振冲碎石桩在软土地基处理的应用探讨

　　摘要：在沿海地区，普遍存在大量的软粘土，在建筑物建起之初，必须处理好软基，提高地基承载力及减少基础沉降。本文对振冲法在软土地基的加固处理进行探讨，供同行借鉴参考。
　　关键词：建筑工程;软土地基;振冲碎石桩
　　前言
　　随着我国经济建设的开展，对工程建设的投入不断增大，尤其是经济发展较快的沿海地区，正在兴建大量的基础设施和住宅楼、厂房等。在沿海地区，普遍存在有大量的软粘土，必须先处理好软土地基后方可兴建。因振冲碎石桩具有施工简便、承载力高、使用灵活缩短工期特点，近年来被广泛应用于软土地基的处理。采用振冲法加固软土地基构成桩土共同作用的复合地基，以提高地基承载力和减少基础沉降，是目前处理软土地基的一种方法。
　　一、振冲加固法的适用范围
　　振冲法砂土颗粒级配曲线范围如图1所示，B区的挤密效果最好，A区及C区从技术或经济效果考虑都不适宜。当振冲法用于加固软粘土地基时(振冲置换)，当粘土现场不排水剪切强度<20kPa时就不宜采用振冲法加固。
　　二、设计方法
　　1振冲置换碎石桩设计
　　振冲碎石桩法加固软粘土地基的机理主要是置换部分软土。而这种置换是按工程以及地基土情况的需要，在软土中以碎石、砾石等成桩群。它们与原地基软土共同构成复合地基，以满足工程要求的承载力，并使沉降与不均匀沉降小于工程规定的限值。
　　设计步骤：
　　
　　图1适用于振冲挤密的颗粒级配曲线范围
　　按复合地基的承载力的要求控制设计
　　(1)掌握有关地质勘测资料、环境条件、建筑基础大小、特性和对地基的要求等。
　　(2)有关碎石桩的一般设计原则
　　①布桩范围和布桩形式。振冲法处理土基范围视建筑物的重要性和场地条件确定,一般都大于基底面积。对于多层和高层建筑宜在基础外缘扩大1—2排桩,一般建筑的条形基础或独立基础外缘可扩大1排桩，并视基底面积和桩径大小。可在基底范围内采用单排或网格形或三角形布桩。对于大面积满堂加固处理的地基,在基础范围内可采用网格形或三角形布桩。而对大面积圆形加固面积还可采用放射形布桩方式,并视具体条件在基础范围外布1-4排护桩。对有可能液化的地基，宜在基础外缘扩大2～3排护桩。
　　②振冲碎石桩桩距的选择。根据荷载大小与土层情况，结合采用振冲器的功率大小综合考虑如下：
　　30kW振冲器桩距S=1.3m一2.0m：
　　55kW振冲器桩距S=1.4m一2.5m：
　　75kW振冲器桩距S=I.6m一3.0m。
　　荷载大或为粘性土时，宜取较小的桩距；荷载小或为砂性土时宜取较大的桩距：对桩端未达到相对硬层的短桩宜取小桩距。
　　③关于桩长。当桩相对硬层埋深不大，桩长应按相对硬层埋深确定：当桩相对硬层埋深较大时，按建筑物地基允许沉降值确定，但桩长不宜小于4m；在可液化地基中，桩长应按抗震要求深度确定。
　　④桩径的选定。依据原地基土的承载力标准值和振冲器的功率由经验数据表l选择如表2：
　　表1振冲桩桩径的经验数据
　　原状土 40—80 90—140 150—200
　　75KW振冲器 1．1—1．0 1．0—0．9 0．9—0．8
　　30KW振冲器 1．0—0．9 0．9—0．8 0．8—0．7
　　注：表中桩径单位为m。
　　表2桩身强度的经验数据
　　30KW振冲器 75KW振冲器
　　软粘土 一般粘土 粉质粘土 软粘土 一般粘土 粉质粘土
　　300—400 400—500 500-700 400—500 500—600 600—900
　　注：表中单位为KPa
　　⑤桩体回填料。可采用含泥量不大的碎石、卵石、矿渣或其它性能稳定的硬质材料，禁止使用风化易碎的石料。常用填料粒径为：30kW振冲器2cm---8cm；55kW振冲器3cm一10cm；75kW振冲器4cm一15cm。在软土中施工宜采用较大粒径的碎石或卵石填料。
