软土地基处理施工技术振冲法 旋喷桩 换填垫层

软弱土地基处理§9.1概述软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基。淤泥和淤泥质土一般是第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲、冰碛等地质沉积环境下沉积形成的，还有部分冲填土和杂填土。这类土的物理特性大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。当天然孔隙比大于1.5时，称为淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5时，则称为淤泥质土。这类土工程特性甚为软弱，抗剪强度很低，压缩性较高，渗透性很小，并具有结构性，广泛分布于我国东南沿海地区和内陆江河湖泊的周围，是软弱土的主要土类，通称软土，一般具有下列工程特性：(1)含水量较高，孔隙比较大。因为软土的成份主要是由粘土粒组和粉土粒组组成，并含少量的有机质。粘粒的矿物成份为蒙脱石、高岭石和伊利石。这些矿物晶粒很细，呈薄片状，表面带负电荷，它与周围介质的水和阳离子相互作用，形成偶极水分子，并吸附于表面形成水膜。在不同的地质环境下沉积形成各种絮状结构。因此，这类土的含水量和孔隙比都比较高。根据统计，一般含水量为35～80%，孔隙比为1～2。软土的高含水量和大孔隙比不但反映土中的矿物成份与介质相互作用的性质，同时也反映软土的抗剪强度和压缩性的大小。含水量愈大，土的抗剪强度愈小，压缩性愈大。反之，强度愈大，压缩性愈小。《建筑地基基础设计规范》利用这一特性按含水量确定软土地基的承载力基本值。许多学者把软土的天然含水量与土的压缩指数建立相关关系，推算土的压缩指数。由此可见：从软土的天然含水量可以略知其强度和压缩性的大小，欲要改善地基软土的强度和变形特性，那么首先应考虑采用何种地基处理的方法，降低软土的含水量。(2)抗剪强度很低。根据土工试验的结果，我国软土的天然不排水抗剪强度一般小于20kPa，其变化范围约在5～25kPa。有效内摩擦角约为=20°～35°。固结不排水剪内摩擦角=12°～17°。正常固结的软土层的不排水剪切强度往往是随离地表深度的增加而增大，每米的增长率约为1～2kPa。在荷载的作用下，如果地基能够排水固结，软土的强度将产生显著的变化，土层的固结速率愈快，软土的强度增加愈大。加速软土层的固结速率是改善软土强度特性的一项有效途径。(3)压缩性较高。一般正常固结的软土层的压缩系数约为：，最大可达到；压缩指数约为=0.35～0.75，它与天然含水量的关系为=0.0147－0.213。天然状态的软土层大多数属于正常固结状态，但也有部分是属于超固结状态，近代海岸滩涂沉积为欠固结状态。欠固结状态土在荷重作用下产生较大沉降。超固结状态土，当应力未超过先期固结压力时，地基的沉降很小。因此研究软土的变形特性时应注意考虑软土的天然固结状态。先期固结压力和超固结比OCR是表示土层固结状态的一个重要参数。它不但影响土的变形特性，同时也影响土的强度变化。(4)渗透性很小。软土的渗透系数一般约为。所以在荷载作用下固结速率很慢。若软土层的厚度超过l0cm，要使土层达到较大的固结度(如=90%)往往需要5～10年之久。所以在软土层上的建筑物基础的沉降往往拖延很长时间才能稳定，同样在荷载作用下地基土的强度增长也是很缓慢的。这对于改善地基土的工程特性是十分不利的。软土层的渗透性有明显的各向异性，水平向的渗透系数往往要比垂直向的渗透系数大，特别含有水平夹砂层的软土层更为显著，这是改善软土层工程特性的一个有利因素。(5)具有明显的结构性。软土一般为絮状结构，尤以海相粘土更为明显。这种土一旦受到扰动(振动、搅拌、挤压等)，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。土的结构性常用灵敏度St表示。我国沿海软土的灵敏度一般为4～10，属于高灵敏土。因此，在软土层中进行地基处理和基坑开挖，若不注意避免扰动土的结构，就会加剧土体的变形，降低地基土的强度，影响地基处理的效果。(6)具有明显的流变性。在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。根据上述软土的特点，以软土作为建筑物的地基是十分不利的。由于软土的强度很低，天然地基上浅基础的承载力基本值一般为50～80kPa，这就不能承受较大的建筑物荷载，否则就可能出现地基的局部破坏乃至整体滑动，在开挖较深的基坑时，就可能出现基坑的隆起和坑壁的失稳现象。由于软土的压缩性较高，建筑物基础的沉降和不均匀沉降是比较大的，对于一般四层至七层的砌体承重结构房屋，最终沉降约为0.2～0.5m，对于荷载较大的构筑物(贮罐、粮仓、水池)基础的沉降一般达0.5m以上，有些达到2m以上。如果建筑物各部位荷载差异较大，体形又比较复杂，那就要产生较大的不均匀沉降。沉降和不均匀沉降过大将引起建筑物基础标高的降低，影响建筑物的使用条件，或者造成倾斜、开裂破坏。由于渗透性很小，固结速率很慢，沉降延续的时间很长，使建筑物内部设备的安装和与外部的连接带来许多困难，同时，软土的强度增长比较缓慢，长期处于软弱状态，影响地基加固的效果。由于软土具有比较高的灵敏度，若在地基施工中采取振动、挤压和搅拌等作用，就可能引起软土结构的破坏，降低软土的强度。因此，在软土地基上建造建筑物，则要求对软土地基进行处理。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，消除其他不利的影响。近年来许多重要的工程和复杂的工业厂房在软弱土地基上兴建，工程实践的要求推动了软弱土地基处理技术的迅速发展，地基处理的途径愈来愈多，考虑问题的思路日益新颖，老的方法不断改进完善，新的方法不断涌现。根据地基处理方法的原理，基本上分为如表9-1所示的几类。表中各种地基处理方法都有各自的特点和作用机理，在不同的土类中产生不同的加固效果和局限性。没有哪一种方法是万能的。具体的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不相同的，而且材料的来源、施工机具和施工条件也因工程地点的不同又有较大的差别。因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过几种可能采用的地基处理方案的比较，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种地基处理方法的综合处理。软弱土地基处理方法分类表达式表9-1表9-1虽已列出多种地基处理方法，但仍有些方法来纳入表内，而且目前又有新的发展，不能一一阐述。本章简要介绍几种常用地基处理方法的作用原理、设计方法和施工质量要求。§9.2碾压法及夯实法建筑物地基表层的松散填土、杂填土或其他松软土层，常常要求压实后才能作为地基的持力层。夯硪或蛙夯的夯击功能很小，影响深度很浅，只能应用于整平基槽或局部压实。一般建筑物地基要求增大压实的影响深度，常用压实功能较大的重锤夯实、机械碾压和振动压实等方法处理。近年来夯实技术的发展突破了原来压实的原理，出现了强夯法。这已不属于一般的压实范围了，而是一种通过夯击产生振动波处理地基的方法。因为它还是用锤夯击，所以在这里一并介绍。9.2.1重锤夯实法图9-1重锤重锤夯实法是利用起重机将重锤提到一定高度，然后使其自由落下，重复夯打，把地基表层夯实。这种方法可用于处理非饱和粘性土或杂填土，提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于处理湿陷性黄土，消除其湿陷性。重锤夯实法的主要机具是起重机和重锤。重锤为一截头的圆锥体(见图9-1)，锤重不小于15kN，锤底的直径约为0.7～1.5m。重锤夯实的效果与锤重、锤底的直径、落距、夯击的遍数、夯实土的种类和含水量有密切关系。合理选定上述参数和控制土的含水量，才能达到较好的夯实效果，因此在施工时，一方面控制含水量，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，使夯实功适应土的实际含水量。