砂樁

砂樁在19世紀(jì)30年代源于歐洲，但是，當(dāng)時(shí)發(fā)展很慢，直到20世紀(jì)50年代，砂樁在國(guó)內(nèi)外才得以迅速發(fā)展，施工工藝才逐步走向完善和成熟。20世紀(jì)50年代后期，日本成功地研制了振動(dòng)式和沖擊式的砂樁施工工藝，大大提高了工作效率和施工質(zhì)量，處理進(jìn)度很快由原來(lái)的6m增加到30余米。砂樁在我國(guó)的應(yīng)用也始于50年代。起初，砂樁法用于處理松散砂土地基，視施工方法不同，又可分為擠密砂樁和振密砂樁兩種，其加固原理是依靠成樁過程中對(duì)周圍砂層的擠密和振密作用，提高松散砂土地基的承載力，防止砂土振(震)動(dòng)液化。后來(lái)，國(guó)內(nèi)外也逐漸將砂樁用來(lái)處理軟弱粘性土，其加固原理是利用砂樁的置換作用和排水作用提高軟弱地基的穩(wěn)定性。砂樁在軟弱地基中可形成砂樁復(fù)合地基，如對(duì)它再行加載預(yù)壓，可進(jìn)一步提高復(fù)合地基的承載力，減少地基沉降量，并改善地基的整體穩(wěn)定性。在我國(guó)砂樁用于加固軟弱粘性土地基有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有砂樁處理后的軟弱粘性土地基在荷載作用下仍發(fā)生大的沉降的事例，如果不進(jìn)行預(yù)壓使大的沉降預(yù)先完成，則難以滿足建筑物對(duì)沉降的要求。

砂樁自引入我國(guó)后，在工業(yè)及民用建筑、交通、水利等工程建設(shè)中均得到應(yīng)用，有成功的經(jīng)驗(yàn)，但也有達(dá)不到預(yù)期處理效果的情況，尤其在處理軟弱粘性土?xí)r還缺乏經(jīng)驗(yàn)，仍按砂土中的砂樁擠密原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，這顯然是不妥當(dāng)?shù)?，也是達(dá)不到預(yù)期處理效果的根本原因。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)在利用砂樁處理松散砂土、防止砂土液化方面取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，解決了一些工程實(shí)際問題。

砂樁是用沖擊或振動(dòng)等方法將鋼套管按一定間距沉入地基土中擠壓成孔，然后邊拔管邊向管內(nèi)灌砂并振搗密實(shí)而成的砂質(zhì)柱體。砂樁屬于散體樁復(fù)合地基的一種。是軟弱地基處理常用的方法之一。這種處理方法對(duì)整個(gè)地基起到擠壓密實(shí)的作用，砂樁本身又以其較周圍土體為大的剛度而承受大部分上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的荷載，從而與周圍被加固土一起組成復(fù)合地基。可提高地基承載力、減少沉降、防止振動(dòng)液化等，適用于處理雜填土和粘性土和深層松砂等地基。砂樁分?jǐn)D密砂樁和排水砂樁兩種。前者斷面較大，間距較近，樁體有較高的承載力和較大的變形模量，與擠密后的樁間土組成復(fù)合地基，共同承受基礎(chǔ)所傳遞的荷載。可用于濕陷性黃土、雜填土和粘性土地基。后 者主要用作地基排水的一種措施，可以增加孔隙水 的滲透途徑，縮短排水距離，同時(shí)也提高土的承載能力。一般直徑較小 (20～30cm)，間距較大 (1.5m以上)。

振動(dòng)機(jī)管砂樁是近十余年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種砂樁施工新工藝。振動(dòng)沉管法是在振動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下，把套管打入規(guī)定的設(shè)計(jì)深度，套管入土后，擠密套管周圍的土，然后再投入砂子，排砂于土中，振動(dòng)密實(shí)、振動(dòng)拔管成樁，多次循環(huán)后，就成為擠密砂樁。這種施工工藝處理效果較好，既有擠密作用又有振密作用，使樁與樁間土形成較好的復(fù)合地基，提高場(chǎng)地基承載力、防止了砂土液化、增大了軟弱地基土的整體穩(wěn)定性。砂樁材料除單純用砂子外，還有砂石樁、灰砂樁(灰：砂=3：2)；用砂石料形成砂石樁，用灰砂料形成灰砂樁?；疑皹峨S著時(shí)間的增加，土中固化作用提高，樁體強(qiáng)度也不斷增加，能起到擠密地基、提高地基承載力的作用。砂石樁比純砂樁樁身具有更好的顆粒級(jí)配、有更大的樁身密實(shí)度，單樁強(qiáng)度有所改進(jìn)。砂樁適用于處理松砂、粉土、素填土、雜填土、粘性土地基等，可用于散料堆場(chǎng)、路堤、碼頭、油罐、廠房和住宅等工業(yè)與民用建筑地基加固丁程中。