　　(3)按设计要求的复合地基承载力标准值计算相应的置换率基于岩土工程勘测资料及碎石桩强度经验数据表2，选取合宜的桩间土及碎石桩的fpk，再结合复合地基要求达到的承载力标准值，计算应满足的碎石置换率m，即
　　(1)
　　(4)碎石桩相应的桩距
　　,(2)
　　对于等边三角形布桩
　　(3)
　　对于正方形布桩
　　(4)
　　对于矩形布桩
　　(5)
　　(5)小型工程粘性土地基相应的置换率m
　　(6)
　　桩土应力比n可取2-4，原土强度低取大值。原土强度高取小值。鉴于桩土应力比n是属正常工作状态下桩土沉降协调的参数，非极限状态下的参数，故最好宜用式(1)求碎石的置换率。
　　2振冲密石砂桩设计
　　这里所指的碎石桩是广义的，它包括粗砾砂、卵石、碎石等粗粒填料的桩。
　　目前关于构筑抗地震液化的碎石桩复合地基，尚无恰当的考虑复合地基各抗液化功效的设计方法，一般仍按承载力的要求，或凭经验进行设计，与抗地震液化的目的差距较大．通常都造成很大的浪费。这里首次提出何广讷建立的抗地震液化振冲碎石桩复合地基的设计方法。
　　2．1确定复合地基土的临界密度与临界孔隙比
　　(1)掌握必要的岩土工程勘测资料
　　首先要求岩土工程勘测必须给出原地基砂土的标准贯人击数N，密实度，孔隙比、最大和最小孔隙比，和，
　　（2）拟定设计的置换率及其相应的抗液化临界标准贯人击数及临界孔隙比。
　　碎石桩的置换率m一般为0．08～0．25。根据原场地砂土类的情况选择设计的置换率m和桩土应力比n，求出复合地基液化判别处的标准贯人击数临界值)，即
　　(7)
　　据此再基于原场地土的密实度、标准贯人击数N，与求出的复合地基土临界标贯值，根据可以获得复合地基判别处的液化临界密实度及临界孔隙比。
　　2．2复合地基抗液化碎石桩桩距的确定
　　(1)桩位布置
　　抗地震液化复合地基的碎石桩布置，常采用三角形和正方形对于单独基础和条形基础的地基，一般采用等腰三角形或矩形布桩。当振冲挤密大面积地基。则宜采用等边三角形布桩，通常较正方形布桩可获得更好的挤密效果。
　　(2)桩距的确定
　　冲碎石桩的桩距确定与多种因素有关，砂土的粒径级配、密实的要求、振冲器的功率、施工工艺等都会造成影响。砂土粒径愈细、密实要求愈高，桩距应愈小。目前由于缺乏理论的计算分析，主要由工程经验确定，对于30kW振冲器，其桩距一般为1．5m～2．0m；55kW振冲器相应的桩距为2．0m一2．5m；75kW振冲器的桩距可采用2．5m～3．0m。这些经验的桩距仅是粗略地估计一个范围。对于大型、重要的工程应通过现场试验确定。试验可在工程现场尽量结合工程桩进行。通常拟定3种可能的桩距。优化确定最适宜的桩距、加密电流、填料量、施工工艺等技术参数以及加密的效果。
　　2．3振冲密实的处理范围
　　处理范围应包括平面和深度两方面的处理范围。
　　(1)平面处理范围
　　应根据建筑物的重要性和场地条件确定。通常都大于基底面积。一般建筑的条形基础或独立基础可在基础外缘扩大1排桩；用于多层和高层建筑时，宜在基础外缘扩大l～2排桩．以保证不致使过大的应力扩散到未经处理的地基中，当要求消除地基液化时，则宜在基础外缘扩大2～3排桩。
　　(2)处理深度
　　当相对硬层埋深较浅．则应按相对硬层的埋深确定桩长，当相对硬层埋深较大时．按建筑物地基沉降允许值确定桩长。同时桩长不宜小于4m。对于防止地震液化的复合地基，处理深度应按抗地震液化深度要求确定桩长。一般为地面下15m一20m．按各类建抗震设计规范选定。
　　2．4关于填料
　　(1)填充的选用
