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岩土研究院

碎石桩和散体桩加固原理

408 2022-04-01 09:08:04

(一)对松散砂土加固原理

碎石桩和砂桩挤密法加固砂性土地基的主要目的是提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性。

碎石桩和砂桩加固砂土地基抗液化的机理主要有下列三方面作用∶

1.挤密作用 对挤密砂桩和碎石桩的沉管法或干振法,由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力,桩管中的砂挤向桩管周围的砂层,使桩管周围的砂层孔隙比减小,密实度增大,这就是挤密作用。有效挤密范围可达3~4倍桩直径。

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,且在桩孔中填人的大量粗骨料后,被强大的水平振动力挤入周围土中,这种强制挤密使铋土的密实度增加,孔隙比降低,干密度和内摩擦角增大,土的物理力学性能改善,使地基承载力大幅度提高,一般可提高 2~5倍。由于地基密度显著增加,密实度也相应提高,因此抗液化的性能得到改善。

2.排水减压作用 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,将发生体积的收缩和趋于密实,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,桩孔内充填碎石(卵石、砾石)等反滤性好的粗颗粒料,在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道,可有效地消散和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。

3.砂基预震效应 美国 H.B.Seed 等人(1975)的试验表明,相对密度 D.=54%但受过预震影响的砂样,其抗液能力相当于相对密度 D.=80%的未受过预震的砂样。即在一定应力循环次数下,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值提高 46%。从而得出了砂土液化特性除了与砂土的相对密度有关外,还与其振动应变史有关的结论。在振冲法施工时,振冲器以1450次/min频率振动,98m/3²水平加速度和 90kN激振力喷水沉入土中,施工过程使填土料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震,这对砂土增强抗液能力是极为有利的。

国处报道中指出只要小于0.074mm的细颞粒含量不超过 I0%。都可得到显著的挤密效应。根据经验数据,土中细颗粒含量超过 20%时,振动挤密法不再有效。

(二)对粘性土加固机理

对粘性土地基(特别是饱和软土)。碎(砂)石桩的作用不是使地基挤密,而是置换。碎石桩置换法是—种换土置换,即以性能良好的碎石来替换不良地基土;排土法则是一种强制置换,它是通过成桩机械将不良地基土强制排开并置换,而对桩间土的挤密效果并不明显,在地基中形成具有密实度高和直径大的桩体,它与原粘性土构成复合地基而共同工作。

由于碎(砂)石桩的刚度比桩周粘性土的刚度为大,而地基中应力按材料变形模量进行重新分配。因此,大部分荷载将由碎(砂)石桩承担,桩体应力和桩间粘性土应力之比值称为桩土应力比,一般为2~4。

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

由于碎(砂)石桩是由散粒体组成,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。如果粘性土的强度过低,不能使碎石桩和砂桩得到所需的径向支持力,桩体就会产生鼓胀破坏,这样就使加固效果不佳。为此,近年来国外开发了增强桩身强度的方法,如袋装碎石桩、水泥碎石桩和裙围碎石桩等方法。水泥碎石桩类似于我国的 CFG桩将于后面予以介绍。

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,从而使软土负担的压力相应减少;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的作用。垫层将荷载扩散使应力分布趋于均匀。

总之,碎(砂)石桩作为复合地基的加固作用除了提高地基承载力、减少地基的沉降量外,还可用来提高土体的抗剪强度,增大土坡的抗滑稳定性。国外通常将这类加固归属于"加筋法"(见本篇后面有关内容)范畴。

不论对疏松砂性土或软弱粘性土,碎(砂)石桩的加固作用有∶挤密、置换、排水、垫层和加筋的五种作用。

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