软土地基处理工程综述

1绪论1.1软土概念软土一般是指在静水或缓慢的流水环境中淤积的天然孔隙比 e大于1.0、天然含水量大于液限的以灰色为主的一种软塑至流塑状态的粘性土。一般是以淤泥、淤泥质土为主的天然含水量大、压缩性高、承载力低的饱和粘性土、粉土等。1.2 软土形成原因软土的形成主要有三个控制因素：一是沉积环境；二是物质来源；三是地下水或地表水。软土的成因类型可分为以下四类：（1）滨海沉积滨海相、泻湖相、三角洲相等；（2）湖泊沉积湖相、三角洲相；（3）河滩沉积河漫相、牛轭湖相；（4）沼泽沉积泻湖相。1.3软土的工程性质软体主要有以下基本工程性质：（1）空隙比大、含水量高；（2）压缩性高；（3）强度低；（4）变形量大；（5）压缩稳定所需时间较长；（6）侧向变形较大。1.4软土地基常见工程问题软土地基常见工程问题主要有：（1）地基承载力和稳定性问题；（2）沉降、水平位移及不均匀沉降问题；（3）建筑物的沉降问题。1.5 软土地基处理方法目前软土地基处理的方法主要有：换填垫层法、强夯法、碎石桩法、灰土挤密桩法、水泥粉煤灰碎石法、预压法、胶结法、加筋法、托换技术。1.6软土地基处理方法选择 1-1软土地基处理方法选择按照下图流程2换填垫层法2.1换填垫层法概念建筑工程中，经常直接在地面上或者先将地面下浅部土层挖除，分层填筑工程性能良好的材料而形成一种人工地基，我们称这种地基处理方法为换填垫层法。这种地基处理方法广泛用于房屋类建筑、厂道和城市街道、堆场、广场和机场、公路等建设工程领域。2.2换填垫层的目的换填垫层的目的是提高地基承载力、减小地基沉降或不均匀沉降，加速软土层的排水固结，防止冻胀，消除膨胀土的胀缩性和湿陷性黄土地基的湿陷性，以及降低液化地基的液化沉陷等，建筑工程类型不同，换填垫层的作用也有所不同。2.3换填垫层设计与施工要点2.3.1垫层断面形式根据垫层底面与自然地面的关系，换填垫层的断面形式主要有下列三种情况：（1）先将部分或全部软弱土层或者不良土层或者不均匀土层挖除，然后在所形成的基坑内回填坚硬的或较粗粒径的材料，并压实形成垫层，称之为换填垫层；（2）不开挖基坑，而是直接在自然地面以上填筑工程性能良好的材料，并压实形成垫层，通常称这种垫层为填筑垫层；（3）前两种垫层的综合，即联合垫层。2.3.2垫层厚度要求 换填垫层，其厚度一般不宜小于0.5m，也不宜大于3m。垫层厚度应根据需要置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下卧层验算，按照下式计算 ： pz pcz faz 2-1式中 pcz垫层底面处土的自重压力（kPa）； faz垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）； pz相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力(kPa)，2.3.3垫层宽度要求(1)对于换填垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，一般可按下式确定： bb+2ztan 2-2 式中 b垫层底面宽度（m）； b基础底面宽度（m）； 压力扩散角（）。（2）当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外缘至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m 条形基础 a3.5bd / tan 矩形基础 a2.5bd / tan 2-3 式中 a基础底面外缘至坡顶的水平距离（m）； b垂直于坡顶边缘线的基础底面边长（m）； d基础埋置深度（m）； 边坡的坡角（）。（3）当边坡坡角大于45、坡高大于8m时，验算地基整体稳定性按下式计算： 2-4 式中 K地基稳定性系数； 、分别为最危险滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩和滑动力矩。2.3.4垫层材料选择及要求垫层的承载力和模量宜通过试验或当地经验确定。当无试验资料或经验时，可分别参照表所示：垫层材料类型承载力特征值（kPa）压缩模量（MPa）变形模量（MPa）碎石、卵石2003003050砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）2002502040土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）1502001540中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾1502002030粉质粘土130180820石屑1201502030灰土20025040200粉煤灰120150820矿渣2003003570二灰地基（石灰和粉煤灰）25:75200300557020:80303715:8528322.3.5压实方法和压实标准施工方法换填材料类别压实系数c碾压、振密或夯实碎石、卵石0.940.97砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑粉质粘土灰土0.95粉煤灰0.900.953强夯法3.1强夯法概念强夯法是采用80300kN重锤，以820m落距自由落下，对软弱地基瞬时施加巨大冲击能。