基本介紹
- 中文名：砂樁
- 外文名：sand pile
- 別名：擠密砂樁或砂樁擠密法
- 地基：雜填土和粘性土和深層松砂等地基
- 作用：加固地基
- 類別：擠密砂樁和排水砂樁
定義,起源與發展,砂樁的成樁方法,砂樁加固軟弱地基,振動機管砂樁,
定義
砂樁是用衝擊或振動等方法將鋼套管按一定間距沉入地基土中擠壓成孔，然後邊拔管邊向管內灌砂並振搗密實而成的砂質柱體。砂樁屬於散體樁複合地基的一種。是軟弱地基處理常用的方法之一。這種處理方法對整個地基起到擠壓密實的作用，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構及基礎的荷載，從而與周圍被加固土一起組成複合地基。可提高地基承載力、減少沉降、防止振動液化等，適用於處理雜填土和粘性土和深層松砂等地基。砂樁分擠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，與擠密後的樁間土組成複合地基，共同承受基礎所傳遞的荷載。可用於濕陷性黃土、雜填土和粘性土地基。後 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)。
起源與發展
砂樁在19世紀30年代源於歐洲，但是，當時發展很慢，直到20世紀50年代，砂樁在國內外才得以迅速發展，施工工藝才逐步走向完善和成熟。20世紀50年代後期，日本成功地研製了振動式和衝擊式的砂樁施工工藝，大大提高了工作效率和施工質量，處理進度很快由原來的6m增加到30餘米。砂樁在我國的套用也始於50年代。起初，砂樁法用於處理鬆散砂土地基，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周圍砂層的擠密和振密作用，提高鬆散砂土地基的承載力，防止砂土振(震)動液化。後來，國內外也逐漸將砂樁用來處理軟弱粘性土，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定性。砂樁在軟弱地基中可形成砂樁複合地基，如對它再行載入預壓，可進一步提高複合地基的承載力，減少地基沉降量，並改善地基的整體穩定性。在我國砂樁用於加固軟弱粘性土地基有成功的經驗，也有砂樁處理後的軟弱粘性土地基在荷載作用下仍發生大的沉降的事例，如果不進行預壓使大的沉降預先完成，則難以滿足建築物對沉降的要求。
砂樁自引入我國後，在工業及民用建築、交通、水利等工程建設中均得到套用，有成功的經驗，但也有達不到預期處理效果的情況，尤其在處理軟弱粘性土時還缺乏經驗，仍按砂土中的砂樁擠密原理進行設計，這顯然是不妥當的，也是達不到預期處理效果的根本原因。近20年來，國內在利用砂樁處理鬆散砂土、防止砂土液化方面取得了許多成功的經驗，解決了一些工程實際問題。
砂樁的成樁方法
砂樁的施工方法有多種多樣，國內外常用的成樁方法分為兩類：一類是振動成樁法；另一類是衝擊成樁法。
振動成樁法
振動成樁法是用振動打樁機將樁管沉入土層中並振動擠密砂料的施工方法，根據其成樁工藝又可分成三類即一次拔管法、逐步拔管法、重複壓拔管法。
衝擊成樁法
衝擊成樁法是用蒸汽打樁機或柴油打樁機將樁打入土層中並用內管夯擊密實砂填料的施工方法，根據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成樁法中的逐步拔管法，用振動或錘擊打樁機將鋼樁管入土成孔，然後往樁管中灌砂後，先留振若干秒，再邊振動邊起拔樁管，拔起一定高度停拔，並繼續留振若干秒後，再拔起一定高度，並補充填料，如此重複進行，直到樁管拔出地面即成樁。
砂樁加固軟弱地基
砂樁加固軟基，是一種造價相對較低、效果顯著的軟土地基處理方法，在國內外被廣泛套用於鐵路、公路、碼頭、工業及民用建築等行業。砂樁加固軟弱地基是通過擠密或振動使深層土密實，並在振動擠密過程中，回填砂形成密實樁體，與樁間土一起組成複合地基，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，所以砂樁發揮作用，主要取決於側向約束的大小。在地基中，砂樁主要靠樁周土側向約束使樁傳遞垂直荷載，增加重負，提高抗剪能力。砂樁對軟土地基的加固機理，對於砂性土與粘性土各不相同。
對鬆散砂土和粉土的加固機理
對鬆散砂土和粉土而言，砂樁加固地基的主要目的是提高地基土承載力、減少變形和增強抗液化性，砂樁利用振動或衝擊荷載在軟基中壓入砂石而減小土的孔隙比，提高其相對密度。砂樁加固砂土地基抗液化的機理主要有下列四方面作用：
①擠密作用
砂土和粉土屬於單粒結構，其組成單元為鬆散粒狀體，滲透係數一般大於少。在鬆散狀態時，顆粒的排列很不穩定，在動力和靜力作用下會重新排列，趨於較穩定的狀態即使顆粒的排列接近較穩定的密實狀態，在動力和靜力作用下也將發生位移，改變其原來的位置。鬆散砂土在振動力的作用下，其體積縮小可達。由於水沖使鬆散砂土處於飽和狀態，砂土在強烈的高頻強迫振動下產生液化並重新排列緻密，趨於較穩定的密實狀態。在成樁過程中，無論採用錘擊法還是振動法在砂土中沉入樁管時，樁孔中填入的砂，被強大的水平振動力擠入周圍土中，樁管對周圍砂層產生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等於樁管體積的砂擠向樁管周圍的砂層，這種強制擠密使砂土的孔隙比減小，密實度增大，從而抗液化性能得到改善。
②振密作用
