土木工程专业基础工程第5章　地基处理.ppt

1、第五章地基处理,第一节 概述 一、软弱地基概念 地基处理（地基加固）：是人为改善岩土的工程性质或地基组成，使之适应基础工程需要而采取的措施。经过处理的地基一般称之为人工地基。 软弱地基：主要由淤泥、淤泥质土、杂填土、冲填土或其他高压缩性土层构成的地基。,（1）、软土：指天然孔隙比大于或等于1.0，天然含水量大于液限，并且具有灵敏结构性的细粒土。 包括：淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。 主要特点：含水率高、孔隙比大、渗透系数小、压缩性高、抗剪强度低。,（2）、杂填土：是由人类活动所形成的建筑垃圾、工业废弃物和生活垃圾等无规则堆填物。其主要特点是：强度低、压缩性高和均匀性差。 （3）、冲填土：是

2、在整治和疏通江河航道时，用挖泥船或泥浆泵把河水和港口底部的泥砂用水力冲填淤积形成的沉积土。 （4）、其它高压缩性土：主要是指湿陷性黄土、膨胀土、冻土和动力荷载作用下的可液化土层等。,地基处理的目的,地基处理的目的主要有： （1）提高土的抗剪强度，保证地基稳定； （2）降低土的压缩性，减少地基的沉降和不均 匀沉降； （3）降低土的渗透性或渗流的水力梯度，防止 或减少水的渗漏； （4）防止地震时地基土的振动液化； （5）消除或减少土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。,二、常用地基处理方法分类,按处理深度可分为：浅层处理和深层处理。 按其处理原理可分为：换土垫层法、排水固结法、密实法、化学加固法、加筋法等类

3、型。,第二节 换土垫层法,定义：将基础底面下一定深度范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰，或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并分层压（夯、振）实至要求的密实度的地基处理方法。 砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层等。 适用：淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等不良地基浅层处理。,一、垫层的主要作用,1、提高地基承载力 附加应力随着深度的增加逐渐减小，用强度较大的砂石等材料代替可能产生剪切破坏的软弱土承受上部较大的附加应力。 2、减少地基沉降量 一方面：以密实的砂石替换上部软弱土层，可以减少基础下浅层部分的

4、沉降量； 另一方面：砂石垫层对基底压力的扩散作用，相应地减少软弱下卧层的沉降量。,3、加速软弱土层的排水固结 透水材料做垫层，为基底下软土提供了良好的排水面。 4、防止地基土冻胀 垫层材料孔隙较大，不易产生毛细现象，可防止地基土冻胀。 （在各类工程中，垫层具体所起的主要作用不一定完全相同。）,二、垫层的设计,垫层设计的主要内容：确定垫层底面尺寸、垫层厚度。 1、垫层厚度的确定 上部荷载通过垫层按一定的扩散角传至软弱下卧土层时，软弱下卧土层顶面的自重压力与附加应力之和不大于该处软弱土层的地基承载力特征值。其表达式为 计算方法同“浅基础软弱下卧层承载力验算” 。,计算方法：一般先初拟垫层厚度，再用

5、上式进行复核。 垫层厚度一般不宜大于3m，太厚施工困难；也不宜小于0.5m，太薄则换土垫层的作用不显著。,2、砂垫层底面尺寸的确定 垫层底面尺寸确定，应从两方面考虑：一方面要满足应力扩散的要求；另一方面要防止基础受力时，因垫层两侧土质较软出现砂垫层向两侧土挤出。 垫层底面尺寸的计算，在实践中常常按经验方法确定。常用的经验方法是扩散角法。此时矩形基础的垫层底面的长度及宽度为： 垫层顶面每边最好比基础底面大300mm。,三、垫层的材料选择及质量控制,垫层材料可选用级配良好的含泥量不超过3%的中、粗、砾砂、石屑，有机质含量不超过5%的粘土（均质土），体积配合比为2:8或3:7的灰土，粉煤灰，矿渣等。

