砂桩、土桩、灰土桩施工工艺

第 4 章 砂桩、土桩、灰土桩4.1 砂 桩4.1.1 概 述采用砂桩处理软弱地基，19 世纪 30 年代起源于欧洲。由于长期缺少实用的设计计算方法、先进的施 工工艺和施工设备，砂桩的应用和发展受到很大影响。第二次世界大战以后，苏联对砂桩的研究取得了较 大进展。最初，砂桩是用于处理松散砂土地基的。如今，在软弱粘性土中也有使用实践。砂桩技术自 20 世纪 50 年代引进我国以后，在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。近十年来，在应用砂桩处 理可液化的松散砂土地基方面也取得一些成就，解决了一些实际工程问题。砂桩法处理软土地基与排水砂 井法有类似之处，但排水砂井法的主要作用在于加速固结，砂桩法的主要作用在于置换。因此砂桩较之于 砂井有直径大、排列密、灌砂密度大的特点。所以其用砂量大得多。4.1.2 作用原理砂桩法原用于处理松散砂土地基，因施工方法不同可分为挤密砂桩和振密砂桩两种，主要是为了防止 地基中砂土液化。应用于软土地基处理，其作用原理是砂桩的置换作用、压密桩间土作用及加速排水固结 作用。1、砂桩在松散砂土中的作用由于下沉桩管的方法和成桩方法不同，砂桩在施工过程中对周围砂层会产生挤密作用，或同时也产生 振密作用。(1) 挤密作用 采用冲击法或振动法往砂层中下沉桩管并采用一次拔管法成桩时，桩管对周围砂层会产生 很大的横向挤压力，砂层中体积与桩管体积相等的砂就挤向桩管周围的砂层，从而使其密度增大，孔隙比 减小。这个作用称为“挤密作用”。挤密砂桩的有效挤密影响范围可达34 倍桩管直径。成桩后地面一般 有不同程度的隆起。(2) 振密作用 采用振动法往砂层中下沉桩管并采用逐步拔管法成桩时，下沉桩管过程会对周围砂层起挤 密作用，而逐步拔管成桩过程则对周围砂层起振密作用。有效振密范围可达6 倍桩管直径左右。成桩后地 面一般有不同程度的下降。2、砂桩在软弱粘性土中的作用在透水性差的饱和粘性土中下沉桩管时，由于产生的超孔隙水压力不能很快消散，所以横向挤压力虽 然很大也不能使桩管周围的土体发生瞬时挤密，反而会使其天然结构破坏，强度降低。砂桩施工后需经过 12 个月时间，其周围土体的强度才可能恢复到或稍大于原有值。因此，使用砂桩处理软弱粘性土时主要 考虑下述两个作用。(1) 置换作用 砂桩在软弱粘性土中成桩后，地基就变成由砂桩和桩间土共同组成的复合地基。由于密实 的砂桩取代了与砂桩体积相等的软土，所以复合地基的承载力就比天然地基的承载力大，其沉降也就比天 然地基小。地基荷载试验证明，砂桩地基承受外部压力时会发生压力向砂桩集中的现象，这就表明砂桩承 受外部压力的能力要比其周围土层大。压力向砂桩集中，桩间土承受的压力就减小，沉降也就相应减小。 复合地基承载力增大率和沉降减小率都与置换率(即 1 根砂桩面积与 1 根砂桩承提的地基处理面积之比) 有关，置换率增大，承载力增大率也增大，而沉降减小率却更小。(2) 排水作用 砂桩在软弱粘性土地基中构成排水路径，可以起着排水砂井作用，使土层中的水向砂桩集 中并且通过砂桩排走，加快地基固结沉降速率。3、砂桩用途在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。在软弱粘性土中，可用于提高地基承载力， 加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。4.1.3 设计计算砂桩法的设计应确定置换率、加固范围、几何排列、加固后之复合强度及沉降、施工方式等。1、桩材料和桩尺寸(1) 材料 使用中粗混合砂，含泥量不大于 5%。在对砂桩成型没有足够约束力的软弱粘性土中，可以使用 砂和角砾混合料。(2) 直径 根据置换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑确定砂桩直径。在软弱粘性土中尽 可能采用较大的直径。目前，国内实际采用的直径为30cm左右，最大者5070cm；国外实际采用的直径 为6080cm，最大达200cm。砂桩在平面上的布置可以采用正三角形或正方形。(3) 长度 根据软土层厚度或根据工程要求通过计算确定砂桩长度。 当软土层厚度不大时，砂桩长度可按软土层厚度确定； 当软土层厚度较大时，对按稳定性控制的工程来说，砂桩长度应不小于最危险滑动面的深度；对按沉降 控制的工程来说，砂桩长度应满足砂桩地基沉降量不超过建筑物或构筑物容许沉降量的要求，可通过沉降 计算确定； 当使用砂桩处理易振动液化的饱和松散砂土时，砂桩长度应达到可能发生液化的砂层底部。(3) 垫层 砂桩施工完毕后，地面应铺设3050cm厚度砂垫层或砂和碎石混合料垫层。垫层要分层铺设， 用平板振动器振实。在地面很软不能保证施工机械正常行驶和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。2、成桩方法选择设计时可根据土的类别选择适宜的成桩方法。目前国内外常用的成桩方法分成二类：(1) 振动成桩法用振动打桩机将桩管沉入土层中，其成桩工艺分成三类： 一次拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂，边振动边缓慢地从土层中拔出桩管。 