第5章+软弱地基处理.ppt

普通高等教育“十二五”土木工程系列规划教材,基础工程FoundationEngineering,西南科技大学土木工程与建筑学院土木教研室品牌课程,第5章软弱土地基处理,第5章软弱土地基处理,学习目的和要求,通过本章学习，了解软土地基的特性、处理方法及适用范围；掌握常见地基处理方法的加固机理和设计计算过程，能够根据不同软弱土地基选择适合的地基处理方法；了解常见地基处理方法的施工过程及检测要求；理解复合地基的概念；掌握复合地基承载力计算、变形计算及复合地基的一般设计过程。,第5章软弱土地基处理,5.1概论,软弱土地基的特征,含水量较高，孔隙比较大。,压缩性较高。,抗剪强度很低。,渗透性较差。,具有显著的结构性。,具有明显的流变性,第5章软弱土地基处理,地基处理的目的,改善剪切特性,改善动力特性,改善压缩特性,改善透水特性,改善特殊土的不良地基的特性,第5章软弱土地基处理,地基处理方法分类及应用范围,地基处理的基本方法，无非是置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法，这些方法是千百年以前以至迄今仍然是有效的方法。值得注意的是，很多地基处理的方法具有多种处理的效果。如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重作用；石灰桩又挤密又吸水，吸水后又进一步挤密等，因而一种处理方法可能具有多种处理效果。,软弱土地基处理方法分类,碾压及夯实,换填垫层,排水固结,振密挤密,置换及拌入,加筋,其它,第5章软弱土地基处理,常用地基处理方法及适用范围,1、碾压夯实,(1)重锤夯实,适用于碎石、砂石、粉土、低饱和度的粘性土、杂填土等,(2)机械碾压,(3)振动压实,(4)强夯法,第5章软弱土地基处理,重锤夯实,第5章软弱土地基处理,机械碾压,第5章软弱土地基处理,强夯,第5章软弱土地基处理,青岛港8号码头强夯挤淤工程,第5章软弱土地基处理,2、换填垫层,(1)砂石垫层(2)素土、灰土垫层(3)矿碴垫层,适用于处理浅层软弱土地基，一般只应用于荷载不大的建筑物基础,第5章软弱土地基处理,3排水固结,(1)预压法,(2)砂井预压,(3)塑料排水带预压,(4)降水预压,适用于处理饱和软弱土层；对于渗透性极低的泥炭土，必须慎重对待,第5章软弱土地基处理,堆载预压法,第5章软弱土地基处理,砂井预压(包括袋装砂井、塑料排水带等),第5章软弱土地基处理,真空膜,真空预压,第5章软弱土地基处理,降水预压,第5章软弱土地基处理,4振密挤密,(1)振冲桩,(2)灰土挤密桩,(3)砂石桩,适用于处理松砂、粉土、杂填土及湿陷性黄土,第5章软弱土地基处理,振冲挤密,第5章软弱土地基处理,振冲挤密法,第5章软弱土地基处理,5置换及拌入,(1)振冲置换,(2)深层搅拌,(3)高压喷射注浆,(4)石灰桩,(5)CFG桩,粘性土、冲填土、粉砂、细砂等。振冲置换法对于排水剪强度kPa时慎用,第5章软弱土地基处理,振冲置换,第5章软弱土地基处理,深层搅拌,第5章软弱土地基处理,注浆,第5章软弱土地基处理,喷粉桩施工,第5章软弱土地基处理,水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩),第5章软弱土地基处理,6加筋,(1)土工合成材料加筋,(2)树根桩,(3)加筋土,软弱土地基、填土及高填土、砂土,第5章软弱土地基处理,三、地基处理的基本原则,在选择处理方法时需要综合考虑各种影响因素，如建筑物的体型、刚度、结构受力体系、建筑材料和使用要求，荷载大小、分布和种类，基础类型、布置和埋深，基底压力、天然地基承载力、稳定安全系数、变形容许值，地基土的类别、加固深度、上部结构要求、周围环境条件、材料来源、施工工期、施工队伍技术素质与施工技术条件、设备状况和经济指标等。,施工中需考虑对场地及邻近建筑物可能产生的影响、占地大小、工期及用料等。,第5章软弱土地基处理,5.2换填垫层法,第5章软弱土地基处理,换填垫层法:将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，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）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法.,第5章软弱土地基处理,垫层的类型及适用范围表,第5章软弱土地基处理,1、提高浅层地基承载力通过扩散作用使传到垫层下的软弱土层应力减少；2、减小沉降量换填材料代替上部软弱土层，可减小这部分的沉降量、垫层扩散作用，使得下卧土层的压力减小，这相应减小下卧土层的沉降量；,第5章软弱土地基处理,3、加速软弱土层的排水固结不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，软弱地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下软弱土不易固结，产生较大的孔隙水压力，从而导致地基土强度降低，产生塑性破坏的危险。