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1、1,第9章 岩土工程地质性质的人工改良的基本原理 教师：韩文喜Email：Tel: 13880536952,工 程 岩 土 学,2,第9章 岩土工程地质性质的 人工改良的基本原理 1. 概述 2. 土体人工改良的基本原理 3. 岩体性质人工改良的基本原理,工 程 岩 土 学,3,Vibroflotation,From Das, 1998,Vibroflotation is a technique for in situ densification of thick layers of loose granular soil deposits. It was developed in Germa
2、ny in the 1930s.,4,振冲碎石桩,Stage1: The jet at the bottom of the Vibroflot is turned on and lowered into the ground Stage2: The water jet creates a quick condition in the soil. It allows the vibrating unit to sink into the ground Stage 3: Granular material is poured from the top of the hole. The water
3、from the lower jet is transferred to he jet at the top of the vibrating unit. This water carries the granular material down the hole Stage 4: The vibrating unit is gradually raised in about 0.3-m lifts and held vibrating for about 30 seconds at each lift. This process compacts the soil to the desire
4、d unit weight.,From Das, 1998,6,7,振动压缩,8,六、射水成孔袋装碎石桩 射水成孔袋装碎石柱是指采用高压射水成孔，然后向孔中置入袋装碎石而成的桩。该法避免了碎石桩在软土中由于侧向约束小，而在垂直荷载作用下变形大的特点，因此，袋装碎石柱复合地基比一般碎石桩复合地基承载力高。,CFG桩,五、水泥粉煤灰碎石桩(CFG) 这种工艺是通过在碎石桩体中添加以水泥为主的胶结材料(添加粉煤灰是为了增加混合料的和易性并有低标号水泥的作用同时还添加适量的石膏以改善级配)，使桩体获得胶结强度并从散体材料桩转换为柔性桩。 机具和施工工艺与振挤碎石桩大体相同，但也可采用锤击碎石桩的机具和
5、工艺制桩，近年来还有用长螺旋成桩机具和工艺的工程实例。 桩体的配合料可根据地层的工程地质情况和加固要求通过试验确定 成桩。详细内容见CFG转有关内容。,9,1 土体人工改良的基本原理,随着工程建设的发展，由于经济、国防方面的需要，有些建筑物不得不在不良的地质条件下进行修建；或者建筑物场地虽无特殊不利的地质情况，但因建筑物规模巨大，场地地质条件不能满足建筑物要求。这时，除在工程设计方面采取措施，如调整上部结构以适应不利地质条件外，还需要采取工程地质措施以改变不良的地质条件。这些措施主要是改变土体的不良性质，一股称为土体人工改良或简称土质改良。土体性质不符合建筑物要求，可能是土体物质、土体结构或地
