基础工程课件--第5章地基处理

第5章地基处理 5.1概述一、地基处理的目的（1）改善地基的剪切性能、提高地基承载力及其稳定性。（2）改善地基的变形性质、减少其沉降及不均匀沉降变形量。（3）改善地基的渗透性、加强其渗透稳定性。（4）改善地基的动力特性、提高其抗震性能。（5）改善地基的不良特性、满足其工程的需要。 二、处理对象淤泥和淤泥质土、软粘土、人工填土、细粉砂土和粉土、湿陷性土、有机质土和膨胀土、多年冻土、岩溶、土洞和山区地基等 1、淤泥土与淤泥质土淤泥土与淤泥质土简称软土淤泥:孔隙比e>1.5,w>wl(Il>1.0)淤泥质土:孔隙比e=1.0~1.5,w>wl(Il>1.0)土性*高含水量=40~90%甚至>100%*高压缩性a>0.5~3.0MPa-1*高流变性:次固结量随时间增加*低强度Cu<30kPa*低渗透性10-6~10-8cm/s，固结过程长 杂填土：建筑垃圾，卫生填埋，不均匀，不稳定冲填土：细、欠固结泥炭,泥炭质土：泥炭e>1.5,w>wl(Il>1.0)，有机含量30%泥炭质土e=1.0~1.5,w>wl(Il>1.0)，有机含量10-30%*强度低、压缩性很大2、粉细砂、粉土和粉质土：易震陷、液化3、砂土、砂砾石等：透水性大、抗渗、防止管涌和流土4、其他类土湿陷性黄土：消除湿陷膨胀土：胀缩性红粘土：特殊结构性岩溶：塌陷 地基处理方法的分类可有多种多样。如：按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按处理土性对象可分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理；按地基处理作用机理可分为置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋等处理方法。其中最本质的是根据地基处理作用机理进行分类，其具体分类以及加固原理、适用范围见表5-1。三、地基处理方法分类及应用范围 三、地基处理方法分类及应用范围1）换土垫层法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；（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（1）土工聚合物；（2）加筋土；（3）土层锚杆；（4）土钉；（5）树根桩法6）胶结法（1）灌浆法；（2）高压喷射注浆法；（3）水泥土搅拌法7）其他处理法（1）冻结法；（2）托换法（3）纠倾技术 四、地基处理方法选用原则技术先进、经济合理、安全适用、确保质量地基条件处理要求（处理后地基应达到的各项指标、处理的范围、工程进度等）工程费用材料、机具来源 选择地基处理方法步骤（1）根据上部结构及建筑场地条件和环境，初步选定几种可供考虑的处理方案；（2）对初步选定的各种地基处理方案进行综合分析，进行技术经济分析和对比，确定最佳的地基处理方案；（3）对已确定的地基处理方案，在有代表性的场地上进行相应的现场试验或试验性施工及必要的测试，以期达到最佳处理效果。 5.2垫层法5.2.1概述1）垫层法定义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垫层法。 深厚软土深厚软土软土地基沉降太大、强度不足垫层法地基处理过程示意 2）垫层的类型按常用的垫层材料，可分为砂垫层碎石垫层素土垫层灰土垫层 3）换土垫层的作用（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；（4）防止冻胀；（5）消除膨胀土的胀缩作用。 1）垫层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－－相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；－－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。5.2.2垫层设计（以砂垫层为例） b回填土b’=b+2ztandzCZ用试算法确定垫层的厚度z（1）初定z为1~2m；（2）计算；、（3）按式验算；若不满足要求，则重新取值，直到满足要求为止。 垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算：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）；－－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）；θ－－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。条形基础矩形基础 注意垫层厚度的确定仅考虑了应力扩散的作用，忽略了垫层约束作用和排水固结对地基承载力提高的影响，所以实际的承载力比考虑深度修正后的天然地基承载力大。对重要工程，建议通过现场载荷试验来确定。 2）垫层宽度的确定要求：满足基础底面应力扩散的要求防止垫层向两侧挤压。常用经验的扩散角法按下式确定：垫层底宽垫层顶宽－－开挖坡度确定（便于压实机械施工、防侧向挤压(淤泥)）垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。 3）地基变形计算采用换填法对地基进行处理后，由于垫层下软弱土层的变形，建筑物地基往往仍将产生一定的沉降量及差异沉降量。因此，在垫层的厚度和宽度确定后，对于重要的建筑物或垫层下存在软弱下卧层的建筑物，还应进行地基的变形计算。