,第5章软弱土地基处理,4、防治冻胀垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，可防治冻胀。5、消除膨胀土的胀缩作用,第5章软弱土地基处理,2、垫层设计,垫层设计要点,1、要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，2、要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。,第5章软弱土地基处理,垫层厚度应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：,垫层厚度的确定,式中垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;垫层底面处土的自重压力值（kPa）；经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。,第5章软弱土地基处理,pZ+pCZfaz,条基,独立基础,第5章软弱土地基处理,压力扩散角（）,换填材料,粘性土和粉土(814),第5章软弱土地基处理,垫层宽度的确定,垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m,按当地开挖基坑经验的要求放坡,第5章软弱土地基处理,垫层承载力的确定,表5-3各种垫层的承载力表,压实系数,第5章软弱土地基处理,沉降计算,第5章软弱土地基处理,3.垫层施工,1）粒径小于0.002mm的胶体含量20%；2）液限L40%；塑性指数Ip17,在2235之间。3）自由膨胀率40%。,1）机械碾压法：机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土。此法常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程；2）重锤夯实法：重锤夯实法是用起重机将夯锤提升到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。重锤夯实法一般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、杂填土和分层填土；3）平板振动法：平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。先振基槽两边，后振中间，其振动的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格。振实后地基承载力宜通过现场载荷试验确定。一般经振实的杂填土地基承载力可达100120kPa。,第5章软弱土地基处理,4.例题,第5章软弱土地基处理,5.3强夯法和强夯置换法,第5章软弱土地基处理,强夯法是通过840t的重锤(最重可达200t)和825m的落距(最高可达40m)，对地基土反复施加冲击和振动能量，将地基土夯实的地基处理方法）；强夯置换法是将重锤提到高处使其自由落下形成夯坑，并不断夯击坑内回填的砂石、钢渣等硬粒料，使其形成密实的墩体的地基处理方法。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。,第5章软弱土地基处理,1.加固机理,目前，强夯法加固地基有三种不同的加固机理：动力密实、动力固结和动力置换。取决于地基土的类别和强夯施工工艺。,第5章软弱土地基处理,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。,Dynamiccompaction,第5章软弱土地基处理,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。,第5章软弱土地基处理,在冲击动能作用下，地面会立即产生沉降，一般夯击一遍后，其夯坑深度可达0.61.0m，夯坑底部形成一层超压密硬壳层，承载力可比夯前提高23倍。,第5章软弱土地基处理,2.动力固结,Menard根据强夯法的实践，首次对传统的固结理论提出了不同看法，认为饱和土是可压缩的新机理。,静力固结理论与动力固结理论的模型比较a）静力固结理论模型；b）动力固结理论的模型,Dynamicconsolidation,第5章软弱土地基处理,由于土体产生裂隙或趋于液化，引起渗透性增大。,第5章软弱土地基处理,1）饱和土的压缩性；,2）产生液化；,3）渗透性变化；,4）触变恢复,夯击一遍的情况,夯击三遍的情况,第5章软弱土地基处理,3.动力置换,Dynamicreplacement,第5章软弱土地基处理,动力置换类型,整式置换桩式置换,第5章软弱土地基处理,2.