地基处理新技术5(碎石桩)

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1、碎 石 桩 复 合 地 基 Stone Column Composition Foundation南 京 林 业 大 学 土 木 工 程 学 院 邵 光 辉 振 冲 法 施 工1 概 述 碎 石 桩 (Stone Column)碎 石 桩 最 早 在 1835年 由 法 国 在 Bayonne建 造 兵 工 厂 车 间 时 使 用 1937年 由 德 国 人 发 明 了 振 动 水 冲 法 (Viborfloatation) (简 称 振 冲 法 )用来 挤 密 砂 土 地 基 本 世 纪 60年 代 初 ， 振 冲 法 开 始 用 来 加 固 粘 性 土 地 基 ， 并形 成 碎 石 桩 。

2、 随 着 时 间 的 推 移 ， 各 种 不 同 的 施 工 工 艺 相 应 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 虽 施 工 不 同 于 振 冲 法 ， 但 同 样 可 形 成 密 实 的 碎 石 桩 ， 人们 自 觉 或 不 自 觉 地 套 用 了 “ 碎 石 桩 ” 的 名 称 。 2 按 施 工 方 法 分 类 及 其 适 用 性 振 密 法沉 管 法 干 振 法振 冲 挤 密 法 置 换 法 钻 孔 锤 击 法振 冲 置 换 法 排 土 法沉 管 法 强 夯 置 换 法振 动 气 冲 法 其 它 方 法群

3、围 碎 石 桩 法 袋 装 碎 石 桩 法水 泥 碎 石 桩 法 3 加 固 机 理 3.1 对 松 散 砂 土 加 固 机 理 疏 松 的 单 粒 结 构 ， 产 生 较 大 的 沉 降 ， 特 别 在 振 动 力 作用 下 更 为 显 著 ， 其 体 积 可 减 少 20 。 碎 石 桩 和 挤 密 法 加 固 砂 性 土 地 基 的 主 要 目 的 是 提 高 地 基承 载 力 、 减 少 变 形 和 增 强 抗 液 化 性 。 挤密作用排水减压作用砂基预震效应 液 化 地 基 3.2 对 粘 性 土 加 固 机 理换 土 置 换 不 论 对 疏 松 砂 性土 或 软 弱 粘 性 土 ，

4、 碎 石桩 的 加 固 作 用 有 ： 挤 密 、置 换 、 排 水 、 垫 层 和 加 筋 的 五 种 作 用 。 强 制 置 换 强 制 置 换 4 设 计 计 算4.1 一 般 设 计 原 则(一 )加 固 范 围 大 于 基 底 面 积 。 对 一 般 地 基 ， 在 基 础 外 缘 宜 扩 大 12排 ； 对 可 液 化 地 基 ， 在 基 础 外 缘 应 扩 大 24排 桩 。 (二 )桩 位 布 置（ a） 正 方 形 （ b） 矩 形 （ c） 等 腰 三 角 形 （ d） 放 射 形 (三 )加 固 深 度(1)当 相 对 硬 层 的 埋 藏 深 度 不 大 时 ， 应 按

5、相 对 硬 层 埋 藏 深 度 确 定 ；(2)当 相 对 硬 层 的 埋 藏 深 度 较 大 时 ， 对 按 变 形 控 制 的 工 程 ， 加 固深 度 应 满 足 碎 石 桩 复 合 地 基 变 形 不 超 过 建 筑 物 地 基 容 许 变 形 值的 要 求 ； (3)对 按 稳 定 性 控 制 的 工 程 ， 加 固 深 度 应 不 小 于 最 危 险 滑 动 面 的深 度 ；(4)在 可 液 化 地 基 中 ， 加 固 深 度 应 按 要 求 的 抗 震 处 理 深 度 确 定 ； (5)桩 长 不 宜 短 于 4m。 目 前 国 外 振 冲 碎 石 桩 加 固 地 基 最 大 深

6、 度 为 25m， 国 内 振 冲碎 石 桩 加 固 地 基 最 大 深 度 为 18m， 因 此 设 计 时 最 大 桩 长 不 要 超 过 25m， 否 则 应 做 专 门 的 试 验 研 究 。 碎 石 桩 的 直 径 应 根 据 地 基 土 质 情 况 和 成 桩 设备 等 因 素 确 定 。 采 用 30kw振 冲 器 成 桩 时 ， 碎 石 桩的 桩 径 一 般 为 0.70一 1.0m； 采 用 沉 管 法 成 桩 时 ，碎 石 桩 的 桩 径 一 般 为 0.7m， 对 饱 和 粘 性 土 地 基 宜选 用 较 大 的 直 径 。(四 ) 桩 径 4.2 用 于 砂 性 土 设

