深层密实法(砂石桩)
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3、加筋作用：桩体在荷载作用下主要起应力集中作用。 4、垫层作用：加固过的复合桩土层能起到垫层作用。
碎石桩的作用：挤密、置换、排水、加筋和垫层
第二节碎石桩的设计和计算
一、加固范围
1、碎石桩挤密地基的宽度应超出基础宽度，每边放宽不应 小于1～3排。
2、碎石桩用于防止砂层液化时，每边放宽不宜小于处理深 度的1/2，并不应小于5m。 可液化层上覆盖有厚度大于3m非液化土层，每边放宽不宜小 于液化层厚度的1/2，不应小于3m。
c
z(i-1)
c
加固区的计算方法——复合模量法 ：
将桩和土视为一复合体，采用复合压缩模量法来评价复合 土体的压缩量：
p0i S s hi i 1 E psi
n
S 加固区土层沉降
p0i 第I层土体上附加应力的增量；
hi 第I层复合土体的厚度
E psi 第I层复合地基的压缩模量
n 复合土体分层总数
抗液化能力
发生液化所需应力
Dr相同，受过预振所需应力=1.4未受过预振所需应力
振冲器施工时，频率为1450次/min，a=98m/s2，激振力为90kN 这样大的振动和冲击，使地基土在挤密的同时也获得强烈预振 砂土液化与砂土的相对密实度和振动应变史有关
碎石桩加固砂土效果显著，但小于0.074mm的细颗粒含量超过10%， 效果就不显著；若超过20%，振动挤密不再适用。
l方 0.89d H h e0 e1 H h 1 e0
规范 d 给出 l三角 0.95
1 e0 e0 e1
l方 0.89d
1 e0 e0 e1
3、地基挤密后的孔隙比 e1
1）根据加固后地基承载力的要求，由密实度推算加固后孔隙比
砂土密实度参考表
材料 状态
密实
不考虑作用于粘性土上的荷载产生固结 c c0 考虑作用于粘性土上的荷载产生固结 c c0 s p u tancu 粘聚力提高 c s p u tancu
七、沉降计算
复合地基的沉降量分为两部分 复合地基加固区变形和加固区下卧层的变形量。
D
加固区下卧层计算 一般采用分层总和法
复合地基 压缩模量 计算方法
E psi m E pi (1 m) Esi
E psi [1 m(n 1)] Esi
E pi , Esi 分别为
第I桩体、桩间 土的压缩模量
稳定性计算
tg bi hi cos i cL 计算抗滑 K 安全系数 bi hi sin i
小，摩擦角φ提高，地基承载力fk增
大，同时消除液化
砂
桩
2、排水作用
用碎石（砂）桩加固砂土时，桩孔内充填的碎石等 反滤性好的粗骨料，在地基中形成渗透性良好的竖 向排水减压通道，消散了孔隙水压力的增高，防止 砂土液化，同时也可加快地基的排水固结。
3、砂基预振效应 Dr=54%, 且受过预振 ≥ Dr=80%, 且未受过预振
复合地基的复合 csp、sp 值
tansp tan p (1 ) tans csp (1 )cs
m p ——与桩土应力比n和置换率m有关的参数，
一般取0.4~0.6
第三节 施工
一、施工方法
振冲法 干振法 施工方法
振冲法
振动沉管法 沉管法 内击沉管法 心管密实法 强夯置换法 射水成孔袋装法
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k
m d / de
桩间土承载力标准值由现场原位试验或室内试验确定。
②对小型工程的粘性土地基：
n为桩土应力比, 即：n p p / ps
f sp ,k [1 m(n 1)] f s,k
粘土为2～4，砂土、粉土为1.5～3。 ③对于采用砂桩处理的砂土地基，可根据挤密后砂土的 密实状态确定。
规范 给出
m 0.25 ~ 0.4
l方 Ae de 1.13l方 l三角 1.08 Ae de 1.05l三角
六、承载力计算
复合地基承载力应由现场复合地基载荷试验取的， 也可分别取得桩、桩间土承载力，按桩土应力比估算。
pp
ps
作用于桩顶的应力 桩周土的应力 碎石桩面积， 则桩周土面积为Ae-Ap