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。但是当土夯实到达某一密实度时，再增大夯实功和夯击遍数，土的密度却不再增大了，甚至有时会使土的密实度降低。夯实功和夯击的遍数一般通过现场试验确定，根据实践经验，夯实的影响深度约为重锤底直径的一倍左右；夯实后杂填土地基的承载力基本值一般可以达到100～150kPa。对于地下水位离地表很近或软弱土层埋置很浅的情况，重锤夯实可能产生橡皮土的不良的效果，所以要求重锤夯实的影响深度高出地下水位0.8m以上，且不宜存在饱和软土层。9.2.2机械碾压法机械碾压法是一种采用平碾、羊足碾、压路机、推土机或其他压实机械压实松软土的方法。这种方法常用于大面积填土的压实和杂填土地基的处理，碾压的效果主要决定于被压实土的含水量和压实机械的压实能量。在实际工程中若要求获得较好的压实效果，应根据碾压机械的压实能量，控制碾压土的含水量，选择适合的分层碾压厚度和遍数，一般可以通过现场碾压试验确定。关于粘性土的碾压，通常用80～100kN的平碾或120kN的羊足碾，每层铺土厚度约为200～300mm，碾压8～12遍，碾压后填土地基的质量常以压实系数和现场含水量控制，压实系数为控制的干密度与最大干密度的比值，在主要受力层范围内一般要求>0.96。9.2.3振动压实法振动压实法是一种在地基表面施加振动把浅层松散土振实的方法。振动压实机是这种方法的主要机具，自重为20kN，振动力为50～100kN，频率为1160～1180转／分，振幅为3.5mm。这种方法主要应用于处理砂土、炉碴、碎石等无粘性土为主的填土，振动压实的效果主要决定于被压实土的成分和振动的时间，振动的时间越长，效果越好。但超过一定时间后，振动的效果就趋于稳定。所以在施工之前先进行试振，确定振动所需的时间和产生的下沉量，例如炉灰和细粒填土，振实的时间约为3～5分钟，有效的振实深度约为1.2～1.5m。一般杂填土经过振实后，地基承载力基本值可以达到100～120kPa。如地下水位太高，则将影响振实的效果。另外应注意振动对周围建筑物的影响，振源与建筑物的距离应大于3m。9.2.4强夯法强夯法是法国L．梅纳(Menard，1969)首创的一种地基加固的方法，即用几十吨重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。这种强大的夯击力在地基中产生应力和振动，从地面夯击点发出的纵波和横波可以传至土层深处，从而使浅层和深层得到不同程度的加固作用。实践证明,效果显著。如图9-2所示，经强夯后的地基承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200～500%，影响深度在10m以上。而且这种方法具有施工简单、速度快、节省材料等特点，因而受到工程界的广泛重视。9.2.4.1强夯法的作用机理关于强夯法加固地基的作用机理，目前尚未完全了解。然而通过大量工程实践和现场实测资料分析，对强夯作用机理的认识逐步明朗。强夯加固地基主要是由于强大的夯击能在地基中产生强烈的冲击波和动应力对土体作用的结果。由强夯产生的冲击波，按其在土中的传播和对土作用的特性可分为体波和面波两类(详见第十一章)。体波包括纵波和横波(或分别称为压缩波和剪切波)，从夯击点向地基深处传播，对地基土起压缩和剪切作用，可能引起地基土的压密固结。面波从夯击点沿地表面传播，对地基不起加固作用，而使地基表面松动。因此，强夯的结果，在地基中沿深度常形成性质不同的三个作用区。在地基表层受到面波和剪切波的干扰形成松动区；在松动区下面某一深度，受到压缩波的作用，使土层产生沉降和土体的压密，形成加固区；在加固区下面，冲击波逐渐衰减，不足以使土产生塑性变形，对地基不起加固作用，称为弹性区。图9-2夯实前后的旁压仪试验结果在强夯的过程中，根据土体中的孔隙水压力、动应力和应变关系，加固区内波对土体的作用可分为三个阶段，如图9-3所示：(1)加载阶段(或段)，即夯击的一瞬间，夯锤的冲击使地基土体产生强烈的振动和动应力，在波动的影响带内，动应力和孔隙水压力急剧上升(和)，而动应力往往大于孔隙水压力()，动的有效应力使土体产生塑性变形，破坏土的结构。对于砂土，迫使土的颗粒重新排列而密实。对于粘性土，土骨架被迫压缩，同时由于土体中的水和土颗粒两种介质引起不同的振动效应，两者的动应力差大于土颗粒的吸附能时，土中部分结合水和毛细水从颗粒间析出，产生动力水聚结，形成排水通道，制造动力排水条件。(2)卸载阶段(或段)，即夯击动能卸去的一瞬间，动的总应力瞬息即逝，然而土中孔隙水压力仍然保持较高的水平，此时孔隙水压力大于有效应力，因此土体中存在较大的负有效应力，引起砂土的液化。在粘性土地基中，当最大孔隙水压力大于小主应力、静止侧压力及土的抗拉强度之和时，土体开裂，渗透性迅速增大，孔隙水压力迅速下降。(3)动力固结阶段(或段)，在卸载之后，土体中仍然保持一定的孔隙水压力，土体就在此压力作用下排水固结。在砂土中，孔隙水压力消散甚快，约3～5分钟，使砂土进一步密实：在粘性土中，孔隙水压力消散较慢，可能要延续2～4周。如果有条件排水固结，土颗粒进一步靠近，重新形成新的水膜和结构连接，土的强度逐渐恢复和提高，达到加固地基的目的。上述三个过程称为动力固结。如果在加载和卸载阶段所形成的最大孔隙水压力不能使土体开裂，也不能使土颗粒的水膜和毛细水析出，动荷载卸去后，孔隙中水未能迅速排走，则孔隙水压力很大，土的结构已被扰动破坏，又没有条件排水固结；土颗粒间的触变恢复条件又较慢，在这种情况下，不但不能使粘性土加固，反而使土扰动，降低了地基土的抗剪强度，增大土的压缩性。因此对饱和粘性土进行强夯，应根据波在土中传播的特性，按照地基土的性质选择适合的强夯能量，同时又要注意设置排水条件和触变恢复条件，才能使强夯获得良好的加固效果。在施工前，事先必须进行现场动力固结试验，探讨强夯加固土体的规律，选择强夯能量和方法，检验是否能产生动力排水固结和触变恢复。否则就不易在饱和粘性土地基中获得良好的效果，有些工程在饱和软土中进行强夯未能获得预期的效果，甚至破坏了土的结构，这是因为在饱和粘性土中强夯不易控制达到动力固结的缘故。所以应持慎重态度。图9-3强夯冲击波对土体的作用过程关于非饱和土的强夯机理，可以认为：夯击能量产生的波和动应力的反复作用，迫使土骨架产生塑性变形，由夯击能转化为土骨架的变形能，使土密实，提高土的抗剪强度,改善土的变形特性。9.2.4.2强夯实施要点为了使强夯加固达到预期的效果，首先根据建筑物对地基加固深度的要求，确定所需的夯击能量，然后根据被加固地基的土类，按其强夯的机理选择锤重、落高、夯击点间距、排列、夯击遍数、每遍夯击点的击数和每遍间歇的时间等。夯击的能量与加固深度的关系，可用经验公式估算：（9-1）式中—锤重，—落高，—经验系数，它与波在土中传播的速度及土吸收能量的能力有关。根据我国的实践经验，值约为0.4～0.8之间，碎石土、砂土等为0.45～0.5，粉土、粘性土、湿陷性黄土等为0.4～0.45。锤重和落高决定于加固深度所需的能量，锤重有100kN、150kN、200kN、300kN等，落高则由起重设备来决定。当夯击的能量确定后，便可根据施工设备的条件选择锤重和落高，并通过现场试夯确定。强夯时，一般按一定的间距和排列布置夯点，然后在每一夯击点连续夯击，开始夯击时形成一个夯坑，第一击下沉较大，连续多次夯击后，下沉逐渐减少，待最后二击平均下沉量不大于50mm时，停止夯击，完成全部夯击点称为第一遍。间歇一段时间后，待夯击引起的孔隙水压力消散后，继续夯击第二、第三遍。夯击点的布置一般按方格布置，间距约5～9m。第一遍夯点距离不宜太小，约为夯锤直径的3～4倍，第二、三遍的距离逐渐减小，完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，每遍夯击数一般约5～10击，夯击遍数和要求与土的种类有关，一般约为2～4遍，每遍间歇时间决定孔隙水压力消散的速率，对于砂土地基间歇时间很短，甚至可以连续夯击，对于粘性土一般为15～30天。