《地基处理技术》换填垫层法、排水固结法、强夯法和强夯置换法.ppt

1、换填垫层法Chapter 3 Replacement and Cushion,3.1 概 述3.1 Introduction,当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填法，它多用于公路构筑物的地基处理。在建筑工程中也有一定范围的应用。,3.2 垫层的作用3.2 Functions of Cushion,（1）提高持力层的承载力； （2）减少沉降量； （3）加速软弱土层的排水固结

2、； （4）防止冻胀； （5）消除膨胀土的胀缩作用。,1 普洛特（Proctor）假说 当黏性土的含水量较小时，土粒表面的结合水膜很薄（主要是强结合水），颗粒间很大的分子力阻碍着土的压实，这时压实效果就比较差；当含水量增大时，结合水膜逐渐增厚，粒间联结力减弱，水起着润滑的作用，使土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好；但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，压实时，孔隙水不易排出，形成较大的孔隙压力，势必阻止土粒的靠拢，所以压实效果又趋下降，这就是土的压实机理。,3.3 土的压实原理3.3 Mechanism of Soil Compactness,2 控制压实效

3、果的主要因素 （1）最优含水量 在一定的压实机械的功能条件下，土最易于被压实、并能达到最大密实度时的含水量，称为最优含水量，相应的干密度称为最大干密度。最优含水量大致为塑限2。土中黏土矿物含量大，则最优含水量越大。 （2）压实功能 当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大。所以，在压实工程中，若土的含水量较小，则需选用夯实功能较大的机具，才能把土压实至最大干密度。,（3）压实条件 指压实时被压实土层的特点，所采用压实机械的功能和性能，压实的方法和方式等。室内击实试验的结果只能作为工程实践的参考。 （4）其他因素 土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果

4、是有影响的。颗粒越粗，就越能在低含水量时获得最大的干密度；颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就越宽广而平缓；对黏性土，其压实效果与其中的黏土矿物成分含量有关。,3.4 垫层设计(Design of Cushion),1 垫层的厚度的确定 垫层的厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求： 式中 pz 相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）； pcz垫层底面处土的自重压力值（kPa）； faz 垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。 垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。,垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算： 对条形基础 对矩

5、形基础 式中 b矩形基础或条形基础底面的宽度（m）； l 矩形基础底面的长度（m）； pk 相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）； pc基础底面处土的自重压力值（kPa）； z 基础底面下垫层的厚度（m）； 垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时，可按下表采用。,压力扩散角,2 垫层宽度的确定 垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定： 式中 b 垫层底面宽度（m）； 压力扩散角，按上表采用；当在z/b小于0.25时，仍按表中z/b 0.25 取值。 垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。,3 垫层材料的选用 （1）砂石。宜选用碎石、卵石、

6、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂时，应掺入不少于总重30的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。 （2）粉质黏土。土料中有机质含量不得超过5，当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。,（3）灰土。体积配合比宜为2：8或3:7。土料宜用粉质黏土，不宜使用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜得消石灰，其颗粒不得大于5mm。 （4）粉煤灰。可用于道路、堆场和小型建筑物、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。,（5）矿渣。主要用于堆场、道路和

7、地坪，也可用于小型建筑物、构筑物地基。选用矿渣的松散重度不小于11kN/m3，有机质及含泥总量不超过5。 （6）其他工业废渣。在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。 （7） 土工合成材料。由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。,3.5 粉煤灰垫层(Flyash Cushion),粉煤灰垫层适用于厂房、机场、公路和堆场等工程大面积填筑。 粉煤灰的工程特性 （1）自重轻。松散重度67kN/m3，击实后干重度9.213.5 7kN/m3。 （2）击实性能好。粉煤灰的最优含水量变动幅度是4，大于土的2的变动幅度。 （3）抗

