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第四章 砂桩（sand pile） 第一节 概述 砂桩也称为挤密砂桩或砂桩挤密法。是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后将砂再挤入土中，形成大直径的密实砂柱体的加固地基的方法。砂桩属于散体桩复合地基的一种。 砂桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不严的工程也可采用砂桩置换处理。 根据国内外砂桩的使用经验，可适用在下列工程： ⑴ 中小型工业与民用建筑； ⑵ 港湾构筑物，如码头、护岸等； ⑶ 土工构筑物，如土石坝、路堤等； ⑷ 材料堆置场，如矿石场、原料场； ⑸ 其它，如轨道、滑道、船坞等。 砂桩在19世纪30年代源于欧洲，最早于1835年由法国工程师设计，用于在海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。当时，设计桩长为2m，直径只有0.2m，每根桩承担荷载10kN。制桩方法是在土中打入铁钎，拔出铁钎，然后在形成的孔中填入砂。此后，在很长时间内由于缺乏先进的施工工艺和施工设备。没有较实用的设计计算方法而发展缓慢。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。在20世纪50年代后期，日本成功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m。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和人工填土地基的，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。 现在，在软弱粘性土地基上的应用也已取得了一定的经验。因为软弱粘性土的渗透性较小，灵敏度大，成桩过程中产生的超孔隙水压力不能迅速消散，挤密效果较差，而且因扰动而破坏了土的天然结构，降低了土的抗剪强度。根据国外的经验，在软弱粘性土中形成砂桩复合地基后，再对其进行加载预压，以提高地基强度和整体稳定性，并减少工后沉降。国内的实践也有砂桩处理后的软弱粘性土地基在载荷作用下仍发生大的沉降的事例，如不进行预压，砂桩施工后的地基在荷载作用下仍有较大的沉降变形，对沉降要求较严的建筑物难以满足要求。因此，采用砂桩处理饱和软弱钻性土地基应根据工程对象区别对待，通过现场试验来确定地基处理方法。 我国在1959年首次在上海重型机器厂采用锤击沉管挤密砂桩法处理地基，1978年又在宝山钢铁厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场地基。这两项工程为我国在饱和软弱粘性土中采用砂桩地基处理方法取得了丰富的经验。近十多年来，砂桩法在我国工业与民用建筑、交通和水利工程建设中得到了广泛的应用。工程实践表明，砂桩用于处理松散砂土和塑性指数不高的非饱和粘性土地基，其挤密(或振密)效果较好，不仅可以提高地基的承载力、减少地基的固结沉降，而且可以防止砂土由于振动或地震所产生的液化。砂桩处理饱和软弱粘性土地基时，主要是置换作用，可以提高地基承载力和减少沉降，同时，还起排水通道作用，能够加速地基的固结。 第二节 砂桩的加固机理 一 在松散砂土中的加固机理 砂桩加固砂性土地基的目的主要有：提高桩和桩间土的密实度，从而提高地基的承载力，减小变形、增强抗液化能力。 砂桩加固松散地基抗液化和改善地基力学性能的机理主要有以下三个方面： ㈠ 挤密作用 松散砂土地基属单粒结构，是典型的散粒状体，单粒结构可分为松散和密实两种极端状态。密实的单粒结构，其颗粒之间的排列已接近稳定状态，在动(静)荷载的作用下不会像松散结构一样产生较大变形；疏松单粒结构的松散砂土地基，其颗粒之间存在较大的孔隙，颗粒位置不稳定，在动(静)荷载的作用下很容易产生位移，因而产生较大的沉降，特别是在振动力作用下更为明显（体积可减小20％）。另外，砂土地基的承载力和抗液化能力也随其密实度的变化有很大差别，密实砂土地基承载力和抗液化能力达最佳状态，随着密实度的减小，其承载力和抗液化能力也随之减小或减弱。所以，松散砂土地基只有经过处理才能作为建筑物地基。而中密状态砂类土的性质介于松散和密实状态之间。 1978年，日本宫城地震，油罐区地面加速度约为0.185g，采用水力冲填的粉砂地基广泛地出现液化，大量油罐倾斜；然面其中有3个6000t的油罐，地基采用了挤密砂桩处理，挤密砂桩的间距为1.8m的三角形布置，桩径为0.7m，加固深度为15.5m，加固范围宽出罐周2.8m，加固前后地基土的标贯值分别为5和15。成功地接受了强烈地震的考验，砂桩的抗液化能力是显而易见的。我国对地震区的广泛调查和室内试验可以证明这一点。 无论采用哪一种施工工艺都能对松散砂土地基产生较大的挤密作用，挤密砂桩的加固效果是： ⑴ 使砂土地基挤密到临界孔隙比以下，以防止砂土在地震或其它原因受振时发生液化； ⑵ 由于形成强度高的挤密砂桩，提高了地基的抗