第十三章 地基处理

1、土力学与地基基础Soil Mechanics and Foundation Engineering主讲人：第十三章 地基处理13.1 概述13.2 置换法13.3 深层密实法13.4 排水固结法13.5 化学加固法本章提要与学习目标 我国地域辽阔、幅员广大、自然地理环境不同、土质各异、地基条件区域性较强，随着当前经济建设的蓬勃发展，不仅事先要选择在地质条件良好的场地从事建设，而且有时也不得不在地质条件不好的地方进行修建，因此就需要对天然的软弱地基进行处理。 地基处理的主要目的是提高软弱地基的强度、保证地基的稳定；降低软弱地基的压缩性、减少基础的沉降和不均匀沉降；防止地震时地基土的振动液化；消除

2、特殊土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。 本章对国内外常用的地基处理方法进行介绍，并着重于各种地基处理方法的适用范围、加固机理和设计计算。13.1 概述一、地基处理的目的和意义 地基是指承托建筑物基础的这一部分范围很小的场地。也就是说承受由基础传来荷载的土层（或岩层）称为地基。 基础是指建筑物向地基传递荷载的下部结构。它具有承上启下的作用。二、建筑物的地基所面临的问题 地基承载力及稳定性 天然地基承载力主要与土的抗剪强度有关，也与基础型式和埋深有关。 加拿大特朗斯康谷仓地基2.沉降、水平位移及不均匀沉降不均匀沉降不均匀沉降3.渗漏主要分两类： 一类是堤坝蓄水构筑物地基渗流量超过其允许值时，其后果是造成

3、较大水量损失； 另一类是地基中水力比降超过其允许值时，地基土会潜蚀和管涌产生破坏而导致建（构）筑物破坏，造成工程事故。 天然地基渗漏问题主要与土的渗透性有关。若天然地基不能满足要求，则需对地基进行改良，减小土的渗透性，或在地基中设置止水帷幕，阻截渗流。 4.液化 在动荷载（地震、机器以及车辆振动、波浪和爆破等）作用下，会引起饱和松散粉细砂（包括部分粉土）产生液化，它是使土失去抗剪强度的一种现象，并会造成地基失稳和震陷。 液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。二、地基处理的对象及其特性地基处理的对象是软弱地基和特殊土地基 。 软黏土 人工填土（包括素填土、杂填土和冲填土） 饱和粉细沙（包括部分轻亚

4、粘土） 湿陷性黄土 有机质土和泥炭土 膨胀土 多年冻土 岩溶、土洞 山区地基等。三、地基处理的方法和分类（一）置换（二）排水固结（三）振密、挤密（四）灌入固化物（五）加筋法（六）冷热处理法（七）托换 （八）纠偏 可以按下述方法分类： 地基处理方法可分为物理的地基处理方法、化学的地基处理方法、以及生物的地基处理方法。 也可根据地基处理加固区的部位分为浅层地基处理方法、深层地基处理方法和斜坡面土层处理方法三大类。 还可视用途将地基处理方法分为临时性地基处理方法和永久性地基处理方法两种。通过地基处理形成的人工地基 1、均质地基（多层地基）：通过土质改良或置换，全面改善地基土的物理力学性质，提高地基土

5、抗剪强度，增大土体压缩模量，或减少土的渗透性。该类人工地基属于均匀质地基，或多层地基。2、复合地基：通过在地基中设置增强体，增强体与原地基土体形成复合地基，以提高地基承载力，减少地基沉降。 复合地基（补充）：由两种刚度（或模量）的不同材料（桩体或桩间土）所组成，在刚性基础下两者共同分担上部荷载并协调变形的地基。3、桩基础：通过在地基中设置桩，荷载由桩体承担。特别是端承桩，通过桩将荷载直接传递给地基中承载力大，模量高的土层。 四、地基处理方法选用原则和规划程序 合理的地基处理方法总的原则是： 1、技术先进可靠 2、经济合理 3、安全适用 4、确保质量 5、能满足施工进度要求建（构）筑物对地基要求