7、 计 计 算 方 法(一 )桩 距 确 定当 正 方 形 布 置 时 ：处 理 前 体 积 ： 处 理 后 体 积 ： 可 得 正 方 形 桩 位 布 置 计 算 桩 距 孔 隙 比 e变 化 图故设 桩 体 直 径 为 d， 由 于 4 2dA p 代 入 当 正 方 形 布 置 时 ：当 等 边 三 角 形 布 置 时 ：D r地 基 挤 密 后 要 求 砂 土 达 到 的 相 对 密 实 度 ， 可 取 0.700.85。 (二 )液 化 判 别标 准 贯 入 试 验 判 别 法 ：N63.5标 准 贯 击 试 验 贯 入 锤 击 数 实 测 值 (未 经 杆 长 修 正 )Ncr 液

8、化 判 别 标 准 贯 入 锤 击 数 临 界 值N 0 液 化 判 别 标 准 贯 入 锤 击 数 基 准 值 （ 可 查 表 得 到 ）ds 饱 和 土 标 准 贯 入 点 深 度 (m)0 粘 粒 含 量 百 分 牢 ， 当 小 于 3或 为 砂 土 时 ， 均 采 用 3dw 地 下 水 位 深 度 (m） 4.3 用 于 粘 性 土 设 计 计 算 方 法 （ 一 ） 桩 间 距 确 定等 边 三 角 形 布 置 时 ： eAl 08.1正 方 形 布 置 时 ： eAl mAA pe 式 中 ： Ae一 根 碎 石 桩 承 担 的 处 理 面 积 ； A p碎 石 桩 的 截 面

9、积 ； m面 积 置 换 率 ， 一 般 为 0.100.30 （ 1） 按 置 换 要 求 计 算 步 骤 如 下 ： a、 根 据 所 提 供 的 天 然 地 基 容 许 承 载 力 、 已 确 定 的 砂 石 桩 容许 承 载 力 、 要 求 达 到 的 复 合 地 基 承 载 力 ， 利 用 复 合 地 基 承 载力 计 算 公 式 ， 求 出 满 足 上 述 要 求 的 置 换 率 。 b、 按 碎 石 桩 设 计 直 径 ， 计 算 出 碎 石 桩 截 面 积 。 c、 求 出 一 根 桩 所 分 担 的 地 基 处 理 面 积 。d、 求 桩 间 距 。 （ 2） 按 固 结 度

10、 要 求 确 定同 排 水 固 结 法 砂 井 计 算 。 （ 二 ） 复 合 地 基 承 载 力或 sfpfcf pmKmpKp )1(2211 pcf桩 极 限 承 载 力 （ kPa） psf天 然 地 基 限 承 载 力 （ kPa） K1复 合 地 基 中 桩 实 际 极 限 承 载 力 与 单 桩 极 限 承载 力 不 同 的 修 正 系 数 。 K2 桩 间 土 与 天 然 地 基 承 载 力 不 同 的 修 正 系 数 。 1 反 映 桩 的 极 限 承 载 力 发 挥 程 度 的 系 数 。 2 反 映 桩 间 土 的 极 限 承 载 力 发 挥 程 度 的 系 数 。 m复

11、 合 地 基 置 换 率 。 桩 周 土 可 能 发 挥 的 对 桩 体 的 侧 限 能 力 对 散 体 材 料 桩 复 合 地基 极 限 承 载 力 起 关 键 作 用 。 一 般 表 达 式 如 下 ： prupf Kp ru桩 侧 土 提 供 的 侧 向 极 限 应 力 ；Kp桩 体 材 料 的 被 动 土 压 力 系 数 。 侧 向 极 限 应 力 的 计 算 方 法 主 要 有 Brauns（ 1978） 计算 式 ， 圆 孔 扩 张 理 论 计 算 式 ， Wong.H.Y.（ 1975） 计 算 式 ，Hughes和 Withers（ 1974） 计 算 式 和 被 动 土 压

