振冲法加固地基讲义（42内容丰富）

第四章振冲法一、概述碎石桩(StoneColumn)和砂桩(SandPile)等在国外统统称为粗颗颗粒土桩(GranularPile)。它是指用振振动、冲击击或水冲等等施工方式式，在软弱弱地基中成成孔后，再再将碎石或或砂等粗骨骨料挤压入入孔中，使被加固的的松散地基基挤密或填填料成桩并并和原地基基土组成复复合地基，，提高地基基强度的加加固技术。。10/27/20221地基处理技技术第四章振冲法振冲法示意意图10/27/20222地基处理技技术第四章振冲法1937年德国凯勒勒公司（JahannKeller）按斯图门门(Steuerman)设计制造出出具有现代代振冲器雏雏形的机具具，并开始始用于加密密砂基，其其有效性和和经济性越越来越为人人们所承认认。50年代末60年代初德国国和英国相相继把振冲冲法用来加加固黏土地地基，我国国在大坝、、道路、桥桥涵、大型型厂房及工工业与民用用建筑地基基上广泛采采用了振冲冲法加固技技术。我国在实际际工程中采采用的振冲冲法是一种种水平径向向的振动。。双向振冲冲处于试验验研究阶段段。10/27/20223地基处理技技术第四章振冲法随着各种不不同的施工工工艺相应应产生，如如沉管法、、振动气冲冲法、袋装装碎石桩法法、碎石桩桩强夯置换换法等，虽虽然它们施施工不同于于振冲法，，但同样可可形成密实实的碎石桩桩，人们自自觉或不自自觉地套用用了“碎石石桩”的名名称。所以以碎石校的的内涵扩大大了。不管管加固的地地基是砂性性土还是黏黏性土；不不论施工方方法是振冲冲法、干振振法、振动动沉管法还还是其它方方法，只要要制成的是是以石料组组成的柱或或桩体，均均称为“碎碎石桩”。。10/27/20224地基处理技技术第四章振冲法振冲法按加加固机理和和效果的不不同，分为振冲置置换法和振振冲密实法法两类。前者是在在地基土中中借助振冲冲器成孔，，在孔内填填料、振密密，制作出出以碎石、、砂砾等散散粒材料组组成的桩体体，该桩体体与原地基基土组成复复合地基，，又称振冲冲置换碎石石桩法；后后者是在松松散的砂层层中，使砂砂层液化、、密实，可可根据砂土土的不同，，有加填料料和不加填填料两种，，又名振冲冲挤密砂桩桩法。10/27/20225地基处理技技术第四章振冲法振冲法加固固软弱地基基的特点：：1.振动力直接接作用在地地基深层软软弱土的部部位，对软软弱土施加加的振动侧侧向挤压力力大，因而而使土密实实的效果与与其它地基基处理方法法相比为最最好；2.对不均匀的的天然地基基土，在平平面和深度度范围内，，由于地基基的振密程程度可随地地基软硬程程度对不同同的填料量量进行调整整，同样可可取得相同同的密实电电流，使加加固后成为为较为均匀匀的地基，，以满足工工程对地基基变形的要要求；3.施工机具简简单、操作作方便、施施工速度较较快、加固固质量容易易控制，目目前的施工工技术最深深可达30m；10/27/20226地基处理理技术第四章振冲法4.不用钢材材和水泥泥，仅用用碎石、、卵石、、角砾、、圆砾、、砾砂、、粗砂和和中砂等等当地硬硬质材料料，因而而造价较较低，与与钢筋混混凝土桩桩基相比比较，一一般可节节约投资资三分之之一；5.在天然软软弱地基基中，经经振冲法法灌入碎碎石或卵卵石等粗粗骨料，，成桩后后改变了了地基排排水条件件，可加加速地震震时超孔孔隙水压压力的消消散，有有利于地地基抗震震和防止止液化。。6.施工中排排放污水水、污泥泥量较大大，在人人口稠密密地区和和没有排排污泥场场地时使使用受到到一定限限制。10/27/20227地基处理理技术第四章振冲法振冲法适适用条件件：振冲置换换法一般般适于处处理不排排水抗剪剪强度大大于20kPa的黏性土土、粉土土、饱和和黄土和和人工填填土等地地基，但但对不排排水抗剪剪强度小小于20kPa的淤泥质质土、淤淤泥等地地基，应应通过场场地试验验确定其其适用性性。这样样既不限限制适用用范围，，也对设设计人员员采用时时提醒其其应持慎慎重态度度；振冲密实实法适于于处理砂砂土和粉粉土等地地基，不不加填料料的振冲冲密实法法仅适用用于处理理粘土粒粒含量小小于10%的粗砂、、中砂地地基。