岩土工程施工技术 (2).pdf

第二章第二章地基处理技术地基处理技术 第一节概述 凡是基础直接建造在未经改造的天然土层上时， 这种地基称为天然地基。 若天然地基不 能满足地基强度要求，则事先要经过人工处理后再建造基础，这种地基称为人工地基。对地 基进行人工改造加固，称为地基处理。 各种各样的结构物对地基的要求是不同的，而各个地区天然地层的情况差别又非常大， 即使在同一地区、同一工点，地质情况也可能有很大差别。所有这些就决定了地基处理问题 的复杂性和多变性。 是采用天然地基， 还是采用人工地基采用人工地基时采用什么地基处 理方案这是建造结构物时首先需要解决的问题。 处理是否恰当， 不仅影响到建筑物的安全 和使用，而且对建设速度、工程造价都有很大影响，甚至成为工程建设中的关键。 随着我国经济建设的迅速发展，基本建设规模越来越大。在交通、土建、水利等工程建 设中会遇到各种各样的地基土，因土的种类不同，其承载能力、压缩性以及透水性等力学性 能亦有很大的差别。随着当前结构物的荷载日益增大，对地基变形要求越来越严。原来一般 可被评价为良好的地基，也可能在某些特定条件下，非进行人工处理不可，以满足工程建设 的需要。因而涉及到多种地基处理技术。 第二节 挤密桩施工法 挤密桩施工是向地基中掺入一定的填充材料，使原孔隙比较大的松散砂土和人工填土 层在填充材料的挤压作用下孔隙比减小， 地基强度增加， 掺入的填充材料在地基中能起到较 好的骨架作用， 挤密桩施工通常可将承载力较小的软弱地基改变成为承载力较大的新的复合 地基。 一、土桩及灰桩施工技术一、土桩及灰桩施工技术 土桩、灰桩、灰土桩和二灰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柱共同组成的复合地基。它是利用沉管、 冲击、 爆破等方法将钢管打入土中侧向挤密成孔， 然后在孔中分别填入素土或石灰或石灰土 或石灰与粉煤灰混合物简称二灰， 夯实而成的桩， 桩与桩间土共同组成复合地基承受上部 荷载。 土桩是将土料填入桩孔内夯实而制成的桩，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，土桩挤密地基可视为厚度较 大的素土垫层。 灰桩是将生石灰填入桩孔内夯实而制成的桩，石灰桩除了成孔时挤密桩周围土外，主 要作用还在于生石灰在桩孔中吸收土层的孔隙水变成熟石灰时产生体积膨胀。 进一步挤密桩 周土，提高地基承载力，消除湿陷性，从而使地基得到加固。 灰土桩是在土桩挤密法基础上发展起来的。灰土桩是用石灰和土按 28 或 37 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 ， 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，达到挤密地基，提高地基承 载力的效果。 二灰桩采用的是石灰和粉煤灰，通过石灰的碱性激发作用，促进粉煤灰之间产生一系 列复杂的硅铝酸钙和水硬性胶凝物质，从而提高了二灰的强度。 石灰桩及石灰粉煤灰桩具有加固效果显著、材料易得，施工简便等特点。适于处理含 水量较高30％～130％的粘性土地基、淤泥、含有有机质的土、不太严重的黄土地基的湿 陷性事故或作为严重湿陷事故的辅助处理措施。一般加固后地基强度可提高 1～3 倍，是一 种简易处理软弱地基的有效方法。 （一）加固机理（一）加固机理 湿陷性黄土属于非饱和的欠压密土， 孔隙比较大干密度偏小， 是其产生湿陷性的根本原 因。 研究与工程实践证明， 当土的干密度及其压实系数达到某一标准时， 即可消除其湿陷性 。 土桩和灰土桩挤密法正是利用这一原则，通过挤土成孔，使桩间土横向加密，并与夯填密实 的桩体组成无湿陷性的承载力较高的人工复合地基。 1. 挤密作用 单桩挤密时，在孔壁附近土的密度ρd接近或超过其最大干密度ρdmax,挤密系数λ≈ 1.0。依次向外，土的干密度和压实系数逐渐减小，直至接近土的原始干密度ρd0。对应于 ρd＝ρd0的界限区内可称为“挤密影响区”，其半径常为1.5～2.0dd 为桩孔直径。单个 桩孔的“有效挤密区”半径一般为1.0～1.5d。相邻两桩或三桩成孔挤密后，在交界处将 产生叠加作用，使桩间土干密度进一步增大，且桩间土的密实度变得均匀，桩距愈近，叠加 效果愈显著。 土的天然密度和含水量对挤密效果有显著影响。当含水量过低时，由于土呈坚硬状态， 塑性小，有效挤密区相应缩小。