浅谈砂桩挤密法在处理软土地基中的应用
西安铁路局西安重点工程指挥部严冰
摘要：近年来，随着铁路建设规模的飞速发展，路线的选择经常不可避免的穿越软土地区，因此软基的处理已成为普速铁路及客运专线设计及施工中急待解决的关键性技术问题。振动挤密砂石桩在处理软基方面有着相当广泛的应用，本文结合包西铁路通道（陕西段）工程实例，阐述了振动沉管挤密砂石桩在软基中的应用。
关键词：软基振动沉管挤密砂石桩
1前言
软土属于第四纪后期海相、湖沼相等的粘性土沉积物或河流冲击物，有的属于新近淤积物。其天然含水量高、天然空隙比大、压缩系数高、抗剪强度低、渗透系数小，在荷载作用下，地基承载力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，且沉降稳定历时长。它的这些特性使得部分铁路及高速公路不得不在营运中进行维修，造成巨大的经济损失。现行的软土地基处理方法有：排水固结法、振密挤密法、置换及拌入法、灌浆法、加筋法、冷热处理法、托换技术等。综述振动沉管挤密砂石桩法的应用、试验过程及效果，根据工程实际写成本文。2工程概况及场地工程地质条件
2．1工程概况
工程场地位于包西铁路通道（陕西段）DK276+300～DK316+210处。该段软土分布广泛且面积较大，拟采用振动沉管挤密砂石桩处理方案，桩长8.5m ，桩径0.5m ，桩距1.1m ，按等边三角形布置。复合地基综合检测采用如下方法：
(1)现场原位荷载试验；
(2)重型动力触探（N63.5）。
2．2工程地质条件
该场地地下水埋深0～3.0m ，各层土的特性如下：
（1）粉土：层厚0.3～2.5m ，韧性低；
（2）淤泥：厚层0.3～6.7m ，饱和，软塑；
（3）淤泥质粉土：厚层0.9～7.5m ，饱和，稍密；
（4）圆砾：揭露最大层厚3.6m ，最大粒径7cm 左右，一般为0.5～2cm ，主要由石英
岩、花岗岩组成，饱和，稍密～中密。
软基在未处理前，通过检测知该处允许承载力仅85kPa ，不能满足设计所需。为保证该地段工程构造物的安全与正常使用，需加固。
3加固原理及加固方案的确定
3.1加固原理
3.1.1挤密、振密作用：砂石桩在成桩过程中，桩管对周围桩间土产生很大的横向挤压力，同时桩管的振动能量以波的形式在桩周围土体中传播，引起桩周土体的振动、压缩。在两者作用下，桩周围的土体由较松散变为密实，孔隙比减小，密实度提高。
3.1.2置换作用：砂石桩成桩后，就形成了砂石桩及桩间土共同组成的复合地基，由密实的砂石桩桩体取代了与桩体体积相同的软土，二者共同承担上部的荷载。因为砂石桩的强度和抗变形性能等均优于周围的土体，所以在等应变的情况下，刚度较大的砂石桩上的应力要比刚度较小的软土上应力大，所以形成的复合地基，不仅比原天然地基的承载力大，而且沉降量也减小。另外砂石桩也有加筋的作用，可以增大地基抗剪强度。
3.1.3加速排水固结作用：砂石桩是由反虑性极好的粗粒材料组成，其与上覆的碎石垫层共同作用，形成良好的竖向和横向的排水通道，可以快速有效的消散成桩时形成的超孔隙水压力。同时，砂石桩可以起到排水砂井的作用，可以大大缩短孔隙水的水平渗透路径，加速软土的排水固结，使得路基土的沉降稳定加快。
3.2加固方案的确定
因软基深度较大，地势平坦，面积较大，不易采用换填处理。经会审论证，决定采用振动沉管挤密砂石桩对其进行固结处理。砂石桩采用等边三角形满堂排列，全部同桩径、桩间距，要求穿透软土层，进入下部持力层。施工结束后，在地基上铺设20厘米厚的碎石垫层，以加强路基排水。
4振动沉管挤密砂石桩的设计与计算
4．1砂石桩的设计参数
4.1.1桩身材料的选择
桩身材料选用砾石，颗粒范围5mm ～60mm ，级配良好的中粗砾，不均匀系数≥5，曲率系数1～3。
4.1.2桩径、桩长
桩径取50cm ，桩长取8.5m 。
4.1.3桩位布置
砂石桩采用等边三角形满堂布置，这样可使地基挤密较为均匀。施工采用从中心向外推进，隔桩跳打的顺序，这是为了减少桩间土向外的侧向变形限制、大面积土体的隆起、断桩以及连续施打可能造成的桩径被挤扁或缩颈等现象的出现。具体桩位布置与施工顺序见图1
。
4.1.4桩间距
初步设计时，由天然孔隙比e o ，要求达到的孔隙比e 1，根据下列公式计算出砂石桩的桩间距
