施工手册(第四版)第七章地基处理与桩基工程7-1-4 深层

'7-1-4深层密实地基7-1-4-1振冲地基振冲法，又称振动水冲法，是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机带动偏心块，使振动器产生高频振动，同时启动水泵，通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振动器沉到土中的预定深度，经清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石，或不加填料，使在振动作用下被挤密实，达到要求的密实度后即可提升振动器，如此重复填料和振密，直至地面，在地基中形成一个大直径的密实桩体与原地基构成复合地基，从而提高地基的承载力，减少沉降和不均匀沉降，是一种快速、经济有效的加固方法。振冲法按加固机理和效果的不同，又分为振冲置换法和振冲密实法两类。前者是在地基土中借振冲器成孔，振密填料置换，制造一群以碎石、砂砾等散粒材料组成的桩体，与原地基土一起构成复合地基，使地基承载力提高，沉降减少，它又名振冲置换碎石桩法；后者主要是利用振动和压力水使砂层液化，砂颗粒相互挤密，重新排列，孔隙减少，从而提高砂层的承载力和抗液化能力，它又名振冲挤密砂桩法，这种桩根据砂土质的不同，又有加填料和不加填料两种。1．特点及适用范围振冲法加固地基特点是：技术可靠，机具设备简单，操作技术易于掌握，施工简便，可节省三材，因地制宜，就地取材，采用碎石、卵石、砂或矿渣等作填料；加固速度快，节约投资；而且，碎石桩具有良好的透水性，可加速地基固结，使地基承载力可提高1.2~1.35倍；此外，振冲过程中的预震效应，可使砂土地基增加抗液化能力。振冲置换法适于处理不排水、抗剪强度小于20kPa的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，如果桩周土的强度过低，则难以形成桩体。振冲密实法适用于处理砂土和粉土等地基，不加填料的振冲密实法仅适用于处理粘土粒含量小于10%的粗砂、中砂地基。振冲法不适于地下水位较高、土质松散易塌方和含有大块石等障碍物的土层中使用。 国内应用振冲法加固地基的深度一般为14m，最大达18m，置换率一般在10%~30%，每米桩的填料量为0.3~0.7m3，直径为0.7~1.2m。2．构造要求（1）振冲置换法1）处理范围应大于基底面积；对于一般地基，在基础外缘宜扩大1~2排桩；对可液化地基，在基础外缘应扩大2~4排桩。2）桩位布置对大面积满堂处理，宜用等边三角形布置；对独立或条形基础，宜用正方形、矩形或等腰三角形布置。3）桩的间距应根据荷载大小和原土的抗剪强度确定，一般取1.5~2.5m，对荷载大或原土强度低、或桩末端达相对硬层的短桩宜取小值，反之宜取大的间距。4）桩长的确定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；当相对硬层的埋藏深度较大时，应按建筑物地基的变形允许值确定。桩长不宜短于4m。在可液化的地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩顶应铺设一层200~500mm厚的碎石垫层。5）桩的直径可按每根桩所用的填料计算，一般为0.8~1.2m。（2）振冲密实法1）处理范围应大于建筑物基础范围，在建筑物基础外缘每边放宽不得小于5m；2）振冲深度当可液化土层不厚时，应穿透整个可液化层；当可液化土层较厚时，应按要求的抗震处理深度确定；3）每一振点所需的填料量随地基土要求达到的密实程度和振点间距而定，应通过现场试验确定。3．机具设备及材料要求振冲机具设备包括：振冲器、起重机和水泵。振冲器类似混凝土插入式振动器，其工作原理是，利用电机旋转一组偏心块产生一定频率和振幅的水平振动，压力水通过空心竖轴从振冲器下端喷口喷出。振冲器的构造如图7-17所示，常用型号及技术性能见表7-15。 