第四部分 地基处理.ppt

1、第四部分 地基处理 Ground improvement,第一节 概述,浅基础,当承载力,沉降,液化,冻胀不满足设计要求 (1) 采用深基础,桩基础 (2) 处理地基土,改善土性,一 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？,淤泥土与淤泥质土muck,

2、mucky soil 泥炭,泥炭质土Peat 填土,回填土Fill, backfill 松砂Loose sand 区域性特殊土Regional soil,地基处理的对象,2 软土和特殊土地基,2.1淤泥土与淤泥质土muck, mucky soil (1)定义 淤泥土孔隙比 e 1.5, L (IL1.0) 淤泥质土孔隙比 e = 1.01.5, L (IL1.0) (2)土性 *高含水量 =4090% even 100% *高压缩性 a 0.53.0MPa-1 *高流变性 : 次固结量随时间增加 *低强度 Cu 30 kPa vane shear test *低渗透性 10-6 10-8cm/

3、s, 固结过程长,a 0.5 MPa-1 Cu 30 kPa,地基处理的对象,2.2泥炭,泥炭质土 Peat 定义: 泥炭e1.5, L (IL1.0) 有机含量 30%(北京) 泥炭质土 e=1.01.5,l (Il1.0)有机含量10-30% 土性 *高含水量 *高压缩性, 快, 不均匀 * 高流变性 *低强度 Cu 30 kPa *低渗透性,地基处理的对象,2.3 填土,回填土Fill, backfill,杂填土Miscellaneous fill :建筑垃圾，卫生填埋，不均匀，不稳定 冲填土Hydraulic fill :细 欠固结,素填土Plain fill, 砾石，砂，粉土，粘性土

4、 2.4松砂Loose sand Dr 0.85 易液化，振陷,新加坡人工填海,地基处理的对象,2.5 区域性土Regional soil,湿陷性黄土Collapsible loess (silt): 广泛分布，大孔隙，高结构强度,200kPa,s=(hd-hw)/h00.015,s=(ed-ew)/(1+e0),荷载板试验 200kPa, 荷载不变 注水沉降/b=0.023,膨胀土Expansive soil 蒙特石含量高 冻土 Frozen soil, 冻胀性,地基处理的对象,黄土高原上的湿陷性黄土,杰出的黄土学家-刘东升,3 地基处理方法分类,1 置换法 Soil replacement

5、 2 加密法 Densification 3 胶结法Cementation 4 加筋法Soil reinforcement,原则：技术经济,哪些土需要处理？,淤泥土与淤泥质土 泥炭,泥炭质土 填土,回填土 松砂 区域性特殊土,地基处理的对象,目的是什么？ 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 4 改善抗震性能,地基处理方法,1 置换法 Soil replacement 2 加密法 Densification 3 胶结法Cementation 4 加筋法Soil reinforcement,原则：技术经济,地基处理方法,第二节 置换法 Soil

6、 replacement,一 垫层置换法,二 土桩置换法 1 散体材料桩 2 胶结掺和料桩,置换法,4.3 垫层置换法,1 材料 块石,抛石挤淤 砾,中粗砂, 压实,防冻,防液化,加速固结 灰土:石灰:粉土(粉质粘土)为2:8,3:7, 三合土:灰土,灰渣及碎砖瓦 工业废渣:粉煤灰,矿渣 素土:Ip=1017,湿陷性黄土换除,分层压实 加筋土,垫层置换法,2 垫层法的适用性 软粘土和淤泥 湿陷性土 填土,一般粘性土(承载力低) 3 垫层设计 人工持力层, 软弱下卧层控制 (1)垫层承载力 确定基础宽度 垫层宽度 (2)垫层厚度设计 一般要求0.5m垫层的扩散和技术的要求 3.0m工程量,经济性

7、,垫层置换法,z + cz f ( z + d ) B b+2 z tg + 2 30cm 便于压实机械施工 B b + z = 0 2.0,垫层置换法,B,垫层置换法小结,可以就地取材 人工持力层 要进行软弱下卧层承载力验算 垫层厚度有限制,垫层置换法,二 土桩置换法,1 散体材料桩 砂石桩，石灰桩 2 胶结掺和料桩 水泥粉煤灰碎石桩 水泥土桩 高压喷射注浆桩,土桩置换法,复合地基组成 天然地基土 土质桩或胶结掺料桩 砂石垫层 基础,土桩置换法,(一) 复合地基概念Composite ground,在软土内造孔回填土石料或掺和料，形成刚度比四周软土大的土质桩，与桩周土一起共同承受建筑物荷载。

