《碎石桩》ppt课件

第4章碎（砂）石桩StoneColumnCompositionFoundation4.1、概述1、概念碎石桩（StoneColumn）和砂桩（SandPile）总称为碎（砂）石桩,国外也称为粗颗粒土桩（GranularPile），是指用振动、冲击或振动水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的由碎石或砂所构成的密实桩体。振冲法施工4.1、概述•2、发展历史••（1）碎石桩(StoneColumn)•1937年由德国人发明了振动水冲法(Viborfloatation)(简称振冲法)用来挤密砂土地基。•二十世纪六十年代初期，振冲法开始用于加固粘性土地基，并形成碎石桩。从此以后，一般将振冲法在粘性土、粉土、饱和黄土及填土中形成的密实碎石柱称作碎石桩。•我国应用振冲法处理地基开始于1977年，当前该方法在全国范围内已经全面推广使用，振冲设备也不断得到改进，大功率的振冲器（75kW）也已经问世。如河北省建筑科学研究所采用了干振法加固地基，并在石家庄和承德等地区取得了良好的加固效果。•随着时间的推移，各种不同的施工工艺相应产生，如沉管法、振动气冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。它们虽施工不同于振冲法，但同样可形成密实的碎石桩，人们自觉或不自觉地套用了“碎石桩”的名称。4.1、概述2、发展历史（2）砂桩起源于十九世纪三十年代的欧洲。在二十世纪五十年代后期，日本采用了沉管工艺进行振动式和冲击式的砂桩成桩方法，从而提高了砂桩处理的深度、施工质量和施工效率。二十世纪五十年代，我国从国外引进了砂桩技术，并在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。而在软土地基中使用砂桩处理技术，既有成功的经验，也有达不到预期效果的教训。4.1、概述•3、按施工方法分类及其适用性•(1)分类•国内在进行碎石桩及砂桩施工时，最常用的方法主要有振动成桩法（振动法）、锤击成桩法（锤击法）及振动水冲法（振冲法），其中，采用振动法及锤击法成桩时，均有沉管施工过程。•碎石桩按施工方法的分类见表4-1（p55）。•采用振冲法施工碎石（砂）桩时，接其加固机理的不同，又可分为冲置振换和振冲密实法两类。•表4-1碎石桩施工方法分类分类施工方法成桩工艺适用土类挤密法振冲挤密法采用振冲器振动水冲成孔，再振动密实填料成桩，并挤密桩间土砂性土，非饱和粘性土，以炉灰、炉碴、建筑垃圾为主的杂填土，松散的素填土沉管法采用沉管成孔，振动或锤击密实填料成桩，并挤密桩间土干振法采用振孔器成孔，再用振孔器振动密实填料成桩。并挤密桩间土置换法振冲置换法采用振冲器振动水冲成孔，再振动密实填料成桩饱和粘性土钻孔锤击法采用沉管且钻孔取土方法成孔，锤击填料成桩排土法振动气冲法采用压缩气体成孔，擦动密实填料成桩饱和软粘土沉管法采用沉管成孔，振动或锤击填料成桩强夯置换法采甩重锤夯击成孔和重锤夯击填料成桩其它方法水泥碎石桩法在碎石内加水泥和膨润土制成桩体饱和软粘土袋装碎石桩法在群桩周围设置刚性的（混凝土）裙围来约求桩体的侧向鼓胀袋装碎石桩法将碎石装入土工聚合物袋而制成桩体，土工聚合物可约束桩体的侧向鼓胀•在处理粘性土地基时，一般将含泥量不大的碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料充填在振冲施工形成的孔道中，经振实形成多根石料桩体，这些桩体与原地基土共同构成所谓复合地基，使地基承载力提高，沉降减少。由于碎石桩在粘性土中主要起置换作用，故称为振冲置换法。•该法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘性土、粉土、饱和黄土及填土等地基。•在处理砂土、粉土地基时，由于振冲施工过程中，桩间土在振动及压水作用下土层发生液化，土粒重新排列，孔隙减小，使地基土承载力和抗液化能力提高。由于施工过程中对桩间土起挤密作用，故称为振冲密实法。施工时，除了振冲置换法所采用的填料外，还可采用砾砂、粗砂及中砂等。振密法沉管法干振法振冲挤密法置换法钻孔锤击法振冲置换法排土法沉管法强夯置换法振动气冲法其它方法群围碎石桩法袋装碎石桩法水泥碎石桩法4.1、概述3、按施工方法分类及其适用性（2）工程适用性根据国内外碎石桩和砂桩的工程应用经验，可认为碎石桩和砂桩适用于下列工程：①中小型工业与民用建筑物；②土工构筑物，如土石坝、路基等；③港湾构筑物，如码头、护岸等；④材料堆放场，如原料场、矿石场等；⑤其它工程，如火车轨道、滑道和船坞等。