　　振挤密实砂性土采用填料的作用．一是填充振冲器上提后，砂层中可能留下的孔洞或陷坑，二是填料传力介质在振冲器的水平振动下．通过连续填料，将砂层进一步振挤密实。对于中、粗砂。由于振冲器上提时孔壁极易坍落，能自行填满下方的孔洞，往往可以不加填料就地振密；但对于粉细砂．由于在振冲加密过程中，粉细砂层所形成的流态区较大，排水固结亦相对较慢，故必须添加填料方能获得较好的振密效果：碎石、卵石类土其摩擦角大，振冲器的振动力不足以使孔壁坍塌或坍塌量不足以弥补加密所需的填料量，一般亦需外加填料。
　　填料可采用粗砂、砾砂、卵石、碎石以及矿碴等，粒径为0．5cm～15cm．理论上填料粒径愈粗，振挤密实的效果愈好。30kW振冲器采用的填料最大粒径不宜大于5cm，因为若多数粒径大于5cm．则容易在孔中发生卡料现象，影响施工进度。55kW振冲器的填料粒径宜为2Cm～8cm，最大不超过10cm：75kW大功率振冲器的填料粒径为4tin一10cm．最大宜不超过15cm。
　　填料的级配一般没有严格的要求。对于碎石、卵石可选用自然级配料，但不宜采用单级配料，含泥量不宜超过l0％。
　　(2)填料量的估算
　　填料量的估算主要是对砂砾料而言。设每根桩振挤密实作用的范围A如图2中的阴影部分。该范围的原始孑L隙比为、振密后土的孔隙比为,则范围内每延米厚减少的孔隙体积为：
　　(8)
　　由于该减小的孔隙体积即为每延米填料桩所占据的桩体体积,亦即
　　
　　
　　图2砂桩影响范围
　　若桩体填料孔隙比为,则每延米桩的填料量的实体体积为：
　　(10)
　　当测得填料原始孔隙比，亦即填料虚方的孔隙比，则每延米所填填料的虚方为：
　　(11)
　　最后可导出虚方为：
　　(12)
　　式(12)主要针对砂砾料而言，其虚方(堆料)及桩体孔隙比和，尚能设法侧定，再结合地基加固前后的孔隙比、即可由式(12)计算每延米桩所需填料虚方的理论值。但对于碎石等填料，其虚方孔隙比和桩体孔隙比皆难以获得，不便由式(12)估算。此时，可由式(8)，式(9)求出每延米桩所需填料实方量，再按具体情况乘以经验扩大系数。桩体密实。振冲制桩颗粒冲失大者取大值。反之取小值。
　　(13)
　　三、施工工艺
　　1施工顺序
　　振冲桩一般采用“由里向外”顺序施工，如图3a)所示。或“由一边向另一边”的顺序施工，如图3b)。这种顺序易挤走部分软土，便于制桩。若“由外向里”制桩，则中心区制桩即很困难。于强度较低的软土地基中施工时，为减少制桩过程对桩间土的扰动，宜采用间隔振冲的方式施工，如图3c)。
　　当振冲加固区毗邻其它建筑物时．为减少对建筑物的振动影响，可按图3d)，先从邻近建筑物的一边逐步向外推移施工。必要时可采用功率小的振冲器如ZCQ一30振冲器振冲靠近建筑物的边桩。
　　
　　ab
　　
　　cd
　　图3施工顺序示意图
　　2填料方式
　　振冲成孔后即向桩孔内填料制桩。一般有两种填料的方式。一是将振冲器提出孔口，向孔内倒人0．15m3—0．5m3的填料，再下振冲器至填料中振冲密实，待达到设计要求后，又提出振冲器，下料振密，如此反复直至制桩完毕，二是振冲器不提出孔，仅上提30cm一50cm，离开原已振密过的桩段，即向孔内连续不断地回填石料，直至该段桩体振冲密实达设计要求后。再上提30cm～50cm，连续填料振冲密实，重复上述步骤，自下而上逐段制桩直至孔口。前者为间断填料法，操作较为繁琐。适合小型工程中的人工推车填料。后者为连续填料法，操作方便，适合机械化作业。但主要视地基的性质，填料难易程度而定。对于软粘土地基，往往由于孔道被塌下的软土堵塞，清孔除泥很不方便，影响施工进度和桩体质量，而极松散的粉砂土等地基难以填料，在这些情况下宜采用前者的间断填料法。至于在很软的土层中制桩，有时还需采用“先护壁、后制桩”的施工方法。即成孔时不要一次达到设计深度．而是达到软土层上部lm一2m范围内．将振冲器出孔口，填一批料，下振冲器将这批填料振冲挤人孔壁，加固此段孔壁，防止塌孔，然后再将振冲器降至下一段软土中填料护壁，如此反复进行直至设计深度。孔壁护好后即可按常规方法制桩。
