基础工程之地基处理

1第5章地基处理5.1概述5.2垫层法5.3排水固结法5.4深层水泥搅拌法5.5高压喷射注浆法5.6强夯法5.7振冲法《基础工程》早在二千年前就已采用了软土中夯入碎石等压密土层的夯实法；灰土和三合土的垫层法，也是我国古代传统的建筑技术之一；我国古代在沿海地区极其软弱的地基上修建海塘时，采用每年农闲时逐年填筑，即现代堆载预压法中称为分期填筑的方法，利用前期荷载使地基逐年固结，从而提高土的抗剪强度，以适应下一期荷载的施加，这就是我国古代劳动人民在软土地基上从实践中积累的宝贵经验。一、地基常见问题二、地基处理对象三、地基处理目的四、地基处理定义五、地基处理方法5.1概述一、地基常见问题包括以下五个方面：1．地基强度及稳定性问题：地基的抗剪强度不足引起局部或整体剪切破坏。2．压缩及不均匀沉降问题：引起开裂。3．渗漏问题：大坝地基，基坑开挖降水，防洪…4．液化问题：地震、机器、车辆的振动以及波浪作用和爆破等动力荷载可能引起地基土，特别是饱和无粘性土的液化、失稳和震陷等危害。5.特殊土地基问题：比如黄土湿陷、膨胀土涨缩、岩溶塌陷等。加拿大特朗斯康谷仓，建于1913年。高31m，宽23m，片筏基础。由于事前未探明有厚达16m的软土层，建成储存谷物后，西侧突然陷入土中8.8米，东侧抬高1.5m，仓身倾斜27o。地基强度不够失事的谷仓路基滑坡由于路基下伏软土地基，因其强度不够而导致路基滑坡。因地基不均匀沉降导致墙体开裂地基沉降变形因其路面开裂大坝渗漏渗漏产生的问题：1）蓄水水位下降；2）产生流土、管涌，大坝失事地面塌陷路基路面塌陷岩溶塌陷引起桩基折断1.软弱地基淤泥及淤泥质土地基，即软土地基冲填土地基人工填土地基高压缩性土地基2.不良地基湿陷性黄土地基、膨胀土地基、季节性冻土地基、岩溶地基、松砂土地基二、地基处理对象软弱与不良地基软土杂填土冲填土饱和松砂湿陷黄土膨胀土有机质土山区土岩溶软弱地基在附加应力影响范围内主要受力层由软土组成，则为软弱地基。一般由软弱土组成，软弱土指淤泥、淤泥质土、某些冲填土以及其他高压缩性土。1）淤泥和淤泥质土是在静水或缓慢流水的环境中沉积，并经生物化学作用而形成，是具有特殊性质的粘性土。具有高含水率，高孔隙比，高压缩性、抗剪强度低，触变性和流变性等不良特征。2）冲填土冲填土是在疏浚河流或港口航道时，认为地由水力冲填泥砂形成的填土。它的颗粒组成随泥砂来源而变，多为粘粒和粉粒，其次为砂粒。冲填土当粘粒含量较多时往往是欠固结的，其强度和压缩性都比天然沉积的同类土差。3）杂填土主要是人类在生产和生活活动中，堆填建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等杂物形成的填土。这些土的组成物质中，建筑垃圾性能较为稳定，工业垃圾遇水会发生变化；生活垃圾成分极为复杂，混合不均匀。杂填土性质与堆填年龄有关，填龄较短者往往是欠固结，一般填龄达到五年左右的杂填土，性质才逐渐趋于稳定。杂填土大多疏松且不均匀，在同一场地的不同位置，其承载力和压缩性往往有较大差异。4）其他高压缩性土饱和松散粉细砂(包括部分粉土)也应属于软弱地基范畴。其在动力荷载(机械振动、地震等)重复作用下将产生液化；基坑开挖时也会产生管涌。不良地基主要受力层由具有特殊工程性质的土层组成，这些土层包括：湿陷性黄土、膨胀土。1）湿陷性黄土在我国西北和华北地区分布很广，其颗粒以粉粒为主，颗粒间主要由碳酸盐、硫酸盐和氯化物等可溶性盐逐渐浓缩、沉淀形成的胶结物所胶结，孔隙比在1.0左右。天然黄土强度一般很高，能直立成壁，压缩性也较低。但遇水后，由于水膜增厚和颗粒间盐类胶结物质溶于水而使土的结构破坏，从而突然发生显著的沉陷，强度也迅速降低。2）膨胀土天然状态下强度很高，压缩性较低。但由于其粘粒含量很高，且矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，胀缩性显著，吸水膨胀失水收缩，反复作用强度降低，不均匀变形较大，引起上部建筑物开裂。3）山区土岩组合地基三、地基处理目的1．