4.1、概述注意：规范规定，振冲置换法适用于处理不排水抗剪强度天于等于20kPa的粘土、粉土、饱和黄土及人工填土等地基。国内也有在天然地基土的不排水抗剪强度小于20kPa的情况下，采用振冲法加固地基的成功实例，但在软弱地基条件下仍应慎重为宜，并需要经试验后再决定采用与否。因为，在抗剪强度太低的软土中难以形成碎石桩体，或者形成桩体后受荷载作用会产生较大的径向变形，所以，采用振冲置换法加固软土地基，对地基土的抗剪强度有一定的要求，这一点必须引起重视。4.2、加固机理（一）对松散砂土加固机理砂土属于单粒结构。对密实的单粒结构而言，因颗粒排列已接近最稳定的位置，在动力和静力作用下不会再产生较大的沉降，所以是理想的天然地基。而疏松的单粒结构，颗粒间孔隙大，颗粒位置不稳定，在动力和静力作用下，颗粒很容易产生位移，因而会产生较大的沉降，特别是在振动力作用下，这种现象更为显著，其体积可以减少20％左右。因此，松散砂性土未经处理不能作为地基。（一）对松散砂土加固机理碎石桩和砂桩挤密法加固砂性土地基的主要目的是提高地基承载力、减少变形和增强抗液化性。碎石桩和砂桩挤密法加固砂土地基抗液化的机理主要有以下三个方面：挤密作用排水减压作用砂基预振效应4.2、加固机理（一）对松散砂土加固机理•（1）．挤密作用•挤密砂桩和碎石桩采用沉管法或干振法施工时，由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管将地基土中等于桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层中，使桩管周围的砂层密实度增大，从而提高了地基的抗剪强度和水平抵抗力；使砂土地基挤实到临界孔隙比以下，以防止砂土在地震时产生液化。•当采用振冲法施工时，砂土颗粒在受高频强迫振动时重新排列致密，又因填入振冲孔中的大重粗骨料被强大的水平振动力挤入周围土中，使砂土密实度明显提高，孔隙率降低，干重度及内摩擦角增大，承载力提高，抗液化性能得到改善。（一）对松散砂土加固机理（2）．排水减压作用碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石（卵、砾石）等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成了渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可以有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。（3）．砂基预振效应•美国的H.B.Seed等人（1975）的试验证实：在一定动应力循环次数下，当两个试样的相对密实度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比引起未经预震的试样液化所需的应力值提高46％。因此得出：砂土液化除了与土的相对密实度有关外，还与砂土的振动应变历史有关。•注：碎石桩和砂桩挤密法适用于粉细砂到砾粗砂土中。一般认为，只要粒径小于0.005mm的细粒含量不超过10％，都可以得到显著的挤密效果。液化地基（二）对粘性土加固机理对粘性土地基（尤指饱和软土）而言，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透系数小，在振动力或挤压力作用下土中水不易排出，所以碎石桩和砂桩的作用不是使地基挤密，而是置换和对地基土起排水固结作用。碎石桩或砂桩与桩间土形成了复合地基，提高了地基的承载力，减少地基沉降，还提高了土体的抗剪强度，增大了地基的整体稳定性；由密实的碎石桩和砂桩在地基中形成了排水路径，起着排水砂井的作用，因而加速了粘性土地基的固结速率。4.2、加固机理（二）对粘性土加固机理换土置换不论对疏松砂性土或软弱粘性土，碎石桩的加固作用有：挤密、置换、排水、垫层和加筋的五种作用。排水固结强制置换4.3设计计算4.3.1一般设计原则（一）．加固范围(参考书上p58的表4-2）加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件确定，通常都大于基础底面面积。