地基处理技术.ppt

第6章 复合地基基本理论 chapter 6 design principle of composite foundation 6.1 复合地基的定义与分类 6.1 definition and classification of composite foundation 经过地基处理形成的人工地基通常 有三种型式： 均质地基 复合地基 桩基 l 复合地基定义 （composite ground ，composite foundation , composite subgrade ） 是指天然地基在地基处理过程中部分土体 得到增强，或被置换，或在天然地基中设 置加筋材料，加固区是由基体（天然地基 土体或被改良的天然地基土体）和增强体 两部分组成的人工地基。复合地基较天然 地基的承载力提高，沉降减小。 复合地基分类 l 复合地基根据地基中增强体的方向 可分为竖向增强体复合地基和水平向增 强体复合地基两类。竖向增强体复合地 基又称为桩体复合地基。 l 复合地基根据增强体性质又可分为 散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基 和刚性桩复合地基。 复合地基的基本特点 l （1）加固区是由基体和增强体两部分 组成，是非均质的和各向异性的。 l （2）在荷载作用下，基体和增强体共 同承担荷载的作用。 l 前一特征使它区别于均质地基，后一 特征使它区别于桩基础。形成复合地基的 条件是基体与增强体在荷载作用下，通过 两者变形协调，共同分担荷载。 6.2 复合地基的常用型式 6.2 types of composite foundation l复合地基常用型式分类如下： l l 1增强体设置方向 l （1）竖向； l （2）水平向； l （3）斜向。 l2增强体材料 l （1）土工合成材料； l 如土工格栅、土工织物等； l （2）砂石桩； l （3）石灰桩、水泥土桩等； l （4）cfg桩和低强度混凝土桩等； l （5）两种以上竖向增强体 l （多元复合地基）； l （6）水平向和竖向增强体 l （桩网复合地基）。 l 3基础刚度和垫层设置 l （1）刚性基础，设垫层； l （2）刚性基础不设垫层； l （3）柔性基础，设垫层； l （4）柔性基础不设垫层。 l 4增强体长度 l （1）等长度； l （2）不等长度（长短桩复合地基）。 l由于增强体设置方向不同、增强体的材 料组成差异、基础刚度以及垫层情况不 同、增强体长度不一定相同，复合地基 的形式非常复杂，要建立可适用于各种 类型复合地基承载力和沉降计算的统一 公式是困难的，或者说是不可能的。 l在进行复合地基设计时一定要因地制宜 ，不能盲目套用一般理论，应该以一般 理论作指导，结合具体工程进行精心设 计。 6.3 复合地基的常用概念 6.3 basic concepts of composite foundation l1. 复合地基面积置换率 (replacement ratio of area) l 竖向增强体复合地基中，竖向增强 体习惯上称为桩体，基体称为桩间土体 。若桩体的横截面积为ap，该桩体所承 担的加固面积为ae，则复合地基面积置 换率的定义为 l若桩体为圆形，直径为d，则对等边三角形布置、 正方形布置和矩形布置的情形，复合地基面积置 换率分别为： l l (等边三角形布置) l (正方形布置) l (长方形布置) l上三式中，s为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩 间距，s1和s2为长方形布桩时的行间距和列间距。 l2. 复合地基桩土应力比 l(stress ratio of pile to soil) l 对某一复合土体单元，在荷载作用 下， 假设桩顶应力为p，桩间土表面应 为s，则桩土应力比为 l l 实际工程中，即使是单一桩型的复 合地基，由于桩处在基础下的部位不同 或桩距不同，桩土应力比也不同。将基 础下桩的平均 桩顶应力与桩间土平均应 力之比定义为平均 桩土应力比。 l 基础下的平均桩土应力比是反映桩土荷载 分担的一个参数，当其他参数相同时，桩土应 力比越大，桩承担的荷载占总荷载的百分比越 大。此外，桩土应力比对某些桩型（例如碎石 桩）也是复合地基的设计参数。 l 一般情况下，桩土应力比与桩体材料、桩 长、面积置换率有关。其他条件相同时，桩体 材料刚度越大，桩土应力比越大；桩越长，桩 土应力比越大；面积置换率越小，桩土应力比 越大。 l3. 复合地基桩土荷载分担比 l (load share ratio of pile and soil) l 复合地基桩土荷载分担比即桩与土分 担荷载的比例。复合地基中桩土的荷载分 担既可用桩土应力比表示，也可用桩土荷 载分担比p、s 表示： l式中 桩承担的荷载； l 桩间土承担的荷载； l 总荷载。 