《地基处理3地大》PPT课件.ppt

地基处理主讲 刘华强 一 地基处理的目的和意义软土地基处理的目的是利用换填 夯实 挤密 排水 胶结 加筋和热学等方法对地基土进行加固 用以改良地基土的工程特性 主要包括 1 提高地基的稳定性2 降低地基的压缩性3 改善地基的透水特性一种增加地基土的透水性加快固结 另一种是降低透水性或减少其水压力 基坑抗渗透 4 改善地基的动力特性5 改善特殊土的不良地基特性 第一章绪论 二 地基处理的对象 1 软粘土软粘土是软弱粘性土的简称 包括海相 泻湖相 三角洲相 溺谷相和湖泊相的粘土沉积物 其天然含水量大于液限 孔隙比大于1 0 天然孔隙比大于1 0小于1 5时 称为淤泥质土 天然孔隙比大于1 5时 称为淤泥 2 人工填土按照物质组成和堆填方式分为素填土 杂填土和冲填土三类 按堆填时间又可分为老填土 新填土 粘性土堆填时间超过10年 粉土堆填时间超过5年 称为老填土 二 地基处理的对象 3 部分砂土和粉土主要指饱和粉砂土 饱和细砂土和砂质粉土 4 湿陷性土湿陷性土包括湿陷性黄土 粉砂土和干旱半干旱地区具有崩解性的碎石土等 是否属于湿陷性土可根据野外浸水载荷试验确定 当在200kpa压力作用下附加变形量与载荷板宽之比大于1 0 015时称为湿陷性土 5 有机质土和泥炭土土中有机质含量大于5 时称为有机质土 大于60 时称为泥炭土 6 膨胀土膨胀土是指粘粒成分主要由亲水性粘土矿物组成的粘性土 在环境的温度和湿度变化时会产生强烈的胀缩变形 二 地基处理的对象 7 多年冻土多年冻土是指连续3年或3年以上保持在0度或0度以下 并含有冰的土层 8 岩溶 土洞和山区地基岩溶或称 喀斯特 它是石灰岩 白云岩 泥灰岩 大理石 岩盐 石膏等可溶性岩层受水的化学和机械作用而形成的溶洞 溶沟 裂隙 以及由于溶洞的顶板塌落使地表产生陷穴 洼地等现象和作用的总称 土洞是岩溶地区上覆土层被地下水冲蚀或被地下水潜蚀所形成的洞穴 山区地基地质条件比较复杂 主要表现在地基的不均匀性和场地的稳定性两方面 三 建筑物建造在软弱地基和特殊土地基时面临的四个问题 强度及稳定性 当地基的抗剪强度不足以承受上部结构的自重及附加荷载时 地基就会发生局部或整体破坏 变形 当地基在上部结构的自重及附加荷载作用下产生过大的变形时 会影响建筑物的正常使用 当超过建筑物所能容许的不均允沉降时 结构可能产生开裂 湿陷性黄土遇水湿陷 膨胀土遇水膨胀 失水收缩也属于这类问题 渗漏 渗漏是由地下水在运动中产生的动水压力而引起的 当地基的渗漏或水力坡降超过容许值时 会导致流砂 土 和管涌事故 液化 在地震 机器及车辆的振动 波浪作用和爆破等动力荷载作用下 会引起饱和松散粉细砂 包括部分粉土 产生液化 使土体类似于液体而失去抗剪强度 从而造成地基失稳和震陷 四 地基处理方法分类及应用范围1 换土垫层法 1 垫层法其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 常用机械碾压 平板振动和重锤夯实进行施工 该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量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 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 一般处理深度为2 3m 适用于处理浅层非饱和软弱土层 素填土和杂填土等 2 强夯挤淤法采用边强夯 边填碎石 边挤淤的方法 在地基中形成碎石墩体 可提高地基承载力和减小变形 适用于厚度较小的淤泥和淤泥质土地基 应通过现场试验才能确定其适应性 四 地基处理方法分类及应用范围2 深层密实法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 软土地基中常用强夯法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 3 排水固结法其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 排水固结法主要由排水和加压两个系统组成 排水可以利用天然土层本身的透水性 也可设置砂井 袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体 加压主要是地面堆载法 真空预压法和井点降水法 为加固软弱的粘土 在一定条件下 采用电渗排水井点也是合理而有效的 四 地基处理方法分类及应用范围4 置换法其原理是以砂 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 或称碎石桩法 适用于地基土的不排水抗剪强度大于20kPa的淤泥 淤泥质土 砂土 粉土 粘性土和人工填土等地基 对不排水抗剪强度小于20kPa的软土地基 采用碎石桩时须慎重 2 水泥粉煤灰碎石桩 CFG桩 是在碎石桩基础上加进一些石屑 粉煤灰和少量水泥 加水拌和 用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的具有一定粘结强度的桩 桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基 适用于填土 饱和及非饱和粘性土 砂土 粉土等地基 五 选择地基处理方案的因素和步骤 根据结构类型 荷载大小及使用要求 结合地形地貌 地层结构 工程地质及水文地质条件 环境情况和对相邻建筑的影响等因素 初步选定几种处理方案 