2019年巖土工程師專業(yè)知識講義：柱錘沖擴法

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1.1 基本概念

柱錘沖擴法是采用直徑300~500 mm、長度2~6 m、質(zhì)量1~8 t的柱狀錘(簡稱柱錘)，通過自行桿式起重機或其他專用設(shè)備，將柱錘提升至距地面一定高度后下落，在地基土中沖擊成孔，并重復(fù)沖擊至設(shè)計深度，在孔內(nèi)分層填料、分層夯實形成樁體，同時對樁間土進行擠密，形成復(fù)合地基。在樁頂部也設(shè)置200~300mm厚砂石墊層。

1.2 適用范圍

柱錘沖擴法適用于處理雜填土、粉土、黏性土、素填土和黃土等地基，對地下水位以下飽和松軟土層，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定其適用性。限于設(shè)備條件，處理深度不宜大于6m，否則不經(jīng)濟。復(fù)合地基承載力特征值不宜超過160kPa。

【例題1】對不良地基采用下列( )地基處理后，復(fù)合地基承載力特征值不宜大于160kpa。

A、CFG樁法; B、夯實水泥土樁法; C、換填墊層法; D、柱錘沖擴樁法; 答案：D

1.3 加固機理

1 對軟弱土加固機理

柱錘沖擴法的加固機理主要有：

(1)成孔及成樁過程中對原土的動力擠密作用;

(2)對原土的動力固結(jié)作用;

(3)沖擴樁充填置換作用(包括樁身及擠入樁間土的骨料);

(4)生石灰的水化和膠凝作用(化學(xué)置換)。

【例題2】柱錘沖擴法對軟弱土的加固機理主要有( )。

A、動力擠密作用; B、動力固結(jié)作用; C、物理置換作用; D、化學(xué)置換作用;

E、動力壓密作用; F、離子交換作用; G、減載作用： 答案：A、B、C、D

上述作用依不同土類而有明顯區(qū)別。對地下水位以上雜填土、素填土、粉土及可塑狀態(tài) 黏性土、黃土等，在沖孔過程中成孔質(zhì)量較好，無坍孔及縮頸現(xiàn)象，孔內(nèi)無積水，成樁過程中地面不隆起甚至下沉，經(jīng)檢測孔底及樁間土在成孔及成樁過程中得到擠密，試驗表明擠密 土影響范圍為2~3倍樁徑。而對地下水位以下飽和松軟土層沖孔時坍孔嚴重，有時甚至無法成孔，在成樁過程中地面隆起嚴重，經(jīng)檢測樁底及樁間土擠密效果不明顯，樁身質(zhì)量也較難保證，因此對上述土層應(yīng)慎用。

柱錘沖擴法目前還處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)，成孔和成樁工藝及地基固結(jié)效果直接受到土 質(zhì)條件的影響。因此在正式施工前進行成樁試驗及試驗性施工十分必要。根據(jù)現(xiàn)場試驗取得 的資料修改設(shè)計，制定施工及檢驗要求。

現(xiàn)場試驗的主要內(nèi)容有：(1)成孔及成樁試驗;(2)試驗性施工;(3)復(fù)合地基承載力對比試驗(載荷試驗及動力觸探試驗)。

2 柱錘沖擴法復(fù)合地基工作機理

柱錘沖擴法主要采用以拆房土為主組成的碎磚三合土，形成的樁體為散體材料樁，屬于 可壓縮的柔性樁。因此，可以認為樁土之間變形是協(xié)調(diào)的，樁土復(fù)合土層類似人工墊層。

1.4 設(shè)計

柱錘沖擴法復(fù)合地基設(shè)計的主要內(nèi)容有樁身材料、樁徑、樁長、置換率、樁距和布樁范 圍，并根據(jù)復(fù)合地基承載力和下臥層承載力要求以及變形控制的要求綜合確定。對大型、重要或場地復(fù)雜的工程，在正式施工前，應(yīng)在有代表性的場地上進行試驗。

1 材料

樁體材料可采用碎磚三合土、級配砂石、礦渣、灰土、水泥混合土等。當(dāng)采用碎磚三合土?xí)r，其配合比(體積比)采用生石灰：碎磚：黏性土為1：2：4。當(dāng)采用其他材料時，應(yīng)經(jīng)試 驗確定其適用性和配合比。