图7-17振冲器构造1-吊具；2-水管；3-电缆；4-电机；5-联轴器；6-轴；7-轴承；8-偏心块；9-壳体；10-翅片；11-头部；12-水管振冲器的技术参数表7-15型号ZCQ-13ZCQ-30ZCQ-55BL-75电动功率（kW）13305575转速（r/min）1450145014501450额定电流（A）25.560100150不平衡重量（kg）29.066.0104.0型号振动力（kN）3590200160振幅（mm）4.24.25.07.0振冲器外径（mm）274351450426长度（mm）2000215025003000总重量（t）0.780.941.62.05操纵振冲器的起吊设备可采用8~10t履带式起重机、轮胎式起重机、汽车吊或轨道式自行塔架等。水泵要求水压力为400~600kPa，流量20~30m3/h，每台振冲器备用一台水泵。控制设备包括：控制电流操作台、150A电流表、500V电压表以及供水管道、加料设备（吊斗或翻斗车）等。填料可用坚硬不受侵蚀影响的碎石、卵石、角砾、圆砾、矿渣以及砾砂、粗砂、中砂等；粗骨料粒径以20~50mm较合适，最大粒径不宜大于80mm，含泥量不宜大于5%，不得含有杂质、土块和已风化的石子。4．施工工艺要点 （1）施工前应先进行振冲试验，以确定成孔合适的水压、水量、成孔速度及填料方法；达到土体密实时的密实电流、填料量和留振时间（称为施工工艺的三要素）。一般控制标准是：密实电流不小于50A；填料量为每米桩长不小于0.6m3，且每次搅拌量控制在0.20~0.35m3；留振时间30~60s。（2）振冲法施工工艺如图7-18，振冲造孔顺序方法可按表7-16选用。图7-18振冲碎石桩施工工艺（a）定位；（b）振冲下沉；（c）振冲至设计标高并下料；（d）边振边下料，边上提；（e）成桩振冲成孔方法的选择表7-16造孔方法步骤优缺点排孔法由一端开始，依次逐步造孔到另一端结束易于施工，且不易漏掉孔位。但当孔位较密时，后打的桩易发生倾斜和位移跳打法同一排孔采取隔一孔造一孔先后造孔影响小，易保证桩的垂直度。但要防止漏掉孔位，并应注意桩位准确围幕法先造外围2~3圈（排）孔，然后造内圈（排）。采用隔圈（排）造一圈（排）或依次向中心区造孔能减少振冲能量的扩散，振密效果好，可节约桩数10%~15%，大面积施工常采用此法。但施工时应注意防止漏掉孔位和保证其位置准确（3）振冲置换法施工顺序为：定位→成孔→清孔→填料→ 振实。启动水泵和振冲器，水压可用400~600kPa（对于较硬土层应取上限，对于软土取下限），水量可用200~400L/min，使振冲器徐徐沉入土中，直至达到设计处理深度以上0.3~0.5m。如土层中夹有硬层时，应适当进行扩孔，即在硬层中将振冲器往复上下多次，使孔径扩大，以便于填料。因在粘性土层中成孔，泥浆水太稠，使填料下降速度缓慢，因此在成孔后，应停留1~min清孔，以便回水将稠泥浆带出地面，以降低孔内泥浆密度。填料宜“少吃多餐”，每次往孔内倒入填料数量，约为堆积在孔内0.8m高，然后用振冲器振密后再继续加料。在强度很低的软土地基施工中，则要用“先护壁，后制桩”的施工方法。即在振冲开孔到达第一层软弱层时，加些填料进行初步挤振，将填料挤到此层软弱层周围以加固孔壁，接着再同样方法处理以下第二、第三层软弱层，直到加固深度。（4）振冲挤密法施工工艺如图7-19，施工顺序为：定位→成孔→边振边上提→振密。水压、水量控制同振冲置换法，下沉速率控制在1~2m/min，待达到要求处理深度后，将水压和水量降至孔口有一定量回水，但无大量细颗粒带出的程度，将填料堆于孔口扩筒周围，采取自下而上地分段振动加密，每段长0.5~1.0m，填料在振冲器振动下依靠自重沿护筒周壁下沉至孔底，在电流升高到规定控制值后，将振冲器上提0.3~0.5m；重复上一步骤直至完成全孔处理。图7-19振冲挤密法施工工艺（5）填料和振料方法，一般采取成孔后，将振冲器提出少许，从孔口往下填料，填料从孔壁间隙下落，边填边振，直至该段振实，然后将振冲器提升0.5m，再从孔口往下填料，逐段施工。