地基处理经典讲义2.ppt

1,第5章 地基处理,第1节 概述第2节 垫层法第3节 排水固结法第4节 深层水泥搅拌法第5节 高压喷射注浆法第6节 强夯法第7节 振冲法,2,地基:是指直接承受建筑物荷载的那一部分地层。天然地基:对地质条件良好的地基，可直接在其上修筑建筑物而无需事先对其进行加固处理，此种地基称为天然地基。在工程建设中，有时会不可避免地遇到地质条件不良或软弱地基，若在这样的地基上修筑建筑物，则不能满足其设计和正常使用的要求；同时随着科学技术的不断发展，建筑物的荷载日益增大，对地基变形的要求也越来越严，因而，即使原来一般可被评价为良好的地基，也可能在特定的条件下必须进行地基加固。这些需经人工加固后才可在其上修筑建筑物的地基称为人工地基。,第1节 概 述,3,淤泥、淤泥质土在工程上统称为软土，其具有特殊的物理力学性质，从而导致了其特有的工程性质。,工程中常需要处理的土类主要为：淤泥及淤泥质土、粉质粘土、细粉砂土、砂砾石土、黄土、膨胀土、红粘土及岩溶等。,地基处理:就是指对不能满足承载力和变形要求的地基进行人工处理，以便能满足工程要求，亦称之为地基加固。,4,软土：指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用下形成的软弱土。,软土物理力学特性,天然孔隙比大：e1,天然含水量高：接近或大于液限,压缩系数高,渗透系数小 固结缓慢,抗剪强度低,灵敏度高 扰动会影起结构破坏,具有明显的流变性,流变：在应力不变的情况下，土体的剪应变和体应变仍随时间而增长的现象。,软土地基,5,淤泥：e1.5,淤泥质土：1.5 e1.0,软土,工程特性软土地基的,地基承载力低,建筑物的沉降和差异沉降较大,建筑物沉降历时长,软土地基,6,粉细砂、粉土和粉质土：在机器振动、波浪和地震等动荷载作用下易产生液化、震陷。砂土、砂砾石等：透水性大，抗渗和防渗，防止渗透破坏.地基的透水性表现在堤坝等基础产生的地基渗漏；基坑开挖工程中，因土层内夹薄层粉砂或粉土而产生流砂和管涌。都是地下水的运动中所出现的问题。为此，必须采取措施使地基土降低透水性和减少其上水压力。,7,地基处理的目的:主要是改善地基的工程性质，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度，改善其动力特性，提高地基的抗震(振)性能等,使其满足工程要求。工程要求包括：强度要求、变形要求、动力稳定性要求、透水性要求、特殊土地基安定性要求。,地基处理的目的,8,强度要求：满足地基土在上部结构的自重及外荷载作用下不致产生局部或整体剪切破坏。变形要求:满足地基土在上部结构的自重及外荷载的作用下不致产生过大的沉降，特别是超过建筑物所能容许的不均匀的沉降。动力稳定性要求:满足地基土在动力荷载（如地震荷载）作用下不致发生液化、失稳和震陷等灾害。透水性要求:满足地基土的地下水不会由于施工而造成渗漏量或动水压力超过容许值，发生涌土、流砂、边坡滑边等事故。特殊土地基安定性要求:满足湿陷性黄土、膨胀土、内陆性盐渍土等特殊土上的建筑物不会由于不良土性而发生损坏。,地基处理的目的,9,各类地基处理方法，均有各自的特点和作用机理，在不同的土类中产生不同的加固效果，并也存在着局限性。地基的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不尽相同的，材料、施工机具和施工条件等亦存在显著差别，没有哪一种方法是万能的。因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过方案的比选，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种方法的综合处理。,地基处理的原则,10,地基处理方法的分类,要掌握地基处理的主要方法、适用范围及加固原理.注意：很多地基处理方法具有多重加固处理的功能，例如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重功能；而石灰桩则具有挤密、吸水和置换等功能。,11,地基处理方法的分类,1.换土垫层法 换土垫层法的基本原理是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂（或砂石）垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层等。