6、质环境的某些缺陷不能保证建筑物地基、边坡或地下工程的稳定性。人工改良必须针对有关改造的对象对症下药。土体人工改良的任务和目的，主要是提高土体的力学强度，减少其变形量，提高抗水稳定性，降低透水性；或增强土体结构的完整性，增强其联结强度，减弱渗透途径及渗透量；或改善地质环境，主要是改变土中的应力状态和地下水存在条件，以增强土体的力学强度，提高建筑物地基、边被或围岩的稳定性以保证建筑物的安全稳定和正常使用。,10,1 土体人工改良的基本原理,当土体性质不良，不能满足建筑物的要求时，需要人工改良的具体情况主要有： (1)修筑道路、飞机场、运动场等，把表层土作为建筑材料铺路面或作为地基时，需要人工改变土
7、的密实度、透水性或抗水性，以增强土的强度和稳定性； (2)修筑工业与民用建筑、桥梁、水工建筑，将土体作为地基时，由于土体承载能力不够或地下水渗漏过甚而影响施工或土体不稳定，需要加固地基或设置防渗帐幕，提高土体强度和降低其透水性； (3)水工、道路等建筑物的边坡不稳定时，需要加固土坡，可采用消除水的危害，改变边坡力学平衡条件，增强结构面强度等措施； (4)地下建筑或开挖(隧道、矿井、坑道等)，需要提高土体强度，降低进水性，须采用喷浆护面或设置阻水帐幕。为了防止涌水或坍塌，保证正常工作，锚筋加固，灌浆胶结等措施加固围岩,11,目的土质改良的方法，大致可以归纳为四类： 第一类是加进某种材料以改变土的
8、成分，使土体连结能力加强，充填孔隙、裂隙，以提高上体强度，降低土体适水性。根据加进材料的方式。又可分三大类：拌和法、换(填)垫层法、化学加固法。 拌和法是将某些材料拌混于土中，并加以压实，使土胶结，提高土的强度或抗水稳定性；根据使用的材料不同，有最优土法、胶结材料胶结法和吸温盐法等。 换(填)垫层法是将基底下一定深度的软弱土层挖除，然后回填较好的土、砂、碎石料，或在天然地层上铺设土、砂、碎石料，作为人工填筑的持力层，提高地基承载力，减少地基沉降量。 化学加固法是通过注入水泥或化学浆液等材料，胶结土粒，填塞孔隙、裂隙，从而提高土体强度，降低土体透水性，提高地基、边坡或地下洞室围岩的稳定性。根据施
9、工方法不同，有灌浆法、高压喷射注浆法、探层搅拌法等。,12,第二类是通过某种技术方法，改变土体的松散状态，使土体孔隙或裂隙减少，密实度增大，强度提高，透水性降低，抗水稳定性增强改善土体抗振动能力。根据处理土体部位和采用手段不同，可分为表层压实法和探层挤密法。 表层压实法有机械碾压法、振动压实法和重锤夯实法之分； 深层挤密法有强夯法、爆破挤密法、振冲法、挤密法等方法。 第三类是改变地下水条件，降低土体水分。通过布置排水并、排水沟和排水垫层，改善土体排水条件，并采取加压、抽水、电渗等措施，以加速土体的固结，提高土体强度，增强土体稳定性。此法一般称排水固结法或预压法，包括砂井堆载预压法、真空预压法、
10、抽降水法、电渗法等。 第四类是改善土体结构完整性的加筋法，增强土体结构的完整，除采用化学加固法以增强联结外，还可以在土体中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件及各种不同材料的校体，以提高建筑物地基、边按或地下围岩的稳定性，提高承载力，减少变形量。这类方法可统称加筋法，包括多种方法。,13,1拌和法 将某些材料拌入土中，加固地表l一2m厚的土层 (1)最优土法：根据各种粒组在土中所起的不同作用，可按一定比例将不同粒组加以人工配合，使这种土在不同含水情况具有一定的强度，这种土就称为最优土(或称最佳级配土)。最优土中各粒组含量的多少，取决于当地的情况、气候条件和建筑物的要求。在般最优土小，将大量
11、粗粒组(0.255mm)作为基本骨架(占25一50)。加适量的粘粒起胶结作用(占6一12)。在过湿地区，粘粒废少些，粗粒应多些。此法就地取材，技术简单，费用很低，适用于各种土类，修筑一般公路，广泛应用。 (2)胶结材料胶结法：胶结材料很多，主要有沥青、柏油、水泥和石灰等。经过胶结材料处理后，土的强度增大，抗水性提高。 此外，还可以6n入炉碴、碎砖、石粉、煤碴等工业废料，以减少粘性土的粘性；加入少量的泥炭，以增加砂土的连结力。将这些掺台掷与最优土相互配合，效果更好。,1 土体人工改良的基本原理,14,(3)吸湿盐法：要使土路面保持良好的状况，应保持一定的水量。掺入少量吸湿盐类(CaCl2，NaC
