地基处理讲义1.ppt

1,第5章 地基处理,第1节 概述 第2节 垫层法 第3节 排水固结法 第4节 深层水泥搅拌法 第5节 高压喷射注浆法 第6节 强夯法 第7节 振冲法,2,地基:是指直接承受建筑物荷载的那一部分地层。 天然地基:对地质条件良好的地基，可直接在其上修筑建筑物而无需事先对其进行加固处理，此种地基称为天然地基。 在工程建设中，有时会不可避免地遇到地质条件不良或软弱地基，若在这样的地基上修筑建筑物，则不能满足其设计和正常使用的要求；同时随着科学技术的不断发展，建筑物的荷载日益增大，对地基变形的要求也越来越严，因而，即使原来一般可被评价为良好的地基，也可能在特定的条件下必须进行地基加固。这些需经人工加固后才可在其上修筑建筑物的地基称为人工地基。,第1节 概 述,3,淤泥、淤泥质土在工程上统称为软土，其具有特殊的物理力学性质，从而导致了其特有的工程性质。,工程中常需要处理的土类主要为：淤泥及淤泥质土、粉质粘土、细粉砂土、砂砾石土、黄土、膨胀土、红粘土及岩溶等。,地基处理:就是指对不能满足承载力和变形要求的地基进行人工处理，以便能满足工程要求，亦称之为地基加固。,4,软土：指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用下形成的软弱土。,软土物理力学特性,天然孔隙比大： e1,天然含水量高：接近或大于液限,压缩系数高,渗透系数小 固结缓慢,抗剪强度低,灵敏度高 扰动会影起结构破坏,具有明显的流变性,流变：在应力不变的情况下，土体的剪应变和体应变仍随时间而增长的现象。,软土地基,5,淤泥：e1.5,淤泥质土：1.5 e1.0,软土,工程特性 软土地基的,地基承载力低,建筑物的沉降和差异沉降较大,建筑物沉降历时长,软土地基,6,粉细砂、粉土和粉质土： 在机器振动、波浪和地震等动荷载作用下易产生液化、震陷。 砂土、砂砾石等： 透水性大，抗渗和防渗，防止渗透破坏. 地基的透水性表现在堤坝等基础产生的地基渗漏；基坑开挖工程中，因土层内夹薄层粉砂或粉土而产生流砂和管涌。都是地下水的运动中所出现的问题。为此，必须采取措施使地基土降低透水性和减少其上水压力。,7,地基处理的目的:主要是改善地基的工程性质，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度，改善其动力特性，提高地基的抗震(振)性能等,使其满足工程要求。 工程要求包括：强度要求、变形要求、动力稳定性要求、透水性要求、特殊土地基安定性要求。,地基处理的目的,8,强度要求：满足地基土在上部结构的自重及外荷载作用下不致产生局部或整体剪切破坏。 变形要求: 满足地基土在上部结构的自重及外荷载的作用下不致产生过大的沉降，特别是超过建筑物所能容许的不均匀的沉降。 动力稳定性要求:满足地基土在动力荷载（如地震荷载）作用下不致发生液化、 失稳和震陷等灾害。 透水性要求: 满足地基土的地下水不会由于施工而造成渗漏量或动水压力超过容许值，发生涌土、流砂、边坡滑边等事故。 特殊土地基安定性要求: 满足湿陷性黄土、膨胀土、内陆性盐渍土等特殊土上的建筑物不会由于不良土性而发生损坏。,地基处理的目的,9,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。,地基处理的原则,10,地基处理方法的分类,要掌握地基处理的主要方法、适用范围及加固原理. 注意：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。,11,地基处理方法的分类,1.换土垫层法 换土垫层法的基本原理是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂（或砂石）垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层等。 一般适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土、以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。 2.振密、挤密法 振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。 （1）表层压实法 （2）重锤夯实法 利用重锤自由下落时的冲击能来夯击浅层土，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层。,12,（3）强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性，消除土的湿陷性、胀缩性和液化性。 （4）振冲挤密法 振冲挤密法一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，颗粒重新排列，孔隙比减小；另一方面依靠振冲器的水平振动力，形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压密实。 （5）土桩与灰土桩法 利用打入钢套管（或振动沉管、炸药爆破）在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土变得密实，然后在孔中分层填入素土（或灰土）后夯实而成土桩（或灰土桩）。