6锥头式振动挤密砂桩地基加固工法.docx
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6锥头式振动挤密砂桩地基加固工法
锥头式振动挤密砂桩地基加固工法
（YJGF03-92）
铁道部第十七工程局
本工法为采用重复压拔管法施打振动挤密砂桩以加固饱和粉细砂地基。
该法成桩工艺效果较好，对松散的粉细砂土地基挤密效果尤其显著。
经砂桩处理过的饱和松散砂土地基可防止振动液化。
我局在青藏铁路察尔汗盐湖饱和粉细砂路基工程中采用此方法加固地基，地基承载力和相对密度均有显著提高，能够满足在列车振动作用下，不发生液化的要求。
该工程1987年获铁道部科技进步一等奖，1988年获国家科技进步二等奖。
一、特点
（1）适用范围广。
适用于松砂地基，也适用软粘土和超软土地基。
（2）能适应快速加固地基。
一般要求承载力为150—350kPa时，加固后无需压载，即可进行上部施工。
（3）一机多用。
同一台机械，稍加改装即可用于挤实砂桩，又可用于普通砂井。
因此，可根据工程需要，随时进行砂井或砂桩施工。
（4）砂桩具有普通砂井的排水作用，同时又增大相对密度，防止振动液化；在软弱粘性土中，可以构成复合地基，大大提高地基的承载力。
（5）材料来源广，用工少，劳动强度小，工效高，工程造价低。
二、适用范围
本工法适用于饱和粉细砂振动液化地基加固和松散砂土地基处理。
在软弱粘性土地基中采用本工法，可以使软弱粘性土层构成砂桩复合地基，能显著提高地基强度，改善地基的整体稳定性，并减少地基沉降量。
三、工艺原理
振动挤密砂桩是将桩尖、桩管插入待加密的饱和粉细砂地基中，通过上下提降压拔桩管灌砂和利用置于桩管顶上的振动打桩锤的振动作用，使饱和粉细砂土地基得到挤密，从而使地基得到加固。
下沉桩管对周围砂层产生挤密作用，往沉入土层内的桩管灌砂后，在振动条件下，将桩管拔起h高度，使砂下落，然后再将桩管压下h1高度（h1＜h），用桩尖挤压灌入砂，使桩径扩大，把落入桩孔内的砂挤密压实。
如此重复进行，直到桩管拔出地面。
由于沉桩过程中的振动挤密作用，使孔隙比e减少，地基相对密实度Dr得到提高，从而提高了地基的抗剪强度和承载力。
此外，由于砂的灌入挤密还可使地基趋于均匀，改善地基的整体稳定性，这样不但可以减少地基沉降，还可使地基在振动作用下不致产生液化。
四、设计要点
1.桩的材料
使用中砂、粗砂或砾砂。
最好采用粗砂，并注意其级配。
颗粒过大、过细都不适宜，砂料中应不含有大于30mm及小于0.1mm的颗粒，含泥量不大于5%。
2.桩的尺寸
（1）桩径：
用振动挤密砂桩机和重复压拔桩管法施工，选用的沉桩桩管内径一般为300mm，成桩直径可达600mm左右。
（2）桩长：
根据饱和粉细砂层或松软土层厚度或工程要求，通过计算确定。
在振动液化的饱和粉细砂地层中，砂桩长度应超出可能发生液化的砂层底部。
（3）桩距：
可采用试验方法确定桩距。
经验公式，一般按正三角形布置时：
（缺）
按正方形布置时：
（缺）
式中L——桩距（cm）；
d——桩直径（cm）；
e0——天然孔隙比；
e1——要求的孔隙比。
3.灌砂量
当桩距与桩的排列确定后，一根桩所担负的挤密范围即是一个定数。
地基土密度的增加靠其孔隙的减少，把原地层的密度加密到需要的密度，孔隙要减少的数量可通过计算得出。
这样可以设想只要灌入砂量能够把需要减少的孔隙充填起来，那么土层的密度也就能够达到预期的数值。
据此推导出灌砂量值计算公式如下：
（缺公式）
式中e0——相应于原始地层密度为ρ0的孔隙比；
e1——相应于原始地层加密后密度ρ1的孔隙比；
A——一根桩担负的加密面积，如桩距为L时：
