第七章地基处理-同济大学.ppt

1、第七章第七章 地基处理地基处理 地基处理的对象对象主要是软弱地基和特殊土地基。软弱地基系指主要由软土（淤泥、淤泥质土）、冲填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。第一节第一节 概概 述述一一.地基处理的对象和目的地基处理的对象和目的 软土的特性是含水率高、孔隙比大、渗透系数小、压缩性高、抗剪强度低。软土地基承载力低，在外荷载作用下，地基变形大，不均匀变形也大，且变形稳定历时较长，在比较深厚的软土层上，建筑物基础的沉降往往持续数年甚至数十年之久。软土地基是在工程实践中最需要人工处理的地基。1.软土：软土：淤泥及淤泥质土的总称为软土。杂填土主要特性是强度低、压缩性高和均匀性差，即使在同一建筑场地

2、的不同位置，其地基承载力和压缩性也有较大差异。杂填土未经人工处理一般不宜作为持力层。2.杂填土：杂填土：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。3.冲填土：冲填土：在整治和疏浚江河航道时，用挖泥船通过泥浆泵将夹大量水分的泥砂吹到江河两岸而形成的沉积土。冲填土的工程性质主要取决于颗粒组成、均匀性和排水固结条件，如以粘性土为主的冲填土往往是欠固结的，其强度较低且压缩性较高，一般需经过人工处理才能作为建筑物地基；如以砂性土或其它粗颗粒土所组成的冲填土，其性质基本上与砂性土相类似，可按砂性土考虑是否需要进行地基处理。对软弱土和特殊土进行地基处理，其目的目的就是为了提高地基的强度

3、和保证地基的稳定、降低地基的压缩性、减少地基的沉降和不均匀沉降、防止地震时地基土的振动液化以及消除特殊性土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。4.其它高压缩土其它高压缩土:饱和松散粉细砂及部分粉土，在机械振动、地震等动力荷载的重复作用下，有可能会产生液化或震陷变形。另外，在基坑开挖时，也可能会产生流砂或管涌。因此，对于这类地基土，往往需要进行地基处理。5.特殊土地基：特殊土地基：大部分带有地区性特点，包括湿陷性黄土、膨胀土和冻土等。二、地基处理方法的分类二、地基处理方法的分类地基处理方法的分类可有多种多样。如：按时间按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度按处理深度可分为浅层处理和深层处理；按处理土性

4、对象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按地基处理作用机理可分为置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和冷热等处理方法。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7-1。五大类：换土垫层法、深层密实法、排水固结法、加五大类：换土垫层法、深层密实法、排水固结法、加筋法、化学加固法。筋法、化学加固法。三三 地基处理的原则及其注意事项地基处理的原则及其注意事项地基处理是一门技术性和经验性很强的应用学科。在选择地基处理方法之前，必须认真研究上部结构和地基两方面的特点，并结合当地的经验，选择经济有效的处理方法。地基处理

5、的几条原则。1.针对地质条件和工程特点选用合适的地基处理方法；2.所选用的处理方法必须符合土力学的基本原理;3.根据地基处理的时效特点进行工程验算与控制;4.重视地基处理的工程经验。在众多的地基处理方法中，加固机理、理论分析和计算方法等都尚需进一步研究，因此，经验具有相当重要的作用。岩土工程师必须不断的研究和总结。因地制宜，切忌机械地搬用。换填法就是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，然后换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、干渣等性能稳定且无侵蚀性的材料，并分层夯压至要求的密实度。换填法适用条件：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处

6、理，且建筑物荷载不太大的地基。换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。换填法处理地基时换填材料所形成的垫层，按其材料的不同，可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层等。不同材料垫层上建筑物沉降特点基本相似，各种材料垫层的设计都可参照砂垫层方法。第二节第二节 换填法换填法换填法处理地基的作用主要有以下几个方面：(1)提高地基承载力地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高地基承载力，从而避免地基破坏。(2)减少地基沉降量基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在

7、地基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。另外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。一、换填法的作用和适用范围一、换填法的作用和适用范围由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。(3)加速软弱土层的排水固结由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高地基土强度。(4)防止地基土冻胀在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的，如建

8、筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。换填法主要适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。二、垫层的设计与计算二、垫层的设计与计算换填法处理软弱地基的设计内容主要是确定垫层的厚度和宽度。对于换土垫层，根据建筑物对地基强度和变形的要求，既要求垫层有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求垫层有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出；而对于排水垫层，则主要是在基础底面下设置厚度为30cm的砂、砂石或碎石等透水性大的垫层，以形成一个排水层，从而促使软弱土层的排水固结。(一一)垫层厚度的确定垫层厚度的确定垫层厚度(图7