,13,（6）砂桩 在松散砂土或人工填土中设置砂桩，能对周围土体产生挤密作用或同时产生振密作用。 （7）爆破法 利用爆破产生振动使土体产生液化和变形，从而获得较大的密实度，用以提高地基承载力和减小沉降量。 3.排水固结法 基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排 出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程 中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力 增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高 沉降速率。 （1）堆载预压法 （2）砂井法 （3）真空预压法 （4）降低地下水位法 （5）电渗排水法,14,4. 置换法 原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。 （1）振冲置换法（碎石桩法） （2）石灰桩法 （3）强夯置换法 （4）水泥粉煤灰碎石桩法(cfg桩法) 5 .加筋法 通过在土层中埋设强度较高的土工聚合物、拉筋、受力 杆件等提高地基承载力、减小沉降、维持建（构）筑物 或土坡稳定。 （1）土工聚合物（2）加筋土（3）土层锚杆（4）土钉 （5）树根桩法,15,6 .胶结法 在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等固化物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。 （1）注浆法 （2）高压喷射注浆法 （3）水泥土搅拌法 7. 冷热处理法 （1）冻结法 （2）烧结法,16,地基处理方法的选择,17,第2节 夯实法及碾压法,通过夯锤或机械，夯击或碾压填土、疏松土层，使其孔隙体积减少、密实程度提高，这种作用称为压实。压实能降低土的压缩性、提高其抗剪强度、减弱土的透水性，使经过处理的表层弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。,18,一、土的压实原理 大量工程实践和试验研究 表明，控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。,19,1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和 条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。 在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。,20,w,d,0,dmax,wop,21,试验统计表明：最优含水量wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量大。 2.压实功能 对于同类土，随着压实功能的变化，最大干密度和最优含水量也随之变化。当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大；反之，干密度较大，对应的最优含水量则较小。,22,第3节 换土垫层法,当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基的要求时，常在地基表面铺设一定厚度的垫层，或将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。 这种处理地基表层的方法称为垫层法。,23,按其组成的材料可分为:砂垫层、碎石垫层、灰土垫层和加筋土垫层等。 按其作用分为：换土垫层、排水垫层和加筋土垫层。 1.换土垫层：是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、等强度较大、性能稳定和无侵蚀性材料。 换土垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、湿陷性黄土、松散素填土、杂填土、浜填土、以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。 处理深度常控制在3米范围以内,所承受建筑物的荷载不宜太大。也不宜小于0.5m，因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。,24,砂垫层,25,其作用为：提高浅层地基承载力；减小地基沉降量；通过垫层，扩散基底压力，均化应力分布；垫层（砂、石）可作为基底下水平排水层，加速软弱土层的排水固结； 消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性、防止土的冻胀作用。 常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。 2.排水垫层：指软土地基上堤坝基底铺设的水平排水层，采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑。其作用主要是排水固结和约束地基的侧向变形。 3.加筋土垫层：指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。 