第8章--砂桩

地基处理GroundTreatment重庆交通大学河海学院吴文雪第8章砂桩Chapter8SandColumn砂桩法是指利用振动或冲击荷载，在软弱地基中成孔后，填入砂并将其挤压入土中，形成较大直径的密实砂桩的地基处理方法，主要包括砂桩置换法、挤密砂桩法等。砂桩法起源于19世纪30年代的欧洲，用于在海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。当时的设计桩长为2m，桩径为0.2m，每根桩承担的荷载为10KN。8.1概述8.1Introduction此后，在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的发展。20世纪50年代后期，随着振动打桩机的出现，又采用振动式打拔管施工方法，使其施工质量和施工效率均有显著提高，处理深度可达30m左右。砂桩最初是用于处理松散砂土和人工填土地基的，而在软弱粘性土地基上的应用不太成功。因为软弱粘性土的渗透性小，灵敏度大，成桩过程中产生的超静孔隙水压力不能迅速消散，挤密效果较差，而且因扰动而破坏了土的天然结构，降低了土的抗剪强度。根据国外的经验，在软弱粘性土中形成砂桩复合地基后再对其进行加载预压，可提高地基强度和整体稳定性，并减小工后沉降。国内的实践也表明，如不进行预压，砂桩施工后的地基在荷载作用下仍有较大的沉降变形，对沉降要求较严的建筑物难以满足要求。因此，使用砂桩构成砂桩复合地基，对它再进行堆载预压，可显著提高地基强度，改善地基的整体稳定性，并减小地基沉降量。我国1959年首次在上海重型机器厂采用锤击沉管挤密砂桩法处理地基，1978年又在宝山钢铁总厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场地基。近十多年来，砂桩法在我国工业与民用建筑、交通、水利等工程建设中得到了广泛应用。工程实践表明，砂桩法用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基，其挤密(或振密)效果较好，不仅可以提高地基的承载力、减小地基的沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震所产生的液化。砂桩处理饱和软弱粘性土地基时，主要是置换作用，可以提高地基承载力和减小沉降，同时，还起排水通道作用，能够加速地基的固结。地基土的土质不同，对砂桩的作用原理也不尽相同。1、在松散砂土中的作用1）挤密作用采用冲击法或振动法往砂土中下沉桩管和一次拔管成桩时，由于桩管下沉对周围砂土产生很大的横向挤压力，桩管将地基中同体积的砂挤向周围的砂层，使其孔隙比减小，密度增大，这就是挤密作用，有效挤密范围可达3－4倍桩直径，且地基承载力可提高2～5倍。这就是通常所谓的“挤密砂桩”。8.2加固原理8.2MechanismofReinforcement2）振密作用采用振动法往砂土中下沉桩管和逐步拔出桩管成桩时，下沉桩管对周围砂层产生挤密作用，拔起桩管对周围砂层产生振密作用，有效振密范围可达6倍桩直径左右。振密作用比挤密作用更显著，其主要特点是砂桩周围一定距离内地面发生较大的下沉。采用这种成桩方法的砂桩称为“振密砂桩”。2、在软粘土中的作用1）置换作用密实的砂桩在软弱粘性土中取代了同体积的软弱粘性土（置换作用），形成复合地基，使承载力有所提高，地基沉降也变小。一般地，砂桩复合地基承受外载荷时，发生压力向砂桩集中的现象，使桩周围土层承受的压力减小，沉降也相应减小。砂桩复合地基与天然的软弱粘性土地基相比，地基承载力增大率和沉降减小率都与置换率成正比关系。根据载荷试验，在同等载荷作用下，其沉降可比天然地基减小20%－30%。2）排水作用在软弱粘性土地基中，砂桩可以像砂井一样起排水作用，从而加快地基的固结沉降速率。砂桩复合地基与天然地基载荷试验的对比表明，在荷载相同的条件下，前者的沉降稳定时间比后者短得多。以上海宝山钢铁总厂的对比试验为例，在承压板面积影响范围内为饱和的粉质粘土和淤泥质粉质粘土，在荷载约为160kPa时，砂桩复合地基沉降稳定时间为69－70h，而天然地基为190h，说明砂桩对促进地基固结沉降有十分显著的作用3、砂桩用途（1）在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。