2019岩土工程师基础知识点：碎(砂)石桩

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碎(砂)石桩

碎石桩和砂桩总称为碎(砂)石桩，又称粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的碎(砂)石所构成的密实桩体。

(1)碎石桩目前国内外碎石桩的施工方法多种多样，按其成桩过程和作用可分为四类。

中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2002)中规定：“振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对不排水抗剪强度小于20kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基应通过试验确定其适用性。

(2)砂桩早期砂桩用于加固松散砂土和人工填土地基，如今在软粘土中，国内外都有使用成功的丰富经验。但国内也有失败的教训，对砂桩用来处理饱和软土地基持有不同观点的学者和工程技术人员，认为粘性土的渗透性较小，灵敏度又大，成桩过程中土内产生的超孔隙水压力不能迅速消散，故挤密效果较差，相反却又破坏了地基土的天然结构，使土的抗剪强度降低。如果不预压，砂桩施工后的地基仍会有较大的沉降，因而对沉降要求严格的建筑物而言，就难以满足沉降的要求。所以应按工程对象区别对待，最好能进行现场试验研究以后再确定。

(一)加固原理

1.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、减少变形和增加抗液化性。

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;2.排水减压作用;3.砂基预震效应。

2.对粘性土加固原理

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，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，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。

碎(砂)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。

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。

【例题12】碎石桩加固砂土地基抗液化的机理主要作用不包括()。

A. 挤密作用

B.排水作用

C.砂基预震作用

D.置换作用

答案:D

(二)设计计算

1.一般设计原则

(1)加固范围加固范围应根据建筑物的重要性和场地条件及基础形式而定，通常都大于基底面积。对一般地基，在基础外缘应扩大1～2排;对可液化地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。

(2)桩位布置对大面积满堂处理，桩位宜用等边三角形布置;对独立或条形基础，桩位宜用正方形、矩形或等腰三角形布置;对于圆形或环形基础(如油罐基础)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：

1)当相对硬层的埋藏深度不大时，应按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或砂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以下2m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。

(4)桩径碎(砂)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0.80～1.2m;采用沉管法成桩时，碎(砂)石桩的直径一般为0.30—0.70m，对饱和粘性土地基宜选用较大的直径。

(5)材料桩体材料可以就地取材，一般使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂砾石等，含泥量不大于5%。碎石桩桩体材料的容许最大粒径与振冲器的外径和功率有关，一般不大于8cm，对碎石，常用的粒径为2～5cm。

(6)垫层碎(砂)石桩施工完毕后，基础底面应铺设30～50cm厚度的碎(砂)石垫层，垫层应分层铺设，用平板振动器振实。在不能保证施工机械正常行驶和操作的软弱土层上，应铺设施工用临时性垫层。

【例题13】采用碎石桩处理可液化地基时，基础以外的处理范围为()。

A. 基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/3，并不应小于3m

B. 基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/3，并不应小于5m

C. 基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于3m

D. 基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m

答案:D

2.用于砂性土的设计计算

对于砂性土地基，主要是从挤密的观点出发考虑地基加固中的设计问题，首先根据工程对地基加固的要求(如提高地基承载力、减少变形或抗地震液化等)，确定要求达到的密实度和孔隙比，并考虑桩位布置形式和桩径大小，计算桩的间距。

对于正三角形布置：

正方形布桩时：

3.用于粘性土的设计计算

(1)承载力计算

1)单桩承载力

作用于桩顶的荷载如果足够大，桩体发生破坏。可能出现的桩体破坏形式有三种：鼓出破坏、刺入破坏和剪切破坏。由于碎(砂)石桩桩体均由散体土颗粒组成，其桩体的承载力主要取决于桩间土的侧向约束能力，绝大多数的破坏形式为桩体的鼓出破坏。

单桩极限承载力为：

2)复合地基承载力 在粘性土和碎(砂)石桩所构成的复合地基上，当作用荷载为p时，设作用于桩的应力pp和作用于粘性土的应力为ps，假定在桩和土各自面积Ap和A—Ap范围内作用的应力不变时，则可求得：

【例题14】采用碎石桩处理软弱的地基，承载后桩体发生破坏的形式大多为()。

A. 刺入破坏

B. 剪切破坏

C. 鼓出破坏

D. 滑动破坏

答案:C

(2)沉降计算

碎(砂)石桩的沉降计算主要包括复合地基加固区的沉降和加固区下卧层的沉降。而复合土层的压缩模量可按下式计算：

Esp=[1+m(n-1)]Es (17-5-11)

(3)稳定分析若碎(砂)石桩用于改善天然地基整体稳定性时。可利用复合地基的抗剪特性，再使用圆弧滑动法来进行计算。

【例题15】某软弱地基厚5米，采用碎石桩处理，置换率为20%，桩土应力比为3，天然地基土的压缩模量为4.0Mpa，则处理后复合土层的压缩模量为()Mpa。

A. 6.4

B. 5.6

C. 4.8

D. 4.0

答案:B

4.施工方法

目前施工方法可有多种多样，主要有两种施工方法，即振冲法和沉管法。

(1)振冲法

振冲法具体可根据“振冲挤密”和“振冲置换”的不同要求，其施工操作要求亦有所不同：

1)“振冲挤密法”施工操作要求：振冲挤密法一般在中粗地基中使用时可不另外加料，而利用振冲器的振动力，使原地基的松散砂振挤密实。在粉细砂、粘质粉土中制桩，最好是边振动边填料，以防振冲器提出地面孔内塌方。施工操作时，其关键是水量的大小和留振时间的长短。，

2)“振冲置换法”施工操作要求：在粘性土层中制桩，孔中的泥浆水太稠时，碎石料在孔内下降的速度将减慢，且影响施工速度，所以要在成孔后，留有一定时间清孔，使回水把稠泥浆带出地面，降低泥浆的密度。

3)施工质量控制施工时检验质量关键是填料量、密实电流和留振时间，这三者实际上是相互联系和保证的。只有在一定的填料量的情况下，才能把填料挤密振密。一般来说，在粉性较重的地基中制桩，密实电流容易达到规定值，这时要注意掌握好留振时间和填料量。反之，在软粘土地基中制桩，填料量和留振时间容易达到规定值，这时要注意掌握好密实电流。

(2)沉管法

沉管法过去主要用于制作砂桩，近年来已开始用于制作碎石桩，这是一种干法施工。沉管法包括振动成桩法和冲击成桩法两种。

振动成桩法又可分为

(1)一次拔管法;

(2)逐步拔管法;

(3)重复压拔管法。

冲击成桩法又分为

(1)单管法;

(2)双管法。

5.质量检验

碎(砂)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3—4周，对粉土地基可取2—3周。

关于施工质量检验，常用的方法有单桩载荷试验和动力触探试验。关于加固效果检验，常用的方法有单桩复合地基和多桩复合地基大型载荷试验。

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