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1、地基和基础工程地基和基础工程2012年年09月月土木水利工程概论1 1、前言、前言2 2、天然地基上的浅基础、天然地基上的浅基础3 3、天然地基上的深基础、天然地基上的深基础4 4、人工地基、人工地基主要内容主要内容1 1、土木工程材料的作用、土木工程材料的作用 (1)材料对保证工程质量的作用； (2)材料对工程造价的影响； (3)材料对工程技术进步的促进。 2 2、传统土木工程材料、传统土木工程材料 砖：烧结砖，非烧结砖； 瓦：粘土瓦，水泥瓦，石棉水泥瓦，玻璃钢瓦； 石：毛石和料石，石子（粒径5 mm）; 砂：天然砂(河砂,海砂,山砂)和人工砂; 灰：石灰（石灰石,生石灰，熟石灰）， 石膏（
2、天然石膏，建筑石膏）； 木材：顺纹强度比其横纹强度要大得多顺纹强度比其横纹强度要大得多；土木工程材料内容回顾土木工程材料内容回顾3 3、近代土木工程材料、近代土木工程材料 钢：碳素钢（低碳钢、中碳钢、高碳钢），碳素钢（低碳钢、中碳钢、高碳钢）， 合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）；合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）； 钢材：用于钢结构的各种型材、钢板、管材等用于钢结构的各种型材、钢板、管材等 用于钢筋混凝土中的各种钢筋等；用于钢筋混凝土中的各种钢筋等； 水泥：通用水泥通用水泥 ，专用水泥；，专用水泥； 混凝土：混凝土组分，混凝土组分，混凝土强度等级混凝土强度等级（如（如C40C40）；
3、）；4 4、现代土木工程材料、现代土木工程材料 沥青及制品、防水密封材料、玻璃、人造板材、沥青及制品、防水密封材料、玻璃、人造板材、 塑料及制品、绝热材料、吸声隔声材料、新型复合材料、塑料及制品、绝热材料、吸声隔声材料、新型复合材料、 绿色建筑材料、智能材料等。绿色建筑材料、智能材料等。土木工程材料内容回顾土木工程材料内容回顾 v我们所能见到的所有土木工程：楼房、工厂、公路、铁路、桥梁、大坝等，它们的重量都是要通过基础传递给地基，由地球表面来承重。 一、前言v将建筑物所承受的各种作用传递到地基上的下部承重结构称为基础。v地基是指承托土木工程基础的这一部分很小的场地。v天然地基 凡天然土层本身具
4、有足够的强度，能直接承受建筑物荷载的地基称为天然地基。v人工地基 凡天然土层本身的承载能量弱，或建筑物上部荷载大，须预先对土壤层进行人工或加固处理后才能承受建筑物荷载的地基称人工地基。 地基的种类地基可能出现的问题1 1、强度及稳定问题、强度及稳定问题2 2、压缩及不均匀沉陷问题、压缩及不均匀沉陷问题3 3、地基渗漏及管涌、地基渗漏及管涌4 4、地震、机器振动等动力荷载引起的破坏。、地震、机器振动等动力荷载引起的破坏。工程事故2009年年6月月27日日6时左右，上海莲花南路莲花河畔小区一幢在建时左右，上海莲花南路莲花河畔小区一幢在建13层楼房层楼房倒塌。造成一名工人死亡。直接原因在于大楼两侧的
5、压力差使土体产生水倒塌。造成一名工人死亡。直接原因在于大楼两侧的压力差使土体产生水平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。平位移，过大的水平力超过了桩基的抗侧能力，导致房屋倾倒。 工程事故2008年年11月月15日日15时时20分，一段杭州地铁施工工地突然发生路面大面积塌陷事分，一段杭州地铁施工工地突然发生路面大面积塌陷事故，导致萧山湘湖风情大道故，导致萧山湘湖风情大道75米路面坍塌，并下陷米路面坍塌，并下陷15米米。一场惨剧夺走了超过一场惨剧夺走了超过20条鲜活的生命，也酿成了我国地铁建设史上最为严重的伤亡事故。条鲜活的生命，也酿成了我国地铁建设史上最为严重的伤亡事故。施工方
