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1、第六章 地基处理,第一节 概 述,人工地基：土木工程建设中，有时不可避免地遇到工程地质条件不良的软弱土地基，不能满足建筑物要求，需要先经过人工处理加固，再建造基础，处理后的地基称为人工地基。,地基处理的目的：是针对软土地基上建造建筑物可能产生的问题，采取人工的方法改善地基土的工程性质，达到满足上部结构对地基稳定和变形的要求。,地基处理方法的分类,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。 地基处理的主要方法、适用范围及加固原理，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，
2、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。,第二节 软土地基,软土：指沿海的滨海相、三角洲相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高（a1-20.5MPa-1）和强度低的特点，多数还具有高灵敏度的结构性。主要包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭
3、、泥炭质土等。,淤泥是指天然含水量大于液限，天然孔隙比大于等于1.5的粘性土； 淤泥质土是指天然孔隙比小于1.5但大于等于1.0的粘性土。 当土中有机质含量60%时则称泥炭。泥炭是在潮湿和缺氧环境中未经充分分解的植物遗体堆积而成的一种有机质土，呈深褐色-黑色。其含水量极高，压缩性很大，且不均匀。泥炭往往以夹层构造存在于一般粘性土层中，对工程十分不利，必须引起足够重视。,（二）湖泊沉积 湖泊沉积是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理。淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一般为10m左右，最厚者可达25m。,（三）河滩沉积 主要包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情况较为
4、复杂，成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。一般常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一般小于l0m。,（四）沼泽沉积 分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，多以泥炭为主，且常出露于地表。下部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。 软土由于沉积年代、环境的差异，成因的不同，它们的成层情况，粒度组成，矿物成分有所差别，使工程性质有所不同。不同沉积类型的软土，有时其物理性质指标虽较相似，但工程性质并不很接近，不应借用。软土的力学性质参数宜尽可能通过现场原位测试取得。,二、软土的工程特性,（一）含水量较高，孔隙比较大 （二）抗剪强度低 （三）压缩性较高 （四）渗透性很小 （五）结构性明显
5、 （六）流变性显著,三、软土地基的承载力、沉降和稳定性的计算,(一) 软土地基的承载力,软土地基承载力应根据地区建筑经验，并结合下列因素综合确定： 软土成层条件、 应力历史、力学特性及排水条件； 上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不均匀沉降的敏感性； 基础的类型、尺寸、埋深、刚度等； 施工方法和程序； 采用预压排水处理的地基，应考虑软土固结排水后强度的增长。,1根据极限承载力理论公式确定,公桥基规提出软土地基容许承载力 (kPa)为,2根据土的物理性质指标确定,一般情况，地基承载力是与其天然含水量密切相关的，根据统计资料w与软土的容许承载力关系如下表所示。,3按临塑荷载估算,软土地
6、基承载力，考虑变形因素可按临塑荷载pcr公式估算，以控制沉降在一般建筑物容许范围。条形基础临塑荷载pcr (kPa)计算式为,饱和软土 时，Nq=1，Nc= 则,4用原位测试方法确定,由于室内试验测定土的物理力学指标(如cu等)常受土被扰动影响使结果不正确；而一般土的承载力理论公式用于软土也会有偏差，因此采用现场原位测试的方法往往能克服以上缺点。 软土地基常用的原位测试方法有： 根据载荷试验、旁压试验确定地基承载力； 以十字板剪切试验测定软粘土不排水抗剪强度换算地基承载力值； 按标准贯入试验和静力触探结果用经验公式计算地基承载力等。,（二）软土地基的沉降计算,软土地基在荷载下沉降变形的主要部分
7、为固结沉降Sc，此外还包括瞬时沉降Sd与次固结沉降Ss，如下图所示。软土地基的总沉降量S为Sd、Sc、Ss之和。,Sd,Sc,Ss,1固结沉降Sc,在荷载作用下，软土地基缓慢地排水固结发生的沉降称为（主）固结沉降，常用的计算方法如下。,（1）采用ep曲线计算,（2）采用压缩模量计算,(3)采用elogp曲线计算,2瞬时沉降Sd,瞬时沉降包括土的两种沉降，一种由地基土弹性变形引起；另一部分是由于软土渗透系数低，加荷后初期不能排水固结，因而土体产生剪切变形，此时沉降是由软土侧向剪切变形引起。前一部分可用弹性理论公式计算,有时也用Sd(0.20.3)Sc对瞬时沉降进行估算。,3次固结沉降Ss,长期现
