2019年岩土工程师专业知识讲义：柱锤冲扩法

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1.1 基本概念

柱锤冲扩法是采用直径300~500 mm、长度2~6 m、质量1~8 t的柱状锤(简称柱锤)，通过自行杆式起重机或其他专用设备，将柱锤提升至距地面一定高度后下落，在地基土中冲击成孔，并重复冲击至设计深度，在孔内分层填料、分层夯实形成桩体，同时对桩间土进行挤密，形成复合地基。在桩顶部也设置200~300mm厚砂石垫层。

1.2 适用范围

柱锤冲扩法适用于处理杂填土、粉土、黏性土、素填土和黄土等地基，对地下水位以下饱和松软土层，应通过现场试验确定其适用性。限于设备条件，处理深度不宜大于6m，否则不经济。复合地基承载力特征值不宜超过160kPa。

【例题1】对不良地基采用下列( )地基处理后，复合地基承载力特征值不宜大于160kpa。

A、CFG桩法; B、夯实水泥土桩法; C、换填垫层法; D、柱锤冲扩桩法; 答案：D

1.3 加固机理

1 对软弱土加固机理

柱锤冲扩法的加固机理主要有：

(1)成孔及成桩过程中对原土的动力挤密作用;

(2)对原土的动力固结作用;

(3)冲扩桩充填置换作用(包括桩身及挤入桩间土的骨料);

(4)生石灰的水化和胶凝作用(化学置换)。

【例题2】柱锤冲扩法对软弱土的加固机理主要有( )。

A、动力挤密作用; B、动力固结作用; C、物理置换作用; D、化学置换作用;

E、动力压密作用; F、离子交换作用; G、减载作用： 答案：A、B、C、D

上述作用依不同土类而有明显区别。对地下水位以上杂填土、素填土、粉土及可塑状态 黏性土、黄土等，在冲孔过程中成孔质量较好，无坍孔及缩颈现象，孔内无积水，成桩过程中地面不隆起甚至下沉，经检测孔底及桩间土在成孔及成桩过程中得到挤密，试验表明挤密 土影响范围为2~3倍桩径。而对地下水位以下饱和松软土层冲孔时坍孔严重，有时甚至无法成孔，在成桩过程中地面隆起严重，经检测桩底及桩间土挤密效果不明显，桩身质量也较难保证，因此对上述土层应慎用。

柱锤冲扩法目前还处于半理论半经验状态，成孔和成桩工艺及地基固结效果直接受到土 质条件的影响。因此在正式施工前进行成桩试验及试验性施工十分必要。根据现场试验取得 的资料修改设计，制定施工及检验要求。

现场试验的主要内容有：(1)成孔及成桩试验;(2)试验性施工;(3)复合地基承载力对比试验(载荷试验及动力触探试验)。

2 柱锤冲扩法复合地基工作机理

柱锤冲扩法主要采用以拆房土为主组成的碎砖三合土，形成的桩体为散体材料桩，属于 可压缩的柔性桩。因此，可以认为桩土之间变形是协调的，桩土复合土层类似人工垫层。

1.4 设计

柱锤冲扩法复合地基设计的主要内容有桩身材料、桩径、桩长、置换率、桩距和布桩范 围，并根据复合地基承载力和下卧层承载力要求以及变形控制的要求综合确定。对大型、重要或场地复杂的工程，在正式施工前，应在有代表性的场地上进行试验。

1 材料

桩体材料可采用碎砖三合土、级配砂石、矿渣、灰土、水泥混合土等。当采用碎砖三合土时，其配合比(体积比)采用生石灰：碎砖：黏性土为1：2：4。当采用其他材料时，应经试 验确定其适用性和配合比。

【例题3】柱锤冲扩法成桩所使用的材料一般为碎砖三合土，它是由( )按一定的体积配合比组成。

A、 碎砖、粘土、水泥; B、碎砖、砂、水泥; C、碎砖、水泥、熟石灰;

D、碎砖、粘性土、生石灰; E、碎砖、粘性土、熟石灰; 答案：D

2 桩径、桩距及布桩要求

处理范围应大于基底面积。对一般地基，在基础外缘应扩大1~2排桩，并不应小于基底下处理土层厚度的1/2。对可液化地基，处理范围可按上述要求适当加宽。

地基处理的宽度超过基础底面边缘一定范围，主要作用在于增强地基的稳定性，防止基 底下被处理土层在附加应力作用下产生侧向变形，因此原天然土层越软，加宽的范围应越 大。通常按压力扩散角θ=30°来确定加固范围的宽度，并不少于1~2排桩。

桩位布置可采用正方形、矩形、三角形布置。常用桩距为1.5~2.5m，或取桩径的2~3倍。桩径可取500~800mm，桩孔内填料量应通过现场试验确定。

3 地基处理深度

可根据工程地质情况及设计要求确定。对相对硬层埋藏较浅的土层，应深达相对硬土 层;当相对硬层埋藏较深时，应按下卧层地基承载力及建筑物地基的变形允许值确定;对可 液化地基，应按现行的国家标准《建筑抗震设计规范》的有关规定确定。

4 承载力

柱锤冲扩桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时，也 可按公式(7.1-1)估算。

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

式中：fspk为柱锤冲扩桩复合地基承载力特征值(kPa);m为面积置换率，可取0.2~0.5;n为桩土应力比，无实测资料时可取2~4，桩间土承载力低时取大值。fsk为加固后桩间土承载力特征值(kPa)，取处理前天然地基的承载力特征值或按当地经验取值。