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、浜填土、以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。2.振密、挤密法 振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。（1）表层压实法（2）重锤夯实法 利用重锤自由下落时的冲击能来夯击浅层土，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层。,12,（3）强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性，消除土的湿陷性、胀缩性和液化性。（4）振冲挤密法 振冲挤密法一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，颗粒重新排列，孔隙比减小；另一方面依靠振冲器的水平振动力，形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压密实。（5）土桩与灰土桩法 利用打入钢套管（或振动沉管、炸药爆破）在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土变得密实，然后在孔中分层填入素土（或灰土）后夯实而成土桩（或灰土桩）。,13,（6）砂桩 在松散砂土或人工填土中设置砂桩，能对周围土体产生挤密作用或同时产生振密作用。（7）爆破法 利用爆破产生振动使土体产生液化和变形，从而获得较大的密实度，用以提高地基承载力和减小沉降量。3.排水固结法 基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。（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,14,4.置换法 原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。（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 通过在土层中埋设强度较高的土工聚合物、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）土工聚合物（2）加筋土（3）土层锚杆（4）土钉（5）树根桩法,15,6.胶结法(化学加固法）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）注浆法（2）高压喷射注浆法（3）水泥土搅拌法,16,地基处理方法的选择,17,第2节 夯实法及碾压法,通过夯锤或机械，夯击或碾压填土、疏松土层，使其孔隙体积减少、密实程度提高，这种作用称为压实。压实能降低土的压缩性、提高其抗剪强度、减弱土的透水性，使经过处理的表层弱土成为能承担较大荷载的地基持力层。,18,一、土的压实原理 大量工程实践和试验研究表明，控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。,19,1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。,w,d,0,dmax,wop,20,试验统计表明：最优含水量wop与土的塑限wp有关，大致为wop=wp+2%。土中粘土矿物含量大，则最优含水量大。2.压实功能 对于同类土，随着压实功能的变化，最大干密度和最优含水量也随之变化。当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大；反之，干密度较大，对应的最优含水量则较小。,21,二、机械碾压法,常用机械：平碾、羊足碾、压路机等（注意适用条件）,适用条件：大面积填土和杂填土,施工质量控制：a:土的含水量为wop;b:土的分层厚度300mm左右；,三、振动压实法,常用机械：振动压实机,适用条件：杂填土、炉渣、细砂、碎石土等。,压实效果：影响深度1.21.5m，承载力可达100120kPa。,注意：不宜地下水位高，对周围影响3m范围。,四、重锤夯实法,常用机械：由起重机将重锤提至一定高度后自由落下，重复夯击使土密实。,施工要求：锤重1530kN，落距2.54.5m，夯打812遍，影响深度1.2m左右。,22,第3节 换土垫层法,当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基的要求时，常在地基表面铺设一定厚度的垫层，或将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。