深层密实法：振密与挤密，有效处理地基

4 深层密实法

4.1 概 述

深层密实法(deep compaction)是指采用爆破、夯击、挤压和振动等方法,对松散地基土进行振密和挤密。它和浅层地基加固相比,不仅所用的施工机具不同,而且可以使地基土在较大深度范围内得以密实。深层密实法也是当代地基处理工程的重大发展之一。

爆破法(blasting)是将炸药放在地面深处,引爆后在地基土内产生了高速压力波,爆炸源附近的区域内,冲击波使土的疏松结构液化,形成密实结构,以达到地基土加固的目的。如果在水下土面以上较低高度处设置炸药引爆,则对水下土层亦可起到加固作用,它适用于砂土类土,因国内很少使用,在此不详述。

强夯法(heavy tamping)是一种将几十吨的重锤从几十米高处自由落下,对土进行强力夯击的方法。它是在重锤夯实法的基础上发展起来的,而其加固机理又与重锤夯实法不同,是一种深层地基处理方法。

挤密法(densification)是以振动、冲击或带套管等方法成孔,然后向孔中填入砂、石、土(或二灰、灰土)、石灰或其他材料,再加以振实而形成较大直径桩体的方法。按填入材料的不同,可将挤密桩分为砂桩、碎石桩、土(或二灰、灰土)桩和石灰桩。挤密桩主要靠桩管打入地基时对地基土的横向挤密作用,在一定的挤密功能作用下土粒彼此移动,小颗粒填入大颗粒空隙中,颗粒间彼此靠近,空隙减小,此时土的骨架作用随之增强,从而使土的抗剪强度提高,压缩性减小。挤密桩属于柔性桩的范畴。

水泥粉煤灰碎石桩(cement fly-ash gravel pile)简称CFG桩,是在碎石桩的基础上掺入适量石屑、粉煤灰和少量水泥,加水拌和后制成的一种具有一定胶结强度的桩体。CFG桩是近几年发展起来的一种新的地基处理方法。与传统的碎石桩法相比,CFG桩是一种低强度的混凝土桩,因而可以较大幅度地提高地基承载力(承载力提高约1倍)。

挤密法中的“砂桩”与堆载预压法中的“砂井”在作用上有所区别。“砂桩”的作用主要是挤密地基,因此桩径较大,桩间距较小;“砂井”的作用主要是排水固结,所以井径较小,井距较大。

采用以上这些方法处理地基时,其挤密地基土的作用比较迅速,一旦地基处理施工完毕,其地表面的沉降基本上也已经完成。

深层地基土的加固效果主要取决于以下几个因素:

(1)土的类别,特别是土的级配和细颗粒的含量;

(2)土的饱和度和地下水位;

(3)地基土初始相对密实度;

(4)现场原始应力;

(5)天然土的结构(包括沉积年代和胶结情况等);

(6)所选用的地基处理方法及其设计和施工参数。

下面,分别介绍几种深层密实的方法。

4.2 强夯法

强夯法是法国Menard技术公司在20世纪60年代末、70年代初首创的,一般是通过10～40t的重锤(最重达200t)和10～20m的落距(最高达40m),对地基土施加强大的冲击能,在地基土中形成冲击波和动应力,夯锤对上部土体进行冲切,土体结构受到破坏,形成夯坑,并对周围的土体进行动力挤压,使得地基土压密和振密,以达到提高地基土的强度、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作用。同时,夯击能还可以提高土层的均匀程度,减少将来可能出现的地基差异沉降。

国外将强夯法称为动力固结法,以区别于静力固结法。

1969年,强夯法首次应用是在法国的Riviera滨海工程中用于加固滨海填土。法国工程师MenardL提出采用80kN·m的重锤,落距10m,每击夯击能800kN·m,总能量1200kJ/m2的施工参数将场地夯击一遍后,滨海填土地面下沉了50cm。强夯法后的检测表明,填土的性质得到改善,旁压仪检测证明填土的强度提高了2～3倍。在该滨海填土上建筑的8层住宅楼竣工后,建筑物的平均沉降只有13mm,且差异沉降可以忽略不计。

强夯法于1971年以后在法国、英国、德国、瑞典等国家得到了推广使用。我国于20世纪70年代末,首次由交通部一航局科研所及其合作单位,在天津新港三号公路进行了强夯法加固地基的试验。在此基础上,于1979年8月又在秦皇岛码头堆煤场细砂地基上进行了试验并正式使用,加固效果显著。随后,强夯法在各地进行了多次工程实践和应用,并在全国各地迅速推广。到目前为止,国内数十个省市的数百项工程已经采用了强夯法,取得了显著的社会效益和经济效益,并有大量相关的论文发表。

强夯法适用于碎石土、砂土、杂填土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土和人工填土等地基的加固处理。对饱和度较高的淤泥和淤泥质土,使用时应慎重。

近年来,对高饱和度的粉土与黏性土地基,发展了强夯置换法,即利用强大的夯击能将碎石、块石或其他粗颗粒材料,强行夯入并排开软土,在地基中形成碎石墩,并与墩间软土形成碎石墩复合地基,以提高地基的承载力,减小地基的沉降。该方法即称为强夯置换(或强夯挤淤、动力置换)。例如,深圳国际机场即采用强夯块石墩法加固跑道范围内的地基土,并获得成功。这种强夯块石墩法是中国根据自己的国情提出来的一种加固方法。

强夯法经过几十年的发展,已经广泛地应用于一般的工业与民用建筑、仓库、油罐、公路、铁路、机场跑道以及码头等工程的地基处理中。

工程实践表明,强夯法具有适用性强、施工简单、使用经济、工期短、加固效果好等优点,因而被世界各国工程界所重视,也成为我国地基处理的一项重要技术。

4.2.1 强夯法的加固机理

强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法,国内外学者也从不同的角度进行了大量的研究,但到目前为止,还没有形成一套成熟和完善的理论及设计计算方法。对强夯法加固机理的认识,应该区分为宏观机理和微观机理。宏观机理从加固区土体所受到的冲击力、应力波的传播、土体强度对土的密实影响方面加以解释;微观机理则是对在冲击力作用下,土的微观结构变化,如土颗粒的重新排列、连接作出解释。另外,还要区别饱和土和非饱和土。饱和土的固结过程是土中孔隙水的排出过程,而非饱和土则复杂得多。近代土力学对非饱和土进行了一系列的研究,也取得了不少研究成果。由于黏性土和无黏性土存在力学性质的差异,因此也应该区别对待。对一些特殊土,例如湿陷性黄土、淤泥等,其加固机理也有不同之处。

目前,强夯法加固地基有3种不同的加固机理,即:动力密实(dynamic compaction)、动力固结(dynamic consolidation)和动力置换(dynamic replacement),各种加固机理的特性取决于地基土的类别和强夯施工工艺。

1.动力密实

强夯法加固多孔隙、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,使土体中的孔隙体积减小,土体变得密实,从而提高地基土强度。非饱和土的夯实过程,就是土中的气体被挤出的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起的。实际工程表明,在冲击能作用下,地面会立即产生沉陷,一般夯击一遍后,其夯坑深度可达0.6～1.0m,夯坑底部形成一超压密硬壳层,承载力比夯前提高2～3倍。

2.动力固结

强夯法处理细颗粒饱和土时,则是动力固结机理,即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波,破坏了土体原有的结构,使土体的局部发生液化,并产生了许多裂隙,增加了排水通道,使孔隙水顺利排出,待超孔隙水压力消散后,土体固结。再加上软土具有触变性,土的强度得以提高。Menard教授根据强夯法的实践,首次对传统的固结理论提出了不同的看法,阐述了“饱和土是可以压缩的”新的机理,即饱和土的加固机理。

(1)饱和土的压缩性。在大量的工程实践中,不论土的性质如何,在强夯加固夯击时,可以立即使地基土产生很大的沉降。对渗透性很小的饱和细粒土而言,土中孔隙水的排出被认为是产生沉降的必要和充分条件,这是传统的固结理论的基本假定。可是,饱和细粒土的渗透性很小,在瞬时夯击荷载的作用下,孔隙水不可能迅速排出,因此就难以解释饱和细粒土在夯击时产生很大沉降的机理。

Menard教授认为,由于土中存在有机物,有机物的分解会产生微气泡。第四纪土中大多数都含有以微气泡形式存在的气体,含气量约在1%～4%范围内。在进行强夯加固饱和细粒土时,土中的气体体积压缩,孔隙水压力增大,随后气体有所膨胀,孔隙水排出的同时,孔隙水压力在逐渐减小。这样如此反复,每夯击一遍,液相体积和气相体积都有所减少。根据试验结果可知,每夯击一遍,气体的体积可减少40%。

(2)产生液化。在重复夯击作用下,施加在土体上的夯击能量使气体逐渐受到压缩。因此,土体的夯沉量与夯击能量成正比。当土中的气体按体积百分比接近于0时,土体即变成不可压缩的了。相应于孔隙水压力上升到覆盖压力相等的能量级时,土体即产生液化,如图4-1所示。

图4-1　强夯法夯击一遍的情况

液化度为孔隙水压力与液化压力之比,而液化压力即为覆盖压力。当液化度为100%时,即为土体产生液化的临界状态,对应的能量称为“饱和能”。此时,土中的部分弱结合水变成了自由水,土的强度下降到最小值。强夯的夯击能一旦达到“饱和能”,如果继续施加夯击能量,除了对土体起重塑的破坏作用外,并没有其他作用,纯属浪费能量。

应当指出,强夯夯击能引起的天然土层的液化常常是逐渐发生的。地球上的绝大多数沉积物是层状的和结构性的。在动荷载作用下,一般是粉质土层和砂质土层比黏性土层先产生液化现象。另外,强夯时土层所产生的液化不同于地震时的液化,只能引起土体的局部液化。

(3)渗透性变化。强夯施工中,在很大的夯击能量作用下,地基土体中出现了冲击波和动应力。当土体中出现的超孔隙水压力大于土颗粒间的侧向压力时,致使土颗粒间出现裂隙,形成排水通道。此时,土的渗透系数骤增,使土中孔隙水顺利排出。在有规则的、网格状布置夯点的施工现场,由于夯击能量的积聚,在夯坑四周会形成有规则的垂直裂缝,并出现涌水现象。所以,应规化好强夯的施工顺序,如果不规则地乱夯,只会破坏这些天然排水通道的连续性。因此,在现场勘察得到的夯击前土工试验所量测的渗透系数,并不能说明夯击后孔隙水压力迅速消散这一特性,土层的渗透系数会有所改变。

当土中的孔隙水压力消散到小于土颗粒间的侧向压力时,原来产生的裂隙即自行闭合,土中水的运动重新恢复常态。

(4)触变恢复。在重复夯击作用下,土体的强度逐渐减低。当土体出现液化或接近液化时,土的强度达到最小值。此时土体产生裂隙,而土体中的吸附水部分变成了自由水。随着土体中孔隙水压力的消散,土体的抗剪强度和变形模量都有了大幅度的增长。土颗粒间紧密接触和新吸附水层逐渐固定是土体强度增大的原因,而吸附水逐渐固定的过程可能会延续几个月。在触变恢复期间,土体的变形是很小的,有资料介绍在0.1%以下。如果用传统的固结理论就无法解释这一现象,这时自由水重新被土颗粒所吸附而变成了吸附水,这也是具有触变性土的特性。