当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，使土体只能 向外围移动而促成挤密效果不佳， 且孔壁附近的土受扰动而使强度降低， 拔出桩管时桩孔容 易出现缩径、回淤等情况。当含水量接近最优含水量时，土呈塑性状态，挤密效果最佳。因 此，施工挤密时需要对土的含水量进行最优值选择。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. 物化作用 石灰桩除了成孔时挤密桩周围土外，主要作用还在于生石灰在桩孔中吸收桩土层的孔 隙水变成熟石灰时产生体积膨胀。 石灰在吸取桩周土体中水分进行化学反应的过程中， 产生 吸水、膨胀、发热、脱水、挤密、离子交换、胶凝等一系列作用，从而使土体的含水量降低 ， 孔隙比减少， 承载力提高， 与桩周土层一起组合成复合地基。 石灰桩体本身也具有一定强度 ， 其单轴抗压强度可达 300KPa。 灰土桩是用石灰和土按一定体积比例28 或 37拌合，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，它可达到挤密地基的效果，提高地基承载力，消除湿陷性，使沉降 均匀和沉降量减少。 在石灰桩中掺入粉煤灰一般占石灰桩重的 15％～30％，与石灰混合后，生石灰吸水 膨胀、放热及离子交换作用促成化学反应，生成具有强度和水硬性的水化硅酸钙、水化铝酸 钙和水化铁酸钙。同时随埋在土中的龄期增长其强度也增长，除提高强度和密实性外，还可 克服石灰桩桩心的软化和解决石灰桩在地下水位以下的硬化问题。在二灰桩中采用的粉煤 灰，且多数采用湿灰。粉煤灰中含有较多焙烧后的氧化物。粉煤灰中活性 SiO2和 AI2O3玻璃 体与一定量的石灰和水拌合后， 由于石灰的吸水膨胀和放热反应， 通过石灰的碱性激发作用 ， 促进粉煤灰之间离子相互吸附交换， 在水热合成作用下， 产生一系列复杂的硅铝酸钙和水硬 性胶凝物质，使其相互填充于粉煤灰空隙间，胶结成密实坚硬、类似水泥水化物的块体，从 而提高了二灰的强度。同时由于二灰中 CaOH2晶体的作用，有利于石灰粉煤灰的水稳性。 3. 桩体作用 在灰土桩挤密地基中，灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量灰土的变形模量为 E040～200MPa，相当于夯实素土的 2～10 倍。灰土桩的桩体作用既不同散体材料无胶凝 强度的素土桩，又不同于刚性混凝土桩的情况，而灰土桩介于两者之间。虽桩顶相对沉降 量灰土桩与混凝土桩接近，但灰土桩约至 6dd 为桩径深度处，桩体已不再产生沉降，说明 其荷载已快速向桩侧土体传递，桩体本身应力已很低，其传递荷载的深度是有限的，此即柔 性桩工作的主要特征。载荷试验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。 （四）施工工艺（四）施工工艺 土桩、 灰土桩或二灰桩施工工艺可分为管内成桩法与管外成桩法两种方式。 一般宜采用 管内成桩。即机械或人工成孔后填料，夯实、封顶，自上而下成孔，自下而上填夯成桩。 1. 管内成桩法施工程序 管内成桩施工程序如图 2－2 所示，主要包括施工准备、成孔挤密、填料配置、桩孔 填夯和质量检验等项。其主要工序为成孔挤密和桩孔填夯两项。 2. 管内成桩成孔方法 土桩和灰土桩或二灰桩的成孔施工方法可分为沉管成孔、爆扩成孔和冲击成孔等。施工 时，应根据地基土的物理力学性质、桩孔深度、机械设备条件和施工经验等因素来选定。 ⑴ 沉管法成孔 图 2－2 管内成桩法施工流程图 A－桩管就位，B－成孔挤密，C－桩孔形成，D－填料待冲，E－夯填挤密，F－成桩封顶 使用振动或锤击打桩机，将带有特制桩尖的钢制桩管（图 2－3）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，沉管法是最常用的成孔方法。但是，沉管法成孔的最大深度受到沉管机桩架高 度的限制，一般不超过 8m。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。 ⑵ 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，如图 2－4 所示。成孔深度不受机架高度的限制，可达 20m 以上，孔径 500～600mm。 