程要求按下列原则确定 综合确定 1 当软弱土层厚度不大时 砂桩应穿过软弱土层 以减少地基变形 2 当软弱土层厚度较大时 对按稳定性控制的工程 砂桩长度应不小于最危险滑动面以下1m 一般为1 5 2 0m 深度 对按变形控制的工