长安大学基础工程教案第六章地基处理

第一节概述土木工程建设中，有时不可避免地遇到工程地质条件不良的软弱土地基，不能满足建筑物要求，需要先经过人工处理加固，再建造基础，处理后的地基称为人工地基。地基处理的目的是针对软土地基上建造建筑物可能产生的问题，采取人工的方法改善地基土的工程性质，达到满足上部结构对地基稳定和变形的要求，这些方法主要包括提高地基土的抗剪强度，增大地基承载力，防止剪切破坏或减轻土压力；改善地基土压缩特性，减少沉降和不均匀沉降：改善其渗透性，加速固结沉降过程；改善土的动力特性防止液化，减轻振动；消除或减少特殊土的不良工程特性（如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等）。近几十年来，大量的土木工程实践推动了软弱土地基处理技术的迅速发展，地基处理的方法多样化，地基处理的新技术、新理论不断涌现并日趋完善，地基处理已成为基础工程领域中一个较有生命力的分枝。根据地基处理方法的基本原理，基本上可以分为如表6-1所示的几类。地基处理方法的分类表6-1物理处理化学处理热学处理置换排水挤密加筋搅拌灌浆热加固冻结但必须指出，很多地基处理方法具有多重加固处理的功能，例如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重功能；而石灰桩则具有挤密、吸水和置换等功能。地基处理的主要方法、适用范围及加固原理，参见表6-2。地基处理的主要方法、适用范围和加固原理表6-2分类方法加固原理适用范围置换换土垫层法采用开挖后换好土回填的方法；对于厚度较小的淤泥质土层，亦可采用抛石挤淤法。地基浅层性能良好的垫层，与下卧层形成双层地基。垫层可有效地扩散基底压力，提高地基承载力和减少沉降量。各种浅层的软弱土地基振冲置换法利用振冲器在高压水的作用下边振、边冲，在地基中成孔，在孔内回填碎石料且振密成碎石桩。碎石桩柱体与桩间土形成复合地基，提高承载力，减少沉降量cu20kPa的粘性土、松散粉土和人工填土、湿陷性黄土地基等强夯置换法采用强夯时，夯坑内回填块石、碎石挤淤置换的方法，形成碎石墩柱体，以提高地基承载力和减少沉降量。浅层软弱土层较薄的地基碎石桩法采用沉管法或其他技术，在软土中设置砂或碎石桩柱体，置换后形成复合地基，可提高地基承载力，降低地基沉降。同时，砂、石柱体在软粘土中形成排水通道，加速固结一般软土地基石灰桩法在软弱土中成孔后，填入生石灰或其他混合料，形成竖向石灰桩柱体，通过生石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩柱体周围土体的性质，形成石灰桩复合地基，以提高地基承载力，减少沉降量人工填土、软土地基EPS轻填法发泡聚苯乙烯（EPS）重度只有土的1/501/100，并具有较高的强度和低压缩性，用于填土料，可有效减少作用于地基的荷载，且根据需要用于地基的浅层置换软弱土地基上的填方工程分类方法加固原理适用范围排水固结加载预压法在预压荷载作用下，通过一定的预压时间，天然地基被压缩、固结，地基土的强度提高，压缩性降低。在达到设计要求后，卸去预压荷载，再建造上部结构，以保证地基稳定和变形满足要求。当天然土层的渗透性较低时，为了缩短渗透固结的时间，加速固结速率，可在地基中设置竖向排水通道，如砂井、排水板等。加载预压的荷载，一般有利用建筑物自身荷载、堆载或真空预压等软土、粉土、杂填土、冲填土等超载预压法基本原理同加载预压法，但预压荷载超过上部结构的荷载。一般在保证地基稳定的前提下，超载预压方法的效果更好，特别是对降低地基次固结沉降十分有效淤泥质粘性土和粉土振密挤密强夯法采用重量100400kN的夯锤，从高处自由落下，在强烈的冲击力和振动力作用下，地基土密实，可以提高承载力，减少沉降量松散碎石土、砂土，低饱和度粉土和粘性土，湿陷性黄土、杂填土和素填土地基振冲密实法振冲器的强力振动，使得饱和砂层发生液化，砂粒重新排列，孔隙率降低；同时，利用振冲器的水平振冲力，回填碎石料使得砂层挤密，达到提高地基承载力，降低沉降的目的粘粒含量少于10%的疏松散砂土地基挤密碎（砂）石桩法施工方法与排水中的碎（砂）石桩相同，但是，沉管过程中的排土和振动作用，将桩柱体之间土体挤密，并形成碎（砂）石桩柱体复合地基，达到提高地基承载力和减小地基沉降的目的松散砂土、杂填土、非饱和粘性土地基、黄土地基土、灰土桩法采用沉管等技术，在地基中成孔，回填土或灰土形成竖向加固体，施工过程中排土和振动作用，挤密土体，并形成复合地基，提高地基承载力，减小沉降量地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土地基加筋加筋土法在土体中加入起抗拉作用的筋材，例如土工合成材料、金属材料等，通过筋土间作用，达到减小或抵抗土压力；调整基底接触应力的目的。