图4-2为强夯夯击3遍的情况。从图中可知,每夯击一遍时,土体的体积有所减小,而地基的承载力有所提高。

由于饱和黏性土的触变性,当强夯以后,土的结构被破坏,强度几乎降低为零,如图4-3所示。随着时间的延长,土体的强度又逐步增加。这种触变强度的恢复也称为时效(time effect)。

众所周知,灵敏度较高的黏土中存在触变现象。实际上,这一现象对所有的细颗粒土都是明显的,只是触变恢复的程度不同而已。值得注意的是,经强夯加固后的土在触变恢复过程中,对振动十分敏感,应该尽量避免其在强度恢复过程中受到动荷载的影响。所以,在进行勘探和测试工作时应十分注意这个问题。

3.动力置换

图4-2　强夯法夯击3遍的情况

图4-3　强夯后地基土抗剪强度的增长与时间的关系

动力置换可分为整式置换和桩式置换(图4-4)。整式置换是采用强夯的能量将碎石、矿渣等物理力学性能较好的粗颗粒材料强制整体挤入淤泥中,主要通过置换作用来达到加固地基的作用,其作用机理类似于换填垫层。桩式置换是通过强夯将碎石填筑于土体中,部分碎石桩(墩)间隔地夯入软土中,形成桩(墩)式的碎石桩(墩)。在置换过程中,土体的结构被破坏,地基土中产生超孔隙水压力。随着时间的延续,土体的强度得到恢复,同时由于碎石桩(墩)具有较好的透水性,可以使超孔隙水压力迅速消散。其作用机理类似于振冲法等形成的碎石桩,它主要是靠碎石的内摩擦角和墩间土的侧限来维持桩体的平衡,并与墩间土起复合地基作用。

非饱和土的强夯加固机理比较复杂,可以参考相关的文献资料,这里不再叙述。

图4-4　动力置换类型
(a)整式置换;(b)桩式置换

4.2.2 强夯法的设计计算

1.有效加固深度

有效加固深度既是选择地基处理方法的重要依据,又是反映地基处理效果的重要参数。有效加固深度一般可以理解为:经强夯加固后,该土层强度提高,压缩模量增大,加固效果显著,土层强度和变形等指标能满足设计要求的土层范围。

Menard曾提出用下面公式估算有效加固深度

式中:H为有效加固深度,m;M为夯锤重,t;h为落距,m。

由(4-1)式估算的有效加固深度比实测的有效加固深度偏大。

近年来,国内外学者相继建议对上述公式进行修正,即

式中:α为修正系数,应根据加固土的性质而定,对一般黏性土用0.5,对黄土可取0.35～0.5;对同一种土采用不同的能量夯击时,其修正系数并不相同。

实际上,影响强夯有效加固深度的因素很多,除了锤重和落距外,还有地基土性质、不同土层的厚度和土层埋藏顺序、地下水位及其他强夯设计参数等与有效加固深度有着密切的关系。因此,强夯法的有效加固深度应根据现场试夯或当地经验确定。在缺少试验资料或经验时,《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)建议了取值范围,见表4-1。

表4-1　强夯法的有效加固深度　(单位:m)

注:强夯法的有效加固深度应从最初起夯面算起。

2.单击夯击能

在设计中,先根据需要加固的深度初步确定要采用的夯击能,之后再根据施工机具确定起重设备、夯锤大小和自动脱钩装置。

夯锤重量M与落距h的乘积称为单击夯击能。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。一般情况下,粗粒土可取1000～3000kN·m/m2,细粒土可取1500～4000kN·m/m2。夯击时最好加大锤重和落距,则单击夯击能量大,夯击击数少,夯击遍数也相应减少。

(1)起重设备。起重设备可以用履带式起重机、轮胎式起重机,也有轮胎式强夯机。当夯锤重量大于起重机的起吊能力时,需要利用滑轮组,并借助自动脱钩装置来起落夯锤。

(2)夯锤。国内的夯锤重量一般为10～25t,最大夯锤重量已达到40t。锤底面为圆形和方形,以圆形为好,并对称设置若干个贯通顶底面的排气孔,孔径可取250～300mm,这样可以降低起锤时的能量损失,减小起吊吸力等。锤底面积宜按土的性质确定。国内外资料报道,对砂性土一般锤底面积3～4m2,对黏性土不宜小于6m2。同时应该控制夯锤的高宽比,以防止夯锤产生倾斜。对细粒土在强夯时可能会产生较深的夯坑,应事先加大锤底面积。锤底静压力可取25～40kPa,对细粒土宜取较小值。

国内外夯锤多采用钢板外壳,内灌注混凝土,也可以根据实际情况选用铸钢夯锤。确定夯锤规格后,根据要求的单击夯击能量,就可以确定夯锤的落距。国内通常采用8～25m的落距。对相同的夯击能量,应选用大落距的施工方案,这是因为增大落距可以获得较大的触地速度,能将大部分能量有效地传递到地下深处,增加了深层夯实效果,减少了消耗在地表土层塑性变形上的能量。

3.夯击点布置和间距

(1)夯击点布置。夯击点布置是否合理与夯击效果有直接的关系。夯击点位置可以根据建筑物结构类型布置。对基础面积较大的建(构)筑物,可以按等边三角形或正方形布置,以便施工;对办公楼和住宅,可根据承重墙的位置布置,一般按等腰三角形布点;对于工业厂房,可根据柱网来布置夯点。

强夯的处理范围应大于建筑物的基础范围,具体的超出范围,可以根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。对一般建筑物而言,每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3,并且不宜小于3m。

(2)夯点间距。夯点间距一般根据地基土性质和要求处理的深度来确定。第一遍夯点间距要大,一般为5～15m,以使夯击能量传递到土层深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则。下一遍夯点常布置在上一遍夯点的中间。最后一遍以较低的夯击能进行夯击,彼此重叠搭接,以确保接近地表土层的均匀性和较高的密实度,俗称“普夯”(满夯)。如果夯距太大,相邻夯点的加固效应将在浅处叠加而形成硬壳层,这样会影响夯击能量向深部的传递。而夯距太小,又可能使夯点周围的辐射向裂隙(黏性土常见)重新闭合。

4.夯击次数和遍数

(1)夯击次数。每个夯点的夯击次数应按照现场试夯得到的夯击次数和夯沉量的关系曲线确定,而且应同时满足3个条件:①最后两击的平均夯沉量不大于下列数值,即当单击夯击能小于4000kN·m时为50mm,当单击夯击能为4000～6000kN·m时为100mm,当单击夯击能大于6000kN·m时为200mm;②夯坑周围的地面不应发生过大的隆起;③不因夯坑过深而产生起锤困难。

总之,各夯击点的夯击数,应该使土体的竖向压缩最大,侧向位移最小,一般为4～10击。

(2)夯击遍数。夯击遍数应该根据地基土的性质和平均夯击能确定,夯击遍数如图4-5所示。在整个强夯场地中,将同一编号的夯击点夯完后算作一遍。夯击遍数应根据地基土的性质确定。由粗粒土组成的地基,夯击遍数可少些;由细粒土组成的地基,夯击遍数可适当增加。一般情况下可采用1～8遍,最后再以低能量满夯一遍,以便将松动的表层土夯实。满夯的夯实效果好,可减小建(构)筑物的沉降和不均匀沉降。

5.铺设垫层

强夯前,往往在拟加固的场地内满铺一定厚度的砂石垫层,因为施工场地必须具有稍硬的表层,才能支撑起重设备,并使施工时产生的“夯击能”得到扩散;同时也可以加大地下水位与地表面的距离。地下水位较高的饱和黏性土和易于液化流动的饱和砂土,均需铺设砂(砾)或碎石垫层才能进行强夯,否则土体会发生流动;对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石土层,可以直接强夯而不需要铺设垫层。铺设的垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及其形状等条件而定。当场地土质条件好,夯锤质量小或夯锤的形状构造合理,起吊吸力小时,也可以减少垫层的厚度。一般的垫层厚度为0.5～2.0m。铺设的垫层不能含有黏土。

6.间歇时间

需要分两遍或多遍夯击的强夯工程,两遍夯击之间应该有一定的时间间隔。各遍间的间隔时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间。对砂性土来说,孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间,消散时间只有2～4min。所以,对渗透系数较大的砂性土,两遍夯击的间歇时间很短,可以连续夯击。对黏性土,由于孔隙水压力消散较慢,故当夯击能逐渐增加时,孔隙水压力亦相应叠加,其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况,一般为2～4个星期。但如果人为地在黏性土中设置排水通道,如在黏性土地基中埋设了袋装砂井或塑料排水袋,则可以缩短间歇时间。有时,根据施工作业顺序的先后,两遍夯击的间隙也能达到连续夯击的目的。

图4-5　夯点布置图
注:夯坑中数字指夯击遍数

4.2.3 强夯法的施工方法

1.施工机械

西欧国家大多采用大吨位的履带式起重机起吊夯锤,其稳定性好,行走方便;日本则采用轮胎式起重机进行强夯施工,效果令人满意。另外,国外除使用现成的履带起吊机外,还制造了常用的三足架和轮胎式强夯机,可以起吊重达40t的夯锤,落距可达40m。

国外所采用的履带式起重机都是大吨位的,通常在100t以上。由于100t起重机的卷扬机能力只有20t左右,如果夯击工艺采用单缆锤击法,则100t的起重机只能起吊20t重的夯锤。

我国绝大多数强夯工程只具备小吨位起重机的施工条件,只能使用滑轮组起吊夯锤,利用自动脱钩装置(图4-6),使夯锤自由下落,形成自由落体。拉动自动脱钩器的钢丝绳,其一端拴在桩架的架盘上,以钢丝绳的长短控制夯锤的落距。夯锤挂在脱钩器的钩上,当吊钩提升到要求的高度时,张紧的钢丝绳将脱钩器的伸臂拉转一个角度,致使夯锤突然落下。自动脱钩装置应具有足够的强度,而且施工时要求灵活。为了防止起重机落锤时突然释重而有可能引起起重机架倾覆,应采用相应的安全保护措施。

2.施工步骤

强夯法施工可以按下列步骤进行:

(1)清理并平整施工场地。

(2)铺设垫层,在地表形成硬壳层,用来支撑起重设备,确保施工机械的通行和施工。

(3)标出第一遍夯击点的位置,并测量场地高程。

(4)起重机就位,使夯锤对准夯点位置。

(5)测量夯前锤顶的高程。

(6)将夯锤起吊到预定高度,待夯锤脱钩自由下落后放下吊钩,测量锤顶高程;若出现坑底不平而造成夯锤歪斜时,应及时将坑底整平。

(7)重复步骤(6),按设计规定的夯击次数和控制标准,完成一个夯点的夯击。

(8)重复步骤(4)～(7),完成第一遍全部夯点的夯击。

(9)用推土机将夯坑填平,并测量场地高程。

(10)在规定的间歇时间后,重复以上步骤,逐次完成全部夯击遍数,最后用低能量满夯,将场地表层松土夯实,并测量夯后场地的高程。

当地下水位较高、夯坑底积水而影响施工时,宜采用人工降低地下水位的方法或铺设一定厚度的松散材料。夯坑内或场地内的积水应及时排除。

当强夯施工所产生的振动对邻近建筑物或设备产生有害影响时,应采取防振或隔振措施。

图4-6　强夯自动脱钩装置图(单位:mm)
1.吊钩;2.锁卡焊合件;3、6.螺栓;4.开口销;
5.架板;7.垫圈;8.止动板;9.销轴;10.螺母; 11.鼓形轮;12.护板