6、 垫层应分层施工，每层可取200-300mm，每层施工结束均应做质量检验。垫层质量可用静力触探、动力触探或标准贯入试验检验。,第三节排水固结法,一、排水固结法原理与应用 1、排水固结法原理 排水固结法原理：在软土地基中设置砂井、塑料排水板等竖向排水通道，在顶层设置砂垫层作为横向排水通道，然后加载预压，使软土中孔隙水加快排出，加速地基固结，从而提高地基承载力。 适用性：适于处理厚度较大的饱和软粘土和冲填土。,排水固结法示意图,2、排水固结施工方法,（1）、预压方法 预压方法有堆载法、真空预压法、降低地下水位法等。在实际中，可单独或联合使用。 、堆载预压法。用填土、砂石等其他堆载材料，施工时必须控

7、制加载速度，分级加载。所需工期较长。 、真空预压法。在需要加固的软粘土地基内设置砂井，然后在地面铺设砂垫层，其上覆盖不透气的密封膜，使与大气隔绝，通过埋设于砂垫层中的吸水管道，用真空装置进行抽气，将膜内空气排出，在膜内产生一个负压，促使孔隙水从砂井排出，达到固结的目的。,真空预压法适用于一般软粘土地基，但对于粘土层与透水层相间的地基，抽真空时地下水会大量流入，不可能得到规定的负压，故不宜采用此法。 、降低地下水位法。地基土中地下水位下降，则土的有效自重应力增加，促使地基土体固结。 降低地下水位法最适宜于砂性土地基，也适用于软粘土层上存在砂性土的情况。对于深厚的软粘土层，为加速其固结，可设置砂井

8、，并采用井点降低地下水位。,（2）、排水方法 排水方法是在地基中置入排水体，以缩短土层排水距离。（1）、竖向排水体常用就地灌筑砂井、袋装砂井、塑料排水板等。（2）、水平排水体一般由地基表面的砂垫层组成。 当软粘土层较薄，或土的渗透性较好而工期又较长时，可仅设水平砂垫层；对于厚度大、透水性很差的软粘土，需同时用水平排水体和竖向排水体构成排水系统。 一般工程综合考虑预压和排水两种措施。,塑料排水板插板机,二、砂井堆载预压法的设计计算,砂井堆载预压法设计计算内容包括： （1）、初定砂井布置方案； （2）、初拟加荷计划，即每级加载增量、范围及加载延续时间； （3）、计算每级荷载作用下，地基的固结度、强

9、度增长量； （4）、验算每一级荷载下地基土的抗滑稳定性； （5）、验算地基沉降量。,三、排水固结法施工简介与现场观测,1、施工 （1）、铺设水平排水垫层； （2）、设置竖向排水体； （3）、埋设观测设备； （4）、实施预压； （5）、检查预压效果； 从施工角度分析，主要要做好三个环节：铺设水平排水垫层、设置竖向排水体、施加固结压力。 2、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。,第四节密实法,土的密实原理：利用各种机械功能，在短时间内促使土的孔隙比减小，密实度增加，从而达到增加地基强度、减少沉降的目的。 具体的处理方法有：碾压、夯实、挤密等。 一、碾压法 碾压法：利

10、用各种压实机械，如压路机、铲运机、羊足碾等的机械重量对土进行压实。 适用性：机械重量有限，压实的影响深度小，主要用于填土工程。,二、夯实法,夯实法是利用冲击能来击实地基。根据冲击能的大小，可分为：重锤夯实法和强夯法。 （一）、重锤夯实法 原理：利用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由下落产生很大的冲击能来挤密地基、减小孔隙、提高强度，经不断重复夯击，使整个建筑物地基得以加固。 适用性：适于处理离地下水位0.8 m以上的稍湿粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土，但在有效夯实深度内存在软粘土层时不宜采用。 夯实效果与夯锤的重量、锤底直径、落距、夯实的遍数、土的含水量以及土质条件等有关。 “

