第四章.碎石桩-地基处理

碎石桩复合地基

StoneColumnCompositionFoundation1概述碎石桩(StoneColumn)碎石桩最早在1835年由法国在Bayonne建造兵工厂车间时使用

1937年由德国人发明了振动水冲法(Viborfloatation)(简称振冲法)用来挤密砂土地基

,我国应用振冲法始于1977年。

本世纪60年代初，振冲法开始用来加固粘性土地基，并形成碎石桩。

随着时间的推移，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、强夯置换法等。它们虽施工不同于振冲法，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。碎（砂）石桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的碎（砂）石所构成的密实桩体。2按施工方法分类及其适用性振密法沉管法干振法振冲挤密法置换法钻孔锤击法振冲置换法排土法沉管法强夯置换法振动气冲法其它方法群围碎石桩法袋装碎石桩法水泥碎石桩法3加固机理3.1对松散砂土加固机理

疏松的单粒结构，产生较大的沉降，特别在振动力作用下更为显著，其体积可减少20％。

碎石桩和挤密法加固砂性土地基的主要目的是提高地基承载力、减少变形和增强抗液化性。挤密作用排水减压作用砂基预震效应3.2对粘性土加固机理换土置换

不论对疏松砂性土或软弱粘性土，碎石桩的加固作用有：挤密、置换、排水、垫层和加筋的五种作用。强制置换强制置换4设计计算4.1一般设计原则(一)加固范围

大于基底面积。对一般地基，在基础外缘宜扩大1—2排；对可液化地基，在基础外缘应扩大2—4排桩(不应小于可液化土层厚度的1/2,并不应小于5m)。(二)桩位布置（a）正方形（b）矩形（c）等腰三角形（d）放射形(三)加固深度(1)当相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层埋藏深度确定；(2)当相对硬层的埋藏深度较大时，对按变形控制的工程，加固深度应满足碎石桩复合地基变形不超过建筑物地基容许变形值的要求；(3)对按稳定性控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面的深度；(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)桩长不宜短于4m。

目前国外振冲碎石桩加固地基最大深度为25m，国内振冲碎石桩加固地基最大深度为18m，因此设计时最大桩长不要超过25m，否则应做专门的试验研究。

碎石桩的直径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。采用30kw振冲器成桩时，碎石桩的桩径一般为0.70一1.0m；采用沉管法成桩时，碎石桩的桩径一般为0.7m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。(四)桩径(六)垫层桩体材料可以就地取材，一般使用中、粗混合砂、碎石、卵石砂砾石等，含泥量不超过5%。碎石桩桩体材料容许的最大粒径与振冲器的外径和功率有关，一般不大于8cm，对碎石，常用的粒径为2~5cm。

碎（砂)石桩施工完毕后，基础底面应铺设30~50cm的碎（砂）石垫层，垫层应分层铺设，用平板振动器振实。在不能保证施工机械正常行驶和操作的软弱土层上，应铺设施工临时性垫层。(五)材料4.2用于砂性土设计计算方法

对于砂性土地基，根据工程地基加固的要求(如提高地基承载力、减少变形或抗地震液化等)，确定要求达到的密实度和孔隙比，并布置型式和桩径大小，计算桩的间距。(一)桩距确定当正方形布置时：处理前体积：处理后体积：可得正方形桩位布置计算桩距孔隙比e变化图故设桩体直径为d，由于代入当正方形布置时：当等边三角形布置时：Dr——地基挤密后要求砂土达到的相对密实度，可取0.70—0.85。(二)液化判别标准贯入试验判别法：Ncr——液化判别标准贯入锤击数临界值N0——液化判别标准贯入锤击数基准值（可查表得到）ds——饱和土标准贯入点深度(m)ρ0——粘粒含量百分牢，当小于3或为砂土时，均采用3dw——地下水位深度(m）15≤ds≤20ds≤154.3用于粘性土设计计算方法

（一）桩间距确定等边三角形布置时：正方形布置时：式中：Ae——一根碎石桩承担的处理面积；Ap——碎石桩的截面积；m——面积置换率，一般为0.10~0.30(二）、承载力计算(1)单桩承载力作用在桩顶的荷载如果足够大，桩体可能出现的桩体破坏形式有三种：鼓出破坏、刺入破坏和剪切破坏。由于碎(砂)石桩桩体均由散体土颗粒组成，其桩体的承载力主要取决于桩间土的侧向约束能力，绝大多数的破坏形式为桩体的鼓出破坏。目前国内外估算碎(砂)石桩的单桩极限承载力的方法有若干种，如Brauns单桩极限承载力法和综合极限承载力法。1)Brauns单桩极限承载力法

假设单桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。如碎石桩，求解时可假定碎石桩的内摩擦角=38º，可得:2)综合单桩极限承载力法