增加地基土的剪切强度；2．降低地基土的压缩性；3．改善地基的透水特性；4．改善动力特性（抗液化，抗震）；5．改善特殊土的不良地基的特性；主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀缩性等特殊土的不良地基特性。对于不能满足强度、变形和稳定性等要求的问题地基，必须经过人工改良或加固后才能使用，这种改良和加固，就称地基处理。四、地基处理定义换土垫层法：密实法：表层密实法、重锤夯实法、强夯法、阵冲挤密桩法、土（灰土、二灰土)桩法、夯实水泥土桩法等置换法：碎石桩法、石灰桩法、CFG桩法胶结法：静压注浆法、高压喷射注浆法、水泥土搅拌法排水固结法：堆载预压法、真空预压法、降低地下水法等加筋法：土工织物法、加筋土法、土锚、土钉、树根桩法五、地基处理方法密实法是借助于机械、夯锤或爆破产生的振动和冲击使土的孔隙比减小，或在地基内打砂桩、碎石桩、土桩或灰土桩，挤密桩间土体而达到处理目的。其中主要有重锤夯实法、强夯法、振冲挤密法以及砂桩、土桩或灰土桩挤密法等，可用于处理无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄土等地基，但振冲挤密法的适用范围一般只限于砂土和粘粒含量较低的粘性土。置换法是用砂、碎石、矿渣或其它合适的材料置换地基中的软弱或不良土层，夯压密实后作为基底垫层，或用上述材料填筑成一根根桩体，由桩群和桩间土组成复合地基，从而达到处理目的。常用于处理软弱地基。从经济合理考虑，开挖置换法一般适用于处理浅层地基（深度通常不超过3m）。胶结法是靠压力传送或利用电渗原理，把含有胶结物质并能固化的浆液灌入土层，使其渗入土的孔隙或充填土岩中的裂缝和洞穴中，或者把很稠的浆体压入事先打好的钻孔中，借助于浆体传递的压力挤密土体并使其上抬，达到加固或处理目的。其适用性与灌浆方法和浆液性能有关，一般可用于处理砂土、砂砾石、湿陷性黄土及粘性土等地基。排水固结法是采用预压、降低地下水位、电渗等方法促使土层排水固结，以减少地基的沉降和不均匀沉降，提高承载力。主要用于处理软弱粘性土地基。加筋法是在土中埋设土工聚合物（即土工织物）或拉筋，形成加筋土或各种复合土工结构，或沿不同方向设置直径为75mm-250mm的桩，形成树根状桩群，即所谓树根桩，以减小地基沉降，提高地基承载力或增强土体稳定性。土工聚合物还可起到排水、反滤和隔离作用。在地基处理中，加筋法可用于处理软弱地基。换填法垫层设计垫层材料工艺控制适用范围淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土垫层厚度，垫层宽度砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰、矿渣、工业废渣、土工合成材料分层夯实，控制含水量5.2垫层法一、垫层法的概念当建筑物基础下持力土层比较软弱，不能满足设计荷载或变形的要求时，常在地基表面铺设一定厚度的垫层，或者把表面部分软弱土层挖去，置换成强度较大的砂石素土等，处理地基表层，这类方法称为垫层法。二、垫层法的分类按其组成材料分为：砂垫层、碎石垫层、灰土垫层和加筋土垫层。按垫层在地基中的主要作用又分为：换土垫层、排水垫层和加筋土垫层。5.2.1垫层的作用1．提高地基承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面开始，随着基底压力的增大，逐渐向纵深发展。故强度较大的砂石等材料代替可能产生剪切破坏的软弱土，就可避免地基的破坏。2．减少地基沉降量。3．垫层用透水材料可加速软弱土层的排水固结。固结效果仅限于表层，对深部的影响并不显著。4.防止冻胀。5.消除膨胀土的胀缩性。三、垫层法的作用换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层处理。常用于轻型建筑、地坪、堆料场地和道路工程等地基处理。当建筑物荷载不大，软弱土层厚度较小时，采用换填垫层法能取得较好的效果。