换土垫层、碾压与夯实法地基处理技术

1、换土垫层、碾压与夯实法地基处理技术学习对象 软弱土地基特征及处理方法，换土垫层法，碾压与夯实法；排水固结法，挤密砂(碎石)桩；化学加固法，土层锚固技术和加筋土结构 学习内容 软弱土的工程特点，换土垫层及其作用，砂垫层设计要点；重锤夯实法，碾压与压实及强夯法，排水固结法原理，砂井的应用与设计；振密及振冲法设计和计算原理；化学加固和土层锚固和加筋 学习目的 了解软弱土的工程特征，能够进行砂垫层的设计，会进行挤密桩的设计；会进行强夯法一些参数的计算；能够进行砂井的设计；对化学加固和土层锚固，加筋结构作简要了解。 第一节 概述 软弱土地基的特征 软弱土是指淤泥，淤泥质土，冲填土，杂填土及其它高压缩性土

2、，由软弱土组成的地基称软弱土地基。 软土是指淤泥和淤泥土，它们是在静水或缓慢流水环境中沉积，经生物化学作用形成。天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5的粘性土称为淤泥，天然孔隙比小于1.5大于1.0时称为淤泥质土。 第一节 概述软土的物理力学特征 1. 天然含水量较高，孔隙比较大； 2. 压缩性较高，且压缩性随液限的增高而增高； 3. 抗剪强度很低；排水剪时，其抗剪强度随固结程度的增加而增加； 4. 渗透性很小；5. 具有显著的结构性，一旦扰动，其絮状结构受到破坏，土的强度显著降低；6. 具有明显的流变性，在荷载作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形。 第一节 概述冲填土的物理力学特

3、征 冲填土是用挖泥船或泥浆泵将泥沙夹带大量水分吹送到江河两岸而形成的沉积土层。其成分和分布规律与冲填时的泥沙来源及冲填时的水力条件有关。若冲填物是粘性土为主，土中含有大量的水分，且难于排出，故它在形成初期常处于流动状态，这类土属于强度较低和压缩性较高的欠固结土。 在冲填土地基上建造房屋，应具体分析它的状态，考虑它的欠固结影响和不均匀性。 第一节 概述杂填土的物理力学特征 它的成因很不规律，成分复杂，分布极不均匀，结构松散，杂填土性质随堆龄期而变化。其承载力一般随堆填的时间增长而增高。 杂填土的主要特征是强度低，压缩性高和均匀性差。同时，某些杂填土内含有腐植质及亲水和水溶性物质，会给地基带来更大

4、的沉降和浸水湿陷性。第一节 概述软弱土地基处理的一般方法，消除其它不利影响。地基处理不仅应用于地基处理的目的主要是改善地基土的工程性质，达到满足建筑物对地基稳定和变形的要求，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度和抗液化能力拟建工程，也可用于已建工程的地基处理，例如建筑物的加层扩建或对建成后出现的一些事故进行处理等。 第一节 概述碾压夯实 处理方法:机械碾压法、振动压实法、重锤夯实法、强夯法。 原理及作用:通过机械碾压或夯击压实土的表层，而强夯法则利用强大的夯击功迫使深层土液化和动力固结而密实。提高地基土的强度，减少部分沉降量，消除或部分消除黄土的湿陷性，改善土的可液化性。 适用范围

5、:一般适用于砂土及含水量不高的粘性土。强夯法应注意其震动对附近建筑物的影响。第一节 概述换土垫层 处理方法:素土垫层、砂垫层、碎石垫层。 原理及作用:挖去浅层土，换用比较好的土料，以提高持力层的承载力，减少部分沉降量，并消除或部分消除土的湿陷性、胀缩性及防止土的冻胀作用，改善土的可液化性能。 适用范围:适用于处理浅层软弱土地基、湿陷性黄土地基、膨胀土地基、季节性冻土地基。第一节 概述排水固结 处理方法:堆载挤压法、砂井堆载预压法、排水纸板法、井点降水预压法、真空预压法。 原理及作用:通过改善地基的排水的条件和施加预压荷载，加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性，并使沉降提前完成。 适用范围

