清华土力学地基处理

1、第七章第七章 地基处理地基处理Ground improvement第一节第一节 概述概述n浅基础浅基础, ,当承载力当承载力, ,沉降沉降, ,液化液化, ,冻胀不冻胀不满足设计要求满足设计要求(1) 采用深基础采用深基础,桩基础桩基础(2) 处理地基土处理地基土,改善土性改善土性一一 地基处理的目的地基处理的目的1 提高土的强度-地基承载力2 增加土的刚度-减少地基沉降量3 改善地基土的水力特性 (1)防渗,堤坝,闸基,池(湿陷,膨胀性土) (2)排水:软基固结渗流,挡土墙排水 (3)渗透稳定性:长江大堤的管涌,流土.采用反滤 (4)抗冻性:实质是渗透性,减少毛细现象,加强排水4 改善抗震性

2、能 (1)液化:加密,围封(水床);(2)震陷:干松砂和溶洞.哪些土需要处理？哪些土需要处理？n淤泥土与淤泥质土淤泥土与淤泥质土muck, mucky soiln泥炭泥炭,泥炭质土泥炭质土Peatn填土填土,回填土回填土Fill, backfilln松砂松砂Loose sandn区域性特殊土区域性特殊土Regional soil地基处理的对象地基处理的对象2 2 软土和特殊土地基软土和特殊土地基2.1淤泥土与淤泥质土淤泥土与淤泥质土muck, mucky soil(1)定义淤泥土孔隙比淤泥土孔隙比 e 1.5, L (IL1.0)淤泥质土孔隙比淤泥质土孔隙比 e = 1.01.5, L (IL

3、1.0)(2)土性*高含水量高含水量 =4090% even 100%*高压缩性高压缩性 a 0.53.0MPa-1*高流变性高流变性 : 次固结量随时间增加次固结量随时间增加*低强度低强度 Cu 0.5 MPa-1Cu 1.5, L (IL1.0) 有机含量有机含量 30%(北京)泥炭质土泥炭质土 e=1.01.5,l (Il1.0)有机含量有机含量10-30%n土性土性*高含水量高含水量 *高压缩性高压缩性, 快快, 不均匀不均匀* 高流变性高流变性 *低强度低强度 Cu 30 kPa*低渗透性低渗透性地基处理的对象地基处理的对象2.3 2.3 填土填土, ,回填土回填土Fill, bac

4、kfillFill, backfilln杂填土杂填土Miscellaneous fill :建筑垃圾，卫生填埋，建筑垃圾，卫生填埋，不均匀，不稳定不均匀，不稳定n冲填土冲填土Hydraulic fill :细细 欠固结欠固结素填土素填土Plain fill, 砾石，砂，粉土，粘性土砾石，砂，粉土，粘性土2.4松砂松砂Loose sandDr 0.85 易液化，振陷易液化，振陷新加坡人新加坡人工填海工填海地基处理的对象地基处理的对象2.5 区域性土区域性土Regional soiln湿陷性黄土Collapsible loess (silt): 广泛分布，大孔隙，高结构强度200kPas=(hd-

5、hw)/h00.015s=(ed-ew)/(1+e0)peedew200kPa 荷载板试验荷载板试验 200kPa, 荷载不变荷载不变 注水沉降注水沉降 /b=0.023n膨胀土Expansive soil 蒙特石含量高蒙特石含量高 n冻土 Frozen soil, 冻胀性地基处理的对象地基处理的对象黄土高原上的湿陷性黄土黄土高原上的湿陷性黄土渤海渤海华北平原华北平原东南季风东南季风太行山太行山黄土高原黄土高原沙漠沙漠戈壁戈壁降雨降雨降尘降尘西风西风杰出的黄土学家杰出的黄土学家- -刘东升刘东升3 3 地基处理方法分类地基处理方法分类1 置换法置换法 Soil replacement2 加密法