9、-1)应根据垫层底面下卧软弱土层的承载力来确定，即要求作用在垫层底面处土的自重压力与附加压力之和不大于下卧软弱土层顶面处的地基承载力，应满足下式要求：式中垫层底面处的附加压力(kPa)；垫层底面处的自重压力(kPa)；垫层底面处经深度修正后的下卧土层地基承载力设计值(kPa)。垫层底面处的附加压力，除了可用弹性理论的土中应力公式进行计算外，常用的是按压力扩散角的方法进行简化计算。具体设计时，可根据下卧土层的地基承载力，先假设一个垫层的厚度，然后按式(7-1)进行验算，若不符合要求，则改变厚度，重新再验算，直至满足要求为止。(二二)垫层宽度的确定垫层宽度的确定确定垫层宽度时，应满足基础底面压力扩

10、散的要求，同时还应考虑到垫层应有足够的宽度以及垫层侧面土的强度条件，以防止垫层材料向侧边挤出而增加垫层的竖向变形量。垫层的宽度可按式(7-4)压力扩散角的方法进行计算，或根据当地经验确定。式中垫层底面宽度(m)；垫层压力扩散角，按表7-3采用，但当0.25时，仍按0.25取值。(三三)地基变形计算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

11、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)。三、垫层的施工三、垫层的施工采用砂、石填料时，垫层施工应注意以下几方面：（1）垫层的砂料必须具有良好的压实性。砂料的不均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，容许在砂中掺入一定数量的碎石，但要分布均匀。如果用碎石作垫层，其强度较高，易于夯实，还可以水下抛填；碎石的直径一般不应超过10cm。碎石的含泥量不应超过3%；有机质含量和水稳定性都应控制在一定范围之内。（2）垫层的质量关键是如何把垫层密实到设计要求的密实度。加密的方法可采用振动法、水撼法、碾压法等。要严格控制垫层的松铺厚度，一般为1520c

12、m。分层密实，及时进行质量检查。（3）开挖基坑铺设垫层时，必须避免对软土层的扰动，否则由于坑底土的扰动，使土的结构遭到破坏，强度降低而导致附加沉降增加。当采用碎石垫层时，最好在基坑底面先铺一层砂垫底，然后再铺碎石。（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。排水固结法是在建筑物建造之前，在场地上进行加载预压，使土体中部分孔隙水逐渐排出，地基固结，土体强度逐渐提高，沉降提前完成的方法。排水固结法主要

13、是用于处理海相、湖相以及河相沉积的软弱粘土层，这类土的特点是含水率大、压缩性高、强度低、透水性差，而且沉降持续的时间很长。采用排水固结法，可以使土体的强度增长，地基承载力提高；相对于预压荷载的地基沉降，在处理期间部分消除或基本消除，使建筑物在使用期间不会产生不利的沉降或沉降差。第三节第三节 排水固结法排水固结法地基土的排水固结效果与它的排水边界有关，根据固结理论，粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成正比。如图7-2所示，这是一种典型的单向固结情况。当土层较薄或土层厚度相对荷载宽度较小时，土中孔隙水可以由竖向渗流经上下透水层排出而使土层固结。但当软土层很厚时，一维固结所需的时间很长，为了满足工

14、程的要求，加速土层固结，最有效的方法就是在地基中增加排水途径，如图7-2所示，这是目前常用的由砂井（袋装砂井）或塑料排水板构成的竖向排水系统以及由砂层构成的横向排水系统，在荷载作用下促使孔隙水由水平向流入砂井，竖向流入砂垫层，从而固结时间可以大大缩小。一、加固机理 要使土体中孔隙水排出，必须对土体施加荷载，所以排水固结还必须配有加载系统。加载系统的形式和方法很多，目前常用的方法有：堆载法、真空法、降水法、电渗法和联合法等。排水固结法处理地基主要有以下两种情况。(一)等载预压 （二）超载预压（二）竖向系统设置竖向系统的目的是为了创造一个水平向渗流边界。根据我国的情况，大致有以下几种形式：3050

15、cm直径的普通砂井；712cm直径的袋装砂井；各种类型的塑料排水板等。二、排水系统 排水系统分为水平排水系统和竖向排水系统两种。（一）水平排水系统 水平排水系统是指软土层顶面的排水砂层，目的是为了创造一个竖向渗流的排水边界。排水垫层的材料，一般采用透水性好的砂料，其渗透系数不低于10-3，同时能起到一定的反滤作用，并要求含泥量不超过3%。四、加载系统 土体孔隙水是靠地面荷载所产生的应力将其挤出的，所以加载系统的设计和选择关系到预压排水固结的效果。（三）真空预压法（）堆载预压法（二）降水预压法（四）联合预压法三、地基固结度计算地基固结度计算主要时根据图7-2所示的两种边界条件作出的。土的密实原理