（6） 振冲挤密法施工操作，关键是控制水量大小和留振时间。水量的大小是保证地基中砂土充分饱和，受到振动能够产生液化；足够的留振时间（30~60s）是使地基中的砂土完全液化，在停振后土颗粒便重新排列，使孔隙比减小，密实度提高。振密程度一般以电流超过原空振时电流25~30A时，表示该深度处的桩体已经挤密。对粉细砂应加填料，其功用是填充在振冲器上提后留下的孔洞；此外，填料作为传力介质，在振冲器的水平振动下，通过连续加填料将砂层进一步挤压加密。对中、粗砂，当振冲器上提后孔壁极易坍落能自行填满下面的孔洞，因而可以不加填料就地振密。如干砂厚度大，地下水位低，则应采取措施大量补水，以使砂处于或接近饱和状态时，方可施工。（7）加固区的振冲桩施工完毕，在振冲最上1m左右时，由于土覆压力小，桩的密实度难以保证，故宜予挖除，另作垫层，或另用振动碾压机进行碾压密实处理。5．质量控制（1）施工前应检查振冲器的性能；电流表、电压表的准确度；填料的性能。（2）施工中应检查密实电流、供水压力、供水量、填料量、孔底留振时间、振冲点位置、振冲器施工参数等（施工参数由振冲试验或设计确定）。（3）施工结束后应在有代表性的地段作地基强度（标准贯入、静力触探）或地基承载力（单桩静载荷或复合地基静载）检验。（4）振冲施工结束后，除砂土地基外，应间隔一定时间方可进行质量检验。对粘性土地基，间隔时间为3~4周；对粉土地基为2~3周。（5）振冲地基质量标准如表7-17所示。振冲地基质量检验标准表7-17项序检查项目允许偏差或允许值检查方法单位数值主控项目1填料粒径设计要求抽样检查2密实电流（粘性土）密实电流（砂性土或粉土）（以上为功率30kW振冲器）密实电流（其他类型振冲器）AAA050~5540~501.5~2.0电流表读数电流表读数，A0为空振电流3标贯、静力触探设计要求按规定的方法4载荷试验（单桩、复合地基）设计要求按规定的方法一般项目1填料含泥量%＜5抽样检查2振冲器喷水中心与孔径中心偏差mm≤50用钢尺量3成孔中心与设计孔位中心偏差mm≤100用钢尺量4桩体直径mm＜50尺量5孔深mm±200量钻杆或重锤测7-1-4-2水泥土搅拌桩地基 水泥土搅拌桩地基系利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机在地基深部，就地将软土和固化剂（浆体或粉体）强制拌合，利用固化剂和软土发生一系列物理、化学反应，使凝结成具有整体性、水稳性好和较高强度的水泥加固体，与天然地基形成复合地基。其加固原理是：水泥加固土由于水泥用量很少，水泥水化反应完全是在土的围绕下产生的，凝结速度比在混凝土缓慢。水泥与软粘土拌合后，水泥矿物和土中的水分发生强烈的水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙生成硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）、硫酸钙（CaSO4）等水化物，有的自身继续硬化形成水泥石骨架，有的则因有活性的土进行离子交换和团粒反应、硬凝反应和碳酸化作用等，使土颗粒固结、结团，颗粒间形成坚固的联结，并具有一定强度。1．特点及适用范围深层搅拌法的特点是：在地基加固过程中无振动、无噪音，对环境无污染；对土无侧向挤压，对邻近建筑物影响很小；可按建筑物要求作成柱状、壁状、格栅状和块状等加固形状；可有效地提高地基强度（当水泥掺量为8%和10%时，加固体强度分别为0.24和0.65MPa，而天然软土地基强度仅0.006MPa）；同时施工期较短，造价低廉，效益显著。本法适于加固较深较厚的淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力不大于120kPa的粘性土地基，对超软土效果更为显著。多用于墙下条形基础、大面积堆料厂房地基；在深基开挖时用于防止坑壁及边坡塌滑、坑底隆起等，以及作地下防渗墙等工程上。