碎石桩和砂桩介绍

4.2.4　碎(砂)石桩

1、概述

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，

如表4.2.4-1所示。

表4.2.4-1 碎石桩施工方法分类

分类施工方法成桩工艺适用土类

挤振冲挤密法采用振冲器振动水冲成孔，再振动密实填料成

桩，并挤密桩间土

砂性土、非饱和粘

性土，以炉灰、炉

密沉管法采用沉管成孔，振动或锤击密实填料成桩，并

挤密桩间土

渣、建筑垃圾为主

的杂填土，松散的

法干振法采用振孔器成孔，再用振孔器振动密实填料成

桩，并挤密桩间土

素填土

置换振冲置换法采用振冲器振动水冲成孔，再振动密实填料成

桩饱和粘性土

法钻孔锤击法采用沉管且钻孔取土方法成孔，锤击填料成桩

排振动气冲法采用压缩气体成孔，振动密实填料成桩

土沉管法采用沉管成孔，振动或锤击填料成桩饱和粘性土法强夯置换法采用重锤夯击成孔和重锤夯击填料成桩

其水泥碎石桩法在碎石内加水泥和膨润土制成桩体

它方裙围碎石桩法在群桩周围设置刚性的（混凝土）裙围来约束

桩体的侧向鼓胀饱和粘性土

法袋装碎石桩法将碎石装入土工聚合物袋而制成桩体，土工聚

合物可约束桩体的侧向鼓胀

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。”

(2)砂桩　目前国内外砂桩常用的成桩方法有振动成桩法和冲击成桩法。振动成桩法是使用振动打桩机将桩管沉入土层中，并振动挤密砂料。冲击成桩法是使用蒸汽或柴油打桩机将桩管打入土层中，并用内管夯击密实砂填料，实际上这也就是碎石桩的沉管法。因此，砂桩的沉桩方法，对于砂性土相当于挤密法，对粘性土则相当于排土成桩法。

砂桩适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、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。砂桩也可用于处理可液化地基。

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。

4、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。

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=54%但受过预

D r

震影响的砂样，其抗液能力相当于相对密度=80%的未受过预震的砂样。即在一定应力循

D r

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，振冲器以每分钟1450次振动频率，98m/s2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。

国外报道中指出只要小于0.074mm的细颗粒含量不超过10%，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。

(2)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。碎石桩置换法是一种换土置换，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。

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。

3、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型式而定，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，在基础外缘应扩大2～4排桩。见表4.2.4-2。

表4.2.4-2 加固范围

基础形式加固范围

独立基础

条形基础

筏板、十字交叉、箱形基础

不超出基底面积

不超出或适当超出基底面积

建筑物平面外轮廓线范围内满堂加固，轮廓线外加2～3排保护桩

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：

a、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；