土力学与基础工程第九章

第5章地基处理5.1概述一、地基处理的目的（1）改善地基的剪切性能、提高地基承载力及其稳定性。（2）改善地基的变形性质、减少其沉降及不均匀沉降变形量。（3）改善地基的渗透性、加强其渗透稳定性。（4）改善地基的动力特性、提高其抗震性能。（5）改善地基的不良特性、满足其工程的需要。•二、处理对象•淤泥和淤泥质土、软粘土、人工填土、细粉砂土和粉土、湿陷性土、有机质土和膨胀土、多年冻土、岩溶、土洞和山区地基等1、淤泥土与淤泥质土•淤泥土与淤泥质土简称软土•淤泥:孔隙比e1.5,wwl(Il1.0)•淤泥质土:孔隙比e=1.0~1.5,wwl(Il1.0)•土性•*高含水量=40~90%甚至100%•*高压缩性a0.5~3.0MPa-1•*高流变性:次固结量随时间增加•*低强度Cu30kPa•*低渗透性10-6~10-8cm/s，固结过程长杂填土：建筑垃圾，卫生填埋，不均匀，不稳定冲填土：细、欠固结泥炭,泥炭质土：泥炭e1.5,wwl(Il1.0)，有机含量30%泥炭质土e=1.0~1.5,wwl(Il1.0)，有机含量10-30%*强度低、压缩性很大2、粉细砂、粉土和粉质土：易震陷、液化3、砂土、砂砾石等：透水性大、抗渗、防止管涌和流土4、其他类土湿陷性黄土：消除湿陷膨胀土：胀缩性红粘土：特殊结构性岩溶：塌陷地基处理方法的分类可有多种多样。如：按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按处理土性对象可分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理；按地基处理作用机理可分为置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋等处理方法。其中最本质的是根据地基处理作用机理进行分类，其具体分类以及加固原理、适用范围见表5-1。三、地基处理方法分类及应用范围三、地基处理方法分类及应用范围•1）换土垫层法•2）振密、挤密法•（1）表层压实法；（2）重锤夯实法；（3）强夯法；（4）振冲挤密法；（5）土桩与灰土桩法；（6）砂桩；（7）爆破法•3）排水固结法•（1）堆载预压法；（2）砂井法；（3）真空预压法；（4）降低地下水位法；（5）电渗排水法•4）置换法•（1）振冲置换法（碎石桩法）；（2）石灰桩法；•（3）强夯置换法；（4）水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法）•5）加筋法•（1）土工聚合物；（2）加筋土；（3）土层锚杆；•（4）土钉；（5）树根桩法•6）胶结法•（1）灌浆法；（2）高压喷射注浆法；（3）水泥土搅拌法•7）其他处理法•（1）冻结法；（2）托换法（3）纠倾技术四、地基处理方法选用原则•技术先进、经济合理、安全适用、确保质量•地基条件•处理要求（处理后地基应达到的各项指标、处理的范围、工程进度等）•工程费用•材料、机具来源选择地基处理方法步骤•（1）根据上部结构及建筑场地条件和环境，初步选定几种可供考虑的处理方案；•（2）对初步选定的各种地基处理方案进行综合分析，进行技术经济分析和对比，确定最佳的地基处理方案；•（3）对已确定的地基处理方案，在有代表性的场地上进行相应的现场试验或试验性施工及必要的测试，以期达到最佳处理效果。5.2垫层法•5.2.1概述•1）垫层法定义•当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为垫层法。深厚软土深厚软土软土地基沉降太大、强度不足垫层法地基处理过程示意2）垫层的类型•按常用的垫层材料，可分为•砂垫层•碎石垫层•素土垫层•灰土垫层3）换土垫层的作用•（1）提高持力层的承载力；•（2）减少沉降量；•（3）加速软弱土层的排水固结；•（4）防止冻胀；•（5）消除膨胀土的胀缩作用。•1）垫层厚度的确定•垫层的厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：••式中－－相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；•－－垫层底面处土的自重压力值（kPa）；•faz－－垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。•垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。5.2.2垫层设计（以砂垫层为例）zazzczfczczb回填土b’=b+2ztandzCZ用试算法确定垫层的厚度z（1）初定z为1~2m；（2）计算；、（3）按式验算；若不满足要求，则重新取值，直到满足要求为止。zczzczazf垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算：•式中b－－矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；•l－－矩形基础底面的长度（m）；•pk－－相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；•－－基础底面处土的自重压力值（kPa）；•z－－基础底面下垫层的厚度（m）；•θ－－垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时，可按下表采用。()(2tan)(2tan)kcdzblpbzlz()2tankcdzbpbz条形基础矩形基础cd注意垫层厚度的确定仅考虑了应力扩散的作用，忽略了垫层约束作用和排水固结对地基承载力提高的影响，所以实际的承载力比考虑深度修正后的天然地基承载力大。对重要工程，建议通过现场载荷试验来确定。•2）垫层宽度的确定•要求：满足基础底面应力扩散的要求防止垫层向两侧挤压。常用经验的扩散角法按下式确定：垫层底宽垫层顶宽－－开挖坡度确定（便于压实机械施工、防侧向挤压(淤泥)）•垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。2tanbbz3）地基变形计算采用换填法对地基进行处理后，由于垫层下软弱土层的变形，建筑物地基往往仍将产生一定的沉降量及差异沉降量。因此，在垫层的厚度和宽度确定后，对于重要的建筑物或垫层下存在软弱下卧层的建筑物，还应进行地基的变形计算。换土垫层后的建筑物地基沉降由垫层自身的变形量和下卧土层的变形量两部分所构成，即式中—基础沉降量(cm)；—垫层自身变形量(cm)；—压缩层厚度范围内，自垫层底面算起的各土层压缩变形量之和(cm)。sss12ss1s2•4）垫层材料的选用•（1）砂石。宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45％），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂时，应掺入不少于总重30％的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。•（2）粉质粘土。土料中有机质含量不得超过5％，当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。•（3）其他材料如灰土、粉煤灰、矿渣等。在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。也可由土工合成材料与地基土构成加筋垫层。•注意：砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基5）垫层施工要点•（1）关键是如何将砂土加密到设计要求的密实度。加密方法可采用机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。应根据不同的换填材料选择施工机械。•（2）分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200～300mm。（3）基坑开挖时应避免坑底土层受扰动。（4）作好基坑的排水工作，必要时应采取降低地下水位的措施。采用振实时，应保证水源补给与排水畅通，水面宜保持与砂面齐平。可用作垫层的材料很多，除砂和碎石外，还有素土、灰土垫层，以及粉煤灰垫层等。国外还在垫层中铺设塑料网片（加筋）来提高垫层的强度。5.3排水固结法•1、排水固结法加固原理•对天然地基，或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。排水固结压缩与强度变化图te2epze1s预压原理：原位自重应力s，建筑物附加应力z,预加压力t=(1.2~1.5)z变形强度超固结土正常固结•排水固结法可解决以下两个问题•（1）沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。•（2）稳定问题。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。•排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。•2、排水固结法排水和加压体系•排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成。1）排水系统水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。2）加压系统即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。•工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是堆载法，此外，还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法。竖向排水体的原理（a）竖向排水（b）砂井地基排水粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比3、排水固结法的设计•排水固结法的设计：主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小和预压时间，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。砂井布置图(a)剖面图(b)正方形布置(c)梅花形布置(d)砂井排水预压方法（1）堆载预压（2）降水预压增加有效应力（3）真空预压密封层基坑降水预固结设计坑底坑底降水深度D坑底降水线板桩’z降水预压z真空预压密封层’-u思考降水预压和真空预压不会引起土体破坏，堆载预压则可能由于速度太快而造成地基破坏，为什么？用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散来增加有效应力的方法，降低地下水位和电渗排水法是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，该压力差首先作于于孔隙水和气上，使水气排出而有效应力增加，从面粘土层产生固结压力。降低地下水位、真空预压和电渗法由于通过减小水气压力的作用增大有效应力，水气压力各方向相等，因此大小主应力增量一致，莫尔圆的直径不增加而应力圆整体右移，更远离强度线，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。堆载法如果加荷快，总应力增加，大小主应力增量不一致（侧压系数小于1，小主应力增量小于大主应力增量），应力圆扩大，不固结不排水剪强度为水平直线，不能承受更大的应力圆作用。因此而破坏。5.6强夯法•1.强夯法概念•强夯法是法国人L.梅纳（Menard，1969）首创的一种地基加固方法，即用10～40吨重锤从8～20m的高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。•2.强夯法适用条件•强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。排洪沟ZX154253.469.13-244.3313.85-239.6115.37-238.0911.21-242.25ZX145253.219.56-243.6510.67-242.5412.84-240.3715.87-237.3410.67-242.54±0.00=259.003.加固效果：经强夯后地基的承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200％～500％，影响深度10m以上。4.强夯机理:强大的夯击能在地基中产生强烈的应力波和动应力对土体作用的结果。波土中能（1）使土孔隙压密，土体局部液化（2）夯点周围产生大量裂缝，良好排水通道（3）各种颗粒成分在结构上重新排列转化传入5.设计•（1）有效加固深度•Menard曾提出用下列公式估算有效加固深度••式中X－－有效加固深度（m）；•M－－夯锤质量（t）；•h－－落距（m）；•m－－修正系数，根据不同土类选用。•影响有效加固深度的因素除夯锤重和落距外，还有单击夯击能、夯击次数、锤底单位压力、地基土的性质、不同土层的厚度、埋藏顺序和地下水位等。对于同一类土，采用不同能量夯击时，其修正系数并不相同，采用确定的修正系数，并不能得到满意的结果。因此《建筑地基处理技术规范》不采用修正后的梅纳公式，而是采用了表格形式，建议了有效加固深度的取值范围