l 当平均面积置换率已知后，桩土荷载分担比和 桩土应力比可以相互表示。 l 当测得了桩土荷载分担比后，可求得桩顶平均 应力 l l 桩间土平均应力为 l l 桩土应力比为 l l 上式为用桩土荷载分担比来表示桩土应力比的 表达式。 l4. 复合模量(composite modulus) l 复合模量表征复合土体抵抗变形的能 力，数值上等于某一应力水平时复合地基 应力与复合地基相对变形之比。通常复合 模量可用桩抵抗变形能力与桩间土抵抗变 形能力的某种叠加来表示。计算式为 l l式中 桩体压缩模量； l 桩间土压缩模量； l 复合模量。 l 上式是在某些特定的理想条件下导 出的，其条件为： l（1）复合地基上的基础为绝对刚性； l（2）桩端落在坚硬的土层上，即桩没有 向下的刺入变形。 l 上式的缺陷在于不能反映桩长的作 用和桩端阻效应。 l 实际工程中，桩的模量直接测定比较 困难。通过假定桩土模量比等于桩土应 力比，采用复合地基承载力的提高系数 计算复合模量。 l 承载力提高系数 由下式计算 l 也是模量提高系数，复合土层的 复合模量为 6.4 竖向增强体复合地基承载力计算 6.4 bearing capacity of vertically reinforced composite foundation l 竖向增强体复合地基承载力计算的 两种思路： l （1）分别确定桩体的承载力和桩间 土的承载力，根据一定的原则叠加两部 分得到复合地基的承载力。 l （2）将桩体和桩间土组成的复合地 基作为整体来考虑，确定复合地基的极 限承载力。 pcf=k1k1mppf+k2k2 (1-m)psf lppf桩体极限承载力，kpa； lpsf天然地基极限承载力，kpa； lk1 反映复合地基中桩体实际极限承载力的 修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因素 有关，一般大于1.0； lk2 反映复合地基中桩间土实际极限承载力 的修正系数，与地基土质情况、成桩方法等因 素有关，可能大于1.0，也可能小于1.0； lk1 复合地基破坏时，桩体发挥其极 限强度的比例，也称为桩体极限强度发 挥度； lk2 复合地基破坏时，桩间土发挥其 极限强度的比例，也称为桩间土极限强 度发挥度； lm复合地基面积置换率，map/ae , 其中ap为单桩截面积，ae为单根桩加固 面积。 l 采用第二种思路计算复合地基极限 承载力是将桩体和桩间土组成的复合土 体作为整体来考虑，常用稳定分析法计 算。 l 复合地基加固区土体强度指标可采 用复合土体综合强度指标（由面积比计 算）。 6.5 水平向增强体复合地基承载力计算 6.5 bearing capacity of horizontally reinforced composite foundation l 水平向增强体复合地基主要包括在地基 中铺设各种加筋材料，如土工织物、土工格 栅等形成的复合地基。其工作性状与加筋体 长度、强度、加筋层数以及加筋体与土体间 的黏聚力和摩擦系数等有关。水平向增强体 复合地基的破坏可具有多种形式，影响因素 也很多。到目前为止，许多问题尚未完全搞 清楚，水平向增强体复合地基的计算理论尚 不成熟。 6.6 复合地基沉降计算方法 6.6 settlement calculation of composite foundation l 复合地基沉降为加固区压缩量与加 固区下卧层土体压缩量之和。 l （1）加固区压缩量可采用复合模量法 、应力修正法和桩身压缩量法计算。 l （2）下卧层压缩量通常采用分层总 和法计算。 加固区压缩量计算方法 （1）复合模量法 l 将复合地基加固区中增强体和基体两部分 视为一复合土体，采用复合压缩模量来评价复 合土体的压缩性。 l l式中 第i层复合土层上附加应力增量； l 第i层复合土层的厚度。 l l（2）应力修正法 l 在该法中，根据桩间土承担的荷载 ps和桩间土的压缩模量es，忽略增强体 的存在，采用分层总和法计算加固土层 的压缩量s1 l 式中 应力修正系数， l n，m复合地基桩土应力比，面积置换率； l 未加强地基在荷载p作用下第i层土 上的 附加应力增量； l 复合地基中第i层土中的附加应力增量，相当 于未加固地基在荷载p作用下第i层土上的附加应力增量； l s1s 未加固地基在荷载p作用下与加固区相 应厚度土层内的压缩量。 l （3）桩身压缩量法 l 在荷载作用下，桩身压缩量sp为 l l式中 应力集中系数， ； l l 桩身长度，即加固区厚度h； l ep 桩身材料变形模量； l pb0 桩底端承力强度。 