砂桩

砂桩在19世纪30年代源于欧洲，但是，当时发展很慢，直到20世纪50年代，砂桩在国内外才得以迅速发展，施工工艺才逐步走向完善和成熟。20世纪50年代后期，日本成功地研制了振动式和冲击式的砂桩施工工艺，大大提高了工作效率和施工质量，处理进度很快由原来的6m增加到30余米。砂桩在我国的应用也始于50年代。起初，砂桩法用于处理松散砂土地基，视施工方法不同，又可分为挤密砂桩和振密砂桩两种，其加固原理是依靠成桩过程中对周围砂层的挤密和振密作用，提高松散砂土地基的承载力，防止砂土振(震)动液化。后来，国内外也逐渐将砂桩用来处理软弱粘性土，其加固原理是利用砂桩的置换作用和排水作用提高软弱地基的稳定性。砂桩在软弱地基中可形成砂桩复合地基，如对它再行加载预压，可进一步提高复合地基的承载力，减少地基沉降量，并改善地基的整体稳定性。在我国砂桩用于加固软弱粘性土地基有成功的经验，也有砂桩处理后的软弱粘性土地基在荷载作用下仍发生大的沉降的事例，如果不进行预压使大的沉降预先完成，则难以满足建筑物对沉降的要求。

砂桩自引入我国后，在工业及民用建筑、交通、水利等工程建设中均得到应用，有成功的经验，但也有达不到预期处理效果的情况，尤其在处理软弱粘性土时还缺乏经验，仍按砂土中的砂桩挤密原理进行设计，这显然是不妥当的，也是达不到预期处理效果的根本原因。近20年来，国内在利用砂桩处理松散砂土、防止砂土液化方面取得了许多成功的经验，解决了一些工程实际问题。

砂桩是用冲击或振动等方法将钢套管按一定间距沉入地基土中挤压成孔，然后边拔管边向管内灌砂并振捣密实而成的砂质柱体。砂桩属于散体桩复合地基的一种。是软弱地基处理常用的方法之一。这种处理方法对整个地基起到挤压密实的作用，砂桩本身又以其较周围土体为大的刚度而承受大部分上部结构及基础的荷载，从而与周围被加固土一起组成复合地基。可提高地基承载力、减少沉降、防止振动液化等，适用于处理杂填土和粘性土和深层松砂等地基。砂桩分挤密砂桩和排水砂桩两种。前者断面较大，间距较近，桩体有较高的承载力和较大的变形模量，与挤密后的桩间土组成复合地基，共同承受基础所传递的荷载。可用于湿陷性黄土、杂填土和粘性土地基。后 者主要用作地基排水的一种措施，可以增加孔隙水 的渗透途径，缩短排水距离，同时也提高土的承载能力。一般直径较小 (20～30cm)，间距较大 (1.5m以上)。

振动机管砂桩是近十余年来发展起来的一种砂桩施工新工艺。振动沉管法是在振动机的振动作用下，把套管打入规定的设计深度，套管入土后，挤密套管周围的土，然后再投入砂子，排砂于土中，振动密实、振动拔管成桩，多次循环后，就成为挤密砂桩。这种施工工艺处理效果较好，既有挤密作用又有振密作用，使桩与桩间土形成较好的复合地基，提高场地基承载力、防止了砂土液化、增大了软弱地基土的整体稳定性。砂桩材料除单纯用砂子外，还有砂石桩、灰砂桩(灰：砂=3：2)；用砂石料形成砂石桩，用灰砂料形成灰砂桩。灰砂桩随着时间的增加，土中固化作用提高，桩体强度也不断增加，能起到挤密地基、提高地基承载力的作用。砂石桩比纯砂桩桩身具有更好的颗粒级配、有更大的桩身密实度，单桩强度有所改进。砂桩适用于处理松砂、粉土、素填土、杂填土、粘性土地基等，可用于散料堆场、路堤、码头、油罐、厂房和住宅等工业与民用建筑地基加固丁程中。

砂桩的施工方法有多种多样，国内外常用的成桩方法分为两类：一类是振动成桩法；另一类是冲击成桩法。

振动成桩法

振动成桩法是用振动打桩机将桩管沉入土层中并振动挤密砂料的施工方法，根据其成桩工艺又可分成三类即一次拔管法、逐步拔管法、重复压拔管法。

冲击成桩法

冲击成桩法是用蒸汽打桩机或柴油打桩机将桩打入土层中并用内管夯击密实砂填料的施工方法，根据其成桩方法分成两类即单管法和双管法。软基砂桩成桩工艺比较常用的是振动成桩法中的逐步拔管法，用振动或锤击打桩机将钢桩管入土成孔，然后往桩管中灌砂后，先留振若干秒，再边振动边起拔桩管，拔起一定高度停拔，并继续留振若干秒后，再拔起一定高度，并补充填料，如此重复进行，直到桩管拔出地面即成桩 。

砂桩加固软基，是一种造价相对较低、效果显著的软土地基处理方法，在国内外被广泛应用于铁路、公路、码头、工业及民用建筑等行业。砂桩加固软弱地基是通过挤密或振动使深层土密实，并在振动挤密过程中，回填砂形成密实桩体，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少沉降量，消除或部分消除土的湿陷性或液化性。砂桩是由中粗砂组成的柱体，中粗砂为散体材料，所以砂桩发挥作用，主要取决于侧向约束的大小。在地基中，砂桩主要靠桩周土侧向约束使桩传递垂直荷载，增加重负，提高抗剪能力。砂桩对软土地基的加固机理，对于砂性土与粘性土各不相同。