强夯法适用于处理砂土，碎石土，低饱和度的粘性土，粉土，湿陷性黄土等。在饱和软弱土地基采用强夯法时，应通过现场试验获得效果后才宜采用。这种方法不足之处是施工振动大，噪音大，影响附近建筑物，所以在城市中不宜采用。§9.3换土垫层法9.3.1换土垫层及其作用当建筑物基础下的持力层比较软弱，不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱土地基，即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。实践证明：换土垫层可以有效地处理某些荷载不大的建筑物地基问题，例如：一般的三、四层房屋、路堤、油罐和水闸等的地基。换土垫层按其回填的材料可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层等。下面仅以砂垫层为例讨论换土垫层的作用和原理。砂垫层的主要作用是：（1）提高浅基础下地基的承载力。一般来说，地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着应力的增大逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂代替可能产生剪切破坏的软弱土，就可以避免地基的破坏。（2）减少沉降量。一般情况下，基础下浅层地基的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内沉降量约占总沉降量的50%左右，同时由侧向变形而引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大，若以密实的砂代替了浅层软弱土，那么就可以减少大部分的沉降量。由于砂垫层对应力的扩散作用，作用在下卧土层上的压力较小，这样也会相应减少下卧土层的沉降量。（3）加速软弱土层的排水固结。建筑物的不透水基础直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基土强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层提供了基底下的排水面，不但可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，还可以加速砂垫层下软弱土层的固结及其强度的提高，但是固结的效果只限于表层，深部的影响就不显著了。在各类工程中，砂垫层的作用是不同的，房屋建筑物基础下的砂垫层主要起置换的作用，对路堤和土坝等，则主要是利用其排水固结作用。9.3.2砂垫层(或碎石垫层)的设计要点砂垫层设计的主要内容是确定断面的合理宽度。根据建筑物对地基变形及稳定的要求，对于换土垫层，既要求有足够的厚度置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤动。对于排水垫层，一方面要求有一定的厚度和宽度防止加荷过程中产生局部剪切破坏，另一方面要求形成一个排水层，促进软弱土层的固结。砂垫层设计的方法有多种，本节只介绍一种常用的方法。1．砂垫层厚度的确定：根据垫层作用的原理，砂垫层厚度必须满足在建筑物荷载作用下垫层地基不应产生剪切破坏，同时通过垫层传递至下卧软弱土层的应力也不产生局部剪切破坏，即应满足节6-6式(6-24)对软弱下卧层验算的要求(但其中地基压力扩散角的取值方法不同)：≤（9-2）式中—砂垫层底面处软弱土层的承载力设计值，kPa(应按垫层底面的深度考虑深度修正)；—二砂垫层底面处土的自重应力标准值，kPa；—砂垫层底面处的附加应力设计值，kPa，按图9-4中的应力扩散图形计算，对条形基础为：(9-3a)对矩形基础为：（9-3b）—基础的长度和宽度，m；—砂垫层的厚度，m；—基底压力设计值，kh，—基础底面标高处土的自重应力，kPa，—砂垫层的压力扩散角，可按表9-2采用。图9-4砂垫层剖面图压力扩散角(度)表9-2换填材料中、粗、砾、碎碎石土、石石屑粉质粘土和粉土土（8＜＜14）灰土0.25≥0.50203062330注：1、当<0.25时，除灰土外，其余材料均取=0°；2、当0.25<<0.50时，可内插求得。计算时，先假设一个垫层的厚度，然后用式(9-2)验算。如不合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足为止，一般砂垫层的厚度为1～2m左右，过薄的垫层(<0.5m)的作用不显著，垫层太厚(>3m)则施工较困难。2.砂垫层宽度的决定：砂垫层的宽度一方面要满足应力扩散的要求，另一方面防止垫层向两边挤动。关于宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在实践中常常按照当地某些经验数(考虑垫层两侧土的性质)或按经验方法确定，常用的经验方法是扩散角法，如图9-4，设垫层厚度为z，垫层底宽按基础底面每边向外扩出考虑，那么条形基础下砂垫层底宽应不小于。扩散角仍按表(9-2)的规定采用。底宽确定以后，然后根据开挖基坑所要求的坡度延伸至地面，即得砂垫层的设计断面。砂垫层断面确定之后，对于比较重要的建筑物还要求验算基础的沉降，以便使建筑物基础的最终沉降值小于建筑物的允许沉降值。验算时不考虑砂垫层本身的变形。以上按应力扩散设计砂垫层的方法比较简单，故常被设计人员所采用。但是必须注意，应用此法验算砂垫层的厚度时，往往得不到接近实际的结果。因为增加砂垫层的厚度时，式(9-2)中的虽可减少，但却增大了，因而两者之和()的减少并不明显，所以这样设计的砂垫层往往较厚(偏于安全)。【例题9-1】某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1m，上部建筑物作用于基础的荷载每米120kN，基础的平均重度为20kN/m³。地基土表，层为粉质粘土，厚1m，重度为17.5kN/m³，第二层为淤泥质粘土，厚15m，重度为17.8kN/m³，含水量65%，第三层为密实的砂砾石。地下水距地表为1m。因为地基土较软弱，不能承受建筑物的荷载，试设计砂垫层。【解】(1)先假设砂垫层的厚度为1m，并要求分层碾压夯实，干密度达到>1.5t/m³。(2)砂垫层厚度的验算：根据题意，基础底面平均压力设计值为：砂垫层底面的附加应力由式(9-3a)得例图9-1砂垫层剖面图根据持力层淤泥的含水量65%，查表6-7得地基承载力基本值=50kPa，从地基勘察报告查得回归修正系数=0.90，则计算地基承载力标准值=50×0.9=45kPa。再经深度修正得地基承载力设计值。则这说明所设计的垫层厚度不够，再假设垫层厚度为1.7m，同理可得(3)确定砂垫层的底宽为(4)绘制砂垫层剖面图，如例图9-1所示。9.3.3砂垫层(或碎石垫层)的施工要点(1)砂垫层的砂料必须具有良好的压实性，以中、粗砂为好，也可使用碎石；细砂虽然也可以作垫层，但不易压实，且强度不高。垫层用料虽然要求不高，但不均匀系数不能小于5，有机质含量、含泥量和水稳性不良的物质不宜超过2%，且不希望掺有大石块。(2)砂垫层施工的关键是如何将砂加密至设计的要求。加密的方法常用的有加水振动、水撼法、碾压法等。这些方法都要求控制一定的含水量，分层铺砂，逐层振密或压实。含水量太低或饱和砂都不易密实。以湿润到接近饱和状态时为好。(3)开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动软土层的表面和破坏坑底土的结构。因此基坑开挖后，应立即回填，不能暴露过久或浸水，更不得任意践踏坑底。(4)当采用碎石垫层时，为了避免碎石挤入土中，应在坑底先铺一层砂，然后再铺碎石垫层。垫层的种类很多，除了砂和碎石垫层外，还有素土和灰土垫层等，近年来又发展了类似垫层的土工聚合物加筋垫层。§9.4排水固结法9.4.1排水固结法的原理排水固结法就是利用地基排水固结规律，采用各种排水技术措施处理饱和软弱土的一种方法。它的基本原理可用图9-5来说明。