挤密桩法
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四大部分： ①电动机 ②振动器 ③通水管 ④减振器 及导管
22
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（1）施工机具及配套设备 振冲法施工主要机具有振冲法施工的主要机具有振冲器、起吊机械、水泵、 泥浆泵、填料机械、电控系统等。
表7.1 我国振冲器主要技术指标
表 6.1 我国振冲器主要技术参数 ZCQ-13 13 1450 5.2 35 4.2 4.3 274 1600 780
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型 项 目
号 功率/kW 转数（r/min） 偏心距/cm 激振力/kN 振幅/mm 加速度/g
ZCQ-30 30 1450 5.7 90 5.0 12 351 1935 940
ZCQ-55 55 1450 7.0 200 6.0 14 450 2500 1600
BL-75 75 1450 7.2 160 3.5 10 427 3000 2050
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复合地基应力状态
7.1.2 挤密桩法的分类
1）按桩体填充材料分类 （1）碎石（砂）桩法 （2）石灰桩法 （3）土或灰土挤密桩法 2）按施工方法分类 （1）振冲挤密桩法 （2）沉管挤密桩法 （ 包括振动挤密成桩法和冲击挤密成桩法。） （3）爆破挤密桩法
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2
7.1.3 挤密桩法的作用机理
3 2 Ae s 2
s
s
2 3
Ae 1.08 Ae
正方形布置时：
Ae
式中
Ae——1 根碎石（砂）桩承担的处理面积； Ae Ap / m ； Ap——碎石（砂）桩的截面积； m——面积置换率，一般情况下， m 0.10～0.30。
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3）复合地基承载力计算
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5）稳定分析
假定在复合地基中某深度处剪切面与水平面的夹角为 ,考虑碎石桩或砂桩和桩间土两 者都发挥抗剪强度，则可得出复合地基的抗剪强度 sp 。
sp 1 mc m p p rp z tan p cos2
式中
c ——桩间土的粘聚力； z ——自地表面起算的计算深度； rp ——碎石料或砂料的重度； p ——碎石料或砂料的内摩擦角； p ——应力集中系数， p n 1 mn 1 ； m ——面积置换率。
f spk m fpk 1 m f sk
式中 fspk——振冲桩复合地基承载力特征值（ kPa） ； fpk——桩体承载力特征值（ kPa） ，宜通过单桩载荷试验确定； fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa） ，宜按当地经验取值，如无经验时，可取 天然地基承载力特征值；
m ——桩土面积置换率；
1）侧向挤密作用 2）振密作用 3）置换作用 4）排水固结作用 5）化学加固作用 挤密桩的桩体材料具有一定的活性，在特定条件下发生复杂的胶凝 反应、离子交换、碳酸化反应，提高土体的强度。 对于砂性土，侧向挤密振密（或振密）作用占主导地位；对于粘性土， 以置换作用为主，桩体与桩间土形成复合地基。
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碎石（砂）桩法的施工工艺呈多样化发展，如沉管、锤击、振挤、干 振、振动气冲、袋装碎石、强夯置换法等。 采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩（或湿法碎 石桩）；采用无水冲工艺（如干振、振挤、锤击等）制成的桩为砂石桩 （或干法碎石桩）。
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7
7.2.2 适用范围
振冲碎石桩（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。 振冲法对不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实等作用。对 粘性土主要起到置换作用，对中细砂和粉土除置换作用外还有振实挤密作 用。
降量。
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12
7.2.4
设计计算
1）一般原则
（1）加固范围 应超出基础的宽度，每边放宽不少于1～3排桩；消除地基液化沉陷时， 每边放宽不小于处理深度的1／2，并不小于5m。当可液化层上覆盖有厚度 大于3m的非液化层时，每边放宽不小于液化层厚度的1／2，并不小于3 m。 （2）桩体材料 砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等。碎石（砂）填料中 含泥量不得大于5％，并且不含有粒径大于50mm颗粒。 （3）桩体直径 振冲桩直径通常为0.8～1.2m，对饱和粘性土地基应采用较大的直径。 沉管法成桩时，碎石和砂桩的桩径一般为0.30～0.70m. （4）桩体长度 当相对硬层埋深不大时，应按相对硬层埋深确定；当相对硬层埋深较 大时，按建筑物地基变形允许值确定；在可液化地基中，桩长应按要求的 抗震处理深度确定。桩长不宜小于4.0m。
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7.1.5 挤密桩法的质量检验