6、天然地基条件天然地基是否满足要求天然地基机具、材料条件经验教训地基处理原理地基处理处理方案可行性研究提出多种可行性方案技术、经济、进度比较分析，并满足环保要求必要时进行现场试验、补充、调查地基处理设计地基处理施工质量检验是否符合要求人工地基补救措施地基处理规划程序13.2 置换法 一、概述 定义：置换法是指应用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中的部分或全部软弱土体或不良土体，形成双层地基或复合地基，以达到提高地基承载力、减少沉降目的的一类地基处理方法。 分类：以置换为主的地基处理方法主要有：换土垫层法、挤淤置换法、褥垫法、强夯置换法以及碎石桩置换法和砂桩置换法等。二、换土垫层法 换土垫层

7、法是将基础下不太深的一定范围内软弱土层一部分或全部挖去，然后换填密度大、强度高、水稳性好的砂土、碎（卵）石土、灰土、素土、矿渣以及其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并分层（振、压）实至要求的密度。 换土垫层法一般多用于上部荷载不大，基础埋深较浅的中、低层民用建筑的地基处理工程中，一般开挖深度不超过3m。 换土垫层设计 1 垫层材料的选用2 垫层厚度的确定3 垫层铺设范围4 承载力确定根据换填的材料不同，垫层可分为砂石（砂砾、碎卵石）垫层、土垫层（素土、灰土、二灰土垫层）、粉煤灰垫层、矿渣垫层、加筋砂石垫层等。图13-2 垫层的宽度确定主要依据是基础底面应力扩散的要求，其次也要考虑垫层侧面土的允许承

8、载力，以防止垫层向两侧挤入软弱土层中。通过现场试验确定 5 沉降计算一般垫层仅考虑下卧层的变形，对沉降要求较严或垫层较厚的情况，应计算垫层自身的变形，分层总和法。图13-2 垫层内应力的分布 表达式为：式中 pz垫层底面处的附加应力值，kPa； pcz垫层底面处土的自重应力，kPa； faz 经深度修正后垫层底面处软弱下卧层土的地基承载力特征值，kPa。zczczppf施工 换土垫层法施工包括开挖换土和铺填垫层两部分。 开挖换土应注意避免坑底土层扰动，应采用干挖土法。 铺填垫层应根据不同的换填材料选用不同的施工机械。垫层需分层铺填，分层密实。砂石垫层宜采用振动碾压；粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾

9、、平板碾动器、蛙式夯等碾压方法密实；灰土垫层宜采用平碾、振动碾等方法密实。 振动压路机质量检验 垫层法施工质量检验应分层进行。每层施工后经检验复合设计要求后才能进行下一层施工。 对灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量可采用环刀法、贯入仪、静力触探、轻型动力触探或标注贯入试验等方法进行质量检验； 对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验垫层质量。 三、强夯置换法 （一）加固机理和适用范围强夯置换可分为整式置换和桩式置换。强夯置换法适用于加固粉土地基、黏性土地基等。常应用于堆场、高等级公路地基处理，有时也应用于多层住宅地基处理。 动力置换类型 (a)整式置换 (b)桩式置换强夯置换法设计1 置换材料选用2

10、 墩体设置深度、夯锤和落距选用 3 置换点范围和置换点布置 4 垫层5 检测方法用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，应充分利用地方材料。 设置深度可根据设计承载力要求确定，锤重和落距需要通过试验确定 等边三角形或正方形布置 在墩间土和墩顶应铺设一厚度不小于300mm的砂石垫层 测定墩体和复合地基承载力 13.3 深层密实法 一、概述 定义：深层密实是指采用爆破、夯击、挤压和振动等方法，对松软地基土进行振密和挤密，使土体抗剪强度提高，压缩性减小，从而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。 分类：这类地基处理方法主要有爆破挤密法、碎（砂）石桩法、强夯法、石灰桩法