在压缩曲线中，当试样的天然压力为时，对应的孔隙比为，如图中的点，当压力增加至固结完成时，孔隙比变化至点，孔隙比减少了；与此同时，在抗剪强度与固结压力的变化曲线中，抗剪强度随固结压力的增大也由点提高至点，增长了。如果从点卸除压力，则土样产生膨胀，曲线由返回到点，然后又从点再加压力至完全固结，土样再压缩沿虚线至点，相应的强度也从点增大至点。由此可见，地基受压固结时，一方面孔隙比减少，土体被压缩，抗剪强度也相应提高，另一方面，卸荷再压缩时，固结压力同样从增加，而孔隙比仅减少，因为土体己变为超固结状态的压缩，所以比小得多，抗剪强度也相应有所提高。图9-5排水固结增大地基土密度的原理图9-6排水水法原理(a)竖向排水情情况；((b)砂井井地基排水水情况排水固结法就是是利用这一一变化规律律来处理软软弱土地基基，主要有有两方面问问题。1.沉降问题题：预先在在拟建的建建筑物场地地上施加一一预压荷载载，使土层层固结，然然后卸去顶顶压荷载建建造建筑物物，称为预预压法，这这样由建筑筑荷载引起起的沉降和和沉降差就就大大地减减少了。2.稳定问题题：利用建建筑物荷载载作用，促促使地基土土排水固结结引起抗剪剪强度的增增长，提高高地基的承承载力，控控制施工加加荷速率，满满足建筑物物荷载对地地基稳定性性的要求。地基土层的排水水固结效果果与它的排排水边界有有关。根据据固结理论论，在达到到同一固结结度时，固固结所需的的时间与排排水距离的的长短的平平方成正比比。如图99-6所示示，软弱土土层越厚，一一维固结所所需的时间间越长，如如果淤泥质质土层厚度度大于100～20m，要要达到较大大固结度((U>800%)，所所需的时间间要几年至至十几年之之久。为了了加速固结结，最有效效的办法就就是在天然然土层中增增加排水途途径，缩短短排水距离离。在天然然地基中设设置垂直向向排水体((砂井或塑塑料排水带带)，如图9--6所示，这这就是缩短短排水距离离的最好措措施。所以以砂井或塑塑料排水带带的作用就就是增加排排水条件，缩缩短排水距距离，加速速地基的固固结，加速速抗剪强度度的增长，加加速沉降的的发展。在在地基处理理中，主要要是利用这这些加速作作用，缩短短预压工程程的预压期期，在短期期内达到较较好的固结结效果，使使沉降提前前完成，加加速地基土土强度的增增长，使地地基承载力力提高的速速率始终大大于施工荷荷载增长的的速率，以以保证地基基的稳定性性。这一点点无论从理理论和实践践都得到证证实。例如如浙江省宁宁波机场和和温州机场场，在厚220～40m的淤淤泥质粘土土地基上，采采用砂井堆堆载预压建建造跑道，效效果良好。又又如慈溪市市杜湖水库库软基土坝坝工程，如如图9-77所示。土土坝下为淤淤泥质粘土土，平均厚厚度为155.5m，其其下为砂砾砾石层，软软土层的天天然十字板板试验强度度平均为117.8kkPa，土土坝的设计计高度为117.5mm。坝基用用砂井处理理，砂井的的直径为4420mmm，间距为为3m，井深深为14mm(来打穿软软土层)。在开始始施工以后后，随着土土坝的填筑筑，荷载逐逐渐增大，地地基逐渐固固结，土层层的抗剪强强度也逐渐渐增大。当当坝填筑至至14m时，历历时约二年年，现场实实测十字板板试验强度度平均达到到57.22kPa，如如图9-88所示，相相当于天然然地基土的的强度的33.2倍。当当填筑到118m时，现现场十字板板强度平均均到达699.0kPPa，相当当天然地基基强度的44倍。由于于地基土强强度的增长长，使原来来只能填筑筑4～5m土堤的的地基可以以顺利地填填筑至坝高高17.55m。当土土坝填筑至至17.55m时，平平均沉降达达2.5mm，相应的的固结度为为80%。图9-7杜湖水水库砂井地地基剖面图图必须指出：排水水固结法的的应用条件件，除了设设置砂井或或塑料排水水带的施工工机械和外外，必须要要有：(1)预压荷荷载；(2)预压时时间和(3)适用的的土类等条条件。预压压荷载是个个关键问题题，因为施施加预压荷荷载后才能能引起地基基的排水固固结，然而而施加一个个与建筑物物相等的荷荷载，这并并非轻而易易举之事，少少则几千吨吨，大则数数十万吨。许许多工程因因无条件施施加预压荷荷载而不宜宜采用砂井井处理地基基。为了解解决这一问问题，发展展了各种排排水固结法法，如：((1)真空预预压法；((2)降水预预压法；((3)电渗排排水等等。堆堆载预压是是在地基中中形成超静静水压力条条件下排水水固结，称称为正压固固结，真空空预压和降降水预压是是在负超静静水压力下下排水固结结，称为负负压固结，两两者的原理理是类似的的。预压时间是通过过设计来确确定，如果果实际工程程有充裕的的时间条件件，可考虑虑用天然地地基排水条条件进行排排水固结，反反之，则采采用不同间间距和深度度的砂井，加加速地基的的固结以满满足工程的的要求。图9-8坝基基实测十字字板强度分分布图排水固结法适用用于处理各各类淤泥、淤淤泥质土及及其他类饱饱和软粘土土。对于砂砂土和粉上上，因透水水性良好，无无需用砂井井排水固结结处理地基基；含水平平夹砂或粉粉砂层的饱饱和软土，因因为水平向向透水性良良好，不用用砂井处理理地基也可可获得良好好的固结效效果。对于于泥炭及透透水性极小小的流塑状状态饱和软软土，在很很小的荷载载作用下，地地基土就出出现较大的的剪切蠕变变，排水固固结效果很很差。图9-9砂井井布置图(a)剖面图;(b))正方形布布置;(cc)梅花形形布置;((d)砂井井的排水途途径9.4.2砂砂井固结理理论随着排水砂井法法的广泛应应用，逐步步发展了砂砂井地基固固结理论。一一般砂井的的平面布置置有梅花形形(正三角形形)和正方形形两种，如如图9-99所示。在在大面积荷荷载作用下下，假设每每根砂井为为一独立排排水系统。正正方形排列列时，每根根砂井的影影响范围为为一正方形形，而梅花花形布置时时，则为一一正六边形形(如图中直直线所示)。为了简简化起见，每每根砂井的的影响范围围都化作一一个等面积积圆。因此此梅花形排排列时的影影响直径为为：=；正方形排列的情情况则为：：。式中—砂井的间间距。如果软弱土层是是单面排水水的，每个个砂井的渗渗透途径如如图[9--9(d))]所示，它它既有竖向向分量，亦亦有径向分分量。如果果假定：((1)每个砂砂井的影响响范围在平平面上为一一个圆，整整个砂井为为一个圆柱柱；(22)砂井地地基表面上上荷载是均均匀分布的的，而且附附加应力的的分布不随随深度而变变化；(3)地基土土只能产生生竖向压密密变形；((4)施加瞬瞬时荷载后后，全部荷荷载立即由由孔隙水来来承担；((5)不考虑虑固结过程程中固结系系数的变化化和砂井施施工过程中中涂抹作用用的影响，则则根据第二二章中的一一维固结理理论原理，砂砂井的三维维固结微分分方程可以以表示为：：（9-4）若改为、圆柱坐坐标，则三三维固结微微分方程则则为：（9-5）当土层的水平向向的渗透系系数不等于于竖向的渗渗透系数时时上式应改改写为：式中为竖向固结结系数，为为水平向固固结系数，分分别为：。式(9-5)可以用用分离变量量法分为：：（9-5a）(99-5b))式(9-5)表示在在每个砂井井影响范围围内任意一一点()在任意时时间的孔隙隙水压力的的微分方程程。它可以以分解为径径向向内排排水固结[[式(9-5a)]]和竖向排排水固结[[式(9-5bb)]两两部分，从从而根据起起始条件和和边界条件件分别解得得径向向内内排水固结结的孔隙水水压力分量量和竖向排排水的孔隙隙水压力分分量。N.卡里诺诺(Carrrilloo)从理论论上证明：：任意一点点的孔隙水水压力有如如下关系：：（99-6a）式中为起始的孔孔隙水压力力。整个砂砂井影响范范围内土柱柱体的平均均孔隙水压压力也有同同样的关系系：（9-6bb）或以固结度表达达为：（9-7）式中—每一个砂砂井影响范范围内圆柱柱的平均固固结度；—径向排水的平均均固结度，—竖向排水的平均均固结度。在双面排水条件件下或者固固结土层中中的应力分分布均匀时时，可由第第2-9节三三的一维固固结理论解解得如下：：（22-1088）式中为正奇整数数（1，3，5……）。当>30%时（2-1009）R.A.