成桩后，应及时抽查检验灰土挤密桩复合地基的质量。对一般工
程，主要应检验施工记录、检测全部处理深度内桩体和桩间土的干密 度，并将分别换算到平均压实系数和平均挤密系数。对重要工程，除 检验的数量对一般工程不应少于桩总数的1％，对重要工程不应小于 桩总数的1.5％。
Su为桩间土的十字板抗剪强度，可用处理前地基土十字板抗剪强度代替；
复合地基的承载力特征值经验法（kPa）：
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4）复合地基沉降计算
（1）分层总和法
Ec mEp (1 m)Es
（2）沉降折减法
s mv pH
H ――固结土层厚度； p ――垂直附加平均应力；
mv ――天然地基的体积压缩系数（即单位应力增量作用下的体积应变） 。
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2）在粘性土地基中的作用
（1）置换作用 （2）排水固结作用 （3）加筋作用 （4）垫层作用
如果软弱土层较厚，则桩体不可能穿透整个土层，此时，加固过的复合 桩土层能起到垫层作用，垫层将荷载扩散，使扩散到下卧层顶面的应力减 弱并使分布趋于均匀，从而提高地基的整体抵抗力，减小其沉
灰土或土挤密桩复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地
基载荷试验。检验数量不应少于桩总数的0.5％，且每项单体工程不
应小于3点。
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7.2 碎石桩和砂桩
7.2.1 概念及其发展过程
振动水冲法是1937年由德国 Johann Kell（凯勒）公司设计制造出的具 有现代振冲器雏形的机具，用于处理柏林一幢建筑物的7.5m深的松砂地基， 结果将砂基的承载力提高了一倍，相对密度由原来的45%提高到80%，取 得了显著的加固效果。随后，Kell 公司大力推广这一方法，在国内外进行 了一大批砂基挤密工程，取得了丰硕的实践经验。 我国应用振冲法始于1977年，30多年来，在坝基、道路、桥梁、工业 与民用建筑地基处理中，振冲法均已得到了广泛的应用。 因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限 制，且有软化土的作用。 从20世纪80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生，如锤击法、振 挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石桩置换法等。
7 挤密桩法 7 .1概述
7.1.1 挤密桩法的概念
以振动、冲击或带套管等方法成孔，然后向孔中填人砂、碎石、土或 灰土、石灰、渣土或其他材料，再加以振实成桩并且进一步挤密桩间土的 软弱地基处理方法。挤密桩与桩周围因受挤压而变得密实的土体一起组成 复合地基，从而达到提高复合地基承载力，减少最终沉降量的目的。 《建筑地基处理规范》规定：碎石桩、砂桩和砂石桩总称为砂石桩， 是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将砂或碎石挤 压入已成的孔中，形成大直径的砂石所构成的密实桩体。
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9
7.2.3
加固机理
1）在松散砂土和粉土地基中的作用
（1）挤密作用
松散砂土在振动力作用下，其体积缩小可达20％。
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（2）振密作用 （3）抗液化作用 ①桩间可液化土层受到挤密和振密作用。土层的密实度增加，结构强 度提高，表现在土层标贯击数的增加，从而提高土层本身的抗液化能力。 ②碎石（砂）桩的排水通道作用。碎石（砂）桩为良好的排水通道， 可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上 升的幅度，因而提高桩间土的抗液化能力。
d ——桩身平均直径（m） ；
； d e —一 1 根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m） 等边三角形布桩： d e 1.05s ； 正方形布桩： d e 1.13s 矩形布桩： d e 1.13 s1s2 山东科技大学 王清标m） s 、 s1 、 s2 ——分别为桩间距、纵向间距和横向间距（ 。
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2）桩孔间距的确定
（1）砂土和粉土地基
a）正方形
b）正三角形 桩距计算示意图
c）加密效果
正三角形布置：
s 0.95d
1 e0 s 0.89d e0 e1 山东科技大学
1 e0 e 0 e1
正方形布置：
王清标
1.1 ~ 1.2
15
（2）粘性土地基 只考虑置换作用时，正三角形布桩，一根砂桩的处理面积Ae为：
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7.2.5
施工技术
1) 振冲法
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21
原理：起重机吊起振冲器启 动潜水电机后，带动偏心块， 使振冲器产生高频振动，同时 开动水泵，使高压水通过喷射 高压水流，在边振边冲的联合 作用下，将振冲器沉到土中的 设计深度。 经过清孔后，就可从地面向 孔中逐段填人碎石，每段填料 均在振动作用下被振挤密实， 达到所要求的密实度后提升振 冲器，如此，重复填料和振密， 直至地面，在地基中形成一根 大直径的和很密实的桩体。