换土垫层后的建筑物地基沉降由垫层自身的变形量和下卧土层的变形量两部分所构成，即式中—基础沉降量(cm)；—垫层自身变形量(cm)；—压缩层厚度范围内，自垫层底面算起的各土层压缩变形量之和(cm)。 4）垫层材料的选用（1）砂石。宜选用碎石、卵石、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）粉质粘土。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）其他材料如灰土、粉煤灰、矿渣等。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。也可由土工合成材料与地基土构成加筋垫层。注意：砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基 5）垫层施工要点（1）关键是如何将砂土加密到设计要求的密实度。加密方法可采用机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。应根据不同的换填材料选择施工机械。（2）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200～300mm。 （3）基坑开挖时应避免坑底土层受扰动。（4）作好基坑的排水工作，必要时应采取降低地下水位的措施。采用振实时，应保证水源补给与排水畅通，水面宜保持与砂面齐平。可用作垫层的材料很多，除砂和碎石外，还有素土、灰土垫层，以及粉煤灰垫层等。国外还在垫层中铺设塑料网片（加筋）来提高垫层的强度。 5.3排水固结法1、排水固结法加固原理对天然地基，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。 排水固结压缩与强度变化图 te2epze1s预压原理：原位自重应力s，建筑物附加应力z,预加压力t=(1.2~1.5)z变形 强度超固结土正常固结 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粘性土地基。 2、排水固结法排水和加压体系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。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。 竖向排水体的原理（a）竖向排水（b）砂井地基排水粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比 3、排水固结法的设计排水固结法的设计：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。 砂井布置图(a)剖面图(b)正方形布置(c)梅花形布置(d)砂井排水 预压方法（1）堆载预压（2）降水预压增加有效应力（3）真空预压密封层 基坑降水预固结设计坑底坑底降水深度D坑底降水线板桩 ’z降水预压z 真空预压密封层’-u 思考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，为什么？用填土等外加荷载对地基进行预压，是通过增加总应力并使孔隙水压力消散来增加有效应力的方法，降低地下水位和电渗排水法是在总应力不变的情况下，通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空，使膜内外形成气压差，该压力差首先作于于孔隙水和气上，使水气排出而有效应力增加，从面粘土层产生固结压力。降低地下水位、真空预压和电渗法由于通过减小水气压力的作用增大有效应力，水气压力各方向相等，因此大小主应力增量一致，莫尔圆的直径不增加而应力圆整体右移，更远离强度线，地基不会产生剪切破坏，所以它适用于很软弱的粘土地基。堆载法如果加荷快，总应力增加，大小主应力增量不一致（侧压系数小于1，小主应力增量小于大主应力增量），应力圆扩大，不固结不排水剪强度为水平直线，不能承受更大的应力圆作用。因此而破坏。 5.6强夯法1.强夯法概念强夯法是法国人L.梅纳（Menard，1969）首创的一种地基加固方法，即用10～40吨重锤从8～20m的高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。2.强夯法适用条件强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。 3.加固效果：经强夯后地基的承载力可提高2～5倍，压缩性可降低200％～500％，影响深度10m以上。4.强夯机理:强大的夯击能在地基中产生强烈的应力波和动应力对土体作用的结果。波土中能（1）使土孔隙压密，土体局部液化（2）夯点周围产生大量裂缝，良好排水通道（3）各种颗粒成分在结构上重新排列转化传入 5.设计（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X－－有效加固深度（m）；M－－夯锤质量（t）；h－－落距（m）；m－－修正系数，根据不同土类选用。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》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）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。（3）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有关规定确定。 