对初步选定的各种地基处理方案 分别从加固机理 适用范围 预期效果以材料来源及消耗 机具条件 工期要求 施工队无素质和对环境的影响等方面进行技术经济分析和对比 确定最优处理方案 对已确定的处理方案 在有代表性的场地上进行相应的现场试验 并进行必要的测试 以检验设计参数和处理效果 如果达不到设计要求时 应查找原因 采取措施或对方案进行修改 六 地基处理方法的选择1 搜集建筑物场地详细的岩土工程地质 水文地质和地基基础设计资料 2 根据建筑物结构类型 荷载大小和使用要求 结合地质 水文等因素 初选几个可供使用的地基处理方案 3 综合现场条件 施工条件 工期要求及经济条件 选出最佳方案 4 对已选方案 在有代表性场地进行现场试验 七 地基处理工程的特点1 时效性2 特殊性3 隐蔽性八 现行规范1 建筑地基处理规程 JGJ79 2002 2 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 JTJ017 96 一 概述1 均质地基和复合地基均质地基 复合地基 复合地基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 和增强体两部分组成的人工地基 第二章复合地基理论概要 一 概述2 复合地基分类根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基 一 概述3 浅基础 桩基础和复合地基1 浅基础特点 浅基础中 上部结构荷载是通过基础板直接传递给地基土体的 一 概述3 浅基础 桩基础和复合地基2 桩基础特点 端承桩桩基础中 上部结构荷载通过基础板传递结桩体 再依靠桩的端承力直接传递给桩端持力层 不仅基础板下地基土不传递荷载 而且桩侧土也基本上不传递荷载 摩擦桩桩基础中 上部结构荷载通过基础板传递给桩体 再通过桩面摩阻力和桩端端承力传递给地基土体 但以桩侧摩阻力为主 一 概述3 浅基础 桩基础和复合地基3 复合地基特点 复合地基中 上部结构荷载通过基础板直接同时将荷载传递给杜体和基础板下地基土体 4 小结由上面分析可以看出 浅基础 桩基础和复合地基的分类主要是考虑了荷载传递路线 荷载传递路线也是上述三种地基基础形式的基本特征 简言之 对于浅基础 荷载直接传递给地基土体 对于桩基础 荷载通过桩体传递给地基土体 对于复合地基 荷载一部分通过校体传递给地基土体 一部分直接传递给地基土体 5 垫层的作用 理论研究和试验研究表明 基础和复合地基加固区之间设置垫层不仅可保证各类增强体与桩间土形成复合地基共同承担上部荷载 而且可以有效改善复合地基中浅层的受力状态 如减小桩土荷载分担比 提高桩间土的抗剪强度 提高增强体承受竖向荷载的能力等 二 桩体复合地基承载力计算1 复合地基承载力 1 桩体复合地基承裁力计算思路是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力 再根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力 二 桩体复合地基承载力计算1 复合地基承载力 2 桩体极限承载力计算粘结材料桩极限承载力计算目前工程上对粘结材料桩 柔性桩和刚性桩 根据下述两种情况计算确定桩的承载力 1 根据桩身材料强度计算承载力 2 根据桩侧摩擦力和杖端端阻力计算承载力 二者中取较小值为校的承载力 根据桩身材料强度计算单桩极限承载力 根据桩侧摩擦力和桩端端阻力计算单桩极限承载力的表达式为 二 桩体复合地基承载力计算1 复合地基承载力 3 散体材料桩极限承载力计算与柔性桩 刚性桩等粘结材料桩不同 散体材料桩是依靠周围土体的侧限阻力保持其形状并承受荷载的 散体材料桩的承载力除与桩身材料的性质及其紧密程度有关外 主要取决于桩周土体的侧限能力 二 桩体复合地基承载力计算1 复合地基承载力 2 桩间土极限承载力计算根据天然地基载荷板试验结果 或根据其他室内土工试验资料可以确定天然地基极限承载力 复合地基中桩间土极限承载力与天然地基极限承载力密切相关 但两者并不完全相同 在地基中设置竖向增强体 使桩间土极限承载力不同于天然地基承载力 两者的差别随地基土的工程特性 竖向增强体的性质 增强体设置方法不同而不同 有的情况下两者区别很小或者虽有一定区别 但桩间土极限承载力比天然地基极限承载力大 而且又较难计算时 工程实际中常用天然地基极限承载力值作为桩向上极限承载力 二 桩体复合地基承载力计算1 复合地基承载力 2 桩间土极限承载力计算 二 桩体复合地基承载力计算2 复合地基加固区下卧层承载力验算 当复合地基加固区下卧层为软弱土层时 按复合地基加固区容许承力计算基础的底面尺寸后 尚需要对复合地基下卧层承载力进行验算 要求作用在下卧层顶面处附加应力和自重应力之和不超过下卧层土的容许承载力 即 三 复合地基沉降计算在各类实用计算方法中 通常把复合地基沉降量分为两部分 复合地基加固区压缩量s1和下卧层压缩量s2 三 复合地基沉降计算1 加固区土层压缩量s1的计算1 复合模量法 Ec法 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Ecs来评价复合土体的压缩性 并采用分层总和法计算加固区土层压缩量s1 加固区土层压缩量s1的表达式为 三 复合地基沉降计算1 加固区土层压缩量s1的计算2 应力修正法 Es法 在采用应力修正法计算压缩量时 根据桩间土分担的荷载 按照桩间土的压缩模量 采用分层总和法计算加固区土层的压缩量 三 复合地基沉降计算1 加固区土层压缩量s1的计算3 桩身压缩量法 Ep法 