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)等在国外统称为粗颗粒土桩(GranularPile)。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。12/2/20221地基处理技术第四章振冲法振冲法示意图12/2/20222地基处理技术第四章振冲法

1937年德国凯勒公司（JahannKeller）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。

12/2/20223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“碎石桩”。12/2/20224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。12/2/20225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；12/2/20226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。12/2/20227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。12/2/20228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。12/2/20229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。12/2/202210地基处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。11/26/202211地基处理理技术第四章振冲法11/26/202212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。11/26/202213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。11/26/202214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。。11/26/202215地基处处理技技术第四章章振冲法法ep—桩体材材料孔孔隙比比；e0—原地基基土孔孔隙比比；e—地基土土要求求达到到的孔孔隙比比。振冲置置换法法的桩桩距一一般为为1.5～2.5m。3.桩长的的确定定当相对对硬层层的埋埋藏深深度不不大时时，应应按相相对硬硬层的的埋藏藏深度度确定定；当当相对对硬层层的埋埋藏深深度较较大时时，应应按建建筑物物地基基的变变形允允许值值确定定。桩桩长不不宜短短于4m。桩顶应应铺设设一层层200～500mm厚的碎碎石垫垫层。。11/26/202216地基处处理技技术第四章章振冲法法4.桩的直直径可按每每根桩桩所用用的填填料计计算，，一般般振冲冲挤密密法为为0.3～0.5m；振冲置置换法法为0.8～1.2m。5.填料选选择振冲挤挤密法法：可可采用用中粗粗砂或或砂砾砾混合合物，，原地地基为为中粗粗砂时时可不不加填填料；；振冲冲置换换法：：碎石石、卵卵石、、砾砂砂、矿矿渣、、碎砖砖等，，粒径径一般般为2～5cm。6.振动影影响振冲器器工作作时其其振波波向四四周传传递，，对于于松砂砂地基基，影影响不不超过过8m；对于黏黏性土土地基基不超超过2～3m。所以一一般不不做抗抗振处处理。。11/26/202217地基处处理技技术第四章章振冲法法二、对对砂性性土设设计计计算对砂性性土地地基，，主要要是从从挤密密的观观点出出发考考虑地地基加加固中中的设设计问问题，，首先先根据据工程程对地地基加加固的的要求求(如提高高地基基承载载力、、减少少变形形或抗抗地震震液化化等要要求)，确定定碎石石桩加加固后后要求求达到到的密密实度度和孔孔隙比比，从从而考考虑桩桩位布布置形形式和和桩径径大小小，再再计算算桩距距和桩桩长。。11/26/202218地基处处理技技术第四章章振冲法法1.桩距确确定设碎石石桩的的布置置如图图4—1示，假假定在在松散散砂土土中打打入碎碎石桩桩能起起到100％的挤挤密效效果，，即在在成桩桩过程程中地地面没没有隆隆起或或下沉沉现象象，被被加固固的砂砂土没没有流流失。。已知知一根根碎石石桩所所分担担的加加固面面积为为A，单位深深度灌灌碎石石量为为AP，原砂土土地基基单位位深度度的平平均体体积为为Vo，其中原原砂的的固体体颗粒粒所占占的体体积为为Vs，桩距为为L(图4—2)。