11、橡皮土”等不良现象。,（二）、强夯法 强夯法是法国梅那(Menard)技术公司1969年首创的一种地基加固方法，亦称动力固结法。 方法：一般是以80-400kN重锤（最重2000kN）起吊到一定高度（一般为8-30m），令锤自由落下给地基以冲击力和振动，强力夯实地基以提高其强度、降低压缩性。,强夯法原理,（1）、动力密实：非饱和土，土颗粒被强大的冲击力引起较大的相对位移，土体发生强制压缩和振密过程；饱和无粘性土时，随着孔隙水压力增大，土体液化而密实压缩。 （2）、动力固结：地基土为饱和细粒土时，巨大的冲击能在土中产生很大的应力波，破坏土体原有结构，土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道

12、，孔隙水排水固结。 （3）、动力置换：将碎石整体挤入软土中形成碎石层或碎石桩。,强夯法与重锤夯实法的不同之处：强夯法夯击能量更大，在土中形成冲击波和很大的冲击应力。 适用性：可用于加固各种填土、湿陷性黄土、碎石土、低饱和度的粘性土与粉土。 效果：工程实践表明，经强夯法加固后的地基，其承载力可提高200%-500%，此外，地基深层土也能得到加固且能消除不均匀沉降现象，还能改善砂土抵抗振动液化的能力。,三、挤密法,挤密法：在软弱土层中挤土成孔，从侧向将土挤密，然后再将碎石、砂、灰土、石灰或矿渣等填料充填密实成柔性的桩体，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少沉降量，消除或部分消除土的湿

13、陷性或液化性。 具体施工方法有：砂桩(碎石)挤密法、振冲法等。,（一）、砂桩挤密法,处理方法：将带桩靴或砼桩头的钢套管打入或振入土中成孔，然后向桩管内填入砂或碎石振动密实或锤击密实，形成直径较孔径大得多、且密实的砂桩。 砂桩作用原理： 、松散砂土中起到挤密和振密的作用：包括桩管挤密和拔管振密。 、软弱粘土中起到置换和排水作用。 桩体材料：砂、碎石、土、灰土或生石灰等。 适用性：砂桩和碎石桩适于处理杂填土和松散砂土，对软土地基应慎用；土桩和灰土桩适于处理地下水位以上深度小于10m的湿陷性黄土或人工填土。石灰桩适于处理软弱粘性土和杂填土。,桩体直径：30-80cm。 桩体长度：当软弱土层厚度不大时

14、，砂桩宜穿过该土层；当软弱土层厚度较大时，砂桩长度应超过最危险滑动面的深度；对易液化的饱和松散砂土时，砂桩应穿透可液化土层。 桩体平面布置：等边三角形或正方形布置，且加固地基的宽度应超过基础宽度，每边放宽不应少于13排。 桩体间距：砂桩的桩间距应通过现场试验确定，不宜大于砂桩直径的4倍。一般为23d。,（二）、振冲法,振冲法：利用振冲器产生的高频振动和喷射高压水流，在边振边冲的联合作用下，将振冲器沉到土中的设计深度，然后向孔内填入粗骨料振挤密实，形成密实桩体。 振冲法作用原理： 、砂土地基中起到挤密和振密的作用：一方面，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密；另一方面，大量的粗骨料在

15、强大的水平振动力作用下挤入周围土层，使砂土挤密。 、软弱粘土中主要起置换作用，形成复合地基。 适用性：振冲碎石桩适用于处理砂土、粉土、粘性土、素填土和杂填土等地基。不加填料的振冲法适用于处理粘性含量不大于10%的中、粗砂地基。,振冲法示意图,第五节化学加固法,化学加固法：利用水泥浆液（粉体）、粘土浆液或其它化学浆液，通过机械搅拌、高压喷射或灌注压入，就地使浆液（粉体）与土颗粒发生化学反应胶结起来，以改善地基土物理和力学性质的地基处理方法。 具体处理方法有：深层搅拌桩法、注浆法。,一、深层搅拌桩法,深层搅拌法：通过特制的深层搅拌或喷粉机械，就地将水泥浆（或粉）等固化剂强制搅拌混合，使软土硬结成具