10/27/20228地基处理理技术第四章振冲法二、加固固地基原原理（一）松松散地基基加固疏松的砂砂性土不不经处理理不能作作为建筑筑地基。。碎石桩桩不论振振冲法或或干振法法)加固砂性性土地基基的主要要目的是是提高地地基土的的承载力力和模量量，并增增强抗液液化性。。1.挤密效应应振冲器的的水平振振动加水水使饱和和砂层液液化、砂砂颗粒重重新排列列，孔隙隙减少；；水平振振动力又又可使砂砂层挤压压、加密密；若做做碎石桩桩，则桩桩体具有有良好透透水性，，加速地地基固结结。10/27/20229地基处理理技术第四章振冲法2.排水减压压效应砂土液化化机理的的研究证证明，当当饱和松松散砂土土受到剪剪切循环环荷裁作作用时，，将发生生体积收收缩和趋趋于密实实。在砂砂土无排排水条件件时，体体积的块块速收缩缩将导致致超静孔孔隙水压压力来不不及消散散而急剧剧上升，，当砂土土中有效效应力降降低为零零时，便便形成了了完全液液化。碎碎石桩加加固砂土土时，桩桩孔内充充填反滤滤性好的的粗颗粒粒料，在在地基中中形成渗渗透性能能良好的的人工竖竖向排水水减压通通道，可可有效地地消散和和防止超超孔隙水水压力的的增高和和砂土产产生液化化，并可可加快地地基的排排水固结结。10/27/202210地基处理理技术第四章振冲法3.预震效应应美国的试试验表明明，密实实度Dr＝54％但未受过过预震影影响的砂砂样，与与其抗液液化能力力相当于于相对密密实度Dr＝80％的未受过过预震的的砂样相相比，即即在一定定循环次次数下，，当两试试样的相相对密实实度相同同时，要要造成经经过预震震的试样样发生液液化，所所需施加加的应力力要比施施加未经经预震的的试样引引起液化化所需应应力值提提高46％。从而得出出了砂土土液化的的特性，，除了与与土的相相对密实实度有关关外，还还与其振振动应变变史有关关的结论论。在振冲法法施工时时，振冲冲器以每每分钟1450次振动频频率，9.8m／s2水平加速速度和90kN激振力喷喷水沉入入士中时时，使填填料和地地基土在在挤密的的同时获获得强烈烈的预振振，这对对砂土增增强抗液液化能力力是极为为有利的的。10/27/202211地基处理理技术第四章振冲法10/27/202212地基处理技术术第四章振冲法（二）黏性土土地基加固由于黏性土在在施加上振动动后具有的““触变现象””（密实度不不变，强度能能恢复到原来来强度的特性性），所以振振冲法只是成成孔，然后孔孔内填料成桩桩，桩与原地地基土形成复复合地基。由于桩、土的的变形模量不不等（土为1～5MPa；桩3～10MPa），施加荷载后，，一部分荷载载作用在桩上上，另一部分分作用在地基基土上。由于于碎石桩的刚刚度比桩周土土的刚度大，，而地基中应应力按材料变变形模量进行行重新分配时时，大部分荷荷载将由碎石石桩承担，桩桩体应力和桩桩间黏性土应应力之比值称称为桩土应力力比。10/27/202213地基处理技术术第四章振冲法三、设计计算算（一）设计的的一般原则1.处理范围振冲挤密法：：建筑物基础础外缘每边加加宽至少5m。振冲置换法：：一般地基，，在基础外缘缘应扩大1～2排桩；对可液液化地基，在在基础外缘应应扩大2～4桩。2.桩位布置和桩桩距对大面积满堂堂处理，桩位位采用等边三三角形布置；；对独立或条条形基础，采采用正方形、、矩形、或等等腰三角形布布置。10/27/202214地基处理技术术第四章振冲法桩的间距根据据地基土性质质、荷载大小小、振冲器的的功率来确定定。如振冲器器为30kW，则桩距为1.8～2.5m；振冲器为75kW，则桩距为2.5～3.5m。振冲挤密法也也可按3-5式来计算。（4-1）式中s—桩距，m；α—系数，正方形形为1，等边三角形形为1.075；VF—单位桩长平均均填料量，0.3～0.7m3；V—原地基为达到到规定密实度度单位体积所所需填料量。。10/27/202215地基处理技术术第四章振冲法ep—桩体材料孔隙隙比；e0—原地基土孔隙隙比；e—地基土要求达达到的孔隙比比。振冲置换法的的桩距一般为为1.5～2.5m。