本法特别适用于处理自重湿陷性厚度较大的土层。 ⑶ 爆扩法成孔 爆扩法成孔是采用简易工具先形成一个小孔，在小孔内装填炸药，然后引爆炸药，爆扩 成直径为 200～450mm 的桩孔。该法不需打桩机械，工艺简便，但孔径不易控制。适用于 缺少施工机械的新建工程场地。 ① 药眼法见图 2－5 将直径φ15～φ30 mm 的钢钎打入土中，拔出钢钎后在土中就形成小孔眼（药眼） ，在 药眼内直接装填炸药和电雷管，引爆后即成桩孔。该法适用于含水量超过 22％的土层。 ② 药管法见图 2－6 用洛阳铲或扁头钢铲在土中挖成直径φ60～φ80mm 和深度与桩孔设计值相同的孔洞， 然后往孔洞内放入直径φ15～φ30 mm 的炸药管和 1～2 个电雷管，引爆后即成桩孔。此法 适用于含水量较大的土层。 3. 桩孔回填夯实 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和应达到的指标。 桩孔填料夯实机目前有两种 一种是偏心轮夹杆 式夯实机，此机可用拖拉机或翻斗车改装。因此移动轻便，夯击速度快，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图 2－4。锤重可 达 450kg，落距为 1～3m。夯击能量大，一次可填入较多的填料，夯实效果较好，但需人工 操作。 图 2－4 冲击法成孔夯实机 1－机架，2－夯锤，3－卷扬机 图 2－3沉管法成孔桩管构造 l－封头板， 2－提环，3－φ275mm 钢管， 4－φ300mm 钢管，5－底阀 回填桩孔用的夯锤，宜采用倒置抛物线型锥体或梨形锤，锤重不宜小于 100 kg。夯锤 最大直径应比桩孔直径小 100～160mm，使夯锤自由落下时将填料夯实。填料时每一锹料夯 击 1～2 次，每分钟夯击 25～30 次。一般长为 6m 的桩孔可在 15～20 分钟内夯击完成。 4. 桩孔封顶 因生石灰吸水膨胀，对各个方向都将产生很大的膨胀力，为减少向上膨胀力的损失，约 束石灰桩的上举力，到夯填至距桩顶 0.5～1.Om 时，用 37 灰土或 C7.5素混凝土捣实封顶， 其顶部标高值为基础的底部标高值。 5. 管外成桩施工方法 管外成桩法是先将石灰料铺放在待加固的地面，地基土吸水膨胀固结后，再用打桩机 将钢管打下，成一段孔，拔出管填一段料后再成一段孔，桩孔达到设计深度后拔出钢管，钢 管外已形成较硬的石灰桩壁，桩间土已基本固结，管外桩身由上而下逐段形成，然后再在管 内填料夯实，形成管内的桩身。施工工艺流程如图 2－7 所示。管外成桩法成孔质量较难保 证。仅在大面积淤泥等软弱地面采用。 6. 施工要求 ⑴ 成孔施工时，地基土宜接近最优含水量，当含水量低于 12％时，宜加水增湿至最 优含水量。 ⑵ 桩孔中心点的偏差不应超过桩距设计值的 5％。 ⑶ 桩孔垂直度偏差不应大于 1.5％。 ⑷ 对沉管法，其直径和深度应与设计值相同；对冲击法或爆扩法，桩孔直径与设计 值的误差不得超过70mm，桩孔深度不应小于设计深度的 0.5m。 图 2－5 药眼爆扩法施工程序 A-钢钎打药眼，B－药眼形成， C－装填炸药，D－引爆成孔 图 2－6 药管爆扩法施工程序 A-洛阳铲打药管眼，B－药管眼形成， C－装填炸药管，D－引爆成孔 图 2－7管外成桩法施工流程图 1－堆放桩料，2－成上段孔，3－堆填桩料，4－成下段孔，5－填料， 6－夯实，成下段桩身，7－填料，8－夯实，成上段桩身，9－粘土封顶 ⑸ 向孔内填料前，孔底必须夯实。然后用素土或灰土在最优含水量状态下分层回填 夯实。回填土料一般采用过筛筛孔不大干 20mm的粉质粘土，并不得含有有机质；粉煤灰 采用含水量为 30％～50％湿粉煤灰；石灰用块灰消解闷透3～4 天后并过筛，其粗粒粒径 不大于 5mm 的熟石灰。灰土或二灰应拌合均匀至颜色一致后及时回填夯实。 ⑹ 成孔和回填夯实的施工顺序宜间隔进行，对大型工程可采取分段施工。基础底面 以上应预留 0.7～1.0m 厚的土层，待施工结束后，将表层挤松的土挖除或分层夯压密实。 二、干冲碎石桩法二、干冲碎石桩法 干冲碎石桩成桩的基本原理是在一直立管道内，用机械方法往土层中低频冲击碎石。 把碎石导入到预定深度，使土层被挤密，碎石随管道上提而被连续冲捣成桩。这样按一定排 列方式造成一根根桩体与被挤密的土层构成了新的复合地基图 28。 （一）碎石桩加固原理（一）碎石桩加固原理 碎石桩加固地基的实质是把松散的天然地基变成由碎石桩和挤密后的桩间土组成的 共同工作的复合地基，其承载力比天然地基可大幅度提高，建筑物沉降量可大幅度减小。碎 石桩有以下几方面的加固作用 1．挤密效应 在成孔和挤密碎石的过程中， 土体在水平挤压力的作用下， 产生径向位移， 其密度提高 ， 孔隙比减小，承载力比加固前提高 60％以以上。因此，挤密桩间土是复合地基承载力提高 的主要因素。 挤密效果与含水量密切相关。在整个桩长范围内，当某一段的含水量最接近其最优含 水量（或塑限）时，其挤密效果显著增加；反之，挤密效果降低。当含水量＜10％或＞24 ％时，挤密效果最差。 2．置换作用 由于桩间土对桩体有很好的约束作用，所以碎石桩体的强度高、模量大，在刚性基础作 用下，地基中的应力按模量大小进行分配。因此，桩上应力集中是复合地基承载力提高的第 二因素。 侧向约束力对碎石桩形状的影晌至关重要，随着桩周土侧向约束力的增加，桩的模量 越大，桩传递竖向荷载的能力增加，变形减小。桩间土对桩的约束力越大，地基加固效果也 图 2－8 干冲碎石桩成桩原理 A－竖起成孔管B－投石待冲C－成孔管到底D－打桩底E－打桩身F－复合地基形成 越显著。 桩的挤密和桩的置换作用是相辅相成、互为依托的，而桩的置换作用的大小主要取决 于桩侧土对桩体的约束力。 3．垫层和加筋作用 碎石桩的垫层作用主要是指在较厚的软弱土层中，碎石桩没有打穿该软弱土层，这样， 整个碎石桩复合地基等于对没有加固的下卧层起到垫层的作用。 经垫层的扩散作用将建筑物 传到地基上的附加应力减小， 作用于下卧层的附加应力趋于均匀， 从而使下卧层的附加应力 在允许范围之内。这样就提高了地基的整体抵抗力，减少了沉降。 碎石桩的加筋作用主要是指在厚度不大的软弱土层中，碎石桩可 穿过整个软弱土层达到其下的硬层上面，此时，柱体在外荷载的作用 下就会产生一定的应力集中现象， 从而使桩间士承担的压力相应减小。 其结果与天然地基相比，复合地基的承载力会提高，压缩量会减小， 稳定性会得到加强，还可用来改善土体的抗剪强度，加固后的复合桩 土层可以改善土体的稳定性，这种加固作用即通常所说的加筋作用。 4. 排水作用 在碎石桩的制桩过程中由于振动、挤压和扰动等因素，桩间土会 出现较大的附加孔隙水压力，从而导致原地基土强度降低。一旦制桩 结束，所形成的碎石桩则是地基土的一个良好排水通道，孔隙水压力 会向桩体转移消散，加速了桩间土的固结，使沉降稳定加快。 （二）干冲碎石桩施工设备机具（二）干冲碎石桩施工设备机具 1. 设备 干冲碎石桩施工的主要设备是钻架和能同时提动冲锤和成孔管 的两个卷扬机以及相应的动力机。 并适应频繁移位的要求， 钻架和卷扬机都应安装固定在 同一平台上。提动冲锤的卷扬机的提升能力应不小于 20kN，所用钢丝绳直径一般为φ18～ φ32mm。提动成孔管的卷扬机的提升能力应不小于 15kN，所用钢丝绳的直径一般小于φ 15mm；钻架的高度为 8～1Om 即可，负荷能力不小于 150kN。 2. 成孔管 成孔管用壁厚为 10～14mm 的钢管制成。为适应起拔的需要，可以在管口的两侧对称各 固定一滑轮，作为提升时之游动滑轮用；亦可焊接提环作提升之用。成孔管的下部一侧沿轴 向等距开设投石口若干个，最后一个投石口距管底 1.5m 左右图 29。 3. 冲锤 冲锤是用圆钢或充铅厚壁钢管制成，其上端焊有吊环，底端为钝锥形。 （三）施工工艺（三）施工工艺 1. 布桩和施工顺序 为使制成的桩不受到邻近桩位施打时的侧向挤压，桩点一般呈等边三角形或等腰三角 形交错分布。 施工顺序应根据土层性质和场地工作条件来确定，一般可参阅地基与基础工程施工 及验收规范GBJ202-83“振冲地基”推荐方法。 1 排孔法由一端开始，逐步造孔到另一端，打完一排再打相邻一排。如有建筑 物的场地，首排应从靠近建筑物一侧开始。 图 2－9成孔管 2 跳打法同一排孔，隔孔跳打。 3 围幕法；对大面积的砂土地基，可先打造外围 2～3 圈排桩，再由外向内隔圈 跳打，在软粘土地基，应由里向外施工，这样可使软土逐渐向外挤。 2. 制桩 制桩可分为下成孔管和填石成桩两大步骤 1 下成孔管 ① 以桩位点为中心，挖一直径略大于成孔管直径的浅坑，软土也可直接冲击造 坑，拉起成孔管内套冲锤，直立于桩位上，并力求扶正。 ② 提起冲锤，使锤下端高出成孔管投石口，通过投石口投入碎石。成孔管内投石 高度约 0.5～1.5m。 ③ 冲击碎石，把成孔管带到预定深度即离设计桩深 0.5～1.Om 处。