第3章地基处理(振密、挤密)

第三章振密、挤密地基处理SoilImprovement概述

1、定义：振密、挤密是指通过夯击、振动或挤压使地基土体密实，土体抗剪强度提高，压缩性减小，以达到提高地基承载力和减小沉降为目的的一类地基处理方法。2、主要方法：原位压实法，强夯法，挤密砂石桩法，爆破挤密法，土桩、灰土桩法，夯实水泥土桩法，重锤冲扩桩法及孔内夯扩法等3、适用范围：非饱和土地基或土体渗透性较好的地基。4、优缺点：

优点：施工设备简单、加固材料少、加固费用低。缺点：可能对环境产生不良影响，如噪声等。强夯法DynamicCompaction地基处理SoilImprovement1、概述强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般8—30t的重锤(最重可达200t)和8—20m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，一般能量为500—8000kN·m。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。2、加固机理目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施工工艺。2.1动力密实采用强夯加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。FlashDynamiccompaction非饱和土的夯实过程，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.6—1.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高2—3倍。阿布扎比滨海路（阿联酋）AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)夯坑动力密实的应用范围动力密实的应用范围粒状土--砾石、填土、砂肇庆—花都—博罗输变电工程花都站土石方强夯施工动力密实的应用动力密实的应用水下地基加固2.2动力固结

用强夯法处理细粒饱和土时，巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏土体原有结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。Dynamicconsolidation

Menard根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可压缩的新机理。静力固结理论与动力固结理论的模型比较a）静力固结理论模型；b）动力固结理论的模型静力固结理论（图a）动力固结理论（图b）①不可压缩的液体②固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是不变的③弹簧刚度是常数④活塞无摩阻力①含有少量气泡的可压缩液体②固结时液体排出所通过的小孔，其孔径是变化的③弹簧刚度是变数④活塞有摩阻力静力固结与动力固结理论对比由于土体产生裂隙或趋于液化，引起渗透性增大。1）饱和土的压缩性；2）产生液化；3）渗透性变化；4）触变恢复夯击一遍的情况夯击三遍的情况青岛港8号码头强夯工程青岛港8号码头强夯工程动力置换类型整式置换桩式置换2.3动力置换Dynamicreplacement利用强夯能量将碎石、矿渣等物理力学性能较好的粗颗粒材料强制挤入地基，主要通过置换作用来达到加固地基的目的。主要用于处理饱和粘性土。整式置换是采用强夯法将碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑土体中，部分碎石桩（或墩）间隔地夯入软土中，形成桩式（或墩式）的碎石桩（或墩），其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩。桩式置换动力置换

(Railwaytrack,Malaysia)整式置换动力置换ALEXANDRIACITYCENTER(Shoppingcenter-Egypt)桩式置换动力置换的应用范围动力置换的应用范围：粘性土—粘土、淤泥、泥炭土3强夯法适用范围强夯法常用来加固碎石土、砂土、低饱和度的粘性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等地基。对饱和软土的加固，必须给予排水的出路。因此，强夯法加袋装砂井（或塑料排水带）是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。

4、强夯法设计计算4.1有效加固深度

H——有效加固深度(m)W——夯锤重(t)h——落距(m)K——修正系数，一般为0.34～0.8。4.2夯锤和落距

单击夯击能为夯锤重W与落距h的乘积，一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大，夯击击数少，夯击遍数也相应减少，加固效果和技术经济较好。整个加固场地的总夯击能量(即锤重×落距×总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。强夯的单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并可以通过试验确定。一般国内夯锤可取10～25t，至今采用的最大夯锤为40t。夯锤确定后，根据要求的单点夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距为8～25m。4.3夯击范围和夯击点布置

强夯加固的范围应大于建（构）筑物基础范围。通常要求强夯加固范围每边超出基础外缘一定的宽度。超出范围宽度为设计强夯加固深度的1/3~1/2，并不小于3m。通常以等边三角形或正方形布置夯击点。工业厂房可根据柱网来布置夯击点。夯距通常根据地基土的性质和要求处理的深度而定。

某仓库夯击点布置（三角形）ThermalK-12EducationalPark,CoachellaValleyCalifornia(US)美国加州某工程夯点布置（正方形）NICEAIRPORT(France)AbuDhabiCorniche(UnitedArabEmirates)4.4夯击击数与遍数