改善应力场和应变场，均化应变。,26,换土垫层的设计 换土垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度两方面，要求有足够厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，有足够宽度防止垫层向两侧挤出，又要求设计荷载通过垫层扩散至下卧软土层的附加应力，满足软土层承载力与稳定性和沉降的要求。 垫层厚度目前常用的计算方法是近似按应力扩散角进行计算。即认为砂垫层以“”角向下扩散基底附加压力，到砂垫层底面(下卧层顶面)处的土中附加压应力与土中自重应力之和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力，即：,27,(1).砂垫层厚度的确定,28, z, z,对矩形基础:,垫层底面处的附加压力,条形基础:,垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。计算时，先假设一个垫层厚度（1-2m)，再按上式验算。,29,(2)垫层宽度的确定 垫层宽度应满足基础底面压力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定。,对于比较重要的建筑物，还应计算地基的变形量。地基变形仅考虑下卧土层的变形量。 垫层材料应分层夯实并达到一定的密实度，以保证其自身的承载力满足设计要求。,30,第3节 排水固结法,排水固结预压法:即指给地基预先施加荷载，为加速地基中水分的排出速率，同时在地基中设置竖向和横向的排水通道，使得土体中的水分排出，逐步固结，以达到提高地基承载力和稳定性、减小沉降量目的的一种地基处理方法。,31,排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。设置排水系统的目的，主要在于改变地基原有的排水边界条件，缩短孔隙水排出的路径，加快排水固结时间。排水系统由竖向排水体和水平向排水体构成，竖向排水体如砂井，水平排水体为砂垫层。 加压系统主要作用是给地基土增加固结压力，使其产生固结。加压的方式通常可利用建筑物（如房屋）或构筑物（如路堤、堤坝等）自重、专门堆载、充水（如油罐充水）及抽真空施加负压力荷载等。,32,目的： 沉降问题：使地基的沉降在加 载预压期间大部分或基本完成， 使建筑物在使用期间不致产生不 利的沉降和沉降差； 稳定问题：加速地基土的强度的 增长，提高地基的承载力和稳定性。,33,一、排水固结预压法加固原理,室内压缩试验说明排水固结法原理,饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。,进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力沉降减少，如进行超载预压(预压荷载大于建筑物荷载)效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。,34,当土样在天然状态下施加荷载压力至完全固结时，曲线从天然状态a点开始，在作用下，土中水排出，土体固结压密，沿曲线abc到达c点，孔隙比减少e,相应抗剪强度逐渐增大。 在完全固结c点，卸去全部荷载后，曲线立即回弹，沿cef曲线返回f点，有效固结压力恢复至天然状态，由于土样孔隙中水部分被固结排走，孔隙比只能回弹到ef,同样抗剪强度也只能恢复部分，不能恢复到天然状态，常把这种称为超固结状态。 在超固结状态下的土样又再施加荷载压力至完全固结时，曲线从f点沿fgc再固结压缩至c点。,35,显然在相同的固结压力下，当给土样预先施加一个荷载后，再给土样施加荷载，则土样的密实度和抗剪强度提高(图中的f点、e点分别要比a点和b点高) ，变形减小（ee）。 利用这个原理，如果在建筑场地上预先施加一个与上部结构荷载相同甚至大于它的荷载进行预压，使土层得以排水固结，然后卸除荷载再在其上修建建筑物或构筑物，则由建筑物引起的沉降可大大减小。,36,（1）提高建筑物软土地基的承载力与稳定性，常用于堤坝、油罐等的修筑。 （2）消除或减少基础（底）的沉降，常用于减少建筑物基础的沉降或消除高速公路路堤的工后沉降等。,主要应用于：,37,土层的排水固结效果和它的排水边界条件及预压荷载有关。当土层厚度相对于荷载宽度比较小时，土层中孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，称为竖向排水固结。根据固结理论，粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比。因此，为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。可在地基中设置各类竖向排水体，如普通砂井、袋装砂井、塑料排水带和水平排水垫层等。,38,竖向排水情况,砂井地基排水情况,按固结所需的渗径距离，均匀布置，利用机械，垂直打入一定深度的井孔，内灌透水性好的砂，形成排水砂井。作用：增加排水通道，缩短渗径，加速地基固结、强度增长和沉降发展。,39,排水固结预压法主要适用 于处理淤泥、淤泥质土及其他 饱和软粘土。对于砂类土和粉土，因其透水性良好，无需用此法处理。 一、堆载预压法 二、砂井堆载预压法 三、真空预压法,40,二、砂井地基固结理论 沙井的平面布置有：梅花形（正三角形）、正方形。