振冲碎石桩复合地基[1].doc

1、 砂石桩处理液化地基一例摘要:振冲砂石桩复合地基处理液化地基的原理,应用机理和应用现状。关键词：振冲砂石桩 液化地基0 引言无粘性土和软塑至流塑状态的粘性土，包括近期堆（冲）填的素填土和杂填土，甚至含相当部分生活垃圾的天然地基，由于土质松散，力学强度、抗剪强度低，地基承载力不足，远不能承担建筑物的荷载，容易失稳；或沉降与不均匀沉降过大；或于地震震动下产生严重的液化与震陷。因此，对这类松、软土地基必须采取有效的工程措施进行加固处理，处理方式一般采用深基础或地基处理。深基础是采用桩基、沉井等方法，穿透软弱土层，使基础直接置于坚硬土层，但往往造价较高。地基处理有开挖置换，采用复合地基等，复合地基是在

2、松、软土中构筑刚性桩或散体材料桩，桩体与桩间软土共同承担上部建筑物的荷载，具有稳定性好，沉降与不均匀沉降小，施工简便、快速等特点，也比较经济，较适合我国国情。砂桩复合地基作为一种新兴的地基处理方式，目前正在多类施工中得到广泛应用。砂桩于十九世纪三十年代起源于欧洲，随着施工方法与施工机具的不断改进与完善，施工质量和效率不断提高，工程中应用的范围日益扩大。常用于路堤、原料堆场、堤防码头、油罐及厂房等地基的加固。国外用振冲加密法处理砂基实例 表1序 号工程名称年份国家土壤类型处理深度处理面积孔距相对密度说明处理前处理后1柏林大楼地基1937德国砂757024380承载力由150Kpa增至300KPa

3、2箱峡水电站1955美国细砂2.72.12570拉河闸闸基细砂层3西德奈控制闸1963巴基斯坦细砂3.07.0171502.0承载力提高到160330KPa振冲砂桩法于1977年引进我国后即获得迅速推广，大量用于土建、水利、冶金和交通等工程的地基与土构物的加固处理。经过20多年的发展，几乎对各种松软土的处理都采用过这一技术，并于1992年将振冲法列入了我国首次编制的建筑地基处理技术规范（JGJ 79-91）中，以便推广应用、发展这一技术。国内用振冲加密法处理砂基实例 表2序号工程名称地基土情况处理效果1北京官厅水库大坝下游坝粉细砂基e:0.6150.5以下；DL：53%80%，N：123437

4、：消除液化2北京燕山石化总厂车间、仓库回填土地基Pu：150kpa450kpa3北京东方化工厂河漫滩粉细砂基N：10；D:50%55%,地震设防1：8，液化，处理后检测，置信水平95%下，8不液化4徐州铜山水泥厂粉砂地基N:6.523.7，R：满足设计250kpa,消除7液化1 复合地基加固机理1.1 加固机理砂石桩法也称砂桩法，是在软弱地基中采用一定方式成孔,并往孔中填充砂石料，在地基中形成一根砂石柱体，与桩间土共同承担其上建筑物的荷载，提高地基强度，但对于砂土与粘性土其加固机理是不同的，分述如下：1.1.1.加固松散砂土地基砂土属单粒结构，有密实和疏松之分。密实的单粒结构颗粒之间排列已接近

5、最稳定状态，在动（静）载作用下，一般不再产生大的变形。而疏松结构的砂土，颗粒之间孔隙较大，在动（静）载作用下体积可减少20%左右，故必需经过人工处理才可作为建筑物的地基。砂桩在施工过程中对周围土体有挤密作用和振冲作用，施工工艺不同，两种作用有主次之别。冲击法或振动法成桩时，桩管下沉对其周围土体产生的横向挤压力，将等于桩管体积的砂土挤到桩管周围土体中，使桩间土体密实度增大，孔隙比减少，其有效挤密范围约为34倍桩体直径。振动法成桩时，桩管周围土体同时受到挤密和振密作用，其有效振密范围比挤密作用更明显，可达6倍桩体直径。砂桩在砂土地基中成桩后，当砂土地基被挤实到临界孔隙比以下时，还可防止砂土振动液化