对于正方形布置A=L2
对于三角形布置（缺公式）
；
H——砂桩的长度（m）。
4.垫层
砂桩施工完毕后，地面应铺设厚度30—50cm砂垫层或砂砾石垫层。
垫层要分层铺设，用平板振动器振实。
在地面很软不能保证施工机械正常行驶和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。
5.成桩方法
根据饱和粉细砂容易挤密的特点和对砂桩质量要求严格两个因素，选用振动重复压拔管法成桩工艺。
五、施工程序
1.轨道门架式振动挤密砂桩机的选用
本工法采用17kW锤型的轨道门架式振动挤密砂桩机，其主要部件有可移动的打桩机门架、桩锤、提升系统、桩锤导向架、横向移动机构、操纵系统、桩管、桩尖、装砂料斗等部分。
挤密砂桩机的桩尖部分对挤密砂桩施工质量和工效有很大影响。
一般桩尖有三种形式，即限位活瓣式、锥头式和加护套锥头式。
其中，限位活瓣式桩尖下砂快但容易变形，挤压效果较差；锥头式桩尖挤压能力强，但遇有缩孔现象下砂困难；加护套锥头式桩尖下砂流畅，挤压能力强，对于加密饱和粉细砂（特别是有粘性土夹层时）较为理想，缺点是下桩管时阻力增大，加工较复杂。
青藏铁路察尔汗盐湖饱和粉细砂地基加密中，经比较三种形式的桩尖，以加护套锥头式桩尖较为理想，并在施工中应用。
加护套锥头式桩尖结构见图1。
说明1.本图尺寸以毫米计，细部尺寸略。
2.桩管为外径φ326，内径φ300的有缝或无缝钢管；护套用厚度为13mm的钢管卷制而成，其外径φ356，内径φ330。
3.锥头式桩尖为实心体，材料为铸钢，上项角120°，下项角60°，导杆φ24，支撑架孔眼φ26。
4.护套上部在对称位置留有四个21×130的洞眼，并挂在上支撑架伸出的钢筋头上。
5.虚线为桩管提升时，护套与锥头式桩尖相对位置图，桩管位置不变仍如图示。
此时，既可保证桩管内砂料顺畅流下来，护套又可抵住饱和液化砂土缩孔，从而使成桩顺利进行。
图1加护套锥头式桩尖结构图
2.施工操作程序
①桩机就位。
根据门架式振动挤密砂桩机走行钢轨上标出的桩位标记，移动桩机，使桩机对准打桩线；启动0.5t卷扬机，按照下横梁上标出的桩位标记移动导向架，使桩管（尖）对准打桩点，并将卷扬机离合器刹紧；松动1t卷扬机离合器，使桩尖接触桩位点；
②启动桩锤电机使桩锤振动，桩管沿桩位下沉（桩管必须下沉到设计深度）；
③灌砂。
根据桩深，按规定的灌砂量将砂子装入桩管内，如果桩管一次容纳不了应灌入的全部砂料，剩余的砂料待桩管提升下砂振动挤密一段时间后，再补充装入；
④沉桩过程中的振动挤密：
第一次把桩管提升80cm—100cm，提升时桩尖自动打开（目测观察料斗中砂料变化，如砂料没有减少，说明桩尖尚没有打开，此时应继续提升桩管，直到桩尖打开为止），桩管内的砂料流入孔内；
⑤降落桩管，振动挤压15—20s；
⑥其后，每次提升桩管50cm，挤压时间以桩管难以下沉时为宜。
按上述方法经多次往复升降压拔桩管，灌砂挤密地基；
⑦完成该桩灌砂量和桩管提至地面，然后将桩管移到下一根桩位。
施工操作程序见图2。
3.施工注意事项
（1）砂料：
以中粗混合砂为宜，含泥量不超过5%。
在饱和砂土中施工时，使用天然湿度砂或干砂均可。
（2）桩管下沉过程中，应沿导向架，并始终保持同导杆平行，如发生桩管偏斜须及时扶正桩管。
图2施工操作程序示意图
（3）打桩顺序：
尽可能采取接近梅花形的插打法，施工推进按先打第一排的各桩，接着向前推进隔一排打第三排的各桩，然后再退回一排打第二排各桩，以后类推。
桩机走行平面示意见图3。
打桩顺序见图4。
（4）启动卷扬机电机时，卷扬机离合器必须松开，以免烧坏电动机。
