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岩土研究院

砂石桩施工方法

885 2022-04-01 10:49:26

(一)常规方法

砂石桩法常规施工可采用振动成越法(简称振动法)或锤击成桩法(简称锤击法)两种施工方法。

施工前应进行成桩挤密试验,桩数宜为7~9根。如发现质量不能满足设计要求时,应调整桩间距、填砂石量等有关参数,重新试验或改变设计。

1.振动成桩法(振动法}

(1)施工机械

振动成桩法的施工机械包括∶振动机、装砂料斗、振动套管组成的振动打桩机,如图3-6-10所示。通过吊钩、缓冲器吊起,沿着导杆上下移动。套管的下端装有底盖或砂塞。为了使砂石有效地排出或套管易于沉人,还配有高压空气的喷气装置。其辅助设备有;起重机、铲式装载机、空压机等。

(2)施工工艺

振动挤密砂石桩的施工工艺是∶①在地面上把套管的位置确定好;②开动振动机把套管沉人土中。如遇到坚硬难沉的土层,可辅以喷气或射水沉入;③把套管沉到设计深度∶4套管入土后,挤密了套管周围十体。然后将料斗插入桩管,向管内灌一定量的砂石;⑤再将套管提升到规定的高度,套管内的砂石被压缩空气从套管内压出;⑥继后又

将套管沉人规定的深度,并加以振动,使排出的砂石振密,于是砂石再一次挤压周围的土;⑦再一次灌砂石于套管内,把套管提升到规定的高度;③将以上④~⑦工序重复多次,一直打到地面就成为砂石桩。

砂石桩施工程序见图3~6~11。

2.锤击成桩法(锤击法)

锤击成桩法又可分为双管法和单管法两种施工方法。

(1)双管法

1)施工机械

双管法施工机械主要有蒸汽打桩机或柴油打桩机,底端开口的外管(套管)和底端封口的内管(芯管),履带式起重机及装砂石料斗等。

2)施工工艺

双管法施工工艺是;①桩管垂直就位;②将锤击内管和外管下沉到土层中的设计深度;③提升内管向外管中灌砂石;④放入内管到外管内的砂石面上;⑤提升外管到与内管底面齐平;⑥锤击内管和外管将砂石压实;⑦提升内管,向外管内灌砂石;⑧重复进行③~⑦工序直到桩管拔出地面。

(2)单管法

1)施工机械

单管法筛工机械主要有蒸汽打桩机或柴油打桩机,下端带有活瓣钢制桩靴的或预制钢筋混凝土锥形桩尖(留在土中)的桩管及装砂石料斗等。

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2)施工工艺

单管法施工工艺是∶①桩靴闭合,桩管垂直就位;②将桩管沉人土层中至设计深度;③用料斗向桩管灌砂石,当灌砂石量较大时,可分成二次灌入∶第一次灌入 2/3,待桩管从土层中提升一半长度后再灌入剩余的1/3;④按规定的提升桩管速度从土层中提升出桩管。

(二)振冲成桩法

采用振冲法在地基中以设置碎石桩加固地基的方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石桩法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘土、粉土、砂土、饱和黄十利人工填七地基。

利用振冲器的高频振动和高压水流,边振边冲将振冲器沉到土中预定深度。经过清孔后,人地面向孔内逐段填人碎石。每段填料在振冲器振动作用下振挤密实。然后提升振冲器,通过重复填料和振密。在地基中形成碎石桩桩体,其施工顺序示意图如图3-6-12所示。振冲碎石桩桩体质量可通过密实电流、填料量和留振时间的合理设计来保证。

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应用振冲法在砂性土地基中设置碎石桩和在粘性土地基中设置碎石柱加固机理是有区别的。在砂性土地基中,一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化、砂颗粒重新排列,孔隙减小;另一方面在回填碎石时,依靠振冲器的水平振动力通过填料使砂层进一步挤压密实。通常桩间土相对密度可达到 75%以上,地基承载力可提高 2~5 倍。日本有关资料报道,经振冲碎石桩法处理的砂土地基,经地震考验未发现过液化失稳事故。聚用振冲法加乱碰十地基。因天然地基士体术对密度提高幅度很大,可有效提高地基承载力。有时可不用填碎石,只通过振冲挤密就可使砂性土密实,达到加固地基的目的。