巴隆（Baarronn）曾分别别在自由应应变和等应应变两种条条件下求得得的解答，但但以等应变变求解比较较简单，其其结果如下下：（9-8）式中；；—水平向固结系数数；—每一个砂井有效效影响范围围的直径；；，称为井径比；；—砂井直径；—水平向固结时间间因数。将式（2-1009）和（9--8）代入入（9-77）后则得得到砂井的的平均固结结度为：（9-99）式中为正奇整数数（1，3，5……）。如果>30%，则则（9-99）式可以以近似表达达为：（99-10）令（9-111）则（9-122）砂井地基的平均均固结度常常用式(9-7))计算，式式中的和分别为了了、及的函数。如如果和已知，则则可以由式式(2-1009)和式式(9-8))分别计算算及为了方便便起见，可可以从图99-10中中查得固结结度。当>>30%时时，可以直直接应用式式(9-100)计算。当当竖向排水水影响很小小时(如软土层层很厚)，可以直直接应用水水平向固结结度计算式式(9-8))计算砂井井地基的固固结度。【例题9-2】设有一饱饱和软土层层，厚度为为16m，其其下卧层为为透水性良良好的砂砾砾石层。现在此此软土层中中打砂井贯贯穿至砂砾砾石层，砂砂井的直径径为0.33m，砂井的的间距=2.5mm，以梅花花形布置，经经勘探试验验得到，竖竖向固结系系数=1..5×10cm²/secc，水平向向固结系数数为=2..94×10cm²/secc。试求在在大面积均均布荷载==120kkPa的作作用下，历历时90天的固固结度。若若最终荷载载为2000kPa，则则对最终荷荷载而言，此此时的固结结度应是多多少?图9-10和与与时间因数数关系曲线线图【解】已知=2250cmm，根据上述数据查查图9-110得。所以对最终荷载而言言的固结度度由本例可以看出出：所设计计的砂井，其其效果是显显著的，砂砂井地基以以径向固结结为主(本例径向向固结度与与总固结度度只差2..5％)。由此可可见，对于于软土层较较厚或»的情况，为为了简化计计算，可忽忽略由竖向向排水引起起的固结度度，根据砂砂井固结理理论分析，砂砂井的井径径与间距的的合理关系系应以细而而密为原则则。因此，砂砂井逐渐从从普通砂井井向细而密密型的袋装装砂井及塑塑料排水带带发展。随随着它们的的广泛应用用，人们逐逐渐意识到到井阻和涂涂抹作对固固结效果的的影响是不不可忽视的的。R．A．巴隆(Barrron)，S.汉斯堡堡(Hanssbo)、吉吉国洋(Yoshhikummi)和谢谢康和等人人先后给出出了考虑井井阻和涂抹抹作用的砂砂井固结理理论解。前前两作者的的结果系近近似解，吉吉国洋的结结果系精确确解，但计计算复杂．．谢康和的的解比较简简明，并有有简化解，其其结果如下下：地基的的竖向和径径向排水平平均固结度度为：（9-113）式中整数地基平均固结度度的简化解解为：（9-144）式中式中—井阻因子子；—涂抹比，砂井涂涂抹后的直直径与砂井井直径之比比；—井径比；—砂井砂，地基土土和砂井涂涂抹土层的的渗透系数数；—砂井的长度。简化式与精确解解比较误差差小于是110%。上述各式均假设设荷载是一一次瞬时施施加的，而而实际工程程多为分级级逐渐施加加的，对于于多级等速速加荷的情情况，如图图9-111所示。理理论证明，理理论解的简简化式为：：（9-155）式中—与多级加加荷历时对对应的荷载载，固结度度对此荷载载而言；—第级荷载的加荷速速率；—第级荷载的终点和和始点的历历时（从零零点计起）；；—所求固结度的历历时，应大大于，当≤＜时，则=，=1，2，3……。当软土层比较厚厚时，常常常砂井没有有打穿整个个软土层，如如图9-112所示。因因此不能把把砂井部分分的固结度度代表整个个受压层的的固结度。对对于砂井未未完全打穿穿整个受压压层情况，地地基的平均均固结度按按下式计算算：（9-166）式中—地基的平平均固结度度；—砂井部分土层平平均固结度度，按砂井井固结理论论计算；—砂井以下部分土土层的固结结度，按照照一维固结结理论计算算。计算时时可以将砂砂井底面视视作排水面面；—砂井打入深度与与整个压缩缩层的厚度度的比值，即即：式中—砂井长度度；—砂井下压缩层范范围内土层层的厚度。图9-11多级级加荷图图9-122砂井未未打穿整个个受压土层层的情况9.4.3砂砂井的应用用和设计砂井在工程上的的应用主要要有两方面面：(11)对于以以变形控制制设计的建建筑物，例例如：房屋屋建筑、机机场跑道和和高速公路路，利用砂砂井加速固固结进行堆堆载预压，减减少沉降和和不均匀沉沉降；((2)对于于以稳定性性控制的建建筑物，例例如堤坝、油油罐(同时也要要控制变形形)等，利用用砂井加速速软弱土强强度的增长长，提高地地基的承载载力，控制制加荷速率率，满足施施加建筑物物荷载对地地基的要求求。此外，也也可利用砂砂井消散打打桩引起的的孔隙水压压力，提高高单桩承载载力。因此此，砂井地地基设计方方法分为两两类，预压压设计和稳稳定控制设设计。两者者的设计既既有共同的的问题，又又有各自的的要求，现现分别讨论论如下：9.4.3.11砂井类类型和砂井井布置尺寸寸的选择1.砂井类型型：常用的的有三种：：(1))普通砂井井，指用沉沉管法或高高压射水法法施打的砂砂井，直径径>300mmm；(2))袋装砂井井，用土工工编织布制制成的袋，内内装中、粗粗砂的长条条形砂袋，然然后打入地地基中形成成砂井，直直径=(770～100))mm；(3)塑料排排水带，这这是由塑料料制成的通通水芯片外外包土工无无纺透水滤滤膜制成，宽宽100mmm，厚3.55～6mm，长长100～300mm。实践证证明：三种种砂井都能能获得良好好的固结效效果。普通通砂井井径径较大，排排水性能良良好，长细细比较小，井井阻和涂抹抹作用不明明显。但是是，施工速速度较慢，工工程量较大大，质量不不易控制。袋袋装砂井井井径较小，施施工简便，价价格低廉，质质量易于保保证，但是是，长细比比较大，随随砂井长度度增大，井井阻对固结结度的影响响越来越明明显。因此此，对于长长度较大的的砂井，必必须采用透透水性良好好的中、粗粗砂为井料料，否则就就降低其排排水固结作作用。排水水带是近年年来发展的的一种土工工复合排水水材料，透透水性好，排排通量大，质质轻价廉，施施工简便，工工效快，而而且质量易易于保证。虽虽然，随着着砂井的长长度增大，相相应井阻增增大，但可可以按砂井井的长度选选择较大的的排通量，可可减少井阻阻对固结的的影响。所所以在选择择砂井类型型时，应考考虑设计建建筑物地基基软弱土层层的透水性性、厚度、施施工条件、材材料的来源源、造价、工工程对固结结时间和效效果等因素素后选用。相相对来说，排排水带的性性能优于其其他两种材材料，但也也要比较材材料的来源源和造价等等因素以确确定砂井类类型。2.砂井间距距的选择：：当砂井类类型选定后后，砂井的的直径也基基本确定了了。因为它它们的尺寸寸基本上是是定型的，普普通砂井的的直径约为为400mmm；袋装装砂井的直直径约为770mm或或l00mmm；塑料排排水带的宽宽度和厚度度约为1000×4mm或100×4.5mmm，当量量直径约为为65mmm～68mmm。需要认真选定的的砂井尺寸寸是砂井的的间距和长长度(或深度)。根据砂井固结理理论，砂井井间距越小小和井径越越大，固结结的效果越越好，反之之，固结效效果越差。相相对而言缩缩短间距比比增大井径径的固结效效果好，因因而得到一一个优选砂砂井井径与与间距的原原则，即细细而密原则则。但是也也不是越细细越密固结结效果越好好，因为太太细太密就就无法保证证砂井的质质量。具体体来说，砂砂井的间距距是根据工工程对地基基固结度大大小的要求求和容许固固结时间长长短决定的的，根据固固结理论，可可按下式确确定：（99-17）式中：为系数，梅梅花型布置置=0.995，正正方形布置置=0.889；为井径比比，若不考考虑井阻作作用，可用用下式试算算求解，即即：(9-188)考虑井阻时则为为（9-199）式中：为水平向向固结系数数；和为工程容容许的固结结时间和要要求达到的的固结度；；为井阻因因子。【例题9-33】设某工工程地基土土的固结系系数，要求求历时1000天，固固结度达到到90%，试试求袋装砂砂井长度为为15m时，砂井井的合理的的间距。【解】设袋装砂砂井的井径径=70mmm，长度=15m砂井地基土与砂砂井中砂料料的渗透系系数比值则并阻因子将值代入式(9--18)式式和式(9-199)，分别别求解得：：不考虑井井阻影响，，则砂井间距；考虑井阻影响，，则砂井间距。