逐步拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下逐步拔起桩管，拔起一定高度时停拔，并 继续振动若干秒后，再拔起一定高度，如此重复进行，直到桩管拔出地面。就砂桩质量和其周围砂层变密 度而言，逐步拔管法效果较好。 重复压拔管法：往沉入土层中的桩管内灌砂后，在振动条件下将桩管拔起h高度，使砂下落，然后再将 桩管压下hi高度(hVh =使桩径扩大，并将落入桩孔内的砂压实，如此重复进行直到桩管拔出地面。这 种成桩方法是使桩体分段成型，其优点是可以压实桩体的砂和使桩径扩大。根据饱和松散砂土容易振密的 特点，应考虑选用振动成桩法。如果对砂桩质量要求严格，可以选用逐步拔管法或重复压拔管法成桩工艺。(2) 冲击成桩法使用蒸汽打桩机或柴油打桩机将桩管打入土层中，其成桩方法分成两类： 单管法：将底端焊有活瓣桩靴的桩管打入土层中，往桩管内灌砂后缓慢地拔出桩管，砂从桩管内排出落 入桩孔中就形成砂桩。就砂桩质量而言，此法效果不佳。 双管法：将有外管(底端开口)和内管(底端封口)的双层桩管打入土层中，拔起内管向外管中灌砂后， 放下内管到砂面上，拔起外管与内管底面齐平，然后按规定的贯入度将内外管同时打下就形成一段直径比桩管直径大的砂桩。重复进行上述工艺直到桩管拔出地面。双管法也是使砂桩分段成型。就砂桩质量和挤 密效果而言，此法效果较好。由于桩体是分段成型和按贯入度控制施工，所以此法对改善天然软土地基的 密实度和不均匀性有显著效果。在软弱粘性土中可以选用冲击成桩法，也可以使用振动成桩法。对砂桩质 量要求严格或要求小直径管打出大直径砂桩时，可以选用双管冲击成桩法或单管振动重复压拔成桩法。 3、桩距计算现有的桩距计算方法不很成熟，也不够严密，仅供参考使用。在有试验条件时，桩距宜通过现场试验 确定。(1) 松散砂土地基中的桩距计算 根据孔隙比要求 当砂桩按正三角形布置时，按如下关系计算桩距S：假设在松散土中，砂桩能起到完 全理想的预期挤密效果，如原松散土的孔隙比e0，挤密后要求达到的孔隙比为ei,又设一根砂桩所承担 的地基处理面积为A (如图4-1所示)当砂桩直径为d,桩长为l则一根桩孔的体积为4d21，单位体e e积处理土的孔隙改变量为一1。1 + e0i13e e3e e(a) 等边三角形布置：处理面积A=s2；处理体积的孔隙改变为A1寸1 =s2/ 寸 1，令其21 + e21 + e00与桩孔体积相等，则表明砂桩挤密作用，即得桩距s：(4-1)I 1 + e-s 二 0.95 亠 de e* 0 1(b) 正方形布置 处理面积A=S2，同样按上述关系，可得桩距S：(4-2)II + es 二 0.904 de e0 1图4-1挤密砂桩承担的处理面积图4-2混凝土桩靴和活瓣式桩靴(a)等边三角形布置；(b)正方形布置 根据压砂率要求设1根砂桩所分担的地基处理面积为A，砂桩每米压砂体积为Sa，则单位长度的平均 压砂率F二+。求得要求的压砂率F后，就可由砂桩间距与压砂率和压砂量的关系曲线(图4-3和图s As4-4) 求得需要的桩距。图4-3砂桩间距(正方形布桩)和灌砂率图4-4砂桩间距(正三角形布桩)和灌砂率 及灌砂量关系及灌砂量关系 要求的压砂率Fs用下述方法确定： 设地基处理后要求的标贯值为叫，地基处理后的平均标贯值为N-1,则(4-3)N , =F N +(1-F )N1 s ps 1式中 N 砂桩中心处的标贯值；pN 1地基处理后桩间土的标贯值。首先假定一个压砂率F ,根据图图4-4和图4-5曲线求得N和N1，然后利用式4-4计算出平均s p 1标贯值N-1值，如此反复进行，直到N1与叫一致。此时的压砂率就是要求的压砂率。为安全计，处理后的地基标贯值只取桩间土的标贯值时，则(4-4)N 1 =(1-F)N 。1 s 1图4-5 N值和N值关系 图4-6 N值与N值关系0p01图4-5和图4-6是根据以前使用砂桩处理过的地基工程实例，分别将天然地基的标贯值N0与砂桩中 心处的标贯值N和地基处理后桩间土的标贯值N之间的关系以压砂率F为参数而绘制的关系曲线。因 p1s此，使用这个方法确定桩距必需具备以下两个条件：a）要有根据以前使用砂桩处理过的地基工程实例而绘 制出的天然地基标贯值N0与处理后桩间土标贯值N的关系曲线（图4-5）以及天然地基标贯值N0与砂桩 中心处标贯值N的关系曲线（图4-6）; b）设计时选用的成桩方法必须与得出上述两图所采用的成桩方法 p基本相同。（2）软弱粘性土地基中的桩距计算 按置换率要求计算 砂桩用于提高天然地基承载力时，可根据置换率要求计算桩距。【例4-1天然地基容许承载力R为90kPa，砂桩容许承载力R?为300kPa，要求砂桩复合地基容许承 载力Rsp达到150kPa,试求砂桩正方形布置时的桩距。【解】a）砂桩复合地基容许承载力 Rsp=（1-m）Ri+R2m，则达到150kPa承载力时需要的置换率。R - Rm 二一sp1R -R21150 - 90300-90二 0.286b）砂桩直径设计为60 cm，则砂桩面积为A =3.1416X （60/2 ）2=2827（cm2）sc）由置换率m=A /A可以求得1根砂桩分担的地基处理面积为A=A /m=2827/0.28610000（cm2）ppd）砂桩按正方形布置时桩距为lA二10000二100cm 按地基固结要求计算 砂桩复合地基容许承载力不能满足设计要求而需采用预压法提高桩间土承载力时，应根据地基固结度 和固结速率要求计算桩距，计算方法与第3 章排水固结法中砂井间距计算方法相同。