采用振冲法在粘性土地基设置碎石桩不可能使饱和粘性土挤密。制桩过程是置换过程。在施工时,通过振冲器的自重作用、水平振动力和高压水冲作用将粘性土变成泥浆排出孔外。形成略大于振冲器直径的孔,将碎石灌入孔中,通过振冲器挤压碎石桩体形成具有一定密度的桩体。在制桩过程中,由于振动、挤压,对桩间土产生扰动,桩间土强度会降低。实调资料表明桩间土十字板抗剪强度可能降低 10%-40%。制桩结束后,桩间土结构强度会随时间得到恢复。特别是桩间土抗剪强度会随排水固结而增长。

碎石桩属于散体材料桩,其桩体承载力很大程度上取决于桩周土所能提供的侧限力,因此在砂性土地基中的碎石桩承载力比在粘性土地基中相同尺寸的碎石桩承载力高得多。砂性土地基桩间土承载力经过振冲挤感提高幅度很大。而粘性土地基经振冲置换后,因扰动初期桩间土强度下降,后期可望恢复,并会随土体固结强度稍有提高。

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(三)干振挤密碎石桩法

干振挤密碎石桩法加固地基技术是由河北省建筑科学研究所等单位开发成功的一种地基加固技术。主要设备是干法振动成孔器(图 3-6一13)。其直径为 280mm~330mm,有效长度6m,自重约22kN。干法振动挤密碎石桩法施工工艺如下∶首先用振动成孔器成孔,属不排土成孔,成孔过程中桩孔位的土体被挤到周围土体中去;提起振动成孔器,向孔内倒人约1m 厚的碎石再用振动成孔器进行捣固密实,然后提起振动成孔器,继续倒碎石,直至碎石桩形成。碎石桩和挤密的桩间土形成碎石桩复合地基。

干振挤密碎石桩法加固原理是形成复合地基,在成孔和挤密碎石桩的过程中,土体在水平激振力作用下产生径向位移,在碎石桩周围形成密实度很高的挤密区,该挤密区对碎石桩起约束作用。桩间土密实度不均匀,靠近碎石桩周围,密实度增大。桩间土强度比原天然地基土强度高得多。经干振挤密碎石桩加固的地基,承载力提高1倍左右。

干振挤密碎石桩法主要适用于地下水位较低的非饱和粘性土、素填土、杂填土和二级以上非自重湿陷性黄土。

干振挤密碎石桩法与振冲挤密碎石桩法不同之处是不用高压水冲,所形成的复合地基也是碎石桩复合地基。干振挤密碎石桩复合地基承载力和沉降的确定方法基本上与振冲碎石桩复合地基相同。复合地基承载力可通过复合地基载荷试验确定,也可通过碎石桩载荷试验和桩间土载荷试验,由式3-1-1确定,干振挤密碎石桩复合地基承载力和沉降计算式与振冲碎石桩相同。

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(四)沉管碎石桩法

采用沉管打桩机在地基中设置碎石桩按施工方法可以分为三种∶管内投料重锤夯实法;管内投料振动密实法;先拔管、后投料复打密实法。

管内投料重锤夯实法也有多种施工方祛。武汉某些单位开发的内击式沉管碎石桩复合地基技术采用的设备是具有两个卷扬机的简易打桩架,一根直径 300mm~400mm 钢管,长度根据所需加固地基深度和打桩架高度确定,管内有一吊锤,其重10kN多。该法工艺为∶首先将桩管立于桩位,管内填1m左右碎石,然后用吊锤夯击桩位,靠碎石和桩管间的摩擦力将桩管带到设计深度,最后分段向管内投料和夯实填料,同时向上提拔桩管,直至拔出桩管,形成碎石桩。

管内投料振动密实法通常采用振动沉拔管打桩机制桩,管内没有重锤夯实,依靠沉管振动密实,但要控制拔管速度,注意填料量,达不到要求时要复打。

先拔管、后投料复打密实法通常采用常规沉管打桩机沉桩管,然后将桩管拔出。再向桩孔中投料,利用复打的方式密实桩体填料,形成碎石桩复合地基。对于容易发生缩孔的地基,该法不能采用。

沉管碎石桩法根据制桩材料不同又可演变成钢渣桩法、渣土桩法等。前者利用钢厂的炉渣在地基中设置钢渣桩形成复合地基,后者利用建筑垃圾,经粉碎并掺入一定的固化材料,在地基中设置渣土桩形成复合地基。