11、、土桩、灰土桩法等等。 二、强夯法 两种不同的加固机理：动力密实和动力固结。 1、动力密实对象：多孔隙、粗颗粒的非饱和土机理：土中的空气被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起 2、动力固结对象：碎石土、砂土、低饱和度的黏性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等 机理：动力固结理论巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结 强夯法常用来加固碎石土、砂土、低饱和度的黏性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等地基。对于饱和度较高的黏性土地基等，如有工程经验或试验证明采用强夯法有加固

12、效果的也可采用。通常认为强夯挤密法只适用于塑性指数小于等于10的土。对淤泥与淤泥质土地基不宜采用强夯法加固。强夯法加固地基设计内容1、有效加固深度和单击夯击能的确定2、夯锤和落距的选用3、夯击范围和夯击点布置4、夯击击数和夯击遍数5、间歇时间6、垫层设计1、有效加固深度H和单击夯击能的确定2、夯锤和落距的选用 实践证明，圆形和带有气孔的锤较好 。 夯锤确定后，根据要求的单击夯击能量，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距为825m。3、夯击范围和夯击点布置 强夯加固范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外边缘的宽度宜为设计处理深度的1/21/3，并不宜小于3.0m。 夯点布置：对某些基础面积较

13、大的建筑物或构筑物，可按等边三角形或正方形布置夯击点；对办公楼和住宅建筑等，可根据承重墙位置布置夯点。10MhH4、夯击击数和夯击遍数 国内外目前一般每夯击点夯520击，根据土的性质和土层的厚薄不同，夯击击数也不同。 一般情况下，对碎石、砾砂、砂质土或垃圾土，夯击遍数为3遍左右。粘性土为38遍，泥炭为35遍。在我国大多数工程中为25遍。最后以低能量满夯一遍。5、间歇时间 可根据地基水的渗透性确定间歇时间，对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，一般不少于34周，一般渗透性较好的粘性土12周，对渗透性好的地基可连续夯击。6、垫层设计 垫层厚度随场地的土质条件、夯锤重量及形状等条件而定。一般为501

14、50cm。垫层材料宜采用粗颗粒的碎石、矿渣、砂砾石、粗颗粒粒径宜小于10cm。对处理土层为饱和砂、软土时，坑底易涌土涌砂，故垫层材料不宜用砂。三、挤密碎（砂）石桩法 定义:碎石桩法和砂桩合称为粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体。 适用范围：碎石桩和砂桩适用处理松散地基、粉土、素填土、杂填土、粘性土地基、湿陷性黄土地基等，可用于散料堆场、路堤、码头、油罐、厂房和住宅等工业与民用建筑地基加固工程中。对松散砂土加固机理 主要目的是提高地基土承载力，减少变形和增强抗液化能力。 主要作用：（1）挤密作用（2）排水减压

15、作用 （3）砂土地基预振作用在软弱粘土中的加固机理 机理：碎石（砂）桩在软弱粘性土地基中，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土体的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学力性能。 作用：（1）置换作用（2）排水作用（3）加筋作用（4）垫层作用砂桩处理软土地基设计计算 加固范围 桩位布置 通常都大于基底面积。对一般地基，在基础外边缘宜扩大12排，对可液化地基，在基础外边缘应扩大24排。 加固深度 桩径 碎石桩和砂桩的直径应根据地基土质情况和成桩设备等因素确定 材料 使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂砾石等，含泥量不大于5%。材料最大粒径一般不大于8cm，对碎石，一般为

16、25cm。 图13-5桩位布置 垫层 施工完毕后，基础底面应铺设3050cm厚度的碎（砂）石垫层，分层铺设，用平板振动器振实。 根据软弱土层的性能、厚度或工程要求 图13-5桩位布置( a )正方形 ( b )矩形 ( c )等腰三角形 ( d )放射形用于砂性土设计计算方法 首先根据工程对地基加固的要求（如提高地基承载力、减小变形或抗地震液化等）确定达到的密度和孔隙比，并考虑桩位布置型式和桩径大小，计算桩的间距。 考虑振密和挤密两种作用，平面布置为正三角形和正方形 当正方形布桩时： 当等边三角形布桩时： 0100.891HhldeeHhe0100.951HhldeeHhe图13-6 加密效果