这种处理地基表层的方法称为垫层法。,23,按其组成的材料可分为:砂垫层、碎石垫层、灰土垫层和加筋土垫层等。按其作用分为：换土垫层、排水垫层和加筋土垫层。1.换土垫层：是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、等强度较大、性能稳定和无侵蚀性材料。换土垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。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、湿陷性黄土、松散素填土、杂填土、浜填土、以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。处理深度常控制在3米范围以内,所承受建筑物的荷载不宜太大。也不宜小于0.5m，因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。,24,砂垫层,25,其作用为：提高浅层地基承载力；减小地基沉降量；通过垫层，扩散基底压力，均化应力分布；垫层（砂、石）可作为基底下水平排水层，加速软弱土层的排水固结；消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性、防止土的冻胀作用。常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。2.排水垫层：指软土地基上堤坝基底铺设的水平排水层，采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑。其作用主要是排水固结和约束地基的侧向变形。3.加筋土垫层：指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。改善应力场和应变场，均化应变。,26,换土垫层的设计 换土垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度两方面，要求有足够厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，有足够宽度防止垫层向两侧挤出，又要求设计荷载通过垫层扩散至下卧软土层的附加应力，满足软土层承载力与稳定性和沉降的要求。垫层厚度目前常用的计算方法是近似按应力扩散角进行计算。即认为砂垫层以“”角向下扩散基底附加压力，到砂垫层底面(下卧层顶面)处的土中附加压应力与土中自重应力之和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力，即：,27,(1).砂垫层厚度的确定,28,z,z,对矩形基础:,垫层底面处的附加压力,条形基础:,垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。计算时，先假设一个垫层厚度（1-2m)，再按上式验算。,29,(2)垫层宽度的确定 垫层宽度应满足基础底面压力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定。,对于比较重要的建筑物，还应计算地基的变形量。地基变形仅考虑下卧土层的变形量。垫层材料应分层夯实并达到一定的密实度，以保证其自身的承载力满足设计要求。,30,第3节 排水固结法,排水固结预压法:即指给地基预先施加荷载，为加速地基中水分的排出速率，同时在地基中设置竖向和横向的排水通道，使得土体中的水分排出，逐步固结，以达到提高地基承载力和稳定性、减小沉降量目的的一种地基处理方法。,31,排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成。设置排水系统的目的，主要在于改变地基原有的排水边界条件，缩短孔隙水排出的路径，加快排水固结时间。排水系统由竖向排水体和水平向排水体构成，竖向排水体如砂井，水平排水体为砂垫层。加压系统主要作用是给地基土增加固结压力，使其产生固结。加压的方式通常可利用建筑物（如房屋）或构筑物（如路堤、堤坝等）自重、专门堆载、充水（如油罐充水）及抽真空施加负压力荷载等。,32,目的：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；稳定问题：加速地基土的强度的 增长，提高地基的承载力和稳定性。