加固区下卧土层压缩量计算方法 l（1）应力扩散法 l 这是工程上应用较多的方法，设复 合地基上荷载为p，作用宽度为b，长度 为d，加固区厚度为h，压力扩散角为， 则作用在下卧层上的荷载pb为 l l（2）等效实体法 l 当桩距较小时，多采用此法。设复 合地基上荷载为p，作用宽度为b，长度 为d，加固区厚度为h，f为等效实体侧摩 阻力密度，则作用在下卧层上的荷载为 l（3）改进geddes法 l 黄绍铭建议采用下述方法计算下卧 土层的应力。复合地基总荷载为p，桩体 承担pp，桩间土承担ps。桩间土承担的荷 载在地基中产生的竖向应力的计算方法 与天然地基中应力计算方法相同。桩体 承担的荷载在地基中产生的竖向应力采 用geddes法计算，然后叠加两部分应力 得到地基中总的竖向应力。 第7章 灰土挤密桩法和土挤密桩法 chapter 7 lime soil column and earth column 7.1 概述 7.1 introduction 灰土挤密桩法和土挤密桩法都是利用成孔过程 中的横向挤压作用，桩孔内土被挤向周围，使桩间 土挤密，然后将灰土或素土（黏性土）分层填入桩 孔内，并分层夯填密实至设计标高。前者称为灰土 挤密桩法，后者称为土挤密桩法。 土挤密桩法是原苏联阿别列夫教授于1934年首 创，20世纪50年代中期我国西北黄土地区开始进行 土挤密桩法的研究和应用。 l 灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地 下水位以上的湿陷性黄土、素填土、杂填土等 地基。可处理地基的深度为515m。 l 但当地基土的含水量大于24、饱和度大 于65时，不宜选用灰土挤密桩法或土挤密桩 法。 l 灰土挤密桩法和土挤密桩法具有原位处理 、深层挤密和以土治土的特点，在我国西北和 华北地区广泛用于处理深厚湿陷性黄土、素填 土和杂填土地基时，具有较好的经济效益和社 会效益。 1. 土的侧向挤密 2. 土挤密桩挤密 3. 灰土挤密桩挤密 7.2 加固原理 7.2 reinforcement mechanism 采用灰土挤密桩或土挤密桩处理后形成 的复合地基的承载力特征值，应通过现场单 桩或多桩复合地基载荷试验确定。初步设计 当无试验资料时，可按当地经验确定，但对 灰土挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜 大于处理前的2.0倍，并不宜大于250kpa；对 土挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜大 于处理前的1.4倍，并不宜大于180kpa。 7.3 设计计算 7.3 design procedure l 灰土挤密桩法和土挤密桩法一般采 用等边三角形排列桩孔，其设计计算一 般包括下述几方面： l （1）桩孔直径 l 宜为300450mm，并可根据所选用 的成孔设备或成孔方法确定。 l （2）桩孔间距 l 桩孔间距可为桩孔直径的2.02.5 倍 ，也可按下式估算： l l 式中 桩孔之间的中心距离（m）； l 桩孔直径（m）； l 桩间土的最大干密度（t/m3）； l 地基处理前土的平均干密度（t/m3）； l 桩间土经成孔挤密后的平均挤密系 l 数，对重要工程不宜小于0.93，对一 l 般工程不应小于0.90。 l 桩间土的挤密系数 应按下式计算： l 式中 在成孔挤密深度内，桩间土的平均干 密度，平均试样数不应少于6组。 l l（3）布桩范围灰土挤密桩和土挤密桩处理地 基的面积，应大于基础或建筑物底层平面的 面积，以保证地基的稳定性。 l （4）桩长设计 l 考虑到5m以内土层加固可采用较为简便的方 法处理，而大于15m的土层加固受成孔设备条件限 制，故处理深度一般为515m。 l （5）桩孔填料 l 土桩填料多选用与桩间土性质相近的就近挖运 的黄土类土。灰土桩填料多采用消石灰与土的体积 配合比2：8或3：7。 l 桩体的夯实质量宜用平均压实系数 控制。 当桩孔内用灰土或素土分层回填、分层夯实时，其 值均不应小于0.96。 施工主要包括桩孔成孔和桩孔夯填。成 孔方法有沉管法（锤击、振动）、冲击法和 爆扩法等。成孔施工时地基土宜接近最优含 水量，当含水量低于12时，宜加水增湿至 最优含水量。 夯填施工前应进行夯填工艺试验，确定 合理的分次填料量和夯击次数。 7.4 施 工 7.4 construction l挤密桩地基处理现场 成桩后，应及时抽样检验灰土挤密桩或土挤密桩处 理地基的质量。主要检查施工记录、检测全部处理深度 内桩体和桩间土的干密度，并将其换算为平均压实系数 和平均挤密系数。抽样检验的数量，对一般工程不应少 于桩总数的1，对重要工程不应少于桩总数的1.5。 灰土挤密桩或土挤密桩地基竣工验收时，承载力检 验应采用复合地基载荷试验。检验数量不应少于桩总数 的0.5，且每项单体工程不应少于3点。 