但是，地基需作稳定 验算时，应使用复合地基抗剪强度。砂桩复合地基抗剪强度是由砂桩抗剪强度和桩间土抗剪强度组成，其 表达式可写成为：(4-5)t = (1 一 m)c + m(p -比)tanQ cos2 0 sppp式中：m为置换率（1根砂桩面积A与1根砂桩分担的地基处理面积A之比）;pQ为砂桩内摩擦角；p“ p为砂桩应力集中系数,n1 + (n - 1)mn 为应力分担比，一般取 35;G （砂桩上应力）n = pG （桩间土上应力）s为计算深度；Y为砂桩容重；O为计算深度z处土中平均应力;6为剪切面与水平面交角；c为桩间土粘聚力，即0 =0情况下的强度。如果考虑桩间土上作用垂直应力o 0=M SO，固结后 强度得到提高，则c=c +p O *Uano0 scu式中：c0为桩间土固结前的强度；M为应力降低系数,S11 + (n - 1)mU 为固结度；tan0 cu 为强度增长率；cu0 为桩间土固结不排水内摩擦角。cu 砂桩复合地基设计按稳定性控制时，应使用复合地基强度进行稳定性验算，如果不能满足稳定要求，则 可改变置换率再进行验算，直到满足稳定要求为止。 如果建筑物或构筑物对地基沉降敏感，应进行地基沉降计算，计算值不得大于地基设计规范的容许值。在上述算例中，如果要求砂桩复合地基容许承载力达到200kPa，则需要的置换率高达0.52(桩距 74cm)，这样大的置换率会给砂桩施工带来很大困难。在此情况下可以考虑两个解决办法:a)将砂桩直径 增大； b) 使置换率降低，使用适当荷载进行地基预压。实现这些解决办法都有困难时，则可选用其他地基 处理方案。4.1.4 施工要求1、施工标高砂桩施工标咼一般应咼于基础底面设计标咼12m,以便开挖基坑时将没有充分挤实的或被挤松的表 层土完全挖去。如果砂桩施工后对地基表层12m深度内的土层进行适当处理，则砂桩施工也可以从基底 设计标高开始。2、砂含水量施工时砂的含水量对砂桩密实性有很大影响，应根据成桩方法分别规定。(1) 采用单管冲击式或振动式一次打拔管成桩法或复打成桩时，使用饱和砂；(2) 采用双管冲击式或单管振动式重复压拔管成桩法时，使用7%9%含水量。在饱和土中施工时也可使用 天然湿度砂或干砂。3、施工顺序在松散砂土中，首先施工外围桩，然后施工隔行的桩，对最后几行桩，如下沉桩管困难时，可适当增 大桩距。在软粘性土中，砂桩成型困难时可隔行施工，各行中的桩也可间隔施工(见图 4-7) 。4.1.5 成桩工艺砂桩成桩工艺按冲击式和振动式分别介绍如下。1、冲击式成桩法(1) 单管法 施工机具：蒸汽打桩机或柴油打桩机，下端装有活瓣钢桩靴的或预制钢筋混凝土锥形桩尖(留在土中) 的桩管，装砂料斗等。 施工工艺 a）桩靴闭合，桩管就位；b）将桩管打入土层中到设计深度；c）用料斗向桩管内灌砂，当灌 砂量大时可分成二次灌砂：第1 次灌入人三分之二，将桩管从土层中拔起一半长度，然后再灌入剩余的三 分之一；d）按规定的拔出桩管速度从土层中拔出桩管。图4-7冲击法挤密砂桩施工程序（2）双管法 施工机具蒸汽打桩机或柴油打桩机，底端开口的外管（套管）和底端封口的内管（芯管），履带式吊车， 装砂料斗等。 施工工艺 a）桩管垂直就位；b）锤击内管和外管下沉到土层中；c）拔起内管向外管中灌砂；d）放下内 管到外管中砂面上；e）拔起外管到与内管底面齐平；f）锤击内管和外管将砂压实。重复进行cf工序直 到桩管拔出地面。 质量控制 进行工序 f 时按贯入度控制，可以保证砂桩的桩身连续性、密实性及其周围土层的均匀性。2、振动式成桩法（1）一次拔管法 施工机具：包括振动打桩机，下端装有活瓣钢桩靴的桩管，移动式打桩机架，装砂料斗等。 施工工艺：a）桩靴闭合，桩管垂直就位；b）将桩管沉入土层中到设计深度；c）将料斗插入桩管，向桩 管内灌砂； d） 边振动边拔出桩管到地面。 质量控制：a）桩身连续性：用拔出桩管速度控制。拔管速度根据试验确定，在一般情况下拔管1m控制 在30sec内。b）桩直径：用灌砂量控制。当实际灌砂量未达到设计要求时，可在原位再沉下桩管灌砂复 打）1 次或在旁边补加 1 根砂桩。（2）逐步拔管法 施工机具：包括振动打桩机，下端装有活瓣钢制桩靴的桩管，移动式打桩机架，装砂料斗等。 施工工艺： a） 桩管垂直就位，桩靴闭合； b） 将桩管沉入土层中到设计深度； c） 将料斗插入桩管，向桩 管内灌砂；d）边振动边拔起桩管，每拔起一定长度，停拔继振若干秒，如此反复进行，直到桩管拔出地面。（3）重复压拔管法 施工机具：包括振动打桩机，移动式打桩机架，下端设计成特殊构造的桩:图4-8），装砂料斗，辅助设 备（ 空压机和送气管，喷嘴射水装置和送水管） 等。 施工工艺： a） 桩管垂直就位； b） 将桩管沉入土层中到设计深度，如果桩管下沉速度很慢，可以利用桩 管下端喷嘴射水加快下沉速度；c）用料斗向桩管内灌砂；d）按规定的拔起高度拔起桩管，同时向桩管内 送入压缩空气使砂容易排出，桩管拔起后核定砂的排出情况； e） 按规定的压下高度再向下压桩管，将落入 桩孔内的砂压实。重复进行ce工序直至桩管拔出地面（图4-10）。（ 注：桩管每次拔起和压下高度根据砂桩直径要求，通过试验确定） 。