设每根砂井为一独立排水体系，每根砂井的影响范围以等面积圆代替，其等效影响直径为： 梅花形布置 de=1.05l 正方形布置 de=1.128l l砂井布置间距。,41,地基中设置砂井后，土体孔隙水既可沿竖向排出，也可沿径向排出，竖向和径向的排水均可引起地基的固结。 固结度计算时，作如下假设： 地基土是完全饱和的，排出的孔隙水体积等于土体的压缩体积； 预压荷载均布、连续，地基仅产生竖向的压密变形，不考虑侧向变形的影响；,42, 预压荷载是一次、瞬时加上的，加荷瞬时，外荷载全部由孔隙水压力承担； 地基土在压密过程中，保持渗透系数不变，同时不计施工时产生的、可影响砂井渗透性的井壁涂抹作用,43,固结度的计算,瞬时加载： 逐级线性加载 逐级变速加载：,44,三、排水固结设计 设计内容： 确定预压荷载类型、大小； 确定竖向排水体的类型、布置和打入深度； 分析地基固结、地基强度增长和地基沉降的发展； 拟定分级逐级加载的进程，控制加载速率，保证地基在稳定条件下施工。,45,1.竖向排水体类型选用 （见表5-3） 2.竖向排水体布置间距、打入深度 布置的间距根据须达到的固结度和允许预压时间的长短来确定。排水带和袋装砂井宜为1.0-2.0m,普通砂井宜为2.0-3.5m，低于下限时，易受施工对土扰动增大涂抹的影响；大于上限时，固结效果不佳。,46,打入深度： 当压缩的软土层厚度10m时，对以稳定性控制的预压工程，打入深度应到达圆弧滑动分析确定的最危险圆弧最大深度下2m; 当厚度10m时，对以变形控制设计的工程，打入深度应到达地基沉降计算时有效压缩层的深度。,47,3.地基强度增长的计算 在外荷载作用下，一方面由于地基排水固结，土中有效应力增大，引起地基土强度增大；另一方面，地基由于剪切变形，引起地基强度的衰减。时间t地基强度的增长值为： ft=(cu+zuttancu) ft荷载作用下，历时t对应的地基强度； cu天然地基土的三轴试验不排水抗剪强度,48,z计算点的竖向附加应力； ut计算点历时t 的固结度； 4.预压设计 （1）为消除基础沉降的预压设计 应满足下式的要求： sfp -stp+p sa t ta stp+p=sfp+p(ut)p+p +(-1)1/,49,stp+p预压荷载p+p作用下，相应于历 时t，地基固结度为ut引起的沉降值，,sfp+p为预压荷载作用下的最终沉降值, 可 用分层总和法计算。,sfp设计荷载作用下基础的最终沉 降值，可用分层总和法计算；,50,设计内容: 确定预压荷载的大小； 预压要求达到的固结度或预压固结持续 的时间。 设计步骤： 设定某一预压荷载（ p+p），计算最终沉降值sfp+p ； 计算设计要求达到的固结度和所需预压持续时间，且满足t ta 。,51,p1,p2,p3,t1,t2,t3,t4,t5,52,设计步骤： 利用天然地基强度求第一级荷载p1; 求仅在第一级荷载p1持续作用下地基固结度为70%-80所需预压时间t1; 求仅在第一级荷载p1持续作用下地基的强度增长值ft1 ，固结度取70%; 利用地基强度ft1求p2； 如p2未达到设计荷载，重复上述步骤计算第三、四.级荷载，直到达到设计荷载为止。 确定地基稳定性，沉降和工期是否满足？如不，重新设计。,53,四、排水固结的施工,应用排水固结法加固软粘土地基是一种比较成熟、应用广泛的方法。从施工角度分析，要保证排水固结法的加固效果，主要做好以下三个环节：铺设水平排水垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。每个环节都有其特殊的要求，它关系到该法加固软土地基的成败。,54,普通砂井的施工,55,普通砂井的施工,56,袋装砂井的施工,57,袋装砂井的施工,58,塑料带排水法是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中，然后在地基面上加载预压(或采用真空预压)，土中水沿塑料带的通道逸出、从而使地基土得到加固的方法。,塑料排水带的施工,59,60,预压荷载的施工,61,预压荷载的施工,62,预压荷载的施工,63,第四节 真空预压加固机理,真空预压法(vacuum preloading)不需要进行堆载和卸荷，是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水管道，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空。当抽真空时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下，土体中的孔隙水不断地由排水通道排出，使土体固结。,64,第4节 深层水泥搅拌法,深层搅拌法（deep mixing methoddmm）是一种化学加固地基的方法。它通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆、水泥粉或石灰粉，外掺一定的添加剂）与地基土强制就地搅拌，利用固化剂自身及其与地基土之间所产生的一,65,系列物理、化学反应，使地基土硬结成为具有整体性、水稳定性、较低渗透性和一定强度的复合土桩（体），或与地基土构成复合地基，从而提高软土地基的承载力、减小地基的变形。,66,水泥土搅拌桩的应用,支护结构 重力式支护结构；止水帷幕； 地基加固 提高地基强度；控制沉降；防止液化 适用于淤泥质土、粉质粘土和低强度的粘性土地基。