复合地基理论一、复合地基的概念复合地基是由基体（天然地基土体）和增强体（桩体或带形体）两部分组成，共同承受上部结构荷载并协调变形的人工地基。 二、复合地基有两个基本特点：（1）复合地基是由两种刚度（或模量）不同的材料（增强体和基体）两部分组成，是非均质和各向异性的；（2）复合地基在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载并协调变形。区别于桩基础。区别于均质地基 三、复合地基的分类按成桩材料分类1）散体材料桩：如砂桩、碎石桩、矿渣桩等；2）水泥土类桩：水泥搅拌桩、高压旋喷桩等；3）混凝土类桩：CFG桩、树根桩、锚杆静压桩等。按成桩后桩体的刚度（或强度）分类1）柔性桩：散体材料类桩；2）半刚性桩：水泥土类桩；3）刚性桩：混凝土类桩。3.按增强体的方向分类1）竖向增强体复合地基：由不同材料形成不同强度桩体的复合地基。2）横向增强体复合地基：由土工合成材料、金属材料格栅等形成的复合地基。 四、复合地基作用机理（1）桩体作用。（2）排水固结作用。（3）挤密作用。（4）加筋作用。 复合地基的基本概念1.面积置换率m正方形布桩等边三角形布桩一根桩体的横截面积一根桩体的加固面积 2.桩土应力比n基础刚性时，桩与桩间土沉降一致，但模量不一致，因此荷载向桩体集中，桩体所受压力pp大于基底平均压力p，桩间土的压力ps小于p。柔性桩（散体材料桩），n=2~4如：振冲碎石桩半刚性桩，n=3~12如：水泥土桩，旋喷桩 5.4深层水泥搅拌法水泥搅拌桩法是以水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂（浆液或粉体）和地基土强制搅拌，由固化剂与软土间所产生的一系列物理和化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体的地基处理方法。(CDM法) 深层搅拌的工艺流程图 水泥搅拌机 三轴水泥搅拌机 加固的机理(1)水泥的水解和水化反应。(2)离子交换和团粒化作用。(3)硬凝反应。 水泥土桩的计算复合地基承载力特征值P216 5.5高压喷射注浆法P219高压喷射注浆法，它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后,高压脉冲泵（工作压力在20MPa以上），将水和水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置形成高压射流喷射出来,冲击破坏土体,同时钻杆以一定速度渐渐向上提升,使浆液与土粒强制搅拌混合,浆液凝固后在土中形成水泥土加固体的地基处理方法。5.5.1基本原理与喷射浆的类型 喷射注浆施工顺序a-开始钻进b-钻进结束c-高压悬喷开始d-喷嘴边旋转边提升e-悬喷结束 高压旋喷注浆三种型式单喷管旋喷注浆(浆液)二重喷管旋喷注浆(浆液+气体)三重喷管旋喷注浆(水+气体+浆液) 高压喷射注浆三种型式1.旋转喷射注浆；旋喷法2.定向喷射注浆；定喷法3.摇摆喷射注浆；摆喷法 (1)复合地基承载力：计算公式同水泥土桩.5.5.2喷射注浆的应用设计1.应用形成桩体加固地基形成防渗帷幕提高地基抗渗性。2.设计（2）复合地基的沉降：确定复合压缩模量。 5.7振冲法振冲法是指采用振动、冲击或水冲等方式在地基中成孔后，再将碎石、砂或砂石挤压入已成的孔中，形成砂石所构成的密实桩体，并和原桩周土组成复合地基的地基处理方法。 设备：振冲器d=270~420mm,l=2~3m,G=8~20KN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 振冲挤密和振冲置换砂土地基---利用振冲器冲切下沉使砂土挤密，形成振冲挤密砂桩粘性土地基---利用振冲器振冲成孔，置换碎石并振密形成振冲碎石桩。适用范围振冲碎石桩法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘土、粉土、砂土、饱和黄土和人工填土地基。注：振冲碎石桩复合地基承载力承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值估算。P231 1、振冲法加固原理在松散砂土中的作用1）挤密作用；2）振密作用在软粘土中的作用1）置换作用；2）排水作用2、振密砂桩和振密碎石桩用途（1）在松散砂土中，可用于增大相对密度，防止振动液化。（2）在软粘土中，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、设计原理（1）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和孔隙比。（2）估算振冲布置的形式、间距、深度和范围。（3）通过试验检验是否满足设计要求。 本章小结1、地基处理按其加固原理分为七大类，应根据所处理的对象选择切实有效的处理方法。2、换土垫层法垫层的厚度和宽度，应从下卧层的条件和防止土体侧向挤出的要求确定，必要时还应验算地基变形。3、砂井排水用于饱和软土地基处理。砂井的设置缩短了排水路径，加速了土体的排水固结，加固效果显著。4、高压旋喷法和深层搅拌法加固深层地基，一般用水泥浆作为固化剂，加固后按桩基或复合地基进行计算。5、强夯的加固机理、施工方法和有关参数的确定，有别于一般的地基处理方法。6、挤密砂桩与砂井的作用不同。砂桩的作用主要是将土体挤密，设计时主要从土体挤密的效果来计算桩距、灌砂量和加固深度。粘性土地基中的挤密砂桩和振冲桩，桩与土共同作用，传递荷载，共同分担压力，形成复合地基。