第六章-地基处理.ppt

1、第六章地基处理,6.1概述6.2换土垫层法6.3排水固结法6.4水泥土搅拌法6.5高压喷射注浆法6.6强夯法与强夯置换法6.7振冲法6.8托换技术,2,概念也称地基加固，是人为改善土的工程性质或地基组成，使之适应工程需要而采取的措施，处理后称人工地基。,目的提高土的抗剪强度，使地基保持稳定;降低土的压缩性或改善地基组成;降低土的渗透性，防止或减少水的渗漏;改善土的动力性能，防止地基产生震陷变形;改善特殊土地基安定性，消除或减少湿陷变形。,一、软土地基的利用与处理,6.1概述,二、地基处理的土类特性,软土的特性是含水率高、孔隙比大、渗透系数小、压缩性高、抗剪强度低。软土地基承载力低，在外荷载作用

2、下，地基变形大，不均匀变形也大，且变形稳定历时较长，在比较深厚的软土层上，建筑物基础的沉降往往持续数年甚至数十年之久。软土地基是在工程实践中最需要人工处理的地基。,软土：淤泥及淤泥质土的总称为软土。,冲填土：在整治和疏浚江河航道时，用挖泥船或泥浆泵将夹大量水分的泥砂吹到江河两岸而形成的沉积土。冲填土的工程性质主要取决于颗粒组成、均匀性和排水固结条件，如以黏性土为主的冲填土往往是欠固结的，其强度较低且压缩性较高，一般需经过人工处理才能作为建筑物地基；如以砂性土或其它粗颗粒土所组成的冲填土，其性质基本上与砂性土相类似，可按砂性土考虑是否需要进行地基处理。,杂填土主要特性是强度低、压缩性高和均匀性差

3、，即使在同一建筑场地的不同位置，其地基承载力和压缩性也有较大差异。杂填土未经人工处理一般不宜作为持力层。,杂填土：由人类活动所形成的未经认真压密的堆积物，包括建筑垃圾、工业废弃物和生活垃圾等。,泥炭土主要特性是常处于饱和状态，含水量很高，密度很低压缩性很大，承载力很低，属于性质最差的土，一般不宜作为建筑物的地基。,泥炭土：有机质含量较高的土。,其它高压缩土:饱和松砂及部分粉土，在机械振动、地震等动力荷载的重复作用下，有可能会产生液化或震陷变形。另外，在基坑开挖时，也可能会产生流砂或管涌。因此，对于这类地基土，往往需要进行地基处理。,上述的软弱土外，另一类也经常需要处理的地基土是渗透系数很大，粒

4、径级配不连续，组成不均匀的碎石土。,特殊土地基：大部分带有地区性特点，包括湿陷性黄土、膨胀土和冻土等。,9,三、常用地基处理方法分类,置换法:包括开挖置换法和振冲置换法拌入法:高压喷射注浆、深层喷浆搅拌、深层喷粉搅拌排水固结法振密和挤密法:重锤夯实、强夯、振冲挤密及砂桩、土桩或灰土桩挤密法等灌浆法加筋法托换技术,10,6.2换土垫层法,定义当软弱地基土层承载力和变形不能满足要求，且层厚不很大时，可将基底下一定范围内的软弱土部分或全部挖去后分层换填并压实强度大、性能稳定、无侵蚀性的材料。分类：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层等。适用土层淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗

5、塘等的不良地基的浅层处理。,11,一、换土垫层法,垫层的主要作用：提高地基承载力；减少地基沉降量；加速排水固结；消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性；防止土的冻胀作用；改善土的抗液化性能。,12,二、垫层设计,垫层厚度的确定,垫层厚度z：根据垫层底面自重压力与附加压力之和小于或等于该处下卧土层的承载力要求确定，即,矩形基础：,条形基础：,0.5z3m,13,垫层底面尺寸b垫层底面宽度及长度b和l需满足应力扩散要求：,垫层底面尺寸确定,6.3排水固结法,排水固结法能解决软黏土地基的沉降和稳定问题。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