砂樁的施工方法有多種多樣，國(guó)內(nèi)外常用的成樁方法分為兩類：一類是振動(dòng)成樁法；另一類是沖擊成樁法。

振動(dòng)成樁法

振動(dòng)成樁法是用振動(dòng)打樁機(jī)將樁管沉入土層中并振動(dòng)擠密砂料的施工方法，根據(jù)其成樁工藝又可分成三類即一次拔管法、逐步拔管法、重復(fù)壓拔管法。

沖擊成樁法

沖擊成樁法是用蒸汽打樁機(jī)或柴油打樁機(jī)將樁打入土層中并用內(nèi)管夯擊密實(shí)砂填料的施工方法，根據(jù)其成樁方法分成兩類即單管法和雙管法。軟基砂樁成樁工藝比較常用的是振動(dòng)成樁法中的逐步拔管法，用振動(dòng)或錘擊打樁機(jī)將鋼樁管入土成孔，然后往樁管中灌砂后，先留振若干秒，再邊振動(dòng)邊起拔樁管，拔起一定高度停拔，并繼續(xù)留振若干秒后，再拔起一定高度，并補(bǔ)充填料，如此重復(fù)進(jìn)行，直到樁管拔出地面即成樁 。

砂樁加固軟基，是一種造價(jià)相對(duì)較低、效果顯著的軟土地基處理方法，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、碼頭、工業(yè)及民用建筑等行業(yè)。砂樁加固軟弱地基是通過擠密或振動(dòng)使深層土密實(shí)，并在振動(dòng)擠密過程中，回填砂形成密實(shí)樁體，與樁間土一起組成復(fù)合地基，從而提高地基承載力，減少沉降量，消除或部分消除土的濕陷性或液化性。砂樁是由中粗砂組成的柱體，中粗砂為散體材料，所以砂樁發(fā)揮作用，主要取決于側(cè)向約束的大小。在地基中，砂樁主要靠樁周土側(cè)向約束使樁傳遞垂直荷載，增加重負(fù)，提高抗剪能力。砂樁對(duì)軟土地基的加固機(jī)理，對(duì)于砂性土與粘性土各不相同。

對(duì)松散砂土和粉土的加固機(jī)理

對(duì)松散砂土和粉土而言，砂樁加固地基的主要目的是提高地基土承載力、減少變形和增強(qiáng)抗液化性，砂樁利用振動(dòng)或沖擊荷載在軟基中壓入砂石而減小土的孔隙比，提高其相對(duì)密度。砂樁加固砂土地基抗液化的機(jī)理主要有下列四方面作用：

①擠密作用

砂土和粉土屬于單粒結(jié)構(gòu)，其組成單元為松散粒狀體，滲透系數(shù)一般大于少。在松散狀態(tài)時(shí)，顆粒的排列很不穩(wěn)定，在動(dòng)力和靜力作用下會(huì)重新排列，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)即使顆粒的排列接近較穩(wěn)定的密實(shí)狀態(tài)，在動(dòng)力和靜力作用下也將發(fā)生位移，改變其原來(lái)的位置。松散砂土在振動(dòng)力的作用下，其體積縮小可達(dá)。由于水沖使松散砂土處于飽和狀態(tài)，砂土在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下產(chǎn)生液化并重新排列致密，趨于較穩(wěn)定的密實(shí)狀態(tài)。在成樁過程中，無(wú)論采用錘擊法還是振動(dòng)法在砂土中沉入樁管時(shí)，樁孔中填入的砂，被強(qiáng)大的水平振動(dòng)力擠入周圍土中，樁管對(duì)周圍砂層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的砂擠向樁管周圍的砂層，這種強(qiáng)制擠密使砂土的孔隙比減小，密實(shí)度增大，從而抗液化性能得到改善。

②振密作用

砂樁施工時(shí)，樁管四周的土體受到擠壓，同時(shí)樁管的振動(dòng)能量以波的形式在土體中傳播，引起四周土體的振動(dòng)。在擠壓和振動(dòng)的作用下土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大，由于土結(jié)構(gòu)的破壞，土顆粒重新進(jìn)行排列向具有較低勢(shì)能的位置移動(dòng)，從而使土由較松散狀態(tài)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)隨著孔隙水壓力的進(jìn)一步增大，達(dá)到大于主應(yīng)力數(shù)值時(shí)，土體開始液化成流體狀態(tài)，如果有排水通道，土體中的水此時(shí)就沿著樁體排出地面。

③排水減壓作用

對(duì)砂土液化機(jī)理的研究證明，在地震作用或振動(dòng)作用下，當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷載作用時(shí)，將發(fā)生體積的收縮和趨于密實(shí)，在砂土無(wú)排水條件時(shí)體積的快速收縮將導(dǎo)致超靜孔隙水壓力來(lái)不及消散而急劇上升，從而使土的抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)砂土中抗剪強(qiáng)度完全喪失，或者土的抗剪強(qiáng)度降低，使土不再能抵抗它原來(lái)所能安全承受的作用剪應(yīng)力時(shí)，土體就發(fā)生液化流動(dòng)破壞，即砂土或粉土地基發(fā)生振動(dòng)液化破壞。由于砂土、粉土本身的特性，這種破壞宏觀表現(xiàn)為土體噴水冒砂、土體長(zhǎng)距離的滑流、土體中建筑物上浮和地表建筑物的下陷等現(xiàn)象。砂樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填反濾性好的粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增高和砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基的排水固結(jié)，從而提高樁間土的抗液化能力。

