水利工程地基处理-碎石桩.ppt

合肥工业大学土木与水利工程学院赵 静,地基处理Ground Treatment,第四章 碎石桩 Stone Column,一、概述1、概念 碎石桩(Stone Column)和砂桩(Sand Pile)总称为碎(砂)石桩，又称粗颗粒土桩(Granular Pile)，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。,第一节 概述,一、概述2、历史：（1）碎石桩：1835年，碎石桩出现；1937年振冲法挤密砂土地基；20世纪50年代加固粘土地基，形成碎石桩。从此一般认为振冲法在粘性土中形成的密实碎石柱称为碎石桩。施工工艺发展：沉管法、振动气冲法、袋装碎石桩法、强夯置换法等 1977年江阴市振冲器厂75KW和125KW大功率振冲器，河北建科院干振冲。,第一节 概述,一、概述2、历史：（2）砂桩：19世纪30年代源于欧洲，但长期缺少实用设计计算方法、先进的施工工艺和设备，应用和发展受到很大的影响。在其应用初期，主要用于松散砂土地基的处理，最初采用冲孔捣实、以后采用射水振动施工法。自20世纪50年代后期，产生了目前日本采用的振动式和冲击式的施工方法，提高了施工质量和施工效率，处理深度也有较大幅度的增大。砂桩技术自20世纪50年代引进我国后，在工业、交通、水利等建设工程中都得到了应用。,第一节 概述,一、概述3、碎石桩：（1）分类：按其成桩过程和作用可分为四类：,第一节 概述,一、概述3、碎石桩：（2）振冲法适用情况：规范表述：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。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基。,第一节 概述,一、概述4、砂桩：（1）施工方法：主要为沉管法，有振动成桩法和冲击成桩法。（2）应用情况：早期砂桩用于加固松散砂和人工填土地基，如今在软粘土中，国内外都有使用成功和失败的情况。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，粘性土的渗透性小，灵敏度大，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，相反却又破坏地基土的天然结构，使土的抗剪强度降低。,第一节 概述,二、加固机理（一）、对松砂地基加固机理 加固目的：提高承载力，减少变形，增强抗液化性 加固机理的三方面：1、挤密作用：（1）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，桩管体积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34倍桩直径。,第二节 加固机理,二、加固机理（一）、对松砂地基加固机理1、挤密作用：（2）对振冲法：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产生液化并重新排列致密、且在桩孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密位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，土的物理力学性能改善，使地基承载力大幅度提高，一般可提高25倍。出于地基密度显著增加，相对密实度也相应提高，因此抗液化的性能得到改善。,第二节 加固机理,二、加固机理（一）、对松砂地基加固机理2、排水减压作用：在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，加快排水固结。3、砂基预振作用：美国人Seed（1975）试验表明：砂土液化特性除了与砂土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有关。,第二节 加固机理,二、加固机理（二）、对粘性土加固机理1、置换：对粘性土地基(特别是饱和软土)，由于土的粘粒含量多，粒间结合力强，渗透性低，在振动力或挤压力的作用下土中水不易排走，所以碎(砂)石桩的作用不是使地基挤密，而是置换，碎石桩置换法是一种换土置换，排土法则是一种强制置换，而对桩间土的挤密效果并不明显。