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振冲桩施工技术
2017-06-12

一、振冲法简介:

振冲法是振动水冲法的简称,用此技术加固地基有以下5方面优点:

1、振动力直接作用于地基深层软弱土的部位,对软弱土施加的振动侧向挤压力大,因而使土密实的效果与其它地基处理方法相比最好;

2、对不均匀的天然地基土,在平面和深层范围内,由于地基的振密程度可随地基软硬程度用不同的填料量进行调整,同样可取得相同的密实电流,使加固后成为较为均匀的地基,以满足工程对地基变形的要求;

3、施工机具简单,操作方便,施工速度较快,加固质量易控制,目前的施工技术最深可达30m

4、不需钢材和水泥,仅用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂和中砂等当地硬质材料,因而造价较低,与钢筋混凝土桩基相比较,一般可节约投资三分之一;

5、在天然软弱地基中,经振冲填以碎石、或卵石等粗骨料,成桩后改变了地基排水条件,可加速地震时超孔隙水压力的消散,有利于地基抗震和防止液化。

振冲法分为振冲置换法振冲密实法两类。振冲置换法适用于处理不排水、抗剪强度不小于20kpa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基;振冲密实法适用于处理砂土和粉土等地基。不加填料的振冲密实法仅适用于处理粘粒含量小于10%的粗砂和中砂地基。

振冲法在粘性土中施工时,由于排污泥量较大,因而在人中稠密的市中心和没有排污泥场地时使用受到了一定的限制。为了克服排污泥的缺点,国内外都在研究干振法,施工时可不用水。目前国内干振法适用于地下水位以上的非饱和松软的粘性土;以炉灰、炉渣、建筑垃圾为主的杂填土;松散的素填土;二级以上湿陷性土及其它高压缩性土(其加固机理都属挤密效应)。

二、加固机理:

1、对松散砂土加固机理:

砂土是单粒结构,密实的单粒结构已接近稳定状态,在荷载作用下不再会产生大的变形。而疏松的单粒结构,颗粒间孔隙较大,颗粒位置不稳定,在动载或静载作用下很容易位移,因而会产生较大的变形。特别在振动荷载作用下更为显著,鞭体积可减少20%。所以疏松的砂性土不经处理不能作为建筑地基。碎石桩(振冲法或干振法)加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承载力和模量,并增强抗液化性,其抗液化的加固机理有下列三方面作用:

⑴ 挤密效应

对振冲挤密法,在施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态,砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化,并重新排列致密,且在桩孔中填入大量的粗骨料后,被强大的水平振动力挤入周围土中,使砂土的相对密实度增加,孔隙率降低,干密度和内摩擦角增大,土的物理力学性能得以改善,使地基承载力大幅度提高,因而抗液化的性能得到改善。国内报道中指出:只要小于0.074mm的细颗粒含量不超过10%,都可得到挤密效应。

⑵ 排水减压效应

对砂土液化机理的研究证明,当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时,将发生体积收缩和趋于密实。在砂土无排水条件时,体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升,当砂土中有效应力降低为零时,便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时,桩孔中充填反虑性好的粗颗粒料,在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道,可有效地消散得防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化,并可加快地基的排水固结。

⑶ 顾震效应

试验证明,在一定循环次下,当两试样的相对密度相同时,要造成经过预震的试样发生液化所需施加的应力,要比施加未经预震的试样引起液化所需应力提高46%,从面得出了砂土液化的特性,除了与土的相对密实度有关外,还与其振动应变史有关的结论。在振冲法施工时,振动器以每分钟1450次振动频率,98m/s水平加速度和90kN激振力喷水沉入土中时,使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震,这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。

2、对粘性土的加固机理

对粘性土地基(特别是饱和软土),由于土的颗粒含量多,粒间结合力强,渗透性低,在振动力和挤压力的作用下土中水不易排走,所以碎石桩的作用不是使地基挤密,而是置换。振冲碎石桩是一种换土置换,即以性能好的碎石来替换不良的地基土。

振冲法施工时,通过振冲器借助其自重、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桩体,它与粘性土(作为桩间土)构成复合地基而共同工作。

由于碎石桩的刚度比桩周土的刚度为大,而地基中应力按材料变形模量进行重新分配,因而大部分荷载将由碎石桩承担,桩体应力和桩间粘性土应力比值称为桩土应力比,一般为24

在制过程蝇,由于振动,挤压和扰动等原因,桩间土会出现较大的附加孔隙水压力,从而导致原地基土的强度降低。工程实测资料表明,制桩后立即测试桩周土,含水量增加10%,干密度下降3%,十字板抗强度比原天然地基土降低1040%。一旦制桩结束后,一方面原地基土的结构强度会随时间逐渐恢复,另一面孔隙水压力会向桩体转移消散,结果是有效应力增大,强度提高和恢复,甚至会超过原土体强度。所以对碎石桩的质量检验时,有一个龄期问题,通常检验的间隔时间定为34周。

如果在选用碎石桩材料时考虑级配,则所制成的碎石桩是粘性土地基中一个良好的排水通道,它能起到排水砂井的效能,且大大缩短了超孔隙水的水平向渗透途径,加速软土的固结,使沉降稳定加快。

由于碎石桩由散粒体组成,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。如果粘性土的抗力过低,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,这样就使加固效果欠。为此,近所来国内外开发增强桩身强度的办法,如袋装碎石桩、水泥碎石桩和裙围碎石桩等方法。

如果软弱土层较厚,则桩体可不贯穿整个软弱土层,此时加固的复合土层起垫层作用,垫层将荷载扩散使应力分布趋于均匀,起双层地基的作用,从而可提高地基整体的承载力和减少地基变形。另外,碎石桩的加固,除了提高地基承载力,减少地基变形外,还可以提高土体的抗剪强度,增中土坡的抗滑稳定性。

不论对疏松砂性土、杂填土或软弱粘性土,碎石桩(不论振冲或干振法)的加固有:挤密、置换、排水、垫层和加筋等五种作用。

三、设计

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,通常都大于基底面积。对一般地基,在基础外缘宜扩大12腓排;对可液化地基,在基础外缘应扩大24排。

2、桩位布置

对大面积满堂处理,桩位宜用心等边三角形布置;对独立或条形基础,桩位宜用正方形、矩形或等腰三角形;对圆形或环形基础,宜用放射形布置。

3、加固深度

加固深度应根据软弱土层的性能、厚度或工程要求按下列原则确定:

⑴ 如果软弱土层厚度不大,则桩体可贯穿整个软弱土层,直达相对硬层。此时桩体在荷载作用下主要起应力集中的作用,从而使软弱土负担的压力相应减少,与原天然地基相比,复合地基的承载力有所提高,而压缩性也有所减少。

⑵ 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加固后变形值不超过建筑物地基容许变形的要求。

⑶ 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。

⑷ 在可液化地基中,加固深度应按要求的抗震处理深度确定。

⑸ 桩长不宜小于4m

4、桩径

碎石桩的直径应根据工程要求、地基土质情况和成桩设备等因素确定,使用30kw振动器成桩时,桩径一般为0.71.0m,对饱和粘性土地基宜选用较大的直径;干振碎石桩桩径一般为0.40.7m