3.桩长的确定当相对硬层的的埋藏深度不不大时，应按按相对硬层的的埋藏深度确确定；当相对对硬层的埋藏藏深度较大时时，应按建筑筑物地基的变变形允许值确确定。桩长不不宜短于4m。桩顶应铺设一一层200～500mm厚的碎石垫层层。10/27/202216地基处理技术术第四章振冲法4.桩的直径可按每根桩所所用的填料计计算，一般振振冲挤密法为为0.3～0.5m；振冲置换法为为0.8～1.2m。5.填料选择振冲挤密法：：可采用中粗粗砂或砂砾混混合物，原地地基为中粗砂砂时可不加填填料；振冲置置换法：碎石石、卵石、砾砾砂、矿渣、、碎砖等，粒粒径一般为2～5cm。6.振动影响振冲器工作时时其振波向四四周传递，对对于松砂地基基，影响不超超过8m；对于黏性土地地基不超过2～3m。所以一般不做做抗振处理。。10/27/202217地基处理技术术第四章振冲法二、对砂性土土设计计算对砂性土地基基，主要是从从挤密的观点点出发考虑地地基加固中的的设计问题，，首先根据工工程对地基加加固的要求(如提高地基承承载力、减少少变形或抗地地震液化等要要求)，确定碎石桩桩加固后要求求达到的密实实度和孔隙比比，从而考虑虑桩位布置形形式和桩径大大小，再计算算桩距和桩长长。10/27/202218地基处理技术术第四章振冲法1.桩距确定设碎石桩的布布置如图4—1示，假定在松松散砂土中打打入碎石桩能能起到100％的挤密效果果，即在成桩桩过程中地面面没有隆起或或下沉现象，，被加固的砂砂土没有流失失。已知一根根碎石桩所分分担的加固面面积为A，单位深度灌碎碎石量为AP，原砂土地基单单位深度的平平均体积为Vo，其中原砂的固固体颗粒所占占的体积为Vs，桩距为L(图4—2)。图4-1正方形布桩示示意图图4-2孔隙比变化示示意图10/27/202219地基处理技术术第四章振冲法当正方形布置置时，处理前前体积：（4-2）处理后体积：：（4-3）从式(4—2)和(4-3)可求得：（4-4）（4-5）设桩体直径为为d，由于10/27/202220地基处理技术术第四章振冲法当正方形布置置时：（4-6）当等边三角形形布置时：（4-7）地基挤密后要要求达到的孔孔隙比e1，可按工程对地地基承载力要要求或按挤密密后要求，达达到抗液化的的相对密实度度Dr确定：（4-8）——砂土的最大和和最小孔隙比比，可按国家家标准《土工试验方法法标准》(GBJl23—88)的有关规定确确定；——地基挤密后要要求砂土达到到的相对密实实度，可根据据场地地震烈烈度需要而取取得，一般为为0.78-0.85。10/27/202221地基处处理技技术第四章章振冲法法碎石桩桩每根根桩每每米长长度的的填料料量q为：（4-9）式(4——6)和(4——7)也可用用加固固前、、后土土的重重度γo和γ1，表示，，即：：（4-10）（4-11）当正方方形布布置时时：等边三三角形形布置置时：：实际上上，成成桩后后挤密密范围围内地地面经经常发发生隆隆起或或下沉沉现象象，说说明挤挤密范范围内内土层层体积积已发发生变变化，，因此此，若若按以以上公公式计计算，，则结结果会会时大大时小小，需需要修修正：：10/27/202222地基处处理技技术第四章章振冲法法当正方方形布布置时时：等边三三角形形布置置时：：式中：：l———桩长，，m；Δh———制桩过过程中中地面面高程程升升降变变化（（升＋＋降－－），，m。10/27/202223地基处处理技技术第四章章振冲法法2.液化判判别根据《建筑抗抗震设设计规规范》(GBJll—89)规定：：应采采用标标准贯贯入试试验判判别法法，在在地面面下15m深度范范围内内的液液化土土应符符合下下式要要求(当有成成熟经经验时时，尚尚可采采用其其它判判别方方法)。N63.5——饱和土土标准准贯入入锤击击数实实测值值(未经杆杆长修修正)；Ncr——液化判判别标标准贯贯入锤锤击数数临界界值；；10/27/202224地基处处理技技术第四章章振冲法法N0——液化判判别标标准贯贯入锤锤击基基准值值，应应按表表采用用ds——饱和土土标准准贵入入点深深度，，mdw——地下水水位深深度，，宜按按建筑筑使用用期内内年平平均最最高水水位采采用，，也可可按近近期年年最高高水位位采用用，m；ρc——粘粒含含量百百分率率，当当小于于3或为砂砂土时时，均均应采采用3。