振冲法加固地基讲义（42页内容丰富）

1、第四章 振冲法 一、概述 碎石桩(Stone Column)和砂桩(Sand Pile)等在国外统称为粗颗粒土桩(Granular Pile)。它是指用振动、冲击或水冲等施工方式，在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂等粗骨料挤压入孔中，使被加固的松散地基挤密或填料成桩并和原地基土组成复合地基，提高地基强度的加固技术。7/23/20221地基处理技术第四章 振冲法振冲法示意图7/23/20222地基处理技术第四章 振冲法 1937年德国凯勒公司（Jahann Keller）按斯图门(Steuerman) 设计制造出具有现代振冲器雏形的机具，并开始用于加密砂基，其有效性和经济性越来越为人们所承认。50

2、年代末60年代初德国和英国相继把振冲法用来加固黏土地基，我国在大坝、道路、桥涵、大型厂房及工业与民用建筑地基上广泛采用了振冲法加固技术。 我国在实际工程中采用的振冲法是一种水平径向的振动。双向振冲处于试验研究阶段。 7/23/20223地基处理技术第四章 振冲法 随着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、碎石桩强夯置换法等，虽然它们施工不同于振冲法，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。所以碎石校的内涵扩大了。不管加固的地基是砂性土还是黏性土；不论施工方法是振冲法、干振法、振动沉管法还是其它方法，只要制成的是以石料组成的柱或桩体，均称为“

3、碎石桩”。7/23/20224地基处理技术第四章 振冲法 振冲法按加固机理和效果的不同，分为振冲置换法和振冲密实法两类。前者是在地基土中借助振冲器成孔，在孔内填料、振密，制作出以碎石、砂砾等散粒材料组成的桩体，该桩体与原地基土组成复合地基，又称振冲置换碎石桩法；后者是在松散的砂层中，使砂层液化、密实，可根据砂土的不同，有加填料和不加填料两种，又名振冲挤密砂桩法。7/23/20225地基处理技术第四章 振冲法振冲法加固软弱地基的特点： 1.振动力直接作用在地基深层软弱土的部位，对软弱土施加的振动侧向挤压力大，因而使土密实的效果与其它地基处理方法相比为最好； 2.对不均匀的天然地基土，在平面和深度

4、范围内，由于地基的振密程度可随地基软硬程度对不同的填料量进行调整，同样可取得相同的密实电流，使加固后成为较为均匀的地基，以满足工程对地基变形的要求； 3.施工机具简单、操作方便、施工速度较快、加固质量容易控制，目前的施工技术最深可达30m；7/23/20226地基处理技术第四章 振冲法 4.不用钢材和水泥，仅用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂和中砂等当地硬质材料，因而造价较低，与钢筋混凝土桩基相比较，一般可节约投资三分之一； 5.在天然软弱地基中，经振冲法灌入碎石或卵石等粗骨料，成桩后改变了地基排水条件，可加速地震时超孔隙水压力的消散，有利于地基抗震和防止液化。 6.施工中排放污水、污泥量较

5、大，在人口稠密地区和没有排污泥场地时使用受到一定限制。7/23/20227地基处理技术第四章 振冲法振冲法适用条件： 振冲置换法一般适于处理不排水抗剪强度大于20kPa的黏性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，但对不排水抗剪强度小于20kPa的淤泥质土、淤泥等地基，应通过场地试验确定其适用性。这样既不限制适用范围，也对设计人员采用时提醒其应持慎重态度； 振冲密实法适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。7/23/20228地基处理技术第四章 振冲法二、加固地基原理 （一）松散地基加固 疏松的砂性土不经处理不能作为建筑地基。碎石桩不论振冲法

6、或干振法)加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承载力和模量，并增强抗液化性。 1. 挤密效应 振冲器的水平振动加水使饱和砂层液化、砂颗粒重新排列，孔隙减少；水平振动力又可使砂层挤压、加密；若做碎石桩，则桩体具有良好透水性，加速地基固结。7/23/20229地基处理技术第四章 振冲法2. 排水减压效应 砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷裁作用时，将发生体积收缩和趋于密实。在砂土无排水条件时，体积的块速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，当砂土中有效应力降低为零时，便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水