6、。1.1.2.加固软弱粘性土地基砂桩在软弱粘土地基中主要通过置换作用和排水作用加速土体排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和整体稳定性。a. 置换作用 粘性土多为蜂窝结构，在成桩过程中受扰动后，力学性能会比原状土低。不仅难以挤密桩周土体而且会使桩周土体强度短时降低。所以砂桩价格软弱地基的效果之一就是利用砂桩本身的强度，形成复合地基，在荷载作用下，减少周围土体的附加应力和沉降。经验证明，砂桩复合地基沉降量可比原状天然地基减少20%30%。 b. 排水作用 一般软弱地基土的含水量很高 ，渗透系数多在10-710-4cm/s范围内。在软弱地基中设置砂桩后，减少了软弱地基土的排水距离，使土体的超

7、孔隙水压力很快消散，加速土体的固结和强度提高，起到了砂井的排水作用。1.2. 理论计算1.2.1 桩距确定如 图一 所示，砂桩在平面上呈等边三角形布置，设砂桩直径为d，间距为 s，在松散的砂土中打入砂桩后，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。图一 中abc为挤密前松砂面积，其值设为A，被砂桩挤密后该面积内的松砂被挤压到阴影所示的面积中，其值为A2，在面积A范围内的砂桩面积为A1。根据图一 和图二可知，平面abc和单位深度范围内，处理前地基土的体积为V0= A×1=Vs（1+e0），处理后则为V1=Vs（1+e1）=V0A1×1

8、，因此可得： 图一 按梅花形布置砂桩 图二 孔隙比e变化图 (1.2.1-1)故 (1.2.1-2)设桩体直径为d，由于，因此： （1.2.1-3）同理，可得正方形布置时砂桩的间距为： （1.2.1-4）式中 s 为砂桩间距；地基处理前砂土的孔隙比；地基挤密后要求达到的孔隙比；d砂桩直径。地基挤密后要求达到的孔隙比，可按工程对地基承载力的要求或按下式求得： （1.2.1-5）式中 emax、emin砂土的最大和最小孔隙比，可按国家标准 土工试验方法标准GBT50-1999的有关规定确定； Dr地基挤密后要求砂土达到的相对密度，可取0.700.85。式（1.2.1-2）和式（1.2.1-3）也可

9、用加固前后地基土的干重度来表示。等边三角形布置时 （1.2.1-6）正方形布置时 （1.2.1-7）式中 加固后地基土的干重度；加固前地基土的干重度。加固后要求的地基土干重度，可按下式计算： （1.2.1-8）式中 ds土粒相对密度；· 加固后地基土孔隙比。粘性土地基当砂桩为等边三角形布置时，可按下式计算： （1.2.1-9）当砂桩为正方形布置时，可按下式计算： （1.2.1-10）式中 Ac一根砂桩承担的处理面积，；Ap砂桩的截面积；m面积置换率。填砂量每根每米长的砂桩中的填砂量可按下式计算： （1.2.1-11）式中 q每根桩每米长的填砂量。 1.2.2砂桩长度砂桩的长度应根据软

10、弱土层的性能、厚度及工程要求确定。当地基中的松软土层厚度不大时，砂桩宜穿过松软土层；当松软土层厚度较大时，桩长应根据建筑物地基的允许变形值确定。一般来讲，砂桩长度不宜短于4m。1.2.3承载力计算1、基础底面的压力，应符合下式要求：当轴心荷载作用时 pkfa (1.2.3-1) pk-相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值。fa- 修正后的地基承载力特征值。当偏心荷载作用时，除符合式（1.3.3-1）要求外，还应符合下式要求： pkmax1.2fa (1.2.3-2) Pkmax-相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。2、基础底面压力计算当轴心荷载作用时 pk=(Fk+

11、Gk)/A (1.2.3-3) Fk-相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值。 Gk-基础自重和基础上的土重。 A-基础底面面积。当偏心荷载作用时 pkmax=(Fk+Gk)/A+Mk/W (1.2.3-4)Pkmin=(Fk+Gk)/A- Mk/W (1.2.3-5) Mk-相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力矩值。 W-基础底面的抵抗矩。 Pkmin-相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最小压力值。当偏心距e>b/6时， pkmax=2(Fk+Gk)/3la (1.2.3-6) l-垂直于力矩作用方向的基础底面边长。 a-合力作用点至基础底面最大压力边缘

12、的距离。 3、地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。 4、当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5 m时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5) (1.2.3-7) fa-修正后的地基承载力特征值。fak-地基承载力特征值。b、d-基础宽度和埋深的地基承载力修正系数。-基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度。b-基础底面宽度，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值。m-基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度。d-基础埋置深度。1.2.4 褥