6、加密法 Densification3 胶结法胶结法Cementation4 加筋法加筋法Soil reinforcement原则：技术经济原则：技术经济哪些土需要处理？哪些土需要处理？n淤泥土与淤泥质土淤泥土与淤泥质土n泥炭泥炭,泥炭质土泥炭质土n填土填土,回填土回填土n松砂松砂n区域性特殊土区域性特殊土地基处理的对象地基处理的对象 目的是什么？目的是什么？ 1 提高土的强度提高土的强度-地基承载力地基承载力 2 增加土的刚度增加土的刚度-减少地基沉降量减少地基沉降量 3 改善地基土的水力特性改善地基土的水力特性 4 改善抗震性能改善抗震性能 地基处理方法地基处理方法1 置换法置换法 Soil

7、 replacement2 加密法加密法 Densification3 胶结法胶结法Cementation4 加筋法加筋法Soil reinforcement原则：技术经济原则：技术经济地基处理方法地基处理方法第二节第二节 置换法置换法 Soil replacement一 垫层置换法软土软土垫层垫层二 土桩置换法 1 散体材料桩 2 胶结掺和料桩置换法置换法4.3 垫层置换法垫层置换法1 材料材料n 块石块石,抛石挤淤抛石挤淤n 砾砾,中粗砂中粗砂, 压实压实,防冻防冻,防液化防液化,加速固结加速固结n 灰土灰土:石灰石灰:粉土粉土(粉质粘土粉质粘土)为为2:8,3:7, 三合土三合土:灰土灰

8、土,灰渣及碎砖瓦灰渣及碎砖瓦n 工业废渣工业废渣:粉煤灰粉煤灰,矿渣矿渣n 素土素土:Ip=1017,湿陷性黄土换除湿陷性黄土换除,分层压实分层压实n 加筋土加筋土b回填土回填土垫层置换法垫层置换法2 垫层法的适用性垫层法的适用性 软粘土和淤泥软粘土和淤泥 湿陷性土湿陷性土 填土填土,一般粘性土一般粘性土(承载力低承载力低)3 垫层设计垫层设计 人工持力层人工持力层, 软弱下卧层控制软弱下卧层控制(1)垫层承载力垫层承载力 确定基础宽度确定基础宽度 垫层宽度垫层宽度(2)垫层厚度设计垫层厚度设计 一般要求一般要求0.5m垫层的扩散和技术的要求垫层的扩散和技术的要求 3.0m工程量工程量,经济性

9、经济性垫层置换法垫层置换法b回填土回填土 z + cz f ( z + d )B b+2 z tg + 2 30cm 便于压实机械施工便于压实机械施工B b + z = 0 2.0 CDzczCDpbbztgz()2 填填b回填土回填土B= b+2ztg dz 填填z CZ CD垫层置换法垫层置换法BFGpb 垫层置换法小结垫层置换法小结n可以就地取材可以就地取材n人工持力层人工持力层n要进行软弱下卧层承载力验算要进行软弱下卧层承载力验算n垫层厚度有限制垫层厚度有限制垫层置换法垫层置换法二二 土桩置换法土桩置换法 1 散体材料桩散体材料桩 砂石桩，石灰桩砂石桩，石灰桩2 胶结掺和料桩胶结掺和料

10、桩 水泥粉煤灰碎石桩水泥粉煤灰碎石桩 水泥土桩水泥土桩 高压喷射注浆桩高压喷射注浆桩土桩置换法土桩置换法复合地基组成复合地基组成天然地基土天然地基土土质桩或胶结掺料桩土质桩或胶结掺料桩砂石垫层砂石垫层基础基础土桩置换法土桩置换法(一一) 复合地基概念复合地基概念Composite ground在软土内造孔回填土石料或掺和料，形成刚度比在软土内造孔回填土石料或掺和料，形成刚度比四周软土大的土质桩，与桩周土一起共同承受建四周软土大的土质桩，与桩周土一起共同承受建筑物荷载。这种地基称为复合地基筑物荷载。这种地基称为复合地基tdtd布置方式：布置方式：梅花形梅花形正方形正方形土桩置换法土桩置换法(二二