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（5）桩位布置 大面积满堂处理，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。圆形或环形基础（油罐基础）放射形布置。
a）正方形
b）矩形
c）等腰三角形
d）放射形
碎石（砂）桩施工之后，桩顶1.0m左右长度的桩体密实度较小，此部分 应当挖除，或者使之密实。然后再铺设垫层，垫层厚度300～500mm，垫层 应分层压实。垫层材料选用中、粗砂资料，初步设计时复合地 基的承载力特征值也可按下式估算：
f spk 1 mn 1 f sk
式中
fspk mn 1 1 3Su
n——桩土应力比，无实测值时，对粘性土可取 2～4，粉土和砂土取 1.5～3；原土 强度低取大值，原土强度高取小值。
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20世纪50年代，砂桩在国内外才得以迅速发展，施工工艺才逐步走 向完善和成熟。在20世纪50年代末，日本成功研制了振动式和冲击式的 砂桩施工工艺，并采用了自动记录装置，大大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，由原来的6m增加到30余m。
砂桩技术自20世纪50年代引进我国后，在工业及民用建筑、交通、 水利等工程建设中均得到应用。
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砂石桩法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工程也可采用砂石桩 置换处理。砂石桩法也可用于处理可液化地基。
砂石桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基， 其挤密（或振密）效果较好，不仅可以提高地基的承载力、减少地基 的固结沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震所产生的液化。
3
7.1.4 挤密桩法的施工
成孔应按设计要求、成孔设备、现场土质和周围环境 等情况，选用沉管（振动、锤击）或冲击等方法。 成孔时，地基土宜接近最优含水量，当土的含水量低于12 ％时，宜对拟处理范围的土层进行增湿。应于地基处理前 4-6天，将需增湿的水通过一定数量和一定深度的渗水孔 ，均匀的浸入拟处理范围内的土层中。 铺设灰土垫层前，应按设计要求将桩顶标高以上的预 留松动土层挖除或夯密实。施工过程中，应有专人监理成 孔及回填夯实的质量，并应做好施工记录。如发现地基土 质与勘察资料不符，应立即停止施工，待查明情况或采取 有效措施处理后，方可进行施工。雨季或冬季施工，应采 取防雨或防冻措施，防止灰土或土料受雨水淋湿或冻结。
四大部分： ①电动机 ②振动器 ③通水管 ④减振器 及导管
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（1）施工机具及配套设备 振冲法施工主要机具有振冲法施工的主要机具有振冲器、起吊机械、水泵、 泥浆泵、填料机械、电控系统等。
表7.1 我国振冲器主要技术指标
表 6.1 我国振冲器主要技术参数 ZCQ-13 13 1450 5.2 35 4.2 4.3 274 1600 780
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型 项 目
号 功率/kW 转数（r/min） 偏心距/cm 激振力/kN 振幅/mm 加速度/g
ZCQ-30 30 1450 5.7 90 5.0 12 351 1935 940
ZCQ-55 55 1450 7.0 200 6.0 14 450 2500 1600
BL-75 75 1450 7.2 160 3.5 10 427 3000 2050
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复合地基应力状态
7.1.2 挤密桩法的分类
1）按桩体填充材料分类 （1）碎石（砂）桩法 （2）石灰桩法 （3）土或灰土挤密桩法 2）按施工方法分类 （1）振冲挤密桩法 （2）沉管挤密桩法 （ 包括振动挤密成桩法和冲击挤密成桩法。） （3）爆破挤密桩法
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7.1.3 挤密桩法的作用机理
3 2 Ae s 2
s
s
2 3
Ae 1.08 Ae
正方形布置时：
Ae
式中
Ae——1 根碎石（砂）桩承担的处理面积； Ae Ap / m ； Ap——碎石（砂）桩的截面积； m——面积置换率，一般情况下， m 0.10～0.30。
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3）复合地基承载力计算
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5）稳定分析
假定在复合地基中某深度处剪切面与水平面的夹角为 ,考虑碎石桩或砂桩和桩间土两 者都发挥抗剪强度，则可得出复合地基的抗剪强度 sp 。
sp 1 mc m p p rp z tan p cos2
式中
c ——桩间土的粘聚力； z ——自地表面起算的计算深度； rp ——碎石料或砂料的重度； p ——碎石料或砂料的内摩擦角； p ——应力集中系数， p n 1 mn 1 ； m ——面积置换率。
f spk m fpk 1 m f sk