（5）导向架横向移动时，必须将1t卷扬机移动手把刹紧。
（6）扶桩管对桩位，一定要在停机状态下进行，并在桩管的横向和纵向有专人观察桩管对位情况，发现偏斜要随时纠正，以保证桩管垂直下沉。
（7）随时注意检查桩锤齿轮箱润滑油油量，要保持齿轮箱油位不低于齿轮下齿根
（一般保持在3cm以上）。
图3桩机走行平面示意图
图4打桩顺序图
（8）做好交接班工作。
桩机工作状态、电机运转情况、桩锤工作状态、卷扬机系统（卷扬机、滑轮、钢丝绳、钢丝绳卡子）有无问题、打桩深度、数量及桩位等都应交接清楚。
六、劳力组织（表1）
表11台桩机作业时的劳力组织
施工单位：
七、质量要求
在饱和粉细砂松软地层上修筑铁路路基，为防止列车振动液化，保证路基稳定和运营安全，饱和粉细砂松软层的干密度应达到1.7g/cm3以上。
1.质量控制
施工中应重点控制桩管下沉时间、挤压时间和灌砂量。
当砂桩间距为1.5m时：
（1）桩管下沉时间：
每米桩深下沉时间不少于110S，每根桩下沉需要时间应按桩深折算。
（2）单桩所需的总时间（包括下沉时间和挤压时间）按下表（表3）规定。
表3
图5桩深与灌砂量的关系
2.质量检查
（1）检查设备及方法：
质量检查设备采用锥探仪，这种仪器轻便灵活，操作简便，可沿深度连续测定，其测定结果与饱和砂土干密度之间的相关关系密切，误差小，可靠性大，可根据N10得出地层的干密度。
锥探仪锥头规格：
直径40mm，圆锥角60°（截面积12.5cm2）。
检查方法：
在选定的检查位置连续锤击贯入，记录每贯入10cm的锤击次数（表4）。
落锤重10kg，落距50cm。
每贯入10cm的击次N与饱和砂土干密度ρd的关系为（见图6）：
ρd=1.290+0.412lgN
式中ρd——饱和砂土干密度（g/cm3）。
N——每贯入10cm的击次（次），相关系数γ=0.941；回归方程的误差为0.024。
（2）检查时间：
因打桩后孔隙水压力一天后即基本消散，故质量检查的时间可在一天后进行。
表4挤密砂桩施工检查记录表
图6贯入击次与干密度关系
（3）检查位置：
应选在三根桩组成的等边三角形的重心。
（4）检查数量：
每台桩机打完桩的地段，按每30m划分为一个检查段，并将此段沿线路纵向等分成四区，在第一、三或二、四区各抽查一处，有不合格时，则须再在未检查的两区各抽查一处，以便评定施工质量和确定处理方法。
3.质量评定
振动挤密砂桩工程的保证项目和允许偏差项目，应符合有关质量检验评定标准规定。
对铁路工程应符合《铁路路基工程质量评定验收标准》（TBJ414-87）有关规定；对建筑工程应符合《建筑工程质量检验评定标准》（GBJ301-88）有关规定。
检查试验记录和施工记录
（1）施工时，应以设计深度为依据，以桩管实际下沉深度和下沉时间的长短来判定桩深是否达到要求深度。
（2）判定打桩后在设计桩深范围内地层密度是否达到设计密度的标准为：
自原地表测量，设计桩深在1.5m以内者，设计桩深范围内的地层密度不小于1.70g/cm3，相应锥探锤击次数不少于10次；设计深度在1.5m以下时，设计桩深范围内的地层密度不应小于1.68g/cm3，相应锥探锤击次数不少于9次。
对于粉细砂地层，沿深度连续有3个及以上锥探值不合要求时，即为不合格。
（3）根据质量检查结果，评定施工质量的好坏，质量不合格者，应分别情况，部分或成段进行补桩。
八、安全措施
振动挤密砂桩施工时，必须严格遵守《建筑安装工人安全技术操作规程》和有关砂桩机械施工技术安全规则的规定执行。
特别应注意：
（1）禁止非操作人员上机操作；
（2）桩机工作时，除本机操作人员外，其他人员必须离开桩机一定距离，以免桩机部件坠落伤人；