2．桩平面布置水泥土搅拌桩平面布置可根据上部建筑对变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状、块状等处理形式。可只在基础范围内布桩。柱状处理可采用正方形或等边三角形布桩形式。3．机具设备及材料要求水泥土搅拌桩的主要施工设备为深层搅拌机，有中心管喷浆方式的SJB-1型搅拌机和叶片喷浆方式的GZB-600型搅拌机两类。SJB-1型深层搅拌机是双搅拌轴中心管输浆的水泥搅拌专有机械，制成的桩外形呈“8” 字形（纵向最大处1.3m，横向最大处为0.8m），其外形和构造如图7-20a所示。它由动力部分：2×30kW潜水电机各自连接一台2级2K-H行星齿轮减速器；搅拌部分：包括搅拌轴（每节长2.4m、直径φ127mm）和搅拌头（带硬质合金齿的两叶片式；直径0.7~0.8m）；输浆部分：由中心管（直径φ40mm，每节长度2.45m）和穿在中心管内部的输浆管（直径φ68mm）以及单向球阀（球径φ120mm）等组成。中心管通过横向系板与搅拌轴连成整体。其技术性能见表7-18。其配套设备见图7-21，主要有灰浆搅拌机（共两台各200L，轮流供料）、集料斗（容积0.4m3）、HB6-3型灰浆泵、电气控制框等。图7-20深层搅拌机外形和构造（a）SJB-1型深层搅拌机；（b）GZB-600型深层搅拌机1-输浆管；2-外壳；3-出水口；4-进水口；5-电动机；6-导向滑块；7-减速器；8-搅拌轴；9-中心管；10-横向系板；11-球形阀；12-搅拌头；13-电缆接头；14-进浆口SJB-1深层搅拌机技术性能要求表7-18 项次项目规格性能数量1深层搅拌机搅拌轴数量搅拌轴长度搅拌时外径电动机功率φ127×10mm每节长2.5mφ700~800mm2×30kW2根2节1台2起吊设备及导向系统履带式起重机提升速度导向架CH500型，起重高度＞14m起重量＞10t0.3~1.0m/minφ88.5mm钢管制1台1座3固化剂制配系统灰浆泵灰浆搅拌机集料斗磅秤提升速度测定仪HB6-3型，输浆量3m3/h工作压力1.5MPaHL-1型200L400L计量量测范围0~2m/min1台2台1个1台1台4技术指标一次加固面积最大加固深度加固效率总重量（不含起重机）0.7~0.9m210m40~50m/台班6.5t图7-21深层搅拌机配套机械及布置1-深层搅拌机；2-履带式起重机；3-工作平台；4-导向架；5-进水管；6-回水管；7-电缆；8-磅秤；9-搅拌头；10-输浆压力胶管；11-冷却泵；12-贮水池；13-电气控制柜；14-灰浆泵；15-集料斗；16-灰浆搅拌机GZB-600型深层搅拌机是利用进口钻机改装的单搅拌轴、叶片喷浆方式的搅拌机，其外形和构造如图7-20b所示。它包括：动力部分：两台30kW电机，各自连接一台2K-H行星齿轮减速器；搅拌轴与输浆管；单轴叶片喷浆方式是使水泥浆由中空轴经搅拌头叶片，沿着旋转方向输入土中，搅拌轴外径φ 129mm，轴内输浆管外径φ76mm；搅拌头：在搅拌头上分别设置搅拌叶片和喷浆叶片，两层叶片相距0.5m，成桩直径600mm，喷浆叶片上开有3个尺寸相同的喷浆口。其技术性能见表7-19。其配套设备见图7-22，主要有PMZ-15型灰浆计量配料装置。由灰浆搅拌机两台（容积各为500L）、集料斗（容积0.18m3）、灰浆泵组成；电磁流量计等。GZB-600型深层搅拌机技术性能表7-19搅拌机搅拌轴数量（根）搅拌叶片外径（mm）搅拌轴转数（r/min）电机功率（kW）×台数16005030×2固化剂制备系统灰浆拌制机台数×容量（L）泵输送量（L/min）工作压力（kPa）集料斗容量（L）2×5002811400180起吊设备提升力（kN）提升速度（m/min）提升高度（m）接地压力（kPa）1500.6~1.01460技术指标一次加固面积（m2）最大加固深度（m）加固效率（m/台·班）总重（t）（不包括起吊设备）0.28310~1560图7-22GZB-600型搅拌机配套机械1-流量计；2-控制柜；3-低压变压器；4-PM2-15泵送装置；5-电缆；6-输浆胶管；7-搅拌轴；8-搅拌机；9-打桩机；10-电缆 深层搅拌桩加固软土的固化剂可选用水泥、掺入量一般为加固土重的7%~15%，每加固1m3土体掺入水泥约110~160kg。