夯点的夯击击数，应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件：

1)最后两击的夯沉量不大干50mm，当单击夯击能量较大时不大于100mm；

2)夯坑周围地面不会发生过大隆起；

3)不因夯坑过深而发生起锤困难。一般为4—10击。遍数一般2~3遍。最后—遍是以低能量“搭夯”即锤印彼此搭接。4.6垫层铺设

垫层厚度一般为0.5—2.0m。铺设的垫层不能含有粘土。4.5间歇时间

砂土连续，粘性土3~4周。4.7现场测试设计

可包括以下内容：（1）地面沉降观测（2）孔隙水压力观测（3）强夯振动影响范围观测（4）深层沉降和侧向位移测试4效果检验强夯施工结束后应间隔一定时间方能对地基加固质量进行检验。其间隔时间对碎石土和砂土地基可取l~2周：对粉土和粘性土地基可取3~4周。室内试验十字板试验动力触探试验静力触探试验旁压试验载荷试验波速试验旁压试验碎石桩StoneColumn振冲法施工1概述碎石桩最早在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

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。

碎石桩—是指用振动、冲击或水冲等方法在软弱地基中成孔后，再将碎石挤入土中形成大直径的由碎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分类施工方法成桩工艺适用土类振密法振冲挤密法采用振冲器振动水成孔，再振动密实填料成桩，并挤密桩间土砂性土、非饱和粘性土，以炉灰、炉渣、建筑垃圾为主的杂填土，松散的素填土沉管法采用沉管成桩，振动或锤击密实填料成桩，并挤密桩间土干振法采用振孔器成孔，再用振孔器振动密实填料成桩，并挤密桩间土置换法振冲置换法采用振冲器振动水冲成孔，再振动密实填料成桩饱和粘性土钻孔锤击法采用沉管切钻孔取土方法成孔，锤击填料成桩分类施工方法成桩工艺适用土类排土法振动气冲法采用压缩气体成孔，振动密实填料成桩饱和粘性土沉管法采用沉管成桩，振动或锤击填料成桩强夯置换法采用重锤夯击成孔和重锤夯击填料成桩其它方法水泥碎石桩法在碎石内加水泥和膨润土制成桩体饱和粘性土群围碎石桩法在群桩周围设置刚性的（混凝土）裙围来约束桩体的侧向膨胀袋装砂石桩法将碎石装入土工膜袋而制成桩体，土工膜袋可约束桩体的侧向膨胀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液化地基美国的H.B.Seed等人（1975）的试验表明，相对密度较低的砂样受到预先振动后，其抗液化能力相当于较高相对密实度的砂样。即在一定的应力循环次数下，当两试样的相对密度相同时，如果要使经过预振的试样液化，所需的应力要比未经预振的试样液化所需应力大幅度提高（46％）砂土液化特性除与其相对密度有关外，还与其振动应变史有关。当细粒含量达到一定含量以下时，都可以得到显著的挤密效果；高于这一量时挤密基本无效（<0.074mm含量>10%)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设计计算一、加固范围a、根据建筑物重要性、场地条件、基础形式确定；大于基底面积。b、对一般地基，在基础外缘宜扩大1—2排；c、对可液化地基，在基础外缘应扩大2—4排桩。且≥5m。二、桩位布置（a）正方形（b）矩形（c）等腰三角形（d）放射形根据基础类型选择不同的布置方式三、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0.70-1.0m；采用沉管法成桩时，碎石桩的桩径一般为0.3～0.7m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。四、

桩径五、材料桩体材料可就地取材，一般采用中、粗混和砂、卵石、碎石、砂砾石等，含泥量不大于5％，且碎石桩的桩体材料的容许最大粒径与振冲器的外径和功率有关系，一般30kw振冲器为20～80mm，55kw振冲器为30～100mm;75kw振冲器为40～150mm；六、垫层碎（砂）石桩施工完毕后，基础底面应铺设30～50cmd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，应铺设施工用临时性垫层。七、桩距计算(一)砂性土地基中桩距设计当正方形布置时：处理前土体体积：处理后土体体积：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）粘性土地基中桩距设计