式中 fspk——振冲桩复合地基承载力特征值（ kPa） ； fpk——桩体承载力特征值（ kPa） ，宜通过单桩载荷试验确定； fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa） ，宜按当地经验取值，如无经验时，可取 天然地基承载力特征值；
m ——桩土面积置换率；
1）侧向挤密作用 2）振密作用 3）置换作用 4）排水固结作用 5）化学加固作用 挤密桩的桩体材料具有一定的活性，在特定条件下发生复杂的胶凝 反应、离子交换、碳酸化反应，提高土体的强度。 对于砂性土，侧向挤密振密（或振密）作用占主导地位；对于粘性土， 以置换作用为主，桩体与桩间土形成复合地基。
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碎石（砂）桩法的施工工艺呈多样化发展，如沉管、锤击、振挤、干 振、振动气冲、袋装碎石、强夯置换法等。 采用振动加水冲的制桩工艺制成的碎石桩称为振冲碎石桩（或湿法碎 石桩）；采用无水冲工艺（如干振、振挤、锤击等）制成的桩为砂石桩 （或干法碎石桩）。
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7.2.2 适用范围
振冲碎石桩（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。 振冲法对不同性质的土层分别具有置换、挤密和振动密实等作用。对 粘性土主要起到置换作用，对中细砂和粉土除置换作用外还有振实挤密作 用。
降量。
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设计计算
1）一般原则
（1）加固范围 应超出基础的宽度，每边放宽不少于1～3排桩；消除地基液化沉陷时， 每边放宽不小于处理深度的1／2，并不小于5m。当可液化层上覆盖有厚度 大于3m的非液化层时，每边放宽不小于液化层厚度的1／2，并不小于3 m。 （2）桩体材料 砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等。碎石（砂）填料中 含泥量不得大于5％，并且不含有粒径大于50mm颗粒。 （3）桩体直径 振冲桩直径通常为0.8～1.2m，对饱和粘性土地基应采用较大的直径。 沉管法成桩时，碎石和砂桩的桩径一般为0.30～0.70m. （4）桩体长度 当相对硬层埋深不大时，应按相对硬层埋深确定；当相对硬层埋深较 大时，按建筑物地基变形允许值确定；在可液化地基中，桩长应按要求的 抗震处理深度确定。桩长不宜小于4.0m。
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7.1.5 挤密桩法的质量检验
成桩后，应及时抽查检验灰土挤密桩复合地基的质量。对一般工
程，主要应检验施工记录、检测全部处理深度内桩体和桩间土的干密 度，并将分别换算到平均压实系数和平均挤密系数。对重要工程，除 检验的数量对一般工程不应少于桩总数的1％，对重要工程不应小于 桩总数的1.5％。
Su为桩间土的十字板抗剪强度，可用处理前地基土十字板抗剪强度代替；
复合地基的承载力特征值经验法（kPa）：
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4）复合地基沉降计算
（1）分层总和法
Ec mEp (1 m)Es
（2）沉降折减法
s mv pH
H ――固结土层厚度； p ――垂直附加平均应力；
mv ――天然地基的体积压缩系数（即单位应力增量作用下的体积应变） 。
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2）在粘性土地基中的作用
（1）置换作用 （2）排水固结作用 （3）加筋作用 （4）垫层作用
如果软弱土层较厚，则桩体不可能穿透整个土层，此时，加固过的复合 桩土层能起到垫层作用，垫层将荷载扩散，使扩散到下卧层顶面的应力减 弱并使分布趋于均匀，从而提高地基的整体抵抗力，减小其沉
灰土或土挤密桩复合地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地
基载荷试验。检验数量不应少于桩总数的0.5％，且每项单体工程不
应小于3点。
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7.2 碎石桩和砂桩
7.2.1 概念及其发展过程
振动水冲法是1937年由德国 Johann Kell（凯勒）公司设计制造出的具 有现代振冲器雏形的机具，用于处理柏林一幢建筑物的7.5m深的松砂地基， 结果将砂基的承载力提高了一倍，相对密度由原来的45%提高到80%，取 得了显著的加固效果。随后，Kell 公司大力推广这一方法，在国内外进行 了一大批砂基挤密工程，取得了丰硕的实践经验。 我国应用振冲法始于1977年，30多年来，在坝基、道路、桥梁、工业 与民用建筑地基处理中，振冲法均已得到了广泛的应用。 因振冲碎石桩有泥水污染环境，在城市和已有建筑物地段的应用受到限 制，且有软化土的作用。 从20世纪80年代开始，各种不同的施工工艺相应产生，如锤击法、振 挤法、干振法、沉管法、振动气冲法、袋装碎石法、强夯碎石桩置换法等。
7 挤密桩法 7 .1概述
7.1.1 挤密桩法的概念
以振动、冲击或带套管等方法成孔，然后向孔中填人砂、碎石、土或 灰土、石灰、渣土或其他材料，再加以振实成桩并且进一步挤密桩间土的 软弱地基处理方法。挤密桩与桩周围因受挤压而变得密实的土体一起组成 复合地基，从而达到提高复合地基承载力，减少最终沉降量的目的。 《建筑地基处理规范》规定：碎石桩、砂桩和砂石桩总称为砂石桩， 是指采用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将砂或碎石挤 压入已成的孔中，形成大直径的砂石所构成的密实桩体。