砂樁施工時，樁管四周的土體受到擠壓，同時樁管的振動能量以波的形式在土體中傳播，引起四周土體的振動。在擠壓和振動的作用下土的結構逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大，由於土結構的破壞，土顆粒重新進行排列向具有較低勢能的位置移動，從而使土由較鬆散狀態變為密實狀態隨著孔隙水壓力的進一步增大，達到大於主應力數值時，土體開始液化成流體狀態，如果有排水通道，土體中的水此時就沿著樁體排出地面。
③排水減壓作用
對砂土液化機理的研究證明，在地震作用或振動作用下，當飽和鬆散砂土受到剪下循環荷載作用時，將發生體積的收縮和趨於密實，在砂土無排水條件時體積的快速收縮將導致超靜孔隙水壓力來不及消散而急劇上升，從而使土的抗剪強度降低，當砂土中抗剪強度完全喪失，或者土的抗剪強度降低，使土不再能抵抗它原來所能安全承受的作用剪應力時，土體就發生液化流動破壞，即砂土或粉土地基發生振動液化破壞。由於砂土、粉土本身的特性，這種破壞巨觀表現為土體噴水冒砂、土體長距離的滑流、土體中建築物上浮和地表建築物的下陷等現象。砂樁加固砂土時，樁孔內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生液化，並可加快地基的排水固結，從而提高樁間土的抗液化能力。
④砂基預震效應
施工過程使填入料和地基土在擠密的同時獲得強烈的預震，有利於增強砂土的抗液化能力。國內外大量的不排水循環應力試驗結果表明，預先受過適度水平的循環應力即預振的試樣，將具有較大的抗液化強度，由於在振動成樁過程中，樁間土受到了多次預振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。
對粘性土加固機理
砂樁軟基處理在軟弱粘性土地基中有置換、排水固結及墊層作用。
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，與原粘性土構成複合地基，提高地基的承載力和整體穩定性，防止地基產生滑動破壞。由於複合地基中樁體的剛度較周圍土體大，在剛性基礎等量變形時，地基中應力將按材料的變形模量隨著地基的變形進行重新分布，樁體上產生應力集中現象，大部分荷載由樁體承擔，樁間土上應力相應減小。
②排水固結作用
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速度，使沉降穩定加快。砂樁能夠改變樁間土的物理性質，提高複合地基承載力。
③墊層作用
用砂樁加固軟弱土層時，如果軟弱土層較厚、則樁體可不貫穿整個軟弱土層，此時複合地基主耍起墊層作用。通過墊層作用來減小地基的沉降並將基底壓力向深部擴散而提高地基的整體承載力。總之，不論對疏鬆砂性土或軟弱粘性土，砂樁都有較強的加固作用。在鬆散砂土中可以用於增大相對密度，防止振動液化在軟弱粘性土中可用於提高地基承載力，加速固結沉降，改善地基的整體穩定性。
砂樁的擠密置換作用
由於砂樁在成樁的過程中樁管對周圍土層產生很大的橫向擠壓力，砂樁的打入會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，密實度增大。密實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，形成複合地基，提高土體的密度和強度，使地基承載力有所提高，地基沉降也變小。
砂樁的排水固結作用
砂樁加固砂土時樁孔內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生液化，並加快地基的排水固結。在軟弱粘性土地基中，打入軟土中的砂樁，在施工時因有高壓氣體的作用會有大量水從砂樁中排出，有利於高含水量的軟土快速排水固結。在上方荷載的作用下，能夠加快地基沉降排水及固結速度，改變樁間土的物理性質，提高複合地基承載力，為此，在施工中從成樁的投料量、樁管提升高度、擠壓時間、加水量和工作電流入手進成樁質量控制。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築施工和使用後長期存在，有利於加快地基的固結沉降速率。
砂樁的振密作用
砂樁作為複合地基的振密作用，一方面在成樁過程中，激振器產生的強力振動通過導管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產生振動孔隙水壓力，導致部分土體液化，土顆粒重新排列，孔隙減少，趨向密實另一方面依靠振沖器的振力將補充的砂擠壓加密，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，提高土體的抗剪強度，增大土體的抗滑穩定性，消除地震時地基可能產生的液化現象。
振動機管砂樁
振動機管砂樁是近十餘年來發展起來的一種砂樁施工新工藝。振動沉管法是在振動機的振動作用下，把套管打入規定的設計深度，套管入土後，擠密套管周圍的土，然後再投入砂子，排砂於土中，振動密實、振動拔管成樁，多次循環後，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複合地基，提高場地基承載力、防止了砂土液化、增大了軟弱地基土的整體穩定性。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。灰砂樁隨著時間的增加，土中固化作用提高，樁體強度也不斷增加，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配、有更大的樁身密實度，單樁強度有所改進。砂樁適用於處理松砂、粉土、素填土、雜填土、粘性土地基等，可用於散料堆場、路堤、碼頭、油罐、廠房和住宅等工業與民用建築地基加固丁程中。
