地基处理与加固

地基处理与加固

姓 名： 专 业： 学 号： 指导老师：

2014年4月

目录

水泥粉煤灰碎石桩法 ..................................................................................................... 1

一、起源.............................................................................................................................. 1 二、原理.............................................................................................................................. 2 1、褥垫层作用 ............................................................................................................... 2 2、桩的作用 ................................................................................................................... 2 三、特点与适用范围 ........................................................................................................ 2 四、设计计算 ..................................................................................................................... 3 五、施工工艺 ..................................................................................................................... 4 六、施工设备 ..................................................................................................................... 7 七、质量检验 ..................................................................................................................... 8 八、工程实例 ..................................................................................................................... 8 1、工程概况 ................................................................................................................... 9 2、场地工程地质情况 .................................................................................................. 9 3、CFG桩复合地基设计 ............................................................................................ 9 4、效果 ............................................................................................................................ 9

柱锤冲扩桩法 .................................................................................................................. 10

一、起源............................................................................................................................ 10 二、原理............................................................................................................................ 11 1、冲击荷载作用分析 ................................................................................................ 11 2、柱锤冲孔的侧向挤密作用 ................................................................................... 11 3、孔内强力夯实的作用机理 ................................................................................... 12 4、填料冲扩的二次挤密效应及嵌入作用 ............................................................. 13 5、桩身填料的物理化学作用 ................................................................................... 13 6、复合地基作用 ........................................................................................................ 14 三、特点与适用范围 ...................................................................................................... 14

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四、设计计算 ................................................................................................................... 15 五、施工工艺 ................................................................................................................... 15 1、成孔作业 ................................................................................................................. 16 2、填料成桩 ................................................................................................................. 16 3、施工注意事项 ........................................................................................................ 17 六、施工设备 ................................................................................................................... 17 七、质量检验 ................................................................................................................... 18 1、检验方法 ................................................................................................................. 18 2、检测时间 ................................................................................................................. 18 3、载荷板试验 ............................................................................................................. 19 4、静力触探 ................................................................................................................. 19 5、其他 .......................................................................................................................... 19 八、工程实例 ................................................................................................................... 19 1、工程概况 ................................................................................................................. 19 2、地质概况 ................................................................................................................. 19 3、地质评价 ................................................................................................................. 20 4、地基加固方案论证 ................................................................................................ 20 5、地基加固设计 ........................................................................................................ 20

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水泥粉煤灰碎石桩法

一、起源

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂等混合料加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起组成复合地基，如图1所示。

图1 CFG桩复合地基示意图

我国从70年代起就开始利用碎石桩加固地基，在砂土、粉土中消除地基液化和提高地基承载力方面取得了令人满意的效果。后来逐渐把碎石桩的应用范围扩大，用到塑性指数较大、挤密效果不明显的粘性土中，以期提高地基的承载能力。然而大量的工程实践表明：对这类土采用碎石桩加固，承载力提高幅度不大。其根本原因在于：碎石桩属散体材料桩，本身没有粘结强度，主要靠周围土的约束来抵抗基础传来的竖向荷载。土体越软，对桩的约束作用越差，桩传递竖向荷载的能力越弱。

CFG桩复合地基试验研究是建设部“七五”计划课题，于1988年立项进行试验研究，并开始应用于工程实践。1992年建设部组织鉴定了CFG桩复合地基试验研究成果，专家们一致认为：该成果具有国际领先水平，推广意义很大。1994年CFG桩复合地基成套技术被建设部列为全国重点推广项目，被国家科委列为国家级全国重点推广项目。1997年被列为国家级工法，并制定了中国建筑科学研究院企业标准，现已列入国家行业标准《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002。为了进一步推广这项新技术，国家投资对施工设备和施工工艺进行了专门研究，并列入“九五”国家重点攻关项目，1999年12月通过国家验收。

该技术已在全国23个省、市广泛推广应用，据不完全统计，该技术已在1000多个工程中应用。和桩基相比，由于CFG桩桩体材料可以掺入工业废料粉煤灰、不配筋以及充分发挥

桩间土的承载能力，工程造价一般为桩基的1/3~1/2，经济效益和社会效益非常显著。

特别是近几年来，该技术已在北方地区的高层建筑地基处理中应用，仅就目前北京和河北地区的不完全统计，已有近300余栋高层建筑地基处理采用了CFG桩加固技术，其中绝大多数为20~30层，31~35层的超高层建筑有15幢。由于CFG桩复合地基技术具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低廉的特点，目前已成为北京及周边地区应用最普遍的地基处理技术之一。

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二、原理

水泥粉煤灰碎石桩是由水泥粉煤灰碎石桩、桩间土和褥垫层构成的一种复合地基。CFG桩和桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作。其加固机理是：当基础承受垂直荷载时，桩和桩间土均会发生沉降变形，桩的变形模量（Es）远比土的变形模量大，也就是桩的变形比土小，桩在受力后向上位移，刺入基础下部设置的一定厚度的褥垫层中，垫层被不断调整并与桩间土良好接触，从而基础通过褥垫层也与桩间土保持良好接触，由此，桩间土与桩协同工作形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载。由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减小，再加上CFG桩不配筋，桩体采用工业废料粉煤灰作掺和料，大大降低了工程造价。CFG桩地基通过改变桩长、桩距、褥垫厚度和桩体混合料配比，可使复合地基承载力幅度的提高有很大的可调性。综合来看，CFG桩复合地基具有沉降变形小、施工简单、造价低、承载力提高幅度大、适用范围较广、社会和经济效益明显等特点，是一种有效的复合地基处理技术，非常适用于高层建筑的地基处理，得到越来越广泛的应用。