,33,5.3.1 排水固结预压法加固原理,室内压缩试验说明排水固结法原理,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。,进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力沉降减少，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。,34,当土样在天然状态下施加荷载压力至完全固结时，曲线从天然状态a点开始，在作用下，土中水排出，土体固结压密，沿曲线abc到达c点，孔隙比减少e,相应抗剪强度逐渐增大。在完全固结c点，卸去全部荷载后，曲线立即回弹，沿cef曲线返回f点，有效固结压力恢复至天然状态，由于土样孔隙中水部分被固结排走，孔隙比只能回弹到ef,同样抗剪强度也只能恢复部分，不能恢复到天然状态，常把这种称为超固结状态。在超固结状态下的土样又再施加荷载压力至完全固结时，曲线从f点沿fgc再固结压缩至c点。,35,显然在相同的固结压力下，当给土样预先施加一个荷载后，再给土样施加荷载，则土样的密实度和抗剪强度提高(图中的f点、e点分别要比a点和b点高)，变形减小（ee）。利用这个原理，如果在建筑场地上预先施加一个与上部结构荷载相同甚至大于它的荷载进行预压，使土层得以排水固结，然后卸除荷载再在其上修建建筑物或构筑物，则由建筑物引起的沉降可大大减小。,36,（1）提高建筑物软土地基的承载力与稳定性，常用于堤坝、油罐等的修筑。（2）消除或减少基础（底）的沉降，常用于减少建筑物基础的沉降或消除高速公路路堤的工后沉降等。,主要应用于：,37,土层的排水固结效果和它的排水边界条件及预压荷载有关。当土层厚度相对于荷载宽度比较小时，土层中孔隙水向上下面透水层排出而使土层发生固结，称为竖向排水固结。根据固结理论，粘性土固结所需时间与排水距离的平方成正比。因此，为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。可在地基中设置各类竖向排水体，如普通砂井、袋装砂井、塑料排水带和水平排水垫层等。,38,竖向排水情况,砂井地基排水情况,按固结所需的渗径距离，均匀布置，利用机械，垂直打入一定深度的井孔，内灌透水性好的砂，形成排水砂井。作用：增加排水通道，缩短渗径，加速地基固结、强度增长和沉降发展。,39,排水固结预压法主要适用于处理淤泥、淤泥质土及其他饱和软粘土。对于砂类土和粉土，因其透水性良好，无需用此法处理。(一)天然地基堆载预压法(二)砂井堆载预压法(三)真空预压法,40,5.3.2 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。,41,5.3.3 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,42,（一）砂井地基的设计,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300500mm。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68倍选用。,43,2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1020m）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。,3砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或等边三角形，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：,等边三角形布置,正方形布置,44,4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24m。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。,6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0.5 m1 m。,45,(二)袋装砂井预压法 目前国内应用的袋装砂井直径一般为70120mm，间距为1.0m2.0m(井径比n约取1520)。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。