SJB-1型深层搅拌机还可用水泥砂浆作固化剂，其配合比为：1：1~2（水泥：砂），为增强流动性，可掺入水泥重量0.20%~0.25%的木质素磺酸钙减水剂，另加1%的硫酸钠和2%的石膏以促进速凝、早强。水灰比为0.43~0.50，水泥砂浆稠度为11~14cm。4．施工工艺方法要点（1）深层搅拌桩的施工工艺流程如图7-23。图7-23深层搅拌桩施工工艺流程（a）定位下沉；（b）深入到设计深度；（c）喷浆搅拌提升；（d）原位重复搅拌下沉；（e）重复搅拌提升；（f）搅拌完成形成加固体（2）深层搅拌桩的施工程序为：深层搅拌机定位→预搅下沉→制配水泥浆（或砂浆）→喷浆搅拌、提升→重复搅拌下沉→重复搅拌提升直至孔口→关闭搅拌机、清洗→移至下一根桩、重复以上工序。（3）场地应先整平，清除桩位处地上、地下一切障碍物（包括大块石、树根和生活垃圾等），场地低洼处用粘性土料回填夯实，不得用杂填土回填。（4）施工前应标定搅拌机械的灰浆泵输送量、灰浆输送管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工工艺参数，并根据设计要求通过试验确定搅拌桩的配合比。（5） 施工时，先将深层搅拌机用钢丝绳吊挂在起重机上，用输浆胶管将贮料罐砂浆泵与深层搅拌机接通，开动电动机，搅拌机叶片相向而转，借设备自重，以0.38~0.75m/min的速度沉至要求加固深度；再以0.3~0.5m/min的均匀速度提起搅拌机，与此同时开动砂浆泵将砂浆从深层搅拌中心管不断压入土中，由搅拌叶片将水泥浆与深层处的软土搅拌，边搅拌边喷浆直到提至地面（近地面开挖部位可不喷浆，便于挖土），即完成一次搅拌过程。用同法再一次重复搅拌下沉和重复搅拌喷浆上升，即完成一根柱状加固体，外形呈“8”字形，一根接一根搭接，相搭接宽度宜大于100mm，以增强其整体性，即成壁状加固体，几个壁状加固体连成一片，即成块状。（6）施工中固化剂应严格按预定的配合比拌制，并应有防离析措施。起吊应保证起吊设备的平整度和导向架的垂直度。成桩要控制搅拌机的提升速度和次数，使连续均匀，以控制注浆量，保证搅拌均匀，同时泵送必须连续。（7）搅拌机预搅下沉时，不宜冲水；当遇到较硬土层下沉太慢时，方可适量冲水，但应考虑冲水成桩对桩身强度的影响。（8）每天加固完毕，应用水清洗贮料罐、砂浆泵、深层搅拌机及相应管道，以备再用。5．质量控制（1）施工前应检查水泥及外掺剂的质量，桩位、搅拌机工作性能、各种计量设备（主要是水泥流量计及其他计量装置）完好程度。（2）施工中应检查机头提升速度，水泥浆或水泥注入量，搅拌桩的长度及标高。（3）施工结束后应检查桩体强度、桩体直径及地基承载力。（4）进行强度检验时，对承重水泥土搅拌桩应取90d后的试件；对支护水泥土搅拌桩应取28d后的试件，试件可钻孔取芯，或其他规定方法取样。（5）对不合格的桩应根据其位置和数量等具体情况，分别采取补桩或加强邻桩等措施。（6）深层搅拌桩地基质量检验标准如表7-20所示。深层搅拌桩复合地基质量检验标准表7-20项序检查项目允许偏差或允许值检查方法单位数值主控项目1水泥及外掺剂质量设计要求查产品合格证书或抽样送检2水泥用量参数指标查看流量计3桩体强度设计要求钻孔取芯，或其他规定方法4地基承载力设计要求按规定的方法一般项目1机头提升速度m/min≤0.5量机头上升距离及时间2桩底标高mm±200测机头深度3桩顶标高mm+100-50水准仪（最上部500mm不计入）4桩位偏差mm＜50用钢尺量 5桩径＜0.04D用钢尺量（D：桩径）6垂直度%≤1.5经纬仪7搭接mm＞200用钢尺量'