1、褥垫层作用

1）调整桩与桩间土之间竖向荷载及水平荷载的分担比例。设置褥垫层后，可以保证基础通过褥垫层的塑性调节作用将部分荷载传到桩间土上，从而达到桩土共同承担荷载的目的。竖向荷载在桩与桩之间的分配比例与置换率、桩类型和褥垫层厚度有很大关系，其中褥垫层厚度是最重要的因素。并在一定条件下，当增加褥垫层的厚度时，在桩顶应力不变的情况下，可以使褥垫层与桩顶接触的局部产生更大的压缩，基础和褥垫层整体向下的位移量和桩间土压缩量便会加大，从而提高了桩间土的荷载分担比例；若减小褥垫层的厚度时，则会提高桩的竖向荷载分担比例。

2）减少和减缓基础底面的应力集中。垫层厚度H=0时，桩对基础底板的应力集中很显著，设计时应考虑桩对基础底板的冲切破坏。随着厚度的增加，应力集中现象越来越不明显，当厚度增加至一定程度，基底反力即为天然地基的反力分布。

2、桩的作用

1）承担基础传来的竖向水平荷载； 2）对地基土产生一定的挤密作用； 3）排水作用； 4）预震作用。

三、特点与适用范围

1）CFG桩单桩的承载力主要来自全桩长摩阻力及桩端承载力，而碎石桩的承载力主要靠桩顶以下有限长度范围内桩周土的侧向约束。同等置换率条件下，使用CFG桩承担的荷载占总荷载比值为碎石桩的1倍～2倍。

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2）CFG桩复合地基承载力提高幅度有较大的可调性，可提高4倍或更多。

3）CFG桩复合地基强度和模量比较均匀，对上部结构受力、受力结构抗震等极为有利。 4）CFG桩复合地基是通过在桩和基础间设置柔性褥垫层，使调整桩土相对变形的问题从根本上得到解决。

5）与素混凝土桩比，CFG桩加固后形成的复合地基不仅能获得较高的承载力（与素混凝土桩相近），同时由于压缩模量增大而显著降低了荷载作用下的变形，使建筑物的沉降短期内趋向稳定。

6）CFG桩复合地基处理比素混凝土桩地基处理费用节约20%～30%，经济效益明显，且利用了“二废”（即粉煤灰和石屑），获得了较好的社会效益。

本工法适用于建（构）筑物基础桩和基坑的支护桩，也可作为复合地基或防水帷幕使用。适用地层为杂填土、素填土、可塑到软塑的粉土、粉质粘土、软土，砂粘土、粉土、卵石层等。采用特殊钻头也可进入强、中风化岩层。不受地下水位的限制，即使在潜水面以下的中粗砂层，由于采用连续压灌混凝土工艺，也能顺利成桩。特别适宜于钻孔桩、沉管桩和静压桩不适宜的易坍塌、扩缩径、流砂、怕扰动的地层、湿陷性黄土等复杂地质条件。

四、设计计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）相关规定有：

1）水泥粉煤灰碎石桩可只在基础范围内布置，桩径宜取350～600mm。

2）桩距应根据设计要求的复合地基承载力、土性、施工工艺等确定，宜取3～5倍桩径。 3）桩顶和基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取150～300mm，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度宜取高值。

4）褥垫层材料宜用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，最大粒径不宜大30mm。 5）水泥粉煤灰碎石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，初步设计时也可按下式估算：

fspkmRa(1m)fsk （1） Ap式中 fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）； Ap——桩的截面积（m2）；

——桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95，天

然地基承载力较高时取大值；

fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取

天然地基承载力特征值。

6）单桩竖向承载力特征值凡的取值，应符合下列规定：

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（1）当采用单桩载荷试验时，应将单桩竖向极限承载力除以安全系数2； （2）当无单桩载荷试验资料时，可按下式估算：

RaupqsiliqpAp （2）

i1n式中 up——桩的周长（m）；

n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi、qp——桩周第i层上的侧阻力、桩端端阻力特征值（kPa），可按现行国家标准

《建筑地基基础设计规范》GB50007有关规定确定； li——第i层土的厚度（m）。

7）桩体试块抗压强度平均值应满足下式要求：

Rfcu3a （3）

Ap式中 fcu——桩体混合料试块（边长150mm立方体）标准养护28d立方体抗压强度平均值

（kPa）。

8）地基处理后的变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同，各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量的倍，值可按下式确定：

fspkfak （4）

式中 fak——基础底面下天然地基承载力特征值（kPa）。

变形计算经验系数s根据当地沉降观测资料及经验确定，也可采用表1中的数值。

表1 变形计算经验系数s Es（MPa） 2.5 1.1 4.0 1.0 7.0 0.7 15.0 0.4 20.0 0.2 s 注：Es为变形计算深度范围内压缩模量的当量值应按下式计算：

EsAAEii （5）

si式中 Ai——第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量值（MPa），桩长范围内的复合土层按复合土层的压缩模量

取值。

9）地基变形计算深度应大于复合土层的厚度并符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007中地基变形计算深度的有关规定。

五、施工工艺

水泥粉煤灰碎石桩的施工，应按设计要求和现场条件选用相应施工工艺，并应按照国家现行有关规范执行：

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（1）长螺旋钻孔灌注成桩，适用于地下水位以上的粘性土、粉土、人工填土地基； （2）泥浆护壁钻孔灌注成桩，适用于粘性土、粉土、砂土、人工填土、碎石（砾）石土及风化岩层分布的地基；

（3）长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩，适用于粘性土、粉土、砂土等地基，以及对噪音及泥浆污染要求严格的场地；

