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1、第5章 地 基 处 理5.1 概 述 当天然地基不能满足设计建筑物对地基强度与稳定性和变形的要求时，常采取各种地基加固、补强等类技术措施，改善地基土的工程性状，以满足工程要求。这些措施统称为地基处理。地基处理的内容与方法来自工程实践，来自各种土类中出现的地基问题。处理内容与方法与各类工程对地基的工程性能要求和地基土层的分布及土类的性质有关，针对工程在实际土类中所出现的地基问题，提出相互适应的地基处理方案。因此在讨论地基处理内容与方法时，应先了解被处理土类的基本性质，以便有的放矢。工程上常需要处理的土类主要有如下几种：淤泥及淤泥质土、粉质粘土、细粉砂土、砂砾石类土、膨胀土、黄土、红粘土以及岩溶等
2、。下面将与地基处理有关的几种土类特性简要阐述如下：1淤泥及淤泥质土 简称为软土，为第四纪后期在滨海、河漫滩、河口、湖沼和冰磺符地质环境下的粘性土沉积大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1，抗剪强度低，压缩性高，渗透性小，具有结构性的土。当天然孔隙比，时，称为淤泥; 时，称为淤泥质土。这类土比较软弱，天然地基的承载力较小，易出现地基局部破坏和滑动;在荷载作用下产生较大的沉降和不均匀沉降，以及较大的侧向变形，且沉降与变形持续的时间很长，甚至出现蠕变等。杂填土和冲填土中的部分饱和粘性土，其性质与淤泥质土相似，也归于软土的范畴中。杂填土往往不均匀；冲填土则比被冲填原状土差，比较松软
3、。有机质含量超过25%的软土称为泥炭质土或泥炭。这种土的强度很低，压缩性甚大，是工程上特别要慎重对待的一种土。2粉细砂、粉土和粉质土 相对而言，它比淤泥质土的强度要大，压缩性较小，可以承受一定的静荷载。但是，在机器振动、波浪和地震等动荷载作用下可能产生液化、震陷，振动速度的增大，使地基失去承载力。所以，这类土的地基处理问题主要是抗震动液化和隔震等。 3砂土、砂砾石等 这类土的强度和变形性能是随着其密度的大小变化而变化，一般来说强度较高，压缩性不大，但透水性较大，所以这类土的地基处理问题主要是抗渗和防渗，防止流土和管涌等。4其他类土 黄土具有湿陷性，膨胀土具有胀缩性，红粘土具有特殊的结构性，以及
4、岩溶易出现坍陷等，它们的地基处理方法应针对其特殊的性质进行处理。因此，地基处理主要目的与内容应包括：提高地基土的抗剪强度，以满足设计对地基承载力和稳定性的要求；改善地基的变形性质，防止建筑物产生过大的沉降和不均匀沉降以及侧向变形等；改善地基的渗透性和渗透稳定，防止渗流过大和渗透破坏等；提高地基土的抗振 (震)性能，防止液化，隔振和减小振动波的振幅等；消除黄土的湿陷性，膨胀土的胀缩性等。本章仅讨论一般性的地基处理方法，所处理的土类着重于饱和粘性土，粉质土及部分松砂等土类。这是工程上常见的土类。按照处理方法的作用原理，常用的地基处理方法主要的见表5-1。表中所列的各种处理方法都有各自的作用原理、适
5、用土类和应用条件。特别要注意，同样的一种地基处理技术，在不同土类中的作用原理和作用效果往往存在显著的差别，不可混紊。例如振冲法，在砂土中其主要作用是振动挤密；在饱和粘性土中则为振冲置换组成复合地基;两者的技术要求不同，设计方法也不同。如果把原理搞错了，就可能导致工程事故。编号分类处理方法原理及作用适用范围1碾压及 夯实重锤夯实、机械碾压、振动压实、强夯（动力固结）利用压实原理，通过机械碾压夯击，把表层地基土压实；强夯则利用强大的方击能，在地基中产生强烈的冲击波和动应力，迫使土动力团结密实适用于碎石土、砂上、粉上、低饱和度的粘性土，杂填土等，对饱和粘性土应慎重采用2换土垫层砂石垫层、索上垫层、灰