12、力 法 等 。 （ 三 ） 沉 降 计 算1、 分 层 总 和 法复 合 模 量 式 中 桩 土 应 力 比 m在 无 实 测 资 料 时 ， 对 粘 性 土 可 取 24， 对 粉 土 可 取 1.53， 原 土 强 度 低 者 取 大 值 ， 原 土 强 度 高者 取 小 值 。 目 前 尚 未 形 成 碎 石 桩 复 合 地 基 的 沉 降 计 算 经 验 系 数 s。韩 杰 (1992)通 过 对 5幢 建 筑 物 的 沉 降 观 测 资 料 分 析 得 到 ， s0.431.20， 平 均 值 为 0.93， 在 没 有 统 计 数 据 时 可 假 定 s1.0。 2 沉 降 折 减

13、 法处 理 后 的 沉 降 量 可 用 下 式 表 示 ： (四 )固 结 度 计 算 Goughnour和 Bayuk(1979)认 为 一 般 常 用 的 排 水 砂 并 理 论也 适 用 于 计 算 复 合 地 基 的 沉 降 与 时 间 关 系 。 为 了 考 虑 涂 抹作 用 ， Barksdale和 Bachus(1983)提 出 将 桩 径 乘 以， 并 且 一 般 可 假 定 水 平 渗 透 系 数 为 垂 直 渗 透 系 数 的 35倍 。15121固 结 系 数 是 反 映 地 基 因 结 快 慢 的 重 要 参 数 ， 值 越 大 ， 其 固 结 速 率也 越 快 。 由

14、 分 析 可 知 ， 碎 石 桩 复 合 地 基 的 值 均 大 于 天 然 地基 ， 从 而 证 明 了 碎 石 桩 加 速 地 基 固 结 的 有 效 性 ， 但 淤 泥 质土 的 效 果 不 及 粘 质 粉 土 。 teU 1 (五 )稳 定 分 析 Priebe(1978)所 提 出 的 方 法 ， 采 用 了 sp和 csp的 复 合 值 ，并 由 下 式 求 得 ： 式 中 与 桩 土 应 力 比 和 置 换 率 有 关 的 参 数 ， mp， 一 般 0.40.6。 p应 力 集 中 系 数 ， )1(1 nmnp 如 已 知 sp和 csp后 ， 可 用 常 规 稳 定 分 析

15、 方 法 计 算 抗 滑 安全 系 数 ， 或 者 根 据 要 求 的 安 全 系 数 ， 反 求 需 要 的 和 m。 5 施 工 工 艺 振 冲 法 施 工5.1 振 冲 法 振 冲 器 构 造 图 Adding stone in top-feed installation Bottom-feed vibroflot rig chicago1 CP Rail - CMO Terminal Relocation Marine Work CP Rail - CMO Terminal Relocation Marine Work b CP Rail - CMO Terminal Relocati

16、on Marine Work c CP Rail - CMO Terminal Relocation Marine Work d dunkerque1 dunkerque2 dunkerque3 PASIR PAJANG CONTAINER TERMINAL (Singapore) 5.2 沉 管 法(一 )振 动 成 桩 法 振 动 挤 密 碎 石 桩 施 工 顺 序 图 振 动 沉 管 碎 石 桩 加 固 地 基 (二 )冲 击 成 桩 法1 单 管 法 单 管 冲 击 成 桩 工 艺 2、 双 管 法 （ 1） 芯 管 密 实 法芯 管 密 实 法 成 桩 工 艺 (2)内 击 沉 管

17、法 内 击 沉 管 法 制 桩 工 艺 6 质 量 检 验 碎 石 桩 施 工 结 束 后 ， 除 砂 土 地 基 外 ， 应 间 隔 一 定 时 间 方可 进 行 质 量 检 验 。 对 粘 性 土 地 基 ， 间 隔 时 间 可 取 34周 ， 对粉 土 地 基 可 取 23周 。 质 量 检 验 可 用 单 桩 载 荷 试 验 ， 其 圆 形 压 板 的 直 径 与 桩 的 直径 相 等 ， 可 按 每 200400根 桩 随 机 抽 取 一 根 进 行 检 验 ， 但 总 数不 得 少 于 3根 。 对 砂 土 或 粉 土 层 中 碎 石 桩 ， 除 用 单 桩 载 荷 试 验检 验 外 ， 尚 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 。 复 合 地 基 承 载 力 检 测 （ 载 荷 试 验 振 冲 碎 石 桩 的 动 探 检 测 更 多 碎 石 桩 施 工 图 片 资 料 National City Marine Terminal Extension San Diego (US) 沉 管 法