8、剪强度。粉煤灰的抗剪强度指标与粉煤灰的灰种、剪切方法、压实系数大小和龄期长短有关。当压实系数为0.90.95时,黏聚力530kPa,内摩擦角2330度。,（4）压缩性。当压实系数为0.90.95时,压缩模量为820MPa。 （5）承载能力。对压实系数为0.90.95的浸水垫层,其承载力可采用120200kPa。 （6）渗透性。粉煤灰颗粒组成近似砂质粉土，渗透系数在104105cm/s之间变化。 （7） 抗液化性。粉煤灰经压实后不会发生液化。,3.6 垫层施工方法3.6 Construction of Cushion,1 按密实方法分类，有机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。应根据不同的换填材料

9、选择施工机械。 2 垫层的施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200300mm。 3 为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度，一般平碾为2km/h; 羊足碾为3km/h;振动碾为2km/h;振动压实机为0.5km/h。,3.7 质量检验3.7 Quality Verification Test,1 对粉质黏土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法、贯入仪法、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验；对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探试验。 2 垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。,3 采用环刀法

10、检验垫层的施工质量时，取样点应位于每层厚度的2/3处。检验点数量，对大基坑每50100m2不应少于1个检验点；对基槽每1020m不应少于1个点；每个独立柱基不应少于1个点。 4 竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点。,思考题(Problems),（1）什么是换填垫层法？ （2）换填垫层具有什么作用？ （3）换填垫层设计包含哪些内容？ （4）垫层的施工方法有哪些？ （5）垫层施工完成后，如何进行质量检验？,第4章 排水固结法 Chapter 4 Consolidation,4.1 概 述,排水固结法（Consolidation）是处理软黏土地基的有效方法之一。该法是对天

11、然地基，或先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，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，同时强度逐步提高的方法。,塑料排水板插板机,塑料排水板地基处理,真空预压地基处理,真空预压管网铺设,排水板真空预压处理剖面示意图,排水固结法可解决以下两个问题： （1）沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成，使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差。 （2）稳定问题。加速地基土的抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。 排水固结法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和黏性土地基。,排水固结法是由排水系统和加

12、压系统两部分共同组合而成。 （1）排水系统水平排水垫层和竖向排水体构成。竖向排水体可选用普通砂井、袋装砂井或塑料排水板。 （2）加压系统即是起固结作用的荷载，它使地基土的固结压力增加而产生固结。 工程上广泛使用且行之有效的增加固结压力的方法是堆载法，此外，还有真空法、降低地下水位法、电渗法和联合法。,排水固结法的设计，主要是根据上部结构荷载的大小、地基土的性质以及工期要求、确定竖向排水体的直径、间距、深度和排列方式；确定预压荷载的大小和预压时间，使通过预压，地基能满足建筑物对变形和稳定性的要求。,4.2 堆载预压法设计计算4.2 Design Procedure of Preloading,一

13、、堆载预压的计算步骤 因软黏土地基抗剪强度较低，无论直接建造建筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：,1 利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载p1，对饱和软黏土可采用下列公式估算： 2 计算第一级荷载下地基强度增长值。在p1荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为cu1： 3 计算p1 作用下达到所确定固结度所需要的时间。目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第

14、二级荷载开始施加的时间。,4 根据第二步所得到的地基强度cu1计算第二级所能施加的荷载p2。 p2可近似地按下式估算： 同样，求出在 p2 作用下地基固结度达70时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。,5 按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。 6 计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间。,二、超载预压 对沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应

15、力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。,4.3 砂井排水固结设计计算4.3 Design Procedure of Sand Drain,1925年，丹尼尔 . 莫兰将垂直砂井用于费城奥克兰海湾大桥公路软土地基的加固，1926年获得专利。 砂井法问世以后，因缺乏理论根据而按经验设计。19401942年，巴隆（Barron）根据太沙基的固结理论，提出砂井法的设计计算方法。我国从20世纪50年代起，开始应用砂井法。,砂井法主要适用于没有较大集中荷载的大面积荷重或堆土荷重工程，例如水库土坝、油罐、仓库、铁路路堤、贮矿场以及港口的水工