开始应控制 冲锤行程，轻冲缓下，待成孔管稳固直立时，再逐渐加大冲击行程，以碎石和管壁的摩擦力 带动成孔管下行，直到预计深度仍指离设计桩深 0.5～1m 处的深度。成孔管下行过程中， 碎石柱可能被冲透，此时应补投碎石再冲。 2 成桩 ① 将成孔管上提 lm 左右，使管底脱离碎石柱。 ②试打即轻冲击管底碎石 1～2 次，如成孔管不随之下沉，可判定碎石已脱离 成孔管底，这时便可提起冲锤投石。 ③打桩底打桩底时一般需投 0.3～0.5m3碎石。 每次投石约为 0.04m3， 冲击2～3 次，边投石边提动，即提管投石冲击的循环。 ④ 打桩身打制桩身仍然是提管投石冲击的循环，但此时不同的是每 次都要把成孔管均匀上提 0.3～0.5m，在保持桩径大体一致的情况下，逐渐增高桩身,直到 打满为止。如图 28 所示。 三、振动水冲法三、振动水冲法 振动水冲法简称振冲法。振冲法可分振冲置换法和振冲挤密法两类。 振冲置换法利用振动和水冲成孔，制造一群以石块、砂砾等散粒材料组成的桩体。这些 桩与原地基土一起构成所谓复合地基，使承载力提高，沉降减少。在成孔过程中有大量的地 基土成泥浆排出，适用于处理不排水抗剪强度不小于 200 kPa 的粘性土、粉土、饱和黄土和 人工填土等地基。 图 2-10碎石桩的施工顺序 A－由外向里方式，B 由里向外方式，C－由一边推向另一边方式，D－间隔跳打方式 振冲挤密法利用振动和水冲使地基振密实，在振动密实过程中形成的空洞，用砂砾、粗 粒土回填再振密实，适用于处理砂土和粉土等地基。 振冲加固可提高地基承载力，减少沉降和不均匀沉降，且能达到地基抗地震液化能力 的效果。国内已将振冲应用在饱和松散粉细砂、中砂、粗砂、砾砂、杂填土、粘性土和软土 中， 都取得了令人满意的效果。 就工程而言， 振冲法可用于中小型工业与民用建筑物、 码头 、 护岸、土石坝、路基、材料堆置场等。 （一）振冲法加固地基的机理（一）振冲法加固地基的机理 振冲加固法是以起重机吊起振冲器， 启动潜水电机带动偏心块， 使振冲器产生高频振动 ， 同时开动水泵通过喷嘴喷射高压水流。 在振动和高压水流的联合作用下， 振冲器沉到土中的 预定深度， 然后从地面向孔中逐段添加填料碎石或其他硬质粗粒料， 每段填料均在振动作 用下被振挤密实，达到所要求的密实度后提升振冲器，再进行第二段填料振冲。重复上述操 作，直至地面，如图 211 所示。从而在地基中形成一根大直径的密实桩体。 振冲法加固地基对不同的地基土性质其作用机理也不同。 1. 松散砂性土 松散砂土是单粒结构，而疏松的单粒结构，颗粒间孔隙大，颗粒位置不稳定，在动力 和静力作用下特别是在振动力作用下很容易位移，产生较大的沉降。 松散砂土在振冲器的振动力和冲水饱和下，一方面传播振动加速度，在振冲器周围一 定范围内的砂土产生了振动液化。 液化后的砂土颗粒在重力以及填料的挤压力作用下重新排 列， 使孔隙减小。 另一方面振冲器的水平振动力和侧向挤压力通过填料层使砂土的结构逐渐 破坏，孔隙水压力迅速增大。由于结构破坏，土粒有可能向低势能位置转移，这样，土体由 松变密。 密实后的砂土地基承载力和变形模量得到了提高。 由于砂土预先经历了人工振动液 化、重排密实，而且制成的碎石桩构成良好的排水通道，降低了今后发生地震时该场地的超 孔隙水压力，从而使二次液化现象大为减轻，砂土颗粒再次重排密实的沉降量大为减小。因 此，振冲法可提高砂土地基抗震能力。 砂土的振动液化在特定的条件下与加速度的大小有关，同时还取决于土层的上覆压力、 土的压密特性、砂的渗透性、边界排水条件以及振动的持续时间或次数。因此，最有效的压 实是在砂层的自振频率接近输入振动频率时产生共振。 当振冲器的振动频率与砂土的自振频 率 1020～1200 次／min 相接近时，振冲挤密效果较好。 2. 粘性土 对于粘性土地基加固，振冲碎石桩的作用不是使地基挤密，而是置换。粘性土 特别 是饱和软土，由于软粘土渗透性很低，振动力或挤压力不能使土中的孔隙水迅速排除而减 小孔隙比。振冲施工时，通过振动器借助其自重、水平振动力和高压水将粘性土变成泥浆水 排出孔外， 形成略大于振冲器直径的孔， 再向孔中灌入碎石料， 并在振冲器的侧向力作用下 ， 将碎石挤入周围土中， 形成具有密实度高和直径大的碎石桩体， 它与原粘性土构成复合地基 。 