图4-8桩管下端特殊构造示意图（a）喉管式；b）活瓣式图4-9测锤测定桩管内砂面位置（引自中堀和英等，1982图4-10振动法挤密砂桩施工程序示意图4.1.6 工程实例山西省财政局办公大楼位于粉细砂和亚粘土互层地基上，为防止粉细砂层在地震时发生液化，决定采 用砂桩挤密粉细砂层并进行现场试验，以检验砂桩的挤密效果。图4-11地质剖面图4-12群桩布置地基概况 试验场地从天然地面到-15m深度分成五层。第一层：杂填土，深度为0.001.20m左右，结构松散；第二层：亚粘土，深度为-1.20-3.20m左右，呈可塑状态，稍密、饱和，有振动水析现象； 第三层：粉细砂，深度为-3.20m至到-6.40m左右，稍密，饱和；第四层：亚粘土，深度为-6.40m到-9.00m 左右，呈可塑状态，中密，饱和；第五层：粉细砂，深度为-9.00m到-16.00m左右，稍密，饱和（图4-11）。（1）成桩方法：采用振动成桩法。使用北京580A型单频纵向垂直式振动打桩机，振动力为162.5KN。桩 管长度9.5m，直径27 3mm，活瓣桩类，桩尖最大直径340mm。（2）砂桩排列：砂桩长度 7.8m单桩试验3根，按等边三角形排列，桩距3d（d为砂桩直径）。群桩由7根砂桩组成，桩距为3d和 3.5d，按正三角形排列。群桩平面面置如图4-12所示。图4-13砂桩地基P-S关系曲线 图4-14桩间土 P-S关系曲线（3）效果简述从上图可以看出，砂桩复合地基荷载试验的压力-沉降曲线没有明显的转折点（图 4-13）。荷载在达 到2.4kg/cm2以前曲线呈线性关系。因此，临塑荷载P=240KPa。如果用相对沉降法取S/b=0.02，在 压力-沉降曲线上对应的P0 02=400 KPa，约为天然地基承载力120 KPa的三倍。由图4-14可以看出， 桩间土上荷载试验求得的压力-沉降关系曲线也没有明显的转折点。如果用相对沉降法取S/b=0.02，则 在压力-沉降曲线上对应的P0 02=217 KPa，约为天然土承载力的1.8倍。4.2 土桩和灰土桩4.2.1 概 述土桩或灰土桩挤密法是处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基加固方法，是由桩间 挤密土和填夯的桩共同组成的复合地基。土桩挤密地基由桩间挤密土和分层填夯的素土桩组成，土桩面积 约占地基面积的 10%20%。由于桩孔内填入的土料与桩间土相同，土料夯实和桩间土质量一致时，两者 的物质力学指标相近。因此，土桩挤密地基可现为厚度较大的素土垫层。土桩挤密法是苏联阿别列夫教授 于 1934 年首创，是苏联和东欧一些国家深层处理湿陷性黄土地基的主要方法。我国自50 年代中期在西 北黄土地区开始试验和应用。陕西省西安市为解决城市杂填土地基的深层处理问题，于60 年代中期在土 桩挤密法基础上试验成功灰土桩挤密法。灰土桩是用石灰和土按2 : 8或3 : 7的体积比例拌和，并在桩 孔内夯实加密后形成的桩。这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带 负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使灰土逐渐增加强度。 在力学性能上，它可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。在灰土 桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形量，总荷载的一半由灰土桩承担，从而降低了 基础底面下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由 于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密，使压力与沉降始终呈 线性关系。当地基土的含水量大于23%及其饱和度大于0.65 时，由于成孔质量不好，拔管后容易缩颈， 以及打管时容易对邻近已回填的桩体造成破坏，不宜采用土或灰土桩挤密法。当以消除地基的湿陷性为主 要目的时，宜选用土桩；当以提高地基的承载力或水稳性为主要目的时，宜选用灰土桩。处理深度宜为 515m。国外在20世纪30年代就开始采用土或灰土桩处理湿陷性黄土地基。我国20世纪50年代中期 在西北黄土地区开始试验， 20世纪70年代初在黄土地区得到广泛应用。4.2.2 作用原理1、土的侧向挤密土（或灰土、二灰） 桩挤压成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实 度提高，单个桩孔外侧土挤密效果试验表明，孔壁附近土的干密度）d接近或超过其最大干密度p d ，即 ddmax压实系数入c1。径向外延干密度逐渐减小到土的天然密度P O，其挤密影响半径通常为1.52.0d（d为 桩孔直径）。相邻桩孔间挤密效果试验表明，在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，桩间土中心部 位的密实度增大，且桩间土的密度变得均匀，桩距愈近，叠加效果愈显著。设计桩孔间距时，应以保证桩 间土的平均压实系数或平均干密度达到规定的指标，满足消除湿陷性或其它力学指标要求。