强夯法设计与施工,（1）有效加固深度,H有效加固深度(m),M夯锤重(t),h落距(m),系数,第5章软弱土地基处理,（2）夯锤和落距,单击夯击能为夯锤重M与落距h的乘积，一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大，夯击击数少，夯击遍数也相应减少，加固效果和技术经济较好。整个加固场地的总夯击能量(即锤重落距总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。,第5章软弱土地基处理,（3）夯击点布置及间距,等边三角形或正方形布置夯击点。工业厂房可根据柱网来布置夯击点。,夯距通常为515m,第5章软弱土地基处理,（4）夯击击数与遍数,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量应同时满足下列条件：,1)最后两击的夯沉量不大干50mm，当单击夯击能量较大时不大于100mm；,2)夯坑周围地面不风发生过大隆起；,3)不因夯坑过深而发生起锤困难。,一般为410击。,遍数一般24遍。最后一遍是以低能量“搭夯”即锤印彼此搭接。,第5章软弱土地基处理,第5章软弱土地基处理,（5）垫层铺设,垫层厚度一般为0.52.0m。铺设的垫层不能含有粘土。,（6）间歇时间,砂土连续，粘性土24周。,第5章软弱土地基处理,效果检验强夯施工结束后应间隔定时间方能对地基加固质量进行检验。其间隔时间对碎石土和砂土地基可取l2周：对粉土和粘性土地基可取34周。,室内试验,十字板试验,动力触探试验,静力触探试验,旁压试验,载荷试验,波速试验,旁压试验,第5章软弱土地基处理,5.4排水固结法,第5章软弱土地基处理,排水固结法是利用地基排水固结的特性，通过施加预压荷载，并增设各种排水条件（砂井和排水垫层等排水体），使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的一种软土地基处理方法。可使地基的沉降在预压期间基本完成或大部分完成，保证建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差。同时可增加地基土的抗剪强度，提高地基的承载力和稳定性。,第5章软弱土地基处理,排水系统,加压系统,排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。,第5章软弱土地基处理,根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为堆载预压法、砂井(包括袋装砂井、塑料排水板等)堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法和电渗法。,排水固结法的种类,堆载预压法和砂井堆载预压法唯一的区别在于：前者的排水系统以天然地基土层本身为主；而后者在天然地基中还人为地增设了诸如砂井等排水系统。,第5章软弱土地基处理,1.排水固结法的原理,加固软土层,竖向排水体,排水垫层,水平排水盲沟,第5章软弱土地基处理,堆载预压法就是用填土等外加荷载来增加总应力并使超静孔隙水压力u消散从而增加有效应力的方法。降低地下水位和电渗排水法是总应力不变,减少孔隙水压力来增加有效应力的方法。,排水固结法的原理,第5章软弱土地基处理,排水固结法的应用范围,用于处理软粘土地基，是十分有效的方法。,按照使用目的可以解决两个问题,沉降问题,稳定问题,第5章软弱土地基处理,2.堆载预压法设计,堆载预压的计算内容,1.选择竖向排水井，确定其断面尺寸、间距、排列方式和深度,2.确定预压区范围、预压荷载大小、荷载分级、加载速率和预压时间,3.计算地基土的固结度、强度增长、抗滑稳定性和变形,第5章软弱土地基处理,1.砂井尺寸,砂井的设计工作即为选择适当的砂井长度、直径、间距、以及形成有效的砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以随地基在批载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度(通常定为80)。,（1）砂井直径和间距,常采用“细而密”原则。,一般砂井直径：300500mm；间距：68倍井径。,袋装砂井直径：70120mm；间距：1522倍井径。,第5章软弱土地基处理,（2）砂井的布置,正三角形排列,正方形排列,排水路径,第5章软弱土地基处理,l,l,de,de,第5章软弱土地基处理,（3）砂井深度,根据现场各种因素定。（土层厚、有无透水层、压缩层厚度、承压水、稳定控制、沉降控制量等）一般1025米。,第5章软弱土地基处理,（4）砂垫层,在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连通各个砂井形成通畅的排水面，将水排到场地以外。砂垫层厚度不应小于0.5m；水下施工时，砂垫层厚度一般为1.0m左右。