（3）机上人员、机旁投料员和工班长一定要佩戴安全帽，高空作业人员要系好安全带；
（4）电器部位一定要有接地装置，以免发生漏电现象；
（5）非专职电工禁止卸装和修理电器设备；
（6）遇有六级以上大风时，禁止高空作业；
（7）桩机关键部位的螺栓、螺帽应用不同颜色标出紧固定位线，便于在螺帽松动时能及时发现；
（8）桩机及其它设备及时检修与保养，不得带故障作业，一般每工作一周全机检查保养一次。
九、技术经济效益
（1）振动挤密砂桩主要用料为中粗砂或砾砂，一般可就地取材，且价格便宜，每米砂桩费用约23.5元，察尔汗盐湖饱和粉细砂振化路基施打砂桩近5.7万根，总进尺13.5万米，总费用317万元，工程造价较低，说明饱和粉细砂地基采用振动挤密砂桩经济上是合理的。
（2）挤密和振密效果显著。
地基经过挤密后地基承载力和相对密度均有显著增大，土性有明显改善，能满足列车振动作用下不发生液化的要求，根据荷载试验表明，加密前地基极限承载力小于50kPa，而加密后地基允许承载力达到150kPa，说明挤密砂桩技术上是可靠的。
（3）桩机灵活，移动和操作简便，故障少，宜于掌握。
每台班可进尺80m，速度快、工效高，说明振动挤密砂桩在饱和粉细砂地基条件下可推广使用。
十、工程实例
例1我局四处施工的青藏铁路察尔汗盐湖，北岸DK891+600—DK893+500，南岸DK939+750—DK950+000和格尔木车站DK982+282—DK982+600三段路基，地表1—7m范围内均为粉细砂，以下为中粗砂，地下水位0.5—1.2m，原地层平均干密度为1.36g/cm3，地层松软。
根据试验资料分析，地基在列车振动作用下，均有振动液化现象。
施工时，采用振动挤密砂桩加密地基。
要求将饱和粉细砂松软基层的干密度加密到1.7g/cm3。
我局1977年6月开始进行试验段施工试验，在取得可靠数据资料的基础上，7月正式投入施工，1978年7月振动挤密砂桩全部施工完毕，全长5051m，打砂桩56628根，总进尺134973m，灌砂量49652m3，平均每台班可进尺80m，平均灌砂量0.37m3/m。
根据测试资料，加密前后1.2m深度内砂土干密度值变化如表5。
表5桩间土挤密前后干密度（ρ1）变化
由表5可见，加密后桩间土的干密度有显著提高，能满足17kN/m3的设计要求，加密后地基承载力也有显著提高。
根据荷载试验表明，加密前地基极限承载力小于50kPa，而加密后容许承载力达到150kPa。
该段路基1979年5月铺轨通车，经检测路基稳固，无异常现象。
该项科研成果1980年通过技术鉴定，1984年8月连同青藏铁路全线通过国家验收交付使用，1985年获铁道部优质工程甲级奖，1986年获国家优质工程银质奖。
例2我局建工处承担施工的山西省税务局综合楼（31#）建筑面积9574.9m2。
该项工程地基上部为杂填土层，主要成分多为粉细砂，埋深在4—9.65m，平均厚度6.25m，含有灰渣、煤屑等，层厚不均，结构松散，fk=80kN/m2；第二层为素填土层，埋深在8.4—9.5m，平均厚度2.46m，含有灰渣、煤屑等呈软塑状态，fk=60—80kN/m2。
地下水位为0.8—3.2m，有振动液化现象。
设计采用挤密砂桩加固地基，要求地基承载力fk=160kN/m2。
该地基工程1989年3月动工，同年5月全部竣工，历时54天。
经现场标准贯入试验挤密砂桩加固后的地基承载力达到设计要求，1990年10月全部工程竣工验交使用，1991年度评定为山西省优质工程。
执笔：
李志贤尹基德
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