其单击能量一般5008000kNm，加固影响深度达到1020m，甚至更深一些。3.2压实机理强夯技术加固地基的三种作用机理，即动力密实、动力固结、 动力置换。3.3强夯法施工3.3.1夯击次数与夯沉量夯点的夯击次数，应根据现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定。施工合理夯击次数，即单击夯沉量开始趋于稳定时对应累计夯击次数，且可用作施工时收锤的控制夯沉量。必须同时满足：（1）最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时，应不大于100mm；（2）夯坑周围地基不应发生过大的隆起；（3）不因夯坑过深而发生起锤困难。各试夯点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为515击。 3.3.2 夯击遍数与间歇时间 对于饱和粘性土，孔隙水压力消散较慢，故随着夯击次数增加，超静孔隙水压力相应地发生积聚并达到最大值。在这种情况下，如再连续施加夯击能，对土的加固无效，应停止夯打。这种使孔隙水压力上升至最大值的夯击次数就是第一遍的夯击数。需要分遍夯击的遍数，根据地基性质确定，一般为23遍。各遍夯击的间歇时间，根据孔隙水压力消散情况确定，一般为24周。对于砂性土，渗透较快，孔隙水压力消散快，一散时间仅24min，故可连续夯击。3.3.3夯击点布置与间距夯击点平面布置应考虑基础的结构类型与要求，平面布置形式可采用三角形和正方形布置夯击点。根据上部重墙位置、柱网分布，布置夯击点，以提高夯击能的效率。考虑应力扩散作用，强夯范围应大于结构基础范围，可按影响深度1/22/3D，且大于3m，由各边向外扩展。当处理液化、湿陷等病害地基时，加固扩展的范围尚应根据结构的重要性适当增加 根据土性质和夯击单击能量综合确定，一般按59m布置点距机理上，单击能量愈高、且为加固性夯击时，应取较大的夯点距离有学者根据经验提出，夯点间距一般与夯击加固的影响深度大致相当3.4 强夯法的优缺点3.4.1 优点（1）施工设备和施工工艺相对简单，施工技术控制方 便、可靠。(2）适用范围广泛。一方面，强夯法可用于各种松软 土层，如冲积层、滨海沉积、水利吹填土、沼泽地、黄土、垃圾、废石堆等。对房屋、仓库、油 罐、公路、铁路、桥梁、港口、机场跑道等地基加固均可应用；另一方面，强夯法宜用于多种病害的防治，如软弱土地基加固、液化地基防治以及失陷性黄土地基的处理等。(3).无需其它稳定外掺剂和特殊材料。（4)工程造价低，甘肃兰州炼油厂的30000t油罐地基， 采用强夯法，节约基础工程费用达23.3%。3.4.2缺点（1）强夯法的不足之处在于振动会对临近建筑物产生不利影响（2）其次是强夯的理论不够成熟，无完善的设计方法（3）强夯法应用于饱和粘性土的动力固结的加固效果不稳定4碎石桩法4.1 碎石桩概念碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩和砂桩等在国外统称为散体桩或租颗粒土桩。所谓散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石柱或砂桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。目前在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。4.2碎石桩分类碎石桩根据施工工艺不同：（1）振冲碎石桩；（2）干振碎石桩 （3）沉管碎石桩（4）强夯置换碎石桩（5）水泥粉煤灰碎石桩(CFG)4.3碎石桩设计4.3.1桩距确定碎石桩的布桩原则是有利于施工，同时加固后的地顶不发生隆起或下沉打入的碎石桩能起到100的挤密效果，被加固的土体没有流失。桩距的确定方法同砂桩所述，按要求的孔隙比确定桩距的有关内容。出于每个建筑场地的条件不同，桩距宜由现场试验确定。般情况下，干振碎石桩的桩距采用1.0-1.3m。4.3.2布桩方式通常对于大面积的地基加固宜采用正方形或正三角形布桩；对于独立、条形基础宜采用矩形、正力形或等腰三角形布桩，对于圆形或环形基础宜用放射性布桩.4.3.3桩径确定干振碎石桩的直径应根据工程要求、地基土质情况和成桩设备等因素确定，干振碎石桩桩径一般为0.4一0.7m。