4.2.4 强夯法的现场测试

现场测试工作是强夯施工中的一个重要的组成部分。因此,在大面积施工之前应选择面积不小于400m2的场地,进行现场试验以取得强夯设计数据。

测试工作一般有以下几个方面的内容。

1.地面及深层变形

地面变形研究的目的有如下3个:

(1)了解地表隆起的影响范围及垫层的密实度变化;

(2)研究夯击能与夯沉量的关系,用以确定单点最佳夯击能;

(3)确定场地平均沉降量和搭夯的沉降量,用来研究强夯的加固效果。

变形研究的手段有:地面沉降观测、深层沉降观测和水平位移观测。

地面变形的测试是对夯击后土体变形的研究。每当夯击一次后,应该及时测量夯坑及其周围的沉降量、隆起量和挤出量。

2.孔隙水压力

一般可在试验现场沿夯击点等距离的不同深度和等深度的不同距离埋设双管封闭式孔隙水压力仪或钢弦式孔隙水压力仪,在夯击作用下,进行孔隙水压力沿深度和水平距离的变化情况测试,从而确定两个夯击点的夯距、夯击的影响范围、间歇时间以及饱和夯击能等参数。

3.侧向挤压力

将带有钢弦式土压力盒的钢板桩埋入土中后(图4-7),在强夯加固时的夯击能量作用下,可测试每夯击一次的压力增量沿深度的分布规律。

4.振动加速度

为了了解强夯施工时的振动对现有建筑物的影响,需要研究地面的振动加速度。为此,强夯时应沿不同距离测试地表面的水平振动加速度,绘制成振动加速度与水平距离的关系曲线(图4-8)。通常将地表最大振动加速度相当于0.98m/s2处(即认为相当于7级地震设计烈度)作为设计时振动影响安全距离。但由于强夯振动的周期比地震小得多,所以,强夯产生的振动影响范围也远比地震的影响小。

作为减少振动影响的措施,在强夯夯区周围设置隔振沟(指一般在建筑物邻近开挖深3m左右的隔振沟)是一种较为有效的方法。表4-2是上海金山石化工地测得的有隔振沟和无隔振沟时地面振动加速度的影响。

图4-7　钢板桩压力盒布置图(单位:mm)

图4-8　振动加速度与水平距离的关系曲线

表4-2　夯击时隔振沟对地面振动加速度的影响

4.2.5 强夯法的质量检验

对强夯加固地基的加固效果进行质量检验,应在施工结束后间隔一定的时间进行。对碎石土和砂土地基,间隔时间为1～2星期;对低饱和度的粉土和黏性土地基可取3～4星期。

质量检验的方法,应该根据地基土的性质选用室内土工试验和原位测试技术。

(1)室内土工试验。主要通过夯击前后土的物理力学性质指标的变化来判断强夯加固地基的效果。测试项目包括:土的抗剪强度指标、压缩模量或压缩系数、孔隙比、重度、含水量等。

(2)十字板剪切试验。

(3)动力触探试验(包括标准贯入试验)。

(4)静力触探试验。

(5)旁压仪试验。

(6)载荷试验。

(7)波速试验。

检测点位置可以分布在夯坑内、夯坑外和夯击区边缘。检测点的数量由场地复杂程度和建筑物的重要性确定。对简单场地上的一般建筑物,每个建筑物地基的检测点不应少于3处;对复杂场地上或重要的建筑物地基,应该增加检测点的数量,检验深度应不小于设计处理的加固深度。

此外,质量检验还包括检查强夯施工过程中的各项测试数据和施工记录。凡不符合设计要求的,应该及时补夯或采取其他有效的补救措施。

对一般工程,应采用两种或两种以上的方法进行质量检验;对重要工程,应增加检验项目,也可以做现场大压板载荷试验。

4.2.6 工程实例(整式强夯挤淤置换)

1.工程概况

深圳国际机场跑道及滑行道长度约3400m。要求机场建成后地基的剩余沉降量不超过50mm。机场跑道均位于5～9m深的含水量高达84%的流塑状海相淤泥层上,该土的特点是含水量大、强度低、灵敏度高(表4-3)。海相淤泥层不同深度的工程性质基本一致,其表层基本无硬壳层,有利于形成整式强夯挤淤置换。

表4-3　深圳机场淤泥的物理力学指标

2.设计与施工

实现该方案的最关键技术,就是要使长达16576m、顶宽不小于13m、高7～11m的堆石拦淤堤整体穿过5～9m深的海相淤泥层到达持力层———粉质黏土层上,起到挖淤后的挡淤作用。在端部进行的抛石压载挤淤施工中,拦淤堤可沉入淤泥中2.5～3.0m,再采用两侧挖淤和卸荷挤淤的方法,又可以使拦淤堤下沉1.0～1.5m。此时,拦淤堤底部距离粉质黏土持力层仍有1.5～3.0m厚的淤泥,采用强夯挤淤方法使堆石沉到持力硬土层上,强夯挤淤施工参数见表4-4。

表4-4　实际采用的强夯挤淤参数(自动脱钩)

图4-9为现场载荷试验p-s曲线。

3.加固效果及经济效益

全部拦淤堤填筑堆石量达到189.9万m3,在不到9个月(1989-05-20—1990-02-16)的时间内全部完成,达到了安全挡淤、形成换填地基和施工基坑的目的。与常规爆破挤淤相比,此次整式强夯挤淤法的置换工期只有爆破挤淤的1/8,而工程造价只有爆破挤淤的1/2(爆破挤淤填料7～8元/m3,强夯挤淤填料为3～3.5元/m3)。经强夯挤淤后,实测堆石体的干密度为20.5～21.5kN/m3。

图4-9　现场载荷试验p-s曲线

4.3 碎石桩和砂桩

碎石桩(stonecolumn)和砂桩(sandpile)合称为碎(砂)石桩,又称粗颗粒土桩(granular pile),是指用振动、冲击或振动水冲等方式在软弱地基中成孔后,再将碎石或砂挤压入土孔中,形成大直径的由碎石或砂所构成的密实桩体。

碎石桩最早出现在1835年,由法国人在Bayonne建造兵工厂时采用,此后被人们所遗忘。直到1937年,德国人发明了振动水冲法(vibroflotation)用来挤密松砂地基,直接形成挤密的砂桩地基,这种方法简称振冲法。20世纪50年代末期,振冲法开始用于加固黏性土地基,并形成碎石桩。从此以后,一般将振冲法在黏性土、粉土、饱和黄土及填土中形成的密实碎石柱称作碎石桩。

随着时间的推移,各种不同的施工工艺相继产生,如沉管法、振动气冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等。它们的施工工艺虽然不同于振冲法,但同样可以形成密实的碎石桩,使得碎石桩和砂桩的应用范围不断扩大。以至于后来,只要地基中最终制成的柱(桩)体是以石料组成的,我们都称之为“碎石桩”。

我国应用振冲法处理地基开始于1977年。江苏省江阴市振冲器厂已经正式投产了系列振冲器,并供应市场。目前,该方法在全国范围内已经全面推广使用,我国的振冲设备也不断得到改进,75kW的大功率振冲器也由电力部北京勘测设计院研制成功,并在四川省铜街子水电站用于穿过8m厚的漂卵石夹砂层,对下面的细砂进行振密,取得了良好的加固效果。河北省建筑科学研究所采用了干振法加固地基,并在石家庄和承德等地区取得了良好的加固效果。

砂桩起源于19世纪30年代的欧洲。但由于长期缺少实用的设计计算方法、先进的施工工艺以及施工设备,致使砂桩的应用和发展受到了很大的影响。同样,砂桩在应用的初期,也主要是用于松散砂土地基的处理。砂桩的施工最初采用的方法有冲孔捣实施工法,之后又采用射水振动施工法。在20世纪50年代后期,日本采用了沉管工艺进行振动式和冲击式的砂桩成桩,并采用了自动记录装置,从而提高了施工质量和施工效率,砂桩处理的深度也有了较大幅度的提高。

20世纪50年代,我国从国外引进了砂桩技术,并在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。而在软土地基中使用砂桩处理技术,既有成功的经验,也有达不到工程预期效果的失败教训。

国内在进行碎石桩及砂桩施工时,最常用的方法主要有振动成桩法(振动法)、锤击成桩法(锤击法)及振动水冲法(振冲法)。其中,采用振动法及锤击法成桩时,均有沉管施工过程。

碎石桩按施工方法的分类如表4-5所示。

表4-5　碎石桩施工方法分类

根据国内外碎石桩和砂桩的工程应用经验,可认为碎石桩和砂桩适用于下列工程:

(1)中小型工业与民用建筑物;

(2)土工构筑物,如土石坝、路基等;

(3)港湾构筑物,如码头、护岸等;

(4)材料堆放场,如原料场、矿石场等;

(5)其他工程,如火车轨道、滑道和船坞等。

采用振冲法施工碎石(砂)桩时,按其加固机理的不同,又可分为振冲置换法和振冲密实法两类。

在处理黏性土地基时,一般将含泥量不大的碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料充填在振冲施工形成的孔道中,经振实形成多根石料桩体,这些桩体与原地基土共同构成复合地基,使地基承载力提高,沉降减少。由于碎石桩在黏性土中主要起置换作用,故称为振冲置换法。该法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的黏性土、粉土、饱和黄土及填土等地基。

在处理砂土、粉土地基时,由于在振冲施工过程中,桩间土在振动及压水作用下土层发生液化,土粒重新排列,孔隙减小,使地基土承载力和抗液化能力提高。由于施工过程中对桩间土起挤密作用,故称为振冲密实法。施工时,除了振冲置换法所采用的填料外,还可采用砾砂、粗砂及中砂等。

中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)中规定:振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质黏土、素填土和杂填土地基。对于处理不排水抗剪强度不小于120kPa的饱和黏性土和饱和黄土地基,应在施工前通过现场试验确定其适用性。不加填料振冲加密适用于处理黏粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基。

4.3.1 加固机理

1.对松散砂性土的加固机理

砂土属于单粒结构。对密实的单粒结构而言,因颗粒排列已经接近最稳定的位置,在动力和静力作用下不会再产生较大的沉降,所以是理想的天然地基。而疏松的单粒结构,颗粒间孔隙大,颗粒位置不稳定,在动力和静力作用下,颗粒很容易产生位移,因而会产生较大的沉降,特别是在振动力作用下,这种现象更为显著,其体积可以减少20%左右。因此,松散砂性土未经处理不能作为地基。

碎石桩和砂桩挤密法加固砂性土地基的主要目的,就是提高地基土承载力,减少变形和增强地基抗液化的性能。

碎石桩和砂桩加固砂土地基抗液化的机理主要有以下3个方面的作用:

(1)挤密作用。挤密砂桩和碎石桩采用沉管法(管端有底盖或放置预制桩头)或干振法施工时,由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力,桩管将地基土中等于桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层中,使桩管周围的砂层孔隙比减少,密实度增大,从而提高了地基的抗剪强度和水平抵抗力;使砂土地基挤密到临界孔隙比以下,可防止砂土在地震时产生液化;由于砂层孔隙比的减小,因而促使其固结变形减少;同时,由于施工时的挤密作用,促使地基土变得比较均匀。

对于振冲挤密法,在施工过程中由于水冲使得疏松砂土处于饱和状态,砂土颗粒在高频强迫振动下产生液化并重新排列致密,且在振冲孔中填入大量粗骨料后,粗骨料被强大的水平振动力挤入周围土中,这种强制挤密作用使砂土的密实度明显提高,孔隙比降低,干重度和内摩擦角增大,砂土的物理力学性能改善,使地基的承载力大幅度提高,一般可以提高2～5倍。由于地基的密实度显著增加,因此其抗液化的性能得到改善。

