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地基处理第三讲一、灰土和素土垫层第二章换填法处理第四节其他类地基土中垫层设计要点1．灰土垫层灰土垫层：是将基础底面下一定深度范围内的软弱土挖去，用一定体积比配合的灰土，在最优含水量情况下分层夯实或压实。适用于处理1～4m厚的软弱土层。灰土原材料：石灰和土。1)灰土垫层及其原材料2)垫层设计(1)承载力特征值的确定。经过人工压实的(或夯实)的3:7灰土垫层，当其压实系数λc控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0kN／m3时，其承载力特征值最大可达300kPa。对于2:8的灰土垫层，当压实系数控制在0.95～0.97及干土重度不小于14.8～15.5kN／m3时，其承载力特征值最大可达300kPa。(2)垫层厚度的确定。计算方法同砂垫层。(3)垫层宽度的确定。灰土垫层的宽度一般为灰土顶面基础砌体宽度加2.5倍灰土厚度之和。3)灰土的材料特点及要求(1)石灰石灰是一种无机的(矿物的)胶结材料，它不但能在空气硬化，而且还能更好地在水中硬化，建筑工程中常用的熟石灰，其原料是石灰石，含碳酸镁的为白云石。石灰生产时，将石灰石在煅烧窑内加热到900℃以上(常达1100～1200℃)，碳酸钙分解后放出碳酸气(CO2)而得到氧化钙(CaO)，即CaCO3→CaO+CO2↑煅烧后生成的石灰是质地较轻的块状物，颜色自白至灰或黄绿色，主要成分为氧化钙，其次为氧化镁。石灰(指生石灰)在使用前，一般用水熟化。生石灰的熟化是碳化作用，同时也是放热反应，可用下式表示：CaO+H2O→Ca(OH)2+65.3kJ／mol生石灰加水后放出热量，形成蒸气，同时体积膨胀。当质纯及煅烧良好时，其体积可增大1.5~2.0倍。体积增大是由于其相对密度减小(生石灰相对密度3.1，熟石灰相对密度2.1)和质地疏松化为粉末状所致。施工现场，用于灰土的熟石灰要求过筛，其粒径不得大于5mm，且其中不得夹有生石灰块，也不得含有过多的水分。石灰的性质取决于其活性物质的含量，CaO与MgO含量越高，活性越大，胶结力越强。常用的熟石灰粉末其质量应符合Ⅲ级以上的标准，CaO+MgO含量不低于50％，如果要拌制强度较高的灰土，宜选用Ⅰ级或Ⅱ级石灰。当活性氧化物CaO+MgO含量不高时，应相应增加石灰用量。(2)土料灰土中的土不仅作为填料，而且参与化学反应，尤其是土中的黏粒(d0.005mm)或胶粒(d0.002mm)，具有一定活性和胶结性，含量越多，土的塑性指数越高，则灰土的强度越高。在施工现场常采用就地基坑(槽)中挖出的黏性土和粉土(塑性指数Ip8)拌制灰土。淤泥、耕土、冻土、膨胀土以及有机物含量超过8％的土料，都不得使用。土料应予过筛，其粒径不得大于15mm。4)石灰用量对灰土强度的影响灰土中石灰的用量在一定的范围内时，其强度随用灰量的增大而提高。但是，当超过一定限值后则强度增加很小，并有逐渐减小的趋势。例如，1：9的灰土，强度很低，只能改善土的压实性能；2：8和3：7的灰土，一般作为最佳含灰率，但与石灰的等级有关。通常应以灰土中CaO+MgO所含总量达到8％左右为佳。石灰应以生石灰块消解(闷透)3~4d后过筛使用。表2-4-1二灰垫层试件的抗压强度5)二灰土垫层强度特征用石灰、粉煤灰按适当比例加水拌和，分层夯实的垫层，称“二灰垫层”。“二灰垫层”与灰土垫层相似，但强度较灰土垫层高，见表2-4-1。最优含水量比灰土大，干土重度较灰土小。压实系数在0.94～0.97时，干土重度为9.4～9.7kN／m3，施工最优含水量为50％左右，石灰掺入量以15％～20％为宜。一、灰土和素土垫层2．素土垫层1)垫层厚度的确定1）素土垫层厚度的计算方法同砂垫层。2）对于处理湿陷性黄土，分两种情形：(1)要求完全消除湿陷性时：①对非自重湿陷性黄土，应满足垫层底部总压力不大于下卧黄土层的湿陷起始压力；②对于自重湿陷性黄土，须全部换填(故仅适于厚5m者)。