合理的相邻桩 孔中心距约为 23 倍桩孔直径。土的天然含水量和干密度对挤密效果较大，当含水量接近最优含水量时， 土呈塑性状态，挤密效果最佳。当含水量偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小。当含水量过高时，由 于挤压引起超孔隙水压力，土体难以挤密，且孔壁附近土的强度因受扰动而降低，拔管时容易出现缩颈等 情况。土的天然干密度愈大，则有效挤密范围愈大；反之则有效挤密区较小，挤密效果较差。2、土桩挤密当桩孔内填入的土料与桩间土相同、土料夯实和桩间土挤密质量一致时，土桩和桩间土的力学性质指 标也相近，这已为土桩挤密地基实测结果所证实。土桩挤密地基接触压力测试证明，在刚性基础下同一部 位处，土桩上的接触应力O与桩间土上的接触应力O相差不大（应力分担比O /O 1），基底接触压力 p s p s 的分布相似于土垫层情况（图4-15）。因此，可以把土桩挤密地基看作是厚度较大的素土垫层。在国内外 有关规程中，关于土桩挤密地基的设计（容许承载力确定，处理范围验算等）都规定遵照垫层的设计原理。图4-15同一场地不同桩距挤密效果图4-16挤密桩地基基底接触压力（O ）的分布Y =13kN/m3, w=21%浸水前 浸水后do3、灰土桩挤密灰土桩是用石灰和土按一定体积比例（2 ： 8或3 : 7）拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩，这种材 料在化学性能上具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电荷钙离子与带负电荷粘土颗粒相互吸附，形成胶 体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，使灰土逐渐增加强度。在力学性能上，它可达到挤密地 基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。灰土的变形模量Eh可用下式计算： hqI E7(4-6)E = u （1 + 1 -） h &qfu式中: O 为轴向应力；q为灰土的无侧限抗压强度；u f为灰土的破坏应变。在灰土桩挤密地基中， 由于灰土桩的变形模量大于桩间土的变形量（灰土的变形模量为 Eo=40200MPa，相当于夯实素土的110倍），载荷试验测试结果表明；只占压板面积约20%的灰土桩 承担了总荷载的一半左右，而占压板面积80%的桩间土仅承担其余一半。由于总荷载的一半由灰土桩承担， 从而降低了基础底面下一定深度内土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因 素。此外，由于灰土桩对桩间土能起侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密，使压力 与沉降始终呈线性关系。4.2.3 设计计算1、设计依据和基本要求（1）土桩和灰土桩挤密地基的设计应依据下列资料和条件：如果工程地质勘察报告中对人工填土层的情 况未作详细描述，应要求补查其分布范围、厚度和物质成分，给出主要的物理-力学性质指标和容许承 载力等。建筑物结构类型、用途和荷载，结合工程地质条件明确地基处理的主要目的，如a）一般湿陷 性黄土以消除其湿陷性为主： b） 新近堆积黄土消除湿陷性，降低可压缩性，提高承载力； c） 素填土和杂填土 以提高承载力为主。对a)和b)可采用土桩；对b)和c)可采用灰土桩。场地内地下 管线和结构物位置、道路、水电源、土料来源、相邻建筑物情况等资料。当地使用的土桩或灰土桩施工 机械型号和性能，工程总结和试验资料。(2) 土桩和灰土桩和基本尺寸、布置和桩孔填料应符合下述要求：桩孔直径以3060cm为宜，根据当 地常用的成孔机械型号和规格确定。桩孔宜按等边三角形布置，如图4-17所示，可使桩周围土的挤密 效果均匀。(3) 桩孔的最少排数:土桩不少于2 排;灰土桩不少于3排。图4-17等边三角形排列桩孔示意图图4-18地基处理范围示意图(4) 地基处理范围可参照图4-18确定。处理厚度(Z)自基础底面算起至桩孔下端1/2桩尖长度处；处理 面范围应超出基础边缘(超出宽度以C表示)，其边界自最外侧一排桩的有效挤密区d/2算起。2、土桩挤密地基(1)桩孔间距 为消除黄土的湿陷性，桩间土挤密后平均压实系数(D )不得小于0.93。通过室内击实试 y验或根据经验求得地基土的最大干容重Y d ，挤密后桩间土的平均干容重Y d=0.93Y d 。按等边三角 dmaxddmax形排列桩孔时桩孔间距可用下式计算：(4-7)l 二 0.952L x d丫 -Yddo式中：l-桩孔中心间距(cm)Y d一要求桩间土挤密后达到的平均干容重(kN/m3)；dY do-土的原始干容重(kN/m3)；d-桩孔直径(cm)。桩孔排距(等边三角形的高)m=0.87l。 _y(4-8)设a = 0.952dy -yddo则 l=a da “桩距系数”可由表4-1查得。