(2)排水减压作用。对砂土液化机理的研究证明,当饱和疏松砂土受到剪切循环荷载作用时,将发生体积的减小而趋于密实。在砂土无排水条件时,其体积的快速减小将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。当超静孔隙水压力上升到等于总应力时,砂土中的有效应力降低为零,此时,砂土便产生完全液化。

碎石桩加固砂土时,桩孔内充填碎石(卵、砾石)等反滤性能良好的粗颗粒材料,在地基中形成了渗透性能良好的人工竖向排水减压通道,可以有效地消散和防止超孔隙水压力的增高,避免砂土产生液化,并可加快地基的排水固结。

(3)砂基预震效应。1975年美国SeedHB等的试验证实:相对密实度Dr=54%的受过预震影响的砂样,其抗液化能力相当于相对密实度Dr=80%的未受过预震影响的砂样。也就是说,在一定动应力循环次数下,当两个试样的相对密实度相同时,要造成经过预震的试样发生液化,所需施加的应力要比引起未经预震的试样引起液化所需的应力值提高46%。因此得出了砂土液化除了与土的相对密实度有关外,还与砂土的振动应变历史有关的结论。采用振冲法施工时,振冲器以1450次/min的振动频率、98m/s2的水平加速度和90kN的激振力喷水沉入土中。施工过程使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震,这对砂土地基增强抗液化能力是极为有利的。

国外报道中记载,只要土中小于0.074mm的细颗粒含量不超过10%,都可以得到显著的挤密效果。根据已有的工程实践经验,土中细颗粒含量超过20%时,振动挤密法的加固效果不好。

2.对黏性土的加固机理

对黏性土地基(尤指饱和软土)而言,由于土的黏粒含量多,土粒间结合力强,渗透系数小,在振动力或挤压力作用下土中的水不易排出,所以,碎石桩和砂桩的作用不是使地基挤密,而是置换和对地基土起排水固结作用。碎石桩置换是一种换土置换,即以性能良好的碎石来替换不良的地基土;排土法则是一种强制置换,它通过成桩机械将不良的地基土强制排开并置换,其对桩间土的挤密效果并不明显,在地基中形成具有高密实度和大直径的碎石桩或砂桩,碎石桩或砂桩与桩间黏性土构成了复合地基而共同作用,提高了地基的承载力,减小了地基沉降,还提高了土体的抗剪强度,增大了地基的整体稳定性;而且,由于密实的碎石桩和砂桩在地基中形成了排水路径,起着排水砂井的作用,因而加速了黏性土地基的固结速率。

4.3.2 设计计算

4.3.2.1 一般设计原则

1.加固范围

加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件确定,通常都大于基础底面面积。采用振冲置换法,对一般多层建筑和高层建筑地基,宜在基础外缘增加1～2排桩;对可液化地基,应在基础外缘扩大宽度,且不应小于基底下可液化土层厚度的1/2。若用振冲密实法,应在基础外缘放宽不得少于5m。若采用振动成桩法或锤击成桩法进行沉管作业时,应在基础外缘增加不少于1～3排桩;当用于防止砂层液化时,每边放宽不宜小于处理深度的1/2,并不应小于5m;当可液化土层上覆盖有厚度大于3m的非液化土层时,每边放宽不宜小于液化土层厚度的1/2,且不应小于3m。

2.桩位布置

当地基土需要进行大面积满堂处理时,桩位宜采用等边三角形布置;对独立基础或条形基础,桩位宜采用正方形、矩形或等腰三角形布置;对于圆形基础或环形基础(如油罐基础)宜采用放射形布置,见图4-10。

图4-10　桩位布置
(a)正方形;(b)矩形;(c)等腰三角形;(d)放射形

3.桩长

桩长即加固深度,应该根据软弱土层的性质、厚度或工程要求按下面原则确定。

(1)当相对硬层的埋藏深度不大时,应按相对硬层的埋藏深度确定;

(2)当相对硬层埋藏深度较大时,对于按变形控制的工程,加固深度应满足碎石桩或砂桩复合地基变形不超过建筑物地基允许变形值的要求;

(3)对于按稳定性控制的工程,加固深度应大于最危险滑动面的深度;

(4)在可液化的地基中,加固深度应按要求的抗震处理深度确定;

(5)桩长不应小于4m。

4.桩径

桩径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定。当采用30kW的振冲器成桩时,碎石桩的直径一般为0.70～1.0m;采用沉管法成桩时,碎石桩和砂桩的直径一般为0.3～0.8m。对饱和黏性土地基,宜选用较大的直径。

5.桩体材料

桩体材料可以就地取材,一般使用中粗混合砂、碎石、卵石、角砾、圆砾和砂砾石等硬质材料,含泥量不得大于5%。碎石桩桩体材料等的允许最大粒径与振冲器的外径和功率有关,一般不宜大于80mm,常用的粒径为20～50mm。

6.垫层

碎(砂)石桩施工完毕后,基础底面应铺设300～500mm厚度的碎(砂)石垫层。垫层宜分层铺设,并用平板振动器振实。在不能保证施工机械正常行驶和作业的软弱土层上,应该铺设临时性的施工垫层。

4.3.2.2 用于加固砂性土时的设计计算

碎石桩和砂桩用于加固砂性土地基时,其设计思路主要是从挤密的角度来考虑的。首先要根据工程对地基加固的要求(提高地基土承载力、减小变形或者抗地震液化等),确定地基要求达到的密实度和孔隙比,并以此确定桩位布置形式和桩径的大小,计算桩的间距。

1.桩间距

考虑振密和挤密两种作用,设碎石桩和砂桩的布置如图4-11所示。假定碎石桩和砂桩挤密地基后,在土体中起到了100%的挤密效果。

如果令γy为加固后土的重度(kN/m3),则加固前的三角形ABC内土的总重量应等于加固后三角形内阴影部分的总重量,即

图4-11　砂桩间距的确定

式中:dc为挤密桩的直径,m;γ为砂性土的天然重度,kN/m3。

整理后有

根据土的三相比例指标换算关系,也可得

式中:e0、e1分别为地基加固前后的孔隙比。

同理,当挤密桩采用正方形布置时,

或者

地基挤密后达到的孔隙比e1可按工程对地基承载力的要求来确定或按下式求得

式中:emax、emin分别为砂土的最大孔隙比和最小孔隙比,可按照国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)的有关规定确定;Dr为地基挤密后要求砂土达到的相对密实度,可取0.70～0.85。

2.填料量

每根碎石桩或者砂桩每米桩长的填料量q可以由下式得到

式中:A为一根碎石(砂)桩所分担的加固面积,m2。

3.液化判别

根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)规定:应该采用标准贯入试验判别法,在地面以下15m深度范围内的液化土应符合下式要求,当有成熟经验时,尚可采用其他判别方法。

式中:N63.5为饱和土标准贯入锤击数实测值(未经杆长修正),击;Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值,击;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,按照表4-6选用,击;ds为饱和土标准贯入点深度,m;ρc为黏粒含量百分率,当黏粒含量百分率小于3或为砂土时,均应采用3; dw为地下水位深度,m,宜按建筑使用期内年平均最高水位采用,也可按近期内年最高水位采用。

表4-6 贯入锤击数基准值

这种液化的判别法只考虑了桩间土的抗液化能力,而未考虑碎石桩和砂桩的加固作用,所以,其判别结果是偏安全的。

4.设计时需要注意的问题

(1)由于标准贯入试验的试验技术和设备等方面的问题,标准贯入击数一般比较离散。因此,每个场地的钻孔数量应不少于5个,且每层土中应取得15个以上的标准贯入击数,并根据统计方法进行数据的处理,以取得有代表性的数值。

(2)黏土颗粒含量大于20%为砂性土,因为会影响土层的挤密效果,故对包含碎石桩和砂桩在内的平均地基强度,必须另外估算。

(3)由于成桩挤密时产生的超孔隙水压力在黏土夹层中不可能很快消散,因此,当细砂层内存在薄黏土夹层时,在确定标准贯入击数时应该考虑“时间效应”,一般要求一个月以后再进行检测。

(4)碎石桩和砂桩施工时,在表层1～2m内,由于周围土所受到的约束力小,有时不可能做到充分的挤密,故需要用其他的表层压实方法进行再处理。

4.3.2.3 用于加固黏性土时的设计计算

1.计算用的参数

(1)不排水抗剪强度。不排水抗剪强度不仅可以判断加固方法的适用性,还可以初步选择桩的间距,预估加固后的承载力和施工的难易程度。宜用现场十字板剪切试验测定。

(2)桩的直径。桩的直径与土的类型和强度、桩材粒径、施工机具类型、施工质量等因素有关。一般而言,在强度较低的土层中形成的桩直径较大,在强度较高的土层中形成的桩直径较小;振冲器的振动力越大,桩的直径越大;如果施工质量控制不好,还会出现上粗下细的“胡萝卜”形桩体。因此,所谓桩的直径是指按每根桩的用料量来估算的平均理论直径,一般为0.8～1. 2m。

(3)桩体内摩擦角φp。根据统计,对碎石桩可以取φp为35°～45°,多采用38°;对砂桩则比较复杂,没有统一的标准。

(4)面积置换率。面积置换率是桩的截面积Ap与其影响面积A之比,用m来表示,即

面积置换率是表征桩间距的一个指标,面积置换率越大,桩的间距就越小。习惯上把桩的影响面积转化为与桩同轴的等效圆面积,其直径为de。

对不同的布桩方式,等效圆直径de的计算方法如下:

等边三角形布置 de=1.05L

正方形布置　de=1.13L

矩形布置

式中:L为桩的间距,m;L1、L2分别为桩的纵向间距、横向间距,m。

碎石桩的面积置换率为

碎石桩的面积置换率m一般在0.25～0.40之间。

2.承载力计算

(1)单桩承载力。如果作用于桩顶的荷载足够大,碎石(砂)桩桩体就会发生破坏,且可能出现的破坏形式有3种:鼓出破坏、刺入破坏和剪切破坏。因为碎石(砂)桩桩体都是由碎石或砂等散体土颗粒组成,其桩体的承载力主要取决于桩间土的侧向约束能力,且绝大多数的破坏形式属于鼓出破坏。

目前国内外有关碎石(砂)桩的单桩极限承载力的估算方法有多种,如侧向极限应力法、整体剪切破坏法、球穴扩张法等。这里只简单介绍几种计算方法。

①Hughes-Withers方法。Hughes和Withers(1974)建议按下式计算单桩的极限承载力

式中:p'0、u0分别为天然土层的起始有效压力和孔隙水压力,kPa。

他们从原型观测资料中得到信息,认为p'0+u0=2cu,于是

令φp=38°,则上式可简化为

上式就是1976年Thorburn建议的经验公式。求单桩的承载力特征值时,安全系数采用3。

②Wong方法。1975年Wong提出单桩承载力特征值qap与沉降量的大小有关,可分别计算。

当沉降要求较小时,

允许中等沉降时,

允许较大沉降时,

式中:Kp为桩体的侧压力系数;Ks为原地基土的被动土压力系数;γs为原地基土的重度, kN/m3;l为桩长,m。

③Brauns单桩极限承载力法。根据碎石桩的鼓出破坏形式,1987年BraunsJ提出其单桩极限承载力为

式中的δ可按下式用试算法求得

例如对碎石桩求解时,可假定碎石桩的内摩擦角φp=38°,从而得;之后用试算法解式(b)得δ=61°。再将φp=38°和δ=61°代入式(a)得

④综合单桩极限承载力法。目前最常用的计算方法是侧向极限应力法,即假设单根碎石(砂)桩的破坏是空间轴对称问题,桩周土体是被动破坏。因此,可以按照下式计算碎石(砂)桩的单桩极限承载力