6、法：连续墙作为围护结构的明挖法。施工方法：连续墙作为围护结构的明挖法。v通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基础以及埋置深度虽然超过5m，但小于基础宽度的大尺寸基础。v天然地基上的浅基础埋置深度较浅，用料较省，无需复杂的施工设备，在开挖基坑、必要时支护坑壁和排水疏干后对地基不加处理即可修建，工期短、造价低，因而设计时宜优先选用天然地基。 v分类： 1、单独基础： 2、条形基础： 3、井格式基础： 4、筏形基础： 5、箱形基础。二、天然地基上的浅基础1、单独基础：房屋建筑中柱的基础一般为方形或矩形的单独基础。这种基础形式常见于装配式单层工业厂房的基础。 2、条形基础：墙的基础通常连续设置
7、成长条形，称为条形基础。条形基础在普通的砌体结构中应用相当广泛。 单独基础单独基础墙下条形基础墙下条形基础3、井格式基础：当框架结构处在地基条件较差的情况时，常将柱下基础沿纵、横方向连接起来，做成十字交差的井格基础。 4、筏形基础：当地基特别软弱，上部荷载很大，用单独基础和条形基础都不能满足要求，往往需要把整个房屋底面做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础，称为筏形基础。5、箱形基础：由底板、顶板、钢筋混凝土纵横隔墙构成的整体现浇钢筋混凝土结构。(a)带形基础;(b)井格基础;(c)伐式基础; (d)箱式基础;三、深基础当土层软弱、建筑物对变形与稳定的要求较高或建筑物有特殊要求以及技术、经
8、济等各种原因，无法或不宜采用人工地基时，必须采用深基础。类型:(1)桩(墩)基础，(2)沉井基础，(3)沉箱基础，(4)地下连续墙等。其中以桩基础应用最为广泛。（1）桩基础高高层层建建筑筑、永永久久性性建建筑筑、设设有有大大吨吨位位吊吊车车的的重重型型单单层层工工业业厂厂房房、高高耸耸建建筑筑物物或或构构筑筑物物(如如烟烟囱囱、输输电电铁铁塔塔等等)、大大型型精精密密仪仪器器设设备备基基础础都都应应优优先先考考虑虑桩基方案。桩基方案。桩基础组成：桩基础组成：由桩和桩顶承台组成由桩和桩顶承台组成 桩基础按受力性质分端承桩摩擦桩按材料分钢筋混凝土桩预应力钢筋混凝土桩复合地基桩按制作方法分预制桩现浇
9、桩人工成孔灌注桩机械成孔灌注桩摩擦桩端承摩擦桩摩擦端承桩端承桩木桩钢桩钻孔灌注桩冲孔灌注桩挖孔灌注桩沉管灌注桩爆扩桩桩的类型桩的类型按受力性质：摩擦桩端承桩按达到承载力极限状态时的荷载传递主要方式，按达到承载力极限状态时的荷载传递主要方式，可分为摩擦型桩和端承型桩两大类。可分为摩擦型桩和端承型桩两大类。按所用材料：木桩，混凝土桩，钢筋混凝土桩，钢桩，其他组合材料桩等。龙华塔龙华塔建于1760年前，塔身高40.6米，为七层八角，砖木结构。古人在塔基下垫了大量的木桩、石子等物，克服了土质疏松造成的塔身沉陷。 按制作方法：2 2、灌注桩：、灌注桩： 直接在现场桩位上用机械成孔或人工挖孔，在孔内安放钢
10、筋、灌注混凝土而成型的桩。 3 3、爆扩桩：、爆扩桩： 利用爆破扩大桩底与地基的接触面积，提高桩的承载能力。1 1、预制桩：、预制桩： 预制桩是指预先制成桩，利用打桩设备打入地基的各种桩。工厂生产、现场吊桩工厂生产、现场吊桩1 1、预制桩、预制桩柴油锤打桩柴油锤打桩2 2、灌注桩、灌注桩(1) 沉管灌注桩;(2) 泥浆护壁成孔灌注桩;(3) 干作业钻孔灌注桩;(4) 人工挖孔灌注桩等。沉管灌注桩施工过程沉管灌注桩施工过程a）就位；b）沉套管；c）初灌混凝土；d）放置钢筋笼、 灌注混凝土；e）拔管成桩桩靴桩靴钢套管钢套管沉管灌注桩沉管灌注桩沉管灌注桩沉管灌注桩放置钢筋笼放置钢筋笼钢筋绑扎完毕，超