7.5 质量检验 7.5 quality verification test l 当复合地基载荷试验的压力沉降曲线 上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例 界限的2倍时，可取比例界限作为复合地基承 载力特征值；当其值小于对应比例界限的2倍 时，可取极限荷载的一半。 l 当按相对变形值确定复合地基承载力特 征值时，对土挤密桩复合地基，可取s/b(或 s/d)等于0.012所对应的压力；对灰土挤密桩 复合地基，可取s/b(或s/d)等于0.008所对应的 压力。 第8章 砂 桩 chapter 8 sand column 8.1 概 述 8.1 introduction 砂桩于19世纪30年代起源于欧洲。20 世纪50年代后期，日本产生了振动式和冲 击式的施工方法，处理深度可达30m。砂 桩技术自20世纪50年代引进我国后，在工 业与民用建筑、交通、水利等工程建设中 得到了广泛应用。 一、在松散砂土中的作用 l （1）挤密作用；（2）振密作用 l二、在软黏土中的作用 l （1）置换作用；（2）排水作用 8.2 加固原理 8.2 mechanism of reinforcement l三、砂桩用途 l （1）在松散砂土中，可用于增大相 对密度， l 防止振动液化。 l （2）在软黏土中，可用于提高地基 承载力， l 加速固结沉降，改善地基的整 体稳定性。 1 加固范围 l 应根据建筑物的重要性和场地条件及基础形 式而定。对一般基础，在基础外应扩大13排； 对可液化地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可 液化土层厚度的1/2，并不应小于5m；对高等级 公路，一般应处理至边缘外13m。 2 桩位布置 l 对大面积满堂处理，桩位宜用等边三角形布 置，对独立或条形基础，桩位宜用正方形或矩形 布置。 8.3 设计计算(design) l 3 加固深度 l 加固深度应根据软弱土层的性能、厚度或工 程要求按下列原则确定： l （1）当软土层不厚时，应穿透软土层； l （2）当软土层较厚时，对按变形控制的工程 ，加固深度应满足砂桩复合地基变形不超过地基 容许变形值的要求； l （3）对按稳定性控制的工程，加固深度应不 小于最危险滑动面的深度； l （4）在可液化地基中，加固深度应按要求的 抗震处理深度确定； l （5）桩长不宜小于4m。 l 4 桩径 l 目前国内采用的桩径一般为0.30.7m， 国外最大达2m。 l 5 材料 l 宜使用中粗混合砂，含泥量不大于5。 桩孔填料量应通过现场试验确定，估算时可 按设计桩孔体积乘以充盈系数1.21.4确定。 l 6 垫层 l 砂桩施工完毕后，地面应铺设3050cm 厚的砂垫层或砂石垫层。 l 7 桩距计算 l （1）砂土和粉土地基 l 可根据挤密后要求达到的孔隙比e1来 确定。 l等边三角形布置 l l正方形布置 l 其中 l 式中 s砂桩间距（m）； l d砂桩直径（m）； l 修正系数，当考虑振动下沉 密实作用时，可取1.11.2；不考虑振动 下沉密实作用时，可取1.0； l e0地基处理前砂土的孔隙比 ，可按原状土样试验确定，也可根据动 力或静力触探等对比试验确定； l e1地基挤密后要求达到的孔 隙比； lemax、emin砂土的最大最小孔隙比，可 按现行国家标准土工试验方法标准 gb/t 50123的有关规定确定； l dr1地基挤密后要求达到的相对 密实度，可取0.700.85。 l（2）黏性土地基 l 等边三角形布置 l 正方形布置 l 式中 ae1根砂桩承担的处理面积（ m2） l l式中 ap砂桩的截面积（m2）； l m面积置换率。 l 8 复合地基承载力 l 砂桩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， 也可通过下列方法估算： l （1）砂土地基，可根据挤密后砂土的 密实状态，按现行国家标准建筑地基基 础设计规范gb 50007的有关规定确定。 l （2）对黏性土或粉土地基，可按以下公式计算 ： l或 l式中 fspk砂桩复合地基承载力特征（kpa）； l fpk 桩体承载力特征值（kpa），宜通过 l 单桩载荷试验确定； l fsk处理后桩间土承载力特征（kpa）， l 宜按当地经验取值，如无经验时，可取天 l 然地基承载力特征值； l m桩土面积置换率； l d 桩身平均直径（m）； l de1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径； l 等边三角形布桩 de1.05 s l 正方形布桩 de1.13 s l 矩形布桩 l n桩土应力比。 