6、:适用于处理厚度较大的饱和软土层，但需要具体预压条件(时间)，对于厚的泥炭层则要慎重。第一节 概述振动挤密 处理方法:砂桩挤密法、土桩挤密法、灰土桩挤密法、生石灰挤密法、振冲法。 原理及作用:通过挤密或振动使深层土密实，并振动挤密过程中回填砂，砾石等形成砂桩或碎石桩，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减小沉降量。 适用范围:适用于处理砂土、粉砂或部分粘土颗粒含量不高的粘性土。第一节 概述化学加固 处理方法:硅化法、旋喷法、碱液加固法、水泥灌浆法、深层搅拌法。 原理及作用:通过注入化学浆液将土粒胶结，或通过化学作用或机械拌和等改善土的性质，提高地基承载力。 适用范围:适用于处理砂土、

7、粘性土、湿陷性黄土等地基，特别适用于工作事故处理。第一节 概述其它方法 处理方法:加筋法、土层锚固技术、热加固法、冻结法等。 原理及作用:通过特殊的技术措施处理。 适用范围:根据实际情况确定。第二节 换填垫层法 换填垫层法： 换填垫层法是指挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。换土垫层适用于软弱地基的浅层处理。深度一般不宜大于3m，但太薄效果不显著，因此其厚度不宜小于0.5m。换土垫层由于回填资料的不同，可分为砂垫层，碎石垫层，灰土垫层和素土垫层等。 第二节 换填垫层法换填垫层的作用和原理： 提高基础底面以下浅层地基的承载力； 减少了沉

8、降量； 加速了软弱土层的排水固结； 防止冻胀，砂垫层材料颗粒粗大，不会产生毛细现象，因而可以防止结冰造成的冻胀。 消除膨胀土的胀缩作用。第二节 换填垫层法垫层设计要求 垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，且应符合经济合理的原则。 垫层设计的主要是确定断面的合理厚度和宽度，以防止产生局部破坏，防止垫层材料向两侧挤出。第二节 换填垫层法砂垫层厚度的确定 垫层厚度一般是根据垫层底部软弱土层的承载力来确定的，即满足下列条件：第二节 换填垫层法附加压力计算条形基础：矩形基础：方形基础：第二节 换填垫层法垫层宽度的确定 砂垫层的宽度除了满足扩散的要求外，还应根据垫层侧面土的承载力来确定。垫层

9、要有足够的宽度，改正垫层材料向两边挤出，若垫层材料向两边挤出，则会使基础沉降增大，一般是按应力扩散的要求确定砂垫层底宽： 底宽确定后，再根据开挖基坑需要的边坡延伸至地面，要求垫层顶部距基础外缘距离大于300mm，这样即得砂垫层断面设计。 第二节 换填垫层法垫层施工要点1、砂垫层所用的材料，以中粗砂为好，也可用砾砂，碎石。细砂虽然也可作为垫层，但不易压实，而且强度不高。2、砂垫层施工的关键是保证垫层的岩实度，采用分层密实法，分层厚度一般为15cm20cm。3、开挖基坑铺设垫层时，必须避免扰动软弱层的表面。 4、每层砂层压实后都应进行质量检验。 第三节 重锤夯实与强夯法机械压密法 利用一定的机具在

10、土体中产生瞬时重复荷载，以克服颗粒间的阻力，使颗粒间相互移动，孔隙体积减小，密度增加，称之为机械压密法。 机械压密分类： 碾子静重压密：采用平碾、羊脚碾和气胎碾等机具压密； 冲击荷重压密：采用夯板和动力夯等机具压密； 振动压密：采用振动碾、振动板凳机具压密。第三节 重锤夯实与强夯法振冲器第三节 重锤夯实与强夯法平碾第三节 重锤夯实与强夯法羊脚碾第三节 重锤夯实与强夯法 机械压密的效果取决于土的性质和机械的荷重参数。对于粘性土而言，重要影响因素是土的含水量。 含水量低的土，因为大量空气的存在，孔隙水都成为毛细水，土颗粒间存在可观的摩擦阻力，阻碍颗粒的移动，所以土不容易被压密； 对于含水量很大时，

