1、地基處理地基處理Foundation TreatmentFoundation Treatment河南科技大學規(guī)劃與建筑工程學院高笑娟第5章 擠密法1 1、砂樁擠密法、砂樁擠密法( (砂樁砂樁)(densification by sand )(densification by sand Pile) Pile)（1 1）概述）概述 砂樁擠密法是用振動、沖擊或打入套管等方法，在地基砂樁擠密法是用振動、沖擊或打入套管等方法，在地基中形成土孔，然后填入中、粗砂，并予以搗實而形成直徑較中形成土孔，然后填入中、粗砂，并予以搗實而形成直徑較大的樁，使地基土在較大的深度范圍內得以擠密加固。大的樁，使地基土在較大

2、的深度范圍內得以擠密加固。 砂樁法起源于砂樁法起源于1919世紀世紀3030年代的歐洲，用于在海灣沉積軟年代的歐洲，用于在海灣沉積軟土上建造兵工廠的地基工程中。當時的設計樁長為土上建造兵工廠的地基工程中。當時的設計樁長為2m2m，樁徑，樁徑為為0.2m0.2m，每根樁承擔的荷載為，每根樁承擔的荷載為10kN10kN。此后，在長時間內由于。此后，在長時間內由于沒有實用的設計計算方法，缺少先進的施工工藝和施工設備沒有實用的設計計算方法，缺少先進的施工工藝和施工設備而影響了它的發(fā)展。而影響了它的發(fā)展。 第二次世界大戰(zhàn)以后，砂樁法在前蘇聯(lián)得到廣泛應用并第二次世界大戰(zhàn)以后，砂樁法在前蘇聯(lián)得到廣泛應用并取

3、得了較大成就。初期，砂樁采用沖孔搗實施工法，以后又取得了較大成就。初期，砂樁采用沖孔搗實施工法，以后又采用水沖振動施工法，其缺點都是質量不佳和處理深度較淺。采用水沖振動施工法，其缺點都是質量不佳和處理深度較淺。 2020世紀世紀5050年代后期，隨著振動打樁機的出現又采用年代后期，隨著振動打樁機的出現又采用振動式打拔管施工法。振動式打拔管施工法。 隨后日本又研究出振動式重復壓拔管施工法和控制施工隨后日本又研究出振動式重復壓拔管施工法和控制施工質量的方法，這些方法的應用使砂樁地基處理技術發(fā)展到一質量的方法，這些方法的應用使砂樁地基處理技術發(fā)展到一個新的水平，使其施工質量和施工效率均有顯著提高，處

4、理個新的水平，使其施工質量和施工效率均有顯著提高，處理深度可達深度可達30m30m左右。左右。 我國我國19591959年首次在上海重型機器廠采用錘擊沉管擠密砂年首次在上海重型機器廠采用錘擊沉管擠密砂樁法處理地基；樁法處理地基； 19781978年又在寶山鋼鐵總廠采用振動重復壓拔管砂樁施工年又在寶山鋼鐵總廠采用振動重復壓拔管砂樁施工法處理原料堆場地基。這兩項工程為我國在飽和軟弱粘性土法處理原料堆場地基。這兩項工程為我國在飽和軟弱粘性土中采用砂樁，特別是砂樁地基處理方法積累了豐富的經驗。中采用砂樁，特別是砂樁地基處理方法積累了豐富的經驗。 近十多年來，砂樁法在我國工業(yè)與民用建筑、交通、水近十多年

5、來，砂樁法在我國工業(yè)與民用建筑、交通、水利等工程建設中得到了廣泛應用。利等工程建設中得到了廣泛應用。 （2 2）加固原理）加固原理 地基土的土質不同，對砂樁的作用原理也不盡相同地基土的土質不同，對砂樁的作用原理也不盡相同 1 1）在松散砂土中的作用）在松散砂土中的作用 擠密作用；擠密作用； 振密作用振密作用 2 2）在軟粘土中的作用）在軟粘土中的作用 置換作用；置換作用； 排水作用；排水作用；（3 3）砂樁用途）砂樁用途 1 1）在松散砂土中，可用于增大相對密度，防止振動液化。）在松散砂土中，可用于增大相對密度，防止振動液化。 2 2）在軟弱粘性土中，可用于提高地基承載力，加速固結）在軟弱粘性

