土力学课件（清华大学）-第九章_软弱地基处

第九章软弱地基处理第一节概述一、地基处理的目的1、建筑物地基面临的问题（1）承载力及稳定性问题。当地基的抗剪强度不足以支承上部结构的自重及外荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。 （2）沉降、不均匀沉降、水平位移等问题。（3）地基的渗透量或水力坡降超过容许值时，会发生水量损失，或因潜蚀和管涌而可能导致失事。（4）地震、机器以及车辆的振动、海浪作用和爆破等动力荷载可能引起地基土，特别是饱和无粘性土的液化、失稳和震陷等危害。这类地基问题也可能分别概括于上述稳定和变形问题中，只不过是由于动力荷载引起的。 2、地基处理的目的（1）地基处理的概念在土木工程建设中，当天然地基不能满足建(构)筑物对地基的要求时，需对天然地基进行加固改良，形成人工地基，以满足建(构)筑物对地基的要求，保证其安全与正常使用，这种地基加固改良称为地基处理。地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性。 （2）目的1）提高地基土的抗剪强度。2）降低地基土的压缩性。3）改善地基土的透水特性。4）改善地基的动力特性。5）改善特殊土的不良地基特性。 二、地基处理方法的分类地基处理方法按地基处理原理进行分类外，还可以按下面方法分类：（1）地基处理方法可分为物理的地基处理方法、化学的地基处理方法以及生物的地基处方法；（2）可根据地基处理加固区的部位分为浅层地基处理方法、深层地基处理方法和斜面土层处理方法三大类；（3）还可视用途将地基处理方法分为临时地基处理方法和永久地基处理方法两种。 三、地基处理的特点（1）大部分地基处理方法的加固效果不是在施工结束后就能全部发挥；（2）每一项地基处理工程都有它的特殊性；（3）地基处理是隐蔽工程，很难直接检验其加固效果。 四、常见的地基处理方法1、换填垫层法该法常用于基坑面积宽大和开挖土方较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、填土，以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。一般处理深度为2~3m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土、素填土和杂填土。 2、振密、挤密法1）表层压实法；2）重锤夯实法；3）强夯法；4）振冲挤密法；5）土桩与灰土桩法；6）砂桩；7）爆破法 3、排水固结法1）堆载预压法；2）砂井法（包括袋装砂井、塑料排水带等）；3）真空预压法；4）降低地下水位法；5）电渗排水法。 4、置换法1）振冲置换法(碎石桩法)；2）石灰桩法；3）强夯置换法；4）水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法)。 5、加筋法加筋法的基本原理是通过在土层中埋设强度较高的土工合成材料、拉筋、受力杆件等提高地基承载力、减小沉降、维持建(构)筑物或土坡稳定。1）土工合成材料2）土层锚杆3）土钉4）树根桩法 6、胶结法胶结法的基本原理是在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等固化物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基．以提高地基承载力和减小沉降。（1）灌浆法（2）高压喷射注浆法（3）水泥土搅拌法 7、托换8、纠偏 第二节地基处理方法简介一、换填垫层法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，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垫层法，简称为换填法。 1、垫层的作用（1）提高持力层的承载力（2）减小沉陷量（3）加速软弱土层的排水固结（4）防止冻胀（5）消除膨胀土的胀缩作用 2、垫层材料的选用（1）砂石砂石垫层材料宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，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，并通过试验确定虚铺厚度、振捣遍数、振捣器功率等技术参数。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。 （2）粉质粘土土料中有机质含量不得超过5％，亦不得含有冻土或膨胀土，不得夹有砖材料。当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。（3）灰土灰土的体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒直径不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒粒径不得大于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0.3—0.5m。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。（5）矿渣垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑物、构筑物地基。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。 3、垫层设计（1）垫层厚度的确定垫层厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并结合式 对于矩形基础（2）垫层宽度确定 二、预压法固结法1、堆载预压法 三、挤密法1、砂桩挤密法(砂桩)(densificationbysandPile)（1）概述砂桩挤密法是用振动、冲击或打入套管等方法，在地基中形成土孔，然后填入中、粗砂，并予以捣实而形成直径较大的桩，使地基土在较大的深度范围内得以挤密加固。 砂桩法起源于19世纪30年代的欧洲，用于在海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。当时的设计桩长为2m，桩径为0.2m，每根桩承担的荷载为10kN。