土木基础工程课件--第五章地基处理第三讲

5.4排水固结法排水固结法：它是采用预压、降低地下水位、电渗等方法促使土层排水固结，以减少地基的沉降和不均匀沉降，提高承载力。主要用于处理软弱粘性土地基。10/4/2021基础工程课件 排水固结法加固软土地基是一种比较成熟、应用广泛的方法，它可以解决以下两个方面问题：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较大的沉降。原理：在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基沉降减少，如进行超载预压(预压荷载大于建筑物荷载)效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。10/4/2021基础工程课件 2．稳定问题：加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基的承载力和稳定性。原理：饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。10/4/2021基础工程课件 土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关，粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比，土层越厚，加固延续的时间越长。为加速土层的固结，最有效的方法是先增加土层的排水途径，缩短排水距离。然后分级加载预压(也可利用建筑物本身重)，使软土中孔隙加快排出水，地基土固结沉降加快完成，强度也得到相应提高，当土质条件较好时，也可在天然地基上直接加载预压。10/4/2021基础工程课件 一、砂井堆载预压法二、袋装砂井和塑料排水板预压法三、天然地基堆载预压法四、真空预压法和降水位预压法10/4/2021基础工程课件 一、砂井堆载预压法软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的历时，对较厚的软土层，常在地基中设置排水通道，使土中孔隙较快排出水。可在软粘土中设置一系列的竖向排水通道(砂井、袋装砂井或塑料排水板)，在软土顶层设置横向排水砂垫层如下图所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改善地基渗透性能。砂井堆载预压10/4/2021基础工程课件 1.砂井1）砂井的直径和间距：砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期的要求。从原则上讲，为达到相同的固结度，缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好，即以“细而密”为佳，不过，考虑到施工的可操作性，普通砂井的直径为300-500mm。砂井的间距可根据地基土的固结特征和预定时间内所要求达到的固结度确定，间距可按为直径的6-8倍选用。砂井的间距可按井径比（n）选用，n按下式确定：n=de/dw10/4/2021基础工程课件 2）砂井深度：砂井深度主要根据土层的分布、地基中的附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。当软土不厚（一般为10-20m）时，尽量要穿过软土层达到砂层；当软土过厚（超过20m）,不必打穿粘土，可根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求确定。对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应超过最危险滑动面2.0m以上。10/4/2021基础工程课件 3）砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或梅花形，在大面积荷载作用下，认为每个砂井均起独立排水作用。为了简化计算，将每个砂井平面上的排水影响面积以等面积的圆来代替，可得一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距l的关系按下式考虑：梅花形布置正方形布置10/4/2021基础工程课件 4）砂井的布置范围：由于在基础以外一定的范围内仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布置范围应比基础范围大为好，一般由基础的轮廓线向外增加2-4m。5）砂料：砂料宜用中、粗砂，必须保证良好的透水性，含泥量不应超过3%，渗透系数应大于10-3cm/s。2.