复合地基承受荷载后， 由于原地基和碎石桩柱材料变形模量不同， 使地基土中应力重新分布 ， 大部分荷载将由碎石桩承担，桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩土应力比，一般为 2～4。因此，在没有提高软粘土承载力的情况下，而整个地基承载能力得到提高。 碎石桩或砂桩是由散粒体组成，承受荷载后产生径向变形，并引起周围的粘性土产 生被动抗力。如果粘性土的强度过低，不能使碎石桩得到所需的径向支持力，桩体就会产生 鼓胀破坏，使加固效果不佳。因此，天然地基抗剪强度的大小是形成复合地基的关键。 （二）振冲碎石桩施工工艺（二）振冲碎石桩施工工艺 1. 振冲施工设备 振冲法的主要施工机具是振冲器。 振冲器必须具有振动 挤实的最优振动力、振幅和振动频率并具有射水成孔，充 水护壁并使土体和填料处于饱和状态的供水性能。 目前使用 的定型产品其构造示意图见图 212。 振冲器的上部为立式潜水电机，下部为振动机体。电机 轴转动时，通过弹性联轴器带动振动机体中的中空轴。中空 轴上装有用键连接的偏心块，从而产生水平向振动力。外径 为 25mm 的水管从电机上部穿过电机中空轴和振动机体中空 轴至端部进行射水和供水，振冲器的锥头由硅锰合金钢制 成，以增强耐磨性。 振动机体外壳为优质无缝钢管， 轴承箱内装有两组径向 轴承和一个推力轴承。 对于内部和外部的各接合面采取了密 封措施。轴内穿过的射水管采取上端固定，下端放松，中部 设一弹性支承点并在管外绕有石棉盘根等材料， 以改善射水 管在振动状态下的受力状况。在振冲器端部机体外设有翼 板，以抵抗振冲时的反扭力矩。在振冲器与上部悬挂导管之 间装有万向接头，以衰减振动能量的向上传递。 振冲施工的配套机械设备有 悬吊、起重和升降系统一般采用履带吊、汽车吊、自 行井架式专用吊机。起重能力和提升高度均应满足施工要 图 2－11振冲施工过程 A-振冲就位,B-振冲成孔,C-开始填料,D-振制桩底,E-振制桩身,F-单桩完成 图 2－12 振冲器 构造示意图 1－水管，2－电缆，3－万向 节，4－潜水电机，5－中空 轴， 6－轴承，7－联轴节，8 －壳体，9－偏心体，10－翼 板，11－射水嘴 求，并需符合起重规定的安全值，一般起重能力为 100～150KN。 泵送系统要求有足够的压力水通过胶皮管引入振冲器的中心水管，最后从振冲器的 孔端喷出 400～600KPa 的水压力，水量为 20～30m3/h。用一般钻进泥浆泵和配水管路即可。 也可用压力达到 700KPa 的其它类型供水泵。 振冲法施工配套设备如图 213 所示。 2. 填料选择及加料方式 ⑴ 填料选择 填料的作用一方面是填充在振冲器上提后在 砂层中可能留下的孔洞， 另一方面是利用填料作为 传力介质，在振冲器的水平振动下通过连续加填 料，将砂层进一步挤压加密。 对中粗砂， 振冲器上提后由于孔壁极易坍落能 自行填满下方的孔洞，从而可以不加填料，就地振 密；但对粉细砂，必须加填料后才能获得较好的振 密效果。 填料可用粗砂、砾石、碎石、矿渣等材料，粒 径为 0.5～5cm。理论上讲填料粒径越粗，挤密效 果越好。使用 30kw 振冲器时，填料的最大粒径宜 在 5cm 以内， 因为如若填料的多数颗粒径大于 5cm， 容易在孔内发生卡料现象， 影响施工进度。 使用 75 kw 大功率振冲器时，最大粒径可放宽到 10cm。 ⑵ 加料方式 在地基内成孔后，接着要往孔内加填料。过 去有三种加料方式。第一种是把振冲器提出孔口， 往孔内倒入约 lm 堆高的填料，然后下降振冲器使 填料振实。每次加料都这样做。第二种是振冲器 不提出孔口，只是向上提升约 lm 左右，然后向孔口倒料，再下降振冲器使填料振实。第三 种是边把振冲器缓慢向上提升，边在孔口连续加料。就粘性土地基来说，多数采用第一种加 料方式，因为后两种方式，桩体质量不易保证。对较软的土层，宜采用“先护壁，后制桩” 的办法施工。即成孔时，不要一下达到设计深度，而是先达到软层上部 1～2m 范围内，将振 冲器提出孔口加一批填料，下降振冲器使这批填料挤入孔壁，把这段孔壁加强以防塌孔。然 后使振冲器下降至下一段软土中，用同样方法加料护壁。如此重复进行，直达设计深度。孔 壁护好，就可按常规步骤制桩了。 选用何种加料方式，主要视地基土的性质而定。在软松土地基中，由于孔道常会被坍塌 下来的软粘土所堵塞，所以常需进行清孔除泥，故不宜使用连续加料的方法。砂性土地基的 孔道，塌孔现象不像软弱粘土地基那样严重，所以为了提高工效，可以使用连续加料的施工 方法。 3. 