可用于支挡结构或浅层地基处理浅层软弱土地基处理、挡土墙结构锚固法主要有土钉和土锚法，土钉加固作用依赖于土钉与其周围土间的相互作用；土锚则依赖于锚杆另一端的锚固作用，两者主要功能是减少或承受水平向作用力边坡加固，土锚技术应用中，必须有可以锚固的土层、岩层或构筑物竖向加固体复合地基法在地基中设置小直径刚性桩、低等级混凝土桩等竖向加固体，例如CFG桩、二灰混凝土桩等，形成复合地基，提高地基承载力，减少沉降量各类软弱土地基、尤其是较深厚的软土地基分类方法加固原理适用范围化学固化深层搅拌法利用深层搅拌机械，将固化剂（一般的无机固化剂为水泥、石灰、粉煤灰等）在原位与软弱土搅拌成桩柱体，可以形成桩柱体复合地基、格栅状或连续墙支挡结构。作为复合地基，可以提高地基承载力和减少变形；作为支挡结构或防渗，可以用作基坑开挖时，重力式支挡结构，或深基坑的止水帷幕。水泥系深层搅拌法，一般有两大类方法，即喷浆搅拌法和喷粉搅拌法饱和软粘土地基，对于有机质较高的泥炭质土或泥炭、含水量很高的淤泥和淤泥质土，适用性宜通过试验确定灌浆或注浆法有渗入灌浆、劈裂灌浆、压密灌浆以及高压注浆等多种工法，浆液的种类较多。类软弱土地基，岩石地基基加固，建筑物纠偏等加固处理上述表中的各类地基处理方法，均有各自的特点和作用机理，在不同的土类中产生不同的加固效果，并也存在着局限性。地基的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不尽相同的，材料、施工机具和施工条件等亦存在显著差别，没有哪一种方法是万能的。因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过方案的比选，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种方法的综合处理。第二节软土地基软土是指沿海的滨海相、三角洲相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高（a1-20.5MPa-1）和强度低的特点，多数还具有高灵敏度的结构性。主要包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等。一．软土的成因及划分软土按沉积环境分类主要有下列几种类型：（一）滨海沉积1.滨海相：常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒(粗、中、细砂)相掺杂，使其不均匀和极松软，增强了淤泥的透水性能，易于压缩固结。2.泻湖相：颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范围较宽阔，常形成海滨平原。在泻湖边缘，表层常有厚约0.3～2.0m的泥炭堆积。底部含有贝壳和生物残骸碎屑。3.溺谷相：孔隙比大、结构松软、含水量高，有时甚于泻湖相。分布范围略窄，在其边缘表层也常有泥炭沉积。4.三角洲相：由于河流及海潮的复杂交替作用，而使淤泥与薄层砂交错沉积，受海流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳定，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层，结构疏松软，颗粒细小。如上海地区深厚的软土层中央有无数的极薄的粉砂层，为水平渗流提供了良好条件。（二）湖泊沉积湖泊沉积是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理。淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一般为10m左右，最厚者可达25m。（三）河滩沉积主要包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情况较为复杂，成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。