地基处理挤密法培训讲义（ppt共69页）

1、地基处理Foundation Treatment河南科技大学规划与建筑工程学院高笑娟第5章 挤密法1、砂桩挤密法(砂桩)(densification by sand Pile)（1）概述 砂桩挤密法是用振动、冲击或打入套管等方法，在地基中形成土孔，然后填入中、粗砂，并予以捣实而形成直径较大的桩，使地基土在较大的深度范围内得以挤密加固。 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。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。 第二次世界大战以后，砂桩

2、法在前苏联得到广泛应用并取得了较大成就。初期，砂桩采用冲孔捣实施工法，以后又采用水冲振动施工法，其缺点都是质量不佳和处理深度较浅。 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法。 随后日本又研究出振动式重复压拔管施工法和控制施工质量的方法，这些方法的应用使砂桩地基处理技术发展到一个新的水平，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。 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。这两项工程为我国在饱和软弱粘性土中采用砂桩，特别是砂桩地基处理方法积累了丰富的经验。

3、 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。 （2）加固原理 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 挤密作用； 振密作用 2）在软粘土中的作用 置换作用； 排水作用；（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。2、振冲碎石桩（1）概述 振冲碎石桩(振冲法)适用于处理砂土、粉土、粉质就土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基。 振冲法对不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实

4、等作用。对粘性土主要起到置换作用，对中细砂和粉土除置换作用外还有振实挤密作用。 在中、粗砂层中振冲，由于周围砂料能自行塌入孔内，也可以采用不加填料进行原地振冲加密的方法。这种方法适用于较纯净的中、粗砂层，施工简便，加密效果好。 （2）加固机理 1）在松散砂土和粉土地基中的作用 挤密作用。单粒结构在松散状态时，颗粒的排列位置是很稳定的，在动力和静力作用下会重新进行排列，趋于较稳定的状态。即使颗粒的排列接近较稳定的密实状态，在动力和静力作用下也将发生位移，改变其原来的排列位置。松散砂土在振动力作用下，其体积缩小可达20。 无论采用锤击法还是振动法，在砂土和粉土中沉入桩管时，对其周围土体都产生根大的

5、横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的砂挤向桩管周围的土层，使其孔隙比减小，密实度增加。此即碎石(砂)桩法的挤密作用。 振密作用 沉管特别是采用垂直振动的激振力沉管时，桩管四周的土体受到挤压，同时，桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，引起桩四周土体的振动，在挤压和振动作用下，土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐渐增大。 随着孔隙水压力的进一步增大，达到等于或大于土中上覆土的自重应力时，土的有效应力将为零，土体开始液化成流体状态，流体状态的土变密实的可能性较小，如果有排水通道(砂石桩)，土体中的水此时就沿着排水通道排出地面。随着孔隙水压力的消散，颗粒重新排列、固结，形成新的结构，其密实度得到提高。在

6、砂土和粉土中振密作用比挤密作用要明显，是碎石(砂)桩的主要加固机理。振动成桩过程中，一般形成以桩管为中心的“沉降漏斗”，桩径达(69)d(d为桩直径)，并形成多条环状裂隙。 抗液化作用 碎石(砂)桩法形成的复合地基，共抗液化作用主要有两个方面： 桩间可液化土层受到挤密和振密作用后，土层的密实度增加，结构强度提高，标准贯入锤击数的增加，从而提高土层本身的抗液化能力。 碎石(砂)桩在土层中形成良好的排水通道，可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上升的幅度，因而提高桩间土的抗液化能力。 2）在粘性土地基中的作用 置换作用 碎石(砂)桩齐软弱熟性土中成桩以后与桩间土共同组成复