11、) 复合地基设计复合地基设计1 适用土性适用土性适用：软弱粘性土，适用：软弱粘性土， 非饱和黄土和人工填土非饱和黄土和人工填土布置：梅花形和正方形布置：梅花形和正方形处理深度：穿越软土层达到良好土层。如果没有处理深度：穿越软土层达到良好土层。如果没有穿透软土层，要求控制变形量。穿透软土层，要求控制变形量。良好土层良好土层d0d0软土软土土桩置换法土桩置换法2 平面布置和设计参数平面布置和设计参数(等价成圆等价成圆)有效直径有效直径de梅花形：梅花形： de = 1.05 Sa正方形：正方形： de = 1.13 Sa面积置换率面积置换率m (d0 / de)2Sa 桩中心距桩中心距Sad0de

12、dSa土桩置换法土桩置换法3 复合地基的承载力复合地基的承载力1) 现场载荷试验现场载荷试验n 取包含桩土的代表单元直接测定取包含桩土的代表单元直接测定n 桩土分开的载荷试验桩土分开的载荷试验 采用公式采用公式 fspk=mfpk+(1-m)fsk fspk 复合地基承载力特征值复合地基承载力特征值 kPa fpk 桩体承载力特征值桩体承载力特征值 fsk 桩间土承载力特征值桩间土承载力特征值 m 面积置换率面积置换率 =Ap/A包含桩土的载荷试验包含桩土的载荷试验土桩置换法土桩置换法2) 无载荷试验资料无载荷试验资料(小型工程小型工程) fspk=1+m (1-n)fsk桩土应力比桩土应力比

13、 n= p / s 与土性有关与土性有关,随荷载变化随荷载变化 对于碎石桩对于碎石桩n=24 m 面积置换率面积置换率 =Ap/A复合地基承载力特征值复合地基承载力特征值()(1)1(1)1(1)spkpppsspkpssskAfAA Afmmmnmnf td土桩置换法土桩置换法包含桩土的地基包含桩土的地基4 复合地基的变形验算复合地基的变形验算变形计算方法与多层地基相同变形计算方法与多层地基相同复合土层的压缩模量复合土层的压缩模量 Esp= 1+m (1-n)Es Es 为砂石桩置换前的压缩模量，为砂石桩置换前的压缩模量，MPa 为成桩对周围土的挤密效应系数，砂石为成桩对周围土的挤密效应系数

14、，砂石桩取桩取1.0,石灰桩取石灰桩取1.11.3土桩置换法土桩置换法(三三) 胶结掺料桩复合地基设计胶结掺料桩复合地基设计1 适用土性适用土性常用材料：水泥粉煤灰砂石桩常用材料：水泥粉煤灰砂石桩CFG，水泥土桩，高压喷，水泥土桩，高压喷射注浆桩射注浆桩 CFG桩桩适用于粘性土、粉土、砂土和自重固结完成的适用于粘性土、粉土、砂土和自重固结完成的人工填土人工填土水泥土桩水泥土桩适用于正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、黄适用于正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、黄土、素填土、粘性土和饱和松散砂土土、素填土、粘性土和饱和松散砂土(静水静水位位)高压喷射注浆桩高压喷射注浆桩适用于土类与与水泥土桩类似适用于土

15、类与与水泥土桩类似土桩置换法土桩置换法深层搅拌法深层搅拌法深层搅拌法施工工艺流程深层搅拌法施工工艺流程土桩置换法土桩置换法1定定位位2预预搅搅拌拌下下沉沉3喷喷浆浆搅搅拌拌上上升升4重重复复搅搅拌拌下下沉沉5重重复复搅搅拌拌上上升升6完完毕毕深层搅拌桩载荷试验前后深层搅拌桩载荷试验前后土桩置换法土桩置换法高压喷射注浆法高压喷射注浆法n高压旋喷旋喷单管单管: :浆液浆液双管双管: :内浆外气内浆外气三管三管: :气气, , 水水, , 浆浆适用于适用于: :人工填土人工填土; ;黄黄土及一般粘性土土及一般粘性土; ;软粘土软粘土; ;砂石砂石土桩置换法土桩置换法单管单管浆液浆液双管双管内浆外气内

