第十三章 地基處理

1、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)Soil Mechanics and Foundation Engineering主講人：第十三章 地基處理13.1 概述13.2 置換法13.3 深層密實(shí)法13.4 排水固結(jié)法13.5 化學(xué)加固法本章提要與學(xué)習(xí)目標(biāo) 我國地域遼闊、幅員廣大、自然地理環(huán)境不同、土質(zhì)各異、地基條件區(qū)域性較強(qiáng)，隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，不僅事先要選擇在地質(zhì)條件良好的場地從事建設(shè)，而且有時(shí)也不得不在地質(zhì)條件不好的地方進(jìn)行修建，因此就需要對天然的軟弱地基進(jìn)行處理。 地基處理的主要目的是提高軟弱地基的強(qiáng)度、保證地基的穩(wěn)定；降低軟弱地基的壓縮性、減少基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降；防止地震時(shí)地基土的振動(dòng)液化；消除

2、特殊土的濕陷性、脹縮性和凍脹性。 本章對國內(nèi)外常用的地基處理方法進(jìn)行介紹，并著重于各種地基處理方法的適用范圍、加固機(jī)理和設(shè)計(jì)計(jì)算。13.1 概述一、地基處理的目的和意義 地基是指承托建筑物基礎(chǔ)的這一部分范圍很小的場地。也就是說承受由基礎(chǔ)傳來荷載的土層（或巖層）稱為地基。 基礎(chǔ)是指建筑物向地基傳遞荷載的下部結(jié)構(gòu)。它具有承上啟下的作用。二、建筑物的地基所面臨的問題 地基承載力及穩(wěn)定性 天然地基承載力主要與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，也與基礎(chǔ)型式和埋深有關(guān)。 加拿大特朗斯康谷倉地基2.沉降、水平位移及不均勻沉降不均勻沉降不均勻沉降3.滲漏主要分兩類： 一類是堤壩蓄水構(gòu)筑物地基滲流量超過其允許值時(shí)，其后果是造成

3、較大水量損失； 另一類是地基中水力比降超過其允許值時(shí)，地基土?xí)撐g和管涌產(chǎn)生破壞而導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物破壞，造成工程事故。 天然地基滲漏問題主要與土的滲透性有關(guān)。若天然地基不能滿足要求，則需對地基進(jìn)行改良，減小土的滲透性，或在地基中設(shè)置止水帷幕，阻截滲流。 4.液化 在動(dòng)荷載（地震、機(jī)器以及車輛振動(dòng)、波浪和爆破等）作用下，會引起飽和松散粉細(xì)砂（包括部分粉土）產(chǎn)生液化，它是使土失去抗剪強(qiáng)度的一種現(xiàn)象，并會造成地基失穩(wěn)和震陷。 液化的宏觀標(biāo)志是在地表出現(xiàn)噴砂冒水。二、地基處理的對象及其特性地基處理的對象是軟弱地基和特殊土地基 。 軟黏土 人工填土（包括素填土、雜填土和沖填土） 飽和粉細(xì)沙（包括部分輕亞

4、粘土） 濕陷性黃土 有機(jī)質(zhì)土和泥炭土 膨脹土 多年凍土 巖溶、土洞 山區(qū)地基等。三、地基處理的方法和分類（一）置換（二）排水固結(jié)（三）振密、擠密（四）灌入固化物（五）加筋法（六）冷熱處理法（七）托換 （八）糾偏 可以按下述方法分類： 地基處理方法可分為物理的地基處理方法、化學(xué)的地基處理方法、以及生物的地基處理方法。 也可根據(jù)地基處理加固區(qū)的部位分為淺層地基處理方法、深層地基處理方法和斜坡面土層處理方法三大類。 還可視用途將地基處理方法分為臨時(shí)性地基處理方法和永久性地基處理方法兩種。通過地基處理形成的人工地基 1、均質(zhì)地基（多層地基）：通過土質(zhì)改良或置換，全面改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，提高地基土

5、抗剪強(qiáng)度，增大土體壓縮模量，或減少土的滲透性。該類人工地基屬于均勻質(zhì)地基，或多層地基。2、復(fù)合地基：通過在地基中設(shè)置增強(qiáng)體，增強(qiáng)體與原地基土體形成復(fù)合地基，以提高地基承載力，減少地基沉降。 復(fù)合地基（補(bǔ)充）：由兩種剛度（或模量）的不同材料（樁體或樁間土）所組成，在剛性基礎(chǔ)下兩者共同分擔(dān)上部荷載并協(xié)調(diào)變形的地基。3、樁基礎(chǔ)：通過在地基中設(shè)置樁，荷載由樁體承擔(dān)。特別是端承樁，通過樁將荷載直接傳遞給地基中承載力大，模量高的土層。 四、地基處理方法選用原則和規(guī)劃程序 合理的地基處理方法總的原則是： 1、技術(shù)先進(jìn)可靠 2、經(jīng)濟(jì)合理 3、安全適用 4、確保質(zhì)量 5、能滿足施工進(jìn)度要求建（構(gòu)）筑物對地基要求

