第五章1砂石樁法

5.1砂石樁法

1.概述碎石樁、砂樁和砂石樁總稱(chēng)為砂石樁，又稱(chēng)粗顆粒土樁，是指采用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石、砂或砂石擠壓入已成的孔中，形成砂石所構(gòu)成的密實(shí)樁體，并和原樁周土組成復(fù)合地基的地基處理方法。砂石樁適用于擠密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土地基。對(duì)飽和粘土地基上對(duì)變形控制要求不嚴(yán)的工程也可采用砂石樁置換。砂石樁也可用于處理可液化地基。2.加固機(jī)理

(1)對(duì)松散砂土和粉土的加固機(jī)理砂石樁法加固砂性土地基的主要目的是提高地基土承載力、減少變形和增強(qiáng)抗液化性。砂石樁加固砂土地基抗液化的機(jī)理主要有下列三方面作用：①擠密作用砂土和粉土屬于單粒結(jié)構(gòu)，其組成單元為松散粒狀體，滲透系數(shù)大，一般大于10-4cm/s。單粒結(jié)構(gòu)在松散狀態(tài)時(shí)，顆粒的排列位置是極不穩(wěn)定的，在動(dòng)力和靜力作用下會(huì)重新進(jìn)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)定的狀態(tài)，在動(dòng)力和靜力作用下也將發(fā)生位移，改變其原來(lái)的排列位置。松散砂土在振動(dòng)力作用下，其體積可減少20%。

對(duì)擠密砂樁和碎石樁的沉管法或干振法，由于在成樁過(guò)程中樁管對(duì)周?chē)皩赢a(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管中的砂擠向樁管周?chē)纳皩?，使樁管周?chē)纳皩涌紫侗葴p小，密實(shí)度增大，這就是擠密作用。有效擠密范圍可達(dá)3～4倍樁直徑。對(duì)振沖擠密法，在施工過(guò)程中由于水沖使松散砂土處于飽和狀態(tài)，砂土在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下產(chǎn)生液化并重新排列致密，且在樁孔中填入大量粗骨料后，被強(qiáng)大的水平振動(dòng)力擠入周?chē)林校@種強(qiáng)制擠密使砂土的密實(shí)度增加，孔隙比降低，干密度和內(nèi)摩擦角增大，土的物理力學(xué)性能改善，使地基承載力大幅度提高，一般可提高2～5倍。同時(shí)，由于地基密實(shí)度顯著提高，其抗液化的性能也得到改善。②排水減壓作用對(duì)砂土液化機(jī)理的研究證明，當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷載作用時(shí)，將發(fā)生體積的收縮和趨于密實(shí)，在砂土無(wú)排水條件時(shí)體積的快速收縮將導(dǎo)致超靜孔隙水壓力來(lái)不及消散而急劇上升。當(dāng)砂土中有效應(yīng)力降低為零時(shí)便形成了完全液化。碎石樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填碎石（卵石、礫石）等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超孔隙水壓力的增高和砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基的排水固結(jié)。

③砂基預(yù)震效應(yīng)美國(guó)H.B.Seed等人（1975）的試驗(yàn)資料表明，相對(duì)密度Dr=0.54但受過(guò)預(yù)震影響的砂樣，其抗液能力相當(dāng)于相對(duì)密度Dr=0.8的未受過(guò)預(yù)震的砂樣。即在一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下，當(dāng)兩試樣的相對(duì)密度相同時(shí)，要造成經(jīng)過(guò)預(yù)震的試樣發(fā)生液化，所需施加的應(yīng)力要比施加未經(jīng)預(yù)震的試樣引起液化所需應(yīng)力值提高46%。從而得出了砂土液化特性除了與砂土的相對(duì)密度有關(guān)外，還與其振動(dòng)應(yīng)變史有關(guān)的結(jié)論。國(guó)外報(bào)道中指出只要小于0.074mm的細(xì)顆粒含量不超過(guò)10%，都可得到顯著的擠密效應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，土中細(xì)顆粒含量超過(guò)20%時(shí)，振動(dòng)擠密法對(duì)擠密而言不再有效。(2)對(duì)粘性土的加固機(jī)理①置換作用