8、场观测表明，在理论计算的固结过程结束后，软土地基因土骨架的蠕动而继续发生长期(长达数年以上)的、缓慢的压缩，称为次固结沉降如右图所示。当软土较厚，含高塑性矿物等较多时，对沉降要求严格的建筑物不宜忽视次固结沉降Ss。,次固结沉降图,(三)软土地基的稳定性分析,分析软土地基上建筑物承受水平推力后，由于地基土抗剪强度低，发生基础连同部分地基土在土中剪切滑移失稳的可能性。在软土地基上桥台、挡土墙等承受侧向推力的建筑物在保证其地基承载力、沉降验算的同时，应进行稳定性的分析。,第三节 换土垫层法,在冲刷较小的软土地基上，地基的承载力和变形达不到基础设计要求，且当软土层不太厚(如不超过3m)时，可采用较经济
9、、简便的换土垫层法进行浅层处理。即将软土部分或全部挖除，然后换填工程特性良好的材料，并予以分层压实，这种地基处理方法称为换填垫层法。垫层处治应达到增加地基持力层承载力，防止地基浅层剪切变形的目的。,换填的材料主要有砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等，应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特性。,换填垫层法设计的主要指标是垫层厚度和宽度，一般可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行设计。,砂垫层,一、砂垫层的设计计算,(一)砂垫层厚度的确定,一种方法是按弹性理论的土中应力分布公式计算。即将砂垫层及下卧土层视为一均质半无限弹性体，在基底附加应力作用下，计算不同深度的各点土中附
10、加应力并加上土的自重应力，同时以第二章所介绍的“规范”方法计算地基土层随深度变化的容许承载力，并以此确定砂垫层的设计厚度。也可将加固后地基视为上层坚硬、下层软弱的双层地基，用弹性力学公式计算。,另一种是我国目前常用的近似按应力扩散角进行计算的方法。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：,(二)砂垫层平面尺寸的确定,砂垫层底平面尺寸应为：,其中L、B分别为砂垫层底平面的长及宽，一般情况砂垫层顶面尺寸按此确定，以防止承受荷载后垫层向两侧软土挤动。,(三)基础最终沉降量的计算,砂垫层
11、上基础的最终沉降量是由垫层本身的压缩量Ss与软弱下卧层的沉降量Sl所组成，由于砂垫层压缩模量比较弱下卧层大得多，其压缩量小且在施工阶段基本完成，实际可以忽略不计。需要时Ss也可按下式求得：,二、垫层施工与质量检验,软土地区采用换填地基时，其填筑、压实的施工及检测应符合公路路基施工技术规范（JTJ033-95）规定。垫层施工应严格控制垫层材料的颗粒成分和质量。在地下水位高于基坑底面时，应采取排水或降低水位措施。在基坑挖好经检验后，应迅速进行铺压垫层材料，避免坑底暴露过久，或被践踏、浸水使土结构遭到破坏，强度降低。施工时应严格保证垫层材料的密实度，应选择合格的铺压厚度，确定最优含水量。分层压实可采
12、用机械碾压、重锤夯实、振动压实等。要求分层压实达到设计要求的压实度(应在90%以上)。 砂垫层的质量检验，可选用环刀取样法或贯入测定法进行，采用应达到的干重度或贯入度作为控制指标。 垫层材料除砂、砂砾外，也可考虑用石灰土、二灰土(石灰加粉煤灰)、加筋土等，可根据具体情况因地制宜、就地取材选择，并正确选用有关设计参数。,第四节 排水固结法,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。,室内压缩试验说明排水固结法原理,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
13、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。,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。 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。,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
14、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。,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,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
15、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。,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
16、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,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。,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。,(一)袋装砂井预压法 目前国内应用的袋装砂井直径一般为