6、天然地基條件天然地基是否滿足要求天然地基機(jī)具、材料條件經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)地基處理原理地基處理處理方案可行性研究提出多種可行性方案技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、進(jìn)度比較分析，并滿足環(huán)保要求必要時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)、補(bǔ)充、調(diào)查地基處理設(shè)計(jì)地基處理施工質(zhì)量檢驗(yàn)是否符合要求人工地基補(bǔ)救措施地基處理規(guī)劃程序13.2 置換法 一、概述 定義：置換法是指應(yīng)用物理力學(xué)性質(zhì)較好的巖土材料置換天然地基中的部分或全部軟弱土體或不良土體，形成雙層地基或復(fù)合地基，以達(dá)到提高地基承載力、減少沉降目的的一類地基處理方法。 分類：以置換為主的地基處理方法主要有：換土墊層法、擠淤置換法、褥墊法、強(qiáng)夯置換法以及碎石樁置換法和砂樁置換法等。二、換土墊層法 換土墊層

7、法是將基礎(chǔ)下不太深的一定范圍內(nèi)軟弱土層一部分或全部挖去，然后換填密度大、強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好的砂土、碎（卵）石土、灰土、素土、礦渣以及其它性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料，并分層（振、壓）實(shí)至要求的密度。 換土墊層法一般多用于上部荷載不大，基礎(chǔ)埋深較淺的中、低層民用建筑的地基處理工程中，一般開挖深度不超過3m。 換土墊層設(shè)計(jì) 1 墊層材料的選用2 墊層厚度的確定3 墊層鋪設(shè)范圍4 承載力確定根據(jù)換填的材料不同，墊層可分為砂石（砂礫、碎卵石）墊層、土墊層（素土、灰土、二灰土墊層）、粉煤灰墊層、礦渣墊層、加筋砂石墊層等。圖13-2 墊層的寬度確定主要依據(jù)是基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求，其次也要考慮墊層側(cè)面土的允許承

8、載力，以防止墊層向兩側(cè)擠入軟弱土層中。通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定 5 沉降計(jì)算一般墊層僅考慮下臥層的變形，對沉降要求較嚴(yán)或墊層較厚的情況，應(yīng)計(jì)算墊層自身的變形，分層總和法。圖13-2 墊層內(nèi)應(yīng)力的分布 表達(dá)式為：式中 pz墊層底面處的附加應(yīng)力值，kPa； pcz墊層底面處土的自重應(yīng)力，kPa； faz 經(jīng)深度修正后墊層底面處軟弱下臥層土的地基承載力特征值，kPa。zczczppf施工 換土墊層法施工包括開挖換土和鋪填墊層兩部分。 開挖換土應(yīng)注意避免坑底土層擾動(dòng)，應(yīng)采用干挖土法。 鋪填墊層應(yīng)根據(jù)不同的換填材料選用不同的施工機(jī)械。墊層需分層鋪填，分層密實(shí)。砂石墊層宜采用振動(dòng)碾壓；粉煤灰墊層宜采用平碾、振動(dòng)碾

9、、平板碾動(dòng)器、蛙式夯等碾壓方法密實(shí)；灰土墊層宜采用平碾、振動(dòng)碾等方法密實(shí)。 振動(dòng)壓路機(jī)質(zhì)量檢驗(yàn) 墊層法施工質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)分層進(jìn)行。每層施工后經(jīng)檢驗(yàn)復(fù)合設(shè)計(jì)要求后才能進(jìn)行下一層施工。 對灰土、粉煤灰和砂石墊層的施工質(zhì)量可采用環(huán)刀法、貫入儀、靜力觸探、輕型動(dòng)力觸探或標(biāo)注貫入試驗(yàn)等方法進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)； 對砂石、礦渣墊層可用重型動(dòng)力觸探檢驗(yàn)墊層質(zhì)量。 三、強(qiáng)夯置換法 （一）加固機(jī)理和適用范圍強(qiáng)夯置換可分為整式置換和樁式置換。強(qiáng)夯置換法適用于加固粉土地基、黏性土地基等。常應(yīng)用于堆場、高等級公路地基處理，有時(shí)也應(yīng)用于多層住宅地基處理。 動(dòng)力置換類型 (a)整式置換 (b)樁式置換強(qiáng)夯置換法設(shè)計(jì)1 置換材料選用2