（2）在软弱粘性土中，可用于提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。1、加固范围应根据建（构）筑物的重要性和场地条件及基础型式而定。对于一般基础，在基础外应扩大1～3排；对于可液化地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m；对于高等级公路，一般应处理至边缘外1～3m。8.3设计计算(Design)2、桩位布置对大面积满堂处理，桩位宜用等边三角形布置；对于独立或条形基础，桩位宜采用正方形、矩形等腰三角形布置；对圆形或环形基础宜用放射形布置。3、加固深度加固深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；（1）当软土层不厚时，应穿透软土层；（2）当软土层较厚时，对按变形控制的工程，加固深度应满足砂桩复合地基变形不超过地基容许变形值并满足下卧层承载力的要求；（3）当软土层厚度较大时，对于按稳定性要求控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面一下2m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）桩长不宜小于4m。4、桩径根据置换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑确定砂桩直径。在饱和软弱粘性土中尽可能采用较大的直径。目前国内采用的桩径一般为0.3－0.8m，国外最大达2m。5、材料宜使用中粗混合砂，含泥量不大于5%。在对砂桩成型没有足够约束力的软弱粘性土中，可以使用砂和角砾混合料。桩孔填料量应通过现场试验确定，估算时可按桩孔体积乘以充盈系数1.2－1.4确定。6、垫层砂桩施工完毕后，地面应铺设30－50cm厚的砂垫层或砂石垫层。垫层要分层铺设，用平板振动器振实。在地面很软不能保证施工机械正常型式和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。7、桩距计算（1）砂土和粉土地基可根据挤密后要求达到的孔隙比e1来确定。等边三角形布置正方形布置其中100195.0eeeds100189.0eeeds)(minmax1max1eeDeer式中s－－砂桩间距（m）；d－－砂桩直径（m）；－－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；e0－－地基处理前砂土的孔隙比，可按原状土样试验确定，也可根据动力或静力触探等对比试验确定；e1－－地基挤密后要求达到的孔隙比；emax、emin－－砂土的最大最小孔隙比，可按现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T50123的有关规定确定；Dr1－－地基挤密后要求达到的相对密实度，可取0.70~0.85。（2）粘性土地基等边三角形布置正方形布置式中Ae－－1根砂桩承担的处理面积（m2）eAs08.1eAs式中Ap－－砂桩的截面积（m2）；m－－面积置换率。8复合地基承载力砂桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时，也可通过下列方法估算：（1）砂土地基，可根据挤密后砂土的密实状态，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定确定。mAApe（2）对粘性土或粉土地基，可按以下公式计算：或式中fspk－－砂桩复合地基承载力特征（kPa）；fpk－－桩体承载力特征值（kPa），宜通过单桩载荷试验确定；skpkspkfmmff)1(22/eddmskspkfnmf)]1(1[fsk－－处理后桩间土承载力特征（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值；m－－桩土面积置换率；d－－桩身平均直径（m）；de－－1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；等边三角形布桩de＝1.05s正方形布桩de＝1.13s矩形布桩n－－桩土应力比。