　　四、质量控制
　　振冲碎石桩施工的质量控制可分为两方面，一是数量方面，如桩数、桩长、桩位偏移等的控制；二是桩体质量方面，如施工中的用水、电、料等的控制。
　　1数量方面
　　桩数、桩长及桩偏位
　　①桩数施工技术人员在打桩前的准备工作中，应根据建设方提供的轴线．认真按设计图纸放线布桩，并在每一桩位上插好桩钎。制桩作业时详细记录桩号、打桩数及施工情况。班后进行复核统计。同时在图纸上按号标记已打的桩数，发现漏桩应及时补打。
　　②桩长振冲器贯人地下的深度可由导杆上的刻度标出，当造孔达设计深度时，孔口指挥即予以记录。由孔底逐段制桩达孔口成桩，故造孔深度即为桩长。
　　③桩位偏移控制施工中孔口指挥与吊车司机应精心操作，布桩时严格对准桩钎，偏差不应大于3cm。造孔时根据土层情况．预先考虑可能偏移的方向和大小，正确确定桩心，使桩位偏移小于规范规定的(d为碎石桩的平均桩径)。
　　2桩体质量的控制
　　桩体质量的好坏与施工的水、电、料三者密切相关。(1)水：关于制桩施工用水，一是水量，二是水压。水量需充足，使桩孔内充满水，以防塌孔影响施工和成桩质量。但水量亦不可过多，否则易将填料随水回流带出。至于水压需视土质、强度而定。对于软土，通常采用较小的水压；强度较高的土，则宜用较大的水压。另外，造孔过程中的水量和水压均应尽可能大些。当造孔接近加固深度时需降低水压，以免冲击破坏桩底以下的土层。在填料振密过程中均宜采用较小的水压和水量。
　　(2)电：电是指加密电流与留振时间，它们是控制碎石桩体密实度的主要因素。在同样规定的加密电流大小和留振时间，对于软弱土层则导致多填料，强度高的土层则使填料相应地减少。在不均质土层的地基中，碎石桩竖直剖面上的直径不等，随土层的软硬程度而异，故加固结果将使非均质土地基，不论在水平方向和竖直方向的强度等工程特性趋向均匀。这种自身的调节优于其它软基加固方法。应注意切切不能将振冲器刚接触填料的瞬间电流作为加密电流。瞬时电流有时可远高于规定的加密电流值，但只要振冲器停止下降，电流值即刻减小。瞬时电流实质上并不反映填料的密实度，只有当振冲器于固定深度处振动一定时间，即规定的留振时间．而电流稳定于某一数值，该稳定电流值方为填料此时密实度的加密电流。当这一稳定电流值超过规定的加密电流时。该段桩体方为加密完毕。
　　(3)填料量：填料量达到一定的数量方能保证设计所需的置换率，满足设计的要求。为了能顺利地填入振密，填料不宜过猛。每批不宜加填太多。应采取“少吃多餐”的原则。填料量往往于桩孔底部加密时会超出正常的估计量，其原因是填料的初期有相当部分填料在下落过程中粘留于沿程孔壁。
　　（4）加密段长度：加密段长度不宜过长，通常每一加密段取为30cm---50cm。过长的加密段，填料过多，难以保证各处都能达到振冲密实的效果。易产生漏振部分，达不到要求的密实度。
　　五、结束语
　　综上所述，碎石桩桩体质量施工的好坏，主要与加密电流、留振时间与填料量等直接有关，制桩时应全面贯彻控制质量的各项要求。一般来说，在粉性较重的地基中制桩，加密电流易达到规定值，此时即应注意留振时间和填料量亦需满足应有的要求。反之，在软土地基中制桩，填料量与留振时间易达规定值。这时就需注意加密电流是否达到规定值。

《振冲碎石桩在软土地基处理的应用探讨》

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