式中:Kp为被动土压力系数,为碎(砂)石料的内摩擦角,可取35°～ 45°;σrl为桩体侧向极限应力,kPa。

有关侧向极限应力σrl,目前有几种不同的计算方法,但它们可写成一个通式,即

式中:cu为地基土的不排水抗剪强度,kPa;K为常量,对于不同的方法有不同的取值;σh0为某深度处的初始总侧向应力,kPa。

σh0的取值也随计算方法的不同而有所不同。为了统一,将σh0的影响包含于参数K',则式(4-18)可改写为

(2)复合地基承载力。如图4-12所示,在碎(砂)石桩和黏性土所构成的复合地基上作用外荷载p,设作用在桩和黏性土上的应力分别为pp和ps,A为一根砂桩所承担的加固面积, Ap为一根砂桩的面积。

假设基础是刚性的,则作用在面积A和Ap范围内的应力是不变的,那么就有

因为桩土应力比,将其代入公式(4-11),则公式可改写为

p=[m(n-1)+1]ps(4-24)

式中:μp、μs分别为应力集中系数和应力降低系数。

由此可知,只要由实测资料求得砂桩上的应力fpk和桩间黏性土上的应力fsk后,就可以求出复合地基的极限承载力p。当然,复合地基的极限承载力亦可以直接由复合地基的载荷试验求得。实践证明,碎石桩的桩土应力比值一般为2～4,原天然地基土强度低,桩土应力比取大值。

对于小型工程的黏性土地基,如果没有现场载荷试验资料,在进行初步设计时,复合地基的承载力特征值可按下式估算

式中:n为桩土应力比,在无实测资料时,可取2～ 4,原天然地基土强度低时取大值,原天然地基土强度高时取小值。

图4-12　复合地基应力状态

3.沉降计算

(1)分层总和法。碎(砂)石桩的沉降计算主要包括复合地基加固区部分的沉降和加固区下卧层部分的沉降。加固区下卧层天然地基的沉降量可以按照国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)计算,这里不再赘述。(www.xing528.com)

复合地基加固区部分的沉降计算应按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定执行。计算时,复合地基土层的压缩模量可以按下式计算

式中:Esp为复合地基土层的压缩模量,MPa;Es为桩间土的压缩模量,MPa,宜按当地经验取值,如无经验时,可取天然地基的压缩模量。

式(4-26)中的桩土应力比n值,在无实测资料时,对黏性土可取2～4,对粉土可取1.5～ 3,原黏性土强度高可取小值,原黏性土强度低则取大值。

目前还未形成碎(砂)石桩复合地基的沉降计算经验系数。

(2)沉降折减法。天然黏性土地基的沉降量一般可用下式表示

式中:mv为天然地基的体积压缩系数(即单位应力增量作用下的体积应变),kPa-1;Δp为垂直附加平均应力,kPa;H为固结土层的厚度,m。

经过碎(砂)石桩加固后,复合地基的沉降量为

式中:β为沉降折减系数。

如果忽略天然地基处理后的土质变化(即处理效果),则有

规范规定,振冲置换法适用于处理不排水抗剪强度大于等于20kPa的黏土、粉土、饱和黄土及人工填土等地基。国内也有在天然地基土的不排水抗剪强度小于20kPa的情况下采用振冲法加固地基的成功实例,但在软弱地基条件下仍应慎重为宜,并需要经试验确定其适宜性后再决定采用与否。因为,在抗剪强度太低的软土中难以形成碎石桩体,或者形成桩体后受荷载作用会产生较大的径向变形。所以,采用振冲置换法加固软土地基,对地基土的抗剪强度有一定的要求,这一点必须引起重视。

4.稳定分析

如果碎石(砂)桩用来改善天然地基的整体稳定性,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。

如图4-13所示,假设复合地基中某深度处剪切面与水平面呈θ角,如果考虑碎石(砂)桩和桩间土都能发挥抗剪强度,则可得出复合地基的抗剪强度τsp的表达式如下

图4-13　复合地基的剪切特性

式中:m为碎石(砂)桩的面积置换率;μp为碎石(砂)桩应力集中系数 ,为碎石(砂)桩的重度,kN/m3;φp为碎石(砂)桩的内摩擦角,(°);c为桩间土的黏聚力,kPa;z为从地表面算起的计算深度,m。

Priebe在1978年提出了复合值φsp和csp的求法如下

式中:φsp为复合地基的内摩擦角,(°);csp为复合地基的黏聚力,kPa;ω为与桩土应力比有关的参数,ω=m·μp,一般ω=0.4～0.6。

如果已知φsp和csp,就可以用常规的稳定分析方法来计算地基的抗滑稳定安全系数,或者根据要求的抗滑稳定安全系数,反算所需的ω和面积置换率m。

4.3.3 施工工艺

目前国内常用的成桩工艺多种多样,这里主要介绍振冲法,其他方法可以参考相关资料。

4.3.3.1 机具设备

1.主体设备———振冲器

振冲器是利用一个偏心块的旋转来产生一定频率和振幅的水平向振动力进行振冲置换施工的一种专业机械,为中空轴立式潜水电动机带动偏心块振动的短柱状机具。我国用于振冲置换施工的振冲器主要有ZCQ-30、ZCQ-55和ZCQ-75三种,最大功率已经达到135kW。

2.配套设备———起吊设备

起吊设备一般为轮胎式或履带式吊机、自行井架式专业平车或抗扭胶管式专业汽车。起吊能力和提升高度应满足施工要求。水泵的规格为出口压力400～600kPa,流量20～ 30m3/h。每台振冲器配有一台水泵。其他的设备还有运料工具、泥浆泵、配电板等。

施工所用的专用平台车由桩数、工期决定,有时还受到场地大小、交叉施工、水电供应、泥水处理等条件的限制。

4.3.3.2 施工前的准备工作

1.三通一平

施工现场的三通一平指的是水通、电通、材料通和平整场地,这是施工能否顺利进行的重要保证。

水通,一方面是要保证施工中所需的水量,另一方面也要把施工中产生的泥水排走。电通是施工中需要三相和单相两种电源,三相电源的电压为380V,主要供振冲器使用。材料通指的是应准备若干个堆料场,且备足填料。平整场地有两个内容:一方面要清理和尽可能使场地平整;另一方面要清除地基中的障碍物,如废混凝土土块等。

2.施工场地布置

施工场地的布置随具体工程而定。施工前,对场地中的供水管、电路、运输道路、料场、排泥池、照明设施等均要妥善布置。有多台施工车同时作业的大型加固工程,应该规划出各台施工车的包干作业区。其他如配电房等也应事先安排好。

3.桩的定位

平整场地后,测量地面高程。加固区的地面高程宜为设计桩顶高程以上1m。如果这一高程低于地下水位,则需配备降水设施或者适当提高地面高程。最后,按桩位设计图在现场用小木桩标出桩位,桩位偏差不得大于3cm。

4.制桩试验

对中大型工程,应事先选择一试验区,并进行实地制桩试验,以取得各项施工参数。

4.3.3.3 施工组织设计

根据地基处理设计方案,进行施工组织设计,以便明确施工顺序、施工方法,计算出在允许的施工期内所需配备的机具设备,所需水、电、材料等。排出施工进度计划表并绘出施工平面布置图。

1.施工顺序

施工顺序可以采用“由里向外”或“从一边到另一边”等方式,如图4-14所示。

图4-14　桩的施工顺序

(a)由里向外方式;(b)由一边到另一边方式;(c)间隔跳打方式;(d)减少对邻近建筑物振动影响的施工顺序

如果“由外向里”施工,由于外围的桩已经施工好,再施工里面的桩,则很难挤振,影响施工质量。

在地基强度较低的软黏土中施工时,需要考虑减少对地基土的扰动影响,因而可以采用“间隔跳打”的方法。

当加固区附近有其他建筑物时,必须先从临近建筑物一边的桩开始施工,然后逐步向外推移。

2.施工方法

振冲法施工的填料方式一般有以下3种:

(1)把振冲器提出孔口,往孔内加入约1m高的填料,再放下振冲器进行振密;

(2)振冲器不提出孔口,向上提升1m左右,使其离开原来振密过的地方,然后往下倒料,再放下振冲器振密;

(3)连续加料,振冲器一直振动,而填料连续不断地往孔内添加,只要在某深度处达到规定的振密标准后就向上提振冲器,并继续振密。

工程施工中具体选用哪种填料方式,主要由地基土的性质决定。在软黏土地基中,由于振冲器振动而形成的孔道常会被坍塌下来的软黏土填塞,常需进行清孔除泥,故不宜使用连续加料的方法。而在砂性土地基的孔中,坍孔现象不如软黏土那样严重。所以,为了提高工效,可以使用连续加料的施工方法。

振冲法具体施工可根据“振冲挤密”和“振冲置换”的不同要求而有所不同,可参阅有关的施工手册。

4.3.3.4 施工过程

振冲法是碎石(砂)桩的主要施工方法之一。如图4-15所示。振冲挤密法一般的施工过程如下:

(1)振冲器对准桩位。

(2)启动吊机。

图4-15　振冲法施工顺序示意图

(3)当振冲器下沉到设计加固深度以上0.3～0.5m时,需要减少水量,其后继续使振冲器下沉至设计加固深度以下0.5m处,并在此处留振30s(留振时间)。

(4)从地面向孔中逐段填入碎石,以1～2m/min的速度提升振冲器。每提升振冲器0.3～0.5m就留振30s,并观察振冲器电动机的电流变化,其密实电流一般超过空振电流25～ 30A。如此重复填料和振密,直至地面,从而在地基中形成一根大直径的密实度很高的桩体,记录每次振冲器的提升速度、密实电流和留振时间。

(5)关机、关水,并移位到另一个加固点,重复以上施工过程。

(6)施工现场全部振冲加固后,整平场地,进行表层处理。

4.3.3.5 施工质量控制

施工过程中的填料量、密实电流和留振时间是振冲法施工中质量检验的3个关键参数。“留振时间”是指振冲器在地基中某一深度处停止振动的时间。水量的大小可以保证地基中砂土的充分饱和。饱和砂土在振动作用下会产生液化。振动停止后,经过液化后的砂土颗粒会慢慢重新排列,此时的孔隙比较原来的孔隙比要小,砂土的密实度增加了。

实际上,填料量、密实电流和留振时间三者是相互联系和互为保证的。只有在一定填料量的情况下,才能保证达到一定的密实电流,而这时必须要有一定的留振时间,才能把填料挤紧振密,从而保证施工质量。

4.3.4 质量检验

碎石(砂)桩振冲施工结束后,除砂土地基外,应间隔一定时间以后再进行地基加固的质量检验。对粉土地基而言,间隔时间可取2～3周;对黏性土地基,可间隔时间3～4周。

质量检验的方法较多。对于施工质量检验,常用的有单桩载荷试验和动力触探试验。对于加固效果的检验,常用的有单桩复合地基和多桩复合地基大型载荷试验。

单桩载荷试验可以按每200～400根桩随机抽取一根桩进行检验,但总桩数不得少于3根。对砂土或粉土层中的碎石(砂)桩,除了用单桩载荷试验检验外,还可用标准贯入、静力触探等试验对桩间土进行处理前后的对比试验。对砂桩还可采用标准贯入或动力触探等方法检测桩的挤密质量。