10/27/202225地基处处理技技术第四章章振冲法法三、黏黏性土土设计计计算算在黏性性土地地基中中打入入挤密密砂桩桩后，，形成成了黏黏性土土和砂砂桩的的复合合地基基，其其应力力分布布由于于黏性性土和和砂桩桩的物物理、、力学学性质质不同同，二二者分分担的的应力力也有有所不不同，，应力力分布布产生生向砂砂桩的的应力力集中中，在在黏性性土地地基上上，进进行砂砂桩设设计时时，应应根据据不同同的对对象，，满足足地基基承载载力、、稳定定性和和沉降降等要要求。。图4-3复合地地基示示意图图10/27/202226地基处处理技技术第四章章振冲法法在黏性性土和和砂桩桩所构构成的的复合合地基基中，，当作作用的的外荷荷载为为p时，设设作用用在砂砂桩的的应力力为fp、作用于于桩间间黏性性土上上的应应力为为fs，假定在在砂桩桩和黏黏性土土的各各自的的作用用面积积为Ap及A-Ap的范围围内，，作用用的应应力为为均匀匀分布布，则则根据据平衡衡条件件求得得：式中A———1根砂桩桩所分分组的的处理理面积积。桩土应应力比比(也称为为应力力集中中比））面积置置换率率10/27/202227地基处处理技技术第四章章振冲法法式中：：μp———应力集集中系系数；；μs———应力降降低(扩散)系数。。从上式式可知知，当当n＞1，m＞0时，应应力向向桩体体集中中，并并使作作用于于桩间间黏土土的应应力减减小。。10/27/202228地基处处理技技术第四章章振冲法法一般情情况下下，桩桩土应应力比比n可取2—4，原土土强度度高时时，取取小值值，原原土强强度低低时，，取大大值。。如原原地基基土为为砂土土、粉粉土时时，n取1.5—2；原地地基土土为黏黏性土土、素素填土土时，，n取2—3；原地地基土土为软软塑黏黏性土土时，，n取3—4。10/27/202229地基处处理技技术第四章章振冲法法对于小小型工工程的的黏性性土地地基，，如无无载荷荷试验验资料料，复复合地地基承承载力力标准准值可可按下下式求求式中Sv——桩间土土的十十字板板的抗抗剪强强度，，也可可用处处理前前地基基土的的十字字板抗抗剪强强度代代替。10/27/202230地基处处理技技术第四章章振冲法法四、振振冲法法施工工设备备、机机具（一））振冲冲器1.振动器器结构构电动机机——动力部部分振动器器——振动部部分通水管管——水路部部分减振器器及导导管——防扭部部分图4-4振冲器器结构构示意意图1-水管；；2-导管；；3-活接头头；电电动机机垫板板；5-潜水电电机；；6-转子；；7-电动机机轴；；8-联轴节节；9-空心轴轴；10-壳体；；11-翼板；；12-偏心块块；13-向心轴轴承；；14-推力轴轴承；；15射水管管10/27/202231地基处处理技技术第四章章振冲法法2.振动参参数选选择①振动动频率率振振冲冲器振振动迫迫使周周围土土颗粒粒强迫迫振动动，处处在共共振状状态，，产生生相对对位移移达到到最佳佳加密密效果果。国国外试试验表表明振振动频频率在在1500r/min时，可可获得得最佳佳加密密效果果，3000r/min时效果果最差差。目目前我我国振振冲器器所选选用的的电机机转速速是1450r/min，接近最最佳加加密效效果。。②振幅幅振振冲冲器的的振幅幅在一一定范范围内内给土土体以以挤压压。在在相同同振动动时间间内，，振幅幅增加加，地地基土土的沉沉降量量亦增增加，，加密密效果果好。。但振振幅过过大或或过小小，均均不利利于加加固土土体。。我国国振冲冲器的的振幅幅设计计一般般在10mm左右（（全振振幅））。③加速速度反反映振振冲器器振动动强度度的主主要指指标，，我国国振冲冲器自自身发发出加加速度度值一一般为为10g左右。。