,67,支护结构 水泥土墙,68,支护结构水泥土墙,69,支护结构水泥土墙,70,支护结构水泥土墙,71,水泥土搅拌桩的应用 地基加固,a)柱状布置；b) 壁状布置；c) 格栅状布置；d) 块状布置,72,建筑物的地基加固，常采用桩型水泥土加固体，荷载不大时，可用单轴单桩体，较大时用双轴桩体，平面上按基础的形状均匀布置；如基础面积大，对地基均匀沉降要求高，应按格室形或墙体型布置水泥土加固体。,73,地基加固,74,深层搅拌法按固化主剂的 不同可分为水泥系深层搅拌法 和石灰系深层搅拌法；按施工工艺又可分为浆体喷射深层搅拌法和粉体喷射深层搅拌法（湿喷和干喷）。 水泥系深层搅拌法所形成的固化土称为水泥土（水泥加固土），影响水泥土强度的主要因素有： 1.水泥掺入比,75,水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大。当aw5%时，由于水泥与土的固化反应过弱，对于提高地基土的强度效果不明显。工程上常用的aw约为725%。,76,水泥土的强度增长率在不 同的掺入量区域、不同的龄期 时段内是不相同的，而且原状土不同，水泥土的强度增长率也不同。,77,78,2.龄期 水泥土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增大，其强度增长规律不同于混凝土，一般在t28d后强度仍有较大增长。直到90d后其强度增长率逐渐变缓。所以，以龄期90天作为标准强度。,79,3.地基土的含水量 当水泥掺入比相同时，水 泥土的无侧限抗压强度随着含水量的降低而增大。含水量的降低使水泥土的密实性得到增强，从而提高了强度。 4.水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增大。在水泥掺入比相同的条件下，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧限抗压强度约增大2030。,80,5.添加剂 不同的添加剂对水泥土强度 有着不同的影响，选用合适的添加剂可以提高水泥土强度或节省水泥用量。在水泥系深层搅拌法中，常选用木质素磺酸钙、石膏和三乙醇胺等添加剂。添加剂对水泥土强度的影响程度可通过试验来确定。,81,6土中的有机质含量 由于有机质使土壤具有较大 的水容量和塑性，较大的膨胀性和低渗透性，并使土壤具有酸性，这些因素都会阻碍水泥水化反应的进行，影响水泥土的固化，从而降低水泥土的强度。因此，有机质含量的增高将会明显地降低水泥土的强度。,82,83, 深层搅拌机 喷浆型式的深层搅拌机是以水泥浆作为固化剂的主剂，通过搅拌头强制将软土和水泥浆拌合在一起。 深层搅拌机的类型根据搅拌轴数可分为单轴和多轴搅拌机，目前浆液喷射所用的是单轴和双袖深层搅拌机。按喷浆方式有中心管喷浆方式和叶片喷浆方式。后者是使水泥浆从叶片上若干小孔喷出，中心管喷浆方式中的水泥浆是从两个搅拌轴之间的另一根管子输出。,84,(a)定位 (b)喷浆(粉)搅拌下沉 (c)搅拌上升 (d)重复喷浆(粉)搅拌下沉 (e)重复搅拌上升(完毕),(a),(b),(c),(d),(e),搅拌工艺,打入深度较大，应自上而下，或自下而上分段搅拌。控制提升速度、喷浆速度,85, 钻机 喷粉型式的深层搅拌机械是以水泥粉作为固化剂的主剂。水泥粉体搅拌技术是基于钻机钻孔时，回转转盘和加压机构通过钻杆向钻头施加作用力，钻头在轴压力和回转扭矩作用下切入土层并切碎土体到达设计深度后，然后反向旋转提升钻头，同时利用压缩空气输入水泥粉体，通过钻头的搅拌作用，使水泥粉和土体充分拌和，边提升钻头、边喷入水泥粉，边搅拌混合，直至钻头提出地面完成一根搅拌桩的施工。,86,粉体喷射深层搅拌法的施工工艺,87,水泥土搅拌桩 复合地基的设计,设计原理 水泥土单桩竖向承载力特征值 复合地基承载力 下卧层地基强度验算 沉降计算,88,设计原理,桩土共同承载 承载 桩的承载力 + 桩间土承载力（折减） 沉降 桩范围的压缩 + 桩端以下土的沉降,89,单桩竖向承载力特征值,水泥土90d龄期的无侧限抗压强度平均； 桩身强度折减系数,干法可取0.20.3 湿法可取0.250.33 ； 桩端天然地基土的承载力折减系数， 可取0.40.6,承载力高时取低值。 _桩侧阻力特征值,对淤泥取4-7kpa,对淤泥质土6-12kpa,对软塑状粘性土10-15kpa,对可塑状粘土12-18kpa. 桩端地基土未修正的承载力特征值.,qsi,qp,90,确定桩长、水泥掺入比： 当软土较厚，搅拌桩不穿透软土层时，由无侧限抗压强度（试验得）按（1）式计算单桩承载力特征值，再由（2）式反算所需桩长。 当软土不厚，桩端可进入下部硬土层，或因施工限制加固深度，可直接定桩长，计算ra,由ra推求水泥掺入比。,91,复合地基承载力特征值,复合地基承载力特征值； 桩间土承载力特征值； 桩土面积置换率；m = nap/a 桩间土承载力折减系数；可取0.5-0.9 设计时,先求出ra,fsk,再按荷载和基底面积确定复合地基承载力特征值,由上式反算置换率m和桩数n.也可预设若干面积置换率，计算ra,桩长，无侧限抗压强度，水泥掺入比，桩数。,92,下卧层地基强度验算,式中 假想实体基础底面压力(kpa)； a基础底面积(m2)； au假想实体基础侧表面积(m2)； fe假想实体基础侧表面平均摩阻力； ac 假想实体基础底面积(m2)； fc 假想实体基础底面经修正后的地基 承载力特征值。