④砂基預(yù)震效應(yīng)

施工過程使填入料和地基土在擠密的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)震，有利于增強(qiáng)砂土的抗液化能力。國(guó)內(nèi)外大量的不排水循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)先受過適度水平的循環(huán)應(yīng)力即預(yù)振的試樣，將具有較大的抗液化強(qiáng)度，由于在振動(dòng)成樁過程中，樁間土受到了多次預(yù)振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。

對(duì)粘性土加固機(jī)理

砂樁軟基處理在軟弱粘性土地基中有置換、排水固結(jié)及墊層作用。

①置換作用

粘性土地基中砂樁的作用不是使地基擠密，而是置換。砂樁在軟粘土中形成一定密度和直徑的大樁體，與原粘性土構(gòu)成復(fù)合地基，提高地基的承載力和整體穩(wěn)定性，防止地基產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。由于復(fù)合地基中樁體的剛度較周圍土體大，在剛性基礎(chǔ)等量變形時(shí)，地基中應(yīng)力將按材料的變形模量隨著地基的變形進(jìn)行重新分布，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載由樁體承擔(dān)，樁間土上應(yīng)力相應(yīng)減小。

②排水固結(jié)作用

砂樁在粘土地基中是良好的排水通道，在上方荷載的作用下，它起到排水砂井的效能，且大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑，加速軟土地基的沉降排水及固結(jié)速度，使沉降穩(wěn)定加快。砂樁能夠改變樁間土的物理性質(zhì)，提高復(fù)合地基承載力。

③墊層作用

用砂樁加固軟弱土層時(shí)，如果軟弱土層較厚、則樁體可不貫穿整個(gè)軟弱土層，此時(shí)復(fù)合地基主耍起墊層作用。通過墊層作用來(lái)減小地基的沉降并將基底壓力向深部擴(kuò)散而提高地基的整體承載力?？傊徽搶?duì)疏松砂性土或軟弱粘性土，砂樁都有較強(qiáng)的加固作用。在松散砂土中可以用于增大相對(duì)密度，防止振動(dòng)液化在軟弱粘性土中可用于提高地基承載力，加速固結(jié)沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。

砂樁的擠密置換作用

由于砂樁在成樁的過程中樁管對(duì)周圍土層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，砂樁的打入會(huì)擠密原地基的軟弱部位，樁管體積的土體擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的土層孔隙比減小，密實(shí)度增大。密實(shí)的砂樁在軟弱粘性土中取代了同樣體積的軟弱粘性土置換作用，形成復(fù)合地基，提高土體的密度和強(qiáng)度，使地基承載力有所提高，地基沉降也變小。

砂樁的排水固結(jié)作用

砂樁加固砂土?xí)r樁孔內(nèi)充填砂料碎石等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增加和砂土產(chǎn)生液化，并加快地基的排水固結(jié)。在軟弱粘性土地基中，打入軟土中的砂樁，在施工時(shí)因有高壓氣體的作用會(huì)有大量水從砂樁中排出，有利于高含水量的軟土快速排水固結(jié)。在上方荷載的作用下，能夠加快地基沉降排水及固結(jié)速度，改變樁間土的物理性質(zhì)，提高復(fù)合地基承載力，為此，在施工中從成樁的投料量、樁管提升高度、擠壓時(shí)間、加水量和工作電流入手進(jìn)成樁質(zhì)量控制。砂樁也可以像砂井一樣起排水作用，作為排水通道在上部建筑施工和使用后長(zhǎng)期存在，有利于加快地基的固結(jié)沉降速率。

砂樁的振密作用

砂樁作為復(fù)合地基的振密作用，一方面在成樁過程中，激振器產(chǎn)生的強(qiáng)力振動(dòng)通過導(dǎo)管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產(chǎn)生振動(dòng)孔隙水壓力，導(dǎo)致部分土體液化，土顆粒重新排列，孔隙減少，趨向密實(shí)另一方面依靠振沖器的振力將補(bǔ)充的砂擠壓加密，還可以提高地基的承載力，減小地基的沉降量和差異沉降量，提高土體的抗剪強(qiáng)度，增大土體的抗滑穩(wěn)定性，消除地震時(shí)地基可能產(chǎn)生的液化現(xiàn)象 。

砂樁原材料檢驗(yàn)，檢查砂是否符合要求。

檢查砂是否符合要求：宜采用滲水率較高的中、粗砂，大于0.5mm的砂含量宜占總量的50﹪以上，含泥量不應(yīng)大于3﹪，滲透系數(shù)不應(yīng)小于5×10-3㎝/s。也可以使用砂和角礫混合料，含泥量不大于5﹪。2100433B