6、土中，可用于提高地基承載力，加速固結沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。2 2、振沖碎石樁、振沖碎石樁（1 1）概述）概述 振沖碎石樁振沖碎石樁( (振沖法振沖法) )適用于處理砂土、粉土、粉質就土、適用于處理砂土、粉土、粉質就土、素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于20kPa20kPa的飽和粘性土和飽和黃土地基。的飽和粘性土和飽和黃土地基。 振沖法對不同性質的土層分別具有置換、擠密和振動密振沖法對不同性質的土層分別具有置換、擠密和振動密實等作用。對粘性土主要起到置換作用，對中細砂和粉土除實等作用。對粘性土主要

7、起到置換作用，對中細砂和粉土除置換作用外還有振實擠密作用。置換作用外還有振實擠密作用。 在中、粗砂層中振沖，由于周圍砂料能自行塌入孔內，在中、粗砂層中振沖，由于周圍砂料能自行塌入孔內，也可以采用不加填料進行原地振沖加密的方法。這種方法適也可以采用不加填料進行原地振沖加密的方法。這種方法適用于較純凈的中、粗砂層，施工簡便，加密效果好。用于較純凈的中、粗砂層，施工簡便，加密效果好。 （2）加固機理 1）在松散砂土和粉土地基中的作用 擠密作用。單粒結構在松散狀態(tài)時，顆粒的排列位置是很穩(wěn)定的，在動力和靜力作用下會重新進行排列，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。即使顆粒的排列接近較穩(wěn)定的密實狀態(tài)，在動力和靜力作用下也將

8、發(fā)生位移，改變其原來的排列位置。松散砂土在振動力作用下，其體積縮小可達20。 無論采用錘擊法還是振動法，在砂土和粉土中沉入樁管時，對其周圍土體都產生根大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的砂擠向樁管周圍的土層，使其孔隙比減小，密實度增加。此即碎石(砂)樁法的擠密作用。 振密作用 沉管特別是采用垂直振動的激振力沉管時，樁管四周的土體受到擠壓，同時，樁管的振動能量以波的形式在土體中傳播，引起樁四周土體的振動，在擠壓和振動作用下，土的結構逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大。 隨著孔隙水壓力的進一步增大，達到等于或大于土中上覆土的自重應力時，土的有效應力將為零，土體開始液化成流體狀態(tài)，流體狀態(tài)的土變密實

9、的可能性較小，如果有排水通道(砂石樁)，土體中的水此時就沿著排水通道排出地面。隨著孔隙水壓力的消散，顆粒重新排列、固結，形成新的結構，其密實度得到提高。在砂土和粉土中振密作用比擠密作用要明顯，是碎石(砂)樁的主要加固機理。振動成樁過程中，一般形成以樁管為中心的“沉降漏斗”，樁徑達(69)d(d為樁直徑)，并形成多條環(huán)狀裂隙。 抗液化作用 碎石(砂)樁法形成的復合地基，共抗液化作用主要有兩個方面： 樁間可液化土層受到擠密和振密作用后，土層的密實度增加，結構強度提高，標準貫入錘擊數的增加，從而提高土層本身的抗液化能力。 碎石(砂)樁在土層中形成良好的排水通道，可以加速擠壓和振動作用產生的超孔隙水壓

10、力的消散，降低孔隙水壓力上升的幅度，因而提高樁間土的抗液化能力。 2）在粘性土地基中的作用 置換作用 碎石(砂)樁齊軟弱熟性土中成樁以后與樁間土共同組成復合地基，內密實的碎石(砂)樁樁體取代了與樁體體積相同的軟弱土，因為碎石(砂)樁的強度和抗變形性能等均優(yōu)于其周圍的土，所以形成的復合地基的承載力、模量就比原來天然地基的承載力、模量大，從而提高了地基的整體穩(wěn)定性，減小了地基的沉降量。復合地基承強力增大率與沉降量的減小率均和置換率成正比關系。 排水固結作用 工程實測資料表明，制樁后樁間土含水量可增加10，干密度可下降3，十字板強度比原地基土降低1040。制樁結束后，一方面原地基土的結構強度逐漸恢復

