换填法、砂石桩法及强夯法地基处理技术

1、换填法、砂石桩法及强夯法地基处理技术12概述处理原则和方法分类34换填法砂石桩法5强夯法第五章 地基处理1概述第五章 地基处理昆明学院冯博士 （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。5.1 概述一、地基处理的目的 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。5.1 概述二、处理对象1、淤泥土与淤泥质土淤泥土与淤泥质土简称软土淤

2、泥: 孔隙比 e1.5, wwl (Il1.0)淤泥质土: 孔隙比 e =1.01.5,wwl (Il1.0)土性 * 高含水量 =4090% 甚至100% * 高压缩性 a 0.53.0MPa-1 * 高流变性 : 次固结量随时间增加 * 低强度 Cu 1.5, wwl (Il1.0)，有机含量 30%泥炭质土 e=1.01.5, 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：胀缩性岩溶：塌陷5.1 概述2处理原则和方法分类第五章 地基处理 地基处理方法的分类可有多种多样

3、。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。地基处理方法分类及应用范围5.2 处理原则和方法分类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5.2 处理原则和方法分类3换填法第五章 地基处理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

4、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。5.3 换填法1 垫层法定义通常基坑开挖后，利用分层回填压实，也可处理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而需要采用降水措施；坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护；以及施工土方量大，弃土多等因素，从而使处理费用增高，工期延长，因此换填法的处理深度通常宜控制在3米以内。但也不应小于0.5米，因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。在湿陷性黄土地区或土质较好场地，一般坑壁可直立或边坡稳定时，处理深度可限制在5米以内。“软弱土层的厚度又不很大” -到底是多少米？在实际

5、工程中，什么情况下优先选用该法？适用性：5.3 换填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5.3 换填法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5.3 换填法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。5.3 换填法垫层的作用：(1)提高地基承载力。浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。(2)减少沉降量。一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的

6、比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。5.3 换填法(3)加速软弱土层的排水固结。建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水

7、压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。5.3 换填法(4)防止冻胀。因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。(5)消除膨胀土的胀缩作用。在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依据变形计算确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。5.3 换填法垫层的厚度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： 垫层设计（以砂垫层为例）5.3 换填法 相应于荷

8、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）； 垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。faz垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。1）垫层厚度的确定b回填土b= b+2ztan dzCZ用试算法确定垫层的厚度z（1）初定z为12m；（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。5.3 换填法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

9、）； z 基础底面下垫层的厚度（m）； 垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时，可查表。条形基础矩形基础5.3 换填法粉质粘土和粉土换填材料中、粗、砾、碎石土、石屑灰土0.250.50203062328 压力扩散角 注：1、当Z/b0.25时，除灰土外，其余材料均取=0； 2、当0.25Z/b0.50时，可内插求得。5.3 换填法要求：满足基础底面应力扩散的要求，防止垫层向两侧挤压。 5.3 换填法2） 垫层宽度的确定常用经验的扩散角法按下式确定： 垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。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

10、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。5.3 换填法3） 地基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)。5.3 换填法4） 垫层材料的选用(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。(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

11、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。(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。(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200300mm。5.3 换填法5） 垫层的施工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。(3) 基坑开挖时应避免坑底土层受扰动。 5.3 换填法(4

12、) 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。 某工程地基为软弱地基，采用换填法处理，换填材料为砾砂，垫层厚度为1m，已知：该基础为条形基础，基础宽度为2m，基础埋深位于地表下1.5m，上部结构作用在基础底面上的荷载为：P=200KN/m；自地面至6.0m均为淤泥质土，其天然重度为17.6KN/m3，饱和重度为19.7KN/m3，承载力特征值为80kpa，地下水位在地表下2.7m，问：(1) 作用于

13、垫层底部的附加应力(2) 下卧层承载力是否满足要求 5.3 换填法5.3 换填法5.3 换填法某独立基础尺寸为1.5m1.2m，基础埋深为1m，荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的荷载为252kN，其他资料如图所示，现拟采用1m厚的灰土垫层进行处理，灰土的重度为19.8kN/m3，进行下卧层承载力验算。5.3 换填法4砂石桩法第五章 地基处理1、基本定义 碎(砂)石桩又被称做粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔之后，形成由砂石构成的大直径密实桩体，包括碎石桩、砂桩和砂石桩，总称为碎石桩。 砂石桩与桩周土共同组成基础下的复合土层，构成持力层。2、成桩方式 1) 成砂桩方

