柱锤冲扩桩法的加固机理及适用性评价

柱锤冲扩桩法的加固机理及适用性评价

摘 要 柱锤冲扩桩法是目前正在推广的一种地基处理方法，本文对该法的加固机理及其在不同地层中的适用性进行分析，促进该方法的推广应用。

关键词 地基处理；柱锤冲扩桩；复合地基

柱锤冲扩桩法一般采用直径300mm～500mm、长度2m～6m、质量2t～10t柱状锤（简称柱锤），通过自行杆式起重机或其他专用设备，将柱锤提升到距地面5m～10m高度后自由下落，在地基土中重复冲击成孔至设计深度，在孔内分层填料、分层夯实形成桩体，同时对桩间土产生加固作用，桩体与桩间土共同形成复合地基。

柱锤冲扩桩法利用了强夯置换法的加固原理，对桩间土的实施加固， 而且加固效果优于其它复合地基，同时又结合加固桩的形式，发挥了竖向增强体的支撑作用，形成一种特殊的桩、土共同作用的复合地基。

1 桩锤冲扩桩法的加固机理

在柱锤冲扩成孔和成桩过程中对原状土施加了挤密作用、动力固结作用、动力充填置换作用和化学置换作用：

1.1对原状土的侧向挤密作用

柱锤冲击成孔过程中，桩位原土体被强行挤开，对侧向土体产生挤压作用；锤底土体受到强力冲击，孔底土被夯实。成桩过程中，夯实的填料向桩周土体挤入，桩径不断扩大，

可扩大至（1.5-2.5）d（d为成孔直径），桩间土进一步被挤密，尤其复打成孔施工的桩间土挤密效果更佳。

1.2对原状土的动力固结作用

原状土体被持续挤密，孔隙不断压缩，而且柱锤冲扩成孔时，在瞬时荷载作用下，土体中产生很大的冲击波，破坏土体的原有结构，使土体局部产生液化并产生许多裂缝，增加排水通道，孔隙水顺利排出，等超孔隙水压力消散后，桩周（1.5～2）d范围内土体便产生塑性变形，达到动力固结的效果。

1.3动力充填置换作用

构成桩身和挤入桩间土的填料，都是对原状土进行动力置换，夯实的桩体将原来较松软的土体置换为密实桩，粗填料的侧向挤入将原土体置换为含粒混合土，并且桩体和桩间土通过填料相互咬合，在较软的土层中成桩直径较大，置换作用强，在较硬土层中桩径相对较小，置换作用相对弱。

1.4化学置换作用

在含水量较高的软土地基中，当采用生石灰或碎砖三合土作填料时，填料中的生石灰遇水后消解成熟石灰，体积可增大到原来的1.5～3.5倍，对桩间土产生膨胀挤密作用。同时生石灰消解反应放出大量热量，提高了土体温度，使土体产生汽化脱水，从而降低土中的含水量。生石灰吸水生成的氢氧化钙与土中的氧化钙和氧化铝发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物，水化物对土颗粒产生胶结作用，使土体胶结体积增大，更趋紧密，同时使土体中黏粒含量减小，胶结作用从根本上改变了土的结构，提高了强度。

综上所述，柱锤冲扩桩法通过柱锤的夯击使土体挤密、固结，并通过填料的置换作用使桩体和土体产生咬合，化学置换又进一步加强了挤密作用，并施加了桩、土之间的胶结作用。

2 柱锤冲扩桩在不同类型地基土中的适用性评价

柱锤冲扩桩法适用于处理天然地基承载力不高，固结程度较低的土层，如杂填土、粉土、黏性土、素填土和黄土等，处理后复合地基承载力一般不超过160kPa，所以适用于多层建筑的地基处理。

2.1填土地基

该法在处理较厚的杂填土场地时，具有显著的优势，柱锤冲扩杂填土地基以挤密和动力置换作用为主。首先，填土一般回填时间短，孔隙较大，结构松散，颗粒间可移动的空间大，所以桩间土的挤密效果比较显著。填土中含砖、石等建筑垃圾较多，含有物粒度不均匀，冲扩作用下粗大颗粒比细颗粒位移大，再加上填料的挤入，置换范围较大，填土中的柱锤冲扩桩直径比其它土层大，桩、土形成咬合程度高。填土一般处于欠固结状态，但因含有物多、孔隙大，冲扩不易达到固结效果。复合地基的承载力比处理前的填土提高幅度大，承载力一般能提高1倍。其次，在填土地区使用柱锤冲扩桩法可采用土、砂、石、建筑渣土、基坑开挖土等作为桩体材料，就地取材，工程造价较低。

2.2粉土、黏性土地基

在广阔的冲积平原上，浅层分布河流冲积的粉土和黏性土，大多为新近冲积地层，粉土的密度较小，一般为稍密状态。黏性土为软塑-可塑状态，天然地基承载力一般在100kPa

左右，如果采用垫层法处理，开挖深度将增大，基坑侧壁土的自立性较差，基坑支护成本增加，而且挖方量大。在地下水位埋藏较浅的地区，还需要进行基坑降水。相对垫层法，选择柱锤冲扩桩法比较经济，既减小了基坑开挖深度，又减小了基坑降水成本，能提供与垫层法相当的承载力，并且提高了地基土的变形模量，有效减小基础沉降量。柱锤冲扩法加固新近沉积粉土主要以挤密、固结作用为主，同时动力置换和化学置换作用都能得到充分发挥，所以粉土地基的处理效果较理想，黏性土地基次之。此类地基也可以就地取材，采用粉土、黏性土、填土作填料均可。但在成孔施工中可能存在塌孔问题，必要时应采用套管成孔法施工。

2.3黄土地基

黄土的主要特征是垂直孔隙、针状孔隙发育，甚至局部发育大孔隙，所以柱锤冲扩的首要目的是通过挤密孔隙，消除湿陷性，进而达到固结效果。因黄土含水量较低、土体强度相对较高，动力置换和化学置换作用不能得到较高程度的发挥，桩体材料可采用黄土、灰土等，采用灰土主要目的是提高桩身强度。柱锤冲扩桩法在黄土中应用的主要目的是消除湿陷性，减小差异沉降，承载力的提高幅度不大。

根据以上的三种类型地基土中柱锤冲扩桩法的处理效果对比分析，可见不同类型地基，土层的工程性质不同，加固作用的发挥效果各异。

3结论

1）柱锤冲扩法对地基土产生了挤密、动力固结、动力充填置换和化学置换等四种作用，既对桩间土起到加固作用，又形成增强桩，依靠桩身强度和桩间土的侧向约束维持桩体的平衡，桩与桩间土共同工作形成柱锤冲扩桩复合地基；

2）在不同类型的地基土中进行柱锤冲扩桩施工，加固作用的发挥程度各不相同。

参考文献

[1]建筑地基处理技术规范 （GB50007-2011）.

[2]叶书麟、叶观宝编.地基处理.中国建筑工业出版社，1997.

[3]湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）.