6、地基土的抗剪强度，提高地基的承载力和稳定性。,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。,排水固结法亦称预压法是对天然地基，或先在地基中设置砂井(袋装砂井或塑料排水带)等竖向排水体，然后分级逐渐加载；使土体加速固结。,一、原理与应用,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,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,地基土的排水固结效果与它的排水边界有关，根据固结理论，饱和黏性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比

7、。,2.排水固结原理加固地基的方法,预压方法堆载预压法真空预压法降低地下水位法,排水方法竖向排水体可用砂井、袋装砂井、塑料排水板等做成。水平排水体一般由地基表面的砂垫层组成。,二、地基固结度计算,1.瞬时加荷条件下地基固结度计算,固结度定义式,竖向排水平均固结度计算,径向固结度计算,总平均固结度计算,土层的平均固结度普遍表达式为：,2.逐渐加荷条件下地基固结度的计算,一级或多级等速加荷条件下地基平均固结度,式中时间地基的平均固结度；第级荷载的加载速率，kPa/d；与一级或多级等速加载历时相对应的累加荷载，kPa；，第级荷载加载的起始和终止时间（从零点起算），当计算第级荷载加载过程中某实际平均固

8、结度时，改为。,三、考虑井阻作用的固结度计算,瞬时加载条件下，考虑涂抹和井阻影响时，竖井地基径向排水平均固结度可按下式计算：,对砂井，其纵向通水量可按下式计算：,四、土体固结抗剪强度增减计算,23,排水过程中地基强度增长值的推算在预压荷载作用下，地基土在某一时刻t的抗剪强度为：地基中某点在加荷前的天然土抗剪强度；在加荷后t时刻地基土由固结引起的强度增量；考虑土体由于剪切蠕变的综合性折减系数。抗剪强度增长量常用有效固结压力法计算：预压荷载引起的该点附加竖向压力；该点土的固结度。,五、砂井堆载预压法设计计算,24,设计计算内容初步确定砂井布置方案；初步拟定加荷计划，即每级加载量及加载延续时间；计算

9、每级荷载作用下，地基的固结度、强度增长量；验算每一级荷载下地基土的抗滑稳定性；验算地基沉降量是否满足要求；若上述验算不满足要求，则需调整加荷计划。,25,砂井布置砂井直径和间距砂井深度与排列深度多为10-20m；按正方形或等边三角形布置。排水砂垫层和砂沟顶面应铺设排水砂垫层或砂沟，砂垫层厚宜40cm，平面上每边超出砂井区域的宽度一般应不小于2dw。,常采用“细而密”原则。,一般砂井直径：300400mm；间距：68倍井径。,袋装砂井直径：70120mm；间距：1530倍井径。,l,l,de,de,等边三角形排列,正方形排列,堆载预压基本要求堆载预压分类预压荷载的大小通常预压荷载与建筑物的基底压

10、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；预压荷载应小于极限荷载，以免地基发生滑动破坏；堆载的平面范围略大于建筑物基础外缘所包围的范围。加载的速率应分级加载，控制加载速率与地基土的强度增长相适应。,预压荷载计算(1)利用地基的天然抗剪强度估算第一级容许施加的荷载。用斯开普顿极限荷载半经验公式计算：,对于饱和软黏土可采用下式估算：,对于堤坝地基或长条形基础，可按Fellenius公式估算：,（2）估算加荷速率和预压固结时间。控制加荷速率48kPa/d，（3）计算第一级荷载下地基强度增长值。,（4）计算作用下达到所确定固结度需要的时间及加载开始时间。（5）根据第二步所得到的地基强度计

11、算第二级所施加的荷载。,稳定性分析由于地基土在预压荷载作用下可能失稳破坏，因此，预压加载过程中必须验算每级荷载下地基的稳定性。进行稳定分析时，通常假定地基的滑动面为圆筒面，可采用圆弧法（条分法）进行。,六、排水固结法施工简介与现场观测,施工施工顺序如下：铺设水平排水垫层；设置竖向排水体；埋设观测设备；实施预压；检查预压效果；若不满足设计要求，则更改设计至满足设计要求为止。,现场观测工程上通常应进行孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测等。,6.4水泥土搅拌法,水泥上搅拌法的概念水泥上搅拌法是适用于加固饱和黏性土和粉土等地基的一种方法，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，就