在荷载作用下复合地基加固区的压缩量也可通过计算桩体压缩量来得到 设桩底端刺入下卧层的沉降变形量为 则相应加固区土层的压缩量s1的计算式为 三 复合地基沉降计算2 下卧层土层压缩量s2的计算方法 三 复合地基沉降计算2 下卧层土层压缩量s2的计算方法在计算下卧层压缩量s2时 作用在下卧层上的荷载是比较难以精确计算的 日前在工程应用上 常采用下述几种方法计算 1 压力扩散法 若复合地基上作用荷载为p 复合地基加固区压力扩散角为 则作用在下卧土层上的荷载Pb可用下式计算 对于条形基础 三 复合地基沉降计算2 下卧层土层压缩量s2的计算方法2 等效实体法 作用在下卧土层上的荷载Pb可用下式计算 对于条形基础 复合地基在荷载作用下沉降计算也可采用有限单元法计算 在几何模型处理上大致上可以分为二类 一类在单元划分上把单元分为二类 增强体单元和土体单元 增强体单元如桩体单元 土工织物单元等 并根据需要在增强体单元和土体单元之间设置或不设置界面单元 另一类是在单元划分上把单元分为加固区复合土体单元和非加固区土体单元 复合土体单元采用复合体材料参数 四 基础刚度和垫层对桩体复合地基性状影响1 基础刚度的影响 1 刚件基础下复合地基中桩和桩间土沉降一致 桩承受较大荷载 桩土荷载分担比较大 且随着沉降发展逐步增加 柔件基础复合地基中校土沉降可自由发展 桩不仅产生沉降 而且相对土体桩顶端向上刺入土层 桩土荷载分担比较小 2 柔性基础下复合地基沉降量比刚性基础下复合地基沉降量大 而且柔性基础下复合地基极限承载力比刚性基础下复合地基极限承载力小 两者的破坏形式也不相同 3 刚性总础下 随着总荷载增加 桩首先进入极限状态 从而导致土上荷载急剧增加随即也进入极限破坏状态 进而导致复合地基的破坏 柔性基础下 土首先进入极限状态 导致桩体荷载集中系数增加 之后荷载的增加值主要由桩承受 进而导致复合地基破坏 四 基础刚度和垫层对桩体复合地基性状影响2 垫层的影响柔性系础下复合地基的沉降且远比刚性基础下复合地基的沉降大 为了减小柔性基础复合地基的沉降 应在桩体复合地基加固区上面设量一层刚度较大的 垫层 防止桩体刺人上层土体 并充分发挥桩体的承载作用 对刚性基础下的桩体复合地基有时需设量一层柔件垫层以改善复合地基受力状态 一 概述振密 挤密是指采用夯击 振动 挤压等施工方法 使地基土体密实 土体抗剪强度提高 压缩性减小 以达到提高地基承载力和减小沉降为目的的一类地基处理方法 振密 挤密法一般适用于非饱和土地基或土体渗透性较好的地基 第三章振密 挤密 二 强夯法来源 强力夯实法 简称强夯法 亦名动力固结法是一种快速加固软基的方法 这种方法是60年代末法国梅那技术公司 IdubMenardtechnique 首先开创的 定义 它是将很重的锤 一般为100一600kN 提起从高处自由落下 落距一般为6 40m 心冲击荷载夯实软弱土层 使地基受冲击力和振动 土层被强制压密 从而提高地基土强度 降低土层的压缩性 以达到地基加固的目的 二 强夯法1 加固机理 1 动力密实2 动力固结3 动力置换 二 强夯法 1 动力密实采用强夯加固多孔隙 粗颗粒 非饱和土是基于动力密实的机理 即用冲击型动力荷载 使土体中的孔隙减小 土体变得密实 从而提高地基土强度 非饱和土的夯实过程 就是土中的气相 空气 被挤出的过程 其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起 二 强夯法 2 动力固结 1 饱和土的压缩性2 局部液化3 渗透性变化4 触变恢复 时间效应 5 土强度的增长过程机理 二 强夯法 土中存在一些微小气泡 强夯时 气体压缩 孔隙水压力增大 随后气体膨胀 孔隙水排出 液相 气相体积减小 这种现象使饱和土具有压缩性 强夯时 含气孔隙水不能立即消散而具有滞后现象 气相体积不能立即膨胀 可由动力固结模型的摩擦活塞来模拟 一 饱和土的压缩性 二 强夯法 二 局部液化 强夯时 土体被压缩 夯击能越大 沉降越大 孔隙水压力也不断增加 当孔隙水压力达到上覆土压力时 土体产生液化 土中吸着水变位自由水 土的强度降低到最小 表明土体压缩模量是可变的 二 强夯法 三 渗透性变化 ai 临界液化度当液化度超过ai时 渗透系数剧增 夯坑周围出现冒气冒水现 在强夯冲击能量作用下 土中超孔隙水压力大于土颗粒间的侧向压力是 土颗粒间会出现裂隙并形成树枝状排水通道 使土的渗透性变好 孔隙水顺利排出 二 强夯法 四 触变恢复 地基土强度增长与孔隙水压力有关 液化度为100 时 土的强度为零 随着孔隙水的消散 土的强度逐渐增长 即存在一个触变恢复阶段 土体在夯击能量作用下 结构被破坏 当出现液化时 抗剪强度几乎为零 但随着时间的推移 土的结构逐渐恢复 强度逐渐增长 这一过程称为触变恢复 也称为时效 二 强夯法 3 动力置换 动力置换是指在冲击能量作用下 强行将砂 碎石等挤填到饱和软土层中 置换饱和软土 形成密实的砂 石层或柱 其有三种形式 动力置换砂柱 动力置换碎石桩 动力置换挤淤 对于不同土类强夯法的作用不同 1 软土地基 提高地基承载力和减少沉降量 2 饱和砂土和粉土 消除液化趋势 3 黄土和新近堆积黄土 消除湿陷性 提高承载力 二 强夯法2 设计 1 强夯法设计步骤为 1 强夯法有效加固深度和单击夯击能 2 选用夯锤的重量 形状以及夯击落距3 夯击范围和夯击点布置 夯击击数和夯击遍数 间歇时间 4 垫层厚度 5 现场测试设计 二 强夯法2 设计 2 强夯法有效加固深度和单击夯击能 强夯法的有效加固深度是指起夯面以下 经强夯加固后 土的物理力学指标已达到或超过设计值的深度 