密實(shí)的砂石樁在軟弱粘性土中取代部分軟弱粘性土，形成復(fù)合地基，使承載力有所提高，地基沉降減少。載荷試驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，砂石樁復(fù)合地基承受外荷載時(shí)，發(fā)生壓力向砂石樁集中的現(xiàn)象，使樁周?chē)翆映惺艿膲毫p少，沉降也相應(yīng)減小。砂石樁復(fù)合地基與天然軟弱粘性土地基相比，地基承載力增大率和沉降減小率與置換率成正比關(guān)系。根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，地基沉降減少70%~90%；根據(jù)我國(guó)在淤泥質(zhì)亞粘土和淤泥質(zhì)粘土中形成的砂石樁復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)，在同等荷載作用下，其沉降可比天然地基減少20%~30%。②排水作用如果在選用砂石樁材料時(shí)考慮級(jí)配，則所制成的砂石樁是粘土地基中一個(gè)良好的排水通道，它能起到排水砂井的效能，且大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑，加速軟土的排水固結(jié)，使沉降穩(wěn)定加快?？傊笆瘶蹲鳛閺?fù)合地基的加固作用，除了提高地基承載力、減少地基的沉降量外，還可用來(lái)提高土體的抗剪強(qiáng)度，增大土坡的抗滑穩(wěn)定性。國(guó)外通常將這類(lèi)加固歸屬于“加筋法”范疇。不論對(duì)疏松砂性土或軟弱粘性土，砂石樁的加固作用有：擠密、置換、排水、墊層和加筋。3.設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)處理范圍砂石樁處理范圍應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和場(chǎng)地條件及基礎(chǔ)型式而定，通常都大于基底范圍。處置寬度宜在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1～3排樁；對(duì)可液化地基，在基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大寬度應(yīng)不小于可液化土層厚度的1/2，并不應(yīng)小于5m。

(2)樁位布置砂石樁樁位宜采用等邊三角形或正方形布置。對(duì)大面積滿(mǎn)堂處理，樁位宜用等邊三角形布置；對(duì)獨(dú)立或條形基礎(chǔ)，樁位宜用正方形、矩形或等腰三角形布置；對(duì)于圓形或環(huán)形基礎(chǔ)（如油罐基礎(chǔ)）宜用放射形布置，如圖5-1。(3)樁長(zhǎng)砂石樁樁長(zhǎng)可根據(jù)工程要求和工程地質(zhì)條件通過(guò)計(jì)算確定：①當(dāng)松軟土層厚度不大時(shí)，砂石樁樁長(zhǎng)宜穿過(guò)松軟土層；②當(dāng)松軟土層厚度較大時(shí)，對(duì)按穩(wěn)定性控制的工程，砂石樁樁長(zhǎng)應(yīng)不小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面以下2m的深度；對(duì)按變形控制的工程，砂石樁樁長(zhǎng)應(yīng)滿(mǎn)足處理后地基變形量不超過(guò)建筑物地基的容許變形值并滿(mǎn)足下臥層承載力的要求；

③

對(duì)可液化地基，砂石樁樁長(zhǎng)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）的有關(guān)規(guī)定采用；④樁長(zhǎng)不宜短于4m。

(4)樁徑砂石樁直徑可采用300~800mm，可根據(jù)地基土質(zhì)情況或成樁設(shè)備等因素確定。對(duì)飽和粘性土地基宜選用較大的直徑。

(5)樁間距砂石樁間距應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。對(duì)粉土和砂土地基不宜大于砂石樁直徑的4.5倍；對(duì)粘性土地基不宜大于砂石樁直徑的3倍。初步設(shè)計(jì)時(shí)，砂石樁的間距可按下列公式估算:①松散粉土和砂土地基

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）規(guī)定，按下列公式確定樁間距：正方形布樁正三角形布樁

②

粘性土地基

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）規(guī)定，按下列公式確定樁間距：正方形布樁

正三角形布樁(6)樁體材料砂石樁樁體材料可就地取材，一般可用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑等硬質(zhì)材料，含泥量不得大于5%。最大粒徑不宜大于50mm。

(7)填料量砂石樁樁孔內(nèi)的填料量應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，估算時(shí)可按設(shè)計(jì)樁孔體積乘以充盈系數(shù)β確定，β可取1.2~1.4。如施工中地面有下沉或隆起現(xiàn)象，則填料量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況予以增減。

(8)墊層砂石樁施工完畢后，砂石樁頂部宜鋪設(shè)300~500mm厚度的砂石墊層。墊層應(yīng)分層鋪設(shè)，用平板振動(dòng)器振實(shí)。在不能保證施工機(jī)械正常行駛和操作的軟弱土層上，應(yīng)鋪設(shè)施工用臨時(shí)性墊層。(9)砂石樁復(fù)合地基承載力特征值砂石樁復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)也可采用單樁和處理后樁間土承載力特征值按下式估算：對(duì)小型工程的粘性土地基如無(wú)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)資料時(shí)，初步設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合地基的承載力特征值也可按下式估算：(10)穩(wěn)定性分析若砂石樁用于改善天然地基整體穩(wěn)定性時(shí)，可利用復(fù)合地基的抗剪特性，再使用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算。