10、 墩體設(shè)置深度、夯錘和落距選用 3 置換點(diǎn)范圍和置換點(diǎn)布置 4 墊層5 檢測方法用級配良好的塊石、碎石、礦渣、建筑垃圾等堅(jiān)硬粗顆粒材料，應(yīng)充分利用地方材料。 設(shè)置深度可根據(jù)設(shè)計(jì)承載力要求確定，錘重和落距需要通過試驗(yàn)確定 等邊三角形或正方形布置 在墩間土和墩頂應(yīng)鋪設(shè)一厚度不小于300mm的砂石墊層 測定墩體和復(fù)合地基承載力 13.3 深層密實(shí)法 一、概述 定義：深層密實(shí)是指采用爆破、夯擊、擠壓和振動(dòng)等方法，對松軟地基土進(jìn)行振密和擠密，使土體抗剪強(qiáng)度提高，壓縮性減小，從而達(dá)到提高地基承載力和減小沉降為目的的一類地基處理方法。 分類：這類地基處理方法主要有爆破擠密法、碎（砂）石樁法、強(qiáng)夯法、石灰樁法

11、、土樁、灰土樁法等等。 二、強(qiáng)夯法 兩種不同的加固機(jī)理：動(dòng)力密實(shí)和動(dòng)力固結(jié)。 1、動(dòng)力密實(shí)對象：多孔隙、粗顆粒的非飽和土機(jī)理：土中的空氣被擠出的過程，其夯實(shí)變形主要是由于土顆粒的相對位移引起 2、動(dòng)力固結(jié)對象：碎石土、砂土、低飽和度的黏性土、素填土、雜填土、濕陷性黃土等 機(jī)理：動(dòng)力固結(jié)理論巨大的沖擊能量在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有的結(jié)構(gòu)，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利逸出，待超孔隙水壓力消散后，土體固結(jié) 強(qiáng)夯法常用來加固碎石土、砂土、低飽和度的黏性土、素填土、雜填土、濕陷性黃土等地基。對于飽和度較高的黏性土地基等，如有工程經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)證明采用強(qiáng)夯法有加固

12、效果的也可采用。通常認(rèn)為強(qiáng)夯擠密法只適用于塑性指數(shù)小于等于10的土。對淤泥與淤泥質(zhì)土地基不宜采用強(qiáng)夯法加固。強(qiáng)夯法加固地基設(shè)計(jì)內(nèi)容1、有效加固深度和單擊夯擊能的確定2、夯錘和落距的選用3、夯擊范圍和夯擊點(diǎn)布置4、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù)5、間歇時(shí)間6、墊層設(shè)計(jì)1、有效加固深度H和單擊夯擊能的確定2、夯錘和落距的選用 實(shí)踐證明，圓形和帶有氣孔的錘較好 。 夯錘確定后，根據(jù)要求的單擊夯擊能量，就能確定夯錘的落距。國內(nèi)通常采用的落距為825m。3、夯擊范圍和夯擊點(diǎn)布置 強(qiáng)夯加固范圍應(yīng)大于建筑物基礎(chǔ)范圍，每邊超出基礎(chǔ)外邊緣的寬度宜為設(shè)計(jì)處理深度的1/21/3，并不宜小于3.0m。 夯點(diǎn)布置：對某些基礎(chǔ)面積較

13、大的建筑物或構(gòu)筑物，可按等邊三角形或正方形布置夯擊點(diǎn)；對辦公樓和住宅建筑等，可根據(jù)承重墻位置布置夯點(diǎn)。10MhH4、夯擊擊數(shù)和夯擊遍數(shù) 國內(nèi)外目前一般每夯擊點(diǎn)夯520擊，根據(jù)土的性質(zhì)和土層的厚薄不同，夯擊擊數(shù)也不同。 一般情況下，對碎石、礫砂、砂質(zhì)土或垃圾土，夯擊遍數(shù)為3遍左右。粘性土為38遍，泥炭為35遍。在我國大多數(shù)工程中為25遍。最后以低能量滿夯一遍。5、間歇時(shí)間 可根據(jù)地基水的滲透性確定間歇時(shí)間，對于滲透性較差的粘性土地基的間隔時(shí)間，一般不少于34周，一般滲透性較好的粘性土12周，對滲透性好的地基可連續(xù)夯擊。6、墊層設(shè)計(jì) 墊層厚度隨場地的土質(zhì)條件、夯錘重量及形狀等條件而定。一般為501