12、地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体件、水稳性和一定强度的水泥加固土水泥土，从而提高地基土强度和增大变模。根据固化剂掺入状态的不同，它可分为浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用浆液和地基土搅拌，后者是用粉体或石灰和地基土搅拌。,一、概述,适用条件水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量小于30（黄土含水量小于25%）、大于70或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小

13、于500mm。,水泥土搅拌法加固软土其独特优点,最大限度地利用了原土；搅拌时施工，对原有建筑物影响很小；根据地基土的不同性质和工程要求，可以合理选择固化剂的类型及其配方，设计灵活；搅拌时无振动、无污染、无噪音，可在市区内和密集建筑群中施工；加固后土体的重度基本不变，不会产生附加沉降；与钢筋混凝土桩基相比，降低成本的幅度较大；可根据上部结构的需要，灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。,水泥土的形成机理水泥的水解和水化反应；离子交换和团粒化作用；硬凝反应；碳酸化作用。,二、水泥土形成的机理及其性质,水泥土的力学性质,无侧限抗压强度水泥土的无侧限抗压强度在0.34.0MPa之间，比原状土提

14、高几十倍乃至几百倍。抗拉强度水泥土的抗拉强度随无侧限抗压强度的增长而提高。抗剪强度水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。,变形模量当垂直应力达到50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值称为水泥土的变形模量。水泥土的变形模量，水泥土破坏时的轴向应变，呈脆性破坏。水泥土的压缩系数和压缩模量水泥土的压缩系数为（2.03.5）10-5kPa-1，压缩模量MPa。水泥土的渗透系数水泥掺入比7%15%，水泥土的渗透系数可达到10-8cm/s的数量级，具有明显的抗渗、隔水作用。,影响水泥土的力学性质的因素,水泥掺入比水泥标号龄期含水量有机质含量外掺剂养护条件等,三、水泥土搅拌桩复合地基的设计计算,

15、固化剂和掺入比的确定固化剂宜选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量除块状加固时可用被加固湿土质量的7%12%外,其余宜为12%20%，湿法水泥浆水灰比可选用0.450.55。桩长和桩径的确定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。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。,单桩竖向承载力特征值的计算,竖向水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值的计算,加固后搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试

16、验确定，也可按下式计算：,式中：复合地基承载力特征值(kPa)；桩间天然地基土承载力特征值(kPa)；桩土面积置换率；桩间土承载力折减系数。当桩端为软土时取0.50.9；当桩端为硬土时，可取0.10.4。,下卧层地基强度验算,假想实体基础底面压力(kPa)；基础底面积(m2)；假想实体基础的自重(kN)；假想实体基础底面积(m2)；基础底面处的天然地基承载力特征值(kPa)；实体深基础外侧周边表面平均摩阻力(kPa)；假想实体基础侧表面积(m2)；假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力(kPa)。,褥垫层的设计竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层。褥垫层厚度可取200300mm。

17、其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。,复合地基的变形计算竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形,搅拌桩复合土层的压缩变形S1可按下式计算,桩群顶面的附加压力值(kPa）；桩群底面土的附加压力(kPa)；Esp搅拌桩复合土层的压缩模量(kPa)；Ep水泥土搅拌桩的压缩模量(kPa)；Es桩间土的压缩模量。,桩端下未加固土层的压缩变形桩端以下未加固土层的压缩变形可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）的有关规定进行计算。,布桩型式,水泥土桩的布置形式对加固效果很有影响，一般根据工程地质特点和上部结构

18、要求可采用柱状、壁状、格栅状、块状以及长短桩相结合等不同加固型式。,柱状,每隔一定距离打设一根水泥土桩，形成柱状加固型式，适用于单层工业厂房独立柱基础和多层房屋条形基础下的地基加固，它可充分发挥桩身强度与桩周侧阻力。壁状将相邻桩体部分重叠搭接成为壁状加固型式，适用于深基坑开挖时的边坡加固以及建筑物长高比大、刚度小、对不均匀沉降比较敏感的多层房屋条形基础下的地基加固。,格栅状,它是纵横两个方向的相邻桩体搭接而形成的加固型式。适用于对上部结构单位面积荷载大和对不均匀沉降要求控制严格的建（构）筑物的地基加固。长短桩相结合当地质条件复杂，同一建筑物坐落在两类不同性质的地基土上时，可用3m左右的短桩将相