13、垫不管用何种方法处理后的复合地基都要铺设碎（砂）石垫层，以改善传力条件，使荷载传递较为均匀。砂桩施工完毕后，在其上应铺设3050cm厚的碎（砂）石垫层，垫层应分层铺设，用平板振动器振实。在不能保证施工机械正常行驶和操作的软弱土层上，应铺设施工用的临时性垫层。2 工程实例2.1 工程概况金博房产公司综合楼位于焉耆县城中心繁华地段，北依新城路，西邻和平路，东侧与安达公司综合楼相望，地理位置优越，交通便利。综合楼地上层数12层，基础埋深3.5m，采用框架结构，筏板基础。2.2 工程地质条件2.2.1、场地地层主要为第四纪全新世冲积形成的粉土、砂土，根据土层特征及组合关系可划分五层，各土层岩性特征描述

14、如下：第层 素填土(Q4ml ):厚度0.902.30m，层底标高1054.311055.64m，湿很湿；密实度：松散稍密；埋深2.3m。第层 细砂（Q4al）：厚度1.103.50m，层底标高1051.45m1053.64m，湿度：很湿饱和；密实度：松散稍密；埋深5.8 m。第层 粉质粘土(Q4ml ):厚度0.302.90m，层底标高1049.671052.44m, 状态：软塑可塑；埋深8.7m 。第层 细砂（Q4al）：厚度11.212.50m，层底标高1039.94m1040.25m，湿度：饱和；密实度：稍密中密；埋深21.2m。第层 细砂（Q4al）：厚度2.502.70m，层顶标高

15、1039.94m1040.25m，湿度：饱和；密实度：密实；埋深23.9m。据勘察报告，场地饱和砂土液化指数为6.29、5.01、5.94，判别为中等液化，液化深度7.4m,属建筑抗震不利地段。各土层物理力学指标见下表物理力学指标 表3项目地层 含水量 (%) 天然重度（kN/m3）孔隙比曲率系数不均匀系数标贯击数(击/30cm)贯入阻力(MPa)承载力特征值 (kPa)范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值范围值平均值填土21.724.323.018.618.918.80.8950.9130.902 2.06.04.30.201.200.57细砂17.725

16、.821.816.517.116.80.943 1.0260.9670.681.120.891.684.823.557.016.011.20.605.60 3.49145粉质粘土27.929.928.818.719.618.90.8090.8350.822 3.010.05.00.803.701.72120细砂16.427.221.817.718.117.90.8040.9110.8750.761.120.941.124.042.966.030.018.62.205.304.28150细砂 0.8883.38036.077.053.62202.2.2、地下水场地地下水属潜水，水位埋深为自然地面

17、以下2.293.33m(相当高程1054.711054.83m)，受开都河动态、降水、灌溉影响，年正常水位变幅1.0m左右，主要受开都河水侧向补给，流向南偏东。地下水矿化度3.103.46gl，硬度1068.731143.01mgl，pH值8.18.2。属Cl·SO4Na·Ca型水。2.3. 砂桩设计2.3.1依据规范、标准1、岩土工程勘察报告2、综合楼设计施工图3、建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)4、建筑基坑工程技术规范(YB 9258-97)2.3.2 计算 1、桩径确定根据当地施工条件确定砂桩直径500mm;2、桩距确定按等边三角型布置，根据规范 桩距按1

18、.2.1中各式确定 =0.9-0.8（0.9-0.6）=0.66 s-砂石桩间距； d-砂石桩直径； e0-地基处理前砂土的孔隙比； e1-地基挤密后要求达到的孔隙比； emax、emin-砂土最大、最小孔隙比; 根据当地情况emax取0.9 emin 取0.6； Dr-地基挤密后要求砂土达到的相对密实度； 根据施工情况Dr取0.8； 桩距为s=1.2m;按正方形布置：根据规范 桩距按下式确定 桩距为s=1.1m根据拟建物平面尺寸，确定为等边三角形布置，桩距1.2m。3、承载力的确定 根据规范 承载力按下式确定 fspk=1+m(n-1)fsk m=d2/de2 fspk-振冲桩复合地基承载力

19、特征值； fsk -处理后桩间土承载力特征值； m -桩土面积置换率； n -桩土应力比，可取24，原土强度低取大值，强度高取小值; d -桩身平均直径; de-一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径;确定承载力为fspk200kPa 在施工完毕后，应对复合地基承载力进行检测，承载力以检测结果为准。4、桩长的确定根据勘查报告，液化土的深度小于8m。确定桩长为8m;5、其他要求根据规范要求桩体材料可用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料，含泥量不得大于5%，最大粒径不宜大于50mm 砂桩填料量由现场试验确定砂石桩顶部铺设一层厚度为300500mm的砂石垫层6、地基最终变形量估算