11、声波安装完毕钢筋绑扎完毕，超声波安装完毕砼砼浇浇筑筑桩基检测开展超声波检测桩基检测开展超声波检测浇浇筑筑完完成成后后的的桩桩炸药包防放入孔底， 浇第一次混凝土，30分钟后爆破，再浇第二次混凝土。3 3、爆扩桩、爆扩桩（2）沉井基础沉井是一种四周有壁、下部无底、上部无盖、侧壁下部有刃脚的筒形结构物。通常用钢筋混凝土制成。它通过从井孔内挖土，借助自身重量克服井壁摩阻力下沉至设计标高，再经混凝土封底并填塞井孔，便可成为桥梁墩台或其他结构物的基础。沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰结构物，施工工艺也不复杂。沉井由刀脚、井筒、内隔墙、封底、顶盖等组成。优点：优点： (1) (1) 埋深大；埋深大；
12、 (2) (2) 整体性好；整体性好； (3) (3) 承载力高；承载力高； (4) (4) 对邻近建筑物影响小；对邻近建筑物影响小； (5) (5) 充分利用地下空间等特点；充分利用地下空间等特点； (6) (6) 施工时具有挡水或挡土等作用；施工时具有挡水或挡土等作用；缺点：缺点： 施工工期较长，沉井下沉遇障或遇流砂等都会给施工工期较长，沉井下沉遇障或遇流砂等都会给施工带来困难。通常用于粘性土和较粗的沙土中，施工带来困难。通常用于粘性土和较粗的沙土中，土层中有块石或其他障碍物时很难施工土层中有块石或其他障碍物时很难施工1、单孔沉井：平面形状有、圆形、正方形、椭圆形、矩形等。2、单排孔沉井：
13、一排井孔，平面形状有矩形，长圆形，井孔之间有隔墙。3、多排孔沉井：整个沉井被许多纵横隔墙隔成多排井孔。按断面形状分为：按断面形状分为：沉井平面布置形式四、人工地基当遇到天然软弱土层（如淤泥、冲填土及其它软弱土层）不能承受建筑物的荷载时，需要用人工加固的方法提高土层的承载力，这种地基称为人工地基（软软基基础处理）础处理）。软土地基具有地基承载力低（软土地基具有地基承载力低（Cu=815kPa）、）、沉降大（填筑沉降大（填筑3m可能引起可能引起1m的沉降）、沉降时的沉降）、沉降时间长（沉降稳定时间可能长达几十年）等特点。间长（沉降稳定时间可能长达几十年）等特点。地基加固原理：将土质由松变实，将土的
14、含水量由高变低。软土地基处理方法软土地基处理方法 排水固结法排水固结法压密（挤密）法压密（挤密）法置换法置换法灌浆法灌浆法深层搅拌法等。深层搅拌法等。4.1 排水固结法由排水系统和加压系统组成。排出土中孔隙水，固结，增加强度。排水系统-设置竖向排水体，如普通沙井， 袋装沙井等。加压系统-堆载法，真空法等。（1）砂井堆载预压法砂砂井井堆堆载载预预压压地地基基：在软弱地基中用钢管打孔、灌砂，设置砂井作为竖向排水通道，并在砂井顶部设置砂垫层作为水平排水通道，在砂垫层上部压载以增加土中附加应力，使土体中孔隙水较快地通过砂井、砂垫层排出，从而加速土体固结，使地基得到加固。 砂井：在在软软土土地地基基中中
15、打打入入桩桩管管，然然后后边边拔拔管管边边灌灌入入砂子，在地基中形成密实砂柱体。砂子，在地基中形成密实砂柱体。（2）袋装砂井预压法袋袋装装砂砂井井预预压压地地基基：用振动、锤击或静压方式把井管沉入地下，然后向井管中放入预先装好砂料的圆柱形砂袋，最后拔起井管将砂袋充填在孔中形成砂井，在砂井顶面铺设排水砂垫层，组成垂直和水平排水通道，然后在上部堆载预压，使土中孔隙水迅速排除，从而使地基得到加固。特点：(1)能保证砂井的连续性，不易混入泥砂，(2)打设设备实现了轻型化，比较适应在软弱地基上施工；采用小截面砂井，用砂量大为减少；(3)施工速度快，可降低工程造价，每1立方米袋装砂井费用仅为普通砂井的50
16、%左右。袋装砂井袋装砂井 （3）塑料排水板堆载预压法塑塑料料排排水水板板堆堆载载预预压压：将带状塑料排水板用插板机将其插入软弱土层中，组成垂直和水平排水体系，然后在地基表面堆载预压（或真空预压），土中孔隙水沿塑料板的沟槽上升逸出地面，从而可加速软土地基的沉降过程，使地基得到压密。特点：(1)板单孔过水面积大，排水畅通；质量轻，强度高，耐久性好；(2)用机械埋设，效率高；特别用于大面积超软弱地基土上进行机械化施工，可缩短地基加固周期，经100d的固结度可达到80%，加固费用比袋装砂井节省10%左右。软基处理塑料排水板软基处理塑料排水板 （4）真空预压法真真空空预预压压法法：以大气压力作为预压载荷