一般常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一般小于l0m。（四）沼泽沉积分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，多以泥炭为主，且常出露于地表。下部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。软土由于沉积年代、环境的差异，成因的不同，它们的成层情况，粒度组成，矿物成分有所差别，使工程性质有所不同。不同沉积类型的软土，有时其物理性质指标虽较相似，但工程性质并不很接近，不应借用。软土的力学性质参数宜尽可能通过现场原位测试取得。软土的工程特性：含水量较高，孔隙比较大；抗剪强度低；压缩性较高；渗透性很小；结构性明显；流变性显著三、软土地基的承载力、沉降和稳定性的计算在软土地基设计计算中，由于它的工程特性常需解决地基承载力、沉降和稳定性的计算问题,故与一般地基土的计算有所区别，现分述如下。(一)软土地基的承载力软土地基承载力应根据地区建筑经验，并结合下列因素综合确定：①软土成层条件、应力历史、力学特性及排水条件；②上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不均匀沉降的敏感性；③基础的类型、尺寸、埋深、刚度等；④施工方法和程序；⑤采用预压排水处理的地基，应考虑软土固结排水后强度的增长。1．根据极限承载力理论公式确定饱和软粘土上条形基础的极限承载力pu(kPa)按普朗特尔—雷斯诺(Prandtl—Reissner)极限荷载公式(参见土力学教材)由＝0，hq2确定为hCpuu214.5（6-1）式中：uC—软土不排水抗剪强度，可用三轴仪、十字板剪切仪测定，也可取室内无侧限抗压强度qu之半计算；2—基底以上土的重度(kN／m3)，地下水位以下为浮重度；h—基础埋置深度(m)。当受水流冲刷时，由一般冲刷线算起。据此，考虑矩形基础的形状修正系数及水平荷载作用时的影响系数，并考虑必要的安全系数，《公桥基规》提出软土地基容许承载力(kPa)为hCkmup214.5（6-2）式中：m—安全系数1.5~2.5，软土灵敏度高且基础长宽比小者用高值；kp—基础形状及倾斜荷载的修正系数，属半经验性质的系数，当矩形基础上作用有倾斜荷载时upCQbllbk4.012.01b—基础宽度(m)；l—垂直于b边的基础长度(m)，当有偏心荷载时，b与l由b’与l’代替，bebb2',Lell2'eb、el分别为荷载在b方向、l方向的偏心矩；Q—为荷载的水平分力(kN)。2．根据土的物理性质指标确定软土大多是饱和的，天然含水量基本反映了土的孔隙比的大小，当饱和度Sr=l时，GSGer(G为土颗粒比重)，e为1时，相应天然含水量w约36％；e为1.5时，相应w约55％，所以一般情况，地基承载力是与其天然含水量密切相关的，根据统计资料w与软土的容许承载力0关系如表6-3所示。软土的容许承载力0表6-3天然含水量w（%）364045505565750(kPa)100908070605040在基础埋置深度为h(m)的软土地基修正后的容许承载力可按下式计算：320h（6-3）各符号意义同前，当h3m时，取h=3m计。《公桥基规》认为对小桥涵软土基础可用式(6—3)计算。当按式(6-2)或式(6-3)计算软土修正后的容许承载力时，必须进行地基沉降验算，保证满足基础沉降的要求。3．按临塑荷载估算软土地基承载力，考虑变形因素可按临塑荷载pcr公式估算，以控制沉降在一般建筑物容许范围。条形基础临塑荷载pcr(kPa)计算式为CNrDNpcqcr饱和软土uuCC,0时，Nq=1，Nc=则hrCrDCpuucr214.314.3（6-4）此式用于矩形基础（空间问题）可认为较用于条形基础（平面问题）偏于安全。我国有些地区和部门，根据该地区软土情况，采用略高于临塑荷载的临界荷载p1／4，即允许基础边缘出现塑性区范围深度不超过基础底宽的1／4。p1／4的计算详见与土力学教材。4．用原位测试方法确定由室内试验测定土的物理力学指标(如cu等)常受土被扰动影响使结果不正确；而一般土的承载力理论公式用于软土也会有偏差，因此采用现场原位测试的方法往往能克服以上缺点。软土地基常用的原位测