20、根据规范 最终变形量按下式确定 s =s s=s（Ziai-Zi-1ai-1） 式中 s ：地基最终变形量（mm）； s：按分层总和法计算出的地基变形量； s ：沉降计算经验系数，按表5取值； n ：地基变形计算深度范围内所划分的土层数， po ：对应于荷载效应永久组合时的基础底面处的附加压力（kPa）； Esi ：基础底面下第i层土的压缩模量（kPa）; Zi、Zi-1 ：基础底面至第i层和第i -1层底面的距离（m）；ai、ai-1 ：基础底面计算点至第i层和第i-1层范围内平均附加应力系数;Es:变形计算深度范围内压缩模量的当量值；地基沉降计算深度范围内土层压缩量 表4Z (m)l/ba

21、iaiziaizi-ai-1zi-1（m）Esi (kPa)s=po(aizi-ai-1zi-1)/EsiS=si0.020.2499 00.2497105504.274.271.020.24970.24970.998368303.908.175.020.24961.24800.1419124300.889.055.620.24821.38990.5853128800.459.508.020.24691.9752Es=P0(aizi-ai-1zi-1)/P0(aizi-ai-1zi-1)/Ei 确定Es为6.1MPa p0为200kPa由沉降计算经验系数表查得：当p0fak,Es=6.1MPa

22、时，s=1+(7-6.1)(1.3-1.0)/(7-4)=1.09S=s*s=1.09*9.5=10.1mm确定最终变形量为10.1mm 沉降计算经验系数s 表5 Es基底附加压力2.54.07.015.020.0P0fak P00.75fak1.41.11.31.01.00.70.40.40.20.22.4. 砂桩施工 (详见施工图)2.4.1 施工步骤1、砂桩定位。2、振动沉管至预定深度成孔，填料，振动密实。3、移机到下一个孔位。4、按此循环，直至完成全部砂石桩。5、检测，合格后，铺设砂石褥垫。 2.4.2 施工作业及要求1、作业前检查各设备运行情况，做到“三通一平”。2、成桩方法采用振动

23、沉管成桩法，根据沉管和挤密情况，严格控制填砂石料量、提升速度和高度、挤压次数和时间、电机的工作电流等。3、施工顺序：从外围或两侧向中间进行。4、桩位水平偏差不大于0.3倍套管外径，套管垂直度偏差不大于1%。5、复合地基承载力应由现场检测确定，根据设计要求承载力特征值不小于200kPa。6、基槽开挖深度2.7m，由主体施工单位完成。7、施工中排水方式采用集水坑明渠排水。8、铺设砂石褥垫，夯填度0.70±0.05（夯填度：压实厚度与虚铺厚度之比） 2.4.3 施工监测在整个施工过程中，全部符合规范及设计要求。拟建物为乙类建筑物,根据规范,可不进行沉降观测。2.5 检验2.5.1检验的目的

24、振冲砂石桩复合地基，发挥了砂石桩的多种功能，使复合地基具有了一系列工程功效。然而，砂石桩的功能与复合地基的各种功效，能否充分地发挥，发挥的程度如何，是与地基土的土质、砂石桩的布设、桩体的质量、桩间土工程性能的改善以及施工质量等因素直接有关。故对于某一具体的振冲砂石桩复合地基，只能于加固处理后直接进行必要的检验，根据检验资料的整理、分析，方能作出比较切合实际的、具体的评价。2.5.2检验的基本原则1、检验的起始时间地基土由于振冲施工产生较大超静孔隙水压力和土体的扰动，使土的工程性能暂时产生较大的削弱。因此，需要一定时间恢复复合地基土的真实工程性能，恢复时间的长短，将随土的性质而异。一般对于粘性土

25、地基间隔时间可取34周;对粉土地基可取23周。2、检验桩、点的选择工程中砂石桩的数量都较多，难以每根桩都检验。通常是选择能反应一般情况和控制情况的桩点进行检验。振冲砂石桩的质量优劣，受多种因素影响，各桩质量不可能控制得完全一致，其间存在着人们难以掌握的差异，即质量差异的随机性。但对于某些总体情况，人们掌握了一定的实践经验，能作出相应合理的主观判断，即所谓的判定性。故检验桩点的位置，应遵循随机性与判定性相结合的原则。对于桩体和桩间土的检验点应以随机性为主，判定性为辅，按平面均布，选择一些有针对性的点。对于复合地基荷载试验，宜以判定性为主，随机性为辅，即在桩体和桩间土的检验基础上，选择具有较好的代

