基于挤密砂石桩技术在软土地区施工中的应用研究

李逸行

摘要：挤密砂石桩处理软土地基，是砂桩与碎石桩加固软土地基的结合。即利用振动打桩机在需要加固的软土中进行沉管，然后再用砂石进行充填。充填后，再用振动打桩机进行反复振动挤压，致使在软土中挤压进一定数量的砂石颗粒，提高土体固体颗粒含量，在振动力的作用下使桩间土体固体颗粒重新排列，提高土体强度。同时在软土地基中形成部分未胶结的砂石桩体与地基土共同承受荷载，形成复合地基。本文主要结合实际工程，对挤密砂石桩在软土地区中的应用进行着重地阐述，旨在为软土地区的地基处理提供一定的借鉴与参考。

关键词：挤密砂石桩，软土地区，地基处理

中图分类号：TU4文献标识码：A 文章编号：

0 引言

目前，在软弱地基上修建大型堆料场，大多数采用砂石桩、堆载预压、换填置换等办法加固地基。鉴于挤密砂石桩处理软弱地基已得到广泛的应用，下面结合宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司原料贮运设施码头料场的地质情况，采用挤密砂石桩法加固，获得了较好的工程效果。本文主要结合实际工程，对挤密砂石桩在软土地区中的应用进行着重地阐述，旨在为软土地区的地基处理提供一定的借鉴与参考。

1 工程概况

宝钢集团上海梅山钢铁股份有限公司原料贮运设施码头料场由中冶集团重庆钢铁设计研究总院（以下简称为设计单位）设计，由中冶集团武勘岩土基础工程公司施工，该料场由堆取料机和矿石堆场两部分组成，矿石堆场A区和B区堆载级数分为6.0m、9.0m、11.0m和13.0m四级到位、C区堆载级数分为5.0m、7.0m和9.0m三级到位，每级堆料时间不少于三个月，在堆料过程中需要求加强监测，每级堆载前均应进行检测，经验算分析通过后，方可进行下一级堆载，在整个码头料场范围内均分布有松软的人工填土，淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉土和粉细砂，其中大部分地段分布有厚层淤泥质粉质粘土层，均无法满足堆料场地土稳定性要求，故设计单位决定采用φ500mm砂石桩对地基进行处理，且砂石桩顶部设置600mm厚砂垫层作为水平向排水通道。A区、B区、C区总面积49613m2。

2 加固原理

具体的软土加固原理包括如下两点：

（1）在需要加固的地基土中，按设计的布桩形式，桩长、间距、挤压进砂石桩体，形成了在单位体积内土体的固体含量增大，超静孔隙水压力通过砂石桩体进行释放，从而达到加固软弱土层，提高土体强度的目的。经过加固后的土体中砂石桩与桩间土共同承担荷载从而形成复合地基。在复合地基中砂石桩是未经胶结的砂、石组合体，因而属于柔性桩体，它在受力过程中能适应较大变形，其抗变形的能力通常称为砂石桩的强度。其强度由其本身挤密度与使用的材料强度及周围土体的约束力有关，因而复合地基中砂石桩体强度是一个很重要的指标。复合地基中桩身强度、桩间土(桩体四周土体)强度是影响复合地基强度的重要因素。桩身强度的大小，主要取决于桩身内摩擦力的大小。内摩擦力又取决于桩体材料及施工过程中振动力、挤压力的大小，桩体材料是否密实。桩间土体的强度，当桩顶端承受荷载后桩体会产生压缩变形，同时产生侧向膨胀变形，而四周土体阻止砂石桩侧向变形的阻力大小是由桩体四周土体的强度及荷载大小决定的。挤密砂石桩在成桩过程中，软弱土层受到扰动，使原土强度降低(黏性土触变性的原故)。但复合地基形成后，由于挤压造成超静孔隙水压力向排水良好的砂石桩体释放、消散，使有效应力增大，强度提高。很多工程实例证明，在制桩过程中的短时间内天然地基土强度有所降低，经过一段时间的休置，桩间土不仅强度恢复，而且有所提高。由此可见挤密砂石桩加固软土路基土的原理很明确。概括成一句话就是：在单位体积的土体内人为地挤压进去高强度的固体颗粒，提高固体含量，减少水、空气含量从而达到提高土体强度的目的。

（2）在粘质软土中沉入桩管时，对其周围产生很大的横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的土挤向桩管周围的土层，使土体孔隙比减小，使软土密实度增加，从而消除湿陷性，减少压缩性，提高承载力，减少沉降与不均匀沉降，缩短沉降期。土层密实度增加，结构强度提高，表现在标贯击数增加，从而提高土层本身的抗液化能力；同时，砂石桩为良好的排水通道，可以加速挤压作用产生的超孔隙水压力消散，降低隙水压力上升的幅度，从而提高桩间土的抗液化能力。