施工顺序 施工顺序一般可采用“由里向外”或由一边向另一边”的顺序进行。因为这种方式有 利于挤走部分软土。如果“由外向里”制桩，中心区的桩很难做好。对抗剪强度很低的软粘 土地基，为减少制桩时对原土的拢动，宜用间隔跳打的方式施工。当加固区附近有其他建筑 物时， 为减少对建筑物的影晌， 必须先从邻近建筑物一边的桩开始施工， 然后逐步向外推移 。 必要时可用振力较小的振冲器（如 ZCQ13）制邻近建筑物一边的桩。施工顺序可参见图 2 10。 图 2－13振冲法施工配套设备 1－起重机，2－连接管，3－电缆， 4－水管，5－操作台，6－振冲器 4. 施工方法 振冲法具体施工可根据“振冲置换”和“振冲挤密”的不同要求，其施工操作要求亦 有所不同。 ⑴ 振冲置换法施工 在粘性土层中制桩，孔中的泥浆水太稠时碎石料在孔内下降的速度将减慢，且影响施 工速度，所以要在成孔后留有一定时间清孔，将回水把稠泥浆带出地面，降低泥浆的比重。 若土层中央有硬层时，应适当进行扩孔，把振冲器多次往复上下几次，使得此孔径能扩大， 以便于加碎石料。每次往孔内倒入的填料数量，约为堆积在孔内 lm 高，然后用振冲器振密， 再继续加料。密实电流应超过原空振时电流 35～45A。 ⑵ 振冲挤密法施工 振冲挤密法一般在中粗砂地基中使用时可不另外加料，而利用振冲器的振动力，使原 地基的松散砂振挤密实。在粉细砂、粘质粉土中制桩，最好是边振边填料，以防振冲器提出 地面孔壁坍塌。施工操作时，其关键是水量大小和“留振时间”的长短。“留振时间”是指 振冲器在地基中某一深度处停留振动的时间。水量的大小是要保证地基中的砂土充分饱和。 砂土只有在饱和状态下并受到了振动便会产生液化， 足够的留振时间是让地基中的砂 “完全 液化”和保证有足够大的“液化区”。砂土经过液化在高频振动下，颗粒便会重新排列，这 时的孔隙比将比原来的孔隙比小，密实度相应增加，这样就可达到加固的目的。 整个加固区施工完后，桩体顶部向下 lm 左右这一土层，由于上覆压力小，桩的密实度 难以保证，应予以挖除另作垫层，也可另用振动或碾压等密实方法处理。 四、干振碎石桩简介四、干振碎石桩简介 干振碎石桩技术是对振冲碎石桩的直接改 进，即以无射水干振的“振孔器”取代振动加水 冲的“振冲器”造孔和制桩，利用“振孔器”的 水平振动力和自重成孔。挤密碎石而成干振碎石 桩。从而避免泥水污染环境及非饱和土遭水浸的 缺点。图 2－14 为干振法的施工现场情况。干振 法的“振孔器”构造如图 2－15 所示。 干振碎石桩加固地基的工艺是首先用振孔器 振动挤土成孔，使原孔位的土体全部挤到周围土 体中去，成孔后提起振孔器，在孔中倒入约 lm 高 的碎石，再放入振孔器振密碎石，直到达到密实 电流，并且留振适当时间，再提起振孔器。如此 反复进行上提投石振密程序， 即可制成 1 根干振碎石桩。 振动成孔是干振碎石桩施工的关键环节，能 成孔才能成桩。对于杂填土和高压缩性的非饱和 粘性土，成孔电流一般控制在 80～110A，成孔速 度控制在 0.5～1.0m/min。震动器下放的速度要均匀， 不宜过快过猛、忽快忽慢。成孔困难时，可以采用引孔 的方法，即采用其他设备先钻孔，然后再采用振孔器振 扩孔。 干振法施工对填料要求不是很严格，只要求填料化 图 2－14干振碎石桩施工现场 学成分稳定。 这是因为干振法加固地基挤密效应是承载力提高的主要因素， 桩体的置换作用 是第二位的。填料可以是碎石、卵石、建筑垃圾、钢渣等。填料粒径一般不宜超过 10cm， 采用分段填料。每次填料量不宜超过 lm，每次填料后采用振孔器进行挤扩至密实电流（约 80A） ，并留振10～15 秒。 干振法加固地基，在振冲基础上免去了冲水问题，减小了环境污染，施工设备及成孔 成桩工艺简单，在我国北方地区取得了良好的效果。 五、水泥粉煤灰碎石桩五、水泥粉煤灰碎石桩CFGCFG 桩桩 施工技术施工技术 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 上掺入适量石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌合后制成的一种具有一定强度的桩体。其骨料 仍为碎石，用掺入石屑来改善颗粒级配，掺入粉煤灰来改善混合料的和易性，并利用其活性 减少水泥用量；掺入少量水泥使其具有一定粘结强度。它不同于碎石桩。碎石桩是由松散的 碎石组成，在荷载作用下将产生鼓胀变形，增加桩长， 承载力提高不显著。