四、垫层法的适用范围垫层设计的主要内容是确定断面的合理宽度和厚度。设计的垫层不但要求满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。1．垫层厚度的确定垫层的厚度必须满足如下要求：当上部荷载通过垫层按一定的扩散角传至下卧软弱土层时，该下卧软弱土层顶面所受的自重力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的地基承载力设计值，如图5-1所示。其表达式为：5.2.2换土垫层的设计zczazftan2tan2cdkzzbzlplbtan2zzbpbcdk图5-1砂垫层剖面图对于条形基础：对于矩形基础：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——基础底面压力（kPa）；z——基础底面下垫层的厚度（m）；θ——垫层的压力扩散角（°）;cd——基础底面处土的自重压力。一般砂垫层的厚度约为1-2m左右。砂垫层厚度一般不宜大于3m，太厚施工困难，也不宜小于0.5m，太薄则换土垫层的作用不显著。关于垫层宽度的计算，目前还缺乏可行的理论方法，在实践中常常按照当地某些经验数（考虑砂垫层两侧土的性质）或按经验方法确定。常用的经验方法是扩散角法。此时矩形基础的垫层底面的长度l′及宽度b′为：l′≥l+2ztgθb′≥b+2ztgθ式中b′、l′——垫层底面宽度及长度；θ——垫层的压力扩散角，仍按表5-2取值。条形基础则只计算垫层底面宽度b′。2．砂垫层底面尺寸的确定砂垫层法需注意的问题：考虑到工程质量，不应该用浅的垫层来解决加固上部荷载较大、深厚软土的地基问题，在地震区使用砂垫层也应慎重考虑，另外砂垫层法不能解决由于上部荷载不均匀而产生的不均匀沉降。垫层顶面每边最好比基础底面大300mm，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡延伸至地面。整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。当垫层的厚度、宽度和放坡线确定后，即得砂垫层的设计断面。3.砂石垫层的施工及质量检验1）砂石垫层施工材料要求：一般采用级配良好、质地坚硬的粒料，颗粒的不均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，可掺入一定量的碎石，但要分布均匀。细沙也可作为垫层材料，但不易压实且强度不高，使用时一般掺入一定数量的碎卵石。含泥量和水稳定性不良的砂料必须限制在一定范围之内。在满足垫层材料要求后，尚应注意以下垫层施工要点：（1）应注意将砂加密到要求的密实度，这是保证砂垫层质量和承载力的关键。要求采用适合的加密方法，采用分层铺砂，然后逐层振密。分层厚度视振动力的大小而定，一般为15-20cm之间。（2）铺筑垫层前，应先行验槽，清除浮土，保持边坡稳定。若基坑或基槽两侧有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴等，应在未做垫层前加以填实。（3）当采用碎石垫层时，为防止基坑底部的表层软土发生局部破坏而使建筑物基础产生附加沉降，最好在基坑底部先铺一层砂垫底，然后再铺碎石垫层。铺砂层时要注意对基坑底部土层的保护，不要对其扰动，防止产生结构破坏引起强度降低，引起大的附加沉降。（4）当砂石垫层底面由于建筑物构造要求不在同一标高时，应注意分层搭接处的捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。2）砂垫层质量检验（1）环刀取样法在夯实振捣后的砂垫层中用容积不小于200cm3的环刀取样，测定干容重，以不小于该砂在中密状态时的干容重数值为合格。一般为15.5kN/m3~16.0kN/m3。（2）贯入测定法先将垫层表面的砂刮去3cm左右，然后用贯入仪、钢筋等工具以贯入度大小来衡量砂垫层的质量。