16、浆外气三管三管气水浆气水浆土桩置换法土桩置换法旋喷桩施工顺序旋喷桩施工顺序振动打桩机振动打桩机硬化剂硬化剂(浆液浆液)高压水高压水压缩空气压缩空气高压水高压水压缩空气压缩空气硬化剂硬化剂(浆液浆液)土桩置换法土桩置换法置换法置换法 Soil replacement一一 垫层置换法垫层置换法 软弱下卧层控制软弱下卧层控制 垫层厚度确定垫层厚度确定 0.5-3.0 m软土软土垫层垫层二二 土桩置换法土桩置换法 复合地基承载力复合地基承载力 fspk = 1+m (1-n) fsk 变形计算变形计算 Esp= 1+m (1-n)Es置换法小节置换法小节砂土砂土粘性土在标准压实功下达粘性土在标准压实功

17、下达到最密时的含水量称为最到最密时的含水量称为最优含水量，对应的干密度优含水量，对应的干密度称为最大干密度称为最大干密度砂土：不存在最优含水砂土：不存在最优含水量；量；完全风干和饱和两完全风干和饱和两种状态易于击实种状态易于击实；潮湿潮湿状态状态不易不易击实击实第三节第三节 加密法加密法 Densification目的：降低压缩性，提高强度目的：降低压缩性，提高强度 饱和曲线饱和曲线粘性土粘性土 d d 第三节第三节 加密法加密法 Densification一 机械压密法 1 静重压密 2 冲击荷重压密 3 振动压密二 深层挤密法 1 砂桩、土桩和灰土桩 2 振冲桩目的：降低压缩性，提高强度

18、三 强夯法四 预压固结 加密法加密法1 静重碾压静重碾压Compaction by rolling 振动平胎碾砾石Pneumatic tired roller羊足碾粘性土或粉土Sheepsfoot roller一一 机械压密机械压密平滑鼓型振动碾平滑鼓型振动碾 Vibrocompaction for sand加密法加密法2 冲击荷重压密冲击荷重压密夯板压密法：适用于填土、夯板压密法：适用于填土、松砂荷湿陷性黄土松砂荷湿陷性黄土影响深度：影响深度：1.52.5m一一 机械压密机械压密加密法加密法 2 2 强夯法强夯法锤重：锤重：825t，最大，最大200t落距：落距：825m有效深度：有效深度：

19、510m承载力：承载力：180250kPa1969年，法国年，法国1978年，中国年，中国强夯设备：夯锤，起重机，脱钩装置强夯设备：夯锤，起重机，脱钩装置加固机理：动态能量加固机理：动态能量, , 波的传播和密实固结波的传播和密实固结加固效果：提高承载力、减小沉降量，加固效果：提高承载力、减小沉降量， 降低液化可能、降低湿陷性等降低液化可能、降低湿陷性等优优 缺缺 点：经济；噪音点：经济；噪音加密法加密法振动平板碾级配振动平板碾级配砂或者砂、砾和粘砂或者砂、砾和粘性土的混合土性土的混合土Vibrating plate for hand operation3 振动板压密振动板压密加密法加密法二二

20、 深层挤密法深层挤密法(一一)砂桩、土桩和灰土桩砂桩、土桩和灰土桩 (1)沉管、柱锤冲扩法 (2)材料：砂桩，土桩(原状粉土,粉质粘土再夯入);灰土桩,砂石桩;夯实水泥土桩，二灰桩(加粉煤灰)， (3)适用于填土适用于填土,松砂松砂,湿陷性黄土湿陷性黄土,一般粘性土一般粘性土Sr60%. 饱和度较高的粘性土不宜饱和度较高的粘性土不宜。加密法加密法-深层挤密法深层挤密法进料口进料口管嘴管嘴 砂桩套管套管管嘴管嘴加密法加密法-深层挤密法深层挤密法砂桩砂桩SadHhs1e1hs1234aSA 220348aSAd Hhs2e2hs2加密法加密法加密法加密法-砂桩砂桩ssVVttdee12222123

21、348411 已知已知t,d 求求e2，或者已知，或者已知e2,d 求求 t孔隙比孔隙比 总断面积总断面积 高度高度 固相比例固相比例 固相体积固相体积 e1 H 1/(1+ e1) Vs1=A1H/ (1+ e1)E2 H 1/(1+ e2) Vs1=A2H/ (1+ e2)22234348tAtAd Hhs1e1hs1234aSA 220348aSAd hs2e2hs2加密法加密法-砂桩砂桩振冲桩振冲桩 (起源于德国起源于德国,我国于我国于70年代引入年代引入)(1)设备设备,振冲器振冲器d=270420mm,l=23m, G=820 kN(2)原理原理:振振:偏心轮旋转偏心轮旋转,振动振