14、50cm。墊層材料宜采用粗顆粒的碎石、礦渣、砂礫石、粗顆粒粒徑宜小于10cm。對處理土層為飽和砂、軟土?xí)r，坑底易涌土涌砂，故墊層材料不宜用砂。三、擠密碎（砂）石樁法 定義:碎石樁法和砂樁合稱為粗顆粒土樁，是指用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構(gòu)成的密實(shí)樁體。 適用范圍：碎石樁和砂樁適用處理松散地基、粉土、素填土、雜填土、粘性土地基、濕陷性黃土地基等，可用于散料堆場、路堤、碼頭、油罐、廠房和住宅等工業(yè)與民用建筑地基加固工程中。對松散砂土加固機(jī)理 主要目的是提高地基土承載力，減少變形和增強(qiáng)抗液化能力。 主要作用：（1）擠密作用（2）排水減壓

15、作用 （3）砂土地基預(yù)振作用在軟弱粘土中的加固機(jī)理 機(jī)理：碎石（砂）樁在軟弱粘性土地基中，主要通過樁體的置換和排水作用加速樁間土體的排水固結(jié)，并形成復(fù)合地基，提高地基的承載力和穩(wěn)定性，改善地基土的力學(xué)力性能。 作用：（1）置換作用（2）排水作用（3）加筋作用（4）墊層作用砂樁處理軟土地基設(shè)計(jì)計(jì)算 加固范圍 樁位布置 通常都大于基底面積。對一般地基，在基礎(chǔ)外邊緣宜擴(kuò)大12排，對可液化地基，在基礎(chǔ)外邊緣應(yīng)擴(kuò)大24排。 加固深度 樁徑 碎石樁和砂樁的直徑應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設(shè)備等因素確定 材料 使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂礫石等，含泥量不大于5%。材料最大粒徑一般不大于8cm，對碎石，一般為

16、25cm。 圖13-5樁位布置 墊層 施工完畢后，基礎(chǔ)底面應(yīng)鋪設(shè)3050cm厚度的碎（砂）石墊層，分層鋪設(shè)，用平板振動(dòng)器振實(shí)。 根據(jù)軟弱土層的性能、厚度或工程要求 圖13-5樁位布置( a )正方形 ( b )矩形 ( c )等腰三角形 ( d )放射形用于砂性土設(shè)計(jì)計(jì)算方法 首先根據(jù)工程對地基加固的要求（如提高地基承載力、減小變形或抗地震液化等）確定達(dá)到的密度和孔隙比，并考慮樁位布置型式和樁徑大小，計(jì)算樁的間距。 考慮振密和擠密兩種作用，平面布置為正三角形和正方形 當(dāng)正方形布樁時(shí)： 當(dāng)?shù)冗吶切尾紭稌r(shí)： 0100.891HhldeeHhe0100.951HhldeeHhe圖13-6 加密效果

17、計(jì)算注意事項(xiàng)（1）地基含水量的影響 地基含水量對處理效果影響很大，實(shí)踐證明，只有安全干燥或飽和狀態(tài)的砂土才可能獲得最大的振動(dòng)密實(shí)度。 （2）粘土顆粒含量的影響 粘土顆粒含量的多少對處理效果有一定的影響。粘土顆粒含量過高，振動(dòng)和沖擊荷載難以破壞樁周粘土顆粒間的物理、化學(xué)力，因而會影響擠密效果。 （3）靠近地表的擠密情況 地表層約12m內(nèi)樁間土所受的約束力較小，在這深度范圍內(nèi)，很難做到充分?jǐn)D密，往往滿足不了設(shè)計(jì)要求，常需要結(jié)合其它的表層壓實(shí)方法進(jìn)行處理。四、石灰樁法 定義：石灰樁是指用人工或機(jī)械在土中成孔，然后灌入生石灰塊（還可摻入其它活性與非活性材料），經(jīng)夯壓后形成一根一根的樁體。 加固機(jī)理 1