砂垫层为了使砂井有良好的排水通道，砂井顶部应铺设砂垫层，垫层砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般为0.5m-1m。10/4/2021基础工程课件 3.地基固结度在双面排水或者固结土层中应力均匀分布的单面排水条件下，土层竖向平均固结度（）可按下式计算：如果考虑逐级加荷，则时间t从加荷历时的一半起算；如为双面排水，H取土层厚度的一半。10/4/2021基础工程课件 10/4/2021基础工程课件 二、袋装砂井和塑料排水板预压法用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不能保持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。近年来普通在砂井的基础上，出现了以袋装砂井和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井不连续缺点，而且施工简便、加快了地基的固结，节约用砂，在工程中得到日益广泛的应用。10/4/2021基础工程课件 (一)袋装砂井预压法目前国内应用的袋装砂井直径一般为70-120mm，间距为1.0m-2.0m(井径比n约取15-20)。砂袋可采用聚丙烯或聚乙烯等长链聚合物编织制成，应具有足够的抗拉强度、耐腐蚀、对人体无害等特点。装砂后砂袋的渗透系数不应小于砂的渗透系数。灌入砂袋的砂应为中、粗砂并振捣密实。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少300mm，并不得卧倒。10/4/2021基础工程课件 袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利于保持其连续性。10/4/2021基础工程课件 袋装砂井10/4/2021基础工程课件 (二)塑料排水板预压法塑料排水板预压法是将塑料排水板用插板机插入加固的软土中，然后在地面加载预压，使土中水沿塑料板的通道逸出，经砂垫层排除，从而使地基加速固结。塑料板排水与砂井比较具有如下优点：1，塑料板由工厂生产，材料质地均匀可靠，排水效果稳定；2．塑料板重量轻，便于施工操作；3．施工机械轻便，能在超软弱地基上施工；施工速度快，工程费用便宜。10/4/2021基础工程课件 多孔单一结构型塑料排水板复合结构塑料排水板10/4/2021基础工程课件 塑料排水板10/4/2021基础工程课件 塑料排水板施工10/4/2021基础工程课件 施工后的塑料排水板10/4/2021基础工程课件 三、天然地基堆载预压法天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、土、石等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固结以提高其强度(也可以利用建筑物本身的重量分级缓慢施工)，减少施工后的沉降量，待地基承载力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除，在经预压的地基上修建建筑物。此方法费用较少，但工期较长。如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。10/4/2021基础工程课件 四、真空预压法和降水位预压法真空预压法实质上是以大气压作为预压荷重的一种预压固结法。在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道(普通砂井、袋装砂井或塑料排水板)，再用不透气的封闭薄膜覆盖软土地基，使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空泵进行抽气，使其形成真空，当真空泵抽气时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压力差，在此压力差作用下，土体中的孔隙水不断排水，从而使土体固结。10/4/2021基础工程课件 降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位，以增加土的自重应力，达到预压目的。其降低地下水位原理、方法和需要设备基本与井点法基坑排水相同。地下水位降低使地基中的软弱土层承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结，增加了土中的有效应力。这一方法最适用于渗透性较好的砂土或粉土或在软粘土层中存在砂土层的情况，使用前应摸清土层分布及地下水位情况等。