14、式：振动法和冲击法为主； 2) 成碎石桩方式：有振冲法、沉管法、干振法、强夯置换法、钻孔锤击法等。5.4 砂石桩法 1) 中、小型工业与民用建筑物； 2) 港湾建筑物(码头、护岸工程等)； 3) 土工构筑物(土石坝、路基等)； 4) 材料堆置场地(矿料场等)； 5) 其它场地。滑道、机场等。工程上，碎石桩法可用以下各类建筑：5.4 砂石桩法新郑高速公路震动沉管挤密碎石桩施 工5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 1) 松散砂土的工程特性 砂土和粉土属于散粒状结构，粒间孔隙大，颗粒的排列位置很不稳定， 在外荷(动力和静力)作用下易发生移位,并会重新进行排列，趋于较稳定状态。因此，松散砂

15、土沉降变形大、抗液化性弱、承载力小。尤其是受振动作用后，体积可缩小20%。2) 加固机理 通过碎石桩处理，可有效地改善松散砂(粉)土的工程特性，主要表现在三个方面：5.4 砂石桩法 挤密作用：a、对振冲法而言：施工过程中由于水冲使得松散砂土达到饱和状态，并在高频强迫振动下产生液化、重新排列密实；孔中填入的粗骨料被强迫振动、密实的同时，桩体半径还不断增大，对桩周土形成水平挤压作用,甚至有一部分被挤入桩周土中。于是 ，砂土密实度、孔隙率 ，干密度和内摩擦角，达到力学性能改善、承载力提高、抗液化性能增强的目的；b、对沉管法或干振法而言：施工中，桩管对周围砂层产生很大的水平挤压力，并将桩管处砂子挤向桩

16、管周围的土层中, 桩管四周砂层孔隙率、密实度 。 5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 由于挤压，紧贴于桩周管上的土结构遭到完全破坏。桩管周围塑性变形区，由于受到挤压和孔隙水压力的共同作用，强度显著降低。桩管周围塑性变形区半径RP可由下式确定。 由式知，塑性变形区域的大小与桩管半径、土的变形模量成正比，与土的抗剪强度成反比。 5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 挤密作用：图 桩孔周围应力分布区完全破坏区5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 挤密作用：砂土和粉土中排水减压振密作用比挤密作用显著，是砂石桩的主要加固作用之一。振密作用在宏观上表现为振密变形。振动成桩过

17、程中，一般形成以桩管为中心的“沉降漏斗”，直径达桩径的69倍，并形成多条环状裂隙。 振冲成桩过程中，桩周土体在循环荷载作用下发生收缩和趋于紧密，砂土在无排水条件下体积不断收缩导致超孔隙水压力产生，有效应力降为零时引起砂土液化。碎石桩体材料具有良好的反滤效果，是理想的人工竖向排水减压通道，土体中的超水孔隙水必然沿着该排水通道排出地面。随着孔隙水排出，土体的孔隙比降低，密实度得到提高。5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 排水减压振密作用: 预震抗液化作用: 砂石桩法的预震抗液化作用主要有两个方面： 桩间可液化土层受到挤密和振密作用。土层的密实度增加，结构强度提高，表现在土层标贯击数的增

18、加，从而提高土层本身的抗液化能力； 砂土的液化特性不仅与相对密实度和排水体有关，还与砂土的振动应变史有关。预先受过适度水平的循环应力预振的砂土，将具有较大的抗液化强度。砂石桩成桩过程中，桩间土受了多次预振作用，并通过桩体将产生的超孔隙水压力消散，因而提高桩间土的抗液化能力。 5.4 砂石桩法3、加固机理（松散砂土及粉土） 3、加固机理(粘性土) 1) 粘性土的工程特性: 结构为蜂窝状或絮状结构，粘粒含量高、粘间结合力强、渗透性低。 在受到动、静外荷作用时，黏粒之间的结合力以及黏粒、离子、水分子所组成的平衡体系虽然受到破坏，孔隙水压力升高，土的强度降低，塑性变形增大，但是土中水并不容易排放。 黏