【例題3】柱錘沖擴法成樁所使用的材料一般為碎磚三合土，它是由( )按一定的體積配合比組成。

A、 碎磚、粘土、水泥; B、碎磚、砂、水泥; C、碎磚、水泥、熟石灰;

D、碎磚、粘性土、生石灰; E、碎磚、粘性土、熟石灰; 答案：D

2 樁徑、樁距及布樁要求

處理范圍應(yīng)大于基底面積。對一般地基，在基礎(chǔ)外緣應(yīng)擴大1~2排樁，并不應(yīng)小于基底下處理土層厚度的1/2。對可液化地基，處理范圍可按上述要求適當(dāng)加寬。

地基處理的寬度超過基礎(chǔ)底面邊緣一定范圍，主要作用在于增強地基的穩(wěn)定性，防止基 底下被處理土層在附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生側(cè)向變形，因此原天然土層越軟，加寬的范圍應(yīng)越 大。通常按壓力擴散角θ=30°來確定加固范圍的寬度，并不少于1~2排樁。

樁位布置可采用正方形、矩形、三角形布置。常用樁距為1.5~2.5m，或取樁徑的2~3倍。樁徑可取500~800mm，樁孔內(nèi)填料量應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。

3 地基處理深度

可根據(jù)工程地質(zhì)情況及設(shè)計要求確定。對相對硬層埋藏較淺的土層，應(yīng)深達相對硬土 層;當(dāng)相對硬層埋藏較深時，應(yīng)按下臥層地基承載力及建筑物地基的變形允許值確定;對可 液化地基，應(yīng)按現(xiàn)行的國家標(biāo)準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定確定。

4 承載力

柱錘沖擴樁復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定，初步設(shè)計時，也 可按公式(7.1-1)估算。

fspk=[1+m(n-1)] fsk 7.1-1

式中：fspk為柱錘沖擴樁復(fù)合地基承載力特征值(kPa);m為面積置換率，可取0.2~0.5;n為樁土應(yīng)力比，無實測資料時可取2~4，樁間土承載力低時取大值。fsk為加固后樁間土承載力特征值(kPa)，取處理前天然地基的承載力特征值或按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值。

5 變形計算

處理后變形計算應(yīng)按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。初步設(shè)計時復(fù)合土層的壓縮模量可按公式(7.1-2)估算：

ESP=[1+m(n-1)] ES 7.1-2

式中：Esp為復(fù)合土層的壓縮模量(MPa);ES為樁間土的壓縮模量(MPa)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗取值。此外，當(dāng)柱錘沖擴樁處理深度以下存在軟弱下臥層時，應(yīng)進行下臥層地基承載力驗算。

1.5 施工

1.5.1 成樁設(shè)備與工藝

1 成樁設(shè)備

柱錘沖擴法宜用直徑300~500 mm、長度2~6 m、質(zhì)量1~8 t的柱狀錘(即柱錘)進行施工。升降柱錘的設(shè)備可選用10~30 t自行桿式起重機、步履式夯擴樁機或其他專用機具設(shè)備，采用自動脫鉤裝置。起重能力應(yīng)通過計算確定，考慮錘的質(zhì)量及成孔提升柱錘時土層對柱錘的吸附力;或通過現(xiàn)場試驗確定，但一般不應(yīng)小于錘質(zhì)量的3~5倍。

2 成樁工藝

柱錘沖擴法施工可按下列步驟進行。

(1)清理平整施工場地，布置樁位。

(2)施工機具就位，使柱錘對準樁位。

(3)柱錘沖孔。根據(jù)土質(zhì)及地下水情況可分別采用下述三種成孔方式：①沖擊成孔。將 柱錘提升一定高度，自動脫鉤下落沖擊土層，如此反復(fù)沖擊至設(shè)計成孔深度時，可在孔內(nèi)填少量粗骨料繼續(xù)沖擊，直到孔底被夯密實。②填料沖擊成孔。成孔時出現(xiàn)縮頸或坍孔時，可分次填入碎磚和生石灰塊，邊沖擊邊將填料擠入孔壁及孔底，當(dāng)孔底接近設(shè)計成孔深度時，夯入部分碎磚形成擴大端。③復(fù)打成孔。當(dāng)坍孔嚴重難以成孔時，可提錘反復(fù)沖擊至設(shè)計孔 深，然后分次填入碎磚和生石灰塊，待孔內(nèi)生石灰吸水膨脹、樁間土性質(zhì)有所改善后，再進 行二次沖擊復(fù)打成孔。當(dāng)采用上述方法仍難以成孔時，也可以采用套管成孔，即用柱錘邊沖孔邊將套管壓入土中，直至樁底設(shè)計標(biāo)高。