7、减压通道，可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。7/23/202210地基处理技术第四章 振冲法3. 预震效应 美国的试验表明，密实度Dr54但未受过预震影响的砂样，与其抗液化能力相当于相对密实度Dr80的未受过预震的砂样相比，即在一定循环次数下，当两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施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46。从而得出了砂土液化的特性，除了与土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有关的结论。在振冲法施工时，振冲器以每分钟1450次振动频率，9.8ms2水平加速度和90kN激振力喷水沉入士中时，使填料

8、和地基土在挤密的同时获得强烈的预振，这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。7/23/202211地基处理技术第四章 振冲法7/23/202212地基处理技术第四章 振冲法 （二）黏性土地基加固 由于黏性土在施加上振动后具有的“触变现象”（密实度不变，强度能恢复到原来强度的特性），所以振冲法只是成孔，然后孔内填料成桩，桩与原地基土形成复合地基。 由于桩、土的变形模量不等（土为15MPa；桩310MPa），施加荷载后，一部分荷载作用在桩上，另一部分作用在地基土上。由于碎石桩的刚度比桩周土的刚度大，而地基中应力按材料变形模量进行重新分配时，大部分荷载将由碎石桩承担，桩体应力和桩间黏性土应力之比值称为桩

9、土应力比。 7/23/202213地基处理技术第四章 振冲法 三、设计计算（一）设计的一般原则 1.处理范围 振冲挤密法：建筑物基础外缘每边加宽至少5m。振冲置换法：一般地基，在基础外缘应扩大12排桩；对可液化地基，在基础外缘应扩大24桩。 2.桩位布置和桩距 对大面积满堂处理，桩位采用等边三角形布置；对独立或条形基础，采用正方形、矩形、或等腰三角形布置。7/23/202214地基处理技术第四章 振冲法 桩的间距根据地基土性质、荷载大小、振冲器的功率来确定。如振冲器为30kW，则桩距为1.82.5m；振冲器为75kW，则桩距为2.53.5m。振冲挤密法也可按3-5式来计算。 （4-1） 式中

10、s桩距，m；系数，正方形为1，等边三角形为1.075；VF单位桩长平均填料量，0.30.7m3；V原地基为达到规定密实度单位体积所需填料量。7/23/202215地基处理技术第四章 振冲法 ep桩体材料孔隙比；e0原地基土孔隙比；e地基土要求达到的孔隙比。 振冲置换法的桩距一般为1.52.5m。3.桩长的确定 当相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层的埋藏深度确定；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。桩顶应铺设一层200500mm厚的碎石垫层。 7/23/202216地基处理技术第四章 振冲法4.桩的直径 可按每根桩所用的填料计算，一般振冲挤密法为0.

11、30.5m；振冲置换法为0.81.2m。5.填料选择 振冲挤密法：可采用中粗砂或砂砾混合物，原地基为中粗砂时可不加填料；振冲置换法：碎石、卵石、砾砂、矿渣、碎砖等，粒径一般为25cm。6.振动影响 振冲器工作时其振波向四周传递，对于松砂地基，影响不超过8m；对于黏性土地基不超过23m。所以一般不做抗振处理。7/23/202217地基处理技术第四章 振冲法二、对砂性土设计计算 对砂性土地基，主要是从挤密的观点出发考虑地基加固中的设计问题，首先根据工程对地基加固的要求(如提高地基承载力、减少变形或抗地震液化等要求)，确定碎石桩加固后要求达到的密实度和孔隙比，从而考虑桩位布置形式和桩径大小，再计算桩

12、距和桩长。7/23/202218地基处理技术第四章 振冲法 1. 桩距确定 设碎石桩的布置如图41示，假定在松散砂土中打入碎石桩能起到100的挤密效果，即在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。已知一根碎石桩所分担的加固面积为A，单位深度灌碎石量为AP，原砂土地基单位深度的平均体积为Vo，其中原砂的固体颗粒所占的体积为Vs，桩距为L(图42)。图4-1正方形布桩示意图图4-2孔隙比变化示意图7/23/202219地基处理技术第四章 振冲法 当正方形布置时，处理前体积：（4-2）处理后体积： （4-3）从式(42)和(4-3)可求得： （4-4）（4-5）设桩体直径为d，由于7