22、动加密加密,使颗粒移动使颗粒移动 冲冲:高压水从中间穿过高压水从中间穿过,土土颗粒振浮液化固结颗粒振浮液化固结(二二) 振冲桩振冲桩加密法加密法-深层挤密法深层挤密法(3)填料填料 粗颗粒粗颗粒(粘细粒少粘细粒少);级配好级配好;最大颗粒最大颗粒50 不宜不宜(4)适用于松砂适用于松砂,素填土素填土,杂填土和一般粘性土杂填土和一般粘性土,不适用于淤泥和淤泥质土不适用于淤泥和淤泥质土加密法加密法-深层挤密法深层挤密法振冲桩加密法振冲桩加密法例辽宁省湿陷性黄土，灰土桩例辽宁省湿陷性黄土，灰土桩(1) t = 90 cm, d = 40 cm加密前加密前e1 = 0.96, d = 1.379加密后

23、加密后e2 = 0.61, d = 1.679 (15点平均点平均)222123348411ttdee td(2) 承载力，原状土承载力，原状土 f0k = 132 kPa桩土应力比桩土应力比 n = p / s = 3.48,置换率置换率 m=0.179, 载荷试验得到载荷试验得到 fk=228kPa, s=158kPa, p =550kPa;s/d=0.008.公式计算：公式计算： fk=1+m(n-1) f0k=191kPa加密法加密法-实例实例三三 预压固结法预压固结法(1)堆载预压堆载预压(2)降水预压降水预压 提高有效应力提高有效应力wellpoint system(3)真空预压真

24、空预压 密封层密封层加密法加密法1 置换法置换法2 加密法加密法3 胶结法胶结法4 加筋法加筋法机械压密法机械压密法深层挤密法深层挤密法强夯法强夯法预压固结预压固结垫层置换土桩置换复合地基复合地基(一一)堆载预压堆载预压p kPa变形变形e z e1 s te2加密法加密法1 预压原理，原位自重应力预压原理，原位自重应力 s，建筑物附，建筑物附加应力加应力 z, 预加压力预加压力 t=(1.21.5) z 强度强度适用于饱和软粘土适用于饱和软粘土(1)淤泥及淤泥质土淤泥及淤泥质土(2)冲冲填土填土(3)填海填海(湖湖)造田。造田。 超固结土超固结土正常固结正常固结加密法加密法2 预压历时和加速

25、排水方法预压历时和加速排水方法例单向渗流固结例单向渗流固结 a=0.5 MPa-1 k=5 10-7cm/s e0=1.0， 10 m厚厚U=94% t=1.6年年这显然不合适这显然不合适因此需要采用：因此需要采用：砂井固结：加快固结速度，增加砂井固结：加快固结速度，增加水平向渗流水平向渗流24281vTUe 不透水层不透水层加密法加密法不透水层不透水层d0砂井预压固结砂井预压固结加密法加密法 吹砂吹砂砂井预压固结砂井预压固结3 塑料排水板塑料排水板砂井缺点砂井缺点: (1) 砂量砂量 (2)易断易断 (3)造价高造价高近年更多使用塑料排水板，等效直径近年更多使用塑料排水板，等效直径2(),0

26、.75 1.0pbd 砂井预压固结砂井预压固结Area Installed with Vertical Drains 砂井预压固结砂井预压固结Application of Surcharge 砂井预压固结砂井预压固结 砂井预压固结度计算砂井预压固结度计算微分方程轴对称微分方程轴对称三维渗流固结问题Carrillo假设成两个方向的渗流固结问题叠加22221vuuuuctr rrz22221vzvruuctzuuuctr rr 00(1)(1)zvzwrvrwkecakeca 砂井预压固结砂井预压固结2 微分方程的解微分方程的解按各自的边界条件分别求解，积分后得到，假设按各自的边界条件分别求解，积