（4）沉管灌注成桩，适用于粘性土、粉土、淤泥质土人工填土及无密实厚砂层的地基。 长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工和沉管灌注成桩施工除应执行国家现行有关规范外，尚应符合下列要求：

（1）施工时应按设计配比配置混合料，投入搅拌机加水量由混合料塌落度控制，长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工的塌落度以为180-200mm，沉管灌注成桩施工的塌落度宜为30-50mm，成桩后桩顶浮浆厚度不宜超过200mm；

（2）长螺旋钻孔、管内泵压混合料成桩施工在钻至设计深度后，应准确掌握提拔钻杆时间，混合料泵送量应同拔管速度相配合，以保证挂内有一定高度的混合料，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料；沉管灌注成桩施工拔管速度应按均匀线速度控制，拔管线速度应控制在1.2-1.5m/min左右，如遇淤泥或淤泥质土，拔管速度可适当放慢；

（3）施工时，桩顶标高应高出设计桩顶标高，高出长度应根据桩距、布桩形式、现场地质条件和成桩顺序等综合确定，一般不应小于0.5m；

（4）成桩过程中，抽样做混合料试块，每台机械一天应做一组（3块）试块（边长为150mm的立方体），标准养护28d，测定其抗压强度；

（5）沉管灌注成桩施工过程中应观测新施工桩对已施工桩的影响，当发现桩断裂并脱开时，必须对工程桩逐桩静压，静压时间一般为3min，静压荷载以保证使断桩接起来为准。

复合地基的基坑可采用人工或机械、人工联合开挖。机械、人工联合开挖时，予留人工开挖厚度应由现场开挖确定，以保障及械开挖造成桩的断裂部位不低于基础底面标高，且桩间土不受扰动。

褥垫层铺设宜采用静力压实法，当基础底面下桩间土的含水量较小时，也可采用动力夯实法。

施工中桩长允许偏差为100mm，桩径允许偏差为20mm，垂直度允许偏差为1%.对满堂布桩基础，桩位允许偏差为0.5倍桩径；对条形基础，垂直于轴线方向的桩位允许偏差为0.25倍桩径，顺轴线方向的桩位允许偏差为0.3倍桩径，对单排布桩桩位允许偏差不得大于60mm。

具体工艺流程如下： 1.测量放样

利用全站仪或GPR定位系统测放出路的中线及边线，再根据图纸桩的布置要求，放出每根桩的桩点，桩点洒白灰标设，并在中心点插上竹签或木桩标示。

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2、桩机就位、对中

钻机定位时，要求把场地平整好，将钻机水平安放，保持钻杆垂直，其垂直度偏差不得大于1.0％，并将钻头对准孔位中心，偏差不能超过50mm，保证钻杆与钻孔方向一致。

3、钻进成孔

根据图纸所示地质图，结合实际钻出的地质情况，随时制定钻机钻进的速度，并控制好电机的电流，同时观察钻杆的垂直度，以防钻杆发生倾斜而导致桩号偏位。在钻进的过程中，一定要详细做好记录。若在钻进过程中发生有异常情况，一定停止，并向上级部门报告进行处理。

4、灌注与拔管

钻至设计标高后，先将钻头提升一定的高度，让钻头滑瓣打开，再进行混凝土的灌注，等混凝土到达孔底后再提升钻杆。绝不能出现先提升钻头就泵料而形成在水中灌注混凝土的情况。而且控制好灌注混凝土的速度，使其灌注速度与提升钻杆的速度相配合，做到灌注与提升两均匀，保证钻头要埋入混凝土内一定深度。若钻头露出混凝土灌注，会出现断桩现象。当遇到有砂土、粉土的地质段，在这些土层内一定要连续灌注，不能出现停工待料的现象，以防出现桩身缩径、断桩和夹泥等情况。灌注长度一定要高于设计桩顶标高，高于设计桩顶的桩体叫保护桩，根据桩顶距地面的高度不同，保护桩长度也不同，一般为50cm～100cm。若桩顶离地面较深，保护桩也灌注得稍长些。

5、排土清运

钻出的泥土要有专人清运，随钻随清，以保证有足够的工作面。 6、桩头的凿除

桩施工完毕并清挖桩间土后，要对桩头进行严格凿除。凿除时切忌不能用大锤直接打击桩头，先用3根钢钎呈120°角两面对称凿掉大部分桩头后，再用小钢钎将桩顶凿平，桩顶一定要水平并清理干净，不能残留浮浆。

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CFG桩施工工艺流程图 测量放线及复核 桩机就位 垂直度控制 钻孔至设计深度 泵送CFG桩混合料 拌和CFG桩混合料 清除弃土 混合料注满后，按规定速度边泵送边提升钻杆至地表 终孔 移位施工下一根桩 六、施工设备

CFG桩施工设备

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 机械设备 名称 长螺旋钻机 高压砼输送泵 双涡砼搅拌机 配料机 电焊机 经纬仪 水准仪 手推车 型号及 规格 ZKL800BD/JKL20 HBT60 JS500 PL1200 BS1-330 ET-02 DSC320 7

额定功率（KW） 200KW 90KW 50KW 30KW 30KW 备注 现场搅拌混凝土时 现场搅拌混凝土时 运输弃土 长螺旋钻机：

（1）型号ZKL800BD，功率200KW，最大成孔深度25米，成孔直径400mm-600mm，公司目前工地常用。这种钻机在基坑内施工时停机作业面要求基坑边距离边桩中心最小距离为1.5米。