(11)沉降計(jì)算砂石樁處理地基的沉降變形包括復(fù)合地基加固區(qū)的沉降變形和下臥層的沉降變形兩部分。砂石樁處理地基的沉降變形應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2002）的有關(guān)規(guī)定計(jì)算。復(fù)合土層的壓縮模量可按下式計(jì)算：例5-1某砂土地基，e0=0.902，emax=0.978，emin=0.742，該地基擬采用擠密碎石樁加固，正三角形布樁，擠密后要求砂土相對(duì)密度Dr=0.886，求碎石樁間距（ξ=1.0，樁徑0.4m)。例5-2某天然地基fsk=100kPa，采用振沖擠密碎石樁復(fù)合地基，樁長(zhǎng)l=10m，樁徑d=1.2m，按正方形布樁，樁間距s=1.8m，單樁承載力特征值fpk=450kPa，樁設(shè)置后，樁間土承載力提高20%，試求復(fù)合地基承載力特征值。例5-3振沖碎石樁樁徑0.8m，正三角形布置，樁距2.0m，復(fù)合地基承載力特征值為200kPa，樁間土承載力特征值為150kPa，試求樁土應(yīng)力比。4.施工砂石樁施工可以采用振沖法、沉管法、沖擊法、振動(dòng)法等。下面主要介紹以下兩種施工方法：振沖法和沉管法。

(1)振沖法振沖法是指在振沖器和高壓水的共同作用下，使松砂土層振密，或在軟弱土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成樁柱，并和原地基組成復(fù)合地基的處理方法。振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質(zhì)粘土、素填土和雜填土等地基。對(duì)于處理不排水抗剪強(qiáng)度不小于20kPa的飽和粘性土和飽和黃土地基，應(yīng)在施工前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。

①施工機(jī)具振沖器是振沖法施工的主要機(jī)具，國(guó)內(nèi)常用的振沖器型號(hào)見(jiàn)表5-2。②施工步驟

a.清理平整場(chǎng)地，布置樁位；

b.施工機(jī)具就位，使振沖器對(duì)準(zhǔn)樁位；

c.啟動(dòng)水泵和振沖器，水壓可用200~600kPa，水量可用200~400L/min，將振沖器徐徐沉入土中，造孔速度宜為0.5~2.0m/min，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度。記錄振沖器經(jīng)各深度的水壓、電流和留振時(shí)間。

d.造孔后邊提升振沖器邊沖水至孔口，再放至孔底，重復(fù)2~3次擴(kuò)大孔徑并使孔內(nèi)泥漿變稀，開(kāi)始填料制樁。e.大功率振沖器投料不提出孔口，小功率振沖器下料困難時(shí)，可將振沖器提出孔口投料，每次填料厚度不宜大于50cm。將振沖器沉入填料中進(jìn)行振密制樁，當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定的密實(shí)電流值和規(guī)定的留振時(shí)間后，將振沖器提升30~50cm。

f.重復(fù)以上步驟，自下而上逐段制作樁體直至孔口，記錄各段深度的填料量、最終電流和留振時(shí)間，并均應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

g.關(guān)閉振沖器和水泵。③施工順序施工順序見(jiàn)圖5-5。④施工要點(diǎn)

a.為了保證樁頂部的密實(shí)，振沖前開(kāi)挖基坑時(shí)應(yīng)在樁頂高程以上預(yù)留一定厚度的土層。一般30kW振沖器應(yīng)留0.7~1.0m，75kW振沖器應(yīng)留1.0~1.5m，當(dāng)基槽不深時(shí)可振沖后開(kāi)挖。

b.不加填料振沖加密宜采用大功率振沖器，為了避免造孔中塌砂將振沖器抱住，下沉速度宜快，造孔速度宜為8~10m/min，到達(dá)深度后將射水量減至最少，留振至密實(shí)電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)，上提0.5m，逐段振密至孔口，一般每米振密時(shí)間約1分鐘。在粗砂中施工如遇下沉困難，可在振沖器兩側(cè)增焊輔助水管，加大造孔水量，但造孔水壓宜小。

c.要保證振沖樁的質(zhì)量，必須控制好密實(shí)電流、填料量和留振時(shí)間。(2)沉管法沉管法過(guò)去主要用于制作砂樁，近年來(lái)已開(kāi)始用于制作碎石樁，這是一種干法施工。沉管法包括振動(dòng)沉管成樁法和錘擊沉管成樁法兩種。垂直上下振動(dòng)的機(jī)械施工稱(chēng)為振動(dòng)沉管成樁法，用錘擊式機(jī)械施工成樁的稱(chēng)為錘擊沉管成樁法，錘擊沉管成樁法的處理深度可達(dá)10m。當(dāng)用于消除粉細(xì)砂及粉土液化時(shí)，宜用振動(dòng)沉管成樁法。①施工機(jī)具砂石樁機(jī)（圖5-6）通常包括樁機(jī)架、樁管及樁尖、提升裝置、擠密裝置（振動(dòng)錘或沖擊錘）、上料設(shè)備及檢測(cè)裝置等部分。DZ50型樁機(jī)上料斗檢查管內(nèi)混凝土高度實(shí)測(cè)樁長(zhǎng)②施工步驟