对大型的、重要的或场地复杂的碎石(砂)桩工程,应进行复合地基的处理效果检验。采用单桩或多桩复合地基载荷试验,检验点应选择在有代表性的或土质较差的地段,其数量可按处理面积的大小取2～4组。

4.3.5 工程实例

1.江苏南通天生港发电厂

该厂位于长江下游,1979年扩建两台12.5kW发电机组及配套工程,整个厂房的一半位于新填的粉砂地基上。由于新填粉砂土质松软,原天然地基极限承载力只有120kPa,要求加固后地基承载力特征值达到250kPa,允许沉降在0.08～0.11m之内。经研究决定,采用振冲法加固。

振冲加固深度为7～11m,桩位按三角形布设,桩距1.4m,桩径0.8m,在设备外围增加两排护桩。

加固效果如图4-16所示。加固前平均孔隙比0.883,加固后0.759,比加固前减少14%;加固前标准贯入平均锤击数13击,加固后为34击,比加固前提高2.6倍;载荷试验测得天然地基极限承载力为120kPa,相对应的沉降量为7.8cm。经过振冲加固后,复合地基3组载荷试验分别加载达300kPa、500kPa和600kPa时均没有产生破坏迹象。

图4-16　江苏南通天生港电厂粉细砂地基加固前后试验值

2.某工业区建筑群

(1)工程概况。该建筑群由6座通用厂房、7座连接体组成,建筑面积38000m2。厂房有进深18m和24m两种,最长为132m,4层或5层钢筋混凝土框架结构。该工程位于近代冲积的砂和淤泥的交互层上,属7度烈度地震区,其间砂层有液化问题,而淤泥层强度低、压缩性高。经地基处理方案比较后,最后采用振冲碎石桩法加固,并且减少填土荷载,采用薄壁高梁整体架空的基础,以提高上部结构刚度,减小厂房的弯曲变形。

设计要求地基承载力由原来的50～60kPa提高到95kPa以上,总沉降量不超过30cm,倾斜小于3‰。

加固施工历时3个月,加固面积13000m2,共施工碎石桩4983根。

(2)土层分布。厂区地面以下为砂和淤泥的交互层,厚约15m。其中淤泥层厚2～4m,天然含水量平均值为56.2%,十字板抗剪强度为17.4～31.6kPa,夹砂层与饱和细砂,松散状态,标准贯入击数为5～9击,比贯入阻力3.2～4.1MPa,经判别在7度烈度下可液化。其下为淤泥层,天然含水量平均值为57.5%,厚22～45m。该层土的先期固结压力随深度而增大:深16m处,先期固结压力为173.6kPa;深35m处,先期固结压力为449.1kPa。加固对象主要是上部15m砂和淤泥交互层,并使经加固形成的复合土层传到下卧淤泥层的附加应力小于土层的先期固结压力,以减少总沉降量。

(3)施工概况。碎石桩在建筑物基底范围内按三角形满堂布置,间距1.64～1.70m。桩长13.3m的有4203根,桩长10m的有780根(基础外的围护桩),总共打设碎石桩4983根。用ZCQ-30型振冲器制桩,填料为粒径2～8cm的碎石。碎石桩桩径在砂层和淤泥层中是不一样的。根据不同深度的填料量来推算,在砂层内桩径约为80cm,在淤泥层内约为100cm。碎石桩施工完毕后,挖去顶端0.8～1.0m,再用25t振动碾碾压多遍,直至桩顶填料质量达到密实为止。

(4)效果评价。为了检验加固效果,在砂土层中进行了标准贯入试验和静力解探试验,在淤泥层中进行了十字板剪切试验。比较加固前后的试验资料,得出如下结果:砂土层中的标准贯入击数提高1.33～1.92倍,比贯入阻力提高1.45～1.88倍,满足了抗液化的要求;淤泥层中的十字板抗剪强度从原先的平均值24.7kPa提高到45.3kPa,增加了83%。

在2号和4号厂区还各进行了一组覆盖3根桩的复合地基载荷试验,在桩上和土上分别埋设了土压力计以估算桩土应力比。试验得出如下结果:2号厂区复合地基承载力标准值为133kPa,桩土应力比为2.0～2.3;4号厂区复合地基承载力标准值为96.6kPa,桩土应力比为3. 7～3.8,满足了设计对地基承载力的要求。

在厂房结构完成后立即开始观测沉降,观测点共设76个。观测历时458d,6座厂房的沉降量见表4-7。

表4-7　厂房沉降量表

4.4 土桩和灰土桩

土桩与灰土桩或二灰桩挤密法是利用打入钢套管(或振动沉管、炸药爆破)在地基中成孔,通过“挤压作用”,使地基土加密,然后再在孔内分层填入素土(或灰土、粉煤灰加石灰)后夯实而形成的土桩(或灰土桩、二灰桩)。它们与碎石(砂)桩一样,同样属于柔性桩,与桩间土共同组成复合地基。

土(或灰土、二灰)桩挤密法与其他地基处理方法比较,主要有以下特点:

(1)土(或灰土、二灰)桩挤密法是横向挤密,同样可以达到加固后所要求的最大干密度;

(2)与换土垫层相比,不需要开挖回填,因而节约了开挖和回填土方的工作量及时间,比换填垫层法缩短约一半工期;

(3)由于不受开挖和回填的限制,处理深度一般可达12～15m;

(4)由于填入桩孔的材料是就地取材,因而常比其他处理湿陷性黄土和人工填土的地基处理方法造价低,尤其是可利用粉煤灰变废为宝,取得很好的社会效益和经济效益。

土桩与灰土桩或二灰桩挤密法在我国西北、华北地区应用比较广泛,适用于处理深度为5～15m、地下水位以上、含水量为14%～23%的湿陷性黄土,新近堆积的黄土、素填土、杂填土及其他非饱和黏性土、粉土等地层。

当地基土的含水量大于23%,其饱和度大于0.65以及土中碎石含量超过15%,或者有厚度0.4m以上的砂土或碎石夹层时,由于成孔质量不好,拔管后桩孔容易缩颈,而且打管时容易对邻近已回填的桩体造成破坏等,不宜采用。

如果施工时不采取排水措施,则不宜采用土(或灰土、二灰)桩挤密法处理地基。

土桩主要用来消除湿陷性黄土的湿陷性;当以提高地基的承载力或水稳性为主要目的时,应选用灰土桩或二灰桩。

4.4.1 设计计算

1.桩孔直径

在我国土桩和灰土桩的桩孔直径一般选用300～600mm。

2.桩距和桩排

土(或灰土、二灰)桩的挤密效果与桩距有关,而桩距的确定又与土的原始干密度和孔隙比有关,所以,桩距的设计应通过试验或计算确定,要求桩间土的平均压实系数λc不宜小于0.93。

条形基础下布置的灰土桩不宜少于两排,土桩不少于三排。为使桩间土得到均匀挤密,桩孔宜按三角形布置。有时为了适应基础尺寸,合理减少桩孔排数和孔数时,也可以采用正方形和梅花形等排列方式。

3.处理范围

土桩或灰土桩处理地基的宽度应大于基础宽度。若主要考虑消除湿陷性地基的部分或全部湿陷量,而不考虑防渗隔水作用,或者用于提高地基的承载力,则一般采用局部处理的方法:对非自重湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,处理宽度每边超出基础宽度不应小于0.25b(b为基础短边宽度),并不应小于0.5m;对自重湿陷性黄土地基,为了有效地阻止基础底面下被处理的土层产生侧向变形,处理宽度不应小于0.75b,且不应小于1m。

对于湿陷程度严重(Ⅲ级)和很严重(Ⅳ级)的自重湿陷性黄土地基,处理后既需要消除其湿陷性,还需要其具有防渗隔水作用,此时宜采用整片处理的方法,处理范围每边超出建筑物外墙基础外缘的宽度不宜小于处理土层厚度的1/2,并且不应小于2m,以防止水从处理与未处理土层的接触面渗入地基,可提高处理地基的效果。

地基处理的深度应根据建筑物对地基的要求、地基的湿陷类型、湿陷等级、湿陷性黄土层厚度及打桩机械的条件综合考虑决定。处理深度从基础底面起至桩孔下端1/2桩尖处,以使土层剩余湿陷量在允许范围内。采用土桩挤密法处理地基,如果处理深度过小,则不经济。目前,该法施工的桩孔深度可达12～15m。

4.填料和压实系数

桩孔内投入的填料,应该根据工程的要求或地基处理的目的来确定,并且采用夯实系数λc来控制填料的夯实质量。

当采用素土回填夯实时,夯实系数λc≥0.95;当用灰土回填夯实时,λc≥0.97,灰与土的体积配合比宜采用2∶8或3∶7。

5.承载力和变形模量

(1)用载荷试验方法确定。对重大工程,应通过载荷试验确定其承载力设计值。如挤密桩的目的是消除地基的湿陷性,还应进行浸水试验,判定其消除湿陷性的效果。

载荷试验时,如果p-s曲线上无明显直线段,则土桩挤密地基按s/b=0.01～0.015、灰土桩复合地基按s/b=0.008(b为荷载板宽度)所对应的荷载作为处理地基的承载力设计值。

(2)参照工程经验确定。对一般工程而言,可参照当地经验确定挤密地基土的承载力设计值。当无经验时,对土桩挤密地基,承载力不应大于处理前的1.4倍,并不应大于180kPa;对灰土桩挤密地基,不应大于处理前的2倍,并不应大于250kPa。

二灰具有明显的水硬性,而水养试块的强度更高,且其强度随龄期的增加而增大。30d龄期的单桩允许抗压强度可选用0.9～1.6MPa,比灰土桩强度提高1/4左右。

表4-8为土(或灰土)桩挤密地基的变形模量值。

表4-8　土(或灰土)挤密桩地基变形模量

6.变形计算

土(或灰土)桩挤密法处理地基的变形计算应按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定执行。其中,复合地基的压缩模量应通过试验或结合当地经验确定。

4.4.2 施工工艺

1.成孔方法

土桩、灰土桩和二灰桩的成孔方法有沉管法(振动或锤击)、爆扩法及冲击法等,使土向桩孔的周围挤密。具体采用哪一种方法,可按地基土的物理力学性质、桩孔深度、机械设备和施工经验等因素选定。

沉管法是用打桩机将带有特制桩尖的钢管打入土层中至设计深度,然后缓慢拔出桩管后成孔。该方法简单易行,孔壁光滑平整,挤密效果较易控制,但处理深度受桩架高度限制,一般不超过7～8m。打桩机技术性能(如锤重、激振力等)应与桩管直径、重量、长度及地基土特性等相适应。桩管沉至设计深度后应及时拔出,不要在土中搁置时间过长,否则会引起拔管困难。

爆扩法成孔不需要打桩机械,可用钢钎打入土中形成15～30mm的孔,直接填入炸药和1～2个电雷管,或者用洛阳铲和其他工具在土中挖成直径为60～80mm的孔,装入炸药卷和电雷管后爆扩成孔。前者适用于含水量较低的土层,而后者适用于含水量较高的土层。爆扩后桩孔直径D约为药眼或药卷直径d0的15～18倍,并应该通过现场试验确定。