（2）型号JKL20，功率200KW，最大成孔深度20米，成孔直径400mm，高压混凝土输送泵：型号HBTS60，输送距离不大于80米。

七、质量检验

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）相关规定有：

1）施工质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、褥垫层厚度、夯填度和桩体试块抗压强度等。

2）水泥粉煤灰碎石桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。 3）水泥粉煤灰碎石桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在施工结束28d后进行。试验数量宜为总桩数的0.5%～1%，且每个单体工程的试验数量不应少于3点。

4）应抽取不少于总桩数的10%的桩进行低应变动力试验，检测桩身完整性。 CFG桩质量检验方法有：

1、低应变反射波法是目前使用较为广泛的低应变动力检测方法，其基本原理是一维杆件的波动理论，通过在桩顶施加激振信号产生应力波，该应力波沿桩身传播过程中，遇到不连续界面（如蜂窝、夹泥、离析、断裂等缺陷）和桩底面时，将产生反射波。

低应变检测就是通过分析反射波的传播时间、幅值、波形特征和频谱等信息来分析基桩的完整性和判定缺陷的程度及位置。

2、单桩竖向抗压静载试验通过在桩顶施加荷载以及观测桩的沉降量来确定单桩竖向的承载力。抗压静载试验能够提供明确的单桩竖向极限承载力标准值的数据，为桩基工程设计的依据。静载试验的加载反力装置可根据现场条件选择锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重联合反力装置、地锚反力装置。加载应分级进行，采用逐级等量加载；分级荷载为最大加载量或极限承载力的1/10，其中第一级取分级荷载的2倍。每级荷载施加后按要求测读沉降量，当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。卸载应分级进行，每级卸载量取分级荷载的2倍，逐级等量卸载。

3、钻芯法采用钻机在符合规范要求的钻孔位置进行钻孔取芯。钻芯法适用于检测混凝土灌注桩的桩长、桩身混凝土强度、桩底沉渣厚度和桩身完整性，判定或鉴别桩端持力层岩土性状。

八、工程实例

CFG桩复合地基技术以其用材经济、施工快捷、加固效果良好等优点，在工程上得到了广泛的应用。经过十多年的研究和推广应用，在我国的基本建设中起到了非常重要的作用，

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就目前掌握的资料，CFG桩复合地基可加固从多层建筑到30层以下的高层建筑，而且加固后效果稳定良好。

1、工程概况

某商住楼由某房地产开发有限公司开发，原设计主楼22层，设一层地下室，地下室垫层顶距相邻多层首层平面高差610m，基础采用人工挖孔扩底桩，基础于2000年施工完毕。2001年4月对该工程进行钻孔抽芯发现，该桩基工程存在严重质量问题，桩基已不能按原设计使用。根据专家鉴定、补勘、静载试验后，决定在考虑利用基桩剩余承载力的基础上充分利用场地的Q3粉质粘土，使用CFG桩对该基础工程进行处理。更改设计后，主楼为一栋25层（主层23层，装饰2层）高层建筑，框剪结构，附楼设计为6层。

2、场地工程地质情况

[1-1]杂填土，结构松散；

[1-2]淤泥质土，饱和，软一流塑状，顶面埋深11.6～41.5m； [2-1]粉质粘土，饱和，软塑状，顶面埋深21.9～61.0m；

[2-2]粉质粘土，饱和，可塑状，局部偏硬塑，顶面埋深41.0～71.9m； [3-1]粉质粘土，饱和，硬塑状，局部偏软塑，顶面埋深3.0～14.1m； [3-2]含砾粘土，饱和，硬塑状，局部可塑，顶面埋深18.4～24.0m；

[4-1]中风化角砾灰岩，裂隙发育，岩石较破碎，具有溶蚀现象，顶面埋深21.8～28.7m； [4-2]微风化角砾灰岩，角砾结构，致密块状结构，岩芯较完整，见轻微溶蚀现象，顶面埋深23.5～33.4m。

3、CFG桩复合地基设计

考虑到CFG桩复合地基承载力较高，压缩模量较大，沉降变形较小，施工安全快捷，工程造价底，设计在原人工挖孔扩底桩间增补四种CFG桩，与桩间土（[2-1]土层或[3-1]土层）形成复合地基。CFG桩复合地基以[3-2]层含砾粘土上部为桩端持力层；选择[2-1]土层或[3-1]土层为基础持力层，[2-1]土层为粉质粘土，饱和，软塑状，承载力标准值fk=90kPa；最小桩间距1.40m（等于315倍桩身直径）；桩身混凝土强度等级C20；垫层厚度为30cm。

4、效果

1、主楼最大沉降10.44mm，相邻两点最大沉降差4.82mm，平均沉降7.72mm，说明沉降很小，且均匀。建筑物在结构完工后，就达到了《建筑变形测量规程》进入稳定状态的要求（速率≤0.04mm/日），以后装修、装璜中其沉降仍然很小，建筑物仍在稳定状态之下。此证明该建筑物地质、基础及建筑质量均较好。

2、附楼最大沉降13.38mm，相邻两点最大沉降差13.34mm，平均沉降4.33mm，其值很小，虽存在微小下沉，但比较均匀。建筑物主体封顶后，也进入了稳定状态。

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柱锤冲扩桩法

一、起源

我国人口众多，土地资源有限，人均耕地仅为世界平均数的1/10。在进行大规模建设时，必须节约和少占耕地，尽量利用各种“不毛”之地，如淤泥、软土、回填土、砂基、垃圾坑、废料堆场以及深厚湿陷性黄土等不良地基。做好各类软弱地基的加固处理，确保各种建筑物建造质量，使其安全而耐久地使用。