17、，先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾层，再在其上覆盖一层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封好与大气隔绝，在砂垫层内埋设渗水管道，然后与真空泵连通进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结。软土地基处理区上铺设密封膜软土地基处理区上铺设密封膜软土地基处理区上铺设密封膜软土地基处理区上铺设密封膜 (1)真空法所产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，可缩短固结时间；(2)所用设备和施工工艺比较简单，便于大面积使用；无噪声、无振动、无污染；(3)工期比一般堆载预压可缩短2/3，造价比一般堆载预压降低1/3。真空预压法特
18、点：真空预压法特点：真空预压法特点：真空预压法特点：码头后方陆域软基处理真空预压现场码头后方陆域软基处理真空预压现场码头后方陆域软基处理真空预压现场码头后方陆域软基处理真空预压现场 4.2 压密（挤密）法（1）表面压实法法国L梅纳（Menard）1969年首创的一种地基加固方法。是利用起重机械将夯锤提升一定高度，然后自由落下，重复夯击基土表面，使地基表面形成一层比较密实的硬壳（表层），从而使地基得到加固。夯击后的地基承载力可提高25倍，压缩性可降低200500，影响深度在10m以上。 （2）强夯法vv强夯法属于高高能能量量夯夯击击，是用巨大的冲击能，使土中出现冲击波和很大的应力，迫使土颗粒重新
19、排列，排除孔隙中的气和水，从而提高地基强度，降低其压缩性。vv优点：地基经强夯加固后，承载能力可以提高2-5倍，压缩性可降低200-1000%。是一种效果好、速度快、节省材料、施工简便的地基加固方法。vv缺点：是施工时噪音和振动很大，离建筑物小于10m时，应挖防震沟，沟深要超过建筑物基础深。 强夯地基上海洋山港围区基础处理上海洋山港围区基础处理上海洋山港围区基础处理上海洋山港围区基础处理- -低能量强夯法施工现场。低能量强夯法施工现场。低能量强夯法施工现场。低能量强夯法施工现场。 (3)振冲挤密法依靠振冲器的强大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，
20、形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压加密。vv先用带桩靴的工具式桩管打入土中，挤压土壤形成桩孔，然后拔出桩管，再在桩孔中灌人砂石或石灰、素土、灰土等填充料进行捣实，或者随着填充料的灌入逐渐拔出桩管。vv适用于松软饱和地基，其原理就是挤密土壤，排水固结，以提高地基的承载力。 (4)挤密桩当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱地基。4.3 置换法将基础底面下要求范围内的软弱土层挖去，用一定比例的石灰与土，在最优含水量情况下，充分拌合，分层回填夯实或压实而成。灰土具有一定的强度、水稳定性和抗渗性，施工工艺简单，取材容易，费用较低，是一种应用
21、广泛、经济、实用的地基加固方法。 （1）灰土垫层地基砂垫层地基是用夯（压）实的砂或砂石垫层替换基砂垫层地基是用夯（压）实的砂或砂石垫层替换基础下部一定厚度的软土层，以起到提高基础下地基础下部一定厚度的软土层，以起到提高基础下地基承载力，减少沉降，加速软土层的排水固结作用。承载力，减少沉降，加速软土层的排水固结作用。适用处理适用处理3.0m3.0m以内的软弱、透水性强的粘性土地基；以内的软弱、透水性强的粘性土地基；不宜用于不宜用于加固湿陷黄土地基及渗透系数小的粘性土加固湿陷黄土地基及渗透系数小的粘性土地基。地基。（2）砂和砂石垫层地基“ “爆破挤淤爆破挤淤” ”方法方法方法方法清除清除海底淤泥，