19、性土密实度提高效果不佳，无法达到最终提高承裁力的目的。 5.4 砂石桩法2) 加固机理 主要通过置换法(用碎石桩置换粘性土) 实现改良土基的目的，具体表现在两个方面。 桩体置换作用。以性能良好的砂石桩直接替换部分粘性土，构成性能良好的复合地基。由密实的碎石桩桩体取代了与桩体体积相同的软弱土，因为砂石桩的强度和抗变形性能等均优于其周围的土，所以形成的复合地基的承载力、模量就比原来天然地基的承载力、模量大，从而提高了地基的整体稳定性，减小了地基的沉降量。复合地基承载力增大率与沉降量的减小率均和置换率成正比关系。5.4 砂石桩法3、加固机理(粘性土) 2) 加固机理： 排水固结作用。饱和黏性土地基中

20、，碎石桩体的排水通道作用是砂石桩法处理饱和软弱黏性土地基的主要作用之一。由于沉管成桩过程中的挤压和振动等作用，桩间土会出现较大的孔隙水压力，导致土强度降低。碎石桩施工结束后，上覆土体重力作用下，借助于砂石桩良好的排水作用，桩间土发生排水固结，同时由于黏粒、水分子、离子之间重新形成新的稳定平衡体系，使土的强度得以恢复，甚至超过原土体强度。 5.4 砂石桩法3、加固机理(粘性土) 4、加固作用和效果 1 砂石桩加固作用： 不管是松散砂性土还是软弱粘土，砂石桩具有复合地基的加固作用，并具体表现在5个方面：挤密、置换、排水固结、垫层和加筋作用。2 砂石桩加固效果： 对地基的加固效果具体表现在：可以使承

21、载力提高，使地基沉降量减小，抗剪强度增加和抗滑稳定性提高。 5.4 砂石桩法5、设计计算 (1)、加固范围：总体上要大于基础底面的面积，具体根据建筑物的重要性及场地条件确定。 对于一般地基，宜在基础外缘扩大13排桩； 对可液化地基，在基础外缘扩展宽度不小于基底可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m。具体见下表所示。基础形式加固范围独立基础不超出基底面积条形基础不超出或适当超出基底面积筏形、十字交叉及箱形基础基础平面外轮廓范围内满堂加固，轮廓线外加23排保护桩5.4 砂石桩法正方形布置矩形布置三角形布置扇形布置(2)、布桩形式： 对大面积满堂处理，宜用等边三角形布置；对单独基础或条形基础，采用正

22、方形、矩形，等腰三角形较合适。5.4 砂石桩法5、设计计算 (3)、桩径：1)碎石桩：取决于施工设备的桩管大小和地基土条件，一般为0.71.0m ；2)沉管法施工桩：一般为0.30.7m ；3)振冲桩：直径一般为0.81.2m。(4)、材料要求：碎石料可使用砾砂、粗砂、中砂、圆砾、角砾、卵石、碎石等，这些材料可单独用一种，也可以粗细粒料以一定的比例配合使用。填料中含泥量5%，并且不含有粒径大于50mm的颗粒。(5)、垫层：垫层是基础的“保护层”。故桩体施工结束后，桩顶与基础间宜铺设300500mm厚的碎(砂)石垫层，并振实。5.4 砂石桩法5、设计计算 (6)、桩长(加固深度)：取决于建筑物对

23、地基的强度和变形条件等的设计要求以及地质条件(软土层的厚度、性能等)而定，砂土地基还应考虑抗液化的要求。主要注意四个方面： 1）地基中松软土层厚度不大时。根据较好土层埋深确定。 2）松软土层厚度较大时。按稳定性控制的工程，桩长不应小于最危险滑动面的深度；按沉降变形控制的工程，桩长应满足复合地基的沉降量不超过建筑物地基的容许沉降量。 3）对于可液化地基，加固深度按要求的抗震处理深度确定。 4）桩长不宜小于4m，砂桩的长度一般应达8-20m。5.4 砂石桩法5、设计计算 加固目的是提高地基承载力，减小变形及抗液化性等。因此， 基本出发点是挤密。 由此，要求我们确定密实度(rd)，孔隙度(e)，桩位