,第5章软弱土地基处理,1、预压荷载的大小，应根据设计要求确定，通常可与建筑物的基底压力大小相同。对于沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基,2.确定加载的数量、范围和速率,2、加载的范围不应小于建筑物基础外缘所包围的范围，以保证建筑物范围内的地基得到均匀加固。,3、加载速率应与地基土增长的强度相适应，待地基在前一级荷载作用下达到一定的固结度后，再施下一级荷载。,第5章软弱土地基处理,（1）地基固结度计算：在一级或多级等速加载条件下，某一时间t对应总荷载的地基平均固结度可按下式计算：,3.计算地基的固结度、强度增长和变形,第5章软弱土地基处理,（2）地基强度计算：预压荷载下，正常固结饱和粘性土地基中某点任意时间的抗剪强度可按下式计算：,3.计算地基的固结度、强度增长和变形,第5章软弱土地基处理,（3）预压荷载下地基的最终竖向变形量可按下式计算：,3.计算地基的固结度、强度增长和变形,第5章软弱土地基处理,5.5复合地基理论,复合地基（CompositeFoundation）一词,国外最早见于1962年。,复合地基的概念已成为很多地基处理方法的理论分析及公式建立的基础和根据。它已广泛地运用于如碎石桩、砂桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩和石灰桩等加固地基的理论分析中。,初期,后来,主要指天然地基中设置碎石桩而形成的碎石桩复合地基,深层搅拌法和高压喷射注浆法的应用，人们开始重视水泥土桩复合地基的研究,第5章软弱土地基处理,?,复合地基定义的争论,复合地基是指两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）所组成，在相对刚性基础上两者共同分担上部荷载并协调变形（包括剪切变形）的地基。,砂石桩复合地基或水泥土桩复合地基,根据桩体的刚度,桩体与基础不相连,与桩体刚度无关,桩和桩间土共同承担荷载,根据其工作状态,第5章软弱土地基处理,复合地基计算简图,第5章软弱土地基处理,1复合地基的分类,（1）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。,均质人工地基,双层地基,水平向增强复合地基,竖直向增强复合地基,第5章软弱土地基处理,（2）根据复合地基工作机理可作下述分类；,复合地基常用的形式,水平向增强复合地基,竖直向增强复合地基,斜向增强复合地基,长短桩复合地基,第5章软弱土地基处理,地基复合地基桩基的区别,第5章软弱土地基处理,第5章软弱土地基处理,2复合地基作用机理和设计参数,2.1作用机理,桩体作用,垫层作用,加速固结作用,挤密作用,加筋作用,第5章软弱土地基处理,（1）面积置换率,2.2设计参数,桩体的横截面积(Ap)与该桩体所承担的复合地基面积(Ae)之比称为复合地基面积置换率(m)，,第5章软弱土地基处理,等边三角形布桩：,正方形布桩：,矩形布桩：,第5章软弱土地基处理,（2）桩土应力比,桩土应力比是指复合地基中桩体的竖向平均应力与桩间土的竖向平均应力之比。,第5章软弱土地基处理,（3）复合压缩模量,在复合地基计算中，为了简化计算，将其视为一均质的复合土层，那么与原非均质复合土层沉降量等价的均质复合土层的压缩模量称为复合压缩模量,第5章软弱土地基处理,3.1复合地基承载力确定,复合地基承载力一般应通过现场复合地基荷载试验确定，应按地基处理规范的附录进行。,3复合地基承载力的确定,初步设计时也可按复合求和法估算。,复合求和法,应力复合法,变形复合法,第5章软弱土地基处理,应力复合法,应力复合法认为复合地基在达到其承载力的时候，复合地基中的桩与桩间土也同时达到各自的承载力,第5章软弱土地基处理,变形复合法,变形复合法认为复合地基在达到其承载力的时候，复合地基中的桩与桩间土并不同时达到各自的承载力，桩的承载力全部发挥而土的承载力并未全部发挥,式中：,第5章软弱土地基处理,应力复合法,砂石桩复合地基,石灰桩复合地基,其它柔性桩复合地基,变形复合法,水泥土搅拌桩复合地基,CFG桩复合地基,旋喷桩复合地基,其它半刚性、刚性桩复合地基,第5章软弱土地基处理,3.2复合地基承载力的修正,经处理后的地基，仅根据基础埋深对地基承载力特征值进行修正。,第5章软弱土地基处理,变形计算深度,复合地基变形计算深度的确定方法与天然地基相同,4复合地基变形计算,第5章软弱土地基处理,若zn小于加固深度H1，则zn=H1,若zn大于加固深度H1,第5章软弱土地基处理,地基（包括加固区和下卧层）压缩变形量计算通常采用分层总和法或建筑地基规范提供的方法，表达式为,s=ss=s,加固区土层的复合压缩模量Esp,第5章软弱土地基处理,1.资料分析,5复合地基一般设计过程,2.复合地基处理方案的确定,3.选择桩截面尺寸,4.加固深度选择,5.加固范围的确定,6.桩体承载力的确定,7.