,=pka+gk-fs(a-ac)-feau/acfc,93,桩,桩,土,gk,ac,fc,fe,l,fs,pka,94,沉降计算,水泥土桩复合地基的沉降包括： 水泥土桩群体的压缩变形 桩端下未加固土层的压缩变形 均可按分层总和法计算。,95,例题:某柱下独立基础基底尺寸为48米,埋深2米,基础下天然地基为淤泥质土,承载力特征值fak=80kpa,不能满足设计要求,欲采用水泥土搅拌桩进行加固,水泥土搅拌桩直径500mm,桩体无侧限抗压强度为2 mpa,要求加固后复合地基承载力特征值为160kpa,试确定水泥土搅拌桩的长度和数量. 求m, n=ma/ap 求桩长,96,第5节 高压喷射注浆法,高压喷射注浆法（high pressure jet grouting）是利用高压射流技术，喷射化学浆液，破坏地基土体，并强制土与化学浆液混合，形成具有一定强度的加固体，来处理软弱地基的一种方法。,97,98,利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入(或置入)至土层预定的深度后，似2040mpa的压力把浆液或水从喷嘴中喷射出来，形成喷射流冲击破坏土层，形成预定形状的空间，当能量大、速度快和脉动状的喷射流的动压力大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来。,高压喷射注浆法,99,一部分细粒土随浆液或水冒出地面，其余土颗粒在射流的冲击力、离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按定的浆土比例和质量大小，有规律地重新排列。这样注入的浆液将冲下的部分土混合凝结成加固体，从而达到加固土体的目的。它具有增大地基强度、提高地基承载力、止水防渗、减少支挡结构物土压力、防止砂土液化和降低土的含水量等多种功能。,100,按产生固结体的大小，分四种喷管： 1.单喷管，形成直径0.3-0.8m； 2.二重喷管，输送空气和浆液两种介质，直径0.8-1.2m； 3.三重喷射管，输送水、气、浆三种介质，直径1-2m; 4.多重喷射管，直径2-4m;,101,按注浆喷射形式的不同， 加固体的形状不同。喷射形 式主要有： 1.旋转喷射注浆； (圆柱状） 2.定向喷射注浆；（壁状体） 3. 摆喷注浆。（扇形体）,102,高压喷射注浆法在工程上 的应用主要有两方面： 1.加固地基，提高建筑物地基的承载力，改善地基的变形性质，既可应用于拟建建筑物的地基处理，又可应用于已建建筑物的事故处理。应用于淤泥质土、黄土等。 2.地基或土体的防渗处理，形成防渗帷幕，防止渗流破坏、流土或管涌。应用砂土和砂砾石等。,103,设计计算方法同水泥土搅拌桩. 喷射注浆施工顺序： 开始钻进钻进结束高压旋喷开始喷嘴边旋转边提升喷射结束,104,施工工艺,105,106,第6节 强夯法,强夯法是用几吨至几十吨的重锤从高处落下(十几米至几十米)，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。与重锤夯实不同，通过强大的夯击力在地基中产生动应力和振动波，从夯击点发出纵波和横波，向地基纵深方向传播，使地基浅层和深处产生不同程度的加固作用。强夯法也称为动力固结法。 可加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、砂土、低饱和粘土和粉土。对高饱和的粉土和粘土，可向夯坑内回填碎石等材料进行强夯置换。但振动大，噪音大，影响附近建筑物。,107,重约100kn的夯锤，落距13m 堆载预压与强夯的对比,108,由法国menard技术公司首创，对riviera滨海填土进行夯实。该场地地质条件为新近填筑的、厚约9m的碎石填土，其下是厚12m疏松的砂质粉土，场地上要求建造20幢8层的住宅。由于碎石填土完全是新近填筑的，需要对地基进行加固处理。,109,重锤夯实法即用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后使锤自由下落并重复夯击，使浅层土体变得密实，地基得以加固。重锤夯实法是一种独立的地基浅层处理方法，也是换土垫层法压实的一种手段。 重锤夯实法适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土及分层填土等。,110,强夯的机理：（分三个阶段） 1.加载阶段 夯击的一瞬间，夯击使地基土产生强烈的振动和动应力，动的有效应力使土体产生塑性变形，破坏土的结构。砂土：颗粒重新排列而密实；粘性土：骨架被压缩，同时造成动力排水条件。 2.卸载阶段 夯击卸去的一瞬间，动应力消失，土中孔隙水压力很大，土体中出现负有效应力，引起砂土的液化和粘性土开裂，,111,渗透性增大，孔隙水压力消散。 3.动力固结阶段 卸载后，土体中仍然有一定的孔隙水压力，在此压力下排水固结。,112,土的类型的不同，强夯加固的机理亦有所不同。对于粗颗粒、非饱和的土体，通过强夯法，给土体施加动力荷载，夯击能使土的骨架变形，土体孔隙减小变得密实，非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的过程。由于提高了土的密实度，使土体抗剪强度提高，压缩性减小。