18、、擠密作用 成孔擠密作用； 吸水膨脹擠密作用；脫水?dāng)D密2、吸水、升溫使樁間土強(qiáng)度提高3、石灰樁的排水固結(jié)作用4、膠凝、離子交換和碳化作用使樁周土強(qiáng)度提高。5、生石灰的置換作用。13.4 排水固結(jié)法一、概述定義：排水固結(jié)法是對天然地基，或先在地基設(shè)置砂井（袋裝砂井或塑料排水帶）等豎向排水體，然后利用建筑物本身重量分級逐漸加載，或在建筑物建造前在場地先行加載預(yù)壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降時(shí)，同時(shí)強(qiáng)度逐漸提高的方法。組成：排水固結(jié)法主要是由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。圖13-7排水固 法 加壓系統(tǒng) 排水系統(tǒng)加載法真空預(yù)壓降水預(yù)壓電滲法聯(lián)合法豎向排水體水平排水體堆載預(yù)壓法超載預(yù)

19、壓法 建筑自重分級加載法塑料排水板 袋裝砂井普通砂井其它砂墊層圖13-7 排水固結(jié)組成 系統(tǒng)組成排水系統(tǒng) 場地高填土堆載預(yù)壓二、加固機(jī)理和計(jì)算理論 原理：將土在某一壓力作用下，自由水逐漸排出，土體隨之壓縮，土體的密度和強(qiáng)度隨時(shí)間增長的過程稱為土的固結(jié)過程。所以，固結(jié)過程就是超靜孔隙水壓力消散、有效應(yīng)力增長和土體逐步壓密的過程。 計(jì)算理論：根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，粘性土達(dá)到一定固結(jié)度所需時(shí)間與其最大排水距離的平方成正比。 排水固結(jié)法原理(a)豎向排水情況 (b)砂井地基排水情況排水固結(jié)法適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)土及沖填土等飽和粘性土地基。砂井法特別適用于存在連續(xù)薄砂層的地基。排水固結(jié)法的原理

20、加 固 軟 土 層豎 向 排 水 體排水墊層水平排水盲溝 排水固結(jié)法適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)土及沖填土等飽和粘性土地基。砂井法特別適用于存在連續(xù)薄砂層的地基。砂井只能加速主固結(jié)而不能減少次固結(jié)，對有機(jī)質(zhì)土和泥炭等次固結(jié)土，不宜采用砂井法。降低地下水位法、真空預(yù)壓法和電滲法由于不增加剪應(yīng)力，地基不會產(chǎn)生剪切破壞，所以它適用于很軟弱的粘土地基。四、堆載預(yù)壓法 定義：堆載預(yù)壓是在建筑施工前通過臨時(shí)堆填土、砂、石、磚等散料對地基加載預(yù)壓，使地基土的沉降大部分或分基本完成，并因固結(jié)而提高地基承載力，然后除去堆載，再行建筑施工的一種處理方法。 該法適用于各種軟粘土地基。臨時(shí)填土堆載預(yù)壓五、真空預(yù)壓法 定

21、義：真空預(yù)壓法是通過在砂墊層和豎向排水體中形成負(fù)壓區(qū)，在土體內(nèi)部與排水體間形成壓差，迫使地基土中水排出，地基土體產(chǎn)生固結(jié)。 真空預(yù)壓法加固地基原理是土體在壓差作用下固結(jié)。真空預(yù)壓下地基土體固結(jié)計(jì)算可采用Rendulic-Terzaghii固結(jié)理論或Biot固結(jié)理論計(jì)算。 圖13-14 真空預(yù)壓法示意圖真空預(yù)壓模型試驗(yàn)13.5 化學(xué)加固法 定義：化學(xué)加固法是指在軟弱地基中灌入水泥漿液、黏土漿液或其他化學(xué)漿液，通過灌注壓入、高壓噴射或機(jī)械攪拌，使?jié){液與土顆粒膠結(jié)起來，以改善地基土的物理和力學(xué)性質(zhì)的地基處理方法。 屬于化學(xué)加固法的地基處理方法主要有：水泥土攪拌法、高壓噴射注漿法和灌漿法。二、水泥土攪拌法 水泥土攪拌樁是一種用于加固飽和粘土地基的常用軟基處理技術(shù)，它將水泥作為固化劑與軟土在地基深處強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成一定強(qiáng)度的水泥加固體，從而提高地基土承載力和增大變形模量。 水泥土攪拌樁從施工工藝上可分為濕法（漿噴攪拌法）和干法（粉噴攪拌法）兩種。 水泥攪拌樁在施工漿噴樁粉噴樁三、高壓噴射注漿法定義：高壓噴射注漿法是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后，以高壓設(shè)備使?jié){液或水成為20MPa左右的高壓流從噴嘴中噴射出來，沖擊破壞土體