在建筑地基处理的技术中，由司炳文高级工程师发明创造的柱锤冲扩桩处理专利技术，能大量消耗建筑及工业垃圾，利用各种无机固体废料进行地基加固处理，减少环境污染，变废为宝。他先后获得了柱锤冲扩桩处理技术、孔内灌注强夯混凝土桩等8项国家发明专利，并获得北京市优秀发明奖和发明家等荣誉称号。

这项建筑地基处理技术受到北京市建筑委员会、环境保护局、科技委员会等领导部门的高度重视。北京市建筑委员会于1994年2月专门组织了专家鉴定会，对这项地基处理技术进行了认知的审查鉴定。会议对这项技术给予很高评价，认为柱锤冲扩桩处理技术具有承载力搞，抗液化能力强，地基沉降变形小的优点，处理后地基的不均匀性得到改善，能充分保证建筑物的安全使用。构思新颖，工艺独特，适合国情，技术水平属国内外首创。该技术有明显的社会和经济效益，有广阔的应用前景，是应重点全面推广的新技术。

此后，这项新技术在大量的工程实践中被广泛应用，同时也是在各种复杂场地技术下对这项技术的适用性、安全可靠性进行检查验证。由于柱锤冲扩桩处理技术的有效性，在许多工程中都取得了成功，受到了广泛赞扬，并且进一步积累了经验和不断改进提高，使其更加成熟。1998年8月16日在西安，由中国标准化协会湿陷性黄土委员会和中国老教授协会土木建筑专业委员会联合组织了同行专家的技术评审会，对柱锤冲扩桩处理技术的新成果、新进展再度进行专家评审鉴定。这项技术成果受到与会专家的一致好评，并给予了充分肯定。会议认为：在1994年北京市建委组织的鉴定会之后，这项技术又先后在数十项地基处理工程中广泛使用，特别是陕西、河南等黄土地区，在大型电厂工程的冷却塔、主厂房、烟囱、高层住宅以及大型储罐等重要工程中的应用，消除了深层黄土地基的湿陷性，大幅度提高了地基承载力，降低了地基压缩性，地基处理效果显著，取得了很大的成功。目前，这项技术更趋成熟、完善，其社会、经济和环境效益更为显著。同时由于它能大量消纳建筑及工业垃圾，变废为宝，也是一项具有绿色工程性质的地基处理技术。鉴定会与会专家一致认为，这是一项成熟技术，可以在全国推广使用。

工程实践证明，柱锤冲扩桩处理技术已在我国建筑工程中发挥了强大的威力，为民造福，为国增光。我们相信，随着这项技术今后在全国更广泛地推广应用，这项具有绿色工程特征的技术瑰宝一定会更加灿烂夺目。

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二、原理

1、冲击荷载作用分析

柱锤冲扩桩法施工中，柱锤对土体的冲击速度可达1~25m/s。这种短时冲击荷载对地基土是一种撞击作用，冲击次数愈多，成孔愈深，累积的夯击能就愈大。柱锤冲扩桩法所用柱锤的底面积小，柱锤底静接地压力值普遍大于100kPa，最高可达500kPa以上；而强夯锤底静接地压力值仅为25~40kPa。

柱锤冲扩桩法柱锤的单位面积夯击能可达600~5000kN·m/m2，与同比条件下强夯比较，是一般强夯单位面积夯击能的10~20倍。用柱锤冲击成孔时，冲击压力远远大于土的极限承载力，从而使土体产生冲切破坏，即孔侧土受冲切挤压，孔底土受夯击冲压，对桩间及桩底土均起到夯实挤密的效应。

柱锤冲孔时，地基土受力情况如图1所示。其中，qs为柱锤作用在孔壁上侧向切应力；Px为冲孔时侧向挤压力；Pd是柱锤冲孔引起的锤底冲击压力，Pd的大小与夯击能、成孔深度、土质等有关。

图1 柱锤冲孔时地基土受力分析

柱锤对土体不仅产生侧向的挤压，而目对锤底的地基土产生冲击压力。柱锤冲扩产生冲击波及应力扩散的双重效应，可使土产生动力密实。对于饱和软土及中密以上土层，由于埋深浅、桩孔周围土层覆盖压力小，冲击压力较大时可能会产生隆起，造成局部土体松动破坏，因此，采用柱锤冲扩桩法时，桩顶以上应有一定覆盖土重。

2、柱锤冲孔的侧向挤密作用

柱锤冲孔对桩间土的侧向挤密作用可采用Vesic（魏西克）圆筒形孔扩张理论来描述。如图2所示，具有初始半径为Ri的圆筒形孔，被均匀分布的内压力Px所扩张。当Px增加时，围绕着孔的圆筒形区将成为塑性区。该塑性区将随着内压力Px的增加而不断的扩张，一直达到最终值Pu为止。当圆筒形孔内压力达到Pu时，冲扩孔的半径为Ru，而孔周围土体塑性区的半径则扩大到Rp，塑性区内土体可视为可压缩的塑性固体，在半径Rp以外的土体仍保

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持为弹性平衡状态。因此，塑性区半径Rp即可看作圆孔扩张的影响半径，其表达式为：

RpRuIrsec （1）

1IrsecIrGE （2） S2(1v)(cqtan)

图2 圆筒形孔扩张理论计算简图

式中Rp为塑性区半径；Ru为扩张孔的半径；Ir为地基土的刚度指标；为塑性区内土体积应变平均值；G为地基土的剪切模量；S为地基土的抗剪强度；E为土的变形模量；v为土的泊松比；q为地基中原始固结压力；c、分别为土粘聚力和内摩擦角。