对松散砂土和粉土的加固机理

对松散砂土和粉土而言，砂桩加固地基的主要目的是提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性，砂桩利用振动或冲击荷载在软基中压入砂石而减小土的孔隙比，提高其相对密度。砂桩加固砂土地基抗液化的机理主要有下列四方面作用：

①挤密作用

砂土和粉土属于单粒结构，其组成单元为松散粒状体，渗透系数一般大于少。在松散状态时，颗粒的排列很不稳定，在动力和静力作用下会重新排列，趋于较稳定的状态即使颗粒的排列接近较稳定的密实状态，在动力和静力作用下也将发生位移，改变其原来的位置。松散砂土在振动力的作用下，其体积缩小可达。由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，趋于较稳定的密实状态。在成桩过程中，无论采用锤击法还是振动法在砂土中沉入桩管时，桩孔中填入的砂，被强大的水平振动力挤入周围土中，桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，这种强制挤密使砂土的孔隙比减小，密实度增大，从而抗液化性能得到改善。

②振密作用

砂桩施工时，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，引起四周土体的振动。在挤压和振动的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有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，如果有排水通道，土体中的水此时就沿着桩体排出地面。

③排水减压作用

对砂土液化机理的研究证明，在地震作用或振动作用下，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，从而使土的抗剪强度降低，当砂土中抗剪强度完全丧失，或者土的抗剪强度降低，使土不再能抵抗它原来所能安全承受的作用剪应力时，土体就发生液化流动破坏，即砂土或粉土地基发生振动液化破坏。由于砂土、粉土本身的特性，这种破坏宏观表现为土体喷水冒砂、土体长距离的滑流、土体中建筑物上浮和地表建筑物的下陷等现象。砂桩加固砂土时，桩孔内充填反滤性好的粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超静孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结，从而提高桩间土的抗液化能力。

④砂基预震效应

施工过程使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，有利于增强砂土的抗液化能力。国内外大量的不排水循环应力试验结果表明，预先受过适度水平的循环应力即预振的试样，将具有较大的抗液化强度，由于在振动成桩过程中，桩间土受到了多次预振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。

对粘性土加固机理

砂桩软基处理在软弱粘性土地基中有置换、排水固结及垫层作用。

①置换作用

粘性土地基中砂桩的作用不是使地基挤密，而是置换。砂桩在软粘土中形成一定密度和直径的大桩体，与原粘性土构成复合地基，提高地基的承载力和整体稳定性，防止地基产生滑动破坏。由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础等量变形时，地基中应力将按材料的变形模量随着地基的变形进行重新分布，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，桩间土上应力相应减小。

②排水固结作用

砂桩在粘土地基中是良好的排水通道，在上方荷载的作用下，它起到排水砂井的效能，且大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速软土地基的沉降排水及固结速度，使沉降稳定加快。砂桩能够改变桩间土的物理性质，提高复合地基承载力。

③垫层作用

用砂桩加固软弱土层时，如果软弱土层较厚、则桩体可不贯穿整个软弱土层，此时复合地基主耍起垫层作用。通过垫层作用来减小地基的沉降并将基底压力向深部扩散而提高地基的整体承载力。总之，不论对疏松砂性土或软弱粘性土，砂桩都有较强的加固作用。在松散砂土中可以用于增大相对密度，防止振动液化在软弱粘性土中可用于提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。

砂桩的挤密置换作用

由于砂桩在成桩的过程中桩管对周围土层产生很大的横向挤压力，砂桩的打入会挤密原地基的软弱部位，桩管体积的土体挤向桩管周围的土层，使桩管周围的土层孔隙比减小，密实度增大。密实的砂桩在软弱粘性土中取代了同样体积的软弱粘性土置换作用，形成复合地基，提高土体的密度和强度，使地基承载力有所提高，地基沉降也变小。

砂桩的排水固结作用

砂桩加固砂土时桩孔内充填砂料碎石等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超静孔隙水压力的增加和砂土产生液化，并加快地基的排水固结。在软弱粘性土地基中，打入软土中的砂桩，在施工时因有高压气体的作用会有大量水从砂桩中排出，有利于高含水量的软土快速排水固结。在上方荷载的作用下，能够加快地基沉降排水及固结速度，改变桩间土的物理性质，提高复合地基承载力，为此，在施工中从成桩的投料量、桩管提升高度、挤压时间、加水量和工作电流入手进成桩质量控制。砂桩也可以像砂井一样起排水作用，作为排水通道在上部建筑施工和使用后长期存在，有利于加快地基的固结沉降速率。

砂桩的振密作用

砂桩作为复合地基的振密作用，一方面在成桩过程中，激振器产生的强力振动通过导管传递给土层使其附近的饱和土地基产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列，孔隙减少，趋向密实另一方面依靠振冲器的振力将补充的砂挤压加密，还可以提高地基的承载力，减小地基的沉降量和差异沉降量，提高土体的抗剪强度，增大土体的抗滑稳定性，消除地震时地基可能产生的液化现象 。

砂桩原材料检验，检查砂是否符合要求。

检查砂是否符合要求：宜采用渗水率较高的中、粗砂，大于0.5mm的砂含量宜占总量的50﹪以上，含泥量不应大于3﹪，渗透系数不应小于5×10-3㎝/s。也可以使用砂和角砾混合料，含泥量不大于5﹪。2100433B