σ c线
p Z a Z a S E
n o s i 1 i i i 1 i 1 si
zi
zi-1
σ
Hi
c(i-1)
p 1i
σ z(i-1) Δ p1i σ
zi
σ z线 p1i=(σ ci+σ
c(i-1)
)/2 )/2
计算下限
σ σ
ci
Δ pi=(σ zi+σ σ z=0.2或0.1σ
二、桩位布置
碎石桩桩孔宜采 用等边三角形或 正方形布置。
d
l
l
d
三、桩径
取决于地基土性质、成桩设备和方法。
采用300～800mm，对饱和粘土地基宜采用较大桩径
四、桩长
取决于加固土层厚度、软弱土层性质、工程要求。
1、软弱土层厚度不大时，碎桩应穿过软 弱土层，以减少地基变形
3、软弱土层厚度较大时，对按稳定性 控制的工程，碎桩长度应不小于最危险 滑动面以下2m（一般为1.5～2.0m）深 度；对按变形控制的工程，碎桩长度应 满足碎桩复合地基沉降量不超过建筑物 地基容许沉降量的要求，并满足软弱下 卧层强度的要求。 4、桩长不宜短于4m，不宜超过12m。
二、施工步骤
振 冲 法
清孔，如果不清， 泥浆比重大，碎石 下降慢不易密实。
分 段 成 桩
就位：清理平整 施工场地，布置 桩位。振冲器对 准桩位。 成孔：启动水泵和振冲器，水 压400～600kpa， 水量可用200～400l/min， 成孔速度0.5 ～ 2.0m /min， 直至达到设计处理深度。
2、在可液化地基中，桩长 应穿透可液化地基
d
p f s, k
五、桩距计算
（一）砂性土地基中的桩距计算
1、砂性土的加固机理 主要是挤密，加固后土的 密实度增大，孔隙比变小。 2、计算参数及公式
假定碎石桩为100%的 挤密作用，即成桩过程中 地面没有隆起或下沉现象， 被加固的砂土没有流失。
A 单桩加固面积，正方形布桩 A p 桩体面积 Ap d 2 / 4
中密
稍密
松散
砾砂、粗砂、 e<0.60 中砂
细砂、粉砂
0.60<e<0.75 0.75<e<0.85 e>0.85
e<0.70 0.70<e<0.85 0.85<e<0.95 e>0.95
2）根据抗震规范要求，确定加固后地基的相对密度Dr
e1 emax Dr (emax emin )
二、软弱粘性土中的加固机理
1、置换作用：粘土多为蜂窝结构，成桩过程中受到扰动后，强 度降低，起不到挤密加固作用，砂桩加固主要是利用砂桩本身 强度形成复合地基，提高地基的承载力和地基的整体稳定性。 2、排水作用 砂桩
粘性土的渗透系数小，在10-7～104cm/s的范围内。砂土的渗透系数达 10-3cm/s，所以设置砂土后，减少 了软弱地基土的排水距离，加快固 结速率，有助于地基强度的提高。
振 冲 法
清孔，如果不清， 泥浆比重大，碎石 下降慢不易密实。
分 段 成 桩
就位：清理平整 施工场地，布置 桩位。振冲器对 准桩位。
成孔：启动水泵和振 冲器，水压400～ 600kpa，水量可用 200～400l/min，直至 达到设计处理深度以 上0.3～0.5m。
提出加料，将振冲器沉入填 料中振密，振密判断标准： 电流超过规定密实电流，达 不到标准继续向孔内加填料。
2
V1 1 e1 V0 A p V0 1 e0 V0
桩体直径为d： 两式联立：
Ap d / 4
正方形布置
1 e0 l 0.89d e0 e1
正三角形布置
1 e0 l 0.95d e0 e1
若考虑挤密和振密两种作用
V1 V0 2 e0 e1 2 V l H l H d ( H h) l 2 h V0 1 e0 4
第三章
深层密实法
第 二节
碎 石 桩
1、定义：碎石桩指用振动或冲击荷载在软弱地基中 成孔后，再将碎石或砂挤压入孔中形成的大直径密实 柱体。
碎石桩是
碎石桩（Stone Column） 砂 桩 (Sand Pile)
的总称
碎石桩的施工工艺有：振冲法、沉管法、振动 气冲法、钻孔锤击法等。
振冲桩 (起源于德国,我国 于70年代引入) (1)设备,振冲器 d=270~420mm,l=2~3m , G=8~20KN (2)原理: 振:偏心轮旋转,振动加密, 使颗粒移动 冲:高压水从中间穿过,土 颗粒振浮液化固结