因此强夯法加固处理多孔隙、粗颗粒、非饱和土体，其机理实质是动力密实。,113,对于饱和的细颗粒土，强夯法处理机理则为动力固结。当巨大的冲击能量施加于土体后产生很大的应力波，存在于土体中的微气泡体积压缩，从而使土体体积得到压缩，土体体积压缩后孔隙水压力增加，增加至上覆压力值时，土体产生液化（局部液化），之后土体结构遭到破坏，使土体产生很多裂隙，改善土体透水性能，使孔隙水顺利逸出，待孔隙水压力消散后，土体固结，强度提高，压缩性减小。,114,适用条件： 适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土等地基。对于高饱和度的粉土和粘性土，可采用在夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料进行强夯置换。 工程应用： 1.加固建筑物松散软弱土地基； 2.处理非均匀性土层地基； 3.处理可液化地基。,115,强夯置换的加固机理,116,强夯置换的加固机理,117,118,设计的基本程序 查明场地的工程地质条件、工程规模大小及重要性； 确定加固目的与加固要求，初步计算夯击能量、夯击遍数、夯点间距、加固深度等施工参数； 根据确定的参数，制定施工计划和施工说明； 施工前试夯，现场确定加固效果，确定是否修改。,强夯法设计,119,强夯法施工步骤,120,夯击能量的选择,根据需加固土层的厚度来确定,同时考虑施工设备情况,强夯法加固区影响深度: x=m(wh/10)1/2 夯击点的布置与间距: 按正方格布置夯击点,间距为59米,第一遍距离不宜太小,为夯锤直径的3-4倍,第二、三遍逐渐减少,可相互搭接,最后用低能量满夯一次.,121,单点夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数与夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： 最后两击的夯沉量不大于50mm，当单击夯 击能量较大时不大于100mm； 夯坑地面周围不应发生过大隆起； 不因夯坑过深而发生起锤困难。 一般情况下，夯击遍数为24遍，当夯击期间沉降量为计算最终沉降量的80%-90%时，即可停止夯击。最后再以低能量满夯一遍。,122,123,124,大连石化公司填海地基,拟在在海边堆填碎石地基上建设渣油催化装置，根据设计要求，地基容许承载力应达250kpa，沉降量不得大于5cm，并对不均匀沉降也严格控制。 堆填后的碎石地基，填石厚度大,约78m，块石较大,级配差,场地非常疏松，极不均匀,难以达到设计要求。 要求进行地基处理方案设计(2)。,125,方案设计,预制桩基：经试打，因遇大块石无法打入。 进行强夯法： 如何确定设计参数？ 如何测试地基加固的效果？ 强夯法对已建海堤影响如何？,126,由现场试验确定设计参数：,单点夯击 不同夯击遍数的比较 有效加固深度 地基土的水平位移 夯坑周围地表变形 地基承载力 变形模量的确定,127,如何测试地基加固的效果？,夯坑变形测试 深度变形测试 地面变形测试 水平位移测试 荷载试验等,128,检验方法： 原位测试和室内土工试验。 原位测试：触探法、载荷试 验，十字板剪切试验。,129,试验结果,用15t的锤，落距20m，单击夯击能3000knm，试验结果为夯14次，总夯沉量的86%，为最大夯击击数。 有效加固深度6m 地基土的水平位移: 5m处1.4cm，10m外近为0，对海堤影响小。 坑周地表变形:平均夯沉量101.6cm 地基承载力和变形模量满足。,130,第5节 振冲法,通过机械振动挤压或加水振动可使土密实，挤密法和振冲法就是利用这个原理发展起来的两种地基加固方法。,131,挤密法,挤密法是以振动或冲击的方式成孔，然后在孔中填人砂、石或其他材料，并加以捣实成为桩体，按填入的材料分别称为砂桩、碎石桩、砂石桩等。 加固机理：靠桩管打入（沉入）地基，对土产生横向挤密作用，在一定挤密功能作用下，土粒彼此移动，小颗粒填入大颗粒的孔隙，颗粒间彼此靠近，孔隙减少，使土密室，地基土的强度随之增强。挤密法主要使松散土地基密实，改善土的强度和变形特性。且桩体与土组成复合地基，共同承担荷载。 主要适用处理松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等。,132,振冲法：利用振动和水力冲切原理加固地基的方法。分为振冲密实和振冲置换。 振冲密实：利用振冲器冲切下沉并振动使砂土密实，适用于砂类土。 振冲置换：利用振冲成孔把粘土冲出，置换砂砾石并振密形成碎石桩体，与原地基土共同作用，提高地基的承载力和改善变形性质。适用于粘性土。,133,振冲法,134, 振冲密实的加固机理 振冲密实（也称振冲加密或振冲挤密）加固砂层的机理。简单地来讲，是振冲器的强力振动使松砂在振动荷载作用下，颗粒重新排列，体积缩小，变成密砂,即挤密作用;或孔隙压力升高使饱和砂层发生液化。 故在砂土中主要是振动挤密和振动液化作用。,135,挤密区,3.0g,剪胀区,弹性区,加速度,0.5g,1.0-1.5g,流态区,孔隙比,振动液化和振动加速度有关，在挤密区内的振冲起加密作用，在流态区砂土不易密实，产生液化。,136,振冲密实的加固机理,137,（二）振冲置换的加固机理,138,必备条件：地基土具有足够侧向土压力，抵抗振冲的侧向动压力。 地基土必须具备一定的抗剪强度，才能使振冲置换形成碎石桩。