在施工过程中会使饱和软粘土地基地面产生较大隆起，有时会造成表层硬壳层松动。,第二节 加固机理,二、加固机理（二）、对粘性土加固机理2、桩土应力比：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24。3、排水固结：大排水通道，加速固结。4、桩体作用和垫层作用：应力集中作用或垫层应力扩散作用。,第二节 加固机理,二、加固机理 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”范畴。不论对疏松砂性土还是软弱粘性土，碎(砂)石桩的加固有挤密、置换、排水、垫层和加筋的作用。,第二节 加固机理,三、设计计算（一）振冲密实法1、加固范围 见书P512、桩位布置及间距 见书P51,第三节 设计计算,三、设计计算3、加固深度 深度不大（持力层）、变形控制（变形和承载力）、稳定控制（最危险滑动面以下）、可液化（液化土层埋深以下）、不宜小于4m4、承载力和变形计算 见书P52 5、材料 粗粒硬质无粘性材料：粗（砾）砂、角（圆）砾、碎石、卵石、矿渣等；粒径一般0.55cm；含泥量20%时无效果。,第三节 设计计算,三、设计计算（二）振冲置换法1、加固范围 一般据建筑物重要性、现场条件和基础形式综合确定。通常均超出基础地面范围。2、加固深度 深度不大（持力层）；深度较大（见书P54）抗震要求；抗滑（最低滑动面1m以下）不宜小于4m，也不宜大于18m,第三节 设计计算,三、设计计算（二）振冲置换法3、桩位布置及间距 见书P54独立基础：用点支持条形基础：用线支持筏形基础：用面支持,第三节 设计计算,第三节 设计计算,筏形基础满堂式的板式基础，有平板式和梁板式之分桩基础多数用于高层建筑或土质不好的情况下，由若干桩来支承一个平台，然后由这个平台托住整个建筑物，叫做桩承台箱型基础由钢筋混凝土的底板、顶板和若干纵横墙组成的，形成空心箱体的整体结构，共同来承受上部结构的荷载,三、设计计算4、桩径 根据用料量估算的平均值，0.81.2m,第三节 设计计算,三、设计计算5、承载力计算（1）复合地基承载力：1）各部分应力关系 均布荷载p作用下，碎石桩应力pp、粘性土应力ps，之间关系：,第三节 设计计算,定义桩土应力比n：,面积置换率m：,应力集中系数p：,应力集中系数s：,关系式：,三、设计计算5、承载力计算（1）复合地基承载力：2）规范规定及公式 振冲桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：,第三节 设计计算,对小型工程的粘性土地基如无现场载荷试验资料，初步设计时复合地基承载力特征值也可按下式估算：,（4-4）,（4-7）,三、设计计算5、承载力计算（2）单桩承载力：桩体破坏形式：鼓出（破坏深度约为2d）、刺入、剪切破坏 计算方法：估算单桩承载力的方法包括：侧向极限应力法、整体剪切破坏法、球穴扩张法等。1）Hughes-Withers计算法（P55）,第三节 设计计算,碎石桩p=380时，则可得：,fpu=(p0+u0+4cu)Kp(4-9)fpu=6cuKp(4-10a),(4-10b),三、设计计算（2）单桩承载力：2）综合单桩极限承载力法 假定单桩破坏是轴对称问题，桩周土是被动破坏：,第三节 设计计算,简化公式：,Kp-被动如压力系数,rl-桩体侧向极限应力,见表4-2,fpu,fpu,三、设计计算（2）单桩承载力：3）经验法 P56表4-3,第三节 设计计算,三、设计计算6、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。按照分层总和法计算。（P56）,第三节 设计计算,三、设计计算7、稳定分析 用碎石桩加固地基形成复合地基，地基路堤等的整体稳定性分析采用圆弧条分法计算稳定安全系数，需考虑复合地基的抗剪强度。,第三节 设计计算,复合地基抗剪强度：,其中：c-桩间土的凝聚力,三、设计计算8、适宜土类 粉土；一般性粘土；软粘土（沉降量大）；杂填土；粉煤灰；自重湿陷性黄土（预先浸泡）,第三节 设计计算,三、设计计算9、几个重要参数（1）桩体内摩擦角p：碎石桩35450，多采用380（2）不排水抗剪强度：现场十字板试验测定（3）原地基土沉降模量：现场复合地基静荷载试验 见书P58,第三节 设计计算,三、设计计算（4）面积置换率m：为桩的截面积Ap与其影响面积A之比。