p
p max
( p0 u0 4cu ) K p
p
p max 6cu K pp p max
25.2cu
八、稳定性分析
碎石桩能改善天然地基整体 稳定性，是利用了复合地基的 抗剪特性 稳定性计算主要使用圆弧滑动法
复合地基的抗剪强度
sp
p
n 1 (n 1)m
Brauns单桩极限承载力法 单桩极限承载力的理论公式法 综合单桩极限承载力法
均假设单桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。 也都利用 cu 、 来 确定 f pk 。
因为碎石桩是散体材料，其桩体 的承载力取决于碎石的内摩擦角 和桩间土对它的侧向约束力
Brauns单桩极限承载力法 极限承载力公式
V0 原地基土单位深度平均体积
Ap Ap
Ae l 2
Vs
l 桩距
砂固相颗粒体积
Ae
一根碎石桩承 担的处理面积
Ae
Ae
处理前体积： V0 处理后体积： V1
l 1 Vs (1 e0 )
2
Vs (1 e1 ) V0 V p V0 Ap 1
e0 e1 2 Ap l 1 e0
式中， 可按下式用试算法求得
p 45 p 2
即：
p p p p max cu
综合单桩极限承载力法 极限承载力公式
rl
桩体侧向极限应力
故综合单桩极限承载力法也称侧向极限应力法， 是目前计算碎（砂）石桩单桩承载力最常用的方法
还有简单方法
干振法
振捣
振孔器就位
振动挤土成孔
上提振孔器填料 形成碎石桩
振冲器
2、分类：振冲碎石桩和干法碎石 桩。 3、适用范围：
砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填 土和杂填土等地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不 严的工程也可采用砂石桩置换处理。砂石桩也可用于处理 液化地基。
振冲法适用于处理砂土、粉土、粘性土、填土地基，对处 理不排水抗剪强度不小于 20kpa 的软土地基使用要慎重。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。
3、作用：提高地基强度、降低压缩性，或消除地基抗液 化。 4、工程应用：中小型工业与民用建筑、散料堆场、码头、 路堤、油罐等工程的地基加固。
第一节 碎石桩的加固机理
一、松散砂土中的加固机理 松散砂土孔隙大，在动静荷载的作用下，产生较大沉降， 必须经过人工处理。 1、挤密作用 砂桩成桩采用 振动或冲击方法，桩管对周围 砂土产生很大横向挤压力，将 地基中等于桩管体积的砂挤向 周围砂层，这种强制挤密使砂 土相对密度Dr增加，孔隙比e减
Ap
当复合地基上作用荷载p时
则有
pA e p p Ap ps A e Ap
Ap p pp 1 p s mp p (1 m) p s Ae Ae Ap
复合地基承载力
《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002规定,振冲桩（砂桩) ①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的承载力特征值估 算. 2 2
emax , emin
砂土最大和最小孔隙比
Dr 相对密度，可取0.70～0.85。
（二）粘性土地基中的桩距计算
1、粘性土的加固机理是置换，故根据置换率确定桩间距。
m Ap / Ae d d
2
2 e
一根桩承担的处理地 基面积的等效圆直径
2、由面积换算率m计算一根桩的分担面积Ae
m Ap / Ae Ae Ap / m
复合地基载荷试验 复合地基承载力 由桩、土承载力复合估算
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k
f sk
试验（载荷、原位测试）、当地经验 天然地基承载力代替 载荷试验、桩土应力比 理论公式、经验公式