若固结系数，，考虑井阻影响求得的井径比为，则间距。工程实践证明：：普通砂井井一般用井井径比=66~9；袋袋装砂井用用=15~~25，均均可取得良良好的效果果。砂井打入深度，一一般按下列列原则确定定，如果软软土层不厚厚(10~155m)，砂井应应贯穿软土土层；如果果软土层很很厚，则根根据建筑受受压层深度度来确定。9.4.3.22砂井地地基土强度度增长的预预测为了保证地基稳稳定，控制制施工加荷荷速率，必必须认真估估算地基土土强度的增增长。这也也是利用砂砂井加速固固结的主要要效果。在在荷载作用用下，由于于砂井地基基的排水固固结，地基基土强度相相应提高，同同时由于荷荷载产生的的剪应变和和剪切速率率的减缓，又又引起地基基土强度衰衰减。因此此，用下式式表达和计计算，即(9--20)式中：为荷载作作用下历时时地基土的的抗剪强度度；为天然然地基土的的抗剪强度度，为地基基固结引起起的强度增增长；为由由于剪切蠕蠕变和剪切切速率减慢慢引起强度度衰减的衰衰减系数。从从理论分析析地基土强强度增长值值可按下式式计算：(9-221)式中：为计算点点的最大有有效主应力力；为孔隙隙水压力系系数；为大大小主应力力比；为有有效抗剪角角。由工程程实测结果果证明：可可简化为下下式(9--22)式中：为天然地地基土的不不排水剪切切强度；为为由荷载引引起的大主主应力增量量；为固结结度；系数数，可用下下式计算：：(9--23)式中：为不排水水剪切试验验剪损的历历时，一般般约10分钟，为建建筑物荷载载持续的时时间；为每每一对数周周期的强度度衰减系数数，=0..04~00.06。工工程实测结结果=0..7~0..9。为了了简化计算算，由如下下经验公式式也能得到到接近实际际的结果，即即（9-244）和（9-255）为固结不排水剪剪内摩擦角角。9.4.3.33堆载预预压设计堆载预压的目的的是使地基基在预压荷荷载作用下下基本固结结完成，然然后卸去预预压荷载建建造建筑物物，以消除除建筑物基基础的部分分固结沉降降和不均匀匀沉降。因因此预压设设计的内容容包括：((1)确定预预压荷载的的大小；(2)确确定预压的的时间；(3)预压后后地基沉降降的估算等等。预压荷荷载的大小小决定于软软弱土层的的厚薄和压压缩性、预预压的时间间和建筑物物的允许沉沉降等。如如果软弱土土层不太厚厚，允许预预压的时间间比较长，可可以不用超超载：反之之则需要超超载。一般般超载的大大小约为建建筑物荷载载的1.330倍。特特殊情况则则根据工程程具体要求求来决定。超载预压的时间间决定于建建筑物的允允许沉降，(如图9-13所示)，要求满足如下标准：图9-13超载载预压消除除主固结沉沉降≤（9-266）而式中为建筑物荷荷载作用下下基础的最最终沉降；；为预压荷荷载作用下下历时的沉沉降；为建建筑物的允允许沉降值值。，，分别为在在荷载作用用下的瞬时时沉降/主固结沉沉降和次固固结沉降。固固结度为(9-227)则式中：（无砂井井情况）；；（有砂井井情况）预压后沉降的计计算则根据据地基的固固结状态，参考相应应的沉降计计算公式计计算。9.4.3.44地基稳稳定性控制制设计在施加预压荷载载的过程中中，砂井地地基中各部部位立即产产生剪应力力，同时地地基土的抗抗剪强度相相应增长((有时减少少)。如果地地基土的强强度增长速速率大于荷荷载引起的的剪应力的的增大，地地基就稳定定，反之，如如果加荷速速率控制不不当，地基基中剪应力力的增大超超过了由固固结引起强强度的增长长，地基就就会产生局局部剪切破破坏，乃至至整体破坏坏。因此，砂砂井地基必必须控制加加荷速率，控控制剪应力力的增大始始终小于强强度的增大大，以保证证地基的稳稳定。因此此，在施工工加荷前，应设计一个合理的加荷计划和加荷速率控制图，设计的步骤如下：(1)估计第第一级允许许施加的荷荷载(见图9-111所示中中的)。这级荷荷载就是天天然地基的的容许荷载载。对于矩矩形基础可可以用下式式估算：。式中：为安全系系数。(2)估计加加荷速率及及间歇期。第第一级荷载载可以快一一些，但对对于软土也也不宜过快快，根据经经验，每天天加荷速率率控制在：：2-3kkPa(为为加荷速率率)，由此可可得第一级级荷载所需需的时间((天)为：。在第第一级荷载载施加之后后；如果继继续施加第第二级荷载载，很容易易使地基达达到极限荷荷载而破坏坏，所以要要有一段间间歇期，如如图9-111中的了了至段，使地地基在第一一级荷载作作用下排水水固结，地地基土的强强度增大后后，然后施施加第二级级荷载。间间歇期可按按下式估算算：（9-28）式中：为瞬时加加荷达到所所需的时间间；为系数数，按式((9-111)计算，为固固结度，一一般要求＞＞70%后才才施加下一一级荷载，则则间歇期(3)计算地基土土的强度增增长。在施施加第一级级荷载后，并并经过一段段间歇期，地地基土的强强度增长可可按式(9-222)估算值。(4)估算施加第第二级荷载载的大小。这这一级荷载载的大小主主要决定于于前一级荷荷载作用下下固结强度度的增长值值。计算方方法和第一一步骤相同同，但计算算式中的天天然地基土土的强度改改用固结后后的强度。如果第二级荷载载还未达到到设计的最最终荷载，可可依此类推推，重复前前述步骤，继继续计算到到达设计的的总荷载。上述步骤仅是估估算求得控控制加荷速速率的进程程，实际的的加荷进程程还要考虑虑施工条件件并通过现现场观测加加以修正。对对于比较重重要的工程程要求对初初步拟订的的加荷进程程进行固结结计算，强强度增长的的计算、稳稳定分析和和沉降计算算，校核是是否能满足足工程的要要求。如果果发现不能能满足地基基稳定及沉沉降的要求求，那么就就要修改加加荷进程或或采取其他他措施。9.4.4砂砂井施工简简介砂井地基施工一一般都有专专用的施工工机械，普普通砂井通通常用打入入式的打桩桩机或用射射水砂井机机施打，袋袋装砂井和和排水带则则分别用袋袋装砂井机机和插板机机施工。施施工中主要要的技术问问题是控制制砂井材料料的质量，对对于砂井的的砂料必须须采用中、粗粗砂，不宜宜用细砂或或掺细砂，含含泥量必须须小于3%%，渗透系系数>100cm／s。袋装砂砂井除砂料料满足以上上质量要求求外，外包包织物袋必必须要有足足够的强度度、透水性性及防淤堵堵性。排水水带的质量量要求，必必须保证足足够的竖向向通水量，一一般要求单单位梯度通通水量大于于25cmm³／s。另外滤滤膜要求渗渗透系数>>10³cm/ss和满足防防淤堵的要要求。§9.5挤密密法和振冲冲法9.5.1挤挤密及振冲冲作用机理理众所周知：在砂砂土中，通通过机械振振动挤压或或加水振动动可以使土土密实。挤挤密法和振振冲法就是是利用这个个原理发展展起来的两两种地基加加固方法。9.5.1.11挤密法法挤密法是以振动动或冲击的的方法成孔孔，然后在在孔中填入入砂、石、土土、石灰、灰灰土或其他他材料，并并加以捣实实成为桩体体，按其填填入的材料料分别称为为砂桩、砂砂石桩、石石灰桩、灰灰土桩等。挤挤密法一般般采用打桩桩机或振动动打桩机施施工的，也也有用爆破破成孔的。挤挤密桩的加加固机理主主要靠桩管管打入地基基中，对土土产生横向向挤密作用用，在一定定挤密功能能作用下，土土粒彼此移移动，小颗颗粒填入大大颗粒的空空隙，颗粒粒间彼此靠靠近，空隙隙减少，使使土密实，地地基土的强强度也随之之增强。所所以挤密法法主要是使使松软土地地基挤密，改改善土的强强度和变形形特性。由由于桩体本本身具有较较大的强度度和变形模模量，桩的的断面也较较大，故桩桩体与土组组成复合地地基，共同同承担建筑筑物荷载。必须指出：挤密密砂桩与排排水砂井都都是以砂为为填料的桩桩体，但两两者的作用用是不同的的。砂桩的的作用主要要是挤密，故故桩径较大大，桩距较较小，而砂砂井的作用用主要是排排水固结，故故井径小而而间距大。挤密桩主要应用用于处理松松软砂类土土、素填土土、湿陷性性黄土等，将将土挤密或或消除湿陷陷性，其效效果是显著著的。9.5.1.22振冲法法振冲法是利用一一个振冲器器(见图9-114)，在在高压水流流的帮助下下边振边冲冲，使松砂砂地基变密密；或在粘粘性土地基基中成孔，在在孔中填入入碎石制成成一根根的的桩体，这这样的桩体体和原来的的土构成比比原来抗剪剪强度高和和压缩性小小的复合地地基。