袋装砂井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。井径比砂井排水影响面积的等效圆直径与砂井直径之比。,46,袋装砂井,47,(三)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。,48,多孔单一结构型塑料排水板,复合结构塑料排水板,49,塑料排水板,50,塑料排水板施工,51,施工后的塑料排水板,52,5.3.4堆载预压的计算步骤 因软粘土地基抗剪强度较低，无论直接建造建(构)筑物还是进行堆载预压往往都不可能快速加载，而必须分级逐渐加荷，待前期荷载下地基强度增加到足以加下一级荷载时才可加下一级荷载。具体计算步骤是，首先用简便的方法确定一个初步的加荷计划，然后校核这一加荷计划下地基的稳定性和沉降，其步骤如下：,53,1.利用地基的天然地基土抗剪强度计算第一级容许施加的荷载P1，对饱和软粘土可采用下列公式估算：,K安全系数，建议采用1.11.5；cu天然地基的不排水抗剪强度(kPa)；基底标高以上土的重度(kN/m3)；D基础埋深(m)。,54,2.计算第一级荷载下地基强度增长值。在荷载作用下，经过一段时间预压地基强度会提高，提高以后的地基强度为Cu1：,考虑剪切蠕变的强度折减系数；CuP1作用下地基因固结而增长的强度。,3.计算P1 作用下达到所确定固结度所需要的时间,目的在于确定第一级荷载停歇的时间，亦即第二级荷载开始施加的时间。,55,4.根据第二步所得到的地基强度Cu1 计算第二级所能施加的荷载P2,P2可近似地按下式估算：,同样，求出在P2作用下地基固结度达70时的强度以及所需要的时间，然后计算第三级所能施加的荷载，依次可计算出以后的各级荷载和停歇时间。,5.按以上步骤确定的加荷计划进行每一级荷载下地基的稳定性验算。如稳定性不满足要求，则调整加荷计划。,56,6.计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量。这一项计算的目的在于确定预压荷载卸除的时间。这时地基在预压荷载下所完成的沉降量已达到设计要求，所余的沉降量是建筑物所允许的。,p1,p2,p3,T1,T2,T3,T4,T5,57,5.3.5 超载预压 对沉降有严格限制的建筑，应采用超载预压法处理地基。经超载预压后，如受压土层各点的有效竖向应力大于建筑物荷载引起的相应点的附加总应力时，则今后在建筑物荷载作用下地基土将不会再发生主固结变形，而且将减小次固结变形，并推迟次固结变形的发生。超载预压可缩短预压时间.,58,5.3.6 真空预压法,真空预压法实质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由排水通道排出，从而使土体固结。,59,降低水位预压法,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。,60,工程实例,1 工程概况 浙江炼油厂位于浙江省镇海县境内，整个厂区座落在杭州湾南岸的海涂上，厂区大小油罐60余个，其中1万m3 的油罐10个，罐体采用钢制焊接固定拱顶的结构型式。1万m3 的油罐直径D31.28m，采用钢筋混凝土环形基础，环基高度取决于油罐沉降大小和使用要求，本设计环基高h2.30m，其中填砂。罐区地基土属第四纪滨海相沉积的软粘土，土质十分软弱，而油罐基底压力达p=191.4kN/m2。,61,2 地基土层分布场地地基土层自上而下分为以下几层：第一层为黄褐色粉质粘土硬壳层，为超固结土，厚度在1m左右；第二层为淤泥质粘土，厚度约3.20m；第三层为淤泥质粉质粘土，其中夹有薄层粉砂，平均厚度为4.0m；第四层为淤泥质粘土，其中含有粉砂夹层；下部粉砂夹层逐渐增多而过渡到粉砂层，此层平均厚度为9.30m；第五层为粉、细、中砂混合层，其中以细砂为主并混有粘土，平均厚度为8.0m；第五层以下为粘土、粉质粘土及淤泥质粘土层，距地面50.0m左右为厚砂层，基岩在80m以下。主要持力层土含水量高(超过液限)，压缩性高，抗剪强度低。油罐地基采用砂井并充水预压处理。,62,3 砂井设计 砂井直径40cm、间距2.5m，采用等边三角形布置，井径比n为6.6。考虑到地面下17m处有粉细中砂层，为便于排水，砂井长度定为18m，砂井的范围一般比构筑物基础稍大为好，本工程基础外设两排砂井以利于基础外地基土强度的提高，减小侧向变形。