f pk
n f sk
复合地基承载力通式
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k
碎石桩的作用：挤密、置换、排水、加筋和垫层
第二节碎石桩的设计和计算
一、加固范围
1、碎石桩挤密地基的宽度应超出基础宽度，每边放宽不应 小于1～3排。
2、碎石桩用于防止砂层液化时，每边放宽不宜小于处理深 度的1/2，并不应小于5m。 可液化层上覆盖有厚度大于3m非液化土层，每边放宽不宜小 于液化层厚度的1/2，不应小于3m。
c
z(i-1)
c
加固区的计算方法——复合模量法 ：
将桩和土视为一复合体，采用复合压缩模量法来评价复合 土体的压缩量：
p0i S s hi i 1 E psi
n
S 加固区土层沉降
p0i 第I层土体上附加应力的增量；
hi 第I层复合土体的厚度
E psi 第I层复合地基的压缩模量
n 复合土体分层总数
抗液化能力
发生液化所需应力
Dr相同，受过预振所需应力=1.4未受过预振所需应力
振冲器施工时，频率为1450次/min，a=98m/s2，激振力为90kN 这样大的振动和冲击，使地基土在挤密的同时也获得强烈预振 砂土液化与砂土的相对密实度和振动应变史有关
碎石桩加固砂土效果显著，但小于0.074mm的细颗粒含量超过10%， 效果就不显著；若超过20%，振动挤密不再适用。
l方 0.89d H h e0 e1 H h 1 e0
规范 d 给出 l三角 0.95
1 e0 e0 e1
l方 0.89d
1 e0 e0 e1
3、地基挤密后的孔隙比 e1
1）根据加固后地基承载力的要求，由密实度推算加固后孔隙比
砂土密实度参考表
材料 状态
密实
不考虑作用于粘性土上的荷载产生固结 c c0 考虑作用于粘性土上的荷载产生固结 c c0 s p u tancu 粘聚力提高 c s p u tancu
七、沉降计算
复合地基的沉降量分为两部分 复合地基加固区变形和加固区下卧层的变形量。
D
加固区下卧层计算 一般采用分层总和法
复合地基 压缩模量 计算方法
E psi m E pi (1 m) Esi
E psi [1 m(n 1)] Esi
E pi , Esi 分别为
第I桩体、桩间 土的压缩模量
稳定性计算
tg bi hi cos i cL 计算抗滑 K 安全系数 bi hi sin i
小，摩擦角φ提高，地基承载力fk增
大，同时消除液化
砂
桩
2、排水作用
用碎石（砂）桩加固砂土时，桩孔内充填的碎石等 反滤性好的粗骨料，在地基中形成渗透性良好的竖 向排水减压通道，消散了孔隙水压力的增高，防止 砂土液化，同时也可加快地基的排水固结。
3、砂基预振效应 Dr=54%, 且受过预振 ≥ Dr=80%, 且未受过预振
复合地基的复合 csp、sp 值
tansp tan p (1 ) tans csp (1 )cs
m p ——与桩土应力比n和置换率m有关的参数，
一般取0.4~0.6
第三节 施工
一、施工方法
振冲法 干振法 施工方法
振冲法
振动沉管法 沉管法 内击沉管法 心管密实法 强夯置换法 射水成孔袋装法
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k
m d / de
桩间土承载力标准值由现场原位试验或室内试验确定。
②对小型工程的粘性土地基：
n为桩土应力比, 即：n p p / ps
f sp ,k [1 m(n 1)] f s,k
粘土为2～4，砂土、粉土为1.5～3。 ③对于采用砂桩处理的砂土地基，可根据挤密后砂土的 密实状态确定。
规范 给出
m 0.25 ~ 0.4
l方 Ae de 1.13l方 l三角 1.08 Ae de 1.05l三角
六、承载力计算
复合地基承载力应由现场复合地基载荷试验取的， 也可分别取得桩、桩间土承载力，按桩土应力比估算。
pp
ps
作用于桩顶的应力 桩周土的应力 碎石桩面积， 则桩周土面积为Ae-Ap
σ c线
p Z a Z a S E