复合地基承载力特征值的确定,8.确定面积置换率,9.确定复合地基桩的平面布置和桩间距,10.复合地基承载力验算,11.其它验算,12.绘制施工图,第5章软弱土地基处理,5.6砂石桩法,第5章软弱土地基处理,适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对大型的、重要的或场地地层复杂的工程，以及对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。,碎石桩,砂桩,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石桩置换处理。砂桩也可用于处理可液化地基。,第5章软弱土地基处理,1.加固机理,1）松散砂土和粉土中的作用,在松散砂土和粉土中成桩时对周围砂层产生挤密作用或同时产生振密作用。,2）软弱粘性土中的作用,在软弱粘性土中取代了同体积的软弱粘性土，即起置换作用并形成“复合地基”,第5章软弱土地基处理,2.砂石桩设计,1）处理范围,砂石桩处理范围应大于基底范围，处理宽度宜在基础外缘扩大13排桩。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,2）桩直径及桩位布置,振冲碎石桩桩径宜为8001200mm；沉管砂石桩桩径宜为300800mm。对饱和粘性土地基宜选用较大直径,砂石桩孔位宜采用等边三角形或正方形布置。,第5章软弱土地基处理,3）砂石桩桩长,砂石桩桩长可根据工程要求和工程地质条件通过计算确定：,（1）当相对硬土层埋深较浅时，可按相对硬层埋深确定；,（2）当相对硬土层埋深较大时，应按建筑物地基变形允许值确定；,（3）对按稳定性控制的工程，桩长应不小于最危险滑动面以下2m的深度；,（4）对可液化的地基，桩长应按要求处理液化的深度确定；,（5）桩长不宜小于4m。,第5章软弱土地基处理,4）砂石桩间距,一般经验：,振冲碎石桩：30kW振冲器布桩间距可采用1.3m2.0m；55kW振冲器布桩间距可采用1.4m2.5m；75kW振冲器布桩间距可采用1.5m3.0m；不加填料振冲挤密孔距可为2.0m3.0m。,沉管砂石桩：对于粉土和砂土地基不宜大于砂石桩直径的4.5倍，对于粘性土地基不宜大于砂石桩直径的3倍。,第5章软弱土地基处理,桩间距的计算,（1）松散砂土和粉土,初步设计时松散砂土和粉土地基可根据挤密后要求达到的孔隙比来确定。,等边三角形布置,正方形布置,第5章软弱土地基处理,桩间距的计算,（2）粘性土地基,初步设计时由复合地基的面积置换率m确定,三角形布桩,正方形布桩,矩形布桩,第5章软弱土地基处理,需要指出的是由于在此步计算过程中砂石桩的承载力并未确定，可先根据当地施工经验初选桩身承载力进行试算，如试算的桩间距不满足下一步的复合地基承载力验算，则应重选选择桩间距，直到满足设计要求为止。,第5章软弱土地基处理,5）承载力计算,初步设计按下列公式估算,对于松散砂土和粉土可取原天然地基承载力特征值的1.21.5倍，对于粘性土可取天然地基承载力特征值。,复合地基桩土应力比n，宜采用实测值确定，如无实测资料时，对于砂土、粉土可取1.53.0，对粘性土可取2.04.0,第5章软弱土地基处理,6）砂石垫层,砂石桩顶部宜铺设一层厚度为300500mm的砂石垫层,第5章软弱土地基处理,4.施工,第5章软弱土地基处理,第5章软弱土地基处理,5.例题,第5章软弱土地基处理,5.7水泥土搅拌法,第5章软弱土地基处理,水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥(或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量,深层搅拌法（以下简称湿法）,粉体喷搅法（以下简称干法）,第5章软弱土地基处理,1.加固机理,1）水泥土硬化机理（微观机理）,2）复合地基加固机理（宏观机理）,第5章软弱土地基处理,2.水泥土搅拌桩的设计要点,1）对地质勘察的要求,(1)填土层的厚度和组成；,(2)软土层的分布范围、分层情况；,(3)地下水位及酸碱度(PH值)；,(4)土的含水率、塑性指数和有机质含量等,第5章软弱土地基处理,2）布桩型式,布桩型式可根据上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状或块状等不同形式,第5章软弱土地基处理,4）桩长和桩径的确定,原则要求：,竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层；为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩，其桩长应超过危险滑弧面以下2m。,湿法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m。,一般要求：,水泥土搅拌桩的桩