情境3(單元1單一地基處理)

情境3(單元1單一地基處理)第一頁，共45頁。單元一單一地基處理一、概述在軟弱地基或特殊土地基上修建橋涵或填筑路基時，其天然地基的承載力往往比較低或承載力不穩(wěn)定，需采用人工加固方法增強地基強度和改善地基土性能，從而提高地基承載力，這種采用人工方法加固地基的工程稱為人工地基工程。軟弱地基處理的目的是改善地基土的性質，達到滿足路基或橋梁對地基強度、變形和穩(wěn)定的要求，其中包括改善地基土的滲透性，提高地基強度或增加其穩(wěn)定性，降低地基的壓縮性以減小其變形，改善地基的動力特性以提高其抗液化性能。第二頁，共45頁。單元一單一地基處理根據地基處理方法的原理，常用地基處理方法如表3.1.1所示。由于各種地基處理方法具有不同的適用范圍和優(yōu)缺點，具體選用時應結合場地的工程地質條件、地基處理的要求和施工條件，經綜合分析比較，選擇經濟合理的處理方法。同時，還需注意環(huán)境保護，避免對地面及地下水體產生污染，以及避免振動噪音對周圍環(huán)境產生不良影響等。第三頁，共45頁。單元一單一地基處理第四頁，共45頁。單元一單一地基處理二、換土墊層法1.原理及適用范圍換土墊層法（又稱換填法）是將處于路基或橋梁基礎底面以下一定深度內的軟弱土挖去或部分挖去，分層回填強度較高的砂、碎石或灰土以及其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料，并夯實或壓實后作為地基持力層。常用的墊層有：砂墊層、碎石墊層、灰土或素土墊層、礦渣墊層等。墊層的作用主要體現在以下幾個方面：第五頁，共45頁。單元一單一地基處理（1）提高淺層地基承載力。以抗剪強度較高的砂或其他填筑材料置換基礎下較弱的土層，可提高淺層地基承載力，避免地基的破壞。（2）減小地基沉降量。一般淺層地基的沉降量占總沉降量比例較大。如以密實砂或其他填筑材料代替上層軟弱土層，就可以減小這部分的沉降量。由于砂墊層或其他墊層對應力的擴散作用，使作用在下臥層土上的壓力較小，這樣也會相應減小下臥層土的沉降量。（3）加速軟弱土層的排水固結。砂墊層和碎石墊層等墊層材料透水性強，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度。第六頁，共45頁。單元一單一地基處理（4）防止凍脹。粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產生毛細現象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中結冰所造成的凍脹。在各類工程中，墊層所起的主要作用有時也是不同的，如房屋建筑物基礎下的砂墊層主要起換土的作用，而在路堤及土壩等工程中，往往以排水固結為主要作用。換填法適用于建筑物荷載不大時的淺層軟土（軟土厚度≤3m）地基處理，可用于處理淤泥、淤泥質土、濕陷性黃土、膨脹土、素填土、雜填土、季節(jié)性凍土地基以及暗溝、暗塘等淺層軟基。但砂墊層不宜用于處理濕陷性黃土地基，因為砂墊層較大的透水性反而易引起土的濕陷。第七頁，共45頁。單元一單一地基處理2.墊層的設計要點墊層的設計不但要滿足建筑物對地基變形及穩(wěn)定的要求，而且應符合經濟合理的原則。其設計內容主要是確定斷面的合理厚度和寬度。對于墊層，既要求有足夠的厚度來置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止墊層向兩側擠出。對于有排水要求的墊層來說，還需形成一個排水面，促進軟弱土層的固結，提高其強度，以滿足上部荷載的要求。第八頁，共45頁。單元一單一地基處理1）墊層厚度的確定墊層厚度應根據墊層底面處下臥層的承載力確定，如圖3.1.1所示。墊層底面處的附加應力與土自重應力之和不應超過同一標高處下臥層的容許承載力，其表達式為：pz+pcz≤fz（3.1）式中fz——墊層底面處土層的地基承載力，kPa；pz——墊層底面處的附加應力，kPa；pcz——墊層底面處土的自重應力，kPa。第九頁，共45頁。單元一單一地基處理圖3.1.1砂墊層內應力分布第十頁，共45頁。單元一單一地基處理具體計算時，一般可根據墊層的容許承載力確定基礎寬度，再根據下臥層的承載力確定墊層的厚度。墊層的厚度一般不宜大于3m，太厚造價太高、施工困難；太?。ǎ?.5m）則墊層作用不明顯。