砂井布置如下图：,63,4 砂井施工 本工程采用高压水冲法施工，即在普通钻机杆上接上喷水头，外面罩上一定直径的切土环刀，由高压水和切土环刀把泥浆泛出地面从排水沟排出，当孔内水含泥量较少时倒入砂而形成砂井。该法机具简单、成本低、对土的结构扰动小，缺点是砂井的含泥量较其他施工方法为大。施工时场地上泥浆多，在铺砂垫层前必须进行清理。,64,5 效果评价 本工程经现场沉降观测和孔隙水压力观测。在充水预压过程中，除个别测点外，孔隙水压力和沉降速率实测结果均未超过控制标准，罐外地面无隆起现象，说明在充水过程中地基是稳定的。从固结效果来看，当充水高度达罐顶后30天(即充水开始后110天)孔隙水压力已经基本消散。放水前实测值已接近最终值，说明固结效果是显著的。因此，可认为该工程采用砂井充水预压，在技术上效果是好的。,65,化学加固法,化学加固法是采用化学浆液灌入或喷入土中，使土体固结（土粒胶结）的地基加固方法。包括灌浆法、深层水泥搅拌法、高压喷射注浆法。,一、灌浆法,灌浆法是利用液压、气压或电化法，通过灌浆 管把化学浆液灌入土的孔隙中，以填充、渗透 挤密等方式，替代土颗粒间孔隙，经一定时间 硬化后将松散的土粒固结成整体。,化学浆液：水泥浆+稳定剂+减水剂+早强剂,加固目的：防渗、加固地基、地基托换。,66,第4节 深层水泥搅拌法,深层搅拌法（Deep Mixing MethodDMM）是一种化学加固地基的方法。它通过特制机械各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆、水泥粉或石灰粉，外掺一定的添加剂）与地基土强制就地搅拌，利用固化剂自身及其与地基土之间所产生的一系列物理、化学反应，使地基土硬结成为具有整体性、水稳定性、较低渗透性和一定强度的复合土桩（体），或与地基土构成复合地基，从而提高软土地基的承载力、减小地基的变形。,67,水泥土搅拌桩的应用,支护结构 重力式支护结构；止水帷幕；地基加固 提高地基强度；控制沉降；防止液化 适用于淤泥质土、粉质粘土和低强度的粘性土地基。,68,支护结构水泥土墙,69,支护结构水泥土墙,70,灌浆锚杆,71,支护结构水泥土墙,72,支护结构水泥土墙,73,水泥土搅拌桩的应用地基加固,a)柱状布置；b)壁状布置；c)格栅状布置；d)块状布置,74,建筑物的地基加固，常采用桩型水泥土加固体，荷载不大时，可用单轴单桩体，较大时用双轴桩体，平面上按基础的形状均匀布置；如基础面积大，对地基均匀沉降要求高，应按格室形或墙体型布置水泥土加固体。,75,地基加固,76,深层搅拌法按固化主剂的不同可分为水泥系深层搅拌法和石灰系深层搅拌法；按施工工艺又可分为浆体喷射深层搅拌法和粉体喷射深层搅拌法（湿喷和干喷）。水泥系深层搅拌法所形成的固化土称为水泥土（水泥加固土），影响水泥土强度的主要因素有：,77,水泥土的无侧限抗压强度随水泥掺入比的增大而增大。工程上常用的aw约为725%。,1.水泥掺入比,78,2.龄期 水泥土的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增大，其强度增长规律不同于混凝土，一般在T28d后强度仍有较大增长。直到90d后其强度增长率逐渐变缓。所以，以龄期90天作为标准强度。3.地基土的含水量 当水泥掺入比相同时，水泥土的无侧限抗压强度随着含水量的降低而增大。含水量的降低使水泥土的密实性得到增强，从而提高了强度。,79,4.水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增大。在水泥掺入比相同的条件下，水泥标号每提高100号，水泥土的无侧限抗压强度约增大2030。5.添加剂 在水泥系深层搅拌法中，常选用木质素磺酸钙、石膏和三乙醇胺等添加剂。添加剂对水泥土强度的影响程度可通过试验来确定。,80,（一）粉体喷射搅拌法(粉喷桩法),施工方法：通过专用的施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将固化剂（生石灰或水泥粉体材料）以雾状喷入加固部位的地基土，凭借钻头和叶片旋转使粉体加固料与软土原位搅拌混合，自下而上边搅拌边喷粉，直到设计停灰标高。为保证质量，可再次将搅拌头下沉至孔底，重复搅拌。,优、缺点：优点是以粉体作为主要加固料，不需向地基注入水分，因此加固后地基土初期强度高，可以根据不同土的特性、含水量、设计要求合理选择加固材料及配合比，对于含水量较大的软土，加固效果更为显著；施工时不需高压设备，安全可靠，对周围环境无污染、振动等不良影响。缺点是由于目前施工工艺的限制，加固深度不能过深，一般为815m。