27、分后得到，假设1(1)(1)ztrtUUU 2428( )811vrTztTf nrtUeUe 22vzvvrrec tTHc tTd 222231( )ln( )14nnf nnnn n为井径比为井径比=de/dw砂井预压固结砂井预压固结De有效直径有效直径1.05Sa(三角形三角形), 1.13Sa (正方形正方形)上例中上例中dW = 25cm, D = 2.5 m，U = 94%只需要只需要20天天思考题：思考题：增加井径增加井径dW,减少间距减少间距de哪个有效？哪个有效？砂井预压固结砂井预压固结22vzvvrrec tTHc tTd (二二) 降水预固结降水预固结 基坑基坑设计坑底

28、设计坑底坑底降水深度坑底降水深度D坑底降水线坑底降水线板桩板桩降水预压固结降水预压固结z原理原理z降水预压固结降水预压固结真空预压真空预压-u真空预压固结真空预压固结思考题思考题为什么降水预压和真空预压不会引起土体为什么降水预压和真空预压不会引起土体破坏。堆载预压则可能由于速度太快而造破坏。堆载预压则可能由于速度太快而造成地基破坏？成地基破坏？预压固结预压固结预压固结的加载速率预压固结的加载速率n快加载快加载不排水不排水破坏破坏n分级慢分级慢排水排水达到密实固结达到密实固结K0Kf降水降水qp p总应力路径总应力路径不排水不排水ptsin10K预压固结预压固结加密法小节加密法小节浅层：碾压、浅

29、层：碾压、深层：预制混凝土桩，沉管，振冲等深层：预制混凝土桩，沉管，振冲等 预压固结，爆破、强夯预压固结，爆破、强夯由深层挤密形成桩体与地基土构成复合由深层挤密形成桩体与地基土构成复合地基，挤密后的承载力计算地基，挤密后的承载力计算砂井排水预压固结计算砂井排水预压固结计算第四节第四节 胶结法胶结法一一 灌浆灌浆1 水泥和粘土浆水泥和粘土浆n可灌物可灌物净空比净空比 R=Dpore/d=23; Dpore、 d为被为被灌材料的孔隙尺寸和灌浆材料的粒径，灌材料的孔隙尺寸和灌浆材料的粒径，防止堵防止堵塞塞n可灌比可灌比 N=D15/d85 1015, 85%的灌浆材料充填的灌浆材料充填n适用于砾石适

30、用于砾石,粗砂，用以防渗，灌注桩加固粗砂，用以防渗，灌注桩加固胶结法胶结法 单液硅化法和碱单液硅化法和碱液法液法 硅酸钠，氢氧硅酸钠，氢氧化钠氯化钙化钠氯化钙 3 3 化学灌浆丙烯化学灌浆丙烯酰胺，聚氨酯酰胺，聚氨酯 真溶液易灌，真溶液易灌， 凝固时间和强度凝固时间和强度可控，可控， 污染，污染， 造价高造价高化学灌浆化学灌浆粘土灌浆粘土灌浆击实灌浆击实灌浆胶结法胶结法已有桩或墩的持力层加固已有桩或墩的持力层加固已有结构地基加固已有结构地基加固提高水平抵抗力提高水平抵抗力抵抗上浮抵抗上浮结构结构沉井沉井持力层持力层胶结法胶结法第五节第五节 加筋法加筋法(一一) )土工合成材料技术发展土工合成材料技术发展( (二二) )土工合成材料功能土工合成材料功能防渗，防渗， 不透水膜不透水膜反滤，防冲反滤，防冲 防止渗透破坏，水土流失防止渗透破坏，水土流失 ( (护坡护坡) ) 加筋加筋: :格栅格栅, ,土工布土工布, ,条带条带, ,纤维加筋纤维加筋隔离隔离排水排水, ,塑料排水板塑料排水板, ,如清华草地如清华草地加筋法加筋法防渗，防渗， 不透水膜，不透水膜，n三峡二期围堰的防渗墙上部采用土工膜三峡二期围堰的防渗墙上部采用土工膜, ,n固体废物填埋场固体废物填埋场三峡二期三峡二期围堰围堰加筋法加筋法排水沟排水沟表土覆盖层表土覆盖层表面隔断层表面隔断层基础隔断层基础隔