22、然后抛填海底淤泥，然后抛填石料进行海底石料进行海底软基处软基处软基处软基处理。理。理。理。 （3）爆破挤淤4.4 灌浆法利用高压射流切削土壤，旋喷浆液（水泥浆、水玻璃、丙凝等），搅拌浆土，使浆液和土壤混合，凝结成坚硬的柱体或土壁。用气压，液压或电化学原理，把某些能固化的液体注入裂隙或孔隙，改善地基的物理力学性质。用途防渗、堵漏、加固、纠正结构偏斜。灌浆材料-粒状浆材，化学浆材。旋喷桩：旋喷桩：旋喷桩：旋喷桩：利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力制喷头，以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定
23、的速度旋转，一面切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度形成具有一定强度(0.5(0.58.0MPa8.0MPa）的圆柱固结体）的圆柱固结体( (即即旋喷桩旋喷桩),),从而使地基得到加固。从而使地基得到加固。特点：特点：特点：特点：可提高地基的抗剪强度；能利用小直径钻孔可提高地基的抗剪强度；能利用小直径钻孔旋喷成比孔大旋喷成比孔大8 81010倍的大直径固结体，可用于已有倍的大直径固结体，可用于已有建筑物地基加固而不扰动附近土体；施工噪声低，建筑物地基加固而不扰动附近土体；施工噪声
24、低，振动小；设备较简单、轻便，机械化程度高；料源振动小；设备较简单、轻便，机械化程度高；料源广阔，施工简便，速度快，成本低等。广阔，施工简便，速度快，成本低等。 （2）旋喷桩）旋喷桩喷粉桩：喷粉桩：喷粉桩：喷粉桩：采用喷粉桩机成孔，运用喷粉桩机借助压采用喷粉桩机成孔，运用喷粉桩机借助压缩空气将粉体（水泥或石灰粉）输送到桩头，并以缩空气将粉体（水泥或石灰粉）输送到桩头，并以雾状喷入加固地基的土层中，并借钻头的叶片旋转，雾状喷入加固地基的土层中，并借钻头的叶片旋转，加以搅拌，使其充分混合，形成水泥（或石灰）土加以搅拌，使其充分混合，形成水泥（或石灰）土桩体，与原地基构成复合地基。桩体，与原地基构成
25、复合地基。特点：特点：特点：特点：加固改良地基，提高地基承载力（加固改良地基，提高地基承载力（2 23 3倍）倍）和水稳性，减少沉降量（和水稳性，减少沉降量（1/31/32/32/3），加快沉降速），加快沉降速率，不需向地基土中注入附加水分；率，不需向地基土中注入附加水分；喷粉采用密封，对环境无污染，施工无振动、无噪喷粉采用密封，对环境无污染，施工无振动、无噪音，对周围环境无不良影响；音，对周围环境无不良影响；施工机具设备较简单，安全可靠，施工操作简便，施工机具设备较简单，安全可靠，施工操作简便，成桩效率高（每台喷粉机为成桩效率高（每台喷粉机为5050根根/d/d），可就地取材，），可就地取材
26、，费用较低，比采用混凝土灌注桩地基处理费用降低费用较低，比采用混凝土灌注桩地基处理费用降低70%70%，工期仅为原来的，工期仅为原来的1/31/3。 （3）喷粉桩）喷粉桩1）柱体对位 2）下钻 3）钻进结束 4）提升喷粉 5）提升结束桩形成体 深层搅拌法是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过特定的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土与固化剂强制搅拌，利用软土与固化剂之间产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。4.5 深层搅拌法深层搅拌法深层搅拌法的施工主要可分为定位、预搅下沉、制备水泥浆、提升喷浆搅拌、重复上下搅拌、清洗等几个步骤 抛泥受限制，沙石料来源不足。抛泥受限制，沙石料来源不足。软基处理新技术软基处理新技术插入式箱筒型基础谢谢！