10/4/2021基础工程课件 5.5挤(振)密法挤密砂桩法夯（压）实法振冲法10/4/2021基础工程课件 一、挤密砂桩法挤密砂（或砂石）桩法是用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔(孔径一段为300mm～600mm)，然后向孔中填入含泥量不大于5%的中、粗砂、粉、细砂料应同时掺入25%~35%碎石或卵石，再加以夯挤密实形成土中桩体从而加固地基的方法。10/4/2021基础工程课件 对于松散的砂土层，砂桩的加固机理有挤密作用、排水减压作用和砂土地基预振作用。对于松软粘性土地基中，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性质。对于砂土与粘性土互层的地基及冲填土，砂桩也能起到一定的挤实加固作用。10/4/2021基础工程课件 （一）砂土加固范围的确定砂桩加固的范围A(m2)必需稍大于基础的面积，一般应自基础向外加大不少于0.5m或0.1b(b为基础短边的宽度，以m计)。一般认为砂（石）桩挤密地基的宽度应超出基础宽度，每边宽度不少于13排；用于防止砂土液化时，每边放宽不宜少于处理深度的1/2，且不小于5m；当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化土层时，每边放宽不应小于液化层厚度的1/2，并不应小于3m。10/4/2021基础工程课件 A1的大小除与加固范围A有关外，主要与土层加固后所需达到的地基容许承载力相对应的孔隙比有关。下图表示砂桩加固后的地基。假设砂桩加固前地基土的孔隙比为e0，砂土加固范围为A，加固后土孔隙比为e1。从加固前后的地基中取相同大小的土样可见，加固前后原地基土颗粒所占体积不变，由此可得所需砂桩的面积A1（m2）：(二)所需砂桩的面积A110/4/2021基础工程课件 (三)砂桩根数确定A1后，可根据施工设备的能力，地基的类型和地基处理的加固要求，确定砂桩的直径d(m)，目前国内实际采用的直径一般为0.30.6m，由此求出砂桩根数n，则砂桩根数约为：10/4/2021基础工程课件 (四)砂桩的布置及其间距为了使挤密作用比较均匀，砂桩的可按正方形、梅花形布置或等边三角形，也可以为其他形式，如放射形等。梅花形：正方形：10/4/2021基础工程课件 (五)砂桩长度如软弱土层不很厚，砂桩一般应穿透软土层，如软弱土层很厚，砂桩长度可按桩底承载力和沉降量的要求，根据地基的稳定性和变形验算确定。10/4/2021基础工程课件 （六）砂桩的灌砂量为保证砂桩加固后地基达到设计要求的的质量，每根桩应灌入足够的砂量Q(kN)，以保证加固后土的密实度达到设计要求。则每根砂桩的灌砂量为：由上式计算所得灌砂量是理论计算值，应考虑各种可能损耗，备砂量应大于此值。10/4/2021基础工程课件 二、夯（压）实法夯（压）实法对砂土地基及含水量在一定范围内的软弱粘性土可提高其密实度和强度，减少沉降量。此法也适用于加固杂填土和黄土等。按采用夯实手段的不同可对浅层或深层土起加固作用，浅层处理的换土垫层法（第二节）需要分层压实填土，常用的压实方法是碾压法、夯实法和振动压实法。还有浅层处理的重锤夯实法和深层处理的强夯法(也称动力固结法）。10/4/2021基础工程课件 (一)重锤夯实法重锤夯实法是运用起重机械将重锤(一般不轻于15kN)提到一定高度(3-4m)然后锤自由落下，这样重复夯击地基，使它表层(在一定深度内)夯击密实而提高强度。它适用于砂土、稍湿的粘性土，部分杂填土、湿陷性黄土等，是一种浅层的地基加固方法。重锤的样式：常为一截头圆锥体，重为15-30kN，锤底直径0.7m-1.5m，锤底面自重静压力约为15-25kPa，落距一般采用2.5-4.0m。10/4/2021基础工程课件 有效影响深度：重锤夯实的有效影响深度与锤重、锤底直径、落距及地质条件有关。国内某地经验，一般砂质土，当锤重为15kN，锤底直径1.15m，落距3-4m时，夯击6-8遍，夯击有效深度约为1.10-1.20m，为达到预期加固密实度和深度，应在现场进行试夯，确定需要的落距、夯击遍数等。10/4/2021基础工程课件 (二)强夯法强夯法亦称为动力固结法，是一种将较大的重锤(一般约为80-400kN，最重达2000kN)从6-20m高处(最高达40m)自由落下，对较厚的软土层进行强力夯实的地基处理方法。特点：夯击能量大，因此影响深度也大。并具有工艺简单，施工速度快、费用低、适用范围广、效果好等优点。10/4/2021基础工程课件 1.强夯法适用性：适用于碎石类土、砂类土、杂填土、低饱和粉土和粘土、湿陷性黄土等地基的加固，效果较好。对于高饱和软粘土(淤泥及淤泥质土)强夯处理效果较差，但若结合夯坑内回填块石、碎石或其他粗粒料，强行夯入形成复合地基（称为强夯置换或动力挤淤），处理效果较好。