7、合地基，内密实的碎石(砂)桩桩体取代了与桩体体积相同的软弱土，因为碎石(砂)桩的强度和抗变形性能等均优于其周围的土，所以形成的复合地基的承载力、模量就比原来天然地基的承载力、模量大，从而提高了地基的整体稳定性，减小了地基的沉降量。复合地基承强力增大率与沉降量的减小率均和置换率成正比关系。 排水固结作用 工程实测资料表明，制桩后桩间土含水量可增加10，干密度可下降3，十字板强度比原地基土降低1040。制桩结束后，一方面原地基土的结构强度逐渐恢复，另外，在软粘土中，所制的碎石(砂)桩是粘性土地基中一个良好的排水通道，碎石(砂)桩可以和砂井一样起排水作用，大大缩短了土体的横向排水距离，加快了地基的固

8、结速度，加速了地基土的沉降稳定。挤密桩加固结果可使有效应力增加，强度恢复并提高，甚至超过原土强度。 加筋作用 由于碎石(砂)桩的刚度比桩周粘性土的刚度大，而地基中应力按材料变形模量进行重新分配，因此，大部分荷载将由碎石(砂)桩来承担，桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩土应力比，一般能达到2-4。（3）设计计算 碎石(砂)桩的设计包括桩体材料的选择，桩体直径的大小、布桩形式、桩距、桩长的确定，碎石(砂)桩复合地及稳定性验算及地基沉降的计算。 1)加固范围 加固范围须结合上部结构的持征、基础尺寸的大小、基础的形式、荷载条件和：工程地质条件确定。复合地基的宽度需超出基础的宽度，一般每边放宽不少于1

9、3排桩。当用于消除地基液化沉陷时，每边放宽不小于处理深度的12，并不小于5m；当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化层时，每边放宽不小于液化层厚度的l2，并不小于3m。 2)桩体材料 碎石(砂)桩桩体材料可使用砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等，也可以粗细粒料以一定的比例配合使用。特别是在碎石(砂)桩侧限作用较小的软弱粘性土中，可以使用含有棱角状碎石的混合料，以增大桩体材料的内摩擦角。 碎石(砂)填料中含泥质量百分数不得大于5，并且不含有粒径大于50 mm的颗粒。 3)桩体直径 碎石(砂)桩的直径取决于施工设备的能力、处理的目的和地基土类型等因素。振冲桩直径通常为0.8-1.2m、可按

10、每根桩所用填料量计算，对饱和粘性土地基应采用较大的直径，采用沉管法成桩时，碎石和砂桩的桩径一般为0.30-0.70 m。 4)桩体长度 当相对硬层埋深不大时，桩长按相对硬层埋深确定；当相对硬层埋探较大时，桩长按建筑物地基变形允许值确定；在可液化地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩长不宜小于4.0m。 5)桩位布置 砂石桩的平面布置形式要根据基础的形式确定。对大面积满堂基础，桩位宜用等边三角形布置；对独立或条形基础，桩位宜用正方形、矩形或等腰三角形布置；对于圆形或环形基础(如油罐基础)，宜用放射形布置。 另外，碎石(砂)桩施工之后，桩顶1.0 m左右长度的桩体是松散的，密实度较小，此部分应

11、当挖除，或者采取碾压或夯实等方法使之密实。然后再铺设垫层，垫层厚度300500 mm， 6)桩孔间距的确定 砂土和粉土地基 考虑振密和挤密两种作用，平面布置一般为正三角形和正方形。三角形布桩时正方形布桩时 式中，为考虑振密作用的修正系数，当考虑振密作用时，可取=1.1-1.2，不考虑振密下沉作用时，可取=1.06）复合地基承载力计算等边三角形布桩正方形布桩矩形布桩间断投料法施工连续投料法施工一次拔管和逐步拔管成桩工艺单管锤击成桩工艺重复拔管成桩工艺芯管密实双管法成桩工艺内击沉管法制桩工艺3、土挤密桩桩法和灰土挤密桩法1）概述 土挤密桩法由原苏联阿别列夫教授于1934年首创，并在工程建设中得到广