按地基承载力公式计算如下：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步骤如下：

a、选定桩土应力比n值，其取值范围为2～4，具体数值由天然地基土强度或建筑物的容许变形而定。原土强度低者取大值。

b、由天然地基承载力和复合地基承载力计算面积置换率m值。由：得：式中：fsp，k—复合地基承载力特征值，

fs，k—天然地基承载力特征值，

m—面积置换率。或

c、选定桩径d，计算碎石桩截面积Ap。

d、由面积置换率m求出一根桩所分担的地基处理面积Ae。e、根据布桩方式和分担面积Ae求桩间距L。八、复合地基沉降计算经碎石桩处理后的复合地基的沉降计算可参考复合地基沉降计算理论。5施工工艺振冲法施工5.1振冲法振冲器构造图Addingstoneintop-feedinstallation5.2沉管法(一)振动成桩法振动挤密碎石桩施工顺序图振动沉管碎石桩加固地基(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，间隔时间可取3—4周，对粉土地基可取2—3周。质量检验可用单桩载荷试验，其圆形压板的直径与桩的直径相等，可按每200～400根桩随机抽取一根进行检验，但总数不得少于3根。对砂土或粉土层中碎石桩，除用单桩载荷试验检验外，尚可用标准贯入、静力触探等试验对桩间土进行处理前后的对比试验。复合地基承载力检测（载荷试验）桩载荷试验曲线振冲碎石桩的动探检测例题一、某场地经载荷试验得到的粘性土天然地基承载力特征值为120kPa，设计要求处理后复合地基承载力特征值为200kPa。拟采用挤密碎石桩复合地基。桩径采用0.9m，正方形布置，桩中心距取1.5m。在设置碎石桩过程中，根据经验该场地桩间土承载力可提高20%。试求设计要求碎石桩承载力特征值。已知地基土承载力fs，k，复合地基承载力fsp，k，桩径d，桩距L。求桩的承载力fp，k解题思路：解：（1）fs，k=120×（1+20%）=144kPa砂桩（sandpile）砂桩—是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后，再将砂挤压入土中，形成大直径的密实柱体。一、概论适用范围：松散砂土、粉土和杂填土等地基。加固机理：（一）在松散砂土中的加固机理成桩过程中的强制挤密（二）（一）、加固范围应根据建筑物重要性和场地条件确定，通常应超出基础的宽度，每边放宽不应少于1～3排；对于可液化地基，每边放宽不宜小于处理深度的1/2（并不应小于5m）二、砂桩的设计与计算（二）、桩位布置等边三角形或正方形（三）、砂桩直径可根据成桩方法、施工机械和置换率确定，多采用0.3～0.8m。对饱和粘性土地基宜采用较大的直径。（四）、砂桩长度确定

应根据软弱土层的性能、厚度或工程要求按下列原则确定：（1）当软弱土层厚度不大时，砂桩应穿过软弱土层，以减小地基变形。（2）当软弱土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程，砂桩长度不小于最危险滑动面以下2m深度；对按变形控制的工程，砂桩长度应满足砂桩复合地基沉降量不超过建筑物地基容许沉降量要求，并满足地基软弱下卧层强度要求。

（3)在可液化地基中，桩长应穿透可液化层，或按国家标准《建筑抗震设计规范（GB50011）的有关规定执行。（4）桩长不宜小于4m。五、桩距计算

与碎石桩计算方法相同。六、复合地基沉降计算

经砂桩处理后的复合地基沉降计算可参考第2章复合地基理论。（一）砂桩材料

砂桩的填料宜用级配较好的中粗砂，也可用砾砂。对于饱和软粘土，为了利于成桩应选用级配好、强度高的砂砾混合料。在饱和土中施工时，砂的含水量宜采用饱和状态；在非饱和且能形成直立桩孔孔壁的土层中用捣实法施工时，含水量采用7%～9%。（二）施工机械

主要用振动式砂石桩机和锤击式砂石桩机两类。三、砂桩施工（三）施工工艺

1、施工顺序2、施工工艺（1）振动成桩法单管法成桩工艺（2）锤击成桩法可分为单管法和双管法两种。双管法成桩工艺四、质量检验

1、检验砂桩及桩间土的挤密质量可采用标贯、静力触探或动力触探等方法。对重要或大型工程宜进行现场载荷试验。

2、桩间土质量的检测位置应在等边三角形或正方形的中心。

3、砂桩挤密效果的检测可抽查进行，检测数量不少于桩孔总数的2%。

4、砂桩施工结束后，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，间隔时间可取3～4周，对粉土地基可取2～3周。例题二、某砂土地基，拟采用挤密砂石桩法处理。在处理前地基土体孔隙比为0.81。由土工试验得到该砂土的最大和最小的孔隙比分别为0.91和0.60。要求挤密处理后的砂土地基相对密度为0.80。若砂石桩桩径为0.70m，采用等三角形布置，试求砂石桩桩距。已知：e0，emax，emin，Dr求：桩距L石灰桩法石灰桩—是指用人工或机械在地基中成孔后，灌入生石灰块（或在生石灰块中掺入适量的水硬性掺合料，如粉煤灰、火山灰等），经振密或夯压后形成的桩柱体。一、加固机理（一）桩间土1、成孔挤密采用振动沉管法成孔，使桩间土产生挤压和排土作用。2、膨胀挤密生石灰吸水膨胀，对桩间土产生强大的挤压力。3、脱水挤密1kg生石灰在熟化过程中吸收0.8～0.9kg的水，并放出1172kJ热量。熟化吸水+汽化脱水----地基土排水固结----抗剪强度提高4、胶凝、离子交换和钙化作用SiO2、Al2O3与Ca（OH）2反应----生成水化硅酸钙、水化铝酸钙----具胶结作用Ca2+与Na+、K+等离子交换----扩散双电层变薄，粘粒间结合力增强最终，在桩周形成一圈2～10cm的硬壳层。（二）桩身桩体具有一定的强度和刚度，可提高地基的承载力和改善地基的变形特性----置换作用二、石灰桩的设计计算1、桩径根据工程地基条件和采用的施工方法和机具选用，一般300～500mm。2、填料的选用填料选用新鲜的生石灰，其中CaO含量不宜低于70%，生石灰粒径在50mm以下，含粉量不得超过20%，未烧透的石灰块或其他杂物含量不得超过5%。3、桩的布置正方形或等边三角形。膨胀前的置换率满足：正方形布置：三角形布置：4、桩距桩距一般选用桩径的2.5～3.5倍。具体尺寸可根据复合地基承载力公式计算。式中：pcf—复合地基极限承载力