12、l)可使土保持一定水分，使土粒有较好的连结，干燥时无尘，潮湿时稳定。此法主要适用于粉质细粒土路面。用食盐1一3%的氯针渍土，掺入土中，也能达到一定的效果。在海滨，常用海水或卤水洒路面，也能起到很好的作用。 也有用食盐撤于水渠边坡，使Na4代替黄土中的Ca2，Na在土粒表面形成很厚的扩散水膜，因此土膨胀而减低透水性。,1 土体人工改良的基本原理,15,2换(填)垫层法 此法实质是设置垫层方法，有两种情况： 一种是在天然地层上铺设垫层，作为人工填筑的待力层； 一种是将表层一定深度的软弱层挖除，然后置换回填较好的垫层。 按填的材料命名垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层等。垫层可提
13、高持力层的承载力，减少地基沉降量，部分消除土的湿陷性和胀缩性，防止土的冻胀，改善土的动力特性。此法适用于各类软弱十(如淤泥类土、饱和软弱粘性土、松砂、京填土、杂填上)和持殊性土(如湿陷性土、胀缩性土、季节冻土等)。处理深度控制在3m以内，一般为l一2m，常用于轻型建筑和表层工程(堆料场、地坪、道路)。,1 土体人工改良的基本原理,16,3化学加固法 此法通过压力、高压喷射或深层搅拌等措施，将水泥、石灰或化学浆液注入土体中，使浆液与土粒胶结起来，形成坚硬的桩体，以改善十体的工程性质，提高承载力，增加稳定件减少沉降，防止渗漏加固深度一般可达20m左右。施工方法可有下列三种。 (1)灌浆法：通过钻孔
14、或打入花管(端部带有孔眼的注浆管)，用压力把胶结材料浆液压进土中在土个凝固，填充孔隙、裂隙，把土粒胶结起来，从而增强土体强度或降低透水性。此法最常用于各类建筑韧的地基、边坡或地下开挖工程。 灌浆材料包括较粗的悬浊液，如各种水泥、粘土浆、沥青，以及各种化学溶液，如水玻璃、纸浆废液(络木素、木铵等)、丙稀酞胺、尿醛树脂等。根据浆液的不同，灌浆法可分为水泥理浆法、粘土灌浆法、沥青灌浆法和化学灌浆法等。,1 土体人工改良的基本原理,17,水泥灌浆法是将水泥灌入土的孔隙中，水泥中的成分发生水化作用，形成新的化合韧，演塞孔隙，胶结土粒，以减低土的透水性，提高强度。最常用于渗透系数为10一80md的粗砂、砾
15、石层，以防止地下水的大量渗漏。一般用硅酸盐水泥或矿碴水泥；为加速水泥凝结，使浆液较稀，可掺少量速凝剂，如氯化钙、水玻璃等，这样对1：个砂也可以加固。在吸浆量特大地区，为节约水泥，有时可加适量细砂、石粉、粉煤灰、细矿碴或粘土。 粘土灌浆法是惜压力将粘土浆灌入土的孔隙中，使土粒留在扎隙中，充填孔隙，大大降低透水性，但强度增加很小。故只用于临时性或次要防渗工程，降低渗透系数小于80md砂砾石层的透水性。粘土料易找，较便宜，臣能抵抗水的侵蚀性，但效果较差，有时需反复处理。为提高处理效果，增加土的强度，可以加一些水泥、石灰或水玻璃。,1 土体人工改良的基本原理,18,沥青灌浆法是通过钻孔把沥青溶液压入土
16、中，使它填塞7L隙，大大降低土的透水性，提高抗水性，但强度增加不大。沥青浆有热、冷两种。热沥青法将熔化(200一220)的沥青灌入孔隙中沥青冷却硬化后将孔隙堵塞。但热沥青稠度浓，需用较大的压力，只适用孔隙较大的砾石层(渗透系数为80一100md)，地下水流速很大也能处理，同时，沥青能抵抗水的侵蚀。但要保持沥青要有高温度，设备复杂，成本较高，孔隙较小的砂土不适用。 冷沥青法是用专门的沥青乳浊液压进孔隙中。沥青乳浊液是由水t40一50)、沥青(45一60)和少量乳化剂(1一5)组成。乳化剂是极化性较强的物质，如肥皂、松香、胶、淀粉等。沥青颗粒在乳化剂包围下与水形成分散系压入孔隙后，沥青粒为土所吸附而沉淀凝结。冷沥青法适用于孔隙较小的砂砾(渗透系数为10一100md)，不用加热，但对孔隙大、地下水流速快的砂砾石不适用。,1 土体人工改良的基本原理,19,化学灌浆法是将某些溶液压入士的孔隙中，这些溶液发生化学反应，迅速分泌出凝胶或结晶，使土胶结成整块，具有较高的强度和抗水性，透水性大大降低。目前，最常用的材料