目前计算碎(砂)石桩单桩承载力最常用的方法是侧向极限应力方法，即假设单根碎(砂)石桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。(2)复合地基承载力假定在桩和土各自面积和范围内作用的应力不变时，则可求得：（三）沉降计算1、分层总和法桩土应力比m在无实测资料时，对粘性土可取2-4，对粉土可取1.5-3，原土强度低者取大值，原土强度高者取小值。目前尚未形成碎石桩复合地基的沉降计算经验系数Ψs。韩杰通过对5幢建筑物的沉降观测资料分析得到，Ψs＝0.43-1.20，平均值为0.93，在没有统计数据时可假定Ψs＝1.0。

碎(砂)石桩的沉降计算主要包括复合地基加固区的沉降和加固区下卧层的沉降。均按国家标准《建筑地基基础设计规范》(GBJ79-2002)计算。地基土加固区的复合压缩模量可按下式计算2．沉降折减法处理后的沉降量可用下式表示：1.稳定分析

若碎(砂)石桩用于改善天然地基整体稳定性时。可利用复合地基的抗剪特性，再使用圆弧滑动法来进行计算。假定在复合地基中某深度处剪切面与水平面的交角为，如果考虑碎(砂)石桩和桩间土两者都发挥抗剪强度，则可得出复合地基的抗剪强度:(四)稳定分析(四)稳定分析Priebe(1978)所提出的方法，采用了φsp和csp的复合值，并由下式求得：式中ω－与桩土应力比和置换率有关的参数，ω＝m·μp，一般ω＝0.4－0.6。μp－应力集中系数，

如已知φsp和csp后，可用常规稳定分析方法计算抗滑安全系数，或者根据要求的安全系数，反求需要的ω和m。按置换要求计算步骤如下：a、根据所提供的天然地基容许承载力、已确定的砂石桩容许承载力、要求达到的复合地基承载力，利用复合地基承载力计算公式，求出满足上述要求的置换率。b、按碎石桩设计直径，计算出碎石桩截面积。c、求出一根桩所分担的地基处理面积。d、求桩间距。五、施工方法目前施工方法主要有振冲法和沉管法。振冲法是碎石桩的主要施工方法之一，其原理是水冲致密和振动致密。施工顺序一般可采用“由里向外”或“一边向另一边”的顺序进行。在地基强度较低的软粘土地基中施工时，要考虑减少对地基土的扰动影响，因而可采用“间隔跳打”的方法。当加固区附近有其它建筑物时，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。振冲法施工5.1施工工艺（一）振冲法振冲器构造图

施工步骤(1)清理平整施工场地，布置桩位。（2）施工机具就位，使振冲器对准桩位；（3）启动供水泵和振冲器，将振冲器徐徐沉入土

中，直至达到设计深度；（4）扩大孔径，开始填料制桩；（5）振冲器振密制桩；（6）重复以上步骤；（7）关闭振冲器和水泵。（二）

沉管法振动成桩法振动挤密碎石桩施工顺序图一次拔管法施工机具

主要有振动打桩机、下端装有活瓣钢桩靴的桩管、移动式打桩机架、装碎（砂）料石提料斗等施工工艺

桩靴闭合，桩管垂直就位

将桩管沉入土层中到设计深度

将料斗插入桩管，向桩管内灌碎（砂）石

边振动边拔出桩管到地面质量控制

桩身连续性

桩直径逐步拔管法施工机具

主要有振动打桩机、下端装有活瓣钢桩靴的桩管、移动式打桩机架、装碎（砂）料石提料斗等施工工艺

桩靴闭合，桩管垂直就位

将桩管沉入土层中到设计深度

将料斗插入桩管，向桩管内灌碎（砂）石

边振动边起桩管，每拔起一定长度，停拔继振若干秒，如此反复进行，直至桩管拔出地面。质量控制

根据试验，每次拔起桩管0.5m，停拔继振20s，可使桩身相对密度达到0.8以上，桩间土相对密度达到0.7以上。重复压拔管法施工机具

主要有振动打桩机、下端设计成特殊构造的桩管、移动式打桩机架、装碎（砂）料石提料斗、辅助设计等施工工艺桩管垂直就位

将桩管沉入土层中到设计深度

将料斗插入桩管，向桩管内灌碎（砂）石

按规定的拔起高度拔起桩管，同时向桩管内送入压缩空气使填料容易排出，桩管拔起后核定调料的排出情况

按规定的压下高度再向下压桩管，将落入桩孔内的填料压实，直至3）~5）工序直至桩管拔到地面质量控制(二)冲击成桩法1．单管法单管冲击成桩工艺2、双管法

（1）芯管密实法芯管密实法成桩工艺(2)内击沉管法内击沉管法制桩工艺6质量检验碎石桩施工结束后，除砂土地基外，应间隔一定时间方可进行质量检验。对粘性土地基，间