图9-14振振冲器构造造图振冲器为圆筒形形，筒内由由一组偏心心铁块，潜潜水电机和和通水管三三部分组成成。潜水电电机带动偏偏心铁块使使振冲器产产生高频振振动，通水水管接通高高压水流从从喷水口喷喷出，形成成振动水冲冲作用。振振冲法的工工作过程是是用吊车或或卷扬机把把振冲器就就位后[见图(9-155)中第一一步骤]，打开喷喷水口，开开动振冲器器，在振冲冲作用下使使振冲器沉沉到需要加加固的深度度(图中第二二步骤)，然后边边往孔内回回填碎石，边边喷水振动动，使碎石石密实，逐逐渐上提，振振密全孔，孔孔内的填料料愈密，振振动消耗的的电量愈大大，常通过过观察电流流的变化，控控制振密的的质量，这这样就使孔孔内填料及及孔周围一一定范围内内土密实((图中第三三四步骤))。图9-15振振冲法施工工顺序图在砂土中和粘性性土中振冲冲法的加固固机理是不不同的。在在砂土中，振振冲器对土土施加重复复水平振动动和侧向挤挤压作用，使使土的结构构逐渐破坏坏，孔隙水水压力逐渐渐增大。由由于土的结结构破坏，土土粒便向低低势能位置置转移，土土体由松变变密。当孔孔隙水压力力增大到大大主应力值值时，土体体开始液化化。所以，振振冲对砂土土的作用主主要是振动动密实和振振动液化，随随后孔隙水水消散固结结。振动液液化与振动动加速度有有关，而振振动加速度度又随着离离振冲器的的距离增大大而衰减。因因此，把振振冲的影响响范围从振振冲器壁向向外，按加加速度的大大小划分为为液化区，过过渡区和压压密区。压压密区外无无加固效果果。一般来来说过渡区区和压密区区愈大，加加固效果愈愈好，因为液化化状态的土土不易密实实，液化区区过大反而而降低加密密的效果。根根据工程实实践的结果果，砂土加加固的效果果决定于土土的性质((砂土的密密度、颗粒粒的大小、形形状、级配配、比重、渗渗透性和上上覆压力等等)和振冲器器的性能((如偏心力力、振动频频率、振幅幅和振动历历时)。土的平平均有效粒粒径=0..2～2mm时加加密的效果果较好；颗颗粒较细易易产生宽广广的液化区区，振冲加加固的效果果较差。所所以对于颗颗粒较细的的砂土地基基，需在振振冲孔中添添加碎石形形成碎石桩桩，才能获获得较好的的加密效果果。颗粒较较粗的中、粗粗砂土可不不必加料，也也可以得到到较好的加加密效果。在粘性土中，振振动不能使使粘性土液液化，除了了部分非饱饱和土或粘粘粒土含量量较少的粘粘性土在振振动挤压作作用下可能能压密外，对对于饱和粘粘性土，特特别是饱和和软土，振振动挤压不不可能使土土密实的，甚甚至扰动了了土的结构构，引起土土中孔隙水水压力的升升高，降低低有效应力力，使土的的强度降低低。所以振振冲法在粘粘性土中的的作用主要要是振冲制制成碎石柱柱，置换软软弱土层，碎碎石桩与周周围土组成成复合地基基。在复合合地基中，碎碎石桩的变变形模量远远较粘性土土的大，因因而使应力力集中于碎碎石桩，相相应减少软软弱土中的的附加应力力，从而改改善地基承承载能力和和变形特性性。但在软软弱土中形形成复合地地基是有条条件的，即即在振冲器器制成碎石石桩的过程程中，桩周周土必须具具有一定的的强度，以以便抵抗振振冲器对土土产生的振振动挤压力力和尔后在在荷载作用用下支撑碎碎石桩的侧侧向挤压作作用。若地地基土的强强度太低，不不能承受振振冲过程的的挤压力和和支撑碎石石桩的侧向向挤压，复复合地基的的作用就不不可能形成成了。由此此可见，被被加固土的的抗剪强度度是影响加加固效果的的关键。工工程实践证证明，具有有一定的抗抗剪强度((>20kkPa)的的地基土采采用碎石桩桩处理地基基的效果较较好，反之之，处理效效果就不显显著，甚至不能能采用。许许多人认为为：当地基基土的不固固结不排水水抗剪强度度<20kkPa时，采采用振冲碎碎石桩应该该慎重对待待。实践证证明振动挤挤压可能引引起饱和软软土强度的的衰减，但但经过一段段间歇期后后，土的抗抗剪强度是是可以恢复复的。所以以，在比较较软弱的土土层中，如如能振冲制制成碎石桩桩，应间歇歇一段时间间，待强度度恢复后，才才能施加上上部荷载。总之振冲法的机机理，在砂砂土中主要要是振动挤挤密和振动动液化作用用，在粘性性土中主要要是振冲置置换作用，置置换的桩体体与土组成成复合地基基。近年来来振冲法已已广泛应用用处理各类类地基土，但但是主要应应用于处理理砂土、湿湿陷性黄土土及部分非非饱和粘性性土，提高高这些土的的地基承载载力和抗液液化性能，也也应用于处处理不排水水剪强度稍稍高(>20kkPa)的的饱和粘性性土和粉土土，改善这这类土的地地基承载力力和变形特特性。9.5.2设设计和计算算原理利用振冲法和挤挤密法处理理地基的设设计理论和和方法目前前尚不完善善，主要依依靠工程实实践的经验验进行综合合分析，在在工程实践践的基础上上提出了一一些半经验验方法。由由于在砂土土和粘性土土中挤密和和振冲的加加固机理不不同，兹分分别讨论如如下：9.5.2.11砂土地地基中的设设计在砂土地基中，主主要是从挤挤密的角度度出发来考考虑地基加加固的设计计问题。首首先根据工工程对地基基加固的要要求(如提高地地基承载力力，减少沉沉降，抗地地震液化等等)，按土力力学的基本本理论，计计算出加固固后要求达达到的密度度和孔隙比比，并考虑虑建筑基础础的形状，合合理布置桩桩柱(单独基础础按正方形形布置，大大面积基础础按梅花形形布置)。如果要要把砂土从从初始孔隙隙比，加固固后达到孔孔隙比为，并并假设挤密密法和振冲冲法只产生生侧向挤密密，那么振振冲碎石桩桩(或挤密砂砂桩)的间距可按按下式确定定，对于正正方形布置置（9--29）对于梅花形布置置则为（9-330）式中—砂桩的直径；—地基处理前和处处理后要求求达到的孔孔隙比；和—砂土最大和最小小孔隙比，并并按现行规规定确定；；—挤密后要求达到到的相对密密实度，可可以取0..7～0.855。关于估算加固后后达到的承承载力标准准值，可通通过现场标标准贯入试试验锤击数数(修正后的的值)，按《建建筑地基基基础设计规规范》求得得。按照《建建筑地基处处理技术规规范》，用用现场载荷荷试验确定定地基承载载力标准值值。关于加固深度问问题，若是是为了提高高承载力和和减少沉降降，加固的的深度不需需太深，一一般不超过过8m，因为为砂土的强强度随深度度增大很快快，沉降的的影响深度度也不大。若若为了抗地地震液化，可可按现行抗抗震规范确确定，也可可以用标准准贯入试验验的一些经经验公式估估算加固深深度。9.5.2.22粘性土土地基中的的设计要点点对于粘性土地基基，利用振振动碎石桩桩加固后，复复合地基的的承载力和和变形特性性一方面决决定于被加加固土的特特性，另一一方面决定定于置换率率的大小，置置换率用截截面积比表表示，即（99-31）式中为置换率；；为碎石桩桩置换软土土的截面积积；为被加加固范围内内的土所占占的截面积积；被加固固的面积。在在荷载作用用下，应力力分别由桩桩体和土来来承担，常常用桩土应应力比表示示，即（9-322）式中：为桩体承承担的部分分竖向荷载载；为桩周周土承担的的部分荷载载。的大小小随荷载水水平而变化化。当荷载载到达极限限荷载时，根根据复合地地基的静力力平衡原理理，复合地地基的极限限竖向承载载力可按面面积加权计计算：即(9--33)(9--34)式中—复合地基基的极限竖竖向承载力力；—桩体体单位面积积极限承载载力；—桩间间土极限承承载力。令；。为天然地基不固固结不排水水剪切强度度，和分别为碎碎石桩和桩桩周土的承承载力系数数，则复合合地基的承承载力系数数为：（9--35）从式(9-355)可以看看出，加固固后复合地地基的承载载力决定于于置换率的的大小及承承载力系数数和。复合地基的设计计首先根据据地基加固固的要求，选选择一个合合理的置换换率刚。由由置换率的的大小确定定碎石桩的的桩径和间间距。实际际工程中常常用的置换换率约=110～20％，碎碎石桩的直直径约为00.6～lm，间距距约1.55～3m。对于于大面积加加固，桩宜宜采用梅花花形布置，对对于条形基基础和单独独基础采用用正方形布布置，桩的的长度按建建筑物对地地基的要求求确定，一一般尽可能能打入坚实实土层，如如软土层太太厚，桩长长最深也不不超过155m，但一一般打至88m深度以以后，再增增加深度，对对于提高承承载力的效效果逐渐不不显著，只只是减少沉沉降量而已已。