11、气体处于封闭状态，在短暂荷载作用下，水不容易排出，土也就不容易被压密； 对于砂土，由于很容易排水，所以水的存在，可以较少颗粒间的摩擦而不会影响颗粒间的相互挤密，所以压密砂土时要充分洒水。第三节 重锤夯实与强夯法 重锤夯实法是用起重机将夯锤提高到一定高度，然后自由下落，利用冲击能重复夯击地基，使地表面形成一层比较密实的硬壳层，从而提高地基表土层的强度。对湿陷性黄土，可减小表层土的湿陷性。 重锤夯实法适用于地下水距地表面0.8m以上稍湿的一般粘性土，砂土，湿陷性黄土和杂填土等。正式施工前，一般应在建筑地段先行试夯。选定夯锤重量，底面直径，落距和最优含水量，以便确实夯击的最后下沉量，相应的最少夯遍数

12、和总下沉量。 第三节 重锤夯实与强夯法 重锤夯实的效果与锤重，锤底直径，落距，夯击的遍数，夯实土的种类和含水量有密切关系，合理地选定以上参数和控制土的含水量，才能达到好的夯实效果。因此在施工时，一方面控制土的含水量，使土在最优含水量条件下夯实，另一方面，若夯实土的含水量发生变化，则可以调节夯实功的大小。一般情况，增大夯实功或增加夯击的遍数可以提高夯实的效果。 第三节 重锤夯实与强夯法 强夯法又名动力固结法，是将很重的锤(一般100KN400KN)从高处自由落下(一般为6m40m)，给地基以冲击能和振动。国外最大的夯击能曾达到50MNm。它适合加固从砾石到不饱和粘性土的各类地基土。强夯法不仅能提

13、高地基的强度，降低其压缩性，而且还能改善其抵抗液化的能力和消除黄土的湿陷性。 第三节 重锤夯实与强夯法 工程实践表明，强夯法具有施工简单，加固效果好，使用经济等优点，其承载力可提高200%500%，压缩性可降低200%1000%，不仅可以在陆地施工，也可在水下夯实，其缺点是施工时的噪音和振动较大，因而不宜在人口密集的城市内使用。 第三节 重锤夯实与强夯法加固机理 强夯法是在极短的时间内对内地基土体施加一个巨大的冲击能量，这种突然释放的巨大能量将使土体发生一系列物理变化，如土体结构破坏或液化，排水固结压密，触变恢复等。强夯过程对地基土状态的影响如图所示，强度提高较明显的区段是区，压密区深度即加固

14、深度。 第三节 重锤夯实与强夯法 解释强夯效应，目前有两种理论即Menard动力固结理论和冲击破坏压缩理论，以下对Menard理论作简要介绍。 对饱和细颗粒土，其渗透性低，因而在瞬时荷载作用下，孔隙水不能迅速排出，这样土体就不会立即产生很大的沉降，与强夯法有所矛盾。Menard认为，由于土中有机物的分解，第四纪土中大都含1%4%的以微气泡形式出现的气体，进行强夯时，气体体积压缩，产生瞬间变形。由于强夯冲击能量大，致使土体内有些点的拉应力大于抗拉能力，形成树枝裂缝排水网络，孔隙水得以顺利透出，其动力固结模型如图10.4.5b所示。图10.4.5a是太沙基模型即静力固结模型。这两种模型分别说明静力