图4-1正方形形布桩桩示意意图图4-2孔隙比比变化化示意意图11/26/202219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，处处理前前体积积：（4-2）处理后后体积积：（4-3）从式(4—2)和(4-3)可求得：（4-4）（4-5）设桩体直径径为d，由于11/26/202220地基处理技技术第四章振冲法当正方形布布置时：（4-6）当等边三角角形布置时时：（4-7）地基挤密后后要求达到到的孔隙比比e1，可按工程对对地基承载载力要求或或按挤密后后要求，达达到抗液化化的相对密密实度Dr确定：（4-8）——砂土的最大大和最小孔孔隙比，可可按国家标标准《土工试验方方法标准》(GBJl23——88)的有关规定定确定；——地基挤密后后要求砂土土达到的相相对密实度度，可根据据场地地震震烈度需要要而取得，，一般为0.78-0.85。11/26/202221地基处理技技术第四章振冲法碎石桩每根根桩每米长长度的填料料量q为：（4-9）式(4—6)和(4—7)也可用加固固前、后土土的重度γo和γ1，表示，即：：（4-10）（4-11）当正方形布布置时：等边三角形形布置时：：实际际上上，，成成桩桩后后挤挤密密范范围围内内地地面面经经常常发发生生隆隆起起或或下下沉沉现现象象，，说说明明挤挤密密范范围围内内土土层层体体积积已已发发生生变变化化，，因因此此，，若若按按以以上上公公式式计计算算，，则则结结果果会会时时大大时时小小，，需需要要修修正正：：11/26/202222地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法当正正方方形形布布置置时时：：等边边三三角角形形布布置置时时：：式中中：：l————桩长长，，m；Δh————制桩桩过过程程中中地地面面高高程程升升降降变变化化（（升升＋＋降降－－）），，m。11/26/202223地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法2.液化化判判别别根据据《建筑筑抗抗震震设设计计规规范范》(GBJll—89)规定定：：应应采采用用标标准准贯贯入入试试验验判判别别法法，，在在地地面面下下15m深度度范范围围内内的的液液化化土土应应符符合合下下式式要要求求(当有有成成熟熟经经验验时时，，尚尚可可采采用用其其它它判判别别方方法法)。N63.5———饱和和土土标标准准贯贯入入锤锤击击数数实实测测值值(未经经杆杆长长修修正正)；Ncr———液化化判判别别标标准准贯贯入入锤锤击击数数临临界界值值；；11/26/202224地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法N0———液化化判判别别标标准准贯贯入入锤锤击击基基准准值值，，应应按按表表采采用用ds———饱和和土土标标准准贵贵入入点点深深度度，，mdw———地下下水水位位深深度度，，宜宜按按建建筑筑使使用用期期内内年年平平均均最最高高水水位位采采用用，，也也可可按按近近期期年年最最高高水水位位采采用用，，m；ρc———粘粒粒含含量量百百分分率率，，当当小小于于3或为为砂砂土土时时，，均均应应采采用用3。11/26/202225地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法三、、黏黏性性土土设设计计计计算算在黏黏性性土土地地基基中中打打入入挤挤密密砂砂桩桩后后，，形形成成了了黏黏性性土土和和砂砂桩桩的的复复合合地地基基，，其其应应力力分分布布由由于于黏黏性性土土和和砂砂桩桩的的物物理理、、力力学学性性质质不不同同，，二二者者分分担担的的应应力力也也有有所所不不同同，，应应力力分分布布产产生生向向砂砂桩桩的的应应力力集集中中，，在在黏黏性性土土地地基基上上，，进进行行砂砂桩桩设设计计时时，，应应根根据据不不同同的的对对象象，，满满足足地地基基承承载载力力、、稳稳定定性性和和沉沉降降等等要要求求。。图4-3复合合地地基基示示意意图图11/26/202226地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法在黏黏性性土土和和砂砂桩桩所所构构成成的的复复合合地地基基中中，，当当作作用用的的外外荷荷载载为为p时，，设设作作用用在在砂砂桩桩的的应应力力为为fp、作用用于于桩桩间间黏黏性性土土上上的的应应力力为为fs，假定定在在砂砂桩桩和和黏黏性性土土的的各各自自的的作作用用面面积积为为Ap及A-Ap的范范围围内内，，作作用用的的应应力力为为均均匀匀分分布布，，则则根根据据平平衡衡条条件件求求得得：：式中中A————1根砂砂桩桩所所分分组组的的处处理理面面积积。桩土土应应力力比比(也称称为为应应力力集集中中比比））面积积置置换换率率11/26/202227地基基处处理理技技术术第四四章章振冲冲法法式中中：：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。。11/26/202228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。11/26/202229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。