11、，另外，在軟粘土中，所制的碎石(砂)樁是粘性土地基中一個良好的排水通道，碎石(砂)樁可以和砂井一樣起排水作用，大大縮短了土體的橫向排水距離，加快了地基的固結速度，加速了地基土的沉降穩(wěn)定。擠密樁加固結果可使有效應力增加，強度恢復并提高，甚至超過原土強度。 加筋作用 由于碎石(砂)樁的剛度比樁周粘性土的剛度大，而地基中應力按材料變形模量進行重新分配，因此，大部分荷載將由碎石(砂)樁來承擔，樁體應力和樁間粘性土應力之比值稱為樁土應力比，一般能達到2-4。（3）設計計算 碎石(砂)樁的設計包括樁體材料的選擇，樁體直徑的大小、布樁形式、樁距、樁長的確定，碎石(砂)樁復合地及穩(wěn)定性驗算及地基沉降的計算。

12、1)加固范圍 加固范圍須結合上部結構的持征、基礎尺寸的大小、基礎的形式、荷載條件和：工程地質條件確定。復合地基的寬度需超出基礎的寬度，一般每邊放寬不少于13排樁。當用于消除地基液化沉陷時，每邊放寬不小于處理深度的12，并不小于5m；當可液化層上覆蓋有厚度大于3m的非液化層時，每邊放寬不小于液化層厚度的l2，并不小于3m。 2)樁體材料 碎石(砂)樁樁體材料可使用礫砂、粗砂、中砂、圓礫、角礫、卵石、碎石等，也可以粗細粒料以一定的比例配合使用。特別是在碎石(砂)樁側限作用較小的軟弱粘性土中，可以使用含有棱角狀碎石的混合料，以增大樁體材料的內摩擦角。 碎石(砂)填料中含泥質量百分數不得大于5，并且不

13、含有粒徑大于50 mm的顆粒。 3)樁體直徑 碎石(砂)樁的直徑取決于施工設備的能力、處理的目的和地基土類型等因素。振沖樁直徑通常為0.8-1.2m、可按每根樁所用填料量計算，對飽和粘性土地基應采用較大的直徑，采用沉管法成樁時，碎石和砂樁的樁徑一般為0.30-0.70 m。 4)樁體長度 當相對硬層埋深不大時，樁長按相對硬層埋深確定；當相對硬層埋探較大時，樁長按建筑物地基變形允許值確定；在可液化地基中，樁長應按要求的抗震處理深度確定。樁長不宜小于4.0m。 5)樁位布置 砂石樁的平面布置形式要根據基礎的形式確定。對大面積滿堂基礎，樁位宜用等邊三角形布置；對獨立或條形基礎，樁位宜用正方形、矩形或

14、等腰三角形布置；對于圓形或環(huán)形基礎(如油罐基礎)，宜用放射形布置。 另外，碎石(砂)樁施工之后，樁頂1.0 m左右長度的樁體是松散的，密實度較小，此部分應當挖除，或者采取碾壓或夯實等方法使之密實。然后再鋪設墊層，墊層厚度300500 mm， 6)樁孔間距的確定 砂土和粉土地基 考慮振密和擠密兩種作用，平面布置一般為正三角形和正方形。三角形布樁時正方形布樁時 式中，為考慮振密作用的修正系數，當考慮振密作用時，可取=1.1-1.2，不考慮振密下沉作用時，可取=1.06）復合地基承載力計算等邊三角形布樁正方形布樁矩形布樁skpkspkfmmff)1 ( sde05. 1sde13. 12113. 1

15、ssde間斷投料法施工連續(xù)投料法施工一次拔管和逐步拔管成樁工藝單管錘擊成樁工藝重復拔管成樁工藝芯管密實雙管法成樁工藝內擊沉管法制樁工藝3 3、土擠密樁樁法和灰土擠密樁法、土擠密樁樁法和灰土擠密樁法1 1）概述）概述 土擠密樁法由原蘇聯(lián)阿別列夫教授于土擠密樁法由原蘇聯(lián)阿別列夫教授于19341934年首創(chuàng)，并在年首創(chuàng)，并在工程建設中得到廣泛應用。工程建設中得到廣泛應用。 我國自我國自2020世紀世紀5050年代中期開始在西北黃土地區(qū)進行土擠年代中期開始在西北黃土地區(qū)進行土擠密樁法的研究和應用。密樁法的研究和應用。 6060年代中期，西安地區(qū)在土擠密樁法的基礎上成功地應年代中期，西安地區(qū)在土擠密樁法