4.3.4承载力和变形验算 4.3.4.1、复合地基承载力标准值计算 复合地基承载力标淮值应按现场复合地基载荷试验确定，也可以用单桩和桩间土的载荷试验按下式确定: 4-1式中 复合地基承载力标准值（）； 桩体单位截面面积承载力标准值（）； 加固后桩间土的承载力标准值（）； 桩土应力比； 面积置换率。4.3.4.2变形计算(1）分层总和法即规范法，碎石桩复合地基的变形计算主要包括复合地基加固五的变形量相加固区下卧层变形鼍，地基处理后的变形计算按国家标准建筑地基基础设计规范的有关规定执行： 4-2复合土层的压缩模量可按上式确定桩土应力比n在无实测资料的情况下，粘性土可取2，粉土可取1.52。有关碎石桩复合地基的沉降系数，日前尚无完整的统计数据，可根据当地经验取值。(2）沉降折减系数法 一般天然粘性土地基的沉降量可用下式表示(同砂桩类似）5灰土挤密桩法5.1灰土挤密桩概念灰土（或土）挤密桩是利用打入刚套管（或振动沉管、爆破等）在地基中成孔，通过挤压作用使地基得到加密，然后分层填入灰土（或素土）后夯实而成的灰土（或土）桩，属柔性桩复合地基;地下水位以上的的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基；处理深度515m。5.2灰土加固机理（1）土的侧向挤密作用：灰土(土）桩成孔时，土体被迫产生侧向挤密，挤密影响半径一般为1.52倍桩直径； 相邻桩孔挤密区交界处挤密效果叠加，增加挤密效果（2）灰土性质作用： 石灰与土按一定比率（2:8或3:7）拌和形成的桩体具有气硬性和水硬性，由于石灰内带正电Ca离子与带负电粘土颗粒相互吸附，形成胶体凝聚，并随灰土龄期增长，土体固化作用提高，土体强度逐渐增加。在力学性能上，可达到挤密地基效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降减小。（3）桩体作用：在灰土桩挤密地基中，灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量（灰土的变形模量E0=2936MPa，相当于夯实素土的210倍）降低了基础底面一下一定深度内的土中的应力，消除了持力层内产生较大压缩变形和湿陷性的不利因素，形成的桩体作用降低了原来地基土持力层的应力。5.3灰土挤密桩设计5.3.1设计计算原则（1）以消除地基土湿陷性为目的的设计计算；(宜采用土挤密桩法）（2）以提高地基承载力和水稳定性为目的的设计；（宜采用灰土挤密桩法和夯实水泥土桩法）（3）桩间距应以保证桩间土挤密后达到要求的密实度和消除湿陷 性为原则。5.3.2桩径设计时如果桩径d过小，则桩数增加，并增加了打桩和回填的工作量；如果桩径过大，则桩间土挤密不够，消除湿陷性的效果不够理想，且对成孔机械的要求也提高。目前我国桩径最小为250mm，最大为600mm，一般为300450mm，常用400mm；5.3.3桩距和排距桩距的设计一般应通过试验或计算确定；计算主要是通过桩间土被挤密后达到应的密实度来确定的（平均挤密系数和土的干密度）为了均匀挤密桩间土，一般采用正三角形步孔，有时为了适应基础尺寸和形状，可采用其它形式布孔；对于等边三角形布置时，桩间距可取桩孔直径的2.02.5倍，也可按下式估算： 5-1式中：S桩孔之间的中心距离；d钻孔直径；桩间土最大干密度地基处理前的平均干密度； 桩间土成孔后的平均挤密系数，对重要工程不宜小于0.93，对一般工程不宜小于0.90。桩孔数量可按下式估算： ;.桩顶标高以上应设置300500mm厚的2：8的灰土垫层，其压实系数不应小于0.95。5.3.4承载力灰土（土）挤密桩复合地基承载力特征值，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，可案当地经验确定，单对于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250MPa；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180MPa6水泥粉煤灰碎石桩法6.1水泥粉煤灰碎石桩概述水泥粉煤灰碎石（CFG）桩由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂和水按一定配合比均匀搅拌形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基，既能较充分的发挥桩体材料的潜力，又可充分利用天然地基承载力，并能因地制宜利用地方材料，具有工效高、成本低、工后变形小、沉降稳定快的优点。