19、邻长桩连成壁状或格栅状，藉以调整和减小不均匀沉降量。,四、水泥土搅拌桩的施工和质量检验,施工前准备施工步骤搅拌机械就位、调平；预搅下沉至设计加固深度；边喷浆（粉）、边搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；重复搅拌下沉至设计加固深度；根据设计要求，喷浆（粉）或仅搅拌提升直至预定的停浆（灰）面；关闭搅拌机械。,竣工质量检验浅部开挖；轻型动力触探；标准贯入试验；静力触探试验；载荷试验；钻芯取样。,51,一、基本原理与喷射浆的类型,定义用高压将气、水和水泥浆液，经沉入土层中的特制喷射管送到旋喷头，并从开口于旋喷头侧面的喷嘴高速喷射出来,形成能量高度集中的液流，直接冲击破坏土体，使土颗粒在冲击力、离心力和重力

20、共同作用下与浆液搅拌混合，经一定时间后凝固成强度甚高、渗透性较低的加固土体。,6.5高压喷射注浆法,52,高压喷射注浆分类按固化剂分浆喷法；干喷法。按喷浆的形式旋转喷射（旋喷）：圆柱状定向喷射（定喷）：板状摆动喷射（摆喷）：扇形墙状按工艺类型分单管法二重管法三重管法多重管法,53,高压喷射注浆特征适用范围广施工简便固结体形状可控可垂直、倾斜和水平喷射,高压喷射注浆适用范围适用：淤泥质土、黏土、粉土、黄土、砂土、人工填土、碎石土。慎用：含块石、坚硬黏土、大量植物根茎或过多有机质的土。不宜：岩溶区、永冻土、地下水活动区。,54,加固机理高压喷射流对土体的破坏作用水(浆)、气同轴喷射流对土的破坏作用

21、固结体状况水泥与土的固结机理,旋喷,定喷,固结体状况,二、喷射注浆的应用设计,应用利用加固体形成桩体、块体等与地基土共同作用，提高地基的承载力，改善地基的变形特性；也可用于加固边坡、基坑底部、深部地基，提高基底的强度和边坡的稳定性；利用旋喷、定喷和摆喷在地基土体中形成防渗帷幕，提高地基的抗渗防渗能力和防止渗漏等。此外，该法既可应用于拟建建筑物的地基加固，也可用于已建建筑物的地基加固和基础托换技术。,设计喷射注浆直径的估计；确定地基的承载力；沉降计算可采用常规分层总和法计算，参照建筑地基基础设计规范（GB500072011）有关规定进行；稳定性分析当喷射注浆法应用于加固岸坡和基坑底部时，可采用常

22、规的圆弧滑动法分析其稳定性；防渗帷幕设计以旋喷或定喷加固体作为防渗帷幕时，主要的任务是合理确定布孔的形式和间距并注意相互搭接连续。,三、高压喷射注浆的施工与质量检验,施工机具主要的施工机具有：高压发生装置（空气压缩机和高压泵等）和注浆喷射装置（钻机、钻杆、注浆管、泥浆泵、注浆输送管等）等两部分。,施工顺序如图6.14质量检验检验的的内容主要是抗压强度和渗透性。,图6.14注浆施工顺序1开始钻进；2钻进结束；3高压旋喷开始；4喷嘴边旋转边提升；5旋喷结束,59,一、强夯法的加固机理,定义：法国人Menard首创的地基加固法，亦称动力固结法：将80400kN重锤起吊到一定高度(830m)后自由下落