11/26/202230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——水路部分分减振器及及导管——防扭部分分图4-4振冲器结结构示意意图1-水管；2-导管；3-活接头；；电动机机垫板；；5-潜水电机机；6-转子；7-电动机轴轴；8-联轴节；；9-空心轴；；10-壳体；11-翼板；12-偏心块；；13-向心轴承承；14-推力轴承承；15射水管11/26/202231地基处理理技术第四章振冲法2.振动参数数选择①振动频频率振振冲器器振动迫迫使周围围土颗粒粒强迫振振动，处处在共振振状态，，产生相相对位移移达到最最佳加密密效果。。国外试试验表明明振动频频率在1500r/min时，可获获得最佳佳加密效效果，3000r/min时效果最最差。目目前我国国振冲器器所选用用的电机机转速是是1450r/min，接近最佳佳加密效效果。②振幅振振冲冲器的振振幅在一一定范围围内给土土体以挤挤压。在在相同振振动时间间内，振振幅增加加，地基基土的沉沉降量亦亦增加，，加密效效果好。。但振幅幅过大或或过小，，均不利利于加固固土体。。我国振振冲器的的振幅设设计一般般在10mm左右（全全振幅））。③加速度度反反映振冲冲器振动动强度的的主要指指标，我我国振冲冲器自身身发出加加速度值值一般为为10g左右。11/26/202232地基处理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/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振冲器主主要技术术参数11/26/202233地基处理理技术第四章振冲法（二）其其它设备备、机具具1.起吊设备备30kW振冲器宜宜大于80kN；75kW振冲器宜宜大于160kN。起吊高度度必须大大于施工工深度。。2.填料设备备填料料可用装装载机和和人工手手推车，，30kW振冲器配配0.5m3以上的装装载机，，75kW振冲器配配1.0m3以上装载载机。3.电器控制制设备电气控制制系统除除为施工工配电外外，还应应具有控控制施工工质量的的功能。。控制振振冲加固固的标准准是一般般用振冲冲器达到到某一电电流值及及该电流流维持的的时间即即留振时时间。4.供水设备备供水水泵要求求压力0.4～1.0MPa，供水量20～30m3/h左右。5.排泥浆设设备排排浆泵应应根椐排排浆量和和排浆距距离选用用合适的的排污泵泵。11/26/202234地基处理理技术第四章振冲法五、振冲冲法施工工（一）施施工准备备工作施施工工准备一一般应做做好下列列工作：：1.参加设计计单位的的技术交交底2.收集、分分析施工工场地地地质资料料3.查清施工工场地内内地下障障碍物4.编写施工工组织设设计5.配备相应应功率及及型号的的振冲器器和配套套机具6.施工场地地应做到到“三通通一平””7.根据建筑筑物或桩桩位主要要轴线按按图纸测测放桩位位8.做好施工工场地作作业布置置9.在护桩或或建筑物物非主要要部位进进行试制制桩11/26/202235地基处理理技术第四章振冲法（二）施施工施工的一一般工序序为：成成孔、清清孔、填填料、加加密四个个步骤,见图4-5。图4-5振冲碎石石桩施工工工艺(a)-定位；(b)-振冲下沉沉；(c)-振冲至设设计标高高并下料料；(d)-边振边下下料、边边上提；；(e)-成桩11/26/202236地基处理理技术第四章振冲法11/26/202237地基处理理技术第四章振冲法1.成孔成孔最大大速度一一般控制制在每分分钟不大大于2m为宜。造造孔深度度可小于于设计桩桩深300mm。加密深度度必须达达到设计计深度。。成孔水水压大小小视振冲冲器贯入入速度和和地基土土冲刷情情况而定定。一般般0.3～0.8MPa。2.清孔成孔时，，返出泥泥浆密度度大或孔孔中有狭狭窄或缩缩孔地段段时，应应进行清清孔。将将振冲器器提出孔孔口或需需要扩孔孔地段上上下提拉拉振冲器器，使孔孔口返出出泥浆变变稀（密密度降低低），振振冲孔顺顺直通畅畅，以利利填料加加密。3.填料连续填料料、间断断填料或或强迫填填料三种种方式。。11/26/202238地基处理理技术第四章振冲法4.振（加））密振振密密是振冲冲法处理理地基关关键环节节，振冲冲法振密密控制标标准基本本上可分分三种：：①填料量量控制：：振密过过程中按按每延米米填入填填料数量量控制。。这种控控制标准准缺点在在于：由由于孔内内土质不不同、强强度不同同，相同同填料量量可能造造成沿孔孔深不同同土层存存在填料料“不足足”或““富余””情况，，加密不不甚理想想。目前前单纯填填料量控控制采用用较少。。②电流控控制：是是指振冲冲器的电电流达到到设计确确定的加加密电流流值。振振冲器在在贯入土土层前运运行时的的电流称称为振冲冲器空载载电流。。当振冲冲器贯入入土层中中，受到到周围土土的约束束，此时时为保持持振冲器器处于自自由振动动状态，，必须克克服周围围土对振振冲器的的约束力力，结果果电机电电流必然然增大，，即电机机输出功功率增加加。控制制一定的的加密电电流即振振冲器以以一定电电机功率率的振动动力施加加于周围围土质，，这样在在孔周围围土质软软弱地段段需要多多填填料料，而在在土质强强度高的的地段填填料数量量就需要要小些，，以达到到与振冲冲器相同同输