13、/23/202220地基处理技术第四章 振冲法 当正方形布置时： （4-6）当等边三角形布置时： （4-7） 地基挤密后要求达到的孔隙比e1，可按工程对地基承载力要求或按挤密后要求，达到抗液化的相对密实度Dr确定：（4-8）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(GBJl2388)的有关规定确定；地基挤密后要求砂土达到的相对密实度，可根据场地地震烈度需要而取得，一般为0.78-0.85。 7/23/202221地基处理技术第四章 振冲法 碎石桩每根桩每米长度的填料量q为： （4-9）式(46)和(47)也可用加固前、后土的重度o和1，表示，即：（4-10）（4-11） 当正方形布

14、置时： 等边三角形布置时： 实际上，成桩后挤密范围内地面经常发生隆起或下沉现象，说明挤密范围内土层体积已发生变化，因此，若按以上公式计算，则结果会时大时小，需要修正：7/23/202222地基处理技术第四章 振冲法 当正方形布置时： 等边三角形布置时： 式中：l桩长，m；h制桩过程中地面高程 升降变化（升降），m。7/23/202223地基处理技术第四章 振冲法 2.液化判别 根据建筑抗震设计规范(GBJll89)规定：应采用标准贯入试验判别法，在地面下15m深度范围内的液化土应符合下式要求(当有成熟经验时，尚可采用其它判别方法)。N63.5饱和土标准贯入锤击数实测值(未经杆长修正)；Ncr液

15、化判别标准贯入锤击数临界值；7/23/202224地基处理技术第四章 振冲法N0液化判别标准贯入锤击基准值，应按表采用ds饱和土标准贵入点深度，mdw地下水位深度，宜按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期年最高水位采用，m ；c粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，均应采用3。7/23/202225地基处理技术第四章 振冲法三、黏性土设计计算 在黏性土地基中打入挤密砂桩后，形成了黏性土和砂桩的复合地基，其应力分布由于黏性土和砂桩的物理、力学性质不同，二者分担的应力也有所不同，应力分布产生向砂桩的应力集中，在黏性土地基上，进行砂桩设计时，应根据不同的对象，满足地基承载力、稳定性和沉降等要求。

16、图4-3 复合地基示意图7/23/202226地基处理技术第四章 振冲法 在黏性土和砂桩所构成的复合地基中，当作用的外荷载为p时，设作用在砂桩的应力为fp、作用于桩间黏性土上的应力为fs，假定在砂桩和黏性土的各自的作用面积为Ap及A-Ap的范围内，作用的应力为均匀分布，则根据平衡条件求得：式中 A1根砂桩所分组的处理面积。桩土应力比(也称为应力集中比）面积置换率7/23/202227地基处理技术第四章 振冲法式中：p应力集中系数； s应力降低(扩散)系数。 从上式可知，当n1，m0时，应力向桩体集中，并使作用于桩间黏土的应力减小。7/23/202228地基处理技术第四章 振冲法 一般情况下，桩

17、土应力比n可取24，原土强度高时，取小值，原土强度低时，取大值。如原地基土为砂土、粉土时，n取1.52；原地基土为黏性土、素填土时，n取23；原地基土为软塑黏性土时，n取34。7/23/202229地基处理技术第四章 振冲法 对于小型工程的黏性土地基，如无载荷试验资料，复合地基承载力标准值可按下式求 式中 Sv桩间土的十字板的抗剪强度，也可用处理前地基土的十字板抗剪强度代替。7/23/202230地基处理技术第四章 振冲法四、振冲法施工设备、机具（一）振冲器1.振动器结构电动机动力部分振动器振动部分 通水管水路部分减振器及导管防扭部分 图4-4 振冲器结构示意图 1-水管；2-导管；3-活接头

18、；电动机垫板；5-潜水电机；6-转子；7-电动机轴；8-联轴节；9-空心轴；10-壳体；11-翼板；12-偏心块；13-向心轴承；14-推力轴承；15射水管7/23/202231地基处理技术第四章 振冲法2.振动参数选择 振动频率 振冲器振动迫使周围土颗粒强迫振动，处在共振状态，产生相对位移达到最佳加密效果。国外试验表明振动频率在1500r/min时，可获得最佳加密效果，3000r/min时效果最差。目前我国振冲器所选用的电机转速是1450r/min，接近最佳加密效果。 振幅 振冲器的振幅在一定范围内给土体以挤压。在相同振动时间内，振幅增加，地基土的沉降量亦增加，加密效果好。但振幅过大或过小，