16、的基礎上成功地應用了灰土擠密樁法，并在用了灰土擠密樁法，并在7070年代逐步推廣應用。年代逐步推廣應用。 灰土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的灰土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，不適用于地下水位以濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，不適用于地下水位以下使用。當地基土的含水量大于下使用。當地基土的含水量大于2424、飽和度超過、飽和度超過6565時，時，成孔及撥管過程中，樁孔容易縮頸，樁孔周圍容易隆起，擠成孔及撥管過程中，樁孔容易縮頸，樁孔周圍容易隆起，擠密效果差，此時不宜采用。灰土擠密樁法和土擠密樁法處理密效果差，此時不宜采用。灰土擠密樁

17、法和土擠密樁法處理地基深度一般為地基深度一般為5 515m15m。若用于處理。若用于處理5m5m以內土層，其綜合效以內土層，其綜合效果不如強夯法、重錘夯實法以及換填墊層法。對大于果不如強夯法、重錘夯實法以及換填墊層法。對大于15m15m的的土層，若地下水位較深，近年來有采用螺旋鉆取土成孔，分土層，若地下水位較深，近年來有采用螺旋鉆取土成孔，分層回填灰土，并強力夯實，使加固深度超過層回填灰土，并強力夯實，使加固深度超過20m20m的黃土地基的黃土地基加固實例。加固實例。 2）加固機理 擠密作用 灰土擠密樁和土擠密樁的擠簾作用與砂樁類似。當樁的含水量接近最優(yōu)含水量時，土呈塑性狀態(tài)，擠密效果最佳；當

18、含水里偏低，土呈堅硬狀態(tài)時，有效擠密區(qū)變小；當含水量過高時，由于擠密引起超孔隙水壓力，土體難以擠密，且孔壁附近土的強度因受擾動而降低，拔管時容易出現縮頸等情況。土的天然干密度愈大，有效擠密范圍愈大，反之亦然。 灰土性質作用 灰土樁是用石灰和土按一定體積比例(2：8或3：7)拌和，并在樁孔內夯實加密后形成的樁體。 這種材料在化學性能上具有氣硬性和水硬件，由于石灰內帶正電荷鈣離子與帶負電荷粘土顆粒相互吸附，形成膠體凝聚，并隨灰土齡期增長，土休固化作用提高，使灰土逐漸增加強度。它可達到擠密地基效果，提高地基承載力，消除濕陷性，沉降均勻和沉降量減小。 樁體作用 在灰土樁擠密地基中，內于灰土樁的變形模量

19、遠大于樁間土的變形量(灰土的變形模量為E40200MPa，相當于夯實素土的210倍)，故灰土樁在復合地基中承擔了很大比例的荷載。載荷試驗表明：只占壓板面積約20的灰土樁承擔了總荷載的一半左右，而占壓板面積80的樁間土僅承擔了其余一半。由于總荷載的一半由灰土樁承擔，從而降低了基礎底面下一定深度內土中的應力，消除了持力層內產生大量壓縮變形和濕陷變形的不利因素。此外，由于灰土樁對樁間土能起側向約束作用，限制土的側向移動，樁間土只進行豎向壓密，使壓力與沉降始終呈線形關系。 3)處理范圍 處理地基的面積 灰土擠密樁和土擠密樁處理地基的面積，應大于基礎或建筑物底層平面的面積，并應符合下列規(guī)定： 當采用局部

20、處理時，應超出基礎底面的寬度。對非自重濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基，每邊不應小于基底寬度的0.25倍，并不應小于0.50m；對濕陷性黃土地基，每邊不應小于基底寬度的0.75倍，并不應小于1.O m。 當采用整片處理時，應超出建筑物外墻基礎底面外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的l2，并不應小于2m。 4)處理地基的深度 在自重濕陷性黃土場地，應處理基礎以下的全部濕陷性土層；非自重濕陷性黃土場地，應將基礎下濕陷起始壓力小于附加壓力與上覆土的飽和自重壓力之和的所有土層，進行處理或處理至基礎下的壓縮層下限為止。 消除地基部分濕陷量，適用于乙類建筑，其最小處理厚度應符合下列要求：在自重濕陷性黃土場地，不應小于濕陷性土層厚度的23，并應控制剩余濕陷量不大于20cm；在非自重濕陷性黃土場地，不應小于壓縮層厚度的23。 5)樁孔布置原則 布樁方式主要取決于基礎形式和基礎尺寸，不同布樁方式對樁的置換作用無影響，但對樁間土的擠密作用有影響。布樁重復擠密面積對比分析如下圖所示，如正三角形布樁重復擠密面積為21，而正方形布樁為57。可見，在整