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第五章地基处理 基础工程 退出 5 1概述 5 2换土垫层法 5 3排水固结法 5 4振冲法和挤密法 5 5强夯法和强夯置换法 5 6砂石桩法 5 7化学加固法 5 1概述 地基处理对象 软弱地基和不良地基 软土 冲填土 杂填土 其它高压缩性土 湿陷性黄土 膨胀土 季节性冻土等 软弱土的物理力学特征 压缩性高 压缩系数通常在0 5 2 0Mpa间 随液限的增大而增高 抗剪强度低 天然不排水剪4 具有明显的结构性和流变性 地基处理目的 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 在动力荷载下不致发生液化 失稳或震陷等灾害 满足地下水不会由于施工而造成渗漏量或水力比超过允许值 而发生涌土 流砂 边坡滑动等事故 地基处理方法分类 详见表5 1 地基处理规划程序 5 2换土垫层法 换填法 加固机理 将基础底面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去 然后分层换填强度较大的砂 碎石 素土 灰土 高炉干渣 粉煤灰等性能稳定 无侵蚀性的材料 并压 夯 振 实至要求的密实度 适用范围 淤泥 淤泥质土 湿陷性黄土 膨胀土 素填土 杂填土 季节性冻土 暗沟 暗塘等的浅层处理 详见表5 2 经济合理的处理深度宜在0 5m 3m 加固机理及适用范围 作用 提高地基承载力 减少地基沉降量 加速垫层下软弱土层的排水固结 防止地基土冻胀 消除湿陷性和胀缩性 置换材料 砂 碎石 素土 灰土 干渣 粉煤灰 垫层设计 确定垫层的厚度和宽度 垫层厚度hs 根据垫层底面软弱下卧土层的承载力确定 0 5 3 0m 条形基础 矩形基础 先假设一个垫层的厚度 然后进行验算 垫层宽度 有足够的宽度防止垫层向两侧挤出而增加垫层的竖向变形量 应满足基础底面压力扩散的要求 可按压力扩散角的方法进行计算 或按当地经验确定 垫层的扩散角 按表5 3查询 b为基础底面的宽度 hs为砂垫层重度 地基变形的计算 垫层自身的变形量 下卧土层的总变形量 s2 按照 地基规范 GB50007 2001 计算 条形基础 矩形基础 一般当垫层的设计满足其厚度 宽度 压实标准 则其沉降只要考虑下卧层沉降s2即可 自身变形s1可忽略 P130例题5 1 垫层材料选择必须具备良好的压实性1 砂石应选用级配良好的中粗砂 不含植物残体 垃圾等杂质 含泥量不超过3 若用粉细砂 应掺入25 30 的碎石 碎石最大粒径不宜大于50mm 对湿陷性黄土 不得选用砂石等渗水材料2 素土土料中有机质含量不得超过5 亦不得含有冻土或膨胀土 不得夹有砖 瓦和石块等渗水材料 碎石粒径不得大于50mm 3 灰土体积配合比宜为2 8或3 7 土料宜用粘性土及塑性指数大于4的粉土 不得含有松软杂质 并应过筛 其颗粒不得大于15mm 石灰宜用新鲜的消石灰 其颗粒不得大于5mm 4 工业废渣应质地坚硬 性能稳定和无侵蚀性 最大粒径及级配宜通过试验确定 垫层的施工 素填土宜用平碾或羊足碾 当有效夯实深度内土的饱和度小于并接近0 6时 可采用重锤夯实 砂石等宜用振动碾和振动压实机 1 一般要求 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取200 300mm 为保证分层压实质量 应控制机械碾压速度2 下卧软土层的要求 防止其被践踏 受冻或浸泡 在碎石或卵石垫层底部设置150 300mm厚的砂垫层 防止淤泥或淤泥质土层表面局部破坏 如淤泥或淤泥质土层厚度小 在碾压荷载下抛石挤淤处理 每夯完一层 应检验该层的平均压实系数 当压实系数符合设计要求 才能铺填上层 采用环刀法取样时 取样点位于每层2 3的深度处 垫层施工机械 垫层施工工艺 垫层质量检验 加固机理 在建筑物建造之前 