16、建筑物等工程。 一、砂井设计 砂井设计包括砂井直径、间距、深度、排列方式、范围、砂料选择和砂垫层厚度等。 （1）砂井直径和间距 主要取决于土的固结特性和施工期限的要求。“细而密”比“粗而稀”效果好。砂井直径一般为300400mm；袋装砂井直径为70120mm。,（2）砂井深度 主要根据土层的分布、地基中附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。一般为1025m。 （3）砂井排列 砂井在平面上可布置成正三角形（梅花形），以正三角形排列较为紧凑和有效。在实际进行固结计算时，由于多边形作为边界条件求解很困难，巴隆建议每个砂井的影响范围由多边形改为由面积与多边形面积相等的圆来求解。,正方形排

17、列时 de1.13l 正三角形排列时 de1.05l de为砂井的有效直径，l为砂井间距。 （4）砂井布置范围 砂井的布置范围一般可由基础的轮廓线向外增大约24m。 （5）砂料 宜选用中粗砂，其含泥量不能超过3。 （6）砂垫层 砂井顶部铺设砂垫层，可使砂井排水有良好的通道，将水排到工程场地以外。,二、沉降计算 地基土的总沉降一般包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降是在荷载作用下由于土的畸变所引起，并在荷载作用下立即发生的。固结沉降是由于孔隙水的排出而引起土体积减小所造成的，占总沉降的主要部分。次固结沉降则是由于超静水压力消散后，在恒值有效应力作用下土骨架的徐变所致。,4.4 施工

18、方法4.4 Construction Methods,要保证排水固结法的加固效果，从施工角度考虑，主要应重视以下三个环节：铺设水平垫层、设置竖向排水体和施加固结压力。 砂井成孔的典型方法有套管法、射水法、螺旋钻成孔法和爆破法。 袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法和振动贯入法五种。,塑料排水板施工工艺流程图,塑料排水板施工现场,真空管网铺设,真空系统第一层土工布铺设,土工布铺设,土工布缝接,真空系统双层密封土工膜的铺设,真空系统土工膜的密封,出膜连接与真空系统安装,出膜连接,出膜管与真空泵连接,试抽真空,4.5 质量检验4.5 Quality Verification T

19、est,排水固结法加固地基施工中经常进行的质量检验和检测项目有孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测、地基土物理力学指标检测等。 预压法竣工验收检验应符合下列规定： （1）排水竖井处理深度范围内和竖井底面以下受压土层，经预压所完成的竖向变形和平均固结度应满足设计要求。 （2）应对预压的地基土进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。必要时，尚应进行现场载荷试验，试验数量不应少于3点。,思考题(Problems),（1）排水固结法适用于处理何种地基土？ （2）排水固结法是如何提高地基土的强度和减小地基的沉降的？ （3）了解堆载预压设计计算的步骤。 （4）了解砂井排水固结的设计计算步骤。 （5）了解真

20、空预压设计计算的步骤。 （6）了解堆载预压、真空预压及真空堆载预压法的施工方法。 （7）排水固结法的现场监测与质量检验项目有哪些？,第5章 强夯法和强夯置换法Chapter 5 Dynamic Consolidation and Dynamic Consolidation with Replacement,5.1 概 述5.1 Introduction,强夯法是法国人L.梅纳（Menard，1969）首创的一种地基加固方法，即用100400kN的重锤从840m的高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。 强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地

21、基。,夯 锤 起 吊,夯 锤 起 吊,15吨夯锤,25吨夯锤,40吨夯锤,夯 锤 下落,对于饱和黏性土地基，近年来发展了强夯置换法，这是利用夯击能将碎石、矿渣等材料强力挤入地基，在地基中形成碎石墩，并与墩间土形成碎石墩复合地基，提高地基承载力和减小沉降。 强夯置换法适用于高饱和度的粉土与软塑流塑的黏性土等地基上对变形要求不严的工程。 强夯置换法在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。,5.2 加固机理5.2 Mechanism,经强夯处理后地基的承载力可提高25倍，压缩性可降低200500，影响深度达到10m以上。 强夯法加固地基的机理，目前尚不完全清楚。一般认为强夯加固地基主要是由于