8.4 施工 (construction) l (1)施工可采用振动沉管、锤击沉管或 冲击成孔等成桩法。当用于消除粉细砂及粉 土液化时，宜用振动沉管成桩法。 l (2)施工时桩位水平偏差不应大于0.3倍 套管外径；套管垂直度偏差不应大于1。 l重复压拔管法施打振动挤密砂桩施工示意图 8.5 质量检验 8.5 quality verification test l （1）对饱和黏性土地基，应间隔28d 后进行质量检验，对粉土、砂土和杂填土 地基，不宜少于7d。 l （2）砂桩的施工质量检验可采用单 桩载荷试验，对桩体可采用动力触探试 验检测，对桩间土可采用标准贯入、静 力触探、动力触探或其他原位测试等方 法进行检测。检测数量不应少于桩孔总 数的2。 l （3）砂桩地基竣工验收时，承载力 检验应采用复合地基载荷试验。试验数 量不应少于总桩数的0.5，且每个单体 建筑不应少于3点。 第9章 碎石桩 chapter 9 stone column 9.1 概 论 9.1 introduction 在地基中设置由碎石组成的竖向增强 体（或称桩体）形成复合地基达到地基 处理的目的，均称为碎石桩法。 l 按施工方法的不同，可分为（1）振 冲碎石桩法；（2）干振挤密碎石桩法； （3）沉管碎石桩法；（4）沉管夯扩碎 石桩法；（5）袋装碎石桩法；（6）强 夯置换碎石桩法。 l振冲碎石地基处理 l夯扩碎石桩l振冲碎石地基处理 l碎石振冲置换桩 l碎石桩地基处理 采用振冲法在地基中设置碎石桩加固 地基的方法称为振冲碎石桩法。振冲碎石 桩法适用于处理不排水抗剪强度不小于 20kpa的黏土、粉土、砂土、饱和黄土和 人工填土地基。 9.2 振冲碎石桩法 9.2 vibroflotation stone column method l9.1.1 introduction l for over 70 years depths vibrators have been used to improved the bearing capacity and settlement characteristics of weak soils. vibro compaction was introduced and developed to maturity by the johann keller company in 1936, which enabled the compaction of non- cohesive soils to be formed with excellent results. l vibro compaction has been applied successfully on numerous sites around the world. l reliable stone column production by vibro compaction in cohesive soils with a high water content is achievable with the aid of a heavy water jet. water is jetted from the vibrator tip as the vibrator is lowered to the desired depth. mud flushes loosened soil and rises to the surface, stabilising the cavity. this is known as the wet vibro replacement method. lto overcome the limitations of the vibro compaction method, a technique to insert the vibrator into the soil without the aid of simultaneously flushing in water was developed in 1956. after the vibrator is lifted, the temporarily stable cylindrical cavity is filled with coarse material, section by section. the coarse material is then compacted by repetitive use of the vibrator. l this vibro replacement procedure came to be known as the conventional dry method. such technical developments