16、有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，与天然地基形成复合地基。 适用性：适于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力特征值不大于120 kPa的软粘土。,三轴水泥土搅拌机,二、注浆法,注浆法：利用液压、气压或电化学的方法，通过注浆管把浆液均匀地注入地层中，浆液以充填、渗透和挤密等方式，进入土颗粒之间的裂隙中，将原来松散的土体胶结成一个整体，从而形成强度高、防渗和化学稳定性好的固结体。 根据注入材料不同可分为：水泥注浆和化学注浆。,（一）、水泥注浆,1、渗透注浆 对于砂卵石等有较大裂隙的土，可采用水灰比为1：1的水泥砂浆直接灌注。 2、劈裂灌浆 利用水力劈裂原理，用较大的灌浆压力，使

17、浆液克服地层初始应力和抗拉强度，沿小主应力作用的平面上发生劈裂，人为地制造或扩大岩土缝隙，以提高低透水性地基的可灌性和注浆量，从而获得更为满意的灌浆效果。 3、压密灌浆 用高压泵将稠度大的水泥浆或水泥砂浆压入预先钻好的孔内，浓浆在高压下向周围扩散，对土体起到排挤和压密作用，形成球状或圆柱状的浆泡。,4、高压喷射注浆桩法 用相当高的压力，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，并从旋喷头侧面的喷嘴以很高的速度喷射出来，直接冲击破坏土体，使土颗粒在冲击力、离心力和重力的共同作用下与浆液搅拌混合，经过一定时间，便凝固成强度甚高、渗透性较低的加固土体。 加固土体的形状有：柱状旋喷桩、块

18、状和板状旋喷墙。 适用性：几乎适于处理各种土质，但造价高，仅用于其它方法效果不好时。,（二）、化学注浆,化学注浆：向土中注入一种或几种化学溶液，利用其化学反应的生成物填充土的孔隙或将土的颗粒胶结起来，从而达到改善土性质的目的。,第六节 土工合成材料加筋法,土工合成材料由合成纤维制成，是土工用合成纤维材料的总称。它具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、滤水、不霉烂、不缩水、不怕虫蛀等良好性能。其造价低廉、施工简便、整体性好，能明显改善和增强岩土工程性质。 适用性：土工合成材料加筋法适于处理人工填土的路堤。,土工合成材料的作用,土工合成材料在岩土工程中主要有反滤、排水、隔离和加固强化以及防护等作用

19、。 1、反滤作用：在渗流口铺设一定规格的土工聚合物作为反滤层，可起到一般砂砾滤层的作用，提高其被保护土的抗渗强度。反滤层目的是保护土颗粒不被流失且保持排水通畅，从而防止发生流土、管涌和堵塞等对工程不利的情况。 2、排水作用：一定厚度的土工合成材料具有良好的三维透水特性，利用这种特性除了可以透水反滤外，还可使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，且不会堵塞，形成水平排水通道。,3、隔离作用：对两层具有不同性质的土或材料，可采用土工合成材料进行隔离，避免混杂产生不良效果。如道路工程中翻浆冒泥的处治。 4、加固强化作用：利用土工合成材料的高强度和韧性等力学性质，可分散荷载，增大土体的刚度模量以

20、改善土体；或作为筋材构成加筋土以及各种复合土工结构。 5、防护作用：隔水，防止水进入土体或土工结构物；保湿防冻，减缓土内温度的变化等。,第七节 复合地基理论,一、复合地基的概念与分类 复合地基是指由两种刚度（或模量）不同的材料（桩体和桩间土）组成，共同承受上部荷载并协调变形的人工地基。 复合地基与桩基础的区别：复合地基桩体顶部与基础不连接，强度和刚度也比基桩低。,复合地基分类,复合地基作用机理,（1）桩体作用：复合地基是许多独立桩体与桩间土共同工作，由于桩体的刚度比周围土体大，在刚性基础底面发生等量变形时，地基中应力将重新分配，桩体产生应力集中而桩间土应力降低，故复合地基的承载力和整体刚度高于原地基，沉降量有所减少。 （2）加速排水固结：碎石桩、砂桩具有良好的透水特性，可加速地基的排水固结。此外，水泥土类桩在某种程度上也可加速地基固结。,（3）挤密作用：砂桩、土桩、石灰桩、碎石桩等在施工过程中由于振动、挤压、