当塑性区体积应变平均值=0时，塑性区半径Rp的表达式为：

RpRuE （3）

2(1v)(ccosqsin)由式（3）可知，塑性区半径与桩孔半径成正比，并与土变形模量、泊松比、抗剪强度等有关。根据上述理论，在扩张应力的作用下，柱锤冲扩挤压成孔，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，塑性区范围内的桩侧土体产生塑性变形，因此使桩周一定范围内的土层密实度提高。实践证明，柱锤冲扩桩法桩间土挤密影响范围为1.5~2.0d0（d0为冲击成孔直径）。

3、孔内强力夯实的作用机理

在冲孔及填料成桩过程中，柱锤在孔内有深层强力夯实的动力挤密及动力固结作用。在饱和软粘土中动力固结作用尤为突出。桩身的散体材料可起到排水固结的作用。

对于松散填土、粉土、砂土及低饱和度粘性土层等，随着冲孔（自上而下）夯击及填料（自下而上）夯击，桩底及桩间土不断被动力挤密，范围不断扩大。但是，柱锤在不同深度冲扩时，土体的变形模式是不同的。如图3所示，在地面下浅层处，柱锤冲孔夯扩时，土体是以剪切变形为主。随着冲孔深度不断增加，土的侧向约束应力增大，压缩作用逐渐占据上风，而剪切作用就难以发挥出来了。

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图3 柱锤在不同深度冲扩时的土体变形模式

4、填料冲扩的二次挤密效应及嵌入作用

柱锤冲扩桩法在填料夯实挤密过程中，由于夯击能量很大，桩径不断扩大，迫使填料向周边土体中强制挤入，桩间土也被强力挤密加固，即发生二次挤密作用。如成孔直径400mm，桩后桩径d可达600~1000mm，最大可达2.5m，这是其他挤密桩（灰土桩、土桩、砂石桩）所不具备的。

当被加固的地基土软硬不均时，软土层部分成桩直径增大，且会有部分粗骨料挤入桩间土，使桩身与桩间土嵌入咬合、密切接触，共同受力。经过填料夯击二次挤密作用后，柱锤冲扩桩对地基土的加固效果如图4所示。此外，在湿陷性黄土地区，利用螺旋钻引孔，然后填料用柱锤夯扩挤密桩间土，可达到消除湿陷性的目的。

图4 柱锤冲扩桩对地基土的加固效果

5、桩身填料的物理化学作用

在含水量较高的软土地基中，当桩身填料采用生石灰或碎砖三合土时，碎砖三合土中的生石灰遇水后消解成熟石灰，生石灰固体崩解，孔隙体积增大，从而对桩间土产生较大的膨

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胀挤密作用。由于这种胶凝反应随龄期增长，所以可提高桩身及桩间土的后期强度。

6、复合地基作用

柱锤冲扩桩对原有地基土进行动力置换，形成的柱锤冲扩桩具有一定桩身强度，起到桩体效应。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，也可按下式估算。

fspk[1m(n1)]fsk （4）

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为处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，当fak≥80kPa时，可取加固前天然地基承载力进行估算。

三、特点与适用范围

柱锤冲扩桩法地基处理技术和其他技术相比，具有以下突出的特点：

（1）柱锤冲扩桩法能够用于各种复杂地层的加固处理，适用于各类软弱土地基。特别是对人工填筑的沟、坑、洼地、浜塘等欠固结松软土层和杂填土的处理，更显示出特有的优越性；

（2）冲击成孔与补充勘察相结合，可发现工程勘察中没有探测到的局部软弱土层，消除工程隐患；

（3）桩身直径随土的软硬自行调整，土软处桩径大，桩身成串珠状，与桩间土呈咬合抱紧的镶嵌挤密状态，使处理后的地基均匀密实；

（4）用料广泛，桩身填料可以采用各种无污染的无机固体材料，设计可依据工程需要及材料来源就地取材；

（5）柱锤冲扩桩复合地基施工过程使用的设备简单，便于控制。由于锤底面积小，锤底静接地压力大，所以采用低能级夯击可以达到中能级至高能级夯击的效果；

（6）工程造价低，与混凝土灌注桩相比，一般可减少地基处理费用50%以上。当采用渣土、碎砖三合土作为桩身填料时，可以大量消耗建筑垃圾，减少污染、保护环境，经济及社会效益好；

（7）柱锤冲扩桩法因柱锤底面积小，所以冲孔夯击以冲切为主，振动很小。填料夯实在孔内进行时振动也不大，但是在桩顶填料夯实成桩时，会有轻微振动及噪声。在饱和软土地区施工时，由于孔隙水应力来不及消散，成桩时会发生隆起，造成邻桩位移上浮及桩间土松动，从而影响表层加固效果，设计施工时应采取必要措施。

柱锤冲扩桩法适用于处理杂填土、粉土、粘性土、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。地基处理深度不宜超过6m，复合地基承载力特征值不宜超过160kPa。

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四、设计计算

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）相关规定有：

1）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。

2）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。

3）桩径可取500~800mm，桩孔内填料量应通过现场试验确定。

4）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，应深达相对硬上层；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，应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011的有关规

定确定。

5）在桩顶部应铺设200~300mm厚砂石垫层。

6）桩体材料可采用碎砖三合土、级配砂石、矿渣、灰土、水泥混合上等。当采用碎砖三合上时，其配合比（体积比）可采用生石灰︰碎砖︰粘性土为l︰2︰4。当采用其他材料时，应经试验确定其适用性和配合比。

7）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（5）估算，公式中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；fspk为处理后桩问土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。

fspk[1m(n1)]fsk （5）

8）地基处理后变形计算应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007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（6）估算，公式中Esp为复合土层的压宿模量（MPa）；Es为加固后桩间土的压缩模量（MPa），可按当地经验取值。