n o s i 1 i i i 1 i 1 si
zi
zi-1
σ
Hi
c(i-1)
p 1i
σ z(i-1) Δ p1i σ
zi
σ z线 p1i=(σ ci+σ
c(i-1)
)/2 )/2
计算下限
σ σ
ci
Δ pi=(σ zi+σ σ z=0.2或0.1σ
二、桩位布置
碎石桩桩孔宜采 用等边三角形或 正方形布置。
d
l
l
d
三、桩径
取决于地基土性质、成桩设备和方法。
采用300～800mm，对饱和粘土地基宜采用较大桩径
四、桩长
取决于加固土层厚度、软弱土层性质、工程要求。
1、软弱土层厚度不大时，碎桩应穿过软 弱土层，以减少地基变形
3、软弱土层厚度较大时，对按稳定性 控制的工程，碎桩长度应不小于最危险 滑动面以下2m（一般为1.5～2.0m）深 度；对按变形控制的工程，碎桩长度应 满足碎桩复合地基沉降量不超过建筑物 地基容许沉降量的要求，并满足软弱下 卧层强度的要求。 4、桩长不宜短于4m，不宜超过12m。
二、施工步骤
振 冲 法
清孔，如果不清， 泥浆比重大，碎石 下降慢不易密实。
分 段 成 桩
就位：清理平整 施工场地，布置 桩位。振冲器对 准桩位。 成孔：启动水泵和振冲器，水 压400～600kpa， 水量可用200～400l/min， 成孔速度0.5 ～ 2.0m /min， 直至达到设计处理深度。
2、在可液化地基中，桩长 应穿透可液化地基
d
p f s, k
五、桩距计算
（一）砂性土地基中的桩距计算
1、砂性土的加固机理 主要是挤密，加固后土的 密实度增大，孔隙比变小。 2、计算参数及公式
假定碎石桩为100%的 挤密作用，即成桩过程中 地面没有隆起或下沉现象， 被加固的砂土没有流失。
A 单桩加固面积，正方形布桩 A p 桩体面积 Ap d 2 / 4
中密
稍密
松散
砾砂、粗砂、 e<0.60 中砂
细砂、粉砂
0.60<e<0.75 0.75<e<0.85 e>0.85
e<0.70 0.70<e<0.85 0.85<e<0.95 e>0.95
2）根据抗震规范要求，确定加固后地基的相对密度Dr
e1 emax Dr (emax emin )
二、软弱粘性土中的加固机理
1、置换作用：粘土多为蜂窝结构，成桩过程中受到扰动后，强 度降低，起不到挤密加固作用，砂桩加固主要是利用砂桩本身 强度形成复合地基，提高地基的承载力和地基的整体稳定性。 2、排水作用 砂桩
粘性土的渗透系数小，在10-7～104cm/s的范围内。砂土的渗透系数达 10-3cm/s，所以设置砂土后，减少 了软弱地基土的排水距离，加快固 结速率，有助于地基强度的提高。
振 冲 法
清孔，如果不清， 泥浆比重大，碎石 下降慢不易密实。
分 段 成 桩
就位：清理平整 施工场地，布置 桩位。振冲器对 准桩位。
成孔：启动水泵和振 冲器，水压400～ 600kpa，水量可用 200～400l/min，直至 达到设计处理深度以 上0.3～0.5m。
提出加料，将振冲器沉入填 料中振密，振密判断标准： 电流超过规定密实电流，达 不到标准继续向孔内加填料。
2
V1 1 e1 V0 A p V0 1 e0 V0
桩体直径为d： 两式联立：
Ap d / 4
正方形布置
1 e0 l 0.89d e0 e1
正三角形布置
1 e0 l 0.95d e0 e1
若考虑挤密和振密两种作用
V1 V0 2 e0 e1 2 V l H l H d ( H h) l 2 h V0 1 e0 4
第三章
深层密实法
第 二节
碎 石 桩
1、定义：碎石桩指用振动或冲击荷载在软弱地基中 成孔后，再将碎石或砂挤压入孔中形成的大直径密实 柱体。
碎石桩是
碎石桩（Stone Column） 砂 桩 (Sand Pile)
的总称
碎石桩的施工工艺有：振冲法、沉管法、振动 气冲法、钻孔锤击法等。
振冲桩 (起源于德国,我国 于70年代引入) (1)设备,振冲器 d=270~420mm,l=2~3m , G=8~20KN (2)原理: 振:偏心轮旋转,振动加密, 使颗粒移动 冲:高压水从中间穿过,土 颗粒振浮液化固结
