第3章 振密、挤密

第3章振密、挤密目录3.1概述3.2强夯法3.3挤密砂石桩法3.4土桩、灰土桩和夯实水泥土桩法3.5孔内夯扩法概述3.1概述43.1概述1振密、挤密是指通过夯击、振动或挤压使地基土体密实，土体抗剪强度提高，压缩性减小，以达到提高地基承载力和减小沉降为目的的一类地基处理方法。主要有原位压实法，强夯法，挤密砂石桩法，爆破挤密法，土桩、灰土桩法，夯实水泥土桩法，柱锤冲扩桩法，以及孔内夯扩法等。在本章主要介绍强夯法，挤密砂石桩法,土桩、灰土桩法，夯实水泥土桩法，以及孔内夯扩法。3.2强夯法63.2.1加固机理和适用范围1强夯法是利用重锤（一般为100kN~600kN），在高处（一般为6m~40m）自由落体落下强力夯击地基土体，进行地基加固的处理方法。强夯法利用重夯锤、高落距产生的高夯击能给地基一冲击力，在地基中产生冲击波，振密、挤密地基土体。当夯击时，夯锤对地基浅部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对夯坑周围土体进行动力挤压，夯坑四周地表可能产生隆起。73.2.1加固机理和适用范围1某工程测得单点夯夯坑夯沉量及周围地表隆起情况如图3-2所示。在强夯夯击作用下地基土体中超孔隙水压力升高。某工程单点夯时地基中超孔隙水压力沿深度分布情况如图3-3所示，地基中超孔隙水压力分布沿水平方向分布情况如图3-4所示。图3-1强夯法加固现场图3-2单点夯夯坑夯沉量及地表隆起图83.2.1加固机理和适用范围1图3-3单点夯时超孔隙水压力沿深度分布图图3-4单点夯时超孔隙水压力沿水平方向分布图93.2.2设计1强夯法加固地基设计包括下述内容：确定强夯法加固地基的有效加固深度和单击夯击能，选用夯锤的重量、形状，以及夯击落距，确定强夯施工夯击范围、夯击点的平面布置、每点夯击击数、强夯施工夯击遍数，以及间歇时间。1、强夯加固地基的有效加固深度和单击夯击能的确定强夯加固地基有效加固深度的影响因素比较复杂，一般应通过试验确定。在试验前也可采用修正Menard公式估算。修正Menard公式为(3-1)103.2.2设计12、夯锤和落距的选用单击夯击能确定后，可根据要求的单击夯击能和施工设备条件确定夯锤重量和落距。夯锤重量确定后还需确定夯锤尺寸，以及选用强夯自动脱钩装置。起重设备可用履带式起重机、轮胎式起重机，以及专用的强夯机械。强夯设备的自动脱钩装置由工厂定型生产。夯锤挂在脱钩装置上，当起重机将夯锤吊到设计高度时，自动脱钩装置可使锤自由下落对地基进行夯击。3、夯击范围和夯击点布置采用强夯法处理地基时，强夯加固的范围应大于建（构）筑物基础范围。通常要求强夯加固范围每边超出基础外缘一定的宽度。超出范围宽度为设计强夯加固深度的1/2至1/3，并不小于3m。113.2.2设计1图3-5（a）和（b）分别表示两种夯击点布置形式及夯击次序。（a）（b）图3-5夯击点布置及夯击次序4、夯击击数和夯击遍数每遍每夯点夯击击数可通过试验确定。一般以最后二击的平均夯沉量小于某一数值作为标准。123.2.2设计15、间歇时间间歇时间是指两遍夯击之间的时间间隔。时间间隔大小取决于地基土体中超孔隙水压力消散的快慢。对渗透性好的地基，强夯在地基中形成的超孔隙水压力消散很快，夯完一遍，第二遍可连续夯击，不需要间歇时间。若地基土渗透性较差，强夯在地基土体中形成的超孔隙水压力消散较慢，二遍夯击这间所需间歇时间要长，粘性土地基夯完一遍一般需间歇3~4星期才能进行下一遍夯击。6、垫层设计强夯施工设备较重，要求强夯施工场地能支承较重的强夯起重设备。强夯施工前一般需要铺设垫层，使地基具有一层较硬的表层能支承较重的强夯起重设备，并便于强夯夯击能的扩散，同时也可加大地下水位与地表的距离，有利于强夯施工。133.2.2设计17、现场测试设计（1）地面沉降观测（2）孔隙水压力观测（4）深层沉降和侧向位移测试（3）强夯振动影响范围观测143.2.3施工1强夯法加固地基施工一般可按下列步骤进行：（1）清理并平整施工场地。（2）铺垫层。对地下水位较高的粘性土地基与易于液化的粉细砂地基强夯前需铺设砂石垫层，垫层厚度一般为0.5m~2.0m。对地下水位在2m深度以下的砂砾石地基，可以直接进行夯击，无需铺设垫层。（3）夯点放线定位。（4）对第一遍第一次夯击点进行夯击。在夯击前和夯击后需测量夯点处和夯点周围地面标高。每夯击一次测量一次。按设计规定夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击。移动夯击点对第一遍夯击点依次进行夯击。（5）按设计要求顺序完成第一遍夯击。（6）完成第一遍夯击后，用推土机填平夯坑，并测量场地高程。（7）在规定间歇时间后，按上述步骤（3）至（6）进行第二遍夯击。（8）按上述步骤完成设计要求的夯击遍数。最后用低能量满夯，将场地表层松土夯实，并测量夯后场地高程。153.2.4质量检验1强夯法处理地基加固效果检验可根据地基工程地质情况及地基处理要求选择下列几种方法中的二种或二种以上方法进行：室内土工试验、现场十字板试验、动力触探试验、静力触探试验、旁压仪试验、波速试验和载荷试验等。通过强夯加固前后测试结果的比较分析可了解强夯加固地基效果。3.3挤密砂石桩法3.3挤密砂石桩法3.3.1加固机理和适用范围3.3.2设计3.3.3施工及质量检验17183.3.1加固机理和适用范围1加固原理是通过将在地基中设置砂石桩（也包括设置只由碎石组成的碎石桩和只由砂组成的砂桩），并在地基中设置桩体过程中对桩间土进行挤密，形成挤密砂石桩复合地基，以达到提高地基承载力，减小沉降的目的。适用范围：挤密砂石桩法常用于处理砂土、粉土和杂填土地基。在桩体设置过程中，桩间土体被有效振密、挤密。193.3.2设计1采用挤密砂石桩法加固地基设计内容包括施工方法的选用，桩长、桩径、复合地基置换率、加固范围和桩位布置的确定，地基沉降计算以及质量检验方法等。203.3.2设计1施工方法的选用在地基中设置砂石桩可采用多种方法，如振冲法，振动沉管法等。可根据工程地质条件、施工设备条件、拟采用的桩径、桩长，并根据经济指标分析决定选用施工方法。桩长主要根据工程地质条件确定，应让砂石桩穿过主要软弱土层，以满足控制沉降要求。对可液化地基，应满足抗液化设计要求。挤密砂石桩桩长不宜小于4.0m。复合地基置换率设计可根据经验进行挤密砂石桩复合地基初步设计，然后通过现场试验提供设计参数，包括砂石桩桩径，单桩承载力和桩间土地基承载力等。根据现场试验提供的设计参数，修改完善设计。复合地基置换率m表达式为213.3.2设计1加固范围和桩位布置挤密砂石桩处理范围宜在基础外缘扩大1~3排桩。对可液化地基，在基础外缘扩大宽度不小于可液化土层厚度的1/2，并应不小于5m。桩位布置一般可采用三角形布置，或正方形布置。垫层挤密砂石桩法加固地基宜在桩顶铺设一砂石垫层，一般可取300-500mm厚。沉降计算挤密砂石桩复合地基沉降可采用分层总和法计算。挤密砂石桩加固范围内复合土体压缩模量Ec可采用下式计算。Ec＝mEp＋（1－m）Es(3-4)式中Ep－砂石桩体压缩模量；

