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岩土研究院

砂桩在软弱粘土中的加固机理

391 2022-03-08 09:01:54

砂桩在软弱粘性土地基中,主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土体的排水固结,并形成复合地基,提高地基的承载力和稳定性,改善地基土的力学性能。

一、置换作用

对粘性土地基,特别是软弱粘性土地基,其粘粒含量高,粒间应力大,并多为蜂窝结构,孔隙往往大于土粒粒径,渗透性低,渗透系数大多在 10-4~10-7cm/。在振动力或挤压力的作用下,土中水不易排走,会出现较大的超静孔隙水压力,扰动土比具有同密度同含水量的原状土,其力学性能会变差。所以,砂桩对饱和粘性土的地基的作用不是挤密加固作用,甚至桩周土体的强度会出现暂时的降低。砂桩对粘性土地基的作用之一是利用砂桩本身的强度形成复合地基。载荷试验和工程实践表明,砂桩复合地基承受外荷载时,发生应力向刚度大的桩体集中的现象,使桩间土层承受的压力减小,沉降比也相应减小。砂桩复合地基与天然软弱粘性土地基相比,地基承载力增大率和沉降减小率与置换率成正比。据日本的经验,地基的沉降减小率为0.7~0.9。我国的淤泥质粘性土中形成的砂桩地基的载荷试验表明,在同等荷载作用下,其沉降可比原地基土减小 20%~30%。

砂石置换法是—种换土置换,即以性能良好的秒石来替换不良的软弱粘性土。排土法是一种强制置换法,它是通过成桩机械将不良地基强制排开并置换;但是,它们对桩间土的挤密作用并不明显,有时在施工时会使饱和软粘土地基地面产生较大的隆起,有时还会造成表层硬壳土松动。由于砂桩的刚度比桩周粘性土的刚度大,而地基中应力按材料变形模量进行重新分配,因此,大部分荷载将由砂桩来承担,桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩土应力比,一般能达到2~4。

二、排水作用

如前所述,软弱粘性土是一种颗粒细、渗透性低且结构性较强的土,在成桩的过程中。由于振动挤压等扰动作用,桩间土出现较大的超静孔隙水压力.从而导致原地基土的强度隆低。有工程实测资料表明,制桩后立即测试可知∶桩间土含水量增加了10%、干密度下降了3%、十字板强度比原地基土降低了10%~40%。制桩结束后,一方面原地基土的结构强度逐渐恢复;另外,在软粘土中,所制成的砂桩是粘性土地基中一个良好的排水通道,砂桩可以和砂井一样起排水作用,大大缩短了孔隙水的水平渗透途径,加速了软十的排水固结。加快了地基土的沉降稳定。加固结果使有效应力增加、强度恢复并提高,甚至超过原土强度。以《地基处理手册》中介绍的上海宝山钢铁总厂的对比试验为例来说明砂桩在粘性土中的处理效果∶在载荷板面积影响范围内.饱和粉质粘土和淤泥质粉质粘土,当荷载约为 160kPa时,砂桩复合地基沉降稳定时间为69~70h,而天然地基的稳定时间为190h,这说明砂桩促进地基固结沉降有十分显著的作用。

由于砂桩是一种散粒材料桩,当它承受荷载作用后会产生较大的径向位移,并引起桩周粘性土产生被动抗力。如果桩间土的强度过低,不能达到砂桩所需的径向约束力,桩体的强度就得不到充分发挥,甚至会产生膨胀破坏,这样就难以达到理想的处理效果。为此,近年来,国外开发了一些增强桩身强度的处理方法,如袋装砂桩、袋装碎石桩、水泥碎石桩、裙围碎石桩,我国还开发了水泥粉煤灰碎石桩(见第八章)等。

三、加筋作用

如果软弱土层不大,则桩体可穿透整个软弱土层达到其下的相对硬层上面,此时,桩体在荷载作用下就会产生应力集中,从而使软土地基承担的应力相应减小;其结果与天然地基相比,复合地基的承载力会提高、压缩会减小、稳定性会增加、沉降速率会加快,还可用来改善土体的抗剪强度,加固后的复合桩土层还能大大改善土坡的稳定,这种加固作用就是通常所说的"加筋法"。

四、垫层作用

如果软弱土层较厚,则桩体不可能穿透整个土层,此时,加固过的复合桩土层能起到垫层作用,垫层将荷载扩散,使扩散到下卧层顶面的应力减弱并使其分布趋于均匀,从而提高地基的整体抵抗力,减小其沉降量。

综上所述,砂桩无论对砂类土地基还是对粘性土地基,均有如下加固作用;挤(振)密作用、排水减压作用、砂基预震作用、置换作用、排水固结作用、复合桩土垫层作用及加筋土作用。通过以上加固作用,可以达到提高地基承载力、减小地基沉降量、加速固结沉降、改善地基稳定性、提高砂土地基的相对密度、增强抗液化能力等目的。

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