22、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。,一般认为，强夯的结果导致在地基中沿深度通常形成性质不同的三个作用区。在地基表层受到界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。,5.3 设 计5.3 Design,一、强夯法 1 有效加固深度 Menard曾提出用下列公式估算有效加固深度 式中 H有效加固深度（m）； M夯锤质量（kN）； h落距（m）； 由上式估算的有效加固深度较实测值大,可采用 0.340.8的修正系数进行

23、修正。,影响有效加固深度的因素除夯锤重和落距外，还有单击夯击能、夯击次数、锤底单位压力、地基土的性质、不同土层的厚度、埋藏顺序和地下水位等。 对于同一类土，采用不同能量夯击时，其修正系数并不相同，采用确定的修正系数，并不能得到满意的结果。因此建筑地基处理技术规范JGJ 792002不采用修正后的梅纳公式，而是采用了表格形式，建议了有效加固深度的取值范围。,2 单击夯击能 夯锤的平面一般有圆形和方形，又分气孔式和封闭式。锤底面积宜按土的性质确定，对砂性土一般为34m2，对黏性土不宜小于6m2。锤底静接地压力可取2540kPa。 锤重一般为100400kN，落距为825m。对相同的夯击能量，常选用

24、大落距方案，这样能获得较大的接地速度，将能量的 大部分有效地传到地下深处，增加深层夯实 效果，减小消耗在地表土层塑性变形的能量。,3 最佳夯击能 可根据最大孔隙水压力增量与夯击次数关系来确定最佳夯击能。 夯点的夯击次数，可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件： （1）最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000kN m时为50mm； 当单击夯击能为40006000kN m时为100mm； 当单击夯击能大于6000kNm时为200mm。,（2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起； （3）不因夯坑过深而发生提锤困难。 4 夯击遍数 夯击遍数应根据地基土的

25、性质确定，可采用点夯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。最后再以低能量满夯两遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。,5 间歇时间 两遍夯击之间的间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。当缺少实测资料时，可根据地基土的渗透性确定，对于渗透性较差的黏性土地基，间隔时间不应少于34周；对于渗透性好的地基可连续夯击。 6 夯击点布置 夯击点一般采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.53.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间。以后各遍夯击点间距可适当减小。,7 处理范围 强夯处理范围应大于建（构）筑物基础范围，每边超出基础外缘的

26、宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3m。 8 承载力确定 强夯地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定,初步设计时也可根据夯后原位测试和土工试验指标按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定确定。,二、强夯置换法 1 处理深度 强夯置换墩的深度由土质条件决定，除厚层饱和粉土外，应穿透软土层，到达较硬土层上。深度不宜超过7m。 强夯置换锤底静接地压力可取100200kPa。 2 墩体材料 墩体材料可采用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30。,3 夯击次数 夯点的夯击次数应通过现场试夯确定，且应同时满

27、足下列条件： （1）墩底穿透软弱土层，且达到设计墩长； （2）累计夯沉量为设计墩长的1.52.0倍； （3）最后两击的平均夯沉量不大于5.4.1节 强夯法第3条最佳夯击能中的规定。,4 墩位布置 宜采用等边三角形或正方形。对独立基础或条形基础可根据基础形状与宽度相应布置。 墩间距应根据荷载大小和原土的承载力确定，当满堂布置时可取夯锤直径的23倍。对独立基础或条形基础可取夯锤直径的1.52.0倍。墩的计算直径可取夯锤直径的1.11.2倍。,5 处理范围 处理范围应大于基础范围。每边超出基础外缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2至2/3，并不宜小于3m。 6 承载力确定 确定软黏性土中强夯置换墩地基承载力特征值时，可只考虑墩体，不考虑墩间土的作用，其承载力应通过现场单墩载荷试验确定，对饱 和粉土