建筑施工手册系列之地基处理与桩基工程 7-1-4 深层密实地基

7-1-4深层密实地基7-1-4-1振冲地基振冲法，又称振动水冲法，是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机带动偏心块，使振动器产生高频振动，同时启动水泵，通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振动器沉到土中的预定深度，经清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石，或不加填料，使在振动作用下被挤密实，达到要求的密实度后即可提升振动器，如此重复填料和振密，直至地面，在地基中形成一个大直径的密实桩体与原地基构成复合地基，从而提高地基的承载力，减少沉降和不均匀沉降，是一种快速、经济有效的加固方法。振冲法按加固机理和效果的不同，又分为振冲置换法和振冲密实法两类。前者是在地基土中借振冲器成孔，振密填料置换，制造一群以碎石、砂砾等散粒材料组成的桩体，与原地基土一起构成复合地基，使地基承载力提高，沉降减少，它又名振冲置换碎石桩法；后者主要是利用振动和压力水使砂层液化，砂颗粒相互挤密，重新排列，孔隙减少，从而提高砂层的承载力和抗液化能力，它又名振冲挤密砂桩法，这种桩根据砂土质的不同，又有加填料和不加填料两种。1．特点及适用范围振冲法加固地基特点是：技术可靠，机具设备简单，操作技术易于掌握，施工简便，可节省三材，因地制宜，就地取材，采用碎石、卵石、砂或矿渣等作填料；加固速度快，节约投资；而且，碎石桩具有良好的透水性，可加速地基固结，使地基承载力可提高1.2~1.35倍；此外，振冲过程中的预震效应，可使砂土地基增加抗液化能力。振冲置换法适于处理不排水、抗剪强度小于20kPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，如果桩周土的强度过低，则难以形成桩体。振冲密实法适用于处理砂土和粉土等地基，不加填料的振冲密实法仅适用于处理粘土粒含量小于10%的粗砂、中砂地基。振冲法不适于地下水位较高、土质松散易塌方和含有大块石等障碍物的土层中使用。国内应用振冲法加固地基的深度一般为14m，最大达18m，置换率一般在10%~30%，每米桩的填料量为0.3~0.7m3，直径为0.7~1.2m。2．构造要求（1）振冲置换法1）处理范围应大于基底面积；对于一般地基，在基础外缘宜扩大1~2排桩；对可液化地基，在基础外缘应扩大2~4排桩。2）桩位布置对大面积满堂处理，宜用等边三角形布置；对独立或条形基础，宜用正方形、矩形或等腰三角形布置。3）桩的间距应根据荷载大小和原土的抗剪强度确定，一般取1.5~2.5m，对荷载大或原土强度低、或桩末端达相对硬层的短桩宜取小值，反之宜取大的间距。4）桩长的确定当相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层埋藏深度确定；当相对硬层的埋藏深度较大时，应按建筑物地基的变形允许值确定。桩长不宜短于4m。在可液化的地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩顶应铺设一层200~500mm厚的碎石垫层。5）桩的直径可按每根桩所用的填料计算，一般为0.8~1.2m。（2）振冲密实法1）处理范围应大于建筑物基础范围，在建筑物基础外缘每边放宽不得小于5m；2）振冲深度当可液化土层不厚时，应穿透整个可液化层；当可液化土层较厚时，应按要求的抗震处理深度确定；3）每一振点所需的填料量随地基土要求达到的密实程度和振点间距而定，应通过现场试验确定。3．机具设备及材料要求振冲机具设备包括：振冲器、起重机和水泵。振冲器类似混凝土插入式振动器，其工作原理是，利用电机旋转一组偏心块产生一定频率和振幅的水平振动，压力水通过空心竖轴从振冲器下端喷口喷出。振冲器的构造如图7-17所示，常用型号及技术性能见表7-15。