24、布置，桩径(d)，间距(L)，桩体长或处理深度(H ) 。5.4 砂石桩法5、设计计算（砂性土） 计算参数及公式 单桩加固面积，正方形布桩 桩体面积 桩距 原地基土单位深度平均体积 砂固相颗粒体积 假定碎石桩为100%的挤密作用，即成桩过程中地面没有隆起或下沉现象，被加固的砂土没有流失。 一根碎石桩承担的处理面积5.4 砂石桩法5、设计计算（砂性土） 桩距L的确定处理前体积： 处理后体积： 桩体直径为d： 两式联立： 正方形布置正三角形布置5.4 砂石桩法5、设计计算（砂性土） 按照规范给出的简化公式修正系数用来考虑振动下沉密实作用，取值为1.11.25.4 砂石桩法5、设计计算（砂性土） 若

25、考虑挤密和振密两种作用粘性土的加固机理是置换，故根据置换率确定桩间距。由面积换算率m计算一根桩的分担面积Ae 规范给出一根桩承担的处理地基面积的等效圆直径5.4 砂石桩法5、设计计算（粘性土） 式中为单根桩承担的处理面积(m2) ； m (=桩身平均直径d 2/单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径de2)为桩土面积置换率，与桩间距成反比；Ap为砂石桩的截面积。 等边三角形布置:de =1.05l; 正方形布置:de =1.13l; 矩形布置: 。 l、l1、l2分别为桩的间距、纵向间距和横向间距。 1) 等边三角形布置：2) 正方形布置：5.4 砂石桩法5、设计计算（粘性土） 粘性土的加固机理

26、是置换，故根据置换率确定桩间距。 作用于桩顶的应力 桩周土的应力 碎石桩面积， 则桩周土面积为Ae-Ap复合地基承载力应由现场复合地基载荷试验取的，也可分别取得桩、桩间土承载力，按桩土应力比估算。则有当复合地基上作用荷载p时5.4 砂石桩法6、承载力计算对小型工程的粘性土地基： 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,初步设计时也可用单桩和处理后桩间土的承载力特征值估算.桩间土承载力标准值由现场原位试验或室内试验确定。 n为桩土应力比, 即： 粘土为24，砂土、粉土为1.53。 5.4 砂石桩法6、承载力计算【例】对粘性土地基，砂石桩的桩径为600mm，置换率为0.28。 1、对等

27、边三角形布桩，其间距最接近下列哪个值?(A)1.0m (B)1.1m (C)1.2m (D)1.3m (E)1.4m 2、对正方形布桩，其间距最接近下列哪个值?(A)1.0m (B)1.1m (C)1.2m (D)1.3m (E)1.4m【答案】1、B; 2、A【解】粘性土地基：一根砂石桩承担的处理面积为：等边三角形布置，砂石桩间距为：正方形布置，砂石桩间距为：5.4 砂石桩法某黏土场地采用砂石桩处理，天然地基承载力为90kPa，处理后复合地基承载力为150kPa，砂桩桩体承载力300kPa，如采用等边三角形布桩，桩径为0.8m，按建筑地基处理技术规范计算，砂桩间距为（ ）A 1.23m B

28、1.43m C 1.63m D 1.83m5.4 砂石桩法某均质砂土场地采用砂桩处理，等边三角形布桩，砂桩直径为0.5m，桩体承载力为300kPa，场地土层天然孔隙比为0.92，最大孔隙比为0.96，最小孔隙比为0.75，天然地基承载力为120kPa，要求加固后砂土的相对密度不小于0.7，按建筑地基处理技术规范计算，当采用振动沉管法施工，修正系数取为1.1时，桩间距为（ ）A 2.01m B 2.11m C 2.21m D 2.31m5.4 砂石桩法5强夯法第五章 地基处理强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般840t的重锤(最重可达200t)和820m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，一般能量为5008000kN.m。在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异