Esp[1m(n1)]Es （6）

9）当柱锤冲扩桩处理深度以下存在软弱下卧层时，应按现行国家标准《建筑地

基基础设计规范》GB50007的有关规定进行下卧层地基承载力验算。

五、施工工艺

柱锤冲扩桩施工流程为：平整场地→桩位放线→桩机就位→成孔→填料夯实成桩→桩机移位。

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柱锤冲扩桩施工工艺流程图

1、成孔作业

柱锤冲扩桩法可采用冲击、跟管和螺旋钻进等方法进行成孔作业。对于冲击成孔可采用以下工艺。

（1）冲击成孔：适用于地下水位以上不坍孔土层。成孔时将柱锤提升一定高度，自动脱钩（孔深度不大于4m）或用钢丝绳吊起下落冲击土层，如此反复冲击，接近设计成孔深度时，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：成孔时出现缩径或坍孔时，可分次填人碎砖和生石灰块，边冲击边将填料挤人孔壁及孔底，当孔底接近设计成孔深度时，夯入部分碎砖挤密桩端土。

（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。

2、填料成桩

（1）选择成桩方法

进行桩身填料前孔底应夯实；当孔底土质松软时可夯填碎砖、生石灰挤密。依据成孔方法及采用的施工机具不同分为以下4种桩体施工方法。

1孔内分层填料夯扩：○采用柱锤冲孔或螺旋钻引孔达到预定深度以后，可在孔底填料夯

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实，然后在孔内自下而上分层填料夯扩成桩。

2逐步拔管填料夯扩：当采用跟管成孔达到预定深度以后，可采用边填料、边拔管、边○

由柱锤夯扩的方法成桩。

3扩底填料夯扩：○当孔底地基土层较软时，可在孔底进行反复填料夯扩形成扩大端。待

孔底夯击贯入度满足要求时，再自下而上分层填料夯扩成桩。

4边冲孔边填料、柱锤强力夯实置换法：对于过于松软土层（厚度3m），当采用上述○

方法仍难以成孔及填料成桩时，可采用边冲孔边填料、柱锤强力夯实置换法。

（2）夯填要求

用标准料斗或运料车将拌合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、分层夯填度、夯击次数、总填料量等应根据试验或按当地经验确定。一般填料充盈系数不宜小于1.5；如密实度达不到设计要求，应空夯夯实。每个桩孔应夯填至桩顶设计标高以上至少0.5m，其上部桩孔宜用粘土夯封。

3、施工注意事项

（1）当试成桩孔时发现孔内积水较多且坍孔严重，应采取措施降低地下水位。 （2）柱锤冲扩垃圾桩的材料配合比应根据设计要求由试验确定。建议桩体材料体积配合比为生石灰：拆房土：碎砖=1B4B2。对于地下水位以下的流塑状松软土层，宜适当加大碎砖及生石灰用量。

（3）出现缩颈和坍孔时，可采取分次填碎砖和生石灰。边冲击边将填料挤入孔壁及孔底时，柱锤的落距应适当降低，冲孔速度也应适当放慢，使碎砖和生石灰与孔内松软土层强行拌合。

（4）当采用填料冲击成孔或二次复打成孔仍难以成孔时，也可以采用套管跟进成孔，即用柱锤边成孔边将套管压入土中，直至桩底设计标高。

（5）施工质量关键在于桩体密实度，即分层填料量、分层夯填度及总填料量的控制，施工前应根据试成桩及设计要求的桩径和桩长进行确定。每分层成桩厚度的充盈系数应大于1.5（或设计要求）。

（6）柱锤冲扩桩法夯击能量较大，易发生地面隆起，造成表层桩和桩间土出现松动。因此成孔及填料夯实的施工顺序宜间隔进行。当）侧毗邻建筑物时，应由毗邻建筑物向另外一方向施打。

六、施工设备

（1）柱锤：柱锤直径：宜用直径300~500mm、长度2~6m、质量1~8t的柱状锤（柱锤）进行施工，柱锤规格详见表2“柱锤明细表”。

柱锤可用钢材制作或用钢板为外壳内部浇注混凝土制成，也可用钢管为外壳内部较铸铁制成。为了适应不同工程的要求，钢制柱锤可制成装配式，由组合块和锤顶两部分组成，使

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用时用螺栓连成整体，调整组合块数（一般0.5t／块），及可按工程需要组合成不同质量和长度的柱锤。锤型选择应按土质软硬、处理深度及成桩直径经试成桩后加以确定，柱锤长度不宜小于处理深度。

（2）起重机具：升降柱锤的设备可选用10~30t自行杆式起重机、步履式夯扩机或其他专用机具设备。起重能力应通过计算（按锤质量及成孔时土层对柱锤的吸附力）或现场试验确定，一般不应小于锤质量的3~5倍。

（3）脱钩器：要求有足够强度，起吊时不产生滑钩；脱钩灵活，能保持夯锤平稳下落，同时挂钩方便、迅速。

（4）填料设备：一般采用运料车、装载机等。

（5）检测设备：超重型或重型圆锥动力触探、静力载荷试验或轻便触探等设备以及土工常规试验仪器。

七、质量检验

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）相关规定有：

1）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）冲扩桩施工结束后7~14d内，可对桩身及桩间土进行抽样检验，可采用重型动力触探进行，并对处理后桩身质量及复合地基承载力作出评价。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。

3）柱锤冲扩桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验。

4）检验数量为总桩数的0.5%，且每一单体工程不应少于3点。载荷试验应在成桩14d后进行。

5）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。

1、检验方法

目前国内应用较普遍的方法是载荷板试验和静力触探，少数单位采用过十字板剪切试验、动探（标贯）法。经验尚不成熟的地区可同时采用载荷板试验和静力触探（或动探、轻便触探）等方法，待积累到较多的数据足以求得两种方法判定复合地基承载力的相关关系以后，即可以静力触探或轻便触探中的一种方法进行检测。