CFG 桩是一种低强度混凝土桩，可 将荷载传递到深层地基中去， 大大提高复合地基承载力。 加之 CFG 施工工艺简单，具有较好的技术性能和经济效 果，得到广泛应用。 （一）加固机理（一）加固机理 CFG 桩加固软弱地基主要有三种作用，即桩体作用、挤密作用和褥垫层作用。 1. 桩作作用 CFG 桩的桩身为具有一定胶结强度的混合料制成。 在垂直荷载作用下桩身不会出现压胀 变形， 在荷载作用下桩的压缩性比其周围软土小得多， 由基础传给复合地基的应力随地基的 变形逐渐集中到桩体上， 桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中， 起到 “桩体作用”，CFG 桩的桩体作用显著，其复合地基承载力提高幅度较大。 2．挤密作用 CFG 桩采用振动沉管法施工，对土体产生振动和挤压，使土得到挤密，经挤密后的地基 土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小，重度、压缩模量均有所增加，使挤密加固后桩 土的力学性能大为改善，从而使复合地基的承载力显著提高。 3．褥垫层作用 由级配砂石、粗砂、碎石等散体材料组成的褥垫，在复合地基中有如下几种作用 1 保证桩、 土共同承担荷载。 褥垫层的设置为 CFG 桩复合地基在受荷后提供了桩上 、 下刺入的条件，即使桩端落在好土层上，至少可以提供上刺入条件，以保证桩间土始终参与 承载（图 2－16） 。 2 减少基础底面应力集中。 在基础底面处桩顶应力σp与桩间土应力σs之比随褥垫 层厚度的变化如图 217 所示。当褥垫层厚度大于 10cm 时，桩对基础产生的应力集中已显 著降低。 褥垫厚度可以调整桩土荷载分担比， 当荷载一定时， 褥垫越厚， 土承担的荷载越多 。 图 2－15 振孔器结构示意图 1－滑轮，2－反扭矩，3－电动机，4 －传动轴，5－万向节，6－减震器， 7－配重体，8－偏心体 （二（二） ）施工施工 工艺工艺 CFG 桩施工工艺流程见图 2－18。 1. 机具设备 CFG 桩成桩机具一般采用振动式沉管或锤击式沉管机设备， 配以 DZJ90 型变矩式振动锤 （图 2－19 为振动沉管设备） 。也可根据现场土质情况和设计要求的桩长、桩径选用其他类 型的振动锤。所用桩管的外径一般为 325mm 和 377mm 两种。 2.施工程序 ⑴ 桩机就位 桩机就位须水平、稳固、调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于 1％。若采用预 制钢筋混凝土桩尖，需埋入地表以下 300mm 左右。 ⑵ 沉管 图 2－18 CFG 桩施工工艺流程图 A-振（打）入桩管,B-桩管到深,C-填入拌合料,D-边振（留振）边上提桩管,E-单桩完成 图 2－16CFG 桩复合地基示意图图 217σp/σs与褥垫层厚度关系曲线 启动电动机，开始沉管直至设计深度。沉管过程中须作好记录。对土层变化处应特别 说明。 ⑶ 停振投料 沉管至设计标高后须尽快投料，投料量直到管内料面与钢管投料口平齐。如上料量不 多，须在拔管过程中进行孔中投料，以保证成桩桩顶 标高满足设计要求。 ⑷ 留振拔管 当混合料加至钢管投料口平齐后， 开动振动电机， 使沉管原地留振动 10 秒左右，然后边振动边拔管。每 上拔 lm，停拔，原位振动 5～10s。如此反复，直至全 部拔出桩管。 拔管速度应均匀，一般控制在 1.2～1.5m左右， 如遇淤泥或淤泥质土，拔管速率要适当放慢。 ⑸ 复振 如需扩大桩径，增强挤密程度，在拔出沉管后， 在原桩孔位上第二次振动沉管，将未凝固的混合料向 四周挤压，达到要求深度后，二次灌注混合料，再次 振动拔管成桩。 ⑹ 保护桩长 保护桩长是指成桩时预先设定加长的段桩长， 基础施工时将其剔掉。保护桩长越长，桩的施工质量 越容易控制，但浪费的材料也越多。保护桩长一般可 取 05～1.0m，上部用土或粒状材料封顶直到地面。 ⑺ 桩头处理 CFG 桩施工完毕待桩体达到一定强度一般为 7 天左右，方可进行基槽开挖。在基槽开 挖中，如果设计桩顶标高距地面深度小于 1.5m，宜采用人工开挖，如果基槽开挖较探，开 挖面积大，采用人工开挖不经济，可考虑采用机械和人工联合开挖。桩头凿平，并适当高出 桩间土 1～2cm。 ⑻ 褥垫铺设 褥垫材料多为粗砂、中砂或级配砂石，限制最大粒径不超过 3cm。 虚