(2)要求部分消除时：应根据建筑物的重要性、基础形式、面积、基底压力大小及湿陷类型等因素综合考虑(表2-4-2)2)垫层宽度的确定(1)当垫层厚度小于2m时，基础外沿至垫层边沿不小于厚度的1／3，且不小于300mm；当垫层厚度大于2m时，可适当加宽且不小于700mm；(2)整片素土垫层超出基础外缘的宽度不得小于1.5m。当垫层厚度大于2m时，宜适当加宽。表2-4-2消除部分湿陷量的最小处理深度(m)二、碎石和矿渣垫层1．对碎石垫层材料的要求采用碎石或矿渣作垫层来处理软弱地基是目前国内常用的一种地基加固方法。实践证明，碎石和矿渣有足够的强度，变形模量大，稳定性好；而且垫层本身还可起排水层的作用，并加速下部软弱土层的固结。碎石垫层所用的碎石粒径，一般为5～40mm的自然级配碎石，含泥量不大于5％。矿渣是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成的垫层材料。材料要求：矿石类型不同，来源不同，干渣成分不同，其稳定性、侵蚀性、环境危害、变形模量不同。一般要求质地坚硬，性能稳定，无侵蚀性的矿渣为基本原料，经适当破碎获得良好做配并要求最大粒径不超过200mm。松散密度大于1.1g/cm3，泥土－有机质成分≤5%为宜。二、碎石和矿渣垫层2对矿渣垫层材料的要求(1)稳定性表2-4-2为国内各钢厂重矿渣化学成分分析。表2-4-2国内各钢厂重矿渣化学成分从表2-4-2可看出，重矿渣的主要成分为CaO、SiO2、Ai2O3、MgO和Fe2O3等，其含量大致接近，但宝钢的成分相对稳定，尤其是CaO含量少于45％，大大减少了裂胀分解的可能性。(2)松散密度根据《混凝土用高炉重矿渣碎石技术条件》(YBJ205—84)的规定，重矿渣的强度可用松散密度指标表示，对分级矿渣松散密度要求不小于1.lt／m3。经测定分析，松散密度与粒径有关，粒径小则轻，粒径大则重。但粒径较小的矿渣砂(粒径在0～8mm之间)，其密度可达1.4t／m3。(3)变形模量一般工程中，不论是分级矿渣或混合矿渣，压实后的变形模量都大于或等于砂、碎石等垫层材料的变形模量。当符合一定的压实标准的话，压实后的矿渣垫层(分级或混合)的变形模量E0可达35MPa以上。(4)高炉重矿渣主要力学特点垫层压程度实符合标准时，荷载与变形关系具有线性变形体的基本特点。如果压实程度不佳，强度不足，会引起显著的非线性变形。因此，设计前应首先了解矿渣的组成成分、级配、软弱颗粒含量和松散密度；其次是根据场地条件和施工现场条件，确定合理的施工方法和选择各种计算参数。用于垫层的矿渣的基本技术参数要符合下列规定：稳定性合格；松散密度不小于1.1t／m3；泥土与有机质含量不大于5％。当然，对于一般的场地平整，矿渣质量可不受上述指标的限制。二、碎石和矿渣垫层3．碎石垫层和矿渣垫层的构造要求为了防止基坑表层软弱土发生局部破坏而使建筑物基础产生附加沉降，一般应在碎石和矿渣垫层的底部，设置一层15～30mm(a)(b)图2.4.1碎石或矿渣垫层：(a)碎石或矿渣垫层；(b)阶梯式碎石或矿渣垫层1．基础，2．砂垫层，3．碎石或矿渣垫层，4．砂或混凝土挡当软弱土层厚度不同时，垫层应做成阶梯形，见图2.4.1(b)，但两层垫层的高差不得小于1m，同时阶梯宽度需符合b2h的要求。厚的砂垫层，砂料应采用中、粗砂，然后再铺筑碎石或矿渣垫层，见图2.4.1(a)。三粉煤灰垫层1、粉煤灰及其工程特性1)粉煤灰的概念：是指燃煤电厂排放的工业废弃物。根据一些地区的工程实践证明，粉煤灰是一种良好的地基处理材料来源，具有良好的物理力学性能，能满足工程设计的技术要求。表2-4-3粉煤灰的化学组成2)工程特性①自重轻：击实后的干密度0.92～1.5g/cm3(做垫层有利于减轻下卧土层的压力减少沉降);②击实性能好：最优含水量(WOP)变动幅度大于±2%，达±4%的变动幅度，因此，施工中容易控制设计密度所要求的含水量，施工质量易保证)；③抗剪强度：与灰种、压实系数，龄期长短有关。无试验资料时：在压实系λc为0.9～0.95时，Φ=23～30，C=5~30kPa；2)工程特性④压缩性：与击实能量、密实度、饱和度有关。