沉管碎石桩复合地基承载力可通过载荷试验确定,也可利用散体材料桩复合地基理论计算,计算式同振冲碎石桩复合地基。沉降计算也与振冲碎石桩复合地基相同。

(五)夯扩碎石桩法

夯扩碎石桩法是沉管碎石桩法中先拔管、后投料复打密实法的发展。施工工艺如下∶先将沉管沉至设计深度∶边投料边拔管。一次投料数量和一次拔管高度应根据夯扩试验确定;将投料夯扩成设计直径,如 φ377 的沉管可将碎石桩夯扩到直径 600mm;然后再边投料边拔管,再夯扩、直至制成一根夯扩碎石桩。夯扩碎石桩法施工工艺流程示意图如图3-6-I4所示。在成桩过程中桩间土得到挤密,强度提高。夯扩碎石桩桩体直径大,且密实度高,桩体承载力大。

夯扩碎石桩法适用于非饱和土地基,对杂填土、素填土地基加固效果很好。若地基中各土层强度不同,在相同夯击能作用下、低强度土层中碎石桩桩径较大,高强度土层中碎石桩桩径较小,形成葫芦状,有利于提高加固效果。

夯扩碎石桩复合地基承载力可通过复合地基载荷试验确定,也可通过碎石桩和桩间土载荷试验确定桩体承载力和桩间土承载力。由式3-1-1确定沉降计算同振冲碎石桩复合地基。

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(六)疑装碎石桩法

前面已提到,碎石桩属散体材料桩,它需要桩间土提供一定的侧限压力,才能形成桩体,具有一定的承载力。当天然地基土的侧限压力过小时,Van Impe(1985)等建议采用土工织物将碎石桩包上,形成袋装碎石桩。国外也有采用竹笼、钢丝网包裹的竹笼碎石桩的报道。

浙江大学土工学教研室于 1987 年提出了用冲抓法成孔并用土工织物袋围护碎石的加固方法,成孔直径为 80cm。但未在实际工程中应用。福州大学岩土工程教研室采用自制的简易射水器射水成孔深度可达12m~13m,直径为40cm 或45cm,放入土工织物袋后,采用小直径的插捣捧,这样就可以边填料边捣实,而上段部分则采用插入式混凝土振动器振实。使施工效果大大提高。通过试验。这种碎石桩已在福州大学两情住宅工程与泉州市某综合楼工程中应用。

袋装碎石桩复合地基的承载力可由复合地基载荷试验确定。

福州大学的载荷试验表明,天然地基容许承载力为 63kPa,当置换率为0.15 时,复合地基容许承载力可达117kPa~141kPa。与一般的振冲碎石桩比较,具有填料用量少,易于控制填料数量,桩身密实度较高,受力性能较好,且土工织物袋能起到隔离、过滤保证排水固结并防止教粘土受压后挤人碎石孔隙等种种优点,特别适合于在高含水量、低强度的软粘土中应用。这种新型碎石桩的提出,有助于降低建筑工程造价,促进碎石桩在软粘土地基工程中的推广应用。

(七)辟石桩复合地基设计

各类碎石桩复合地基设计主要包括下述几方面∶碎石桩桩体尺寸。桩位布置和布桩范围。桩体尺寸包括桩径和桩长。桩位布置包括布桩形式和桩距的确定,桩位布置形式主要有等边三角形、等腰三角形、正方形和矩形布置等。

碎石桩桩长主要根据复合地基变形控制,按建筑物地基变形充许值确定。在可液化地基中,桩长应按要求的抗震处理深度确定。

布桩范围一般情况下在基础外缘扩大1~2排桩,对可液化地基,扩大2~4排桩。桩径与设置桩的方法、制桩机械工,以及土质条件有关。例如振冲碎石桩桩径主要取决于振冲器的功率和地基土质条件。《建筑地基处理技术规范》建议,振冲碎石桩桩径可按每根桩所用填料量计算。常为0.8m1.2m。又如夯扩碎石桩桩径与沉管直径、土质条件,以及夯扩能量有关。桩径一般可通过试验确定。

各类碎石桩复合地基的承载力和沉降可按散体材料桩复合地基理论计算。复合地基承载力理论计算值一般供初步设计参考,通常需要根掘复合地基载荷试验确定。沉降计算中,加固区压缩量建议采用复合模量法(E。法)计算,加固区下卧层压缩量采用分层总和法计算。下卧层上荷载可采用压力扩散法计算。详细介绍参阅本篇复合地基理论概要。