沉管砂石桩复合地基

发布时间:2024-09-09

沉管砂石桩复合地基

      沉管砂石桩复合地基是用振动或锤击沉管等方式在软弱地基中成孔后，再将砂石等散体材料振动挤压人已成的孔中，并在成桩过程中逐层挤密、振密，形成具有一定深度和较大直径的密实桩体，与桩间土一起形成复合地基，这种复合地基的主体是砂石。

一、施工工艺简介

1、振动沉管成桩。图4.1.4列出了振动打桩机打砂石桩的示意图，如图4.1.5所示为振动沉管成桩施工示意图。2、锤击沉管成桩。锤击沉管成桩可分为单管法和双管法。施工机械为蒸汽打桩机或柴油打桩机。单管法桩管下端带有活瓣钢制桩靴或预制钢筋混凝土锥形桩尖(留在土中)；双管法桩管为底端开口的外管(套管)和底端封口的内管(芯管)。如图4.1.6所示为单管锤击成桩工艺示意图，图4.1.7为双管锤击成桩工艺示意图。

二、加固机理

      沉管砂石桩加固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能力。在砂土中和黏性土中的加固机理是不同的。

1、在松散砂土和粉土地基中的加固机理

      沉管砂石桩加固松散砂土地基的机理主要有下列三方面。

     (1)挤密作用。松散砂土和粉土属单粒结构，由于颗粒相对粗大，粒间连接力没有或较弱，受到荷载作用时，处于松散状态的土粒会重新排列，达到稳定状态。采用锤击法或振动法在砂土中下沉桩管和拔管成桩时，砂石桩对砂性土地基产生两个方面的横向挤压力：一个是沉管成桩过程中沉管对周围砂土层产生的较大的横向挤压力；另一个是对填入孔内的砂石料振动挤密时对周围砂土产生的横向挤压力。周砂土在横向挤压力作用下，土粒彼此移动，小颗粒填入大颗粒的空隙，颗粒间彼此靠近，空隙减少，使土密实，地基土的强度也随之增强，这就是挤密作用。有效挤密范围可达3~4倍径。

      (2)振密作用。采用振动法下沉桩管和逐步拔出桩管成桩时，桩管四周的土受到挤压，同时桩管的振动能量以振波的形式向砂土传播，引起土粒的振动，挤密作用和振密作用同时存在，振密作用比挤密作用更为显著。振密作用宏观上表现为振密变形。在振动成桩过程中一般形成以桩管为中心的沉降漏斗，其直径可达6~9倍桩径，有效范围可达6倍径左右，砂石桩周围一定距离内地面发生较大的下沉。在挤压和振动作用下，土粒结构被破坏，孔隙水压力增大，土粒重新排列，从而使砂土由较松散状态变为密实状态。

      (3)排水减压作用。桩孔内充填碎石(卵石、砾石)和粗砂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降压通道，可有效地消除和防止超孔隙水压力的增高防止砂土产生液化，加快排水固结。

      沉管砂石桩可以有效提高土体抗液化能力。饱和砂土和粉土受到地震等强烈振动荷载时，结构被破坏，土颗粒发生剧烈的相对运动土体中的孔隙减小，使得孔隙水不能及时排出，土中孔隙水压力升高，导致土粒间有效应力降低甚至消失，土粒局部或全部处于悬浮状态，砂土的抗剪强度大大降低甚至降低到零，成为可流动的液体。此时，砂土或粉土便不能承受上部荷载的作用，发生液化破坏。宏观上表现为土体喷水冒砂、地基失稳、建筑物下陷等现象。

      沉管砂石桩在成孔及成桩时，振动锤的强烈振动，使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预振，对砂土增强抗液化能力是极为有利的。

      沉管砂石桩加固可液化地基的作用主要表现在以下三个方面：①通过振密和挤密作用提高了饱和砂土的密实度，减小了饱和砂层的振密性；②通过排水作用，加速了土体中超孔隙水压力的消散，限制了超孔隙水压力的增长；③通过桩体作用，减小了桩间土所受到的剪应力，即减弱了作用于土体上使土振密的驱动力强度，也就减小了产生液化的超孔隙水压力，从而提高了桩间土的抗液化能力。

      沉管砂石桩就是通过挤密和振密、置换、排水以及预振等作用而有效提高了土体抗液化能力。

2、在黏性土中的加固机理

      黏性土具有蜂窝结构或絮状结构。随含水量大小不同，沉管砂石在其中的作用也不同。对于非饱和黏性土，主要是挤密作用和置换作用；对于饱和性土，一般不存在挤密作用，而主要是以排水作用和置换作用为主。

      (1)置换作用。对黏性土地基(特别是饱和软土)，沉管砂石的作用主要是置换作用。沉管法将不良地基土强制排开并置换，形成具有密实度较高的桩体，与原黏性土构成复合地基。由于砂石桩的刚度比桩周黏性土的刚度大，而地基中应力按材料变形模量进行重新分配。因此，大部分荷载将由碎石桩承担，桩土应力比一般为2~4。

      如果软弱土层厚度不大，则桩体可贯穿整个软弱土层，直达相对硬土层，此时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，则体可不贯穿整个软弱土层，此时加固的复合士层起垫层的作用，垫层将荷载扩散，使应力分布趋于均匀。

      由于沉管砂石桩由散体材料构成，竖向受荷后会产生径向变形(尤其在碎石上部)，则对桩周土体产生水平向挤压，需要有一定强度桩间土的支持，砂石桩和间土构成复合地基而共同承担基础荷载。如果黏性土的强度过低，不能使砂石得到所需的径向支持力，体就会产生鼓胀破坏，这样就使加固效果不佳。

      (2)排水固结作用。由于黏性土地基的土质黏粒含量多，黏粒间结合力强，渗透性差。如果选用砂石桩材料时考虑级配，渗透系数比较大，则所制成的砂石桩在黏土地基中形成一个良好的竖向排水通道，能起到排水砂井的作用。它和其上的砂石垫层大大缩短了排水的渗透途径，从而加速了地基的固结沉降速率。

      总之，沉管砂石桩体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，增大地基的抗滑稳定性。不论疏松砂性土或软弱黏性土，沉管砂石桩的加固作用主要有挤密、置换、排水、垫层和加筋这五种作用。

三、适用范围

      适用于挤密处理松散砂土、粉土、粉质黏土、素填土、杂填土等地基，以及用于处理可液化地基。饱和黏土地基，如对变形控制不严格，可采用砂石置换处理。