s:
式中，ξ为修正系数，考虑振动下沉密实作用时，取1.1～1.2；不考虑振动下沉密实作用时，取1.0；d 为砂石桩的直径。
根据试验数据和设计图纸，计算的间距为：s=1.1m。
4．2复合地基的有关参数计算
4.2.1桩土面积置换率m
m=d2/de2
式中：d-砂石桩直径，d ＝0.5m ；
de-等效影响圆直径，根据桩的布置图形，de ＝1.05s ＝1.05×1.1＝1.155m ；
故：m=0.52/1.1552=0.187
4.2.2桩土应力比n
一般n ＝2～4，设计时根据本标段天然土的不排水抗剪强度Cu 值和相关的设计规范，取n ＝2。
4.2.3单桩极限承载力
[б]桩=20×C 软/K；
C 软－凝聚力，C 软=19kPa；
K －安全系数，K=1.20；
则：[б]桩=20×19/1.20=316.7kPa。
4.2.4复合地基承载力
[б]复=m[б]桩＋(1－m)[б]土；
m －面积置换率,m=0.187；
[б]土－桩间天然地基土的承载力，由n=[б]桩/[б]土，本文取值为2，故[б]土=[б]桩/2=316.7/2=158.4kPa；
则：[б]复=0.187×316.7＋1－0.187）158.4=188kPa。
通过计算证明，加固后的地基承载力有了较大提高。
5复合地基的检验
根据实际情况和研究需要，采用现场原位载荷试验和重型动力触探对地基处理的效果进行检验和评定。
5.1试验数据处理
5.1.1现场原位载荷试验数据
试验采用堆载反力系统，运用千斤顶，百分表等仪器对试验段的桩间土、桩体复合地基进行了载荷试验，确定复合地基的承载力。选择两组不同桩间距的复合地基作为试验对象。考虑到试验地段的特殊性和振动沉管挤密砂砾桩的特性，制定单桩复合最高加载320kPa 。将结果分别绘制成P －S 曲线、S-lgt 曲线。
（1）单桩复合承载力试验（见图2、图3）
单桩成桩参数：桩长8.5米，填料量2.0m 3，单桩耗时35分钟，间距1.1米。
（2）单桩复合承载力试验（见图4、图5）
单桩成桩参数：桩长8.6米，填料量2.1m 3，单桩耗时37分钟，间距1.6米。
5.1.2重型动力触探试验数据
试验采用N 63.5重型触探仪对试验段原状土、桩间土、桩体进行触探试验。为了检验和评定地基处理的效果，比较桩间距对复合地基荷载的影响，在做试验时，不仅对试验段原状土、桩间土、桩体进行了触探试验，而且对两组不同间距的桩间土进行了对比试验。为了便于比较，将试验数据绘制成曲线图，如下所示（见图6、图7）。
5.2试验数据分析
（1）根据试验数据及现场实际情况，显示处理后的复合地基承载力可达220kPa ，比天然软土地基及设计的复合地基承载力大，满足设计需要，达到了处理软土地基的目的。
（2）桩间距对振动沉管挤密砂石桩的挤密效果有直接影响。从现场原位载荷试验和重型动力触探数据曲线图可以明显的看出，桩体的1.1m 间距桩间土比1.6m 间距桩间土的挤密效果好，而两者又较未处理情况下原状土挤密效果明显，因此该处采用1.1m 桩间距可以有效的提高桩间土的承载力强度。
6小结
（1）根据试验数据，确定振动沉管挤密砂石桩可以有效处理软土地基，明显提高软基的极限荷载。
（2）目前振动沉管挤密砂石桩的设计是以某个要求的密实度去求算置换率然后进行布桩，它忽略了施工顺序对场地土的动态影响，因而，可能设计的桩位过于密集，造成浪费；也可能桩间距过大，达不到要求。所以在施工之前要用试验的检测数据优化设计，这样将会获得良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]工程地质手册(第三版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1992.877-880
[2]叶书麟. 地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.180-215
[3]叶关宝编著. 地基加固新技术. 第二版. 北京：机械工业出版社,2002
[4]李在卿. 挤密碎石桩加固地基的理论与实践. 水运工程，1992(11)
[5]李在卿. 振动沉管挤密碎石桩加固地基的设计与施工. 岩土工程师，1992(3)