冲击法是使用冲击钻机将0.6～3.2t的锥形锤头提升0.5～2.0m高后自由落下,反复冲击后成孔,直径可达500～600mm,成孔深度可达20m以上,适用于处理自重湿陷性且厚度较大的土层。

桩孔中心点的偏差不应超过桩距设计值的5%。桩孔垂直度偏差不应大于1.5%。

2.桩孔回填夯实

向孔内填料前,孔底必须夯实。之后用素土或者灰土在最优含水量的状态下分层回填夯实。回填土料应尽量使用就地挖取的净黄土或粉质黏土,过筛后土块直径不大于20mm,并不能含有有机质。石灰使用消解3～4d后的熟石灰并过筛,其粗粒粒径不大于5mm,质量不低于Ⅲ级,(CaO+MgO)的含量不小于50%。灰土体积比一般可用2∶8,应搅拌均匀至颜色一致。含水量应该接近最优含水量,当其偏离±3%以上时应加以调整。

桩孔填料夯实机目前有两种:一种是偏心轮夹杆式夯实机;另一种是采用卷扬机提升的夯实机。前者可上下自动夯实,后者需要人工操作。

填夯施工前应进行试验,确定每次填料数量和夯击次数。夯锤重量不小于100kg,锤底直径小于桩孔直径90～120mm,锤底面静压力不宜小于20kPa。填料时每一锹料夯击一次或两次,夯锤落距一般在600～700mm,夯击25～30次/min。

成孔和回填夯实的施工宜间隔进行,对大型工程可采取分段施工,以保证工程质量。雨季或冬季施工,应采取防雨、防冻措施,防止土料和灰土受雨水淋湿和冻结。

基础底面以上应预留0.7～1.0m厚的土层,等施工结束后,将表层挤松的土挖除或分层夯实密实。

4.4.3 质量检验

抽样检验的数量不应小于桩孔总数的2%,且每台班至少抽查一根,不合格处应采取加桩或其他补救措施。

夯填质量的检验方法有3种。

1.轻便触探法

先通过试验夯填,求得“检定锤击数”,施工检验时以实际锤击数不小于检定锤击数为合格。

2.环刀取样法

先用洛阳铲在桩孔中心挖孔或通过剖开桩身,从基底算起沿深度方向每隔1.0～1.5m用带长把的小环刀分层取出原状夯实土样,测定其干土密度。

3.载荷试验法

对重要的大型工程应进行现场载荷试验和浸水载荷试验,直接观测承载力和湿陷情况。

应当注意,上述前两种检验方法,对灰土桩应在桩孔夯填后48h以内进行;二灰桩应在36h以内进行,否则将由于灰土或二灰的胶凝强度影响而无法进行质量检验。

对一般工程,质量检验主要应检查桩和桩间土的干密度和承载力;对重要或大型工程,除了检测上述项目外,还应该进行载荷试验或其他原位测试,也可以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。

4.4.4 工程实例

1.甘肃省建工局木材厂单身宿舍土桩挤密法加固地基

该厂单身宿舍兼办公楼为五层砖混结构,长×宽=42.9m×12.3m,建筑面积2750m2。地质勘察资料表明:在建筑场地内湿陷性黄土层厚7～8m,分级湿陷量为300mm,属Ⅱ级自重湿陷性场地。土的含水量w=8.7%～14.2%,天然土干密度ρd=1.26～1.32t/m3,具有高—中压缩性。地基决定采用土挤密桩处理。

(1)设计。桩孔直径为400mm,桩中心距L=2.22,d=0.89m。成孔挤密后桩间土的干密度计划提高到1.55～1.61t/m3,相应达到的压实系数λc为0.925～0.943,可满足消除湿陷性要求。桩孔内填料采用接近最优含水量(15%～17%)的黄土,夯实后压实系数λc不低于0.93。填料夯实按每两铲土锤击5次进行。

平面处理范围:每边超出基础最外边缘2m,处理面积为790m2,桩孔总数为1155个,整片布置桩孔,每平方米处理面积内平均分布桩孔1.46个。从基础底面算起处理层厚度为4.2m,消除地基湿陷量80%,剩余湿陷量60mm。

(2)施工。采用沉管法成孔,使用柴油沉桩机。桩孔填料采用人工定量填料,夯实使用偏心轮夹杆式夯实机。整个工期历时78d,实际工作41d,平均每天完成28个孔。

(3)质量检验。在施工过程中和施工结束后,分别在场地11个点上分层检验了桩间土的干密度和压实系数(表4-9)。检验表明符合设计要求。

表4-9　桩间土挤密效果检验

注:(1)土的最大干密度ρdmax=1.67t/m3;
(2)如含水量偏低,不利于挤密。

对桩孔填料夯实质量也进行了11个点的检验(表4-10)。检验表明,夯实质量差,不均匀,个别地方存在填料疏松未夯现象,普遍未能达到压实系数。产生这种情况的主要原因是施工管理不严、分次填料过快过多。填料含水量平均仅为11.4%,远低于最优含水量(15%～ 17%),这也是影响夯实质量的一个重要因素。

表4-10　桩孔填料夯实质量检验

桩孔填料夯实后的平均压实系数为0.9,仅达到基本消除湿陷性的目的。经过综合分析,认为土桩挤密后尚可满足消除地基80%湿陷量的要求。

2.某高层建筑

(1)工程概况。该高层建筑主楼地面以上17层,局部19层,高59.7m;地下一层,平面尺寸32.45m×22.9m,剪力墙结构,地下室顶板以上总重185MN,基底压力303kPa。主楼三面有2～3层的裙房,结构为大空间框架结构,柱距4.80m和3.75m,裙房与主楼用沉降缝分开。主楼基础采用箱形基础。地基采用灰土挤密桩法处理,成功地解决了地基湿陷和承载力不足的问题,建筑沉降显著减少且基本均匀,取得了良好的技术效果和经济效益。

(2)工程地质条件。建筑场地位于西安市北关外龙首塬上,地下水位深约16m。地层构造自上而下分别为黄土状粉质黏土或粉土与古土壤相间,黄土(4)以下为粉质黏土、粉砂和中砂,勘察孔深至57m。基底以下主要土层及其工程性质见表4-11。

表4-11　主要土层的工程性质

注:古土壤(2)以下为黄土(3)、古土壤(3)、黄土(4)及粉质黏土(1)等,其承载力≥280kPa,压缩模量≥11.4MPa。

场地内湿陷性黄土层深10.6～12.0m,7m以上土的湿陷性较强,湿陷系数δs=0.040～0. 124;7m以下土的湿陷系数δs≤0.020,湿陷性已比较弱。分析判定,该场地属于Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性黄土场地。

(3)设计与施工:

1)地基与基础的方案设计。因建筑场地具有较强的自重湿陷性,且在27m(黄土2—3层)以上地基土的承载力偏低,压缩性较高。在27m以下也没有理想的桩端持力层。在研究地基基础方案时,曾拟采用两层箱基加深基础埋深和扩大箱基面积的办法,但这种方法使裙房与高层接合部的沉降差异及基础高低的衔接处更加困难,且在建筑功能上也无必要。另一种设想的方案是采用桩基,由于没有坚硬的持力层,单桩承载力仅为750～800kN,承载力效率低,费用较高,且上部土为自重湿陷性黄土,负摩擦阻力的问题也较棘手。经分析比较后,设计采用了单层箱基和灰土挤密桩法处理地基的方案,具体做法如下:

①将地下室层高从4.0m增大到5.4m,按箱基设计。

②箱基下地基采用灰土挤密桩法处理,它既可消除地基土的全部湿陷性,又可提高地基的承载力,处理深度可满足要求。

③灰土挤密桩顶面设1.1m厚的3∶7灰土垫层,整片的灰土垫层可使灰土挤密桩地基受力更加均匀,且可使箱基面积适当扩大。

④对裙楼独立柱基也可同样采用灰土挤密桩法处理,以减小地基的沉降;在施工程序上,采取先高层主楼后低层裙房的做法,尽量减少高低层间的沉降差。

2)灰土挤密桩的设计与施工。灰土挤密桩直径按施工条件定为d=0.46m。为了确定合理的桩孔间距,在现场进行了挤密试验。当桩距s=1.10m时,桩间土的压实系数λc小于0.93,达不到全部消除湿陷性的要求。后确定将桩距改为2.2d,即s=1.0m。通过计算,当s= 2.2d时,桩间土的平均干密度可达到16kN/m3,压实系数λc≥0.93。根据古土壤(1)以上的黄土层需要处理的原则,设计桩长7.5m,桩端标高为-13.7m。包括1.1m厚的灰土垫层,处理层的总厚度为8.6m。通过验算,传至灰土挤密桩地基的压力为243kPa,低于原地基承载力的2倍,同时也不超过250kPa,符合规范的规定。

施工采用沉管法成孔。施工及建设单位对成孔及夯填施工进行了严格的监督和检验,每一桩孔夯填的灰土数量和夯击次数均进行检查和记录,施工质量比较可靠。

(4)效果检验与分析。在估算建筑物的沉降时,分别按分层总和法和固结应力史法计算出主楼的沉降量为284.4mm和269.6mm。再根据地基处理后的情况,按适用于大型基础的变形模量法计算的沉降量仅为66.5mm。到施工主体完成并砌完外墙时观测,实测沉降量为20～ 45mm,预估建筑全部建成后的最大沉降将达到64.5mm,与按变形模量法的计算结果基本一致。

根据最后一次的观测结果,主楼的倾斜为南北方向0.00031,东西方向几乎为零,西南与东北两对角的倾斜值最大,也仅为0.00063,均小于规范允许倾斜值0.003。该高层建筑建成后,结构完好无损,使用正常。经验证明,在深厚强湿陷黄土地基上的高层建筑,只要精心设计和施工,采用灰土挤密桩法处理地基可以获得满意的技术效果和经济效益,并可使地基基础工程大为简化,加快建设速度。

4.5 水泥粉煤灰碎石桩

水泥粉煤灰碎石桩(cement fly-ash gravel pile)简称CFG桩。它是在碎石桩的基础上,加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥,加水拌和制成的一种具有一定黏结强度的桩,它和桩间土、褥垫层一起组成水泥粉煤灰碎石桩复合地基,CFG桩是近年来新开发的一种地基处理技术。通过调整水泥的掺量及配比,可使桩体强度等级在C5～C20之间变化。

水泥粉煤灰碎石桩法吸取了振冲碎石桩和水泥土搅拌桩的优点,具体体现在以下3个方面:

(1)施工工艺与普通振动沉管灌注桩一样,工艺简单。与振冲碎石桩相比,无场地污染,施工振动的影响较小。

(2)仅需少量水泥,所用材料便于就地取材,基础工程不会与上部结构争“三材”,优于水泥搅拌桩。

(3)受力特性与水泥搅拌桩类似。

CFG桩与一般碎石桩之间的区别如表4-12所示。

CFG桩在受力特性方面介于碎石桩和钢筋混凝土桩之间。与碎石桩相比,CFG桩桩身具有一定的刚度,不属于散体材料桩,其桩体承载力取决于桩侧摩阻力和桩端端承力之和或者是桩体的强度。当桩间土不能提供较大的侧限时,CFG桩复合地基承载力大于碎石桩复合地基。与钢筋混凝土桩相比,其桩体强度和刚度比一般混凝土小得多,有利于充分发挥桩体材料的潜力,降低地基处理费用。