有效固结深度可按修正的Menard公式估算 二 强夯法2 设计 1 单击夯击能单击夯击能是指夯击锤M和落距h的乘积 单击夯击能越大 加固效果越好 应根据加固土层的厚度 土质情况和施工条件确定 2 单位夯击能整个加固场地的总夯击能除以加固面积称为单位夯击能 应根据地基土类别结构类型 荷载大小和要求处理的深度等综合考虑并通过试夯确定 单击夯击能 单位夯击能和最佳夯击能 二 强夯法2 设计 最佳夯击能 由动力固结理论 使地基中产生的孔隙水压力达到土的覆盖压力时的夯击能称为最佳夯击能 最佳夯击次数 当单击夯击能一定时 与最佳夯击能相对应的夯击次数称为最佳夯击数 二 强夯法2 设计 由孔隙水压力确定a 对于粘性土地基 可根据有效影响深度孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能 b 对砂性土地基 可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数的关系曲线来确定最佳夯击次数 二 强夯法2 设计 a 确定原则 夯坑的压缩量最大 而夯坑的隆起最小 b 确定方法 当 S N趋向趋于稳定 接近常数 且同时满足以下条件时 可取相应夯击次数为最佳夯击次数 二 强夯法2 设计 最后两击的平均夯沉量不大于50mm 当单击夯击能量较大时不大于100mm 夯坑周围底面不应发生过大的隆起 不因夯坑过深而发生起锤困难 二 强夯法2 设计 3 夯击点布置及间距 1 夯击点布置夯击点平面位置可根据建筑结构类型进行布置 基础面积较大建筑物 按等边三角形或正方形布置 办公楼 住宅楼 可按承重墙位置布置夯点 取等腰三角形布置 工业厂房可按柱网布置夯击点 二 强夯法2 设计 夯击点间距一般根据地基土的性质和加固深度确定 第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2 5 3 5倍 第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间 以后各遍夯击点间距可适当减小 以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙为基本原则 3 夯击点布置范围由于基础应力扩散作用 夯击点范围应大于建筑物基础范围 对于一般建筑物 每边超出基础外缘的宽度宜为设计加固深度的1 2 1 3 并不小于3m 2 夯击点间距 二 强夯法2 设计 二 强夯法2 设计 4 夯击击数与遍数1 夯击击数每遍每夯点的夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数和夯沉量关系曲线确定 且应同时满足下列条件 a 最后两击的夯沉量不宜大于下列数值 当单击夯击能小于4000kN m时为50mm 当单击夯击能为4000 6000kN m时为100mm 当单击夯击能大于6000kN m时为200mm b 夯坑周围地面不应发生过大隆起 c 不因夯坑过深而发生起锤困难 二 强夯法2 设计 4 夯击击数与遍数2 夯击遍数夯击遍数应根据地基土的性质和平均夯击能确定 可采用点夯2 3遍 对于渗透性较差的细颗粒土 必要时夯击遍数可适当增加 最后再以低能量满夯2遍 满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击 锤印彼此搭接 二 强夯法2 设计 5 垫层铺设对场地地下水位在 2m深度以下的砂砾石土层 可直接施行强夯 无需铺设垫层 对地下水位较高的饱和粘性土与易液化流动的饱和砂土 都需要铺设砂 砂砾或碎石垫层才能进行强夯 否则土体会发生流动 垫层厚度随场地的土质条件 夯锤重量及其形状等条件而定 当场地土质条件好 夯锤小或形状构造合理 起吊时吸力小者 也可减少垫层厚度 垫层厚度一般为0 5 2 0m 铺设的垫层不能含有粘土 二 强夯法2 设计 6 间歇时间各遍间的间歇时间取决于加固土层中孔隙水压力消散所需要的时间 对砂性土 孔隙水压力的峰值出现在夯完后的瞬间 消散时间只有2 4min 故对渗透性较大的砂性土 两遍夯间的间歇时间很短 亦即可连续夯击 对粘性土 由于孔隙水压力消散较慢 故当夯击能逐渐增加时 孔隙水压力亦相应地叠加 其间歇时间取决于孔隙水压力的消散情况 一般为3 4周 二 强夯法3 施工强夯法施工一般按下列步骤进行 1 清理并平整施工场地 2 铺垫层 3 夯点放线定位 4 对第一遍第一次夯击点进行夯击 5 按设计要求顺序完成第一遍夯击 6 完成第一遍夯击后 用推土机填平夯坑 并测量场地高程 7 在规定间歇时间后 按上述步骤进行第二遍夯击 按上述步骤完成设计要求的夯击遍数 最后用低能量满夯 将场地表层松土夯实 并测量夯后场地高程 二 强夯法3 施工 夯锤材料可采用铸钢 或钢板壳内填混凝土 一般锥底锤 球底锤的加固效果较好 适用于加固较深层土体 平底锤适用于浅层及表层地基加固 夯锤的底面积对加固效果的影响 当锤底面积过小时 静压力就大 夯锤对地基土的作用以冲切力为主 过大时 静压力太小 达不到加固效果 夯锤的选择 二 强夯法3 施工 夯锤的选择 二 强夯法3 施工 起重力大小 起吊高度 一 起重机 主要设备包括 夯锤 起重机和脱钩装置 二 强夯法3 施工 二 强夯法3 施工 二 强夯法3 施工 施工要点 为减少对周边环境和建筑物的影响 应采取防振措施 按规定起锤高度 锤击数的控制指标施工 或按试夯后的沉降量控制 注意含水量对强夯效果的影响 注意夯锤上部排气孔的畅通 注意施工安全 防止石块伤人 雨季施工注意排水 4 质量检验 三 挤密砂石桩法 一 