10/27/202232地基处处理技技术第四章章振冲法法型号ZCQ-13ZCQ-30ZCQ-55BL-75BL-100PENINE150电动机功率/k柴油机）HD225转数/r/min145014501450145014500～3600额定电流/A22.560100150220油压/0～36MPa振动力/kN3590200160200290振幅/mm4.204.205.07.07.03.5振冲器外径/mm274351450426426310振冲器长度/mm200021502500300031502200总重量/kg78094016002050——表4-1振冲器器主要要技术术参数数10/27/202233地基处处理技技术第四章章振冲法法（二））其它它设备备、机机具1.起吊设设备30kW振冲器器宜大大于80kN；75kW振冲器器宜大大于160kN。起吊高高度必必须大大于施施工深深度。。2.填料设设备填填料料可用用装载载机和和人工工手推推车，，30kW振冲器器配0.5m3以上的的装载载机，，75kW振冲器器配1.0m3以上装装载机机。3.电器控控制设设备电气控控制系系统除除为施施工配配电外外，还还应具具有控控制施施工质质量的的功能能。控控制振振冲加加固的的标准准是一一般用用振冲冲器达达到某某一电电流值值及该该电流流维持持的时时间即即留振振时间间。4.供水设设备供供水水泵要要求压压力0.4～1.0MPa，供水量量20～30m3/h左右。。5.排泥浆浆设备备排排浆泵泵应根根椐排排浆量量和排排浆距距离选选用合合适的的排污污泵。。10/27/202234地基处处理技技术第四章章振冲法法五、振振冲法法施工工（一））施工工准备备工作作施施工工准备备一般般应做做好下下列工工作：：1.参加设设计单单位的的技术术交底底2.收集、、分析析施工工场地地地质质资料料3.查清施施工场场地内内地下下障碍碍物4.编写施施工组组织设设计5.配备相相应功功率及及型号号的振振冲器器和配配套机机具6.施工场场地应应做到到“三三通一一平””7.根据建建筑物物或桩桩位主主要轴轴线按按图纸纸测放放桩位位8.做好施施工场场地作作业布布置9.在护桩桩或建建筑物物非主主要部部位进进行试试制桩桩10/27/202235地基处处理技技术第四章章振冲法法（二））施工工施工的的一般般工序序为：：成孔孔、清清孔、、填料料、加加密四四个步步骤,见图4-5。图4-5振冲碎碎石桩桩施工工工艺艺(a)-定位；；(b)-振冲下下沉；；(c)-振冲至至设计计标高高并下下料；；(d)-边振边边下料料、边边上提提；(e)-成桩10/27/202236地基处处理技技术第四章章振冲法法10/27/202237地基处处理技技术第四章章振冲法法1.成孔成孔最最大速速度一一般控控制在在每分分钟不不大于于2m为宜。。造孔孔深度度可小小于设设计桩桩深300mm。加密深深度必必须达达到设设计深深度。。成孔孔水压压大小小视振振冲器器贯入入速度度和地地基土土冲刷刷情况况而定定。一一般0.3～0.8MPa。2.清孔成孔时，返返出泥浆密密度大或孔孔中有狭窄窄或缩孔地地段时，应应进行清孔孔。将振冲冲器提出孔孔口或需要要扩孔地段段上下提拉拉振冲器，，使孔口返返出泥浆变变稀（密度度降低），，振冲孔顺顺直通畅，，以利填料料加密。3.填料连续填料、、间断填料料或强迫填填料三种方方式。10/27/202238地基处理技技术第四章振冲法4.振（加）密密振振密是振冲冲法处理地地基关键环环节，振冲冲法振密控控制标准基基本上可分分三种：①填料量控控制：振密密过程中按按每延米填填入填料数数量控制。。这种控制制标准缺点点在于：由由于孔内土土质不同、、强度不同同，相同填填料量可能能造成沿孔孔深不同土土层存在填填料“不足足”或“富富余”情况况，加密不不甚理想。。目前单纯纯填料量控控制采用较较少。②电流控制制：是指振振冲器的电电流达到设设计确定的的加密电流流值。振冲冲器在贯入入土层前运运行时的电电流称为振振冲器空载载电流。当当振冲器贯贯入土层中中，受到周周围土的约约束，此时时为保持振振冲器处于于自由振动动状态，必必须克服周周围土对振振冲器的约约束力，结结果电机电电流必然增增大，即电电机输出功功率增加。。控制一定定的加密