复合地基的各项项尺寸确定定后，必须须进一步验验算复合地地基承载力力及沉降是是否能满足足所设计建建筑物的要要求。根据据我国工程程实践的经经验，利用用修正的JJ.布朗斯斯(Brauuns，19800)公式可可以得到较较接近于实实际的结果果。布朗斯斯假设：(1)极极限平衡区区位于桩顶顶附近，滑滑动面成漏漏斗形，桩桩的破坏深深度；(2))，(3))地基土和和桩体的自自重忽略不不计。其中中为碎石桩桩的半径，，为碎石桩的抗剪角(≈30～40°)，其余符号见图8-16。在这些前提下，他导出了碎石桩单桩竖向极限承载力公式：（9-336）或（9-337）式中—滑动面与与水平面的的夹角，按按照下式用用计算法求求得：即（9--38）图9-16BBraunns的计算算图式式（9-36）是是不考虑存存在群桩影影响的承载载力计算式式，这种情情况的承载载力系数记记为。实际际上的碎石石桩都存在在群桩的影影响。若考考虑四周都都在群桩的的影响的情情况（即满满堂桩情况况），也可可导得碎石石桩的单桩桩竖向极限限承载力公公式：或式中为四周有群群桩影响的的单桩承载载力系数；；，一般情情况，当允允许变形比比较小时，=2，否则取高值。和是两种极端情况下的承载力系数，实际的群桩都处于这两种情况之间，因此碎石桩的承载力系数可以根据每根桩的边界条件，分别属于和的情况按比例分配求得，即(99-40))式中：为总边界界数，对于于正方形布布置每根桩桩有4个边界，梅梅花形布置置则有6个边界，总总边界数为为桩数乘边边界数。和和分别为属属于和情况的边边界数。如如图9-117中，=6×4=244，=10，=14，故故：那么，碎石桩与与桩间土组组成的复合合地基极限限承载力可可按（9--33）式式求得。复复合地基承承载力标准准值可把极极限承载力力除以安全全系数2~~3求得。图9-17六桩桩布置图由于影响振冲碎碎石桩的承承载力的因因素比较复复杂，往往往不易准确确计算。要要获得比较较可靠的碎碎石桩复合合地基承载载力标准值值，请参阅阅《建筑地地基处理技技术规范》按按复合地基基现场荷载载试验要点点通过试验验确定。根据我国工程实实践经验，在在无荷载试试验的情况况下，可参参考下式估估算碎石桩桩复合地基基承载力标标准值，即即（9-411）式中为桩间间土天然地地基的十字字板强度，复合地基的沉降降值可按下下式估算：：即（9-422）式中：—按天然然地基计算算的沉降量量；—复合地基估算沉沉降量；—折减系数：§9.6高高压喷射注注浆法和深深层搅拌法法高压喷射注浆法法和深层搅搅拌法是近近年来发展展起来的两两种地基处处理方法。两两者都可以以用多种化化学浆液注注入地基中中与地基土土拌和，组组成加固体体，达到加加固的目的的。由于这这些浆液中中有些带有有毒性，有有些价格昂昂贵，目前前工程上主主要采用水水泥系浆液液。所以本本节主要介介绍以水泥泥系浆液的的高压喷射射注浆法和和深层搅拌拌法。9.6.1高高压喷射注注浆法加固固原理高压喷射注浆法法是利用高高压喷射化化学浆液与与土混合固固化处理地地基的一种种方法。它它是将带有有特殊喷嘴嘴的注浆管管，置入预预定的深度度后，以220MPaa的高压喷喷射冲击破破坏土体，并并使浆液与与土混合，经经过凝结固固化形成加加固体。按按注浆的形形式分为旋旋喷注浆、定定喷注浆和和摆喷注浆浆三种类型型。旋喷注浆法的施施工程序如如图9-118所示。首首先用钻机机钻孔至设设计处理深深度，然后后用高压脉脉冲泵，通通过安装在在钻杆下端端的特殊喷喷射装置，向向四周土喷喷射化学浆浆液。在喷喷射化学浆浆液的同时时，钻杆以以一定的速速度旋转，并并逐渐往上上提升。高高压射流使使一定范围围内土体结结构遭受到到破坏并与与化学浆，液液强制混合合，胶结硬硬化后即在在地基中形形成比较均均匀的圆柱柱体，称为为旋喷桩。高压旋喷注浆法法的主要设设备是高压压脉冲泵((要求工作作压力在220MPaa以上)和带有特特殊喷嘴的的钻头。脉脉冲泵把旋旋喷时所需需要的浆液液，低压吸吸入，并借借助于喷嘴嘴高压排出出，使浆液液具有很大大的功能，以以达到破坏坏土体，搅搅拌浆液。装装在钻头侧侧面的喷嘴嘴是旋喷灌灌浆的关键键部件，一一般是由耐耐磨的钨合合金制成。高高压泵输出出的浆液通通过喷嘴后后具有很大大的功能，这这种高速喷喷流，能破破坏周围土土的结构。旋旋喷时的压压力、喷嘴嘴的形状和和喷嘴回旋旋的速度等等对所形成成的旋喷桩桩的质量影影响很大。常常用的喷嘴嘴形状如图图9-199，喷嘴出出口的直径径D取2mm左右右，圆锥角角约为13°，喷嘴的的直线段长长为=33～4D，而锥锥部长度视视钻头的尺尺寸而定。喷喷射压力一一般用200MPa，喷喷嘴的回转转速度约220转/分，这样样的组合效效果较好。由由于单一喷喷嘴的喷射射水流破坏坏土的有效效射程较短短，因而又又发展了二二重管和三三重管旋喷喷法，大大大提高了喷喷射能力和加固效效果。图9-18旋旋喷注浆法法施工程序序图①开始钻进；②钻钻进结束；；③高压旋喷喷开始；④喷嘴边旋旋转边提升升；⑤旋喷结束束图9-19喷喷嘴构造图图旋喷桩的浆液有有多种，一一般应根据据土质条件件和工程设设计的要求求来选择，同同时也要考考虑材料的的来源、价价格和对环环境的污染染等因素。目目前使用的的是以水泥泥浆液为主主，当土的的透水性较较大或地下下水流速较较大时，为为了防止浆浆液流失，常常在浆液中中加速凝剂剂，如三乙乙醇胺和氯氯化钙等。在在软弱土地地基中，所所形成的旋旋喷桩试样样的极限抗抗压强度可可达3.00～5.0MMPa。桩桩体的直径径随着地基基土的性质质及旋喷压压力的大小小而变化。在在软土中，如如压力为55～10MPPa，形成成旋喷桩的的直径约00.8m。高压喷射注浆法法—般适用于于标准贯入入试验击数数N<100的砂土和和N<5的粘粘性土，超超过上述限限度，则可可能影响成成桩的直径径，应慎重重考虑。这这种方法用用途广泛，作作为旋喷柱柱可以提高高地基的承承载力，作作为连续墙墙可以防渗渗止水，还还可应用于于深基础的的开挖，防防止基坑隆隆起，减轻轻支撑基坑坑的侧壁压压力，特别别是对于已已建建筑物物的事故处处理，有它它独到之处处。但对于于拟建建筑筑物基础，其其作用与灌灌注桩类似似，而强度度较差，造造价较贵，显显得逊色。如如能发展无无毒、廉价价的化学浆浆液，高压压喷射注浆浆法将会有有更好的前前途。9.6.2深深层搅拌法法加固作用用原理深层搅拌法系利利用水泥作作固结剂，通通过特制的的搅拌机械械，在地基基中将水泥泥和土体强强制拌和，使使软弱土硬硬结成整体体，形成具具有水稳性性和足够强强度的水泥泥(或石灰)土桩或地地下连续墙墙。深层搅搅拌法可以以在软土地地基中制成成柱状、壁壁状和块状状等不同形形式的加固固体，这些些加固体与与天然地基基组成复合合地基，共共同承担建建筑物的荷荷载。深层层搅拌法主主要的机具具是搅拌机机。如图99-20所所示，为一一双轴回转转式的深层层搅拌机，由由电机、搅搅拌轴、搅搅拌头和输输浆管等组组成。电机机带动搅拌拌头回转，输输浆管输入入水泥浆液液与周围土土拌和，形形成一个平平面8字形的水水泥土柱体体。施工顺顺序如图99-21所所示。这是是一种新的的地基处理理方法，主主要应用于于处理比较较软弱的土土层，不但但可以应用用于陆地，也也可以用来来处理水下下软土，既既可以用于于处理各类类建筑物地地基，又可可以用于加加固岸坡。但但必须指出出：如果被被加固土的的强度较高高，或土中中含树根、坚坚硬障碍物物，搅拌就就很困难。通过机械搅拌把把水泥土和和软土混合合形成水泥泥土是一种种物理化学学反应的过过程，它与与混凝土硬硬化的机理理不同，混混凝土硬化化是水泥在在粗骨料中中进行，而而水泥土硬硬化是水泥泥在具有活活性的粘土土介质中进进行，作用用缓慢而复复杂。水泥泥遇水后发发生水化和和水解作用用，生成氧氧化钙等多多种化合物物，其中钙钙离子与粘粘土矿物表表面吸附的的及离子进行行当量交换换，使粘土土颗粒形成成较大的土土团粒，同同时水泥水水化后生成成的胶体粒粒子，把土土团粒连接接起来形成成蜂窝状结结构。随着着水泥水化化的深入，溶溶液析出大大量Ca离子与与粘土矿物物中的二氧氧化硅和三三氧化二铝铝