a.振動(dòng)法施工有一次拔管法，逐步拔管法和重復(fù)壓拔管法三種，比較常用的是重復(fù)壓拔管法。其成樁步驟如下：

1)移動(dòng)樁機(jī)及導(dǎo)向架，把樁管及樁尖對(duì)準(zhǔn)樁位；

2)啟動(dòng)振動(dòng)錘，把樁管下沉到規(guī)定的深度；

3)向樁管內(nèi)投入規(guī)定數(shù)量的砂石料；

4)把樁管提升一定的高度（下砂石順利時(shí)提升高度不超過(guò)1~2m），提升時(shí)樁尖自動(dòng)打開(kāi)，樁管內(nèi)的砂石料流入孔內(nèi)；

5)降落樁管，利用振動(dòng)及樁尖的擠壓作用使砂石密實(shí)；

6)重復(fù)d、e工序，樁管上下運(yùn)動(dòng)，砂石料不斷補(bǔ)充，砂石樁不斷增高；

7)樁管提至地面，砂石樁完成。b.錘擊法施工有單管法和雙管法兩種，但單管法難以發(fā)揮擠密作用，故一般宜用雙管法。雙管法的施工根據(jù)具體條件選定施工設(shè)備，也可臨時(shí)組配。其施工成樁過(guò)程如圖5-7所示：1)將內(nèi)外管安放在預(yù)定的樁位上，將用作樁塞的砂石投入外管底部；

2)以?xún)?nèi)管做錘沖擊砂石塞，靠摩擦力將外管打入預(yù)定的深度；

3)固定外管將砂石塞壓入土中；

4)提內(nèi)管并向外管投入砂石料；

5)邊提外管邊用內(nèi)管將砂石沖出擠壓土層；

6)重復(fù)4)、5)工序；

7)待外管拔出地面，砂石樁完成。其他施工控制和檢測(cè)記錄參照振動(dòng)法施工的有關(guān)規(guī)定。此法優(yōu)點(diǎn)是砂石的壓入量可隨意調(diào)節(jié)，施工靈活，特別適合小規(guī)模工程。

③

施工順序?qū)ι巴恋鼗?，砂石樁主要起擠密作用，應(yīng)間隔（跳打）進(jìn)行，并宜由外圍或兩側(cè)向中間推進(jìn)；對(duì)粘性土地基，砂石樁主要起置換作用，為了保證設(shè)計(jì)的置換率，宜從中間向外圍或隔排施工；在既有建（構(gòu)）筑物鄰近施工時(shí)，為了減少對(duì)鄰近既有建（構(gòu)）筑物的振動(dòng)影響，應(yīng)背離建（構(gòu)）筑物方向進(jìn)行。④施工要點(diǎn)

a.施工時(shí)樁位水平偏差不應(yīng)大于0.3倍套管外徑；套管垂直度偏差不應(yīng)大于1%。

b.施工中應(yīng)選用能順利出料和有效擠壓孔內(nèi)砂石料的樁尖結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用活瓣樁靴時(shí)，對(duì)砂土和粉土地基宜選用尖錐形；對(duì)粘性土地基宜選用平底形；一次性樁尖可采用混凝土錐形樁尖。c.應(yīng)在施工中進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)和記錄。觀測(cè)內(nèi)容包括樁管下沉隨時(shí)間的變化；灌砂石量預(yù)定數(shù)量與實(shí)際數(shù)量；樁管提升和擠壓的全過(guò)程（提升、擠壓、砂石樁高度的形成隨時(shí)間的變化）等。

d.砂石樁施工完畢，當(dāng)設(shè)計(jì)或施工投砂石量不足時(shí)地面會(huì)下沉；當(dāng)投料過(guò)多時(shí)地面會(huì)隆起，同時(shí)表層0.5~1.0m常呈松軟狀態(tài)。

e.砂石樁頂部施工時(shí)，由于上覆壓力較小，因而對(duì)樁體的約束力較小，樁頂形成一個(gè)松散層，加載前應(yīng)加以處理（挖除或碾壓）才能減少沉降量，有效地發(fā)揮地基作用。5.單樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)在實(shí)際工程中，單樁和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)加固效果和工程質(zhì)量的一種有效而常用的方法。一般可分為工程類(lèi)載荷試驗(yàn)和試驗(yàn)類(lèi)載荷試驗(yàn)兩大類(lèi)。工程類(lèi)載荷試驗(yàn)是對(duì)工程質(zhì)量和效果的檢驗(yàn)，其