振冲技术 1 概述 振冲地基是用振动水冲 或气冲 方法加固的地基 振动水冲法是用圆柱形振冲器产生的横向激振力和动力冲水 或冲气 共同作用加固地基的方法 简称振冲法 已用振冲法加固过的工程软弱地基有漂卵石夹层 砾石层 砾砂 粗 中砂 细砂 粉砂 粉土 粉质粘土 粘土 淤泥质土 淤泥 杂填土 湿陷性黄土 盐渍土 尾矿 垃圾土 素填土等 振冲法的广泛应用为我国的土木建筑工程尤其是地震区可液化软弱地基的加固取得厂巨大的经济技术效益 一 振冲技术 2 加固机理 1 砂性土振冲法加固砂性地基主要通过复合地基的五种作用使地基获得加固 1 振动加密 2 振动挤密 3 碎石桩的 石柱 作用 4 碎石桩的排水作用5 砂土的予震效应 1 振动加密 饱和松散砂土在强烈振动作用下会发牛液化 砂土颗粒将重新排列致密 非液化区砂土颗粒受到强迫振动作用时 颗粒含克服内摩擦阻力而发生位移沉密使土体变得密实 2 振动挤密 当振冲器贯入土中 在振冲器强大的水平振动力作用下 振简侧面的一部分砂土受到振挤作用变密实 产生砂土初次增密作用 当向振冲井孔内振冲器四周填满石料后 振冲器强烈的横向振动挤压石料 石料被挤入四周土体 并将振冲器的振动挤压能量传向四周 使碎石桩体和桩周土得到进一步振动挤压密实 在群桩施工条件下 桩间土得到相邻桩施工的多次振动加密和挤压作用叠加 密实效果进一步得到加强 3 碎石桩的 石柱 作用 振冲并孔内的省料被振冲器强达90一160kN激振力反复振动挤压 软弱土中形成粗大密实的碎石桩体 起到 石柱 作用 由于振冲碎石桩有良好的强度和刚性 可以承受高于软弱土数倍的垂直压力和水平剪力 起到 抗剪销 的作用 可以有效地改善软弱土地基的抗压 抗剪 抗变形等受力件能 4 碎石桩的排水作用 软土中设置振冲碎石桩后 由于碎石桩石粒问空隙较大 排水渗流性良好 可以起到竖向排水井作用 在软土地基中的振冲碎石桩群体 可以大大缩短桩间土的水平排水距离 有利于加固区软弱土受斥屑的排水固结 也有利于地震时土中超静孔隙水压力的消散 复合地基排水固结提高了地基强度 缩短了地面建筑沉降的稳定时间 5 砂土的予震效应 室内试验证明 经过震动作用后的砂土比没有经过震动作用的砂土抗地震液化能力强 这是因为震动作用使砂土的结构系数增大 粒间结构由此变得稳定 粒间啮合力和结构稳定性增强 从而增强了砂土地基的抗液化能力 一 振冲技术 1 加固机理 2 粘性土我国振冲加固特性土机理的研究基本是1977年从南方为加固软弱粘土开始的 振冲法加固粘性土主要是通过振制碎石桩进行振冲置换 形成桩 土复合地基 振冲作用 1 扰动破坏 2 置换 1 扰动破坏 粘性土组分复杂 呈絮状结构 颗粒细而表面积大 产生界面活性胶体特征 增强了土颗粒和孔隙水的物理化学作用 土颗物间相互作用的物理 化学力增大 使粘性土具有明显的塑性 粘性等力学性质 因而用振冲方法来克服粒间物理 化学力 分离颗粒比较困难 粘性土的含水量对土的力学性质有重大影响 当含水量低时饱和粘土具有固体的弹性性质 当含水量增高时 饱和粘土具有粘弹性或塑性 当含水量继续增高时 粘性土变成糊状 仅有粘性特征 最后可变为悬浊液而具备液体的流动性 粘性土受振动作用时 由于土的絮状结构被破坏 颗粒不稳定 容易形成流动 因此 振动水冲给粘性土带来扰动和破坏以便振冲造孔 2 置换 振冲对粘性土主要是通过造孔并振制碎石桩 置换 软土 利用直径粗大密实刚度良好的碎石校提高地基承受外荷载能力 粘性土粘粒含量大 粒间结合力强 在振动水冲作用下难以使颗粒位移重新排列致密 因而不会获得振动加密效果 在振孔内振制碎石桩时 填入的石料在振冲器强烈的横向激振力作用下逐渐密实 振冲器的振动力通过挤密石料传递到四周土体 使可以排水固结的土受到挤压排水固结 不可能排水固结的土则挤压隆起 碎石桩材料强度高 密实皮好 刚度大 有良好的渗透排水能力 在软基中起到以 硬 替 软 的 置换 作用 碎石桩不仅主要承受上部荷载而且形成了桩间土的排水通道 可以缩短桩间土的排水田结时间 一 振冲技术 3 使用范围 可以说振冲法适于一切砂性土的增密加固 但振冲加固砂土也有最佳的加密砂土粒径范围最好的振动水冲加密效果可以从砂土的颗分曲线来预测 一 振冲技术 3 使用范围 英国s Thorburn等认为Cu 20kPa的土不适用振冲加固 由于粘性土有较强的粘滞性 弹塑性 难以振动破坏加密 因此存振冲施丁中常表现为土的触变破坏 需要加大水冲 水将小粘粒大量带出 才能成孔 在振冲制桩施工时则会发孔周土被侧向挤移 成桩后的地面会显著隆起 这些现象在淤泥质土中表现更为明显 有时变成了 制桩挤淤 大量振冲置换 在软粘性土地基应用振冲加固 其主要作用是靠振冲置换 一般情况下置换率越高 加固效果越显著 对淤泥质土类这种置换更为重要 一 振冲技术 4 设计计算 1 振冲复合地基承载力特征值计算式中 当振冲地基为砂性土地基时 砂性土振冲后的加密和挤密已比天然状态强度明显提高 因此用振冲后测定的fsk值计算较为合理 当地基土为粘性土时 因振冲前后粘性土强度变化很小 设计可取天然地基承载力特征值进行振冲复合地基承载力特征值计算 一 振冲技术 4 设计计算 1 振冲复合地基承载力特征值计算 一 振冲技术 4 设计计算 2 振冲复合地基变形计算采用的复合地基压缩模量 一 振冲技术 4 设计计算 3 布桩对箱 筏基础一般是三角形的满堂布桩 对其他条形或独立基础常采用与基础尺寸相宜的矩形 三角形或条形市桩 对坝基 路基 码头等大面积基底常采用等边三角形或正方形布桩 至于桩间距 它一般与振冲器功率有义 工程实践经验表明 用30kW振冲器 振冲孔间距大多采用1 5 2 5m 