,81,粉体喷射搅拌施工作业顺序,a）搅拌机对准桩位；b）下钻；c）钻进结束 d）提升喷射搅拌 e）提升结束,82,(二)水泥浆搅拌法（深搅桩法）,施工方法：用回转的搅拌叶将压入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成水泥加固体。搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成，并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备。我国生产的搅拌机现有单搅头和双搅头两种，加固深度达30m形成的桩柱体直径60cm80cm(双搅头形成8字形桩柱体)。,与粉体喷射搅拌法相比有其独特的优点：1.加固深度加深；2.由于将固化剂和原地基软土就地搅拌，因而最大限度利用了原土；3.搅拌时不会侧向挤土，环境效应较小；,83,(a)定位(b)喷浆搅拌下沉(c)搅拌上升(d)重复喷浆搅拌下沉(e)重复搅拌上升(完毕),(a),(b),(c),(d),(e),搅拌工艺,打入深度较大，应自上而下，或自下而上分段搅拌。控制提升速度、喷浆速度,84,二、复合地基理论,复合地基：是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体（天然地基土体或被改良的天然地基土体）和增强体两部分组成的人工地基（区别于均质地基）。复合地基上部结构的荷载由基体和增强体共同承担（区别于桩基础）。根据地基中增强体的方向可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两类。,85,竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基，桩体复合地基中，根据桩体是由散体材料组成，还是由粘结材料组成，以及粘结材料桩的刚度大小，可作如下分类：,1、复合地基分类,竖向增强体复合地基,散体材料桩复合地基,粘结材料桩复合地基,柔性桩复合地基,半刚性桩复合地基,复合地基,水平向增强体复合地基-加筋体复合地基,散体材料桩只有依靠周围土体的围箍作用才能形成桩体。散体材料桩复合地基包括碎石桩复合地基、砂桩复合地基等。柔性桩复合地基包括灰土桩复合地基、石灰桩复合地基等。半刚性桩复合地基包括CFG桩复合地基、低强度混凝土桩复合地基、水泥土搅拌桩、旋喷桩复合地基等。,86,2、复合地基常用概念,1.复合地基面积置换率 若桩体的横截面积为Ap，该桩体所承担的加固面积为Ae，则复合地基面积置换率的定义为,对只在基础下布桩的复合地基，桩的截面面积之和与基础总面积相等的复合土体面积之比，称为平均面积置换率。,桩体在平面上的布置形式：等边三角形布置、正方形布置和矩形布置。,87,a）正方形布置 b）等边三角形布置 c）长方形布置,88,若桩体为圆形，直径为d，则对等边三角形布置、正方形布置和矩形布置的情形，复合地基面积置换率分别为：,复合地基桩土荷载分担比:即桩与土分担荷载的比例。,Pp桩承担的荷载；Ps桩间土承担的荷载P总荷载。,89,设计原理,桩土共同承载承载 桩的承载力+桩间土承载力（折减）沉降 桩范围的压缩+桩端以下土的沉降,90,3、复合地基承载力计算,式中 fspk 复合地基承载力特征值（kPa）；m 复合地基面积置换率；f pk桩体承载力特征值（kPa）；fsk处理后桩间土承载力特征值（kPa）；Ra单桩竖向承载力特征值（kN）；Ap桩的截面积（m2）；桩间土承载力折减系数。,（1）,（2）,式（1）适用于散体材料桩和桩身强度较低的柔性桩复合地基，其中常常可取1.0；式（2）适用于桩身强度较高的柔性桩和刚性桩复合地基，其中通常小于1.0。,91,单桩竖向承载力特征值,水泥土90d龄期的无侧限抗压强度平均；桩身强度折减系数,干法可取0.20.3 湿法可取0.250.33；桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.40.6,承载力高时取低值。_桩侧阻力特征值,对淤泥取4-7kpa,对淤泥质土6-12kpa,对软塑状粘性土10-15kpa,对可塑状粘土12-18kpa.桩端地基土未修正的承载力特征值.,qsi,qp,92,确定桩长、水泥掺入比：当软土较厚，搅拌桩不穿透软土层时，由无侧限抗压强度（试验得）按（1）式计算单桩承载力特征值，再由（2）式反算所需桩长。当软土不厚，桩端可进入下部硬土层，或因施工限制加固深度，可直接定桩长，计算Ra,由Ra推求水泥掺入比。