5 变形计算

处理后变形计算应按现行《建筑地基基础设计规范》的有关规定执行。初步设计时复合土层的压缩模量可按公式(7.1-2)估算：

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

式中：Esp为复合土层的压缩模量(MPa);ES为桩间土的压缩模量(MPa)，宜按当地经验取值。此外，当柱锤冲扩桩处理深度以下存在软弱下卧层时，应进行下卧层地基承载力验算。

1.5 施工

1.5.1 成桩设备与工艺

1 成桩设备

柱锤冲扩法宜用直径300~500 mm、长度2~6 m、质量1~8 t的柱状锤(即柱锤)进行施工。升降柱锤的设备可选用10~30 t自行杆式起重机、步履式夯扩桩机或其他专用机具设备，采用自动脱钩装置。起重能力应通过计算确定，考虑锤的质量及成孔提升柱锤时土层对柱锤的吸附力;或通过现场试验确定，但一般不应小于锤质量的3~5倍。

2 成桩工艺

柱锤冲扩法施工可按下列步骤进行。

(1)清理平整施工场地，布置桩位。

(2)施工机具就位，使柱锤对准桩位。

(3)柱锤冲孔。根据土质及地下水情况可分别采用下述三种成孔方式：①冲击成孔。将 柱锤提升一定高度，自动脱钩下落冲击土层，如此反复冲击至设计成孔深度时，可在孔内填少量粗骨料继续冲击，直到孔底被夯密实。②填料冲击成孔。成孔时出现缩颈或坍孔时，可分次填入碎砖和生石灰块，边冲击边将填料挤入孔壁及孔底，当孔底接近设计成孔深度时，夯入部分碎砖形成扩大端。③复打成孔。当坍孔严重难以成孔时，可提锤反复冲击至设计孔 深，然后分次填入碎砖和生石灰块，待孔内生石灰吸水膨胀、桩间土性质有所改善后，再进 行二次冲击复打成孔。当采用上述方法仍难以成孔时，也可以采用套管成孔，即用柱锤边冲孔边将套管压入土中，直至桩底设计标高。

【例题4】在利用柱锤冲孔时，所谓复打成孔是指( )。

A、 在坍塌孔段投入碎砖及生石灰块，立即冲孔至设计深度;

B、 在坍塌孔段投入碎砖及生石灰块，待坍孔段桩间土性质有所改善后再冲孔至设计深度;

C、当坍孔严重难以成孔时，可提锤反复冲击至设计孔深，然后分次填入碎砖和生石灰块，待孔内生石灰吸水膨胀、桩间土性质有所改善后，再进行二次冲击复打成孔。

D、当正常冲击成孔时，可提锤反复冲击至设计孔深，然后分次填入碎砖和生石灰块，再进行二次冲击复打成孔。

答案：C

(4)成桩。用标准料斗或运料车将拌和好的填料分层填入桩孔夯实。当采用套管成孔 时，边分层填料夯实，边将套管拔出。锤的质量、锤长、落距、分层填料量、分层夯实厚度、夯击次数、总填料量等应根据试验或按当地经验确定。每个桩孔应夯填至桩顶设计标高以上至少0.5m，其上部桩孔宜用原槽土夯封。施工中应做好记录，并对发现的问题及时进行处理。

(5)施工机具移位，重复上述步骤进行下一根桩施工。

起重机具可用起重机、步履式夯扩桩机或其他专用机具设备。此外，成孔和填料夯实的施工顺序，宜间隔进行。基槽开挖后，应进行晾槽拍底或碾压，随后铺设垫层并压实。

1.6 质量检验

1.6.1 施工质量检验

1 施工过程质量

施工过程中应随时检查施工记录及现场施工情况，并对照预定的施工工艺标准，对每根 桩进行质量评定。对质量有怀疑的工程桩，应用重型动力触探进行自检。

2 桩身及桩间土质量检验

冲扩桩施工结束后7~14 d内，可采用重型动力触探进行对桩身及桩间土进行抽样检验，并对处理后桩身质量及复合地基承载力作用评价。检验点数可按冲扩桩总数的2%计。每一单体工程桩身及桩间土总检验点数均不应少于6点。

基槽开挖后，应检查桩位、桩径、桩数、桩顶密实度及槽底土质情况。如发现漏桩、桩位偏差过大、桩头及槽底土质松软等质量问题，应采取补救措施。

【例题5】在进行柱锤冲扩桩施工质量检验时，对于桩身及桩间土的检验，可采用( )。

A、轻型动力触探; B、标准贯入试验; C、中型动力触探; D、重型动力触探;

答案：D

1.6.2 竣工验收

柱锤冲扩桩竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验，载荷试验应在成桩14d后进行;检验数量为总桩数的0.5%，且每一单体工程不应少于3点。

由于桩锤冲扩法主要采用以拆房土为主组成的碎砖三合土，形成的桩体为散体材料桩，桩身密度及单桩承载力因受桩间土影响而较为离散，因此，不宜进行单桩静载试验，而应进行单桩复合地基或多桩复合地基载荷试验。

【例题6】对柱锤冲扩桩复合地基，用载荷试验检验其承载力时应在施工结束后( )天进行。

A、7; B、14; C、21; D、28; 答案：B

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