在场地上进行加载预压 使土体中部分孔隙水逐渐排除 地基固结 土体强度逐渐提高 沉降提前完成 适用范围 淤泥 淤泥质土 冲填土等饱和粘性土地基 加固机理及适用范围 作用 提高土体强度和地基承载力 减少地基沉降量或沉降差 5 3排水固结法 预压法 加固机理及适用范围 固结理论 粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比 竖向排水情况 砂井地基排水情况 增加排水途径 砂井的布置 砂井布置范围 应比建筑物底面外扩2 4m 砂井长度 软土层较薄 砂井贯穿该土层 软土层较厚 砂井至少渗入最危险滑动面下2m 并穿越压缩层 砂井顶部 设置厚为0 3 0 5m的砂垫层 砂井间距 不宜小于1 5m 地基固结度的计算 1 竖向排水平均固结度 等边三角形布置 正方形布置 2 径向排水平均固结度 砂井的影响直径de的计算 3 砂井的平均固结度 砂井的排水途径 排水固结法分类 排水固结法由加载系统和排水系统两部分组成 排水固结 排水系统 加载系统 水平排水系统 竖向排水系统 塑料排水板 袋装砂井 普通砂井 软土层顶面的排水砂垫层 降水预压法 真空预压法 堆载预压法 电渗预压法 联合预压法 排水系统 竖向排水系统 水平排水系统 普通砂井 直径30 50cm 井径比n 6 8袋装砂井 直径7 12cm 井径比n 15 20塑料排水板 宽度 厚度 100 4mm 4 5mm 井径比n 15 20 砂垫层渗透系数 10 3cm s 含泥量 3 垫层厚度30 50cm 目的是创造一个竖向渗流的排水边界 创造一个水平渗流的排水边界 加载系统 堆载预压法 施工要求堆载大小 1 2设计荷载 不得超过相应时刻的地基极限承载力 待地基在前一级荷载作用下达到一定固结度后 再施加下一级荷载堆载面积 建筑物底面积加载速率 根据现场观测资料控制 安全施工的控制标准 边桩水平位移速率 5mm d 竖向变形速率 10mm d 优点 荷载大小不受限制 可超载预压 计量明确 施工技术简单 对地质条件的要求适应性广缺点 工程量大 投资高 加固机理 以抽气形成薄膜内外的压力差作为预压荷载 真空预压法 优点 荷载一次加足 孔隙渗流水引起的附加应力指向土体 不会发生剪切破坏 节省造价 缩短预压时间 场地清洁 噪音小 适用 房屋 边坡 码头等超软粘性土加固 无法堆载的倾斜场地 降水预压法 加固机理 通过降低地基中的地下水位 使软土承受相当于水位下降高度的压力而固结 优点 与堆载法合用 减少预压荷载 减少预压时间 比较经济缺点 形成的预压荷载有限 降水深度有限制 真空 堆载联合预压法 堆一部分荷载 再加降水或抽真空 综合二者之长 5 4振冲法和挤密法 振冲法 振冲挤密法 砂土 碎石桩 振冲置换法 粘性土 复合地基 加固范围 一般地基 在基础外缘扩大1 2排桩 可液化地基 在基础外缘扩大宽度 1 2液化土层厚度 桩的距离 荷载大或粘性土用较小桩距 荷载小或砂土用较大桩距 桩长选择 4m 相对硬层埋藏较浅 按相对硬层埋藏深度确定 相对硬层埋藏较深 按建筑物地基的变形允许值确定 对可液化地基 按抗震要求确定 设计与计算 桩孔布置 大面积满堂用等边三角形 独立或条基用正方形 矩形或等腰三角形 填料选择 含泥量不大于5 的碎石 卵石 矿渣等性能稳定的硬质材料 最大粒径碎石常用粒径20 50mm桩顶部应铺300 500mm厚的碎石垫层 桩的直径 常为0 8 1 2m 承载力的计算 按现场载荷试验确定 初步设计可用单桩和处理后桩间土载荷试验数据计算 n 桩土应力比 可取2 4 等边三角形布置 de 1 05s正方形布置 de 1 13s矩形布置 fspk 复合地基承载力特征值fpk 桩体单位截面积承载力特征值fsk 桩间土承载力特征值m 面积置换率 小型工程的粘性土地基 若无现场载荷试验资料 估算方法 沉降计算 按 地基规范 确定 其中Esp通过原位测试确定 或者按下式 无实测资料 粘土取2 