Es－挤压后桩间土压缩模量，可由原位试验测定；m－复合地基置换率。223.3.2设计1质量检验方法挤密砂石桩复合地基一般要求通过复合地基载荷试验确定地基承载力。3.3.3施工及质量检验1、

振冲法2、振动沉管法23243.3.3施工及质量检验11、振冲法原理和适用土质孔位布置和间距振冲器和填料选择施工工艺25a原理和适用土质1振冲密实法对砂层的加固作用来源于两方面，一是由振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒重新排列，孔隙减少，二是振冲器的水平振动力以及回填料对砂层产生挤压加密。适用振冲法处理的土质为：小于0.005mm的粘粒含量不超过10%的粗砂、中砂地基。若砂土粘粒含量大于30%，挤密效果会明显降低。26a原理和适用土质1图3-6适用于振冲密实的颗粒级配曲线范围27b孔位布置和间距1振冲孔位布置常用等边三角形和正方形两种，对大面积挤密处理，用等边三角形布置比正方形布置可以得到更好的挤密效果。对于大面积砂层挤密处理时，振冲孔间距可用下式估算：

3-5式中d--振冲孔间距（m）；

--系数，正方形布置为1，等边三角形布置为1.075；

VP--单位桩长的平均填料量，一般为0.3-0.5m3；

V--原地基为达到规定密实度单位体积所需的填料量，可按式（3-3-4）计算。28c振冲器和填料选择1振冲法施工采用的振冲器可根据工程地质条件、设计桩长、桩径等情况选用不同功率的振冲器。振冲器常用型号有30kW、55kW、75kW振冲器等。填料一方面可填充在振冲器上提后在砂层中可能留下的孔洞，另一方面对砂层产生挤压加密。对于中粗砂，振冲器上提后孔壁极易塌落自行填满下方的孔洞，可以不加填料就地振密，而对粉细砂，宜加填料才能获得较好振密效果。29d施工工艺1施工机具振冲法施工主要机具有振冲器、吊机和水泵。振冲器的构造见图3-7。正式施工前的现场实验现场试验目的是确定正式施工时采用的施工参数，如振冲孔间距、造孔制桩时间、控制电流，填料量等。图3-7振冲器构造示意图30d施工工艺1砂土地基单位体积所需的填料量可按下式计算:正式施工前的现场实验