用75kw扼冲器 振冲间距可加大到2 5 3 5m 用100kW振冲器 振冲孔间距可加大到3 5 4 5m 一 振冲技术 4 设计计算 3 布桩 一 振冲技术 4 设计计算 3 布桩规范JGJ79 2002规定 振冲桩处理范围应根据建筑物的重要件和场地条件确定 当用于多层和高层建筑时 宜在基础外缘扩大1一2排挤 当要求消除地基液化时 在基础外缘扩大宽度不应小于基底下可液化土层厚的1 2 一 振冲技术 4 设计计算 4 碎石垫层我国关于桩与基底间铺设碎石垫层的研究也是最早从振冲地基外始 1977年开始用振冲地基 就在碎石桩顶铺设30一50cm厚的碎石垫层 用垫层把基础底面传来的压力调整到桩和桩间土分担 1978年在北京大兴化都重机公司振冲现场 又做了碎石垫层衰减地震上传剪应力的试验研究 证明碎石边层还对抗震有良好的减震等作用 国内后来对在CFG桩顶做碎石褥垫层的作用又进行了许多研究 丰富厂对复合地基褥垫层作用及效果的认识 总体而言在复合地接上设置褥层是十分有益的 一 振冲技术 5 施工 1 振冲施工机具施工采用的主要机具有以下几部分 吊车 振冲器系统 国产振冲器技术参数见表 供电系统和控制台 供水系统 运料机具等 一 振冲技术 5 施工 2 劳动组织一般一台振冲器施工需5 20人左右 用装载机铲运 填料用人较少 用人工装 运填料时需要的人数多 一 振冲技术 5 施工 3 振冲碎石柱制桩程序 1 吊车就位与振冲器定位 2 贯入造孔 吊车缓慢下放振冲器 使振冲器在振动水冲中利用自重下沉贯入造孔 贯入造孔水压一般保持0 4 0 8MPa 振冲器工作电流一般不超过电机额定电流值 振冲器贵人速度一般约0 5 2 0m min 造孔时每贯入0 5 1 0m宜在该深度悬留振冲5 10s扩孔 待孔内池水反溢流出后再继续贯人 按此步骤循环操作直到设计规定的成桩深度 为避免对孔底土过大扰动 一般贯入到设计深度后留振扩孔5s左右将振冲器向上提0 3一0 5m左右留振 同时宜打开降压水阀 将振冲器供水压力降至0 1一0 2MPa左右 在粘性土造孔 由于粘土难以 液化 破坏 造孔贯入速度应放慢 扩孔时间应延长 一 振冲技术 5 施工 3 振冲碎石柱制桩程序 3 填料和制桩 振冲成孔后应迅速提出振冲器 向振孔内填入石料 0 5m左右高 约0 3m3 然后将振冲器回入孔内直到孔底进行振捣 捣固时应连续不断向孔内填入石料 填料应均匀从孔口四周填人 不应将填料仅从一侧填入 造成桩体偏移 填料不宜在孔口堆积过高 以免影响落料和振冲 有时孔口石料停止下落时 可将振冲器提出孔口 再返入孔内将石料送下 回到原振冲位置继续振密 直到振冲器电流值上升到规定数时 才能认为该段制桩振密完毕 然后缓慢提升振动着的振冲器约0 5一0 8m高 继续留振 直至将孔内该段填料振捣密实 如此循环操作直至地面或振冲施工规定标高 碎石柱即告制成 一 振冲技术 5 施工 3 振冲碎石柱制桩程序 3 填料和制桩 振冲制桩填料常用三种方法 即连续填料法 间断填料法和综合填料法 一 振冲技术 5 施工 3 振冲碎石柱制桩程序 4 不外加填料的振冲加密对于深厚松散的中 粗砂地基 为了取得更好的经济效果可以采用不外加填料 只利用砂基饱和振动沉密条件来进行就地振实的振冲施工加密方法 施工时振冲器贯人振冲需要比一般地基振冲加大冲水量 并宜快速贯入 到预定设计加密深度后 即减小水压在孔底不停振冲 利用振冲器的强力振动和喷水使扎内振冲器周围相上部砂土逐渐场落沉到振冲器附近并被振冲致密 每段振冲加密达到加密电流值后 上提一次振冲器 每次上提0 3 0 5m继续不停振冲 按此顺序内下至上逐段振密直至设计规定标高 即认为该点位加密完毕 加密后由于砂的振实塌陷形成地面凹坑 大面积振冲加密后 地面呈现振后整片下沉 振冲加密的方法也能获得良好的加固效果 用理论推算 假定砂粒为弹性球体 当饱和砂土松散排列类似简单立方体式堆积时 其孔隙比为0 91 如果在振动作用下小球发生位移排列成紧密状态的八角形堆积时 其孔隙比减为0 35 可使土层的厚度沉陷29 3 一 振冲技术 5 施工 3 振冲碎石柱制桩程序 5 制桩区施工面的处理一种方法是在原地基面上直接施工 振冲施工排出的泥水在自然地表面挖掘的明沟内排放 另一种方法是按照基础位置预先挖基坑或基糟 然后在基坑 基槽底面放线 布桩位 振冲器在基坑或达槽底施工 施工积聚的泥水一般需设污水泵抽出排放 6 单根桩打桩顺序按施工工艺顺序主要分为 1 排孔法 2 跳打法 3 围幕法 一 振冲技术 6 质量控制 一般采用振冲振密电流 填料量 孔内留振时间来控制 三项参数常根据现场地质情况和施工要求来掌握 1 振密电流振冲器贯人土中 成孔后振冲器就在振孔泥浆介质中振动 当向振孔内不断加入石料则相当于介质浓度增加 振冲器不断把石料振挤入周围土个 使地基土得到增密 周围被振挤的土越密实则振冲器受到阻碍维持振动的约束力越大 电流指数值也越大 因此 可以根据振冲器耗用的电流量值的变化大小来判断地基加密的程度 在制桩过程中 振冲器应出产至上逐段进行制桩振密 每段留振制桩都应达到规定的振密电流值 有时在制桩过程中振冲器回阵进入境料层过仪振冲器会产生瞬间电流高峰值 此时不能将此瞬间高值记为振密电流实用控制值 一 振冲技术 6 质量控制 2 填料量制桩每孔填料量是反映加密效果的重要控制指标 现场常以每孔累计填料消耗量来辅助衡量该孔的加密程度 每孔填入量与原地基密实度 振冲器振动强度 要求加密指标以及填料的种类等因素都有立接关系 宜现场试验后确定 一般地基土的填料粒径在工程实用中常选用0 5 50mm粒径 不宜超过80m航粒径 以免石料在孔内卡住不能下落 