6.2 CFG桩施工工艺流程图水泥粉煤灰碎石桩施工工艺流程图:6.3 CFG桩复合地基设计6.3.1桩径 一般桩径为350600mm，由施工设备的桩管决定。CFG桩常采用振动沉管法施工。6.3.2桩距桩距的大小取决于设计要求的地基承载力、布桩形式、土质与施工机具等，但还要考虑到施工的可行性。6.3.3复合地基承载力 6-1 桩间土强度折减系数，无经验时可取=0.750.95。6.3.4单桩承载力CFG桩单桩承载力可按以下方式确定：由单桩静载试验确定： Ra=Ru/k 计算确定，按下式估算 6-26.3.5褥层厚度一般取1530cm为宜 6.3.6 沉降计算复合地基总沉降量分为加固区的沉降和未加固区的沉降. 未加固区的沉降 分层总和法 。加固区的沉降 应力修正法(沉降折减法、复合模量法、桩身压缩量法)7预压法7.1堆载预压法堆载预压法是工程上常用的有效方法，堆载一般用填土、砂石等散粒材料，当采用加载预压时必须控制加载速度，制定出分级加载计划，以防地基在预压过程中丧失稳定性，因而所需工期较长。7.2真空预压法真空预压法是在需要加固的软粘土地基内设置砂井，然后在地面铺设砂垫层，其上覆盖不透气的密封膜，使与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中的吸水管道，用真空装置进行抽气，将膜内空气排出，因而在膜内产生一个负压，促使孔隙水从砂井排出，达到固结的目的。真空预压法适用于一般软粘土地基，但在粘土层与透水层相间的地基，抽真空时地下水会大量流入，不可能得到规定的负压，故不宜采用此法。7.3降低地下水位法地基土中地下水位下降，则土的自重有效应力增加，促使地基土体固结。降低地下水位法最适宜于砂或砂性土地基，也适用于软粘土层上存在砂或砂性土的情况。对于深厚的软粘土层，为加速其固结，可设置砂井，并采用井点降低地下水位。但降低地下水位，可能引起邻近建筑物基础的附加沉降，对此必须引起足够的重视。7.4砂井预压法设计7.4.1砂井布置砂井布置包括砂井直径、间距和深度的选择，确定砂井的排列以及排水砂垫层的材料和厚度等。通常砂井直径、间距和深度的选择应满足在预压过程中，在不太长的时间内，地基能达到70%80%以上的固结度。7.4.1.1砂井直径和间距砂井直径和间距，主要取决于软粘土层的固结特性和施工期限的要求。就地灌筑砂井的直径dw一般为30cm50cm。袋装砂井直径常采用7cm10cm。就地灌筑的砂井，常用的砂井间距一般是砂井直径的68倍，一般间距取2m4m；当袋装砂井井径为7cm时，间距一般为1m2m。7.4.1.2砂井深度排列砂井深度的选择与土层分布、地基中的附加应力大小、施工期限等因素有关。在以往的工程中，砂井深度多为10m20m。砂井的平面常按正方形或等边三角形布置。砂井的布置范围，一般比建筑物基础为大。7.4.1.3排水砂垫层和砂沟在砂井顶面应铺设排水砂垫层或砂沟，以连通砂井，引出从软土层排入砂井的渗流水，砂垫层的厚度宜大于40cm（水下砂垫层厚为100cm左右）。平面上每边伸出砂井区外边线的宽度一般应不小于2dw，如砂料缺乏，可采用砂沟，一般在纵向或横向每排砂井设置一条砂沟，在另一方向按中间密两侧疏的原则设置砂沟，并使之连通。砂沟的高度可参照砂垫层厚度确定，其宽度应大于砂井直径。7.4.2制定预加荷载计划在加载预压中，任何情况下所加的荷载均不得超过当时软土层的承载力。为此，要拟定加载计划，设计时可按以下步骤初步拟定加载计划：（1）利用地基的天然抗剪强度计算第一级容许施加的荷载；（2）计算第一级荷载下地基强度增长值并籍此增长值确定第二级所能施加的荷载；（3）计算第一级荷载作用下达到指定固结度所需的时间，此时间亦为第二级荷载开始施加的时间；（4）以此类推完成整个加载过程。7.4.3砂井地基平均固结度的计算砂井地基的固结度按土力学中的渗透固结理论计算。渗透固结理论假设荷载是瞬间加上去的，而实际加载则需要一个过程，所以先按瞬时加载条件计算固结度，然后再按实际加载过程对固结度进行修正。7.4.4排水过程中地基强度增长值的推算在预压荷载作用下，地基土在某一时刻t的抗剪强度为： 7-1式中：地基中某点在加荷前的天然土抗剪强度（kPa），其值可由十字板剪切试验测定；在加荷后t时刻地基土由固结引起的强度增长量（kPa）；考虑土体由于剪切蠕变及其它因素对强度影响的一个综合性折减系数。根据工程经验，可取0.750.90，剪应力大取低值，反之取高值。抗剪强度增长量 的计算方法较多，常用有效固结压力法计算： 7-2式中预压荷载引起的该点附加竖向压力；该点土的固结度。 该法试验和计算都较方便，工程上已得到广泛的应用。7.4.5稳定性分析由于地基土在预压荷载作用下可能失稳破坏，因此，预压加载过程中必须验算每级荷载下地基的稳定性。进行稳定分析时，通常假定地基的滑动面为圆筒面，可采用圆弧法（条分法）进行。