p
p max
( p0 u0 4cu ) K p
p
p max 6cu K pp p max
25.2cu
八、稳定性分析
碎石桩能改善天然地基整体 稳定性，是利用了复合地基的 抗剪特性 稳定性计算主要使用圆弧滑动法
复合地基的抗剪强度
sp
p
n 1 (n 1)m
Brauns单桩极限承载力法 单桩极限承载力的理论公式法 综合单桩极限承载力法
均假设单桩的破坏是空间轴对称问题，桩周土体是被动破坏。 也都利用 cu 、 来 确定 f pk 。
因为碎石桩是散体材料，其桩体 的承载力取决于碎石的内摩擦角 和桩间土对它的侧向约束力
Brauns单桩极限承载力法 极限承载力公式
V0 原地基土单位深度平均体积
Ap Ap
Ae l 2
Vs
l 桩距
砂固相颗粒体积
Ae
一根碎石桩承 担的处理面积
Ae
Ae
处理前体积： V0 处理后体积： V1
l 1 Vs (1 e0 )
2
Vs (1 e1 ) V0 V p V0 Ap 1
e0 e1 2 Ap l 1 e0
式中， 可按下式用试算法求得
p 45 p 2
即：
p p p p max cu
综合单桩极限承载力法 极限承载力公式
rl
桩体侧向极限应力
故综合单桩极限承载力法也称侧向极限应力法， 是目前计算碎（砂）石桩单桩承载力最常用的方法
还有简单方法
干振法
振捣
振孔器就位
振动挤土成孔
上提振孔器填料 形成碎石桩
振冲器
2、分类：振冲碎石桩和干法碎石 桩。 3、适用范围：
砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填 土和杂填土等地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不 严的工程也可采用砂石桩置换处理。砂石桩也可用于处理 液化地基。
振冲法适用于处理砂土、粉土、粘性土、填土地基，对处 理不排水抗剪强度不小于 20kpa 的软土地基使用要慎重。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。
3、作用：提高地基强度、降低压缩性，或消除地基抗液 化。 4、工程应用：中小型工业与民用建筑、散料堆场、码头、 路堤、油罐等工程的地基加固。
第一节 碎石桩的加固机理
一、松散砂土中的加固机理 松散砂土孔隙大，在动静荷载的作用下，产生较大沉降， 必须经过人工处理。 1、挤密作用 砂桩成桩采用 振动或冲击方法，桩管对周围 砂土产生很大横向挤压力，将 地基中等于桩管体积的砂挤向 周围砂层，这种强制挤密使砂 土相对密度Dr增加，孔隙比e减
Ap
当复合地基上作用荷载p时
则有
pA e p p Ap ps A e Ap
Ap p pp 1 p s mp p (1 m) p s Ae Ae Ap
复合地基承载力
《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002规定,振冲桩（砂桩) ①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的承载力特征值估 算. 2 2
emax , emin
砂土最大和最小孔隙比
Dr 相对密度，可取0.70～0.85。
（二）粘性土地基中的桩距计算
1、粘性土的加固机理是置换，故根据置换率确定桩间距。
m Ap / Ae d d
2
2 e
一根桩承担的处理地 基面积的等效圆直径
2、由面积换算率m计算一根桩的分担面积Ae
m Ap / Ae Ae Ap / m
复合地基载荷试验 复合地基承载力 由桩、土承载力复合估算
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k
f sk
试验（载荷、原位测试）、当地经验 天然地基承载力代替 载荷试验、桩土应力比 理论公式、经验公式
f pk
n f sk
复合地基承载力通式
f sp ,k m f p,k (1 m) f s,k