此后，在长时间内由于没有实用的设计计算方法，缺少先进的施工工艺和施工设备而影响了它的发展。第二次世界大战以后，砂桩法在前苏联得到广泛应用并取得了较大成就。初期，砂桩采用冲孔捣实施工法，以后又采用水冲振动施工法，其缺点都是质量不佳和处理深度较浅。 20世纪50年代后期，随着振动打桩机的出现．又采用振动式打拔管施工法。随后日本又研究出振动式重复压拔管施工法和控制施工质量的方法，这些方法的应用使砂桩地基处理技术发展到一个新的水平，使其施工质量和施工效率均有显著提高，处理深度可达30m左右。 我国1959年首次在上海重型机器厂采用锤击沉管挤密砂桩法处理地基；1978年又在宝山钢铁总厂采用振动重复压拔管砂桩施工法处理原料堆场地基。这两项工程为我国在饱和软弱粘性土中采用砂桩，特别是砂桩地基处理方法积累了丰富的经验。近十多年来，砂桩法在我国工业与民用建筑、交通、水利等工程建设中得到了广泛应用。 （2）加固原理地基土的土质不同，对砂桩的作用原理也不尽相同1）在松散砂土中的作用①挤密作用；②振密作用2）在软粘土中的作用①置换作用；②排水作用； （3）砂桩用途1）在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。2）在软弱粘性土中，可用于提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。 3、土挤密桩桩法和灰土挤密桩法土挤密桩法由原苏联阿别列夫教授于1934年首创，并在工程建设中得到广泛应用。我国自20世纪50年代中期开始在西北黄土地区进行土挤密桩法的研究和应用。60年代中期，西安地区在土挤密桩法的基础上成功地应用了灰土挤密桩法，并在70年代逐步推广应用。 灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基，不适用于地下水位以下使用。当地基土的含水量大于24％、饱和度超过65％时，成孔及拨管过程中，桩孔容易缩颈，桩孔周围容易隆起，挤密效果差，此时不宜采用。灰土挤密桩法和土挤密桩法处理地基深度一般为5—15m。若用于处理5m以内土层，其综合效果不如强夯法、重锤夯实法以及换填垫层法。对大于15m的土层，若地下水位较深，近年来有采用螺旋钻取土成孔，分层回填灰土，并强力夯实，使加固深度超过20m的黄土地基加固实例。 四、化学加固法化学加固法指利用水泥浆液、粘土浆液或其它化学浆液，通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理和力学性质的地基处理方法。灌浆法创始于1802年，法国工程师采用了灌注粘土和石灰浆的方法修复了一座受冲刷的水闸。此后，灌浆法已成为地基土加固中的一种广泛使用的方法。 1、灌浆法（1）概念灌浆法是指利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管把浆液体均匀地注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，使土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气排出，经人工控制一定时间后，浆液将原来松散的土粒或裂隙胶结成一个整体形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学性良好的结石体。 （2）灌浆的目的1）增加地基土的不透水性。防止流砂、钢板桩渗水、坝基漏水和隧道开挖时涌水，及改善地下工程的开挖条件；2）防止边坡护岸的冲刷；3）整治坍方滑坡，处理路基病害；4）提高地基土的承载力，减少地基的沉降和不均匀沉降；5）进行托换技术，对古建筑的地基加固更为常用。 （3）适用范围 2、深层水泥搅拌法（1）概念水泥土搅拌法是利用水泥(或石灰)等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固体，从而提高地基土强度和增大变形模量的地基处理方法。 （2）水泥土搅拌法的优点水泥土搅拌法加固软土技术，具有以下独特的优点：1）水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土；2）搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工；3）搅拌时不会使地基侧向挤出，所以对周围原有建筑物及地下沟管影响很小； （4）水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基、基坑工程围护挡墙、基坑被动区加固、防渗帷幕、大体积水泥稳定土等，其设计灵活，可按不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方；（5）根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式；（6）与钢筋混凝土桩基相比，可节约大量的钢材，并降低造价。 （3）适用范围1）作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等；2）进行大面积地基加固、防止码头岸壁的滑动、深基坑开挖时作支护和减少软土中地下构筑物的沉降；3）作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流、对桩侧或板桩背后的软土进行加固。 3、高压喷射注浆法 （1）特点1）适用范围较广2）施工简便3）可控制固结体形状。4）可垂直、倾斜和水平喷射5）耐久性较好；6）料源广阔；7）设备简单 （2）高压喷射注浆法的工程应用范围1）增加地基强度①提高地基承载力，整治已有建筑物沉降和不均匀沉降的托换；②减少建筑物沉降，加固持力层或软弱下卧层；③加强盾构法和顶管法的后座，形成反力后座基础 2）挡土围堰及地下工程建设①保护邻近建、构筑物；②保护地下工程建设；③防止基坑底部隆起。3）增大土的摩擦力和黏聚力①防止小型坍方滑坡；②锚固基础。 （4）减少振动，防止液化1）减少设备基础振动；2）防止砂土地基液化。（5）降低土的含水量1）整治路基翻浆冒泥；2）防止地基冻隆。 （6）防渗帷幕1）河堤水池的防漏及坝基防尘；2）帷幕井筒；3）防止盾构和地下管道漏水漏气；4）地下连续墙补缺；5）防止涌砂冒水。 （3）对浆体的要求1）有良好的可喷性2）有足够的稳定性3）气泡少4）调节浆液的胶凝时间5）有良好的力学性能6）无毒、无臭