无试验资料时，在压实系lc=0.9～0.95时，Es=8～20Mpa；⑤承载能力：在lC=0.9～0.95时，允许承载力可采用120～200kPa；⑥渗透性：粉煤灰渗透系数较大，但随时间推移会逐步降低；⑦击实之后的抗液化性好；⑧对环境影响随时间推移而下降，整体上对环境影响不大。三粉煤灰垫层2、粉煤灰垫层设计1)厚度与宽度的基本计算方法与砂垫层一样，粉煤灰垫层的压力扩散角θ＝22o；2)粉煤灰的最大干土密度rdmax和最优含水量WOP在设计和施工前应按《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)由室内击实试验确定，压实系数lC一般取0.9～0.95。垫层的碾压次数，铺垫厚度以现场试验为准；3)粉煤灰的内摩擦角φ、黏聚力c、压缩模量Es及渗透系数k与粉煤灰的材质和压实密度有关，故应通过室内土工试验确定。当无试验资料时，可参照上海地区提出的数值lC＝0.9～0.95时，φ＝23～30o,c＝5~30kPa，Es＝8~20kPa,k＝2×10－4~9×10－5cm/s；4)对于lC＝0.9～0.95的浸水垫层，承载力特征值可取120～200kPa,但仍应满足软弱下卧层的强度与变形要求。1)砂垫层施工中的关键:是将砂加密到设计的密实度。加密的方法常用的有振动法(包括平振、插振、夯实)、水撼法和碾压法等(表2-5-1)。这些方法要求在基坑内分层铺砂，然后逐层振密或压实，分层的厚度视振动力的大小而定，一般为15～20cm。每层铺筑厚度不超过表2-5-1所规定的数值。分层厚度可用样桩控制。施工时，应将下层的密实度经检验合格后，方可进行上层施工。一砂和砂石垫层施工第二章换填法处理第五节垫层施工要点表2-5-1砂和砂石垫层每层铺筑厚度及最优含水量注：在地下水位以下的垫层其最下层的铺筑厚度可比上表增加50mm2)铺筑前，应先进行验槽。浮土清除，边坡必须稳定，防止塌土。基坑(槽)两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴，应在未做垫层前加以填实。3)开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动下卧软弱土层的表面。否则，坑底土的结构在施工前就遭到破坏，其强度就会显著降低，以致在建筑物荷载作用下，将会产生很大的附加沉降。因此，基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏坑底。4)砂、砂石垫层底面宜铺设在同一标高上。如果深度不同时，基坑地基土面应挖成踏步或斜坡搭接，各分层搭接位置应错开0.5～1.0m的距离，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。5)人工级配的砂石垫层，应将砂石拌和均匀后，再进行铺填捣实。6)捣实砂石垫层时，应注意不要破坏基坑底面和侧面原状土。尤其是对基坑下灵敏度大的地基土，在垫层最下一层宜先铺设一层15～20cm的松砂，只用木夯夯实，不得使用振捣器，以免破坏基底土的结构。7)采用细砂作为垫层的填料时，应注意地下水的影响，且不宜使用平振法、振捣法和水撼法。8)水撼法施工时，在基槽两侧设置样桩，控制铺砂厚度，每层虚铺25cm。铺好后，灌水与砂面齐平，然后用钢叉插入砂中振摇十几次，如果砂已沉实，便将钢叉拔出，在相距10m处重新插入摇撼，直至这一层全部结束，经检查合格后铺第二层(不合格时需要再插撼)。每铺一次、灌水一次进行摇撼，直至设计标高为止。二灰土与素土垫层施工1．灰土垫层施工1)灰土垫层施工前必须验槽，如果发现坑(槽)内有局部软弱土层或孔穴，应挖出后用素土或灰土分层填实。2)施工时，应将灰土拌和均匀，控制含水量，如果土料水分过多或不足时，应晾干或洒水湿润。一般可按经验在现场直接判断，其方法为，手握灰土成团，两指轻捏即碎。这时，灰土接近最优含水量。3)分段施工时，不得在墙脚柱基及承重窗间墙下接缝。上下两层灰土的接缝位置的水平距离不得小于500mm。接缝处的灰土应夯实。4)掌握分层虚铺厚度，必须按所使用的夯实机具来确定，见表2-5-2。每层灰土夯打遍数应根据设计的干土重度在现场试验确定。表2-5-2灰土最大虚铺厚度5)在地下水位以下的基坑(槽)内施工