26、表性或有疑义的点位进行检验。2.5.3检测的内容振冲砂石桩复合地基的检测内容分两方面:1、施工质量的检验，主要是检验砂石桩的质量好坏。常用的方法有单桩荷载试验和桩体动力触探试验。2、振冲砂石桩复合地基的功效检验，主要是验证其能否满足设计放面提出的各项功效。常用的方法有单桩复合地基荷载试验、多桩复合地基大型荷载试验，桩间土的荷载试验、标准贯入试验、静力触探等。2.5.4检测方法目前，砂桩检测的方法主要有静载法、动力触探、标贯法及瑞利波法。1、静载荷试验：是为了获取桩基设计所必须的计算参数，对桩型和桩基持力层进行比较和选择，充分发挥地基支承力和桩身结构强度，使二者能够匹配，获取最佳的技术经济效果。

27、2、动力触探：是利用一定的落锤能量，将一定尺寸、一定形状的探头打入土中，根据打入的难易程度判定土层的一种原位测试方法。主要用于a.评定砂土的孔隙比或想对密实度、粉土及粘性土的状态;b.估算土的强度和变形模量;c.评定场地地基的均匀性及承载力;d.探查土洞、滑动面、软硬土层界面等;e.确定桩基持力层和承载力;f.检验地基加固与改良的质量效果。3、标准贯入法试验(SPT)：是用质量为63.5kg的穿心锤，以76cm落距，将一定规格的标准贯入器打入土中15cm，再打30cm，后30cm的锤击数即为标准贯入的指标N。用N判断砂土的密实度或粘性土和粉土的稠度、估算土的强度与变形指标，确定地基土的承载力，

28、评定砂土、粉土的振动液化及估计单桩极限承载力及沉桩可能性；并可划分土层类别，确定土层剖面和取扰动土样进行一般物理性试验，和用于岩土工程地基加固处理设计及效果检验。4、瑞利波法：是通过锤击作为振动源，然后在距锤击处一定距离设置检波器。记录所在位置的波形，再通过频谱分析和滤波技术等分离出不同波长的振动到所在位置的时间差，求得不同波长的瑞利波波速。而不同波长的瑞利波波速反映不同深度范围内的土层性质，由此可推出不同深度土层的瑞利波波速和剪切波波速。根据国家地震局工程力学所推荐的标准，土层波速VsVcri为不液化，VcVcri时为液化。2.5.5检测结果本次检测采用静载法、动探法与标贯法结合1、单桩竖向

29、抗压静载荷试验 单桩抗压静载荷试验采用慢速维持荷载法，圆形压板，直径与桩径相等，由堆载平台提供反力，堆载量大于220kN。分别对桩体及桩间土进行检测根据竖向极限承载力按下列方法综合确定：a根据沉降随荷载的变化特征：对于陡降型Q-s曲线取Q-s曲线发生明显陡降的起始点；b根据沉降量确定极限承载力：对于缓变形Q-s曲线一般取s=4060mm对应的荷载；c根据沉降随压力的变化特征：取s-lgt曲线明显向下弯曲的前一级荷载值。试验结果见附图表“单桩竖向静载荷试验汇总表：试验Q-s曲线拐点不明显，s-lgt曲线平缓，选取最大加载量220kN的前一级荷载的一半100kN为承载力特征值，对应沉降7.207.

30、84mm，桩体单位面积承载力特征值400kPa2、土地基载荷试验 桩间桩间土地基载荷试验采用慢速维持荷载法，圆形压板，荷板面积2500cm2，堆载平台提供反力。地基承载力特征值按下列规定确定：a当Ps曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限对应的荷载；b当极限荷载不能确定，而其值又小于对应比例界限荷载的1.5倍时，取极限荷载的一半；c按相对变形取值，以粘性土为主的地基，取s/d=0.02所对应的荷载(d为压板直径)；以粉土或砂土为主的地基，取s/d=0.015所对的荷载。试验结果见附图表“压板静载荷试验汇总表”：Ps曲线有拐点，即出现比例界限，选比例界限为特征值，根据载荷试验结果，取150kPa、175kPa，200kPa,对应沉降7.18mm、6.29mm、6.13mm。3、挤密碎石桩检验结果根据设计要求，复合地基的承载力特征值应200kPa，且要消除地基砂土的液化。检测结果如下：地基处理后检测结果表6名称动探/标贯