3 实际施工过程中产生的几种效应

3.1 振密作用

沉管特别是采用垂直振动的激振力沉管时。桩管四周的土体受到挤压，同时，桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，引起桩四周土体的振动，在挤压和振动作用下．土的结构逐渐破坏．孔隙水压力逐渐增大。由于土结构的破坏，土颗粒重新进行排列．向具较低势能的位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态。随着孔隙水压力的进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态．流体状态的土变密实的町能性较小，如果有排水通道(砂石桩)，土体中的水此时就沿着排泄通道排出地面。施工中可见喷水冒砂现象，随着孔隙水压力的消散，土粒重新排列、固结．形成新的结构。由于孔隙水排出，土体的孔隙比降低，密实度得到提高。在砂土和粉土中振密作用比挤密作用要显著。是振动砂石桩法的主要加固作用之一。振密作用在宏观上表现为振密变形。振动成桩过程中，一般形成以桩管为中心的“沉降漏斗”，直径达65cm，并形成多条环状裂隙，上口宽度达2．5cm以上。一般情况下，整个场地加固处理完成后，场地面平均沉降量在0．00--0．50m范围内．个别达到0．60m以上。

3.2 挤密作用

砂土和粉土属单粒结构，由于颗粒相对粗大，粒间没有或只有微弱连接力，颗粒互相堆砌在一起。由于地质环境不同．有的处于密实状态，有的处于疏松状态。密实状态的砂土单粒结构颗粒之间排列已接近最稳定排列状态，在动或静荷载作用下一般不会再产生大的变形。但是对于松散状态的砂土，颗粒之问孔隙较大。渗透系数也较大，一般大于10—4cm／s。单粒结构总处于松散至紧密状态。颗粒的排列位置是很不稳定的，在动力和静力作用下会重新进行排列．达到稳定状态。有的即使颗粒已接近较密实的稳定状态．由于在较大的动力和静力作用下也会发生砂颗粒移动。改变原来的结构排列。松散状态的砂土在振动力的作用下其体积可缩小20％左右。具体见下图1所示：

图1 挤密作用示意图

3.3 置换作用

由密实的砂石桩在软弱粘性土中替代了与桩同体积的软弱粘土．因为砂石桩体的强度和抗变形的能力均优于原地基土。所形成的复合地基的承载力比原来天然地基承载力要高．其沉降量也比天然地基要小，从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏能力。砂石桩复合地基在外来荷载作用下，发生压力向砂石桩集中的现象．由基础传给地基的附加应力会随着桩和桩间土发生等量的变形而集中到桩体上去，使桩承担大部分应力。周围土负担的应力相对减少。由于砂石桩为散体材料，它是依靠桩间土侧向约束力来使桩传递垂直荷载的，当桩长超过基础宽度的1．5-2．0倍时，不论桩端是否接触到相对硬层．桩的端承作用很小。承载力提高不大，地基沉降减少也不多。如果桩长超过某一深度时，在这个深度以下桩侧摩阻力近似为零。也就是说当桩长超过该深度时，桩长再增加．也不能提高桩的竖向承载力。从变形的角度来考虑也存在同样情况，桩长再增加，也不会减少地基的沉降，这个深度称为有效桩长。砂石桩复合地基的桩长变化也应符合这个概念。对承载力而言，单桩和群桩的有效长度相差不多，但从变形角度来考虑．两者相差较大，也就是说当增加桩长再不能提高地基承载力时．对减少地基沉降仍然继续发挥桩长的作用。利用应力和应变中的不同有效桩长来设计不同桩长的复合地基是十分可取的。此外，复合地基承载力的提高和沉降量的减少与砂石桩置换率成正比。当置换率为零时。就是原来的地基：当置换率为100%时，就是将砂桩全部取代了原地基土，成为一定厚度的整体砂石垫层：当置换率为某一比率时，呈现了桩体和桩间土共同作用的复合地基。本工程自2003年12月底竣工并开始堆料，投产近9年来无一工程质量事故，砂石桩地基处理取得了良好的效果。

4 结论

本文就挤密砂石桩对软土地区大型堆料场的地基处理谈了比较粗浅的观点，采用水泥土搅拌桩、堆载预压的方法也可以对软基地段进行处理。水泥土搅拌桩采用的是干法水泥土搅拌桩。堆载预压处理的排水通道是选用了塑料排水板。

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