浅谈砂桩挤密法在处理软土地基中的应用
西安铁路局西安重点工程指挥部严冰
摘要：近年来，随着铁路建设规模的飞速发展，路线的选择经常不可避免的穿越软土地区，因此软基的处理已成为普速铁路及客运专线设计及施工中急待解决的关键性技术问题。振动挤密砂石桩在处理软基方面有着相当广泛的应用，本文结合包西铁路通道（陕西段）工程实例，阐述了振动沉管挤密砂石桩在软基中的应用。
关键词：软基振动沉管挤密砂石桩
1前言
软土属于第四纪后期海相、湖沼相等的粘性土沉积物或河流冲击物，有的属于新近淤积物。其天然含水量高、天然空隙比大、压缩系数高、抗剪强度低、渗透系数小，在荷载作用下，地基承载力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，且沉降稳定历时长。它的这些特性使得部分铁路及高速公路不得不在营运中进行维修，造成巨大的经济损失。现行的软土地基处理方法有：排水固结法、振密挤密法、置换及拌入法、灌浆法、加筋法、冷热处理法、托换技术等。综述振动沉管挤密砂石桩法的应用、试验过程及效果，根据工程实际写成本文。2工程概况及场地工程地质条件
2．1工程概况
工程场地位于包西铁路通道（陕西段）DK276+300～DK316+210处。该段软土分布广泛且面积较大，拟采用振动沉管挤密砂石桩处理方案，桩长8.5m ，桩径0.5m ，桩距1.1m ，按等边三角形布置。复合地基综合检测采用如下方法：
(1)现场原位荷载试验；
(2)重型动力触探（N63.5）。
2．2工程地质条件
该场地地下水埋深0～3.0m ，各层土的特性如下：
（1）粉土：层厚0.3～2.5m ，韧性低；
（2）淤泥：厚层0.3～6.7m ，饱和，软塑；
（3）淤泥质粉土：厚层0.9～7.5m ，饱和，稍密；
（4）圆砾：揭露最大层厚3.6m ，最大粒径7cm 左右，一般为0.5～2cm ，主要由石英
岩、花岗岩组成，饱和，稍密～中密。
软基在未处理前，通过检测知该处允许承载力仅85kPa ，不能满足设计所需。为保证该地段工程构造物的安全与正常使用，需加固。
3加固原理及加固方案的确定
3.1加固原理
3.1.1挤密、振密作用：砂石桩在成桩过程中，桩管对周围桩间土产生很大的横向挤压力，同时桩管的振动能量以波的形式在桩周围土体中传播，引起桩周土体的振动、压缩。在两者作用下，桩周围的土体由较松散变为密实，孔隙比减小，密实度提高。
3.1.2置换作用：砂石桩成桩后，就形成了砂石桩及桩间土共同组成的复合地基，由密实的砂石桩桩体取代了与桩体体积相同的软土，二者共同承担上部的荷载。因为砂石桩的强度和抗变形性能等均优于周围的土体，所以在等应变的情况下，刚度较大的砂石桩上的应力要比刚度较小的软土上应力大，所以形成的复合地基，不仅比原天然地基的承载力大，而且沉降量也减小。另外砂石桩也有加筋的作用，可以增大地基抗剪强度。
3.1.3加速排水固结作用：砂石桩是由反虑性极好的粗粒材料组成，其与上覆的碎石垫层共同作用，形成良好的竖向和横向的排水通道，可以快速有效的消散成桩时形成的超孔隙水压力。同时，砂石桩可以起到排水砂井的作用，可以大大缩短孔隙水的水平渗透路径，加速软土的排水固结，使得路基土的沉降稳定加快。
3.2加固方案的确定
因软基深度较大，地势平坦，面积较大，不易采用换填处理。经会审论证，决定采用振动沉管挤密砂石桩对其进行固结处理。砂石桩采用等边三角形满堂排列，全部同桩径、桩间距，要求穿透软土层，进入下部持力层。施工结束后，在地基上铺设20厘米厚的碎石垫层，以加强路基排水。
4振动沉管挤密砂石桩的设计与计算
4．1砂石桩的设计参数
4.1.1桩身材料的选择
桩身材料选用砾石，颗粒范围5mm ～60mm ，级配良好的中粗砾，不均匀系数≥5，曲率系数1～3。
4.1.2桩径、桩长
桩径取50cm ，桩长取8.5m 。
4.1.3桩位布置
砂石桩采用等边三角形满堂布置，这样可使地基挤密较为均匀。施工采用从中心向外推进，隔桩跳打的顺序，这是为了减少桩间土向外的侧向变形限制、大面积土体的隆起、断桩以及连续施打可能造成的桩径被挤扁或缩颈等现象的出现。具体桩位布置与施工顺序见图1
。
4.1.4桩间距
初步设计时，由天然孔隙比e o ，要求达到的孔隙比e 1，根据下列公式计算出砂石桩的桩间距