特殊情况应经过试验可以选用更大粒径碎石 一 振冲技术 6 质量控制 3 留振时间振冲制桩个除了保证达到规定的振密电流和填料量外 振冲器在每一段制桩高度有一段留振时间 即振冲器不升起也不下降 保持继续振动和水冲 使振冲器把振孔扩大或把周围填利充分挤密 留振时间的长短应根据现场地基条件 填料种类 加固方法等确定 回填石料快 地基土质条件较好时 留振时间一般较短 地基软弱或利用砂土自身振密不外加填料时留振时间较长 一 振冲技术 7 振冲复合地基的检测 我国规范JGJ79 2002规定振冲地基竣工验收时承载力检验应采用复合地基载荷试验 对施工质量检验可用碎石桩单桩载荷试验 可见荷载板载荷试验至今仍是我国振冲地基承载力和变形指标检测的主要方法 虽然费工 费时 费力 费钱 但只有按工程设计状态进行载荷试验才能取得比较接近工程实际的参数 目前一些地方用标贯检测桩间土 用重型动力触探检测碎石桩 希望能以此代替繁重的载荷试验 但因动力触探测试的离散性较大 查表推算出来的结果与实际承载力和变形指标将有相当的误差 粘性土振冲地基的桩间土通常还采用静力触探和取土样进行室内土工试验作检测手段 近些年动态测试发展较快 有的单位用稳态振动瑞利波法在现场进行测试 在积累出瑞利波波速与地基相关关系后用以判定所测地基的物理力学指标 三 挤密砂石桩法 二 沉管挤密砂石桩技术 1 概述 沉管挤密砂石桩技术是沉管挤密砂桩和沉管挤密碎石桩技术的简称 沉管挤密砂桩技术是指通过锤击力 振动力 振动冲击力或静压力将暂时堵住下端口的无缝钢管 即沉管 先沉入到地基预定深度 以在该软弱地基中形成桩孔 然后在桩孔中分层添加砂料并振实或击实成桩 并使砂料挤压人土层中 这样就可形成较大直径的密实砂桩 当以碎石 或卵石 为主要填料制成的桩称作碎石桩 当以砾砂 粗砂 中砂 圆砾 角砾 卵石 碎石等混合料为填料制成的桩也叫砂石桩 这种桩孔纯由沉管挤压地基土形成而最后所成的桩属挤土桩 即非排土桩 二 沉管挤密砂石桩技术 2 加固机理 1 砂石桩对松散砂土和粉土地基的加固机理1 挤密作用2 振密作用3 抗液化作用 1 挤密作用 砂土和粉土均届于单粒结构 其组成单元为松散粒状体 渗透系数较大 一般大于10 4cm s 单粒结构总处于松散至紧密状态 在松散状态时 颗粒的排列位置是很不稳定的 在动力和静力作用下会重新进行排列 趋于较稳定的状态 即使颗粒的排列接近较稳定的密实状态 在动力和静力作用下也将发生位移 改变其原来的排列位置 松散砂土在振动力作用下 天体积缩小可达20 2 振密作用 沉管特别是采用垂直振动的激振力沉管时 桩管四周土体受到挤压 同时 桩管的振动能量以波的形式在土体中传播 引起桩四周土体的振动 在挤压和振动作用下 土的结构逐渐破坏 孔隙水压力逐渐增大由于土体结构的破坏 土颗粒重新进行排列 向具较低热能的位置移动 从而使土由较松散状态变为密实状态 3 抗液化作用 在地震作用或振动作用下 饱和砂土利粉土的结构受到破坏 土中的孔隙水压力升高 从而使土的抗剪强度降低 当土的抗剪强度完全消失 或者土的抗剪强度降低 使土不再能抵抗它原来所能安全承受的作用剪应力时 土体就发生液化流动破坏 此即砂土或粉土地层的振动液化破坏 二 沉管挤密砂石桩技术 2 加固机理 2 砂石桩对粘性土地基的加固机理1 置换作用2 排水作用 1 置换作用 砂石桩在软弱粘性土中成桩以后 就形成了一定桩径 桩长和间距的桩与桩间土共同组成的复合地基 由密实的砂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桩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就比原来天然地基约承载力大 变形量也比天然地基小 从而提高了地基的整体稳定性和抗破坏的能力 2 排水作用 水是影响粘性土性质的主要因素之一 粘性土地基性质的改善很大程度上取决于其含水量的减小 因此 在饱和粘性土地基中 砂石桩体的排水通道作用是砂石桩法处理饱和软弱粘性土地基的主要作用之一 比之在砂土地基中的排水作用显著 由于砂石桩缩短了排水距离 从而可以加快地基的固结沉降速率 二 沉管挤密砂石桩技术 3 适用范围 沉管挤密碎石桩适用的地层一般为砂上 粉土 粘性土 淤泥质土 有机质土 填土 黄土 厚层淤泥中慎用 须取特殊措施 因其围限力过低而难于成桩 且地基强度增长时效较差 沉管挤密砂石桩也可用于散料堆场 路堤 码头 油罐等工程的地基加固 根据当前我国生产的该类打桩设备的性能 成桩深度一般可达25m 若采取适当措施还可以最大加深到44m 最大桩径可达600mm 这种桩一般可穿越各类粘性土层 粉土层 采取适当措施 如引孔 后还可穿越较薄的稍密 中密 饱和的砂土地层及含粘性土较多的圆砾 或砾石 地层 但不能穿越基岩 厚层卵石 碎石 以及纯净的园砾 砾石 和密实的砂层 二 沉管挤密砂石桩技术 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 沉管挤密砂石桩的设计计算包括 桩长和桩径确定 桩距计算 加固范围及布桩形式确定和砂石灌入量计算 1 桩长及桩径确定桩长主要取决于需要加固土层的厚度 一般视建 构 筑物的设计要求和地质条件而定 应满足地基的强度和变形控制要求 1 对松散砂土或其他软土层 当其厚度不大时 挤密砂石桩应穿透软弱土层至较好持力土层上 当厚度较大而挤密砂石桩 因机具设备限制或造价太贵 不能穿适时 桩长应根据建筑地基的允许变形值确定 2 处理可液化土层时 桩长应穿透可液化层或按国标 建筑抗震设计规范 500U 2001 确定 3 