ppf—石灰桩极限承载力

λ—桩间土强度发挥度

psf—桩间土极限承载力则桩距计算式为：（1）等边三角形布置：（2）正方形布置：5、桩长设计桩的长度取决于石灰桩的加固目的和上部结构的条件。（1）若石灰桩加固只是为了形成一个压缩性较小的垫层，则桩长可较小，一般可取2～4m。（2）若加固的目的是为了减小沉降，则就需要较长的桩。如果为了解决深层滑动问题，也需要较长的桩，保证桩长穿过滑动面。6、布桩范围石灰桩加固范围宜大于基础宽度，当大面积满堂布桩时，一般在基础外缘增布1～2排石灰桩。三、石灰桩的施工1、施工顺序“先外排后内排，先周边后中间”单排桩先施工两端后中间，并按每间隔1～2孔的施工顺序进行。石灰桩施工顺序图2、成桩（1）成孔可采用沉管法、冲击法、螺旋钻进法、爆扩法和挖孔法等。（2）填夯成孔检验合格后立即填夯成柱，一般都是人工填料，机械夯实。（3）封顶在桩身上段夯入膨胀力小、密度大的灰土或粘土将桩顶捣实。也可采用素混凝土。封顶长度一般在1.0m左右。四、质量检验

1、桩身质量检验（1）挖桩检验与桩身取样试验测定桩径、桩的外形、桩身材料分布情况、桩身密度及桩身强度。（2）采用静力触探、轻便触探及标贯试验等测定桩身质量。（3）载荷试验

2、桩间土检验一般采用静力触探、十字板剪切和钻孔取样等方法。3、复合地基检验用大面积的载荷板的载荷试验是检验复合地基的可靠方法。土（或灰土、双灰）桩Earthpile（lime-soilpile、lime-fly-ashpile）一、概述采用挤土成孔或非挤土成孔方式在地基中成孔，然后分层回填素土（或灰土、粉煤灰加石灰），逐层夯实而成土桩（灰土桩或双灰桩）。适用范围：地下水位以上的素填土、杂填土、粘性土及湿陷性黄土等地基。二、加固机理

1、成桩过程中对原有地基土体的横向挤密

2、土桩本身具有的强度和刚度，与桩间土体形成复合地基。三、设计计算

1、桩径桩径若过小，则桩数增加，工作量增大；桩径若过大，则桩间土挤密不够，致使消除湿陷性效果欠佳。桩径一般选用300～450mm。

2、桩长对非自重湿陷性地基，桩长一般要求至地基压缩层下限，或穿过附加压力与土自重压力之和大于湿陷起始压力的全部土层；对自重湿陷性黄土地基，桩长要求至非湿陷性土层顶面。土桩、灰土桩的处理深度一般为6～15m。3、处理范围对非自重湿陷性黄土、素填土及杂填土地基，加固范围每边超出基础宽度不小于0.25b（b为基础短边长），并不小于0.5m；对自重湿陷性黄土地基，每边超出基础宽度不应小于0.75b，并不小于1.0m。4、桩孔布置及桩距计算桩孔尽量按等边三角形布置，也可采用正方形或矩形等排列方式。桩距应通过试验或计算确定，一般为桩径的2.0～2.5倍。常用平均压实系数λc表示桩间土的挤密程度。桩距计算示意图等边三角形ABC范围内天然土的平均干密度为挤密后其面积减少半个园面积，变为：则桩距可导出为：5、填料和压实系数桩孔内的填料，应根据工程要求或地基处理的目的确定。并应用压实系数λc控制夯实质量。当用素填土回填夯实时：λc≥0.95

当用灰土回填夯实时：λc≥0.97，灰土体积比2：8或3：7。四、施工

1、成孔挤土成孔—沉管法、爆扩法和冲击法。非挤土成孔—挖孔和钻孔法。2、回填夯实回填夯实包括回填料制备和分层回填夯实。五、质量检验夯实质量的检验方法主要有：轻便触探检验法、环刀取样检验法、载荷试验法。前