16、是利用各种机械功能，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。利用密实原理处理地基的方法有：碾压、夯实、挤密和震密等四类。以上四类方法适用于非饱和粘性土以及饱和或非饱和的砂类土。第四节第四节 密实法密实法一、碾压法碾压法是利用各种压实机械，如压路机、铲运机、羊足碾等的机械重量对土进行压实。由于机械的重量有限，压实功能小，压实的影响深度很浅，所以碾压法主要用于填土工程，如土坝、路堤或大面积回填土，这类工程一般都是把土作为回填材料，因此可采用分层碾压的办法来达到密实的效果。二、夯实法夯实法是利用冲击能来击实地基。根据冲击能大小，可分为重锤夯实和强夯两类。（一）

17、重锤夯实用起重机械将夯锤提高到一定的高度后，然后将其自由下落，利用冲击能量将地基夯实。夯击的能量随着夯锤的重力和落距的增加而增加，夯锤的重力一般为1530kN，落距一般为2.54.5m，夯击812遍后，夯实的影响深度一般能达到锤底直径的一倍左右，约1.2m。但若在影响深度范围内，地下水位高且存在有低渗透性饱和软土时，软土结构很可能被破坏，而水又无法排出，从而形成所谓“橡皮土”，在这种情况下，土层则不可能达到密实的效果，应特别注意。（二）强夯法强夯法的特点是夯击能量特别大，锤重一般为100400kN，落距为640m。国外最大的夯击能曾达到50000kNm。强夯法可用来处理各类碎石土、沙土、低饱和

18、度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。强夯法是在极短的时间内对地基施加一个巨大的冲击能量，加荷历时一般只有几十毫秒，这种突然释放的巨大能量，转化为各种振动波向土中传播，破坏土的结构。强夯后地基强度提高的过程可分为四个阶段：强制压缩或震密；土体液化或土结构破坏；排水固结压密；触变恢复和固结压密。所以强夯也称为动力固结。三、挤密法挤密法是指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，并与原地基形成一种复合型地基，从而改善地基的工程性能。根据施工方法和灌入材料不同，可分为沉管挤密砂（或碎石）桩、振冲碎石桩、石灰桩、灰土桩、渣土桩、

19、爆扩桩等。挤密法加固地基的作用，可以从两个方面分析。首先在成孔过程中，由于套管排土使在成孔的有效影响范围内的土孔隙比减小，密实度增加；然后用填料填入振密成桩。这种桩虽是柔性桩，但其性质比原土要好得多，在某种意义上讲，桩体本身是一种置换作用。由于柔性桩的变形比刚性桩大得多，因此可以把它看作地基的一部分。一、注浆法 注浆法亦称灌浆法，是利用液压、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。根据注入材料注浆法可分为水泥注浆和化学注浆两类。第五节第五节 化学加固法

20、化学加固法 化学加固法是将某些能固化的化学浆液，采用压力注入或机械拌入的施工方法，把土颗粒胶结起来，从而改善地基土的物理力学性质。化学加固地基处理方法主要有注浆法、深层搅拌法等。（二）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。这种方法主要是用来处理黄土等非饱和土或渗透性较好的土。对于渗透性比较低的饱和的粘性土，在注浆的同时，利用注浆管作为阴极，另外再打入一根金属棒作为阳极，通直电流，利用电渗电泳作用，促使化学溶液在土孔隙中移动，可以起到更好的加固效果，这种方法称为电化学加固。化学加固由于机械操作比较灵活，还常用来处

21、理既有建筑物和设备基础的托换工程。（一）水泥注浆 把一定水灰比的水泥浆注入土中形成加固体。我国使用的水泥土深层搅拌机械有两种：单头和双头搅拌机。水泥土深层搅拌法施工工艺见图7-15所示。单头机的搅拌片长5070cm，最终形成一根直径为5070cm的水泥土桩；双头搅拌机为两把上下交错20cm的刀片，刀片长70cm，最终形成一根截面为“8”字形的双头水泥土桩，横截面面积为0.71m2，周长为3.35m，由两根直径为0.7m的圆重叠搭接20cm构成，见图7-16。二、水泥土搅拌法 通过特制的深层搅拌桩或喷粉机械，就地将软弱土和水泥浆（或粉）等固化剂强制搅拌混合，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土，与天然地基形成复合地基，共同承担建筑物的荷载；或筑成水泥土搅拌桩格式壁状加固体作为开挖基坑的围护体。