6、土垫层、矿渣垫层、加筋土垫层以砂石、运土、灰土和矿渣等强度较高的材料，置换地基表层软弱土，提高持力层的承载力，扩散应力，减少沉降量适用于处理地基表层软弱土和暗沟、暗塘等软弱土地基3排水固结天然地基预压、砂井及塑料排水带预压、真空预压、降水预压和强力固结等在地基中增设竖向排水体，加速地基的固结和强度增长，提高地基的稳定性；加速沉降发展使基础沉降提前完成适用于处理饱和软弱粘土层；对于渗透性极低的泥炭土，必须慎重对待4振密挤密振冲挤密、沉桩挤密、灰土挤密、砂桩、石灰桩、爆破技密等采用一定的技术措施，通过振动或挤密，使土体的孔隙减少，强度提高；必要时在振动挤密的过程中，回填砂、砾石、灰土、素土等，与地
7、基上组成复合地基，从而提高地基的承出力，减少沉降量适用于处理松砂、粉土、杂沙土及湿陷性黄土，非饱和粘性土等5置换及拌入振冲置换、冲抓置换、深层搅拌、高压喷射注浆、石灰桩等采用专门的技术措施，以砂、碎石等置换软弱土地基中部分软弱上，或在部分软弱土地基中掺人水泥、石灰或砂浆等形成加固体，与未处理部分上组成复合地基，从而提高地当承载力，减少沉降量粘性土、冲出上、扭砂、细砂等。振冲置换法限于不排水抗剪强度Cu20 kPa的地基土6加筋土工合成材料加地、锚固、树根桩、加筋土在地基成土体埋设强度放大的土工合成材料、钢片等加筋材料，使地基成土体的承受抗拉力，防止断裂，保持整体性，提高刚度，改变地基土体的应力
8、场和应变场，从而提高地基的承载力，改善变形特性软弱土地基、填土及陡坡填土、砂土7其他灌浆、冻结、托换技术、纠倾技术通过将种技术措施处理软弱土地基根据实际增况确定5.2 垫 层 法5.2.1垫层的作用 当建筑物基础下持力土层比较软弱，不能满足设计荷载或变形的要求时，常在地基表面铺设一定厚度的垫层，或者把表面部分软弱土层挖去，置换强度较大的砂石素土等，处理地基表层，这类方法称为垫层法。垫层的材料一般用强度较高，透水性强的砂、碎石、石渣、矿渣，灰土和素土等。为了增强垫层水平抗拉断裂性能和整体结构性能，通常在垫层内增设水平抗拉材料，如：竹片、柳条、筋笆、金属板条和近年来广泛应用的土工格栅 (Geogr
9、id)、土工网垫 (Geomat)、土工格室 (Geocell)及高强度土工编织布、经编复合布等组成加筋土垫层。按其组成材料分为砂垫层、碎石垫层、灰土垫层和加筋土垫层等。按垫层在地基中的主要作用又分为换土垫层、排水垫层和加筋土垫层等。 1. 换土垫层 这是指挖去地基表层软土，换填强度较大的砂、碎石、灰土和素土等构成的垫层。一般应用于处理基础尺寸不很大的建筑物软基。其作用为：(1) 通过换填后的垫层，有效提高基底持力层的抗剪强度，降低其压缩性，防止局部剪切破坏和挤出变形；(2) 通过垫层，扩散基底压力，降低下卧软土层的附加应力；(3) 垫层 (砂、石)可作为基底下水平排水层，增设排水面，加速浅层
10、地基的固结，提高下卧软土层的强度等。总而言之，换土垫层可有效提高地基承载力，均化应力分布，调整不均匀沉降，减少部分沉降值。 2排水垫层 这是指软土地基上堤坝或大面积堆载基底等所铺设的水平排水层，一般采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑，必要时，在垫层底和上表面增铺具有反滤性能的无纺土工布、编织布或经编复合土工布，以防止砂石垫层被淤堵和被拉断裂。主要应用于处理铁路公路路堤、机场跑道，海堤和土石坝软基以及砂井地基的顶部排水层。由于这类工程的基底面积较大，垫层的厚度相对而言较薄，对于扩散应力的效果甚微，所以它的作用主要是作为水平排水层和下卧软土层的排水通道，加速地基的排水固结，提高浅层地基的抗剪强度，配