第十一頁，共45頁。單元一單一地基處理墊層底面處的附加應力值pz可分別按式（3.2）和式（3.3）簡化計算：矩形基礎pz=b(p－pc)/b+2ztanθ

（3.2）條形基礎pz=bl(p－pc)/(b+2ztanθ)(l+2ztanθ)（3.3）式中p——基礎底面壓應力，kPa。pc——基礎底面處土的自重應力，kPa。l、b——基礎底面的長度和寬度，m；z——基礎底面下墊層的厚度，m；

θ——墊層的壓力擴散角，可按表3.1.2采用。第十二頁，共45頁。單元一單一地基處理第十三頁，共45頁。單元一單一地基處理（2）墊層寬度的確定墊層寬度b′需滿足兩方面要求：一是滿足應力擴散的要求；二是防止墊層向兩邊擠出。一般可按下式或根據當地經驗確定。b′≥b+2ztanθ

(3.4)式中b、z、θ——物理意義與同式（3.3）。整片墊層的寬度可根據施工要求適當加寬。墊層頂面每邊宜超出基礎底邊不小于0.3m，或從墊層底面兩側向上按當地開挖基坑所要求的坡度放坡。第十四頁，共45頁。單元一單一地基處理（3）沉降驗算對于重要的建筑或墊層下存在軟弱下臥層的建筑，還應進行地基變形驗算。建筑物基礎的沉降S小于或等于建筑物允許沉降［S］。而建筑物基礎的沉降S=墊層自身的變形量S1+下臥土層的變形量S2。3.墊層的施工要點（1）墊層材料選擇不同墊層的材料有不同的要求。例如砂墊層，砂料以中粗砂為宜，要求不均勻系數不小于5，有機質含量、含泥量和水穩(wěn)定性不良的物質均不宜超過3％，且不得含有大石塊。第十五頁，共45頁。單元一單一地基處理（2）基坑開挖要求施工時必須避免擾動軟弱下臥層的結構。一般基坑開挖后立即回填墊層，不可暴露過久、浸水或任意踐踏坑底。墊層底面宜鋪設在同一標高上，如深度不同，地基土面應挖成踏步或斜坡搭接，各層錯開0.5~1.0m，搭接處應注意搗實，施工應按先深后淺的順序進行。（3）墊層填筑壓實工藝墊層填料應分層填筑、分層壓實。每層鋪填厚度應控制在20~30cm，壓實度逐層進行檢驗，合格后方可進行上層施工。第十六頁，共45頁。單元一單一地基處理三、排水固結法1.加固原理及適用范圍排水固結法（又稱預壓法），是在軟基中設置砂井、塑料排水板等豎向排水體，然后加載預壓，使土體中的孔隙水排出，土體逐漸固結，地基發(fā)生沉降，同時強度得以逐步提高的一種地基處理方法。排水固結法通常由排水系統和加壓系統兩部分組成。加壓系統有堆載預壓和真空預壓兩種。排水系統由豎向排水體和水平排水體兩部分組成，豎向排水體采用砂井、袋裝砂井或塑料排水板等；水平排水體常采用砂墊層，如圖3.1.2所示。第十七頁，共45頁。單元一單一地基處理圖3.1.2砂井布置圖(a)立面圖；（b）正方形布置；（c）等邊三角形布置；（d）砂井的排水途徑第十八頁，共45頁。單元一單一地基處理2.砂井的構造砂井的構造主要指砂井的直徑、間距、深度、平面布置以及砂墊層的布置等。（1）砂井的直徑dw砂井的直徑由黏性土層的固結特性和施工期限確定。