CFG桩是由水泥、粉煤灰、石子、石屑加水拌和形成的混合材料灌注而成。这些材料各自的含量多少对混合材料的强度有很大影响,可以通过室内外材料配比试验和材料力学性能试验确定。

表4-12　碎石桩与CFG桩的对比

4.5.1 加固机理

CFG桩加固软弱地基的作用主要有3种:桩体作用、挤密与置换作用和褥垫层作用。

1.桩体作用

在荷载作用下,CFG桩的压缩性明显小于其周围软土。因此,基础传递给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上,出现了应力集中现象,复合地基中的CFG桩起到了桩体作用。

另外,与由松散材料组成的碎石桩不同,CFG桩桩身具有一定的黏结强度。在荷载作用下,CFG桩桩身不会出现压胀变形,桩身承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传递到地基深处,使复合地基的承载力有较大幅度提高,加固效果显著,而且,CFG桩复合地基变形小,沉降稳定快。

2.挤密与置换作用

当CFG桩用于挤密效果好的土时,由于CFG桩采用振动沉管法施工,机械的振动和挤压作用使桩间土得以挤密。复合地基承载力的提高既有挤密作用又有置换作用。当CFG桩用于不可挤密的土时,其复合地基承载力的提高只是置换作用。

3.褥垫层作用

有级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫,在CFG桩复合地基中有以下几种作用:

(1)保证桩、土共同承担荷载;

(2)减少基础底面的应力集中;

(3)褥垫层厚度可以调整桩、土荷载分担比;

(4)褥垫层厚度可以调整桩、土水平荷载分担比。

4.5.2 设计计算

用CFG桩处理软弱地基,其主要目的是提高地基承载力和减小地基的变形。这一点,要通过发挥CFG桩的桩体作用来实现。对松散砂性土地基,可以考虑振动沉管施工时的挤密效应。但如果是以挤密松散砂性土为主要加固目的,那么采用CFG桩是不经济的。

1.桩径

CFG桩常采用振动沉管法施工,其桩径应根据桩管大小而定,一般为350～400mm。

2.桩距

桩距的选取需要考虑多种因素,如提高地基承载力以满足设计要求,桩体作用的发挥、场地地质条件以及造价等因素,而且施工要方便。可参考表4-13选取。

表4-13　桩距选用表

注:d为桩径(mm),以成桩后桩的实际桩径为准。

3.复合地基承载力计算

CFG桩复合地基承载力值的确定,应以能够比较充分地发挥桩和桩间土的承载力为原则,所以,可取比例界限荷载值作为复合地基的承载力。

必须指出,复合地基承载力不是天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加,需要对如下的一些因素予以考虑:

(1)施工时对桩间土是否产生扰动或挤密,桩间土承载力有无降低或提高。

(2)桩对桩间土有约束作用,使土的变形减少;当竖直方向上荷载不大时,对土起阻碍变形的作用,使土的沉降减少;荷载较大时,起增大变形的作用。

(3)复合地基中桩的Q-s曲线呈加工硬化型,比自由单桩的承载力要高。

(4)桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关,变形小时,桩和桩间土承载力的发挥都不充分。

(5)复合地基桩间土承载力的发挥与褥垫层厚度有关。

综合考虑以上情况,结合工程实践经验,CFG桩复合地基承载力特征值可按下式进行估算。

式中:fspk为复合地基承载力特征值,kPa;m为面积转换率;Ra为CFG单桩竖向承载力特征值,kN;Ap为CFG单桩的载面积,m2;β为桩间土承载力折减系数,宜按地区经验取值,如无经验时可取0.75～0.95,天然地基承载力较高时取大值;fsk为处理后桩间土承载力特征值, kPa,宜按当地经验取值,如无经验时,可取天然地基承载力特征值。

单桩竖向承载力特征值Ra的取值,应符合下列规定:

当采用单桩载荷试验时,应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2;当无单桩载荷试验资料时,可按下式估算

式中:up为桩的周长,m;n为桩长范围内所划分的土层数;qsi桩周第i层土的侧阻力特征值, kPa,与土性和施工工艺有关,可按地区经验确定,无当地经验值时,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定确定;li为第i层土的厚度,m;qp为桩端端阻力特征值,kPa,与土性和施工工艺有关,可按地区经验确定,无当地经验值时,可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)的有关规定确定;Ap为桩的截面积,m2。

经CFG桩处理后的地基,当考虑基础宽度和深度对地基承载力特征值进行修正时,一般宽度不作修正,即基础宽度的地基承载力修正系数取零,基础埋深的地基承载力修正系数取1. 0。经深度修正后CFG桩复合地基承载力特征值为

式中:γ0为基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取有效重度;d为基础埋置深度, m,一般自室外地面标高算起。

CFG桩复合地基承载力计算时需满足建筑物荷载要求,当承受轴心载荷时:

式中:pk为相应于荷载效应标准组合基础底面处的平均压力值,kPa。

承受偏心荷载时,除满足上式外,尚应满足下式要求:

式中:pkmax为相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的最大压力值,kPa。

4.变形计算

CFG桩复合地基的变形可由下式计算

式中:ssp为CFG桩复合地基的变形量,为简化计算,可以取ssp≈0;ss为下卧软弱土层的变形量。

下卧软弱土层的变形量由基础扩散到下卧软弱土层顶面的附加应力引起,可用常规的分层总和法计算。

4.5.3 施工工艺

CFG桩目前一般是采用振动沉管桩法施工。由于它是一项新发展起来的地基处理技术,其设计计算理论和工程施工经验还远不够成熟,所以,施工前一般须进行成桩试验,以确定有关技术参数后,再精心组织施工。

1.沉管

CFG桩沉管施工时,须注意以下事项:

(1)桩机就位必须平整、稳固,调整沉管与地表面垂直,确保垂直度偏差不大于1%。

(2)如果采用预制钢筋混凝土桩尖,需要将桩尖埋入地表以下300mm左右。

(3)启动马达开始沉管,沉管过程中注意调整桩机的稳定性,严禁倾斜和错位。

(4)做好沉管记录。激振电流每沉管1m记录一次,对土层变化处应特别说明,直至沉管达到设计标高。

2.投料

(1)在沉管过程中可用料斗进行空中投料,待沉管至设计标高后必须尽快投料,直到沉管内的混合料面与钢管投料口齐平为止。

(2)若上述投料量不足,须在拔管过程中空中投料,以确保成桩桩顶标高满足设计要求。

(3)严格按设计规定配制混合料,碎石和石屑杂质不得大于5%。

(4)按设计配比配制混合料,将其投入搅拌机加水拌和,加水量由混合料的坍落度控制,一般坍落度为30～50mm,成桩后的桩顶浮浆厚度一般不超过200mm。

(5)混合料搅拌时间不得少于1min,须搅拌均匀。

3.拔管

(1)第一次投料结束后,开动马达,沉管原地留振10s左右,然后边振动边拔管。

(2)拔管速度控制在1.2～1.5m/min,如遇淤泥或淤泥质土,可适当放慢速度。

(3)桩管拔出地面后,确认其符合设计要求后用粒状材料或湿黏土封顶,移机进行下一根桩的施工。

4.施工顺序

隔排隔桩跳打,且间隔时间不应少于7d。

5.桩头处理

施工后待CFG桩体达到一定强度(一般为7d左右)后开挖。有人工和机械开挖两种方式或联合开挖。人工开挖留置不小于700mm厚的土层。

6.铺设垫层

在基础下铺设一定厚度的垫层,工程中一般垫层厚度在15～300mm之间,以便调整CFG桩和桩间土的共同作用。

4.5.4 施工检测及验收

4.5.4.1 施工检测

CFG桩施工完毕,一般28d后对CFG桩和CFG桩复合地基进行检测,检测包括对桩身质量的低应变检测和对承载力的静载荷试验检测。对承载力的静载荷试验检测一般进行单桩复合地基静载荷试验或多桩复合地基静载荷试验,根据试验结果评价复合地基承载力,亦可采用单桩载荷试验,通过计算评价复合地基承载力。

检测数量一般遵守以下原则:静载荷试验数量取CFG桩总桩数的0.5%～1.0%,且每个单体工程的试验数量不少于3点;低应变检测桩的数量一般取CFG桩总桩数的10%。选择试验点时应本着随机分布的原则进行选择。挑选施工质量好的桩或施工质量差的桩,或者为了检测方便将所有试桩集中在一个区域的选桩方法,都不能体现随机分布的原则。低应变检测取桩数10%进行检验时,建议采用下列方法选桩:选择0～9的任何一个数字,如选择5,那么桩编号个位数为5的桩均为试验桩,这样选择能够较好地体现随机分布的原则。

1.CFG桩的检测

CFG桩单桩静载荷试验按《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)附录Q“单桩竖向静载荷试验要点”执行。

CFG桩低应变检测桩身质量评价分为以下四类。

Ⅰ类桩:完好桩;

Ⅱ类桩:有轻微缺陷,但不影响原设计桩身结构强度的桩;

Ⅲ类桩:有明显缺陷,但应采用其他方法进一步确认可用性的桩;

Ⅳ类桩:有严重缺陷桩或断桩。

2.CFG桩复合地基的检测

CFG桩复合地基属于高黏结强度桩复合地基,载荷试验具有其特殊性,试验方法直接影响对复合地基承载力的评价。对此,试验时按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)“复合地基载荷试验要点”执行。

(1)褥垫层的厚度与铺设方法。试验时褥垫层的底面标高与桩顶设计标高相同,褥垫层底面要求平整,褥垫层铺设厚度为50～150mm,铺设面积与载荷板面积相同,褥垫层周围要求有原状土约束。

(2)当p-s曲线为平缓的光滑曲线时,按相对变形值确定复合地基承载力。当以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基,可取沉降比s/b或s/d等于0.008所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。当以黏性土、粉土为主的地基,可取沉降比s/b或s/d等于0.01所对应的压力作为CFG桩复合地基承载力特征值。

4.5.4.2 CFG桩复合地基施工验收

CFG桩复合地基验收时应提交下列资料:

(1)桩位测量放线图(包括桩位编号);

(2)材料检验及混合料试块试验报告书;

(3)竣工平面图;

(4)CFG桩施工原始记录;

(5)设计变更通知书、事故处理记录;

(6)复合地基静载荷试验检测报告;

(7)施工技术措施。

桩的施工允许偏差应满足下列要求:

(1)桩长允许偏差不大于10cm;

(2)桩径允许偏差不大于2cm;

(3)垂直度允许偏差不大于1%;

(4)桩位允许偏差,对满堂布桩的基础,桩位偏差不应大于0.4倍桩径;对条形基础,桩位偏差不应大于0.25倍桩径;对单排布桩,桩位偏差不应大于60mm。

思 考 题

1.什么是强夯法?其加固机理是什么?

2.强夯的设计参数有哪些?

3.何谓触变恢复、时效、平均夯击能、间歇时间和桩土应力比?

4.常用的挤密法有哪几种?分别适用于哪些地层?

5.试述挤密砂桩和排水砂井作用有何不同?

6.试述挤密砂桩在加固松砂及软弱黏性土地基时的作用有何不同?

7.试述振冲置换法加固地基的原理。

8.如何计算振冲碎石桩复合地基的承载力与总沉降量?

9.保证振冲法施工质量的三要素是什么?

10.什么是土桩和灰土桩?

11.CFG桩是如何形成的?有何特点?

12.CFG桩加固地基的原理是什么?

13.怎样进行CFG桩复合地基的设计计算?

14.如何进行CFG桩的质量检验?