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7.2.3
加固机理
1）在松散砂土和粉土地基中的作用
（1）挤密作用
松散砂土在振动力作用下，其体积缩小可达20％。
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（2）振密作用 （3）抗液化作用 ①桩间可液化土层受到挤密和振密作用。土层的密实度增加，结构强 度提高，表现在土层标贯击数的增加，从而提高土层本身的抗液化能力。 ②碎石（砂）桩的排水通道作用。碎石（砂）桩为良好的排水通道， 可以加速挤压和振动作用产生的超孔隙水压力的消散，降低孔隙水压力上 升的幅度，因而提高桩间土的抗液化能力。
d ——桩身平均直径（m） ；
； d e —一 1 根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m） 等边三角形布桩： d e 1.05s ； 正方形布桩： d e 1.13s 矩形布桩： d e 1.13 s1s2 山东科技大学 王清标m） s 、 s1 、 s2 ——分别为桩间距、纵向间距和横向间距（ 。
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2）桩孔间距的确定
（1）砂土和粉土地基
a）正方形
b）正三角形 桩距计算示意图
c）加密效果
正三角形布置：
s 0.95d
1 e0 s 0.89d e0 e1 山东科技大学
1 e0 e 0 e1
正方形布置：
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1.1 ~ 1.2
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（2）粘性土地基 只考虑置换作用时，正三角形布桩，一根砂桩的处理面积Ae为：
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7.2.5
施工技术
1) 振冲法
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原理：起重机吊起振冲器启 动潜水电机后，带动偏心块， 使振冲器产生高频振动，同时 开动水泵，使高压水通过喷射 高压水流，在边振边冲的联合 作用下，将振冲器沉到土中的 设计深度。 经过清孔后，就可从地面向 孔中逐段填人碎石，每段填料 均在振动作用下被振挤密实， 达到所要求的密实度后提升振 冲器，如此，重复填料和振密， 直至地面，在地基中形成一根 大直径的和很密实的桩体。
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（5）桩位布置 大面积满堂处理，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。圆形或环形基础（油罐基础）放射形布置。
a）正方形
b）矩形
c）等腰三角形
d）放射形
碎石（砂）桩施工之后，桩顶1.0m左右长度的桩体密实度较小，此部分 应当挖除，或者使之密实。然后再铺设垫层，垫层厚度300～500mm，垫层 应分层压实。垫层材料选用中、粗砂资料，初步设计时复合地 基的承载力特征值也可按下式估算：
f spk 1 mn 1 f sk
式中
fspk mn 1 1 3Su
n——桩土应力比，无实测值时，对粘性土可取 2～4，粉土和砂土取 1.5～3；原土 强度低取大值，原土强度高取小值。
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20世纪50年代，砂桩在国内外才得以迅速发展，施工工艺才逐步走 向完善和成熟。在20世纪50年代末，日本成功研制了振动式和冲击式的 砂桩施工工艺，并采用了自动记录装置，大大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，由原来的6m增加到30余m。
砂桩技术自20世纪50年代引进我国后，在工业及民用建筑、交通、 水利等工程建设中均得到应用。
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砂石桩法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工程也可采用砂石桩 置换处理。砂石桩法也可用于处理可液化地基。
砂石桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基， 其挤密（或振密）效果较好，不仅可以提高地基的承载力、减少地基 的固结沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震所产生的液化。
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7.1.4 挤密桩法的施工
成孔应按设计要求、成孔设备、现场土质和周围环境 等情况，选用沉管（振动、锤击）或冲击等方法。 成孔时，地基土宜接近最优含水量，当土的含水量低于12 ％时，宜对拟处理范围的土层进行增湿。应于地基处理前 4-6天，将需增湿的水通过一定数量和一定深度的渗水孔 ，均匀的浸入拟处理范围内的土层中。 铺设灰土垫层前，应按设计要求将桩顶标高以上的预 留松动土层挖除或夯密实。施工过程中，应有专人监理成 孔及回填夯实的质量，并应做好施工记录。如发现地基土 质与勘察资料不符，应立即停止施工，待查明情况或采取 有效措施处理后，方可进行施工。雨季或冬季施工，应采 取防雨或防冻措施，防止灰土或土料受雨水淋湿或冻结。