,93,下卧层地基强度验算,式中 假想实体基础底面压力(kPa)；A基础底面积(m2)；Au假想实体基础侧表面积(m2)；fe假想实体基础侧表面平均摩阻力；Ac 假想实体基础底面积(m2)；fc 假想实体基础底面经修正后的地基 承载力特征值。,=PkA+Gk-fS(A-AC)-feAu/Acfc,94,桩,桩,土,Gk,Ac,fc,fe,l,fs,PkA,95,沉降计算,水泥土桩复合地基的沉降包括：水泥土桩群体的压缩变形 桩端下未加固土层的压缩变形 均可按分层总和法计算。,96,例题1:某柱下独立基础基底尺寸为48米,埋深2米,基础下天然地基为淤泥质土,承载力特征值fak=80kpa,不能满足设计要求,欲采用水泥土搅拌桩进行加固,水泥土搅拌桩直径500mm,桩体无侧限抗压强度为2 MPa,要求加固后复合地基承载力特征值为160kpa,试确定水泥土搅拌桩的长度和数量.求m,n=mA/Ap求桩长,97,例题2:某房地产开发公司拟在15m厚软粘土（其承载力特征值为100kPa，重度=18kN/m3)上建造六层楼住宅楼，软土下为承载力特征值为200kPa的粘性土。采用筏板基础，尺寸为20m50m，为计算简便，假设基础置于地表。拟采用复合地基方案，复合地基承载力取130kPa。若选用人工成孔石灰桩复合地基方案，桩长5m，桩径300mm，石灰桩桩身抗压强度比例界限值为400kPa，石灰桩线膨胀系数取1.1，桩间土承载力提高系数取1.15，压力扩散角取23。试验算石灰桩方案是否可行？若可行，求石灰桩的面积置换率。若采用等边三角形布桩，试求桩间距。求石灰桩的理论布桩数。（对软粘土深度修正系数取1.5，宽度修正系数取0）。提示：（1）首先应进行软弱下卧层强度验算！（2）石灰桩面积置换率应采用膨胀后的截面积进行计算！,98,解：（1）已知：,即：,由上可得软弱下卧层强度满足要求。即石灰桩方案可行。,99,（2）设石灰桩的面积置换率为m:,（4）设石灰桩的理论布桩数为n,即理论布桩数为650根。,100,工程实例一、工程概况 南湖新村系江苏省南京市重点新建的住宅小区之一，占地面积0.64km2，拟建200余栋多层住宅，建筑面积达550000 m2。场地为长江及秦淮河的漫滩地带，主要地层为高压缩性流塑状的淤泥质亚粘土，厚度超过30m，土质松软，承载力很低。为了提高软土地基的承载能力，充分利用有限的建筑场地，增加住宅楼层数，南京市城镇建设综合开发公司第五处和南京市建筑设计院除采用大开挖深换土、使用大板和折板基础外，还采用了碎石桩、石灰桩、现场灌注素混凝土桩、锥形桩以及深层搅拌法等地基处理措施。受冶金工业部建筑研究总院地基室、南京市城镇建设综合开发公司和南京市建筑设计院的委托，对南湖新村18栋六层和七层的住宅楼软土地基进行深层搅拌桩加固。,101,二、设计 为获得设计工作必需的搅拌桩参数，在施工现场附近进行了现场试验。这里主要介绍一下地基加固设计。（一）布桩方案 南湖新村采用深层搅拌加固的住宅楼主要有七层点式和六层条式两种。七层点式住宅楼荷重较大，基底压力达150kPa，但其上部建筑相对刚度较大，因此建筑物沉降将比较均匀，根据这一个特点，深层搅拌加固采用柱状加固型式。对于六层条式住宅楼来说，虽其基底压力小于140kPa，但其上部建筑长高比较大，刚度相对较小，易产生不均匀沉降；尤其是六栋底层为商店的临街住宅楼，建在地势低洼、又是新近刚回填的鱼塘上，极易产生不均匀沉降，因此搅拌加固设计中采用了壁状加固型式，即桩与桩搭接成壁，纵横方向的水泥土壁又交叉成格栅状，使全部的搅拌桩连成一个整体，如同一个不封底的箱形基础，以减少不均匀沉降。此外对于一半基础座落在新填的鱼塘上，另一半座落在岸坡上的条式住宅楼，则通过不同的桩长设计来调整不均匀沉降。,102,设计包括以下三方面：1.搅拌单桩的设计 设计桩长考虑场地标高与基底标高之间的距离，单桩承载力按摩擦型桩计算。2搅拌桩置换率和桩数的计算3.群桩基础验算 将加固后的桩群视为一个格子状的假想实体基础，然后分别进行承载力验算和沉降验算。,103,三、施工 施工参数以及施工工艺此处从略，本小节主要介绍一下变掺量搅拌。在搅拌桩施工中，根据摩擦型搅拌桩的受力特性，采用了变掺量的施工工艺。所谓变掺量即桩端、桩中段和桩顶的水泥掺入比相应于桩身应力而变化，即用不同的注浆提升速度和注浆次数来满足各桩段水泥掺入比的要求。对于土质条件比较复杂的区段，为了保证搅拌质量，在搅拌施工前先用轻便触探仪对全场地进行触探，划分各土层分界线，确定相应的注浆量。在成桩过程中，凡是由于电压过低或其