2113.1ssde8.4施工(Construction)(1)施工可采用振动沉管、锤击沉管或冲击成孔等成桩法。当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法。(2)施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍套管外径；套管垂直度偏差不应大于1％。施工工艺1、施工标高砂桩施工标高一般高于基础底面设计标高1～2m，以便挖开基坑时将没有充分挤实的或被挤松的表层土完全挖去。如果砂桩施工后对地基表层1～2m深度内的土层进行适当处理，则砂桩施工可以从基底设计标高开始。2、砂的含水量施工时砂的含水量对砂桩密实性有很大影响，应根据成桩方法分别规定。（1）采用单管冲击式或振动式一次拔管成桩或复打成桩时，使用饱和砂。（2）采用双管冲击式或单管振动式重复压拔管成桩时，使用7%－9%含水量。在饱和土中施工时也可采用天然湿度砂或干砂。3、施工顺序在松散砂土中，宜从外围或两侧向中间进行。首先施工外围桩，然后施工隔排的桩，对最后几排桩，如下沉桩管困难时，可适当增大桩距。在软弱粘性土中，采用“间隔跳打”方法。砂桩成型困难时可隔排施工，各排中的桩可间隔施工。当加固区附近有其他建筑物时，必须先从邻近建筑物一边的桩开始施工，然后逐步向外推移。4、成桩试验施工前要进行成桩试验，如不能满足设计要求，就应调整桩间距、填料量等施工参数，重新进行试验或修改施工工艺设计。5、成桩工艺施工可采用振动沉管、锤击沉管等成桩法。当用于消除粉细砂及粉土液化时，宜用振动沉管成桩法。1)振动沉管法振动沉管法一次拔管法逐步拔管法重复压拔管法(1)一次拔管法。成桩工艺步骤如下：①把桩管垂直对准桩位。②启动振动桩锤，将桩管振动沉入土中，达到设计深度，对桩管周围的土进行挤密或挤压。③从桩管上端的投料漏斗加入砂料，数量根据设计确定，为保证顺利下料，可适当加水。④边振动边拔管，直至拔出地面。(2)逐步拔管法。①施工步骤同一次拔管法步骤。②逐步拔管，边振动边拔管，每拔管50cm，停止拔管继续振动，停拔时间10～20s，继续拔管，直至将桩管拔出地面为止(3)重复压拔管法。成桩工艺步骤如下图示①桩管垂直就位，闭合桩靴。②将桩管沉入地基土中达到设计深度。③按设计规定的砂料量向桩管内投入砂料。④边振动边拔管，拔管高度根据设计确定。⑤边振动边向下压管，下压的高度由设计和试验确定。⑥停止拔管，继续振动，停拔时间长短按规定要求。⑦重复步骤③～⑥，直至桩管拔出地面。质量控制项目如下质量控制项目一次拔管法逐步拔管法重复压拔管法桩身连续性桩身密实度桩身直径拔管速度速度1～2m/分填砂数量拔管速度，防止断桩或缩颈慢，砂料应充分振密填砂数量拔管速度、拔管高度和压管高度压管高度和桩管的留振时间。一般桩管每提高100cm，下压30cm，留振10～20s拔管速度和下压桩管的高度2)锤击成桩法锤击成桩法单管成桩法双管成桩法(1)单管成桩法。成桩工艺步骤如下图示。①桩管垂直就位，下端为活瓣桩靴时则对准桩位，下端为开口时则对准已按桩位埋好的预制钢筋混凝土锥形桩尖②启动蒸汽桩锤或柴油桩锤将桩管打入土层至设计深度③从加料漏斗向桩管内灌入砂料。当砂量较大时，可分两次灌入：第一次灌总料量的2／3或灌满桩管，然后上拔桩管；当能容纳剩余的砂料时再第二次加够所需砂料④按规定的拔管速度，将桩管拔出。(2)双管成桩法。成桩工艺步骤如下图示。①桩管垂直就位。②起动蒸汽桩锤或柴油桩锤，将内、外管同时打入土层中至设计规定的深度。③拔起内管至一定高度不致堵住外管上的投料口，打开投料口门，将砂料装入外管里。④关闭投料口门，放下内管压在外管内的砂面上，拔起外管，使外管上端与内管和桩锤接触。⑤起动桩锤，锤击内、外管将砂料压实。桩底第一次投料较少，如填0.15m3（约1手推车）。(只是桩身每次投料的一半)，然后锤击压实，这一阶段叫做“座底”，“座底”可以保证桩长和桩底的密实度。⑥拔起内管，向外管里加砂料，每次投料约为0.3m3。⑦重复步骤④～⑥，直至拔管接近桩顶为止。⑧制桩达到桩顶时，即最后1～2次加料每次加1~1.5手推车砂料，进行锤击压实，至设计规定的桩长或桩顶标高，这一阶段叫“封顶”。质量控制项目单管成桩法双管成桩