图7-17振冲器构造1-吊具；2-水管；3-电缆；4-电机；5-联轴器；6-轴；7-轴承；8-偏心块；9-壳体；10-翅片；11-头部；12-水管振冲器的技术参数表7-15型号ZCQ-13ZCQ-30ZCQ-55BL-75电动功率（kW）13305575转速（r/min）1450145014501450额定电流（A）25.560100150不平衡重量（kg）29.066.0104.0型号振动力（kN）3590200160振幅（mm）4.24.25.07.0振冲器外径（mm）274351450426长度（mm）2000215025003000总重量（t）0.780.941.62.05操纵振冲器的起吊设备可采用8~10t履带式起重机、轮胎式起重机、汽车吊或轨道式自行塔架等。水泵要求水压力为400~600kPa，流量20~30m3/h，每台振冲器备用一台水泵。控制设备包括：控制电流操作台、150A电流表、500V电压表以及供水管道、加料设备（吊斗或翻斗车）等。填料可用坚硬不受侵蚀影响的碎石、卵石、角砾、圆砾、矿渣以及砾砂、粗砂、中砂等；粗骨料粒径以20~50mm较合适，最大粒径不宜大于80mm，含泥量不宜大于5%，不得含有杂质、土块和已风化的石子。4．施工工艺要点（1）施工前应先进行振冲试验，以确定成孔合适的水压、水量、成孔速度及填料方法；达到土体密实时的密实电流、填料量和留振时间（称为施工工艺的三要素）。一般控制标准是：密实电流不小于50A；填料量为每米桩长不小于0.6m3，且每次搅拌量控制在0.20~0.35m3；留振时间30~60s。（2）振冲法施工工艺如图7-18，振冲造孔顺序方法可按表7-16选用。图7-18振冲碎石桩施工工艺（a）定位；（b）振冲下沉；（c）振冲至设计标高并下料；（d）边振边下料，边上提；（e）成桩振冲成孔方法的选择表7-16造孔方法步骤优缺点排孔法由一端开始，依次逐步造孔到另一端结束易于施工，且不易漏掉孔位。但当孔位较密时，后打的桩易发生倾斜和位移跳打法同一排孔采取隔一孔造一孔先后造孔影响小，易保证桩的垂直度。但要防止漏掉孔位，并应注意桩位准确围幕法先造外围2~3圈（排）孔，然后造内圈（排）。采用隔圈（排）造一圈（排）或依次向中心区造孔能减少振冲能量的扩散，振密效果好，可节约桩数10%~15%，大面积施工常采用此法。但施工时应注意防止漏掉孔位和保证其位置准确（3）振冲置换法施工顺序为：定位→成孔→清孔→填料→振实。启动水泵和振冲器，水压可用400~600kPa（对于较硬土层应取上限，对于软土取下限），水量可用200~400L/min，使振冲器徐徐沉入土中，直至达到设计处理深度以上0.3~0.5m。如土层中夹有硬层时，应适当进行扩孔，即在硬层中将振冲器往复上下多次，使孔径扩大，以便于填料。因在粘性土层中成孔，泥浆水太稠，使填料下降速度缓慢，因此在成孔后，应停留1~min清孔，以便回水将稠泥浆带出地面，以降低孔内泥浆密度。填料宜“少吃多餐”，每次往孔内倒入填料数量，约为堆积在孔内0.8m高，然后用振冲器振密后再继续加料。在强度很低的软土地基施工中，则要用“先护壁，后制桩”的施工方法。即在振冲开孔到达第一层软弱层时，加些填料进行初步挤振，将填料挤到此层软弱层周围以加固孔壁，接着再同样方法处理以下第二、第三层软弱层，直到加固深度。（4）振冲挤密法施工工艺如图7-19，施工顺序为：定位→成孔→边振边上提→振密。水压、水量控制同振冲置换法，下沉速率控制在1~2m/min，待达到要求处理深度后，将水压和水量降至孔口有一定量回水，但无大量细颗粒带出的程度，将填料堆于孔口扩筒周围，采取自下而上地分段振动加密，每段长0.5~1.0m，填料在振冲器振动下依靠自重沿护筒周壁下沉至孔底，在电流升高到规定控制值后，将振冲器上提0.3~0.5m；重复上一步骤直至完成全孔处理。图7-19振冲挤密法施工工艺（5）填料和振料方法，一般采取成孔后，将振冲器提出少许，从孔口往下填料，填料从孔壁间隙下落，边填边振，直至该段振实，然后将振冲器提升0.5m，再从孔口往下填料，逐段施工。（6）振冲挤密法施工操作，关键是控制水量大小和留振时间。水量的大小是保证地基中砂土充分饱和，受到振动能够产生液化；足够的留振时间（30~60s）是使地基中的砂土完全液化，在停振后土颗粒便重新排列，使孔隙比减小，密实度提高。振密程度一般以电流超过原空振时电流25~30A时，表示该深度处的桩体已经挤密。