8、这种地基称为复合地基,布置方式： 梅花形 正方形,土桩置换法,(二) 复合地基设计,1 适用土性 适用：软弱粘性土， 非饱和黄土和人工填土 布置：梅花形和正方形 处理深度：穿越软土层达到良好土层。如果没有穿透软土层，要求控制变形量。,土桩置换法,2 平面布置和设计参数 (等价成圆)有效直径de 梅花形： de = 1.05 Sa 正方形： de = 1.13 Sa,面积置换率 m (d0 / de)2,Sa 桩中心距,土桩置换法,3 复合地基的承载力,1) 现场载荷试验 取包含桩土的代表单元直接测定 桩土分开的载荷试验 采用公式 fspk=mfpk+(1-m)fsk fspk 复合地基承载力特

9、征值 kPa fpk 桩体承载力特征值 fsk 桩间土承载力特征值 m 面积置换率 =Ap/A,包含桩土的载荷试验,土桩置换法,2) 无载荷试验资料(小型工程) fspk=1+m (1-n)fsk 桩土应力比 n= p / s 与土性有关,随荷载变化 对于碎石桩n=24 m 面积置换率 =Ap/A 复合地基承载力特征值,土桩置换法,包含桩土的地基,4 复合地基的变形验算,变形计算方法与多层地基相同 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，MPa 为成桩对周围土的挤密效应系数，砂石桩取1.0,石灰桩取1.11.3,土桩置换法,(三) 胶结掺料桩复合地基

10、设计,1 适用土性 常用材料：水泥粉煤灰砂石桩CFG，水泥土桩，高压喷射注浆桩 CFG桩适用于粘性土、粉土、砂土和自重固结完成的人工填土 水泥土桩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(静水位) 高压喷射注浆桩适用于土类与与水泥土桩类似,土桩置换法,深层搅拌法,深层搅拌法施工工艺流程,土桩置换法,深层搅拌桩载荷试验前后,土桩置换法,高压喷射注浆法,高压旋喷 单管:浆液 双管:内浆外气 三管:气, 水, 浆 适用于:人工填土;黄土及一般粘性土;软粘土;砂石,土桩置换法,土桩置换法,旋喷桩施工顺序,振动打桩机,硬化剂(浆液),高压水 压缩空气,高压水 压缩空气 硬

11、化剂(浆液),土桩置换法,置换法 Soil replacement,一 垫层置换法 软弱下卧层控制 垫层厚度确定 0.5-3.0 m,二 土桩置换法 复合地基承载力 fspk = 1+m (1-n) fsk 变形计算 Esp=1+m (1-n)Es,置换法小节,砂土,粘性土在标准压实功下达到最密时的含水量称为最优含水量，对应的干密度称为最大干密度,砂土：不存在最优含水量；完全风干和饱和两种状态易于击实；潮湿状态不易击实,第三节 加密法 Densification,目的：降低压缩性，提高强度,饱和曲线,粘性土,d,d,第三节 加密法 Densification,一 机械压密法 1 静重压密 2

12、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,三 强夯法 四 预压固结,加密法,1 静重碾压Compaction by rolling,一 机械压密,平滑鼓型振动碾 Vibrocompaction for sand,加密法,2 冲击荷重压密 夯板压密法：适用于填土、松砂荷湿陷性黄土 影响深度：1.52.5m,一 机械压密,加密法,2 强夯法,锤重：825t，最大200t 落距：825m 有效深度：510m 承载力：180250kPa,1969年，法国1978年，中国,强夯设备：夯锤，起重机，脱钩装置,加固机理：动态能量, 波的传播和

13、密实固结,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,优 缺 点：经济；噪音,加密法,振动平板碾级配砂或者砂、砾和粘性土的混合土 Vibrating plate for hand operation,3 振动板压密,加密法,二 深层挤密法,(一)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,松砂,湿陷性黄土,一般粘性土Sr60%. 饱和度较高的粘性土不宜。,加密法-深层挤密法,进料口,加密法-深层挤密法,砂桩,H,hs1,e1hs1,H,hs2,e2hs2

14、,加密法,加密法-砂桩,已知t,d 求e2，或者已知e2,d 求 t,孔隙比 总断面积 高度 固相比例 固相体积 e1 H 1/(1+ e1) Vs1=A1H/ (1+ e1) E2 H 1/(1+ e2) Vs1=A2H/ (1+ e2),加密法-砂桩,振冲桩 (起源于德国,我国于70年代引入) (1)设备,振冲器d=270420mm,l=23m, G=820 kN (2)原理:振:偏心轮旋转,振动加密,使颗粒移动 冲:高压水从中间穿过,土颗粒振浮液化固结,(二) 振冲桩,加密法-深层挤密法,(3)填料 粗颗粒(粘细粒少);级配好;最大颗粒50mm,010 最好 1020 2030 3050