8胶结法8.1胶结法概述胶结法是在土中掺入水泥浆或能固化的其它浆液，或者直接掺入水泥、土等能固化的材料，经拌和固化后，在地基中形成一根根柱状固化体，并与周围土体组成复合地基而达到处理目的。其中主要有高压喷射注浆法、深层喷浆搅拌法、深层喷粉搅拌法等，可适用于软弱粘性土、冲填土、砂土及砂砾石等多种地基。8.2注浆法 注浆法的原理是用压力泵把水泥或其它化学浆液注入土体，以达到提高地基承载力、减小沉降、防渗、堵漏等目的。适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可加固暗浜和使用在托换工程中。 8.3高压喷射注浆法高压喷射注浆法将带有特殊喷嘴的注浆管，通过钻孔置入要处理土层的预定深度，然后将水泥浆液以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体；若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。可以提高地基承载力、减少沉降、防止砂土液化、管涌和基坑隆起。适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。8.4水泥土搅拌法 水泥土搅拌法利用水泥、石灰或其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(水泥或石灰的浆液或粉体)强制搅拌，形成坚硬的拌和拄体，与原地层共同形成复合地基。适用于淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土地基。9加筋法9.1加筋法概述加筋法是在土中埋设土工聚合物（即土工织物）或拉筋，形成加筋土或各种复合土工结构，或沿不同方向设置直径为75mm250mm的桩，形成树根状桩群，即所谓树根桩，以减小地基沉降，提高地基承载力或增强土体稳定性。土工聚合物还可起到排水、反滤和隔离作用。在地基处理中，加筋法可用于处理软弱地基。9.2土工合成材料 利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。适用于砂土、粘性土和软土，或用作反滤、排水和隔离材料。9.3加筋土 把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体，用以提高土体的稳定性。适用于人工填土的路堤和挡墙结构。9.4土层锚杆 土层锚杆是依赖于土层与锚固体之间的粘结强度来提供承载力的，它使用在一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程结构，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、高耸结构抗倾覆等。适用于一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程。9.5土钉 土钉技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土共同作用，用以弥补土体自身强度的不足。不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉和抗剪强度低的弱点，显著提高了整体稳定性。适用于开挖支护和天然边坡的加固。9.6树根桩法 在地基中沿不同方向，设置直径为75250mm的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用以挡土，稳定边坡。适用于软弱粘性土和杂填土地基。10托换技术10.1托换技术概述托换技术是指需对原有建筑物地基和基础进行处理、加固或改建，或在原有建筑物基础下修建地下工程或因邻近建造新工程而影响到原有建筑物的安全时，所采取的技术措施的总称.基础托换主要有基础加宽、加深技术，桩式托换及地基改良技术如灌浆法等。10.2基础加宽、加深法通过基础加宽，扩大基础底面积，有效降低基底接触压力。图10-1 坑式托换基础加宽应注意加宽部分与原有基础部分的连接。通常通过钢筋锚杆（植筋）将加宽部分与原有基础部分连接，并将原有基础凿毛、刷洗干净，铺一层高标号水泥浆或涂混凝土界面剂，使两部分混凝土能较好连成一体，对刚性基础和柔性基础都要进行计算，刚性基础应满足刚性角要求，柔性基础应满足抗弯要求。钢筋锚杆应有足够的锚固长度，有条件时可将加固筋与原基础钢筋焊牢。有时也可将柔性基础改为刚性基础，独立基础改成条形基础，条形基础扩大成片筏基础，片筏基础改成箱形基础等。基础加深采用坑式托换，是直接在被托换建筑物的基础下挖坑后浇筑混凝土的托换加固方法，也称墩式托换，如图10-1所示。坑式托换的适用条件是：土层易于开挖，地下水位较低，否则施工时会发生邻近土的流失；建筑物的基础最好为条形，便于在纵向对荷载进行