对粉细砂应加填料，其功用是填充在振冲器上提后留下的孔洞；此外，填料作为传力介质，在振冲器的水平振动下，通过连续加填料将砂层进一步挤压加密。对中、粗砂，当振冲器上提后孔壁极易坍落能自行填满下面的孔洞，因而可以不加填料就地振密。如干砂厚度大，地下水位低，则应采取措施大量补水，以使砂处于或接近饱和状态时，方可施工。（7）加固区的振冲桩施工完毕，在振冲最上1m左右时，由于土覆压力小，桩的密实度难以保证，故宜予挖除，另作垫层，或另用振动碾压机进行碾压密实处理。5．质量控制（1）施工前应检查振冲器的性能；电流表、电压表的准确度；填料的性能。（2）施工中应检查密实电流、供水压力、供水量、填料量、孔底留振时间、振冲点位置、振冲器施工参数等（施工参数由振冲试验或设计确定）。（3）施工结束后应在有代表性的地段作地基强度（标准贯入、静力触探）或地基承载力（单桩静载荷或复合地基静载）检验。（4）振冲施工结束后，除砂土地基外，应间隔一定时间方可进行质量检验。对粘性土地基，间隔时间为3~4周；对粉土地基为2~3周。（5）振冲地基质量标准如表7-17所示。振冲地基质量检验标准表7-17项序检查项目允许偏差或允许值检查方法单位数值主控项目1填料粒径设计要求抽样检查2密实电流（粘性土）密实电流（砂性土或粉土）（以上为功率30kW振冲器）密实电流（其他类型振冲器）AAA050~5540~501.5~2.0电流表读数电流表读数，A0为空振电流3标贯、静力触探设计要求按规定的方法4载荷试验（单桩、复合地基）设计要求按规定的方法一般项目1填料含泥量%＜5抽样检查2振冲器喷水中心与孔径中心偏差mm≤50用钢尺量3成孔中心与设计孔位中心偏差mm≤100用钢尺量4桩体直径mm＜50尺量5孔深mm±200量钻杆或重锤测7-1-4-2水泥土搅拌桩地基水泥土搅拌桩地基系利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机在地基深部，就地将软土和固化剂（浆体或粉体）强制拌合，利用固化剂和软土发生一系列物理、化学反应，使凝结成具有整体性、水稳性好和较高强度的水泥加固体，与天然地基形成复合地基。其加固原理是：水泥加固土由于水泥用量很少，水泥水化反应完全是在土的围绕下产生的，凝结速度比在混凝土缓慢。水泥与软粘土拌合后，水泥矿物和土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙生成硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4）等水化物，有的自身继续硬化形成水泥石骨架，有的则因有活性的土进行离子交换和团粒反应、硬凝反应和碳酸化作用等，使土颗粒固结、结团，颗粒间形成坚固的联结，并具有一定强度。1．特点及适用范围深层搅拌法的特点是：在地基加固过程中无振动、无噪音，对环境无污染；对土无侧向挤压，对邻近建筑物影响很小；可按建筑物要求作成柱状、壁状、格栅状和块状等加固形状；可有效地提高地基强度（当水泥掺量为8%和10%时，加固体强度分别为0.24和0.65MPa，而天然软土地基强度仅0.006MPa）；同时施工期较短，造价低廉，效益显著。本法适于加固较深较厚的淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力不大于120kPa的粘性土地基，对超软土效果更为显著。多用于墙下条形基础、大面积堆料厂房地基；在深基开挖时用于防止坑壁及边坡塌滑、坑底隆起等，以及作地下防渗墙等工程上。2．桩平面布置水泥土搅拌桩平面布置可根据上部建筑对变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状、块状等处理形式。可只在基础范围内布桩。柱状处理可采用正方形或等边三角形布桩形式。3．机具设备及材料要求水泥土搅拌桩的主要施工设备为深层搅拌机，有中心管喷浆方式的SJB-1型搅拌机和叶片喷浆方式的GZB-600型搅拌机两类。SJB-1型深层搅拌机是双搅拌轴中心管输浆的水泥搅拌专有机械，制成的桩外形呈“8”字形（纵向最大处1.3m，横向最大处为0.8m），其外形和构造如图7-20a所示。它由动力部分：2×30kW潜水电机各自连接一