个别土质特殊或重要工程，根据设计要求还要取桩、土样进行有关的试验。

2、检测时间

对已有测试资料的分析表明，石灰桩成桩约28d后，复合地基已基本趋于稳定，定28d作为检测龄期是适宜的。

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3、载荷板试验

一般应作单桩复合地基载荷板试验，有条件或有要求时最好进行群桩复合地基载荷试验，以便对比分析。

单桩复合地基的压板大小应等于单桩单元面积，群桩复合地基的压板大小亦为相应各桩单元面积之和。

天然地基承载力以载荷板沉降值s=（0.015~0.02）B来控制。鉴于石灰桩复合地基Q-s曲线无明显拐点，地基土不出现剪切破坏现象，具有较大的安全度，经处理的复合地基均匀性较好。基于这一特性，除了一级建筑物以及规范规定需作沉降验算的二级建筑物外，其余建（构）筑物的地基还可以在保证正常安全使用的条件下将沉降变形限制适当放宽，但必须符合规范规定的建筑物地基变形允许值，由此可带来比较明显的经济效益。

4、静力触探

用静力触探来确定石灰桩复合地基的加固效果是较简捷的方法。它要求通过与载荷试验或建筑物实测数据的对比，得出桩、土ps值与复合地基承载力fsp及压缩模量Esp值的关系。

静力触探应在地基加固区的不同部位随机抽样进行测试，抽样桩数约为总桩数的1%~2%，并不宜少于8根。每根桩分别触桩身、桩间土各一点，深度应大于桩长。如有异常情况，应增加测点并判明原因（如探头是否偏出桩体等）。

当承载力未达到设计要求时，应在基础施工前予以补桩或修改设计。

5、其他

（1）基础开挖至设计标高后，有关单位应会同验槽，进一步确认石灰桩和建筑渣土桩施工质量。

（2）基础施工过程中，应及时设计沉降观测点，见识建筑物施工及一定使用期内的沉降情况。

八、工程实例

1、工程概况

北京昌平区南环路是连接昌平新、老城区的一条东西向重要干道，起着新、旧城区交通联系的纽带用，该道路规划为城市主干道。

2、地质概况

（1）土层分布状况

根据地勘报告，该段道路工程的建筑场地位于东沙河洪积扇中上游，地基土可分为人工填土、新近沉积土和第四纪沉积土三大类。其中道路桩号0+250~0+401.54之间分布两个较深填土坑，均为北端窄、南端宽，其中0+250~0+320填土坑宽50~60m，最大深度10.7m，主要成分为房渣土，其次为杂填土，房渣土回填时间不超过3a。0+350~0+400之间填土坑宽40~60m，其中最厚处达14m，南部以杂填土为主，北部以放渣土为主，填土坑的回填时间

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长的约10a，短的不到3a，成分不均匀，密实度也不均匀。

（2）水文条件

本次勘察只见一层地下水，静止水位埋深9.7~11.8m，静止水位标高45.60~46.21m，属潜水。

3、地质评价

根据地勘报告看，道路所经填土坑为近年填筑，土基的强度和密实度都不能满足道路路基填筑要求，因此需要进行地基处理。

4、地基加固方案论证

根据地质勘察结果，参照道路工程路基设计的相关要求，需对建筑渣土坑进行处理。经论证，处理方式主要有换填、强夯和柱锤冲扩桩法，下为对各种处理方式的比较。

各种地基加固方案比较表

施工方法说明

换填法

须将路基范围内的建筑渣土清楚，然后回填天然砂砾，并分层压实至现况路

面

土方工程量大，建筑渣土无法消纳，施工受天气影响大，地基处理费用高

比较方案

强夯法

为保证强夯效果，先平整场地并清表1.5m，采用夯锤对建筑

渣土进行夯击

地基处理简洁，施工快速，工程费用低，但是强夯带来的震动问题使其使用受到限制

比较方案

柱锤冲扩桩法 采用柱锤成孔，填料夯击对建筑渣土进行压

实和挤密 施工快捷，震动影响小，建筑渣土全部消纳，地基处理费用较低

推荐方案

方案比较 备注

综合考虑道路施工条件，最后地基加固采用柱锤冲扩桩法。

5、地基加固设计

（1）加固计算

按照道路工程相关规范的要求以及道路设计填方高度情况，确定该工程处理后的复合地基承载力特征值按照≮120kPa，沉降控制在5cm以内。

根据《建筑地基处理技术规范》，复合地基承载力特征值fspk为：

fspk[1m(n1)]fsk[10.12(41)]90122.4(kPa)

根据《建筑地基处理技术规范》，复合地基土层压缩模量Es为：

Esp[1m(n1)]Es[10.12(41)]68.16(MPa)

由此求得，复合地基总沉降量为3.95mm。 （2）加固设计

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根据勘察报告，地基浅部主要为回填土，成分主要为杂填土和建筑垃圾，天然地基承载力标准值建议为90~110kPa，承载力较低，为欠压密状态。

结合拟建场地的工程地质条件，考虑机械施工能力和处理效果，设计方案为： 1） 桩体基本按等边三角形布桩，间距1.5m×1.5m（桥台背后前四排桩间距1.4m×

1.4m）；

2） 平整场地至原现况地面标高，桩长8m，会填土层不足8m时，打到原状土即可； 3） 桩截面形状为圆形，施工直径550mm； 4） 桩体采用粒径<8cm的级配碎石充填夯实。

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