s:
式中，ξ为修正系数，考虑振动下沉密实作用时，取1.1～1.2；不考虑振动下沉密实作用时，取1.0；d 为砂石桩的直径。
根据试验数据和设计图纸，计算的间距为：s=1.1m。
4．2复合地基的有关参数计算
4.2.1桩土面积置换率m
m=d2/de2
式中：d-砂石桩直径，d ＝0.5m ；
de-等效影响圆直径，根据桩的布置图形，de ＝1.05s ＝1.05×1.1＝1.155m ；
故：m=0.52/1.1552=0.187
4.2.2桩土应力比n
一般n ＝2～4，设计时根据本标段天然土的不排水抗剪强度Cu 值和相关的设计规范，取n ＝2。
4.2.3单桩极限承载力
[б]桩=20×C 软/K；
C 软－凝聚力，C 软=19kPa；
K －安全系数，K=1.20；
则：[б]桩=20×19/1.20=316.7kPa。
4.2.4复合地基承载力
[б]复=m[б]桩＋(1－m)[б]土；
m －面积置换率,m=0.187；
[б]土－桩间天然地基土的承载力，由n=[б]桩/[б]土，本文取值为2，故[б]土=[б]桩/2=316.7/2=158.4kPa；
则：[б]复=0.187×316.7＋1－0.187）158.4=188kPa。
通过计算证明，加固后的地基承载力有了较大提高。
5复合地基的检验
根据实际情况和研究需要，采用现场原位载荷试验和重型动力触探对地基处理的效果进行检验和评定。
5.1试验数据处理
5.1.1现场原位载荷试验数据
试验采用堆载反力系统，运用千斤顶，百分表等仪器对试验段的桩间土、桩体复合地基进行了载荷试验，确定复合地基的承载力。选择两组不同桩间距的复合地基作为试验对象。考虑到试验地段的特殊性和振动沉管挤密砂砾桩的特性，制定单桩复合最高加载320kPa 。将结果分别绘制成P －S 曲线、S-lgt 曲线。
（1）单桩复合承载力试验（见图2、图3）
单桩成桩参数：桩长8.5米，填料量2.0m 3，单桩耗时35分钟，间距1.1米。
（2）单桩复合承载力试验（见图4、图5）
单桩成桩参数：桩长8.6米，填料量2.1m 3，单桩耗时37分钟，间距1.6米。
5.1.2重型动力触探试验数据
试验采用N 63.5重型触探仪对试验段原状土、桩间土、桩体进行触探试验。为了检验和评定地基处理的效果，比较桩间距对复合地基荷载的影响，在做试验时，不仅对试验段原状土、桩间土、桩体进行了触探试验，而且对两组不同间距的桩间土进行了对比试验。为了便于比较，将试验数据绘制成曲线图，如下所示（见图6、图7）。
5.2试验数据分析
（1）根据试验数据及现场实际情况，显示处理后的复合地基承载力可达220kPa ，比天然软土地基及设计的复合地基承载力大，满足设计需要，达到了处理软土地基的目的。
（2）桩间距对振动沉管挤密砂石桩的挤密效果有直接影响。从现场原位载荷试验和重型动力触探数据曲线图可以明显的看出，桩体的1.1m 间距桩间土比1.6m 间距桩间土的挤密效果好，而两者又较未处理情况下原状土挤密效果明显，因此该处采用1.1m 桩间距可以有效的提高桩间土的承载力强度。
6小结
（1）根据试验数据，确定振动沉管挤密砂石桩可以有效处理软土地基，明显提高软基的极限荷载。
（2）目前振动沉管挤密砂石桩的设计是以某个要求的密实度去求算置换率然后进行布桩，它忽略了施工顺序对场地土的动态影响，因而，可能设计的桩位过于密集，造成浪费；也可能桩间距过大，达不到要求。所以在施工之前要用试验的检测数据优化设计，这样将会获得良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1]工程地质手册(第三版)[M].北京：中国建筑工业出版社，1992.877-880
[2]叶书麟. 地基处理工程实例应用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.180-215
[3]叶关宝编著. 地基加固新技术. 第二版. 北京：机械工业出版社,2002
[4]李在卿. 挤密碎石桩加固地基的理论与实践. 水运工程，1992(11)
[5]李在卿. 振动沉管挤密碎石桩加固地基的设计与施工. 岩土工程师，1992(3)