11、合砂井，加固深部软土层。其次，垫层的强度和变形模量都比下卧软土层的大，两者相互作用约束软土层的侧向变形，改变其应力场和应变场，提高地基的稳定性，并改善其变形性质。此外，在施工中可作抛石填土的缓冲层，防止局部陷人和侧向挤出破坏。实践证明：这类垫层的排水固结作用和约束地基的侧向变形，可有效提高筑坝 (堤)的高度，增强地基的稳定性，防止过大的侧向变形和施工时的局部挤出。 3.加筋土垫层 这是指由砂、石和素土垫层申增设各种类型加筋材料组成的复合垫层，如加筋土垫层 (见图6-6)、土工格室垫层 (见图6-5)和柴排或筋笆加筋垫层等。主要应用于处理房屋建筑物软基，和路堤、堤坝、油罐等类工程软基。由于这类垫
12、层所用加筋材料的抗拉强度较大，延伸率较小，和砂石组成的加筋垫层，一般不易被拉断裂，整体性较好，具有较大的变形模量和抗弯刚度，类似柔性片筏基础。因此，其作用除了作为持力土层承载较大的基础荷载和扩散基底应力外，还有效约束基底应力，改善地基软土中的应力场和应变场，均化应变，调整不均匀沉降，提高地基的承载力。这些作用，排水垫层和换土垫层也存在，不过加筋垫层更加有效和明显。 应该指出，垫层仅对软土地基作表层处理，不论地基强度的提高、变形性质的改善和应力场应变场的改变等都是在浅层，所以所能承受的建筑物荷载不宜太大。若设计建筑物的荷载较大，则需和其他方法联合处理。5.2.2 换土垫层的设计 换土垫层一般应用
13、于处理房屋和水闸基础下的软土地基。设计的基本原则为：既要满足建筑物对地基变形和承载力与稳定性的要求，又要符合技术经济的合理性。因此，设计的内容主要是确定垫层的合理厚度和宽度，并验算地基的承载力与稳定性和沉降，既要求垫层具有足够的宽度和厚度以置换可能被剪切破坏的部分软弱土层，并避免垫层两侧挤出，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。下面以砂垫层为例阐述设计的方法和步骤。 (1) 砂垫层厚度的确定 如图5-1所示：设所置换厚度内垫层的砂石料具有足够的抗剪强度，能承受设计荷载不产生剪切破坏。图51砂垫层剖面图所以在设计时，着重验算荷载通过一定厚度的垫
14、层后，应力扩散至软土层表面的附加应力与垫层自重之和是否满足下卧土层地基承载力的要求，即 （5-1） 式中 一垫层底面处软土层经深度修正后的地基承载力特征值，kpa; 垫层底面处自重应力，kpa;砂垫层底面的附加应力，kpa。对于条形基础： (5-2a)对于矩形基础： (5-2b)式中l，d 基础的长度和宽度，m； z 砂垫层的厚度， m； 基底压力，kPa; 基础底面标高处土的自重应力，kPa; 砂垫层的压力扩散角，可按表52选用。算时，先假设一个垫层的厚度，然后用式 (5-1)验算。如不符合要求，大或减小厚度，重新验算，直至满足为止。一般砂垫层的厚度约为1-2m过薄的垫层 (3m)，施工较困难，经济上不合理。 z/b换填材料中粗砂、砾、碎石、石屑粉质粘土、粉煤灰灰土0.25203062328注：当时，除灰土仍取外，其余材料均取。;当 时，值可由插求得。 (2) 砂垫层宽度的确定 宽度一方面要满足应力扩散的要求；另一方面要防止垫层向两侧挤出，常用经验的扩散角法来确定。如图5-1所示，设垫层的厚度为z，基础的底宽为b，则扩散层的底宽可按基础的底宽b(或l) 向外扩出，即(或)。底宽确定后，然后根据开挖基础所要求的坡度延伸至地面，即得砂垫层的设计剖面。 砂垫层剖面确定后，对于比较重要的建筑物还要求验算基础的沉降，要求最终沉降量小于设计建筑物的允许沉降值。验算时不考虑垫层的压缩变形