式中V--砂基单位体积所需的填料量；

eo--振冲前砂层的原始孔隙比；

ep--桩体的孔隙比；

e1--振冲后要求达到的孔隙比。3-631d施工工艺1振密施工对粉细砂地基，宜采用加填料的振密工艺；对中粗砂地基可用不加填料就地振密的方法。在粉细砂层中振冲，造孔时水压和水量都不必很大。水压一般采用400-600kPa，供水量一般采用200-400L/min。在疏松粉细砂层中造孔比较容易，一般不会发生塌孔；通常控制造孔速率约每分钟l～2m，使孔周砂土有足够的振密时间。

32d施工工艺1采用振冲法在地基中设置碎石桩步骤如下：（a）清理平整施工现场，布置桩位；（b）施工机具就位，将振冲器对准桩位。升降振冲器的机械可用起重机、自行井架式施工平车或其它设备。（c）启动供水泵和振冲器，将振冲器徐徐沉入地基土中，直到设计深度；（d）分层填料，每次填料厚度不宜大于0.5m。利用振冲器进行振密制桩，当电流达到规定的密实电流和到了规定的留振时间后，将振冲器提升30~50cm，然后重复制桩直至桩顶。（e）关闭振冲器和水泵，移位至下一个桩位。

333.3.3施工及质量检验12、振动沉管法孔位布置桩长和桩径填料选择桩距设计施工步骤34a桩位布置1(a)正方形(b)矩形(c)等边三角形(d)放射形图3-9桩位布置35b桩长和桩径1砂石桩桩长可根据工程地质条件和具体工程要求通过计算确定：

(1)当松软土层厚度不大时，砂石桩桩长宜穿过松软土层；

(2)当松软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程，砂石桩桩长应不小于最危险滑动面以下2m的深度；对按变形控制的工程，砂石桩桩长应满足处理后地基变形量不超过建筑物的地基变形允许值并满足软弱下卧层承载力的要求；

(3)对可液化的地基，砂石桩桩长应当在15m(天然地基)以内，并穿透可液化地基；

(4)砂石桩的单桩载荷试验表明，在桩顶4倍桩径范围内将发生侧向膨胀，因此桩长一般不宜小于4m。36c填料选择1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%，填料最大粒径不宜大于50mm。材料在桩孔内的填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数确定，可取1.2-1.4。如施工时地面有下沉或隆起现象，则填料数量应根据现场具体情况予以增减。37d桩距设计1首先根据工程对地基加固的要求(如提髙地基承载力、减少变形或抗地震液化等)，确定要求达到的密实度和孔隙比，并考虑桩位布置型式和桩径大小，计算桩的间距。对粉土和砂土地基，桩距不宜大于砂石桩直径的4.5倍。在初步设计时，砂石桩的间距S可按如下公式计算：

正方形布置，（3-8）

正方形布置，（3-9）38d桩距设计1假定在松散砂土中打入砂石桩或砂桩能起到100%的挤密效果，亦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，有则e1与（桩的面积与被处理的地基土面积之比）的关系为：（3-10）

实际上，很多工程都采用振动沉管法施工，对砂土和粉土地基有振密和挤密双重作用，施工后地面下沉量可达100-300mm。因此，有必要通过一个修正系数来考虑施工过程中的振密作用，这样上述根据公式3-3-6和3-3-7计算结果可通过ξ修正，当考虑振动下沉密实作用时，ξ取1.1-1.2；不考虑振动下沉密实作用时，ξ取1.0。39e沉管施工采用振动沉管法在地基中设置挤密砂石桩步骤如下：1（1）清理平整现场，布置桩位；（2）振动沉管机具就位，桩管垂直对准桩位；（3）启动振动桩锤，将下端装有话瓣桩靴的桩管振动沉入地基中，达到设计深度；（4）从桩管上端的投料漏斗加入砂石料（挤密砂桩，加砂料；挤密碎石桩，加碎石料；挤密砂石桩，加砂石料），为保证顺利下料到桩管中，可加适量水。（5）边振动边拔管直到桩管拔出地面。（6）移动桩机至下一桩位。403.3.4工程实例（根据参考文献[23]编写）1工程概况某大厦位于烟台长江路北侧，总高为21层，大厦高度为72.6m。主楼为钢筋混凝土筒中筒结构，重25000t。箱形基础。箱基底面积为25m×40m，箱基埋深7