表4-1桩距系数a表(引自陕西省标准DBJ24-2-85，1985)doY d、1.151.201.251.301.351.401.551.872.002.162.372.653.061.601.801.902.032.202.412.701.651.741.821.942.072.232.45注：单位平面内桩孔面积为0.906/a2；正方形布桩时表中a值乘以0.93，排距m=l；梅花形布桩时表中a乘以1.32，排距m=(1/2)l 若场地土的均匀性较差，土的含水量低于14%或高于22%，宜通过现场成孔挤密试验调整桩孔设计间 距。试验方法：以计算的桩距为基数增加或减少20%作为试验的桩孔间距，成孔挤密后开挖测定桩间土的 干容重，以平均压实系数D 20.93确定设计的桩孔间距。平行试验不得少于2组。y(2) 处理范围地基处理厚度(z)应根据消除湿陷量要求、场地土的湿陷性类别等条件确定：消除全部湿陷量对非自重湿陷性黄土地基，处理厚度应为基础下湿陷起始压力小于附加压力与上复土饱和自重压力之非自重湿陷 性黄土地基自重湿陷性黄土地基消除全部湿陷量消除部分湿陷量C三 0.5mC 三 0.25BC三 0.75mC三 1.0mC三 0.5B表4-2 处理在每边超出基础边缘宽度(C)值简表(弓I自陕西省标准DBJ24-2-85, 1985)注：B-基础宽度；自重湿陷性土层埋藏较深、自重湿陷量较小或非 湿陷性的场地均可按非自重湿陷性黄土地基确定C值；片筏基础或甲、 乙类的需整片处理的地基，其处理范围每边超出基础边缘的宽度不宜小于 1.5m；但是在部分消除自重湿陷性黄土的湿陷量时，则不宜小于湿陷性土 层厚度的1/4。和的所有土层或自基础下到附加压力等于土自重压力25%处的深度内所有土层厚度。 在自重湿陷性土层埋藏较深或自重湿陷量较小 的地区，除甲类和乙类建筑物外，也可按所有桩管 长度确定处理厚度，不必处理基础以下的全部湿陷 性土层。 消除部分湿陷量可按所用的桩管长度(5.58.0m)确定处理厚度，但应按湿陷性黄土地区建筑规范 (TJ25 78)中有关规定计算地基的剩余湿陷量，并且采 取适当的防水措施和结构措施。 提高地基容许承载力处理厚度根据下卧层容许承载力通过验算确定，验算方法与土垫层和灰土桩挤密地基相同。处理面范围应超出基础的底边，超出宽度C可按表4-2确定。(3) 容许承载力 土桩挤密地基的容许承载力与天然地基的容许承载力之间有密切关系，根据同一条件下荷载试验对比 结果的统计分析得知，前者约为后者的1 . 5 1 1 . 71倍，平均为1 . 6倍。一般可按天然地基容许承载力的1.4倍确定，但是不宜超过200kPa。重要的工程或缺少应用经验的地区应尽量通过荷载试验确定容许承 载力，必要时常需进行容许压力下的浸水荷载试验，以判定地基消除湿陷性的效果。当基础埋置深度D1.5m时，土桩挤密地基的容许承载力可按湿陷性黄土地区建筑规范(TJ25-78)中有关规定进行修正, 可取修正系数 mD=1。3、灰土桩挤密地基(1) 容许承载力灰土桩挤密地基的容许承载力可通过现场荷载试验方法确定，也可根据试验结果提出的经验公式通过 计算确定或根据陕西省标准灰土桩和土桩挤密地基设计施工及验收规程(DBJ24-2-85)中列出的灰土 桩地基容许承载力表(见表4-3)确定。按表4-3查得的容许承载力与不同场地上10个荷载试验实测值之 比为0.630.95，平均比值为0.8，可见是偏于安全的。灰土桩挤密湿陷性黄土地基时，其容许承载力 按天然地基容许承载力2倍确定，但是不宜超过250kPa。当基础埋置深度D1.5m时，容许承载力的 修正方法与土桩相同。(2) 桩孔间距根据处理前后地基的容许承载力】R和R1 从表4-3中查出相应的桩距系数a乘以桩径d求得。 若桩间土挤密后的平均压实系数小于0.90，则应适当缩小桩孔间距。表4-3灰土桩挤密的人工填土地基容许承载力Rj(弓I自陕西省标准DBJ24-2-85，1985)R kPa桩距系数3.02.82.62.42.22.01.86014015017080140150160180200100140150160170180200220120160170180190200220250采用灰土桩挤密湿陷性黄土时，桩孔间距应按挤密后桩间土平均压实系数不小于0.93 确定，方法与 土桩相同。(3) 处理范围以提高地基容许承载力为主要处理目的时，处理厚度应使用下述公式进行验算确定：(4-9)(4-10)p +p Wrz cz或=0.p25pz cz式中p -处理层底面处的附加压力（kPa）；zp -处理层底面处土和灰土桩的自重压力（kPa）；czR-处理层底面下修正后的地基容许承载力（kPa）。一般可先按施工用的桩管长度初步确定处理厚度，再按上式进行验算调整。对不均匀沉降较敏感、沉 降要求较严格的建筑物应尽量使灰土桩穿过基础下全部人工填土层或湿陷性土层。处理面范围应超出基础 的底边，超出宽度 C 应符合下列要求： 湿陷性黄土时按表4-2 确定； 人工填土时，条形或矩形基础应使C0.5m,片筏基础应使C75cm。这样确定C值一般可保证地基在荷载作用下浸水时仍具有足够的稳定性，且边界处土中法向应力p VZ4060kPa（湿陷性黄土）或p 8090kPa（人工填土），一般不超过未处理的地基土强度。Z4.2.4 施工工艺1、成孔挤密土或灰土桩的施工，应按设计要求和现场条件选用沉管（振动或锤击） 、冲击或爆扩等方法进行成孔， 使土向孔的周围挤密。