in dense stone column construction allowed for a greater range of treatable weak natural soils and man-made fills. vibro replacement continues to be widely used in europe to improve weak soil. it has a reputation for providing stable ground which allows for safe and economic construction of residential and light commercial and industrial structures. lthe conventional dry method utilizes the vibrator to displace the surrounding soil laterally, rather than for primary compaction of the original soil. the crushed stone is pressed laterally into the soil during both the cavity-filling stage and compaction stage. this produces stone columns that are tightly interlocked with the surrounding soil. lgroups of columns created in this manner can be used to support large loads. the conventional dry method reliably produces stone columns to depths of 8 m in cohesive soils that have a shear strength of at least 20 kn/ m2. lin very soft nearly liquid soils vibro replacement is not applicable due to the lack of lateral support of the soil. a geotextile coating may be used around the column to ensure filter stability and to activate tensile forces to avoid lateral spreading of the column. (geotextile- coated stone column method) l9.1.2 vibro processes l during vibro compaction, the motor runs as the depth vibrator is inserted into the soil. the insertion is aided by water flushing. field experience has shown that penetration is more effective when a larger volume of water is used, rather than a high pressure. the water flow will expel some loosened sand through the annulus around the vibrator. lafter the initial insertion and compaction processes have been completed at a particular location, the vibrator is moved to the next location and lowered to the depth specified for compaction. l振冲碎石桩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承载力 特征值按下式估算： l l等边三角形布桩 l正方形布桩 l矩形布桩 ls为等边三角形布桩和正方形布桩时的桩 间距，s1、s2分别为矩形布桩时的纵向桩 间距和横向桩间距。 l 对小型工程的黏性土地基如无现场 载荷试验资料，初步设计时复合地基的 承载力特征值也可按下式估算： l 式中 n为桩土应力比，在无实测资料 时 ，可取24，原土强度低