因縮小井距要比增大砂井直徑更有利于加速土層的固結，故原則上采用“細而密”的布置方案。砂井的直徑不宜過大或過小，過大不經濟；過小，施工易造成灌砂率不足、縮頸或砂井不連續(xù)等質量問題。普通砂井直徑dw為30~50cm，袋裝砂井直徑為7~10cm。第十九頁，共45頁。單元一單一地基處理（2）砂井的深度砂井深度的選擇與土層分布、地基中附加應力的大小、施工期限和條件等因素有關。當軟黏土層不厚（H=10~20m），底部有透水層時，砂井應盡可能穿透軟黏土層；當軟黏土層較厚(H>20m)，但其間有砂層或砂透鏡體時，砂井應盡可能打至砂層或透鏡體；當軟黏土層很厚，其中又無透水層時，可按地基的穩(wěn)定性及建筑物變形要求來決定。以地基抗滑穩(wěn)定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料場等，砂井深度應通過穩(wěn)定分析確定，且砂井深度至少應超過最危險滑動面2m。第二十頁，共45頁。單元一單一地基處理以沉降控制的工程，如壓縮土層厚度不大，砂井易貫穿；壓縮土層深厚，則砂井深度應根據在限定的預壓時間內應消除的變形量確定。工程應用中，砂井的深度一般為10~20m。（3）砂井的布置和間距砂井常按正方形或等邊三角形（即梅花形）布置，如圖3.1.2（b）、(c)示。由于梅花形排列較正方形緊湊有效，故應用較多。砂井的布置范圍應稍大于建筑物基礎范圍，即由基礎輪廓線向外增大約2~4m。砂井的間距s與單根砂井的有效排水圓柱體直徑de［圖3.1.2（b）、(c)、（d）］有關：第二十一頁，共45頁。單元一單一地基處理當采用正方形布置時：s=1/1.13de（3.5）當采用等邊三角形布置時：s=1/1.05de（3.6）而單根砂井的有效排水圓柱體直徑de又與砂井的直徑dw存在如下關系，de=ndw

（3.7）式中n——砂井的井徑比（普通砂井n=6~8，袋裝砂井或塑料排水板n=15~22）。工程應用中，砂井的間距一般取1~3m。第二十二頁，共45頁。單元一單一地基處理（4）砂墊層在砂井頂面應鋪設排水砂墊層，以連通各個砂井形成通暢的排水面，將水排到場地以外。砂墊層厚度一般為0.3~0.5m；水下施工時，砂墊層厚度一般為1m左右。為節(jié)省砂子，也可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層，砂溝的高度一般為0.5~1.0m，砂溝寬度取砂井直徑的2倍。（5）砂井和砂墊層的材料砂井和袋裝砂井的砂料宜采用中粗砂，滲透系數不小于10-2cm/s，含泥量應小于3%。第二十三頁，共45頁。單元一單一地基處理袋裝砂井應用干砂灌實，袋口扎緊；底部置于設計深度，頂面高出孔口200mm，以便埋入砂墊層中。袋裝砂井的砂袋可采用聚丙烯、聚乙烯等材料制成，砂袋的滲透系數應不小于砂的滲透系數。

砂墊層的砂料也宜采用中粗砂，滲透系數不小于10-2cm/s，含泥量應小于5%。3.砂井的施工普通砂井成孔方法有沉管法、射水法。袋裝砂井和塑料排水板施工采用導管式振動打樁機、塑料排水板插板機等。第二十四頁，共45頁。單元一單一地基處理（1）普通砂井的施工工藝流程排除地面水、整平原地面→鋪設砂墊層（厚20~30cm）→樁機就位→打設樁管到設計深度→向樁管中灌注砂子→拔起樁管，活瓣樁尖張開，砂留在樁孔中→將樁管再次打到設計深度→再灌注砂子→拔起樁管完成擴大砂井→同法打設其他點位處的砂井→全部砂井打設完畢后，鋪上層水平砂墊層（厚約1m）。第二十五頁，共45頁。單元一單一地基處理（2）袋裝砂井施工工藝流程

排除地面水、整平原地面→鋪設砂墊層（厚20~30cm，便于樁機就位）→樁機就位→打設套管到設計深度→沉入砂袋→拔起套管，砂袋留在樁孔中→埋置砂井頭（使其豎立，防止砂井頭歪斜）→同法打設其他點位處的袋裝砂井→全部袋裝砂井打設完畢后，鋪上一層水平砂墊層（厚約1m）。袋裝砂井施工圖如圖3.1.3所示。第二十六頁，共45頁。單元一單一地基處理圖3.1.3袋裝砂井施工(a)打設套管;(b)沉入砂袋;(c)埋置砂井頭第二十七頁，共45頁。單元一單一地基處理沉入砂袋的方法有兩種：一種是將砂袋裝好備用，待成孔后將砂袋沉入套管形成的樁孔中（通常套管直徑應略大于袋裝砂井直徑，便于袋裝砂井下沉）；另一種是成孔后先將空袋置入套管，再裝砂入袋，采用此種方法時，需預先在空袋中裝20~30cm高的砂子作為壓重，再將袋裝入套管，使袋下沉到設計深度，然后把袋子固定到裝砂子用的出料口，由漏斗將砂子裝入袋中，裝滿砂子后取下袋子。