23、，强力夯实地基，以提高其强度、降低压缩性。适用性：可用于加固各种填土、湿陷性黄土、碎石、低饱和度的粘性土与粉土。,6.6强夯法与强夯置换法,加固机理动力密实；动力固结；动力置换。,二、强夯设计,有效加固深度,式中夯锤重量(kN)；落距(m)；系数，根据所处理地基土的性质而定，对软土可取0.5，对黄土可取0.340.5。,有效加固深度强夯锤质量可取1040t，单击夯击能为夯锤重与落距的乘积，一般为10008000kNm。夯锤重量确定后，根据要求的单击夯击能，就能确定夯锤的落距。国内通常采用的落距是825m。,夯击点布置与间距夯击点布置应根据基础的形式和加固要求而定，对大面积地基一般采用等边三角形

24、、等腰三角形或正方形；对条形基础夯击点可成行布置；对独立柱基础可按柱网设置采取单点或成组布置。夯击点间距(夯距)的确定，一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定，以保证使夯击能量传递到深处和邻近夯坑免遭破坏为基本原则。,单点夯击击数与夯击遍数单点夯击击数指单个夯点一次连续夯击的次数，强夯法夯点的单点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，且应同时满足：最后两击的平均夯沉量当单击夯击能小于4000kNm时为50mm，当单击夯击能为40006000kNm时为100mm，当单击夯击能大于6000kNm时为200mm；周围地面不应发生过大的隆起；不因夯坑过深而发生起锤困难。每夯击点之夯

25、击击数一般为310击。夯击遍数应根据地基土的性质确定，一般可取23遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。,垫层铺设垫层厚度一般为0.52.0m，铺设的垫层不能含有黏土。间歇时间两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于土中超静孔隙水压力的消散，待地基稳定后再夯下遍，一般两遍之间间隔14周。对渗透性较差的黏性土不少于34周；对于渗透性好的地基可连续夯击。,6.7振冲法,振冲法是利用一个振冲器，在高压水流的作用下边振边冲，使松砂地基变密；或在黏性土地基中成孔，在孔中填入碎石制成一根根的桩体，这样的桩体和原来的土构成复合地基。在砂土中和粘性土中振冲法的加固机理是不同的。在砂土中主要是振

26、冲密实作用；在黏性土中主要是振冲置换作用，置换的桩体与土组成复合地基。,一、振冲密实,振冲器在砂土中振冲对地基土施加水平向的振动和挤压，使土体由松散变为密实或者使孔隙压力升高而液化，其主要作用就是振动密实和振动液化。,作用原理,设计原理,振冲密实设计的目的与内容主要是根据设计工程对砂土地基的承载力、沉降和抗液化的要求，确定振冲后要求达到的密实度或孔隙比。然后按此要求估算振冲布置的形式、间距、深度和范围。最后通过试验检验是否满足设计的要求。,施工工序加料振冲密实施工一般可按如下工序进行：清理场地，布置振冲点；机具就位，振冲器对准护筒中心；启动水泵振冲器，水量可用200400L/min，水压控制在

27、400600kPa，下沉速度为12m/min；振动水冲下沉至预定深度后，将水压降低至孔口高程，保持一定的水流；投料振动，填料从护筒下沉至孔底，待振密实达到控制电流值（密实电流值）后，提0.30.5m；重复上述步骤，直至完孔，并记录各深度的电流和填料量；关闭振冲器和水泵。不加料的振冲密实施工方法与加料的大体相同，仅在振冲器下沉至预定深度后，不加料留振至砂土密实达到规定电流后，按0.30.5m逐步提升至完孔为止。,工程应用在工程上主要的应用有：处理多层建筑物的松砂地基，提高地基的承载力，减少沉降；处理堤坝可液化的细粉砂地基；处理其他类建筑物的可液化地基。,二、振冲置换,在黏性土地基中振冲加固地基的作用机理主要是通过振冲成孔，以碎石置换并振动密实，形成碎石桩体，与地基土共同作用，提高地基的承载力，改善其变形性质。,作用原理,设计原理,振冲置换设计的内容应包括：根据涉及场地地质土层的性质和工程要求来确定碎石桩的合理布置范围、直径的大小、间距、加固的深度和填料的规格等；验算或试验加固后地基的承载力、