12、泛应用。 我国自20世纪50年代中期开始在西北黄土地区进行土挤密桩法的研究和应用。 60年代中期，西安地区在土挤密桩法的基础上成功地应用了灰土挤密桩法，并在70年代逐步推广应用。 灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基，不适用于地下水位以下使用。当地基土的含水量大于24、饱和度超过65时，成孔及拨管过程中，桩孔容易缩颈，桩孔周围容易隆起，挤密效果差，此时不宜采用。灰土挤密桩法和土挤密桩法处理地基深度一般为515m。若用于处理5m以内土层，其综合效果不如强夯法、重锤夯实法以及换填垫层法。对大于15m的土层，若地下水位较深，近年来有采用螺旋钻取土成孔，分层

13、回填灰土，并强力夯实，使加固深度超过20m的黄土地基加固实例。 2）加固机理 挤密作用 灰土挤密桩和土挤密桩的挤帘作用与砂桩类似。当桩的含水量接近最优含水量时，土呈塑性状态，挤密效果最佳；当含水里偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小；当含水量过高时，由于挤密引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等情况。土的天然干密度愈大，有效挤密范围愈大，反之亦然。 灰土性质作用 灰土桩是用石灰和土按一定体积比例(2：8或3：7)拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩体。 这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬件，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成

14、胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土休固化作用提高，使灰土逐渐增加强度。它可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。 桩体作用 在灰土桩挤密地基中，内于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形量(灰土的变形模量为E40200MPa，相当于夯实素土的210倍)，故灰土桩在复合地基中承担了很大比例的荷载。载荷试验表明：只占压板面积约20的灰土桩承担了总荷载的一半左右，而占压板面积80的桩间土仅承担了其余一半。由于总荷载的一半由灰土桩承担，从而降低了基础底面下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用，限制土的侧

15、向移动，桩间土只进行竖向压密，使压力与沉降始终呈线形关系。 3)处理范围 处理地基的面积 灰土挤密桩和土挤密桩处理地基的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积，并应符合下列规定： 当采用局部处理时，应超出基础底面的宽度。对非自重湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，每边不应小于基底宽度的0.25倍，并不应小于0.50m；对湿陷性黄土地基，每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.O m。 当采用整片处理时，应超出建筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的l2，并不应小于2m。 4)处理地基的深度 在自重湿陷性黄土场地，应处理基础以下的全部湿陷性土层；非自重湿陷性黄土场地，应将基

16、础下湿陷起始压力小于附加压力与上覆土的饱和自重压力之和的所有土层，进行处理或处理至基础下的压缩层下限为止。 消除地基部分湿陷量，适用于乙类建筑，其最小处理厚度应符合下列要求：在自重湿陷性黄土场地，不应小于湿陷性土层厚度的23，并应控制剩余湿陷量不大于20cm；在非自重湿陷性黄土场地，不应小于压缩层厚度的23。 5)桩孔布置原则 布桩方式主要取决于基础形式和基础尺寸，不同布桩方式对桩的置换作用无影响，但对桩间土的挤密作用有影响。布桩重复挤密面积对比分析如下图所示，如正三角形布桩重复挤密面积为21，而正方形布桩为57。可见，在整片基础下设计挤密桩时，宜优先采用正三角形布桩。布桩重复挤密面积对比分析

17、不同基础的布桩方式选择 6)桩径、桩间距、排距的确定 桩孔直径 桩孔直径宜为300-600mm，沉管法的桩管直径多为400mm。设计桩径时，应根据当地常用设备规格、型号或成孔方法选用。 桩孔间距 桩孔宜按等边三角形布置，桩孔之间的中心距离可为桩孔直径的2.02.5倍，也可按下式估算：对于填土地基，其干密度变化较大，可用下式计算桩间距：桩孔排距 桩孔间距确定以后，可计算桩孔排距。等边三角形布桩，l=0.87s，正方形布桩，l=s。7）填料和压实系数 当用素填土回填时c0.95；当用灰土回填时，c0.97.桩顶标高以上设置300-500mm厚垫层，压实系数不小于0.95。 8)地基承载力 土桩和灰土挤密桩处理地基的承载力特征值，应通过原位测试或当地经验确定，如挤密桩的目的是为了消除地基的湿陷性，还应进行浸水试验。在自重湿陷性黄土地基上，浸水试坑直径或