用de表示影响区域的面积等效直径则有：等边三角形布置时：正方形布置时：矩形布置时：面积置换率m:,第三节 设计计算,l 为桩间距,l1,l2 为桩纵横间距,一般m=0.250.4,三、设计计算10、垫层 桩顶部宜铺设一层厚度为3050cm的砂石垫层并压实。11、材料 就地取材；粗粒硬质无粘性材料：粗（砾）砂、角（圆）砾、碎石、卵石、矿渣等；含泥量小；直径8cm，一般25cm,第三节 设计计算,振冲法施工基本原理 振冲器（包括潜水泵）边振边冲 振冲器沉到土中设计深度 清孔 填入碎石 对填料振挤密实 提升振冲器 反复 填料振密提升振冲器到地面 形成碎石桩。振冲器、施工现场、施工顺序如下。,第四节 施工,1、施工机械 振冲器、起重机，施工设备应配有电流、电压和留振时间自动信号仪表。水压水量要求（见书P61）2、施工顺序：砂土地基：由外到内（挤密）粘性土：由里及外（置换）承载力较低的软粘土：间隔跳打（减少扰动）邻近建筑物时：从邻近建筑物边开始（减少扰动）,第四节 施工,3、施工方法与工艺1）清理平整施工场地，布置桩位；2）施工机具就位，使振冲器对准桩位；3）启动供水泵和振冲器，水压可用200600KPa，水量可用200400L/min，将振冲器徐徐沉入土中，造孔速度宜为0.52.0m/min，直至达到设计深度。记录振冲器经各深度的水压、电流和留振时间。4）造孔后边提升振冲器边冲水直至孔口，再放至孔底，重复两三次扩大孔径并使孔内泥浆变稀，开始填料制桩。,第四节 施工,5）大功率振冲器投料可不提出孔口，小功率振冲器下料困难时，可将振冲器提出孔口填料，每次填料厚度不宜大于50cm。将振冲器沉入填料中进行振密制桩，当电流达到规定的密实电流值和规定的留振时间后，将振冲器提升3050cm。6）重复以上步骤，自下而上逐段制作桩体直至孔口，记录各段深度的填料量、最终电流值和留振时间，并均应符合设计规定。7）关闭振冲器和水泵。,第四节 施工,3、施工方法（1）填料方法：提出口填料一次1m、不提出口填料一次1m、边提边填边振（2）“振动挤密”施工操作要求：中粗砂地基：可不需填料，直接振挤密 粉细砂、粉质粘土地基：边振边填 施工操作关键：留振时间、水量大小 水量大小：保证饱和 留振时间：（见书P63），保证充分液化,第四节 施工,3、施工方法（2）“振动挤密”施工操作要求：桩顶1m难密实区：施工完毕后应将顶部预留的松散桩体挖除，如无预留应将松散桩头压实，随后铺设并压实垫层。不加填料的振冲施工：宜采用大功率振冲器，为了避免造孔中塌砂将振冲器抱住，下沉速度宜快，造孔速度宜为810m/min。在粗砂中施工如遇下沉困难：可在振冲器两侧增焊辅助水管，加大造孔水量，但造孔水压宜小。,第四节 施工,3、施工方法（3）“振动置换”施工操作要求：粘土地基：清孔 土层夹有硬土层：扩孔 填料方法：少量多餐、填料量大于理论值、密实电流大于空振电流3545A 很软的软土：先护壁（加料固壁）、后制桩 桩顶1m难密实区：处理方法同前,第四节 施工,4、施工质量控制 质量控制3要素：填料量、密实电流、留振时间,第四节 施工,四、施工方法（二）沉管法 原用于制作砂桩，近年也用于碎石桩，干法施工，包括振动成桩、冲击成桩法。,第四节 施工,柴油锤打桩,柴油锤打桩,振动沉桩锤,四、施工方法（二）沉管法1、振动成桩法（1）一次拔管法1）施工机具 振动式打桩机,第四节 施工,四、施工方法（二）沉管法1、振动成桩法（1）一次拔管法2）施工工艺3）质量控制 桩身连续性 直径,第四节 施工,四、施工方法（二）沉管法1、振动成桩法（2）逐步拔管法1）施工机具2）施工工艺3）质量控制（3）重复拔管法1）施工机具：桩管下端特殊构造2）施工工艺：下压桩管、压实填料3）质量控制,第四节 施工,四、施工方法（二）沉管法2、冲击成桩法（1）单管法1）施工机具：蒸汽、柴油打桩机，预制桩尖2）成桩工艺：3）质量控制：,第四节 施工,四、施工方法（二）沉管法2、冲击成桩法（2）双管法1）芯管密实法：成桩工艺2）内击成管法：成桩工艺,第四节 施工,五、复合地基载荷试验1、适用：振冲桩、土桩、石灰桩、灰土挤密桩、CFG桩、水泥搅拌桩、旋喷桩等。2、载荷板：刚性、圆形或方形、面积、中心相对3、试坑尺寸：底高与基础底等高、平面大于载荷板的3倍、基架支撑于坑外4、垫层：承压板底面下宜铺设粗砂或中砂垫层，垫层厚度取50150mm，桩身强度高时宜取大值。