（1）沉管法成孔图4-19桩管构造1Q 27 5mm无缝钢管；2Q 300 X 10mm无缝钢管；3Q 10mm厚封头板（设Q 45mm管焊于桩管内穿M40螺栓；5重块；6活动桩尖使用振动或锤击打桩机，将带有特制桩尖的钢制桩管（图4-19）打入土层中至设计深度，然后慢慢拔 出桩管即成桩孔。其孔壁光滑规整，挤密效果和施工技术都比较容易控制和掌握，因此，沉管是最常用的 成孔方法。但是，沉管法成孔的最大深度受到桩架高度的限制，一般不超过78m。选用的打桩机技术性 能应与桩管直径、长度、重量以及地基土特性等相适应。锤重不宜小于桩管重量的2倍。（2）冲击法成孔冲击法成孔是使用定型或简易冲击机，将锤头提升一定高度后自由落下，反复冲击使土层成孔。成孔 深度不受机架高度的限制，可达20m以上，孔径500600mm。本法特别适用于处理自重湿陷性厚度较大 的土层。（3）爆扩法成孔爆扩法成孔不需打桩机械，工艺简便，适用于缺少施工机械的新建工程场地。 药眼法将直径1530mm钢钎打入土中，拔出钢钎后在土中就形成小孔眼（药眼），往药眼内直接装填炸药和 12 个电雷管，引爆后即成桩孔。孔法适用于含水量超过22%的土层。 药管法用洛阳铲或扁头钢铲在土中挖成直径6080mm和深度与桩孔设计值相同的孔洞，然后往孔洞内放入 直径1530mm的炸药管和12个电雷管，引爆后即成桩孔。此法适用于含水量较大的土层。2、桩孔回填夯实图4-2 0桩孔填料夯1机架；2 铸钢夯锤，重450kg； 31.0t卷扬机；4 桩孔回填夯实施工前，应进行回填试验，以确定每次合理的填料数量和夯击数。根据回填夯实质量标准确定检测方法应达到的指标，如轻便触探的“检定锤击数”。桩孔填料夯实机目前有两种：一种是偏心轮夹 杆式夯实机，夯锤重100150kg，夯锤钢管一般长68m,管径6080mm，钢管与夯锤焊成整体，钢管 夹在一双同步反向偏心轮中间，由偏心轮转动时半轮瓦片夹带上升和半轮转空自由落锤的作用，往返循环， 夯实填料。此机可用拖拉机或翻斗车改装，因此移动轻便，夯击速度快，可上、下自动夯实，但必须严格 控制每次填料量，较难保证夯实质量。另一种是采用电动卷扬机提升式夯实机。锤重可达4 5 0kg,落距为 13m。夯击能量大，一次可填入较多的土料，夯实效果较好，但需人工操作。回填桩孔用的夯锤，宜采 用倒置抛物线型锥体或类锥形，锤重不宜小于100kg。夯锤最大直径应比桩孔直径小100160mm,使夯 锤自由落下时将填料夯实。填料时每一锨料夯击一次或二次，夯击2530次/min，长为6m的桩孔在 1520min 内夯击完成。3、施工要求(1) 施工前应在现场进行成孔、夯填工艺和挤密效果试验，以确定分层填料厚度、夯击次数和夯实后干密 度等要求。(2) 成孔施工时，地基土宜接近最优含水量，当含水量低于12%时，宜用水增湿至最优含水量。(3) 桩孔中心点的偏差不应超过桩距设计值的5%，且不大于50mm。(4) 对沉管法其桩孔直径误差为土5 0mm和深度误差为-100mm；对冲击法或爆扩法，桩孔直径的误差不得 超过设计值的+100或-50mm，桩孔深度不应小于设计深度的300mm。(5) 向孔内填料前，孔底必须夯实，夯击次数一般不少于8 次，然后用素土或灰土在最优含水量状态下分 层回填夯实，每次回填厚度为300400mm。其压实系数应符合：用素土时不应小于0.95 ；用灰土时不应 小于0.97。回填土料的质量应符合：素土，土料中有机质含量不得超过5%，也不得含有冻土和膨胀土； 当含有碎石时，其粒径不得大于5 0mm。灰土，土料宜用粘性土及塑性指数等于4的粉土，不得含有松 软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。灰土宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。(6) 成孔和回填夯实的施工顺序，应先外排后里排，同排内应间隔12 孔进行，以免因振动挤压造成相邻 孔缩孔或坍孔。对大型工程可采取分段施工。4、质量检验施工结束后，对土或灰土挤密桩加固处理地基的质量，应及时进行抽样检验。对一般工程，主要检查 桩和桩间土的干密度、承载力和施工记录；对重要或大型工程，除应检测上述内容外，尚应进行载荷试验 或其他原位测试。也可在地基处理的全部深度内取土样测定桩间土的压缩性和湿陷性。土或灰土挤密桩复 合地基进行载荷试验时，试验桩的数量不应少于3 根，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其平均 值作为土或灰土挤密桩复合地基承载力标准值。抽样检验的数量不应少于桩孔总数的 2%，不合格处应采 取加桩或其它补救措施。挤密桩的允许偏差的检验方法，应符合表4-4 的规定。表 4-4挤密桩的允许偏差和检验方法项次项目允许偏差/(mm)检验方法1成孔中心位移50用经纬仪或拉线和尺量检查2成孔垂匡直度1.5H/100用测斜仪或吊线和尺量检查3桩径沉管法-20尺量检查爆扩法+ 50冲击法+ 100-504深度沉管法W100爆扩法W300冲击法W300注：H为挤密桩长度。4.2.5 工程实例(弓自甘肃省建研所，1982)土层深度(m)含水量 (%)干容重 (kN/m2)压实系数 (Dy)1. 08. 715. 2y0. 911. 510. 815. 50. 932. 514. 216. 20. 97平均11. 215. 60. 