规范规定振冲置换法适用处理不排水抗剪强度不小于20kpa的粘性土。否则，强度太低，不能承受桩体自身的侧限压力。,139,砂桩也称为挤密砂桩或砂桩挤密法。是指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后将砂再挤入土中，形成大直径的密实砂柱体的加固地基的方法。砂桩属于散体桩复合地基的一种。,砂桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基。对饱和粘土地基上对变形控制要求不严的工程也可采用砂桩置换处理。,砂 桩,140,砂桩的加固机理 一、砂桩在松散砂土中的加固机理,砂桩加固砂性土地基的目的主要有：提高桩和桩间土的密实度，从而提高地基的承载力，减小变形、增强抗液化能力。,砂桩加固松散地基抗液化和改善地基力学性能的机理主要有以下三个方面：,141,砂桩在松散砂土中的加固机理,142,143,砂桩在松散砂土中的加固机理,144,砂桩在松散砂土中的加固机理,145,实例,146,二、砂桩在软弱粘土中的加固机理,147,砂桩的施工方法,148,碎 石 桩,149,按其制桩工艺分为振冲(湿法)碎石桩和干法碎石桩两大类。 采用振动水冲法施工的碎石桩称为振冲碎石桩或湿法碎石桩。 采用各种无水冲工艺（如干振、振挤、锤击等）施工的碎石桩称为干法碎石桩。,150,cfg桩定义：,利用机械或人工在地基中成孔后，在所成碎石桩的材料上加入一些石屑、粉煤灰和少量的水泥，水振实后形成的桩。 与碎石桩比，cfg桩桩身刚度大，不属于散体材料桩，承载力取决于桩侧摩阻力和桩端端承力或桩体材料强度,151,152,153,cfg桩的加固机理,154,作用是：（1）保证桩、土共同承担荷载； （2）调整桩、土荷载分担比。,褥垫层作用,155,cfg桩复合地基承载力计算,156,157,徐州镀锌焊管厂扩建工程地基处理,土层条件： 1粉土：2.02.6m，软塑,饱和,120kpa； 2淤泥质粉质粘土：0.10.5m，流塑，很湿，高压缩性，78kpa； 3粘土:2.23.1m,软塑,很湿,高压缩性,(98120)kpa; 4粉土：2.52.8m,软塑,饱和,174kpa； 5粘土：0.71.4m,可塑,很湿,中高压缩性,134kpa； 以下各层为工程性质较好。 设计要求 扩建工程为原料库和精装车间，长216m，跨度分别为24m和18m，且有大面积堆载。因此要求对基础形式进行选择。,158,方案设计,地基加固和基础造价：7085元/m2; 预制桩或钻孔灌注桩，同类建筑的基础造价：120170元/m2; 为节省投资，采用挤密碎石桩处理方案。 现场试验： 基桩：s=1.5m,l=9m,d=0.5m，正方形。 荷载试验:承载力提高,达170kpa,压缩性降低。,159,兰州二电厂冷却塔，高70m，直径60m。所在场地为高湿陷、强敏感自重湿陷性黄土，层厚约12m，最大湿陷系数0.142，总湿陷量140cm左右，平均12cm/m以上，最大自重湿陷系数0.113，计算自重湿陷量70cm，平均6cm/m以上。问如何对地基处理？,160,甘肃省建研所承担土桩和灰土试验方案,桩间土的挤密效果：当s=2.5d,最小压实系数cmin0.84时,土的湿陷起始压力ps200kpa。湿陷即已消除。 浸水载荷试验：天然地基的沉陷量45cm，挤密地基为其值的215%。 大面积试坑浸水试验：天然地基自重沉陷量67cm，挤密地基为其值的7.2cm,其中5cm发生在处理层9m以下天然土层上，因此处理层湿陷消除。,161,设计方案,土桩挤密法与垫层法相结合,上部垫层为厚2m的整片灰土垫层，下部为68m的土桩挤密地基，处理范围超出基础边缘尺寸为大于基础宽度的3/4，且不小于7m，桩径d=0.4m，桩间距s=0.9m，按等边三角形布置，要求平均干密度d=16.3kn/m3，平均压实系数c0.93，符合规范要求。施工用沉管法成孔，要求预留1m厚的土层，待作基础垫层时挖除。,162,第6章 土工合成材料,土工合成材料：曾称为土工织物，它是由高分子聚合物通过纺丝制成纤维而合成，是各种聚合材料的总称。土工织物有多种形式，如以聚合物材料丝编而成的“土工网”；以聚合物体冲孔并拉伸制成的“土工格栅”；以及工程上要求不透水的“土工膜”等。 特点：质量轻、强度高、弹性好、耐磨、耐酸碱、不易腐烂、吸湿性小。但在阳光照射下易老化。,163,根据制造工艺的不同，又可分为“不织土工布”、“编织土工布”和“机织土工布”等。具有良好的透水和反滤性能。 土工格栅 ：抗拉强度高 土工网格：强度较低，用作隔离和排水 土工膜：不透水，用于隔水防渗,164,土工合成材料的作用 (1).反滤作用 将土工织物置于上游面的块石护坡下面，土工织物将与其相邻接触部分土层共同形成一个反滤系统，起到反滤、隔离和防冲刷的作用，也可铺放在下游排水体(褥垫排水或棱体排水)周围起反滤作用，防止管涌。,165,(2).排水作用 土工织物除了可作透水反滤外，由于其具有良好的三维透水性，由土工织物和排水芯材制成的复合排水材料,可作为土体中的竖向和水平向排水体,起到加速填筑土体排水固结过程的作用。,166,(3).隔离作用 土工织物可设置在两种不同的材料之间，既不使不同材料相互混杂，又能保持整个构筑体统一的作用。在道路工程中，可防止因软弱土层浸入路基碎石中而引起的翻浆冒泥现象，避免道路破坏；在堆放材料和储存时，可防止材料损失和劣化、废料的扩散污染；但用作