【例題4】在利用柱錘沖孔時，所謂復(fù)打成孔是指( )。

A、 在坍塌孔段投入碎磚及生石灰塊，立即沖孔至設(shè)計深度;

B、 在坍塌孔段投入碎磚及生石灰塊，待坍孔段樁間土性質(zhì)有所改善后再沖孔至設(shè)計深度;

C、當(dāng)坍孔嚴重難以成孔時，可提錘反復(fù)沖擊至設(shè)計孔深，然后分次填入碎磚和生石灰塊，待孔內(nèi)生石灰吸水膨脹、樁間土性質(zhì)有所改善后，再進行二次沖擊復(fù)打成孔。

D、當(dāng)正常沖擊成孔時，可提錘反復(fù)沖擊至設(shè)計孔深，然后分次填入碎磚和生石灰塊，再進行二次沖擊復(fù)打成孔。

答案：C

(4)成樁。用標(biāo)準料斗或運料車將拌和好的填料分層填入樁孔夯實。當(dāng)采用套管成孔 時，邊分層填料夯實，邊將套管拔出。錘的質(zhì)量、錘長、落距、分層填料量、分層夯實厚度、夯擊次數(shù)、總填料量等應(yīng)根據(jù)試驗或按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定。每個樁孔應(yīng)夯填至樁頂設(shè)計標(biāo)高以上至少0.5m，其上部樁孔宜用原槽土夯封。施工中應(yīng)做好記錄，并對發(fā)現(xiàn)的問題及時進行處理。

(5)施工機具移位，重復(fù)上述步驟進行下一根樁施工。

起重機具可用起重機、步履式夯擴樁機或其他專用機具設(shè)備。此外，成孔和填料夯實的施工順序，宜間隔進行?；坶_挖后，應(yīng)進行晾槽拍底或碾壓，隨后鋪設(shè)墊層并壓實。

1.6 質(zhì)量檢驗

1.6.1 施工質(zhì)量檢驗

1 施工過程質(zhì)量

施工過程中應(yīng)隨時檢查施工記錄及現(xiàn)場施工情況，并對照預(yù)定的施工工藝標(biāo)準，對每根 樁進行質(zhì)量評定。對質(zhì)量有懷疑的工程樁，應(yīng)用重型動力觸探進行自檢。

2 樁身及樁間土質(zhì)量檢驗

沖擴樁施工結(jié)束后7~14 d內(nèi)，可采用重型動力觸探進行對樁身及樁間土進行抽樣檢驗，并對處理后樁身質(zhì)量及復(fù)合地基承載力作用評價。檢驗點數(shù)可按沖擴樁總數(shù)的2%計。每一單體工程樁身及樁間土總檢驗點數(shù)均不應(yīng)少于6點。

基槽開挖后，應(yīng)檢查樁位、樁徑、樁數(shù)、樁頂密實度及槽底土質(zhì)情況。如發(fā)現(xiàn)漏樁、樁位偏差過大、樁頭及槽底土質(zhì)松軟等質(zhì)量問題，應(yīng)采取補救措施。

【例題5】在進行柱錘沖擴樁施工質(zhì)量檢驗時，對于樁身及樁間土的檢驗，可采用( )。

A、輕型動力觸探; B、標(biāo)準貫入試驗; C、中型動力觸探; D、重型動力觸探;

答案：D

1.6.2 竣工驗收

柱錘沖擴樁竣工驗收時，承載力檢驗應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗，載荷試驗應(yīng)在成樁14d后進行;檢驗數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%，且每一單體工程不應(yīng)少于3點。

由于樁錘沖擴法主要采用以拆房土為主組成的碎磚三合土，形成的樁體為散體材料樁，樁身密度及單樁承載力因受樁間土影響而較為離散，因此，不宜進行單樁靜載試驗，而應(yīng)進行單樁復(fù)合地基或多樁復(fù)合地基載荷試驗。

【例題6】對柱錘沖擴樁復(fù)合地基，用載荷試驗檢驗其承載力時應(yīng)在施工結(jié)束后( )天進行。

A、7; B、14; C、21; D、28; 答案：B

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