（1）若为振冲置换法，对一般地基，宜在基础外缘增加1～3排桩；对可液化地基，应在基础外缘增加2～4排桩。（2）若为振冲密实法，应在基础外缘放宽不得少于5m。（3）若采用振动成桩法或锤击成桩法进行沉管作业时，应在基础外缘增加不少于1～3排桩；（4）当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，当可液化土层上覆盖有厚度大于3m的非液化土层时，每边放宽不宜小于液化土层厚度的1/2，且不应小于3m。（一）．加固范围3.1一般设计原则(二)桩位布置形式（a）正方形（b）矩形（c）等腰三角形（d）放射形(1)需进行大面积满堂处理时，桩位宜采用等边三角形布置；(2)对独立基础或条形基础，桩位宜采用正方形、矩形或等腰三角形布置；(3)对于圆形基础或环形基础（如油罐基础）宜采用放射形布置，见下图（P58的图4-1.）4.3.1一般设计原则(三)加固深度的确定(1)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；(2)当相对硬层的埋藏深度较大时，对按变形控制的工程，加固深度应满足碎石桩复合地基变形不超过建筑物地基容许变形值的要求；(3)对按稳定性控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面的深度；(4)在可液化地基中，加固深度应按要求的抗震处理深度确定；(5)桩长不宜短于4m。目前国外振冲碎石桩加固地基最大深度为25m，国内振冲碎石桩加固地基最大深度为18m，因此设计时最大桩长不要超过25m，否则应做专门的试验研究。加固深度根据软弱土层的性质、厚度或工程要求按下列原则确定：4.3.1一般设计原则采用30kw振冲器成桩时，碎石桩的桩径一般为0.70一1.0m；采用沉管法成桩时，碎石桩的桩径一般为0.30一0.7m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。(四)桩径碎石桩的桩径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。4.3设计计算4.3.1一般设计原则（五）、材料一般使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂砾石等，含泥量小于5%。容许的最大粒径与振冲器外径与功率有关，一般不大于8cm。碎石一般粒径为2-5cm。4.3设计计算4.3.1一般设计原则（六）、垫层在不能保证施工机械正常操作的情况下，铺设临时性垫层；桩施工完毕后，在基础底面一般铺设30-50cm的碎石或砂垫层。底层要分层铺设，并用平板振动器振实4.3设计计算4.3.1一般设计原则4.3.2用于砂性土地基设计计算方法碎石桩和砂桩用于砂性土地基时的设计思路，主要是从挤密的角度来考虑的。首先要根据工程对地基加固的要求，来确定地基要求达到的密实度和孔隙比，并以此确定桩位布置、桩径大小和桩的间距。包括（1）桩距计算（2）液化判别4.3.2用于砂性土设计计算方法(一)桩距确定(主要取决于加固前后地基土重度(孔隙比))当正三角形方形布置时：设碎石桩和砂桩的布置如图3－11所示。假定挤密后其在土体中起到100％的挤密效果，不考虑竖向振密变形（h=0）。图中dc为直径（m）；γ为土的天然重度（kN／m3）；令为加固后土的重度（kN／m3）。则加固前的三角形ABC内土的总重量应等于加固后三角形内阴影部分的总重量，即则根据土的三相比例指标换算关系，也可得（3－4）式中、——分别为地基加固后的孔隙比。注意：上式没有考虑竖向振密变形，即h=04.3.2用于砂性土设计计算方法(一)桩距确定当正方形布置时：处理前体积：处理后体积：可得正方形桩位布置计算桩距孔隙比e变化图故设桩体直径为d，由于代入当正方形布置时：式中、——分别为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》（GBJ123－88）确定；Dr——地基挤密后要求砂土达到的相对密实度，可取0.70—0.85。碎石桩和砂桩每根桩每米桩长的填料量q：式中A——一根碎石（砂）桩所分担的加固面积。注意：上式没有考虑竖向振密变形，即h=0(二)液化判别++++++++++++++++++++国标《建筑抗震设计规范》（GBJll－89）规定：应该采用标准贯入试验判别法，在地面以下15m深度范围内的液化