2.加固机理：动力挤密、动力固结、动力置换。10/4/2021基础工程课件 3.强夯法的设计(1)有效加固深度：强夯的有效加固深度影响因素很多，有锤重、锤底面积和落距，还有地基土性质，土层分布，地下水位以及其他有关设计参数等。我国常采用的是根据国外经验方式进行修正后的估算公式：式中：W-夯锤重量；h-落距。10/4/2021基础工程课件 指单位面积上所施加的总夯击能，它的大小应根据地基土的类别、结构类型、荷载大小和处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。对于粗粒土可取1000-5000)KN·m／m2；对细粒土可取1500-6000kN·m／m2。夯锤底面积对砂类土一般为(3-4)m2，对粘性土不宜小于6m2。夯锤底面静压力值可取24-40kPa，强夯置换锤底静压力值可40-200kPa。实践证明，圆形夯锤底并设置可取250-300mm的纵向贯通孔的夯锤，地基处理的效果较好。（2）强夯的单位夯击能：10/4/2021基础工程课件 （3）夯击次数与遍数：夯击次数应根据现场试夯的夯击次数和夯沉量关系曲线以及最后两击夯沉量之差并结合现场具体情况来确定。施工的合理夯击次数，应取单击夯沉量开始趋于稳定时的累计夯击次数，且这一稳定的单击夯沉量即可用作施工时收锤的控制夯沉量。但必须同时满足：①最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时，应不大于100mm，当单击夯击能大于6000kN·m时不大于200mm；10/4/2021基础工程课件 ②夯坑周围地基不应发生过大的隆起；③不因夯坑过深而发生起锤困难。各试夯点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为5-15击。夯击遍数一般为2-3遍，最后再以低能量满夯一遍。（4）间歇时间：对于多遍夯击，两遍夯击之间应有一定的时间间隔，主要取决于加固土层孔隙水压力的消散时间。对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，应不小于3-4周，渗透性较好的地基可连续夯击。10/4/2021基础工程课件 （5）夯点布置及间距：夯点的布置一般为正方形、等边三角形或等腰三角形，处理范围应大于基础范围，宜超出1/2-2/3的处理深度，且不宜小于3m。夯间距应根据地基土的性质和要求处理的深度来确定。一般第一遍夯击点间距可取5-9m，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与第一遍相同，也可适减小。10/4/2021基础工程课件 强夯法10/4/2021基础工程课件 强夯法10/4/2021基础工程课件 强夯法10/4/2021基础工程课件 强夯法10/4/2021基础工程课件 强夯法10/4/2021基础工程课件 王曲电厂8000KN.M强夯210/4/2021基础工程课件 榆次大乘寺2000KN.M强夯10/4/2021基础工程课件 三、振冲法振冲法主要的施工机具是振冲器、吊机和水泵。振冲器是一个类似插入式混凝土振捣器的机具，其外壳直径为0.2m-0.45m，长2-5m，重约20-50kN，筒内主要由一组偏心块、潜水电机和通水管三部分组成如下图所示。振冲器有两个功能，一是产生水平向振动力(40～90kN)作用于周围土体；二是从端部和侧部进行射水和补给水。振动力是加固地基的主要因素，射水起协助振动力在土中使振冲器钻进成孔，并在成孔后清孔及实现护壁作用。10/4/2021基础工程课件 振冲器构造示意图振冲施工过程10/4/2021基础工程课件 施工方法：振冲器由吊车或卷扬机就位后，打开下喷水口，启动振冲器，在振动力和水冲作用下，在土层中形成孔洞，直至设计标高。然后经过清孔，用循环水带出孔中稠泥浆后，向桩孔逐段添加填料(粗砂、砾砂、碎石、卵石等)，填料粒径不宜大于80mm，碎石常用20mm-50mm，每段填料均在振冲器振动作用下振挤密实，达到要求密实度后就可以上提，重复上述操作直至地面，从而在地基中形成一根具有相当直径的密实桩体，同时孔周围一定范围的土也被挤密。孔内填料的密实度可以从振动所耗的电量来反映，通过观察电流变化来控制。不加填料的振冲法密实法仅适用于处理粘粒含量不大于10%的粗砂、中砂地基。10/4/2021基础工程课件 适用性：振冲法处理地基最有效的土层为砂类土和粉土，其次为粘粒含量较小的粘性土，对于粘粒含量大于30%的粘性土，则挤密效果明显降低，主要产生置换作用。10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件 振冲桩方法10/4/2021基础工程课件