17、计算注意事项（1）地基含水量的影响 地基含水量对处理效果影响很大，实践证明，只有安全干燥或饱和状态的砂土才可能获得最大的振动密实度。 （2）粘土颗粒含量的影响 粘土颗粒含量的多少对处理效果有一定的影响。粘土颗粒含量过高，振动和冲击荷载难以破坏桩周粘土颗粒间的物理、化学力，因而会影响挤密效果。 （3）靠近地表的挤密情况 地表层约12m内桩间土所受的约束力较小，在这深度范围内，很难做到充分挤密，往往满足不了设计要求，常需要结合其它的表层压实方法进行处理。四、石灰桩法 定义：石灰桩是指用人工或机械在土中成孔，然后灌入生石灰块（还可掺入其它活性与非活性材料），经夯压后形成一根一根的桩体。 加固机理 1

18、、挤密作用 成孔挤密作用； 吸水膨胀挤密作用；脱水挤密2、吸水、升温使桩间土强度提高3、石灰桩的排水固结作用4、胶凝、离子交换和碳化作用使桩周土强度提高。5、生石灰的置换作用。13.4 排水固结法一、概述定义：排水固结法是对天然地基，或先在地基设置砂井（袋装砂井或塑料排水带）等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降时，同时强度逐渐提高的方法。组成：排水固结法主要是由排水系统和加压系统两个部分组成。图13-7排水固 法 加压系统 排水系统加载法真空预压降水预压电渗法联合法竖向排水体水平排水体堆载预压法超载预

19、压法 建筑自重分级加载法塑料排水板 袋装砂井普通砂井其它砂垫层图13-7 排水固结组成 系统组成排水系统 场地高填土堆载预压二、加固机理和计算理论 原理：将土在某一压力作用下，自由水逐渐排出，土体随之压缩，土体的密度和强度随时间增长的过程称为土的固结过程。所以，固结过程就是超静孔隙水压力消散、有效应力增长和土体逐步压密的过程。 计算理论：根据太沙基一维固结理论，粘性土达到一定固结度所需时间与其最大排水距离的平方成正比。 排水固结法原理(a)竖向排水情况 (b)砂井地基排水情况排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。排水固结法的原理

20、加 固 软 土 层竖 向 排 水 体排水垫层水平排水盲沟 排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和粘性土地基。砂井法特别适用于存在连续薄砂层的地基。砂井只能加速主固结而不能减少次固结，对有机质土和泥炭等次固结土，不宜采用砂井法。降低地下水位法、真空预压法和电渗法由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。四、堆载预压法 定义：堆载预压是在建筑施工前通过临时堆填土、砂、石、砖等散料对地基加载预压，使地基土的沉降大部分或分基本完成，并因固结而提高地基承载力，然后除去堆载，再行建筑施工的一种处理方法。 该法适用于各种软粘土地基。临时填土堆载预压五、真空预压法 定

21、义：真空预压法是通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部与排水体间形成压差，迫使地基土中水排出，地基土体产生固结。 真空预压法加固地基原理是土体在压差作用下固结。真空预压下地基土体固结计算可采用Rendulic-Terzaghii固结理论或Biot固结理论计算。 图13-14 真空预压法示意图真空预压模型试验13.5 化学加固法 定义：化学加固法是指在软弱地基中灌入水泥浆液、黏土浆液或其他化学浆液，通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。 属于化学加固法的地基处理方法主要有：水泥土搅拌法、高压喷射注浆法和灌浆法。二、水泥土搅拌法 水泥土搅拌桩是一种用于加固饱和粘土地基的常用软基处理技术，它将水泥作为固化剂与软土在地基深处强制搅拌，由固化剂和软土产生一系列物理化学反应，使软土硬结成一定强度的水泥加固体，从而提高地基土承载力和增大变形模量。 水泥土搅拌桩从施工工艺上可分为湿法（浆喷搅拌法）和干法（粉喷搅拌法）两种。 水泥搅拌桩在施工浆喷桩粉喷桩三、高压喷射注浆法定义：高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体