4 粉土取1 5 3 质量检测 除砂土地基外 施工完到检测时间间隔 粘性土3 4周 粉土2 3周 检验方法 复合地基采用复合地基载荷试验 桩数量 0 5 总桩数且 3点桩体单桩载荷试验 检验数量为0 5 总桩数且不小于3跟桩间土采用标贯 静力触探 根据施工方法和灌入材料不同 分为 砂桩 碎石桩 石灰桩 灰土桩 渣土桩 爆扩桩等 挤密法 分类 振动成桩 冲击成桩 适用范围 处理松散的砂类土 素填土 杂填土 湿陷性黄土 作用机理 以振动或冲击的方法成孔 然后在孔内填入砂 石 土 灰土等并加以捣实成为桩体 砂石挤密桩加固地基宽度应超出基础宽度 每边放宽不应少于1 3排用于防砂层液化时 每边放宽不宜小于处理深度的1 2 且 5m当液化层上有厚度大于3m的非液化层时 每边放宽不宜小于液化层厚度的1 2 且不应小于3m a 松散砂土地基 等边三角形布置 正方形 s 砂石挤密桩间距d 砂石挤密桩直径e0 地基处理前孔隙比e1 地基挤密后希望达到孔隙比Drl 挤密后要求砂土达到相对密度 砂石挤密桩通过现场试验确定 且不宜大于砂石桩直径的4倍有经验地区也可按下式计算 挤密法设计与计算 布置 桩距 散体材料复合桩 b 粘性土地基 等边三角形 正方形 Ae 每根砂石挤密桩承担的处理面积Ap 砂石挤密桩的截面积m 面积置换率 松软土厚度不大时 砂桩穿过松软土层松软土厚度较大时 按建筑地基变形允许值确定对可液化砂层 桩长应穿透可液化层 桩长 材料 桩孔内的填料宜用砾砂 粗砂 中砂 圆砾 卵石 碎石等 含泥量不大于5 且不宜含有大于50mm的颗粒 现场复合地基载荷试验确定 初步设计时可以用下列公式估算 按 地基规范 法计算 压缩模量 砂石桩处理的砂土地基 变形验算与一般浅基础地基变形验算相同 因为压缩模量相同 砂石桩处理的砂土地基 可以根据挤密后砂土的密实状态 按 地基规范 有关规定确定 承载力 变形 砂石挤密桩施工 可采用振动沉管 锤击沉管或冲击成孔等成桩方法 用于消除细粉砂及粉土液化时 宜用振动沉管成桩 施工顺序 砂土地基 从外或两侧向中间 粘土地基 从中间向外围或隔排施工在既有建筑物附近施工 应背离建筑物方向进行 质量检测 施工完到检测时间间隔 饱和粘性土 4周 粉土 砂土 杂填土地基 1周 检验方法 复合地基采用复合地基载荷试验 数量 0 5 总桩数且 3点桩体采用动力触探试验 检测数量 2 桩孔数量桩间土采用标贯 静力触探 动力触探等 检测位置在等边三角形或正方形中心 碎石土 砂土 低饱和度的粉土 粘性土 人工填土 湿陷性黄土等 对于淤泥和淤泥质土 尚有争议 5 5强夯法和强夯置换法 强夯法 适用范围 操作过程 通过一般80 300kN的重锤和8 40m的落距 对地基土施加很大的冲击 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沉降 加密作用 强夯时 气体体积压缩 孔隙水压力增大 随后气体有所膨胀 孔隙水排出的同时 孔隙水压力减少 根据实验 每夯击一遍 气体体积可减少40 液化作用 巨大冲击力使土中的孔隙水压力迅速提高 致使局部 部分 土体液化 土的强度消失 土粒自由地重新排列而趋密 固结作用 强夯在地基中产生超孔隙水压力大于土粒间的侧向压力时 土粒间出现裂缝 形成排水通道 土的渗透性增大 孔隙水顺利排除 加速土的固结 时效作用 随着时间推移 孔隙水压力消散 土粒又重新紧密接触 自由水重新变成结合水 土的强度逐渐恢复 加固机理 设计要点 有效加固深度 公式计算 经验统计 现场夯实 在 基础上初定锤重和落距 以现场夯实为准 H 强夯的有效加固土层厚度W 夯锤重h 落距a 与土的性质和夯击能有关的系数 单位夯击能 粗颗粒土可取1000 3000KN m m2细颗粒土可取1500 4000KN m m2 夯锤与落距 根据有效加固深度与单位夯击能 最后选用夯锤与落距 在相同夯击能情况下 增加落距h比增加锤重W更有效 