19、均不利于加固土体。我国振冲器的振幅设计一般在10mm左右（全振幅）。 加速度 反映振冲器振动强度的主要指标，我国振冲器自身发出加速度值一般为10g左右。7/23/202232地基处理技术第四章 振冲法 型号ZCQ-13ZCQ-30ZCQ-55BL-75BL-100PENINE150电动机功率/k柴油机）HD225转数/r/min1450145014501450145003600额定电流/A22.560100150220油压/036MPa 振动力/kN3590200160200290振幅/mm4.204.205.07.07.03.5振冲器外径/mm27435145042

20、6426310振冲器长度/mm200021502500300031502200总重量/kg78094016002050表4-1 振冲器主要技术参数 7/23/202233地基处理技术第四章 振冲法（二）其它设备、机具 1.起吊设备 30kW振冲器宜大于80kN；75kW振冲器宜大于160kN。起吊高度必须大于施工深度。 2.填料设备 填料可用装载机和人工手推车，30kW振冲器配0.5m3以上的装载机，75kW振冲器配1.0m3以上装载机。 3.电器控制设备 电气控制系统除为施工配电外，还应具有控制施工质量的功能。控制振冲加固的标准是一般用振冲器达到某一电流值及该电流维持的时间即留振时间。 4.

21、供水设备 供水泵要求压力0.41.0MPa，供水量2030m3/h左右。 5.排泥浆设备 排浆泵应根椐排浆量和排浆距离选用合适的排污泵。7/23/202234地基处理技术第四章 振冲法五、振冲法施工（一）施工准备工作 施工准备一般应做好下列工作：1.参加设计单位的技术交底2.收集、分析施工场地地质资料3.查清施工场地内地下障碍物4.编写施工组织设计5.配备相应功率及型号的振冲器和配套机具6.施工场地应做到“三通一平”7.根据建筑物或桩位主要轴线按图纸测放桩位 8.做好施工场地作业布置9.在护桩或建筑物非主要部位进行试制桩7/23/202235地基处理技术第四章 振冲法（二）施工施工的一般工序为

22、：成孔、清孔、填料、加密四个步骤,见图4-5。 图4-5 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7/23/202236地基处理技术第四章 振冲法7/23/202237地基处理技术第四章 振冲法 1.成孔 成孔最大速度一般控制在每分钟不大于2m为宜。造孔深度可小于设计桩深300mm。加密深度必须达到设计深度。成孔水压大小视振冲器贯入速度和地基土冲刷情况而定。一般0.30.8MPa。 2.清孔 成孔时，返出泥浆密度大或孔中有狭窄或缩孔地段时，应进行清孔。将振冲器提出孔口或需要扩孔地段上下提拉振冲器，使孔口返出泥浆变稀

23、（密度降低），振冲孔顺直通畅，以利填料加密。 3.填料 连续填料、间断填料或强迫填料三种方式。 7/23/202238地基处理技术第四章 振冲法 4.振（加）密 振密是振冲法处理地基关键环节，振冲法振密控制标准基本上可分三种： 填料量控制：振密过程中按每延米填入填料数量控制。这种控制标准缺点在于：由于孔内土质不同、强度不同，相同填料量可能造成沿孔深不同土层存在填料“不足”或“富余”情况，加密不甚理想。目前单纯填料量控制采用较少。 电流控制：是指振冲器的电流达到设计确定的加密电流值。振冲器在贯入土层前运行时的电流称为振冲器空载电流。当振冲器贯入土层中，受到周围土的约束，此时为保持振冲器处于自由振动状态，必须克服周围土对振冲器的约束力，结果电机电流必然增大，即电机输出功率增加。控制一定的加密电流即振冲器以一定电机功率的振动力施加于周围土质，这样在孔周围土质软弱地段需要多填填料，而在土质强度高的地段填料数量就需要小些，以达到与振冲器相同输出功率、振动力相匹配的