对按稳定性控制的过程 加固深度应大于最危险滑动面的深度 4 桩长不宜短于4m 桩径应根据工程地质条件和成校设备等因素确定 一般为300 800mm 对饱和粘性土地基宜选用较大的桩径 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 2 桩距确定桩距应能满足地基强度及变形控制要求 以及抗液化和消除黄土湿陷性等设计要求同时使单位面积造价最低 一般应通过现场试验确定桩距 但不宜大于砂石桩直径的4倍 在有经验的地区可按以下公式确定 1 松散砂土地基 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 2 桩距确定 2 粘性土地基 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 4 砂石贯入量计算砂石量可按下式计算 砂石量也可按下式计算 填料宜用砾砂 粗砂 小砂 圆砾 角砾 卵石或碎石等 其粒径一般小于50mm含泥量不得大于5 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 5 其他计算对粘性土地基 应按照 建筑地基处理技术规范 JQ79 2002 和 建筑地基基础设计规范 GBJ50007 2002 进行必要的承载力计算 沉降计算及稳定分析 对砂性土地基 除按应按照 建筑地基处理技术规范 JGJ79 2002 和 建筑地基基础设计规范 GBJ50007 2002 进行必要的承载力计算 沉降计算及稳定分析外 还应根据国标 建筑抗震设计规范 GBJ50011 2001 的规定进行抗震计算 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 5 其他计算根据 建筑抗震设计规范 GBJ50011 2001 规定 应采用标准贯入试验判别法 在地面下15m深度范围内的液化土应符合下式要求 当有成熟经验时 尚可采用其他判别方法 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 6 设计中应注意的其他事项 1 一些工程实践表明 在精心施工条件下 粘性土 素填土地基中的锤击沉管砂石桩复合地的承载力常可达300kPa以上 通过增大单体冲击能的途径来提高复合地基的承载力 要比增大置换率的方法经济且不受最小桩距限制 2 锤击沉管砂石桩施工过程具有某种动力触探性质 能获得较多直观地层信息 应及时反馈和充分利用 使设计和施工得以自我完善 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 6 设计中应注意的其他事项 3 对于特殊地层条件下施工沉管挤密砂石桩时 一般可采取以下措施 1 在厚层软土中应慎用砂石桩 因土的围限力 即约束力 过低使桩体难以获得必要的密实度 甚至难于成形 桩间土又实际上不能挤密且有不利的强度时效 制桩扰动导致土体强度降低幅度人巳恢复期较长 因而加固效果差 如无限制填料和提高置换率 又将大幅度提高造价和延长工期 且可能导致地面较大幅度隆起 如因其他原因仍有必要采取砂石桩 可从以下方面考虑采取措施 选用适宜的施工顺序 跳打法或外旋法等 适当加大砂石的粒径 在碎石中添加水泥等胶结材料 变散体材料桩为柔性桩体 加完填料的导管在沉入地下前应盖好活动盖 以防软泥流入管内 改用低冲多击工艺等 当采用上述措施仍达不到加固目的时 应改换其他加固处理方案 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 6 设计中应注意的其他事项2 当在预定桩长内会揭穿下卧承压地下水时 须注意承压水可能沿桩体上涌并浸软上部的桩间土 从而降低加固效果 3 当待加固软弱土 如填土 中夹含有较多大块硬质块体 块石或混凝土块等 时 各种碎石桩均将难于穿过 锤击碎石桩尤易损坏导管和冲锤 对于少量的大硬块体 可采用适当挪移桩位或加桩处理 4 当待加固软弱土的表层没有 硬壳泥 如新填土 或 硬壳层 因放映失 如低洼积水地段 时 因覆盖压力 即垂直方向的围限力 过低 浅部桩体密实度和浅部桩间土的挤密程度都难以达到要求 而 浅部 又往往正是基础底面下的主要受力部位 因而应采取措施 如适当增加碾压或低能强夯等处理措施 4 沉管挤密砂石桩复合地基设计计算 6 设计中应注意的其他事项 4 当前各种砂石桩基本上是采取挤土造孔和分层填夯工艺 有一定副作用 这些副作用在一般情况下可不予考虑 但在某些特殊情况下须予以考虑 如 1 一般不宜用砂石桩对建在饱和软土上的已有建筑物进行地基补强 由于强度时效 软土在制桩初期其强度有较明显下降 且恢复期较长 2 不宜紧邻已有建筑物施工 4 施工设备及施工工艺 1 施工设备 1 振动成桩施工设备振动成桩法的主要设备有振动沉拔桩机 下端装有活瓣桩靴 或钢筋混凝土预制桩靴 的桩管和加料设备 2 锤击成桩施工设备锤击成桩法的主要设备有蒸汽打桩机或柴油打桩机 桩管 加料漏斗和加料设备 4 施工设备及施工工艺 2 施工要点依施工工艺顺序 振动沉管砂石柱的施工方法可选择以下几种 1 排孔法 由一端开始逐步施工到另一端 2 跳打法 同一排桩可隔一根桩打一根桩 反复进行 3 围幕法 先打外桩 再打内桩 从外到里依次向中心区推进 4 施工设备及施工工艺 3 施工程序 4 施工设备及施工工艺 4 施工其他注意事项沉管挤密砂石桩施工应注意以下几点 1 振动沉管秒石桩正式施工时 要严格按照设计要求的桩长 桩径 桩间距 砂石灌入量及试验确定的桩管提升高度和速度 挤压次数和悬振时