94表 4-5桩间土挤密效果检验天然注：最大土干容重Y ,=16.7kN/m3；dmax土的含水量偏低，不利于成孔和挤密。【例 4.3】甘肃省建工局木材厂单身宿舍工程土桩挤密 地基1. 工程概况木材厂单身宿舍兼办公楼的 5 层砖混结构，长42.9m,宽12.3m,建筑面积2750m2。地基采用土桩 挤密法处理。2. 地基条件建筑场地内湿陷性黄土层厚度达78m,分级湿陷量干容重Y =12.613.2kN/m2,属高中压缩性。场地内人类活 d30cm，属II级自重湿陷性。土的含水量w=8.714.2%,取样深度干容重压实系数(m)(kN/m2)(Dy)1. 5014. 80.891. 7515. 40. 922. 0015. 10. 902. 2515. 80. 952. 5014. 20. 85平均15. 10. 90表 4-6 桩孔填料夯实质量检验表 (引自甘肃省建研所，1982)动区的面积约占处理总面积的 60%,土层内有防空洞、淤土坑、 洞穴和杂填土坑等,土质均匀性很差。3. 土桩设计为满足消除地基湿陷性要求，设计的桩孔直径d=40cm,桩 心间距l=2.22, d=88.80cm,成孔挤密后桩间土干容重提高为 15.516.1kN/m2，相应达到的压实系数为0.9250.943。桩 孔内填料为接近最优含水量(1517%)的黄土类土,夯实后的压实 系数要求不小于 0.93。填料夯实按每两铲击5 次进行。处理面范围每边超出基础边缘2m,处理面积为7 90m2，桩孔 总数为 1155 个。整片布置桩孔,每平方米处理面积内分布桩孔1.46个。从基础底面算起处理厚度为4.2m,桩孔深度6m,可消除地基土湿陷量80%(剩余湿陷量仅6cm)。4. 土桩施工采用沉管法成孔,使用柴油打桩机下沉桩管。桩孔填料夯实使用偏心轮夹杆式夯实机,人工定量填料。 整个工期78 天,实际工作日41 天,平均每日完成28 个桩孔。由于初次施工,机械故障较多,故工效偏 低。5. 效果简述在施工过程中和施工结束后,分别在11个点上分层检验了桩间挤密土的干容重和压实系数,见表4-5, 表明桩间土的挤密效果达到了设计要求。桩孔填料夯实质量检验也是11 个点,平均干容重和压实系数列 入表 4-6 中,表明普遍未达到设计要求。填料夯实质量差,不均匀,个别地方甚至存在填料疏松未夯现象。 产生这种情况的主要原因是：(1) 施工管理不善,分次填料过多过快；(2) 填料含水量(11.4%) 低于最优 含水量( 1 5 1 7 % ) 。经过综合考虑,认为消除地基土湿陷量8 0 %的设计要求尚可基本满足。由于缺少施工 经验、场地条件复杂和施工机械故障较多等原因,本工程每平米建筑面积实际处理费用为 5.57 元(正常 施工条件为 3.36 元) ,略有节余。若与大开挖分层回填压实同样厚度的换土垫层法相比,工期可缩短一 半左右,土方可减少 80%左右,劳动力可节约 6080%。【例4.2.2】南京某商场综合楼软弱地基加固1. 工程概况该综合楼建筑场地位于长江边，河漫滩地貌，软弱地基，承载力设计值78kPa, 22m内无良好地层， 土层自上而下可分为：1-1层人工杂填土：稍密、软塑松散状态，层厚约1m； 1-2层粘性素填土：中密、 软塑状态，层厚约3m； 2-1层淤泥质粘土：流塑状态，含有机质，层厚14m； 2-2层淤泥质粉质粘土： 流塑状态，含有机质，层厚3.2m； 2-3层淤泥质粉质粘土：稍密、流塑状态，23m未钻穿。无良好桩尖 持力层，桩周容许摩擦力低，土层水平分布土性比较均一，含水量40%以内，无砂层或粉质粘土层，适合 于采用生石灰桩加固法。2. 灰土桩设计设计筏基，带有井式交叉梁，底板厚0.3m,基底压力110kPa。桩长910m,桩径300mm，桩距1.0m， 方格形满堂布桩，根据现场条件，布置23 排护桩。石灰桩采用70%生石灰、 15%火山灰、 15%硫酸渣， 每米用灰量150kg。上段2.5m封顶，用料为70%火山灰、15%生石灰、15%硫酸渣，每米用灰量140kg。 要求生石灰粒径小于25mm，现场停放期不超过2天；火山灰粒径W80目，存放期不得受潮；硫酸渣不得 过湿。采用锤击或振动成孔，管外分段投料，分段压密，每段1m,投料时确保用灰量。正式施工前，先 在场地一侧布置 3 排试验桩，每排五根，经检测后再行施工。3. 效果简述施工结束后 28 天进行加固效果检验，采用土工试验、静力触探等多种测试手段。试验表明：桩间土 含水量降低、重度、压缩模量、粘聚力、比贯入阻力都明显增加，桩身比贯入阻力在6.010.0MPa范围 内。在试桩区进行龄期分别为28天、 3个月、 13个月土的物理力学性质指标的测定。结果表明，不同龄 期土的含水量变化较小；不同龄期加固土的压缩模量在28 天已基本稳定；对 13 个月的石灰桩进行开挖， 开挖深度1.5m，桩体结硬，桩身直立，取样进行单轴抗压试验，极限强度0.48MPa。经测试距桩边0.5m 加固效果较好，而距桩边 1m 就接近天然地基土了。说明石灰桩的影响半径是有限的，一般选用桩距 1.01.2m最为合适，本工程选用1m。经载荷试验表明，地基承载力由原来的7080kPa提高到180kPa， 预估最终沉降量为100mm，施工期实测沉降量为2030mm，达到了设计要求：经济效益明显，二幢综合 楼建筑面积共5400m2，共布置石灰桩1270根，较原设计方案（长桩）节约费用7.7万元。