,第五节 复合地基荷载试验,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验5、载荷及等级：加载等级可分为812级。最大加载压力不应小于设计要求压力值的2倍。6、沉降测读时间：每加一级荷载前后均应各读记承压板沉降量一次，第一个小时内，第1、5、10、20、30、45、60min时测读，以后每半个小时读记一次。7、测读稳定标准：当1h内沉降量小于0.1mm时，即可加下一级荷载。,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验8、终止试验条件：当出现下列现象之一时可终止试验：1）沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；2）承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6；3）当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。9、卸载：卸载级数可为加载级数的一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量（15、30min），待卸完全部荷载后间隔3h读记总回弹量。,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验10、复合地基承载力特征值的确定：1）弯曲型：当压力-沉降曲线上极限荷载(pu)能确定，而其值不小于对应比例界限(pcr)的2倍时，可取比例界限(即fspk=pcr)；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半(即fspk=pu/2)；,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验10、复合地基承载力特征值的确定：2）平缓型：当压力-沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定：（1）对砂石桩、振冲桩复合地基或强夯置换墩：当以粘性土为主的地基，可取s/b或s/d等于0.015所对应的压力（s为载荷试验承压板的沉降量；b和d分别为承压板宽度和直径，当其值大于2m时，按2m计算）；当以粉土或砂土为主的地基，可取s/b或s/d等于0.01所对应的压力。,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验10、复合地基承载力特征值的确定：2）平缓型：（2）对土挤密桩、石灰桩或柱锤冲扩桩复合地基，可取s/b或s/d等于0.012所对应的压力。对灰土挤密桩复合地基，可取s/b或s/d等于0.008所对应的压力。（3）对水泥粉煤灰碎石桩或夯实水泥土桩复合地基：当以卵石、圆砾、密实粗中砂为主的地基，可取s/b或s/d等于0.008所对应的压力；当以粘性土、粉土为主的地基，可取s/b或s/d等于0.01所对应的压力。,第五节 复合地基荷载试验,五、复合地基载荷试验10、复合地基承载力特征值的确定：2）平缓型：（4）对水泥土搅拌桩或旋喷桩复合地基，可取s/b或s/d等于0.006所对应的压力。（5）对有经验的地区，也可按当地经验确定相对变形值。按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半。11、试验点的数量不应少于3点，当满足其极差不超过平均值的30时，可取其平均值为复合地基承载力特征值。,第五节 复合地基荷载试验,六、质量检验 1、时间:施工结束后，除砂土地基，应间隔一定时间方可进行质检，对粘性土，间隔可取34周，对粉土23周。2、方法：施工质量检验，常用单桩载荷和动探试验。加固效果检验常用单桩复合地基和多桩复合地基载荷试验。对砂土或粉土层中碎(砂)石桩，尚可用标贯、静探等试验对桩间土进行处理前后对比试验。对砂桩还可采用标贯或动探等方法检测桩的挤密质量。3、数量：单桩载荷试验，检验数量为桩数的0.5%，但总数不得少于3根。,第六节 质量检验,七、工程实例见教材。,第七节 工程实例,本节完,本章完谢 谢!,