每个夯点的夯击次数 由现场试夯所得夯击次数与夯沉量关系曲线确定最佳夯击次数 但应同时满足 最后两击的平均夯沉量不大于下列数值 单击夯击能6000KN m时 为200mm 夯坑周围地面不应发生过大隆起 不因夯坑过深而发生起锤困难 通常按正方形或等边三角形布置 如下图 按设计起重机开行路线 顺序布置夯击点 第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2 5 3倍 如下图 夯击遍数 根据土的性质 夯击功能 有效深度确定 一般为2 3遍 最后再以低能满夯一遍 夯击范围 大于建筑物基础范围 每边超出基础边缘的宽度宜为处理深度的1 2 1 3 且不小于3m 夯点平面布置 两遍夯击之间的时间间隔 现场试验测试调整 取决于土中孔隙水压力消散的时间 对碎石与砂土可以连续夯击 对渗透性差的粘性土 应不小于3 4周 初定强夯参数 提出强夯试验方案 进行现场试验 经间隔时间后进行夯后测试并与夯前数据对比 检验强夯效果 调整后确定正式强夯参数 设备简单 工艺方便 原理直观 应用范围广 加固效果好 需要人员少 施工速度快 不消耗水泥等建材 费用低 可比桩基节省投资30 70 振动大 有噪音 在市区难以采用 理论不成熟 要现场试夯 强夯的振动对周围建筑物影响研究还不够 优点 缺点 强夯置换法 在强夯形成的夯坑内回填块石 碎石等粗颗粒材料 然后用夯锤夯击 重复此过程连续施工 形成一个墩体 成为强夯置换墩 加固机理 固结排水 挤密 复合地基加固深度 一般小于7m 对淤泥 泥炭等应穿透软土层 到达较硬土层 对深厚饱和粉土 粉砂 当沉降等其他条件允许时可以不穿透该层 单位夯击能 通过现场试夯确定 初步设计时 单位夯击能 通过现场试夯确定 同时满足 1 墩体穿透软弱土层2 累计夯沉量为设计墩长1 5 2 0倍3 最后两击平均夯沉量不大于50mm 夯击能大时 不大于100mm 墩体材料 级配良好的块石 碎石 矿渣和建筑垃圾 粒径大于300mm的颗粒小于30 形成墩体施工基础前 墩顶铺设500mm粒径小于100mm的压实垫层 墩体位置布置 与强夯法同 计算方法 对粉土 按桩土间复合地基考虑对淤泥 首先按单墩载荷试验确定单墩承载力 然后再除以单墩加固面积 作为加固后的地基承载力 5 7化学加固法 采用化学浆液灌入或喷入土中形成固化体以加固地基的处理方法 分类 加固机理 仿照土的成岩作用 在土中灌入或喷入化学浆液 使土粒胶结成固体 以提高土体强度 减少其变形和加强其稳定性 水泥土搅拌法 高压喷射注浆法 夯实水泥土桩法 土工合成材料法 单液硅化法 盐碱法等 水泥土搅拌法 柱状布置 壁状布置 格栅状布置 块状布置 水泥土搅拌桩的型式 柔性材料复合桩 水泥土搅拌桩设计 复合地基承载力 桩承载力 桩周土承载力 m 桩土面积置换率Ap 桩的平均截面积 桩间天然地基土承载力折减系数桩端软土 0 5 1 0 硬土 0 1 0 4fcu 桩身试块的立方体抗压强度平均值 强度折减系数 0 35 0 50 承载力 现场复合地基载荷试验确定 初步设计时可以用下列公式估算 Ra 可用单桩载荷试验确定无试验资料 软弱下卧层承载力验算 按 地基规范 沉降量 桩范围的压缩s1 桩端以下土的沉降s2 桩端以下未加固土层的压缩变形值可按 地基规范 分层总和法计算 pb 未加固区土层顶面的荷载 条形基础 矩形基础 比旋喷桩的泥用量大为减少 水泥土搅拌桩的施工 就位 预搅下沉 喷浆搅拌提升 沉钻复搅 重复提升搅拌 完毕 高压喷射注浆法 加固体的形状 旋喷 定喷 摆喷 淤泥 淤泥质土 粘性土 粉土 黄土 砂土 人工填土等各种松软地基 适用范围 柔性材料复合桩 旋喷桩设计 复合地基承载力 桩承载力 桩周土承载力 m 桩土面积置换率Ap 桩的平均截面积 桩间天然地基土承载力折减系数桩间软土 0 5 1 0 硬土 0 1 0 4fcu 桩身试块的立方体抗压强度平均值 强度折减系数 0 35 0 50