15、 差 50 不宜,(4)适用于松砂,素填土,杂填土和一般粘性土,不适用于淤泥和淤泥质土,加密法-深层挤密法,振冲桩加密法,例辽宁省湿陷性黄土，灰土桩,(1) t = 90 cm, d = 40 cm 加密前e1 = 0.96, d = 1.379 加密后e2 = 0.61, d = 1.679 (15点平均),(2) 承载力，原状土 f0k = 132 kPa 桩土应力比 n = p / s = 3.48, 置换率 m=0.179, 载荷试验得到 fk=228kPa, s=158kPa, p =550kPa; s/d=0.008. 公式计算： fk=1+m(n-1) f0k=191kPa,加密

16、法-实例,三 预压固结法,(1)堆载预压 (2)降水预压 提高有效应力wellpoint system (3)真空预压 密封层,加密法,1 置换法 2 加密法 3 胶结法 4 加筋法,机械压密法 深层挤密法 强夯法 预压固结,(一)堆载预压,p kPa,变形,e,z,e1,s,加密法,1 预压原理，原位自重应力s，建筑物附加应力z, 预加压力t=(1.21.5) z,强度,适用于饱和软粘土(1)淤泥及淤泥质土(2)冲填土(3)填海(湖)造田。,加密法,2 预压历时和加速排水方法,例单向渗流固结 a=0.5 MPa-1 k=510-7cm/s e0=1.0， 10 m厚 U=94% t=1.6年

17、 这显然不合适 因此需要采用： 砂井固结：加快固结速度，增加水平向渗流,不透水层,加密法,砂井预压固结,加密法,新加坡人工填海Depositing sand 吹砂,砂井预压固结,3 塑料排水板,砂井缺点: (1) 砂量 (2)易断 (3)造价高 近年更多使用塑料排水板，等效直径,砂井预压固结,Area Installed with Vertical Drains 塑料排水板区,砂井预压固结,Application of Surcharge 加载 过快会失稳,砂井预压固结,砂井预压固结度计算微分方程轴对称,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,砂井预压固结,2 微分

18、方程的解,按各自的边界条件分别求解，积分后得到，假设,n为井径比=de/dw,砂井预压固结,De有效直径1.05Sa(三角形), 1.13Sa (正方形),上例中dW = 25cm, D = 2.5 m，U = 94% 只需要20天 思考题： 增加井径dW,减少间距de哪个有效？,砂井预压固结,(二) 降水预固结 基坑,设计坑底,坑底降水深度,D,坑底降水线,降水预压固结,z,降水预压固结,真空预压,-u,真空预压固结,思考题,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成地基破坏？,预压固结,预压固结的加载速率,快加载不排水破坏 分级慢排水达到密实固结,预压固结,

19、加密法小节,浅层：碾压、 深层：预制混凝土桩，沉管，振冲等 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地基，挤密后的承载力计算 砂井排水预压固结计算,第四节 胶结法,一 灌浆 1 水泥和粘土浆 可灌物净空比 R=Dpore/d=23; Dpore、 d为被灌材料的孔隙尺寸和灌浆材料的粒径，防止堵塞 可灌比 N=D15/d851015, 85%的灌浆材料充填 适用于砾石,粗砂，用以防渗，灌注桩加固,胶结法,单液硅化法和碱液法 硅酸钠，氢氧化钠氯化钙 3 化学灌浆丙烯酰胺，聚氨酯 真溶液易灌， 凝固时间和强度可控， 污染， 造价高,化学灌浆,粘土灌浆,击实灌浆,胶结法,已有桩或墩的持力层加固,已有结构地基加固,提高水平抵抗力,抵抗上浮,结构,沉井,持力层,胶结法,第五节 加筋法,(一)土工合成材料技术发展 (二)土工合成材料功能 防渗， 不透水膜 反滤，防冲 防止渗透破坏，水土流失 (护坡) 加筋:格栅,土工布,条带,纤维加筋 隔离 排水,塑料排水板,如清华草地,加筋法,防渗， 不透水膜， 三峡二期围堰的防渗墙上部采用土工膜, 固体废物填埋场,三峡二期围堰,加筋法,排水沟,表土覆盖层,表面隔断层,基础隔断层,地基基础,垃圾渗水,和地下水的距离,渗水导管,气体导管,竖井,地质屏障,经处理的地质屏障,地下水,气体收集,渗水收