15、固结理论和动力固结理论。 第三节 重锤夯实与强夯法第三节 重锤夯实与强夯法强夯法设计计算 机具设备，起重设备和夯锤 夯锤重：150KN2000KN， 落距：10m25m； 夯锤底面积：砂性土一般为3m 4m ，粘性土不宜小于6m ； 铺设垫层 场地地下水位在-2m以下的沙砾石土层，直接强夯场地地下水位较高的饱和粘性土与易液化饱和砂土，铺0.5m2m垫层，若地下水上升到夯坑，要降水。 第三节 重锤夯实与强夯法 夯距 通常为5m15m，加固面积比建筑物基础平面有所扩大，通常在基础平面外扩大一个等于H/22H/3的宽度(H为加固深度)，或多布置一圈夯击点进行加固定。为了使深层土体得到加固，第一遍夯击

16、点的间距要大，这样可以使夯击能量传递到深处，下一遍夯点往往布置在上一遍点的中间。最后一遍则以较低的夯击能，一夯搭一夯地拍夯，用以确保地表土的均匀性和较高的密实度。 单位夯击能 粗颗粒土单位夯击能可取10003000KNm/m ，细颗粒土可取15004000KNm/m 。第三节 重锤夯实与强夯法 夯击的次数和遍数 各夯击点的击数一般为4m10m，夯击遍数为18遍，国内采用“搭夯”，一般为25遍。最后再用小能量满堂拍夯一遍，加固表层土。 间歇时间 砂性土24min，可连续夯击； 粘性土34周。 第三节 重锤夯实与强夯法 加固范围加固深度：式中：H有效加固深度；M夯锤重量；h落距；k修正系数，粘性土

17、取0.5，砂性土取0.7，黄土取0.350.5。第四节 固结法预压加固法1、预压加固法 预压加固法是在拟建的建筑物的地基上，预先施加荷载，使地基产生相应的压缩固结，然后将这些荷载卸除以后再进行建筑物的施工。由于地基沉降大部分在预压的过程中已完成，所以建筑物实际的沉降量打打减小；同时软弱土层已被压密，强度提高，因而增加地基的承载能力。 降水预压法 真空预压法第四节 固结法 排水固结法（预压法）是在建筑物建造前，对天然地基或对已设各种排水体的地基施加预压荷载，使土体固结沉降基本完成或完成大部分，从而提高地基土强度的一种地基处理方法。 排水固结法可分为：堆载预压法、真空预压法和联合预压法。第四节 固

18、结法 在ec压缩曲线中，当试样的天然压力为c时，对应的孔隙比为e。如图中a点；当压力增加至固结完成时，在抗剪强度与固结压结c的变化曲线fc中，抗剪强度随固结压力的增大也由a点提高至c点，增加了f。如果从c点卸除压力，则土样产生膨胀，曲线由c点返回到f点，然后又从f点再加压力至完全固结，土样再加压缩沿虚线至c点，相应的强度也从f点增大至c点。 由此可见，地基受压固结时，一方面孔隙比减小，土体被压缩，抗剪强度也相应提高，另一方面，卸荷再压缩时，固结压力同样从c增加，而孔隙比减少了e，因为土体已由固结状态变为超固结状态的压缩，所以e比e小得多，抗剪强度也相应有所提高。第四节 固结法排水固结增大地基土

19、密度的原理第四节 固结法 排水固结就是利用这一变化规律来处理软弱土地基，主要有两方面问题: 沉降问题 预先拟建的建筑物场地上施加一预压荷载，使土层固结，然后卸去预压荷载建造建筑物，称为预压法，这样由建筑物引起的沉降和沉降差就大大地减小了。 稳定问题 利用建筑物荷载作用，促使地基土排水固结引起抗剪强度的增长，提高地基承载力，控制施工加荷速率，满足建筑物荷载对地基稳定性的要求。第四节 固结法 地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需时间与排水距离的长短的平方成正比。 为了加速固结，最有效的办法就是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离。在天然地基中设置垂直向排水体(砂井或塑料排水带)，这就是缩短排水距离的最好措施。第四节 固结法第四节 固结法 砂井或塑料带的作用就是增加排水条件，缩短