拔套管時擰緊套管上蓋，一邊把壓縮空氣送進套管（防止將砂袋帶上來），套管下蓋自動打開，一邊提升套管。第二十八頁，共45頁。單元一單一地基處理4.真空預壓法真空預壓法是先在需加固的軟土地基表面鋪設一層透水砂墊層或砂礫層，再在其上覆蓋一層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封，與大氣隔絕，在砂墊層內埋設滲水管道，然后與真空泵連通進行抽氣，使透水材料保持較高的真空度，在土的孔隙水中產生負的孔隙水壓力，將土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結，如3.1.4所示。對于滲透系數小的軟黏土，為加速孔隙水的排出，也可在加固部位設置砂井、袋裝砂井或塑料排水帶等豎向排水系統。第二十九頁，共45頁。單元一單一地基處理圖3.1.4真空預壓1—塑料膜或橡膠布；2—砂墊層；3—淤泥；4—砂井；5—黏土；6—集水罐；7—抽水泵；8—真空泵第三十頁，共45頁。單元一單一地基處理真空預壓法具有如下特點：（1）不需要大量堆載，節(jié)省運輸和造價；（2）無需分期加荷，工期短，效果好；（3）無噪聲、無振動、無污染。真空預壓法的實質是利用大氣壓差作為預壓荷載，其成功的關鍵在于能否形成負壓區(qū)，并要求薄膜和四周地基淺層土體不漏氣，這些在施工過程中應特別給予重視。真空預壓法適用于：飽和均質黏性土及含較薄砂夾層的黏性土，特別適用于新沖填土、超軟黏性土地基的加固。第三十一頁，共45頁。單元一單一地基處理四、碾壓法與夯實法碾壓與夯實是修路、筑堤、加固地基表層最常用的簡易處理方法。通過夯錘或機械的夯擊或碾壓，使填土或地基表層疏松土孔隙體積減小，密實度提高，從而降低土的壓縮性，提高其抗剪強度和承載力。目前常用的方法有：振動壓實、重錘夯實以及20世紀70年代發(fā)展起來的強夯法等。1.振動壓實法

振動壓實法是用振動壓實機在地基表層施加振動，將淺層松散土振實的方法。第三十二頁，共45頁。單元一單一地基處理振動壓實的效果取決于振動力的大小、填土的成分和振動時間。一般來說，振動時間越長，效果越好。但振動超過一定時間后振實效果將趨于穩(wěn)定。因此，在施工前應進行試振，找出振實穩(wěn)定所需要的時間。振實時應從基礎邊緣外放0.6m左右，先振基槽兩邊，后振中間。振實有效深度可達1.5m。如地下水位過高，則影響振實質量。此外，為避免振動對周圍建筑物的影響，要求振源與建筑物的距離應大于3m。該法適用于：處理砂土和由爐灰、爐渣、碎磚等組成的雜填土地基。第三十三頁，共45頁。單元一單一地基處理2.重錘夯實法重錘夯實法是利用起重機械將夯錘提到一定高度后，讓錘自由落下，重復夯擊使地基被壓密以加固地基的方法。對于濕陷性黃土，重錘夯實可降低表層土的濕陷性；對于雜填土，則可降低其不均勻性。重錘通常由鋼筋混凝土制成，錘重一般不小于15kN，錘底直徑為0.7~1.5

m，落距2.5~4.5m；有效夯實深度為錘底直徑。重錘夯實法的效果與錘重、錘底直徑、夯擊遍數、落距、土的種類、含水量等有密切的關系，應當根據設計的夯實密度及影響深度，通過現場試夯確定有關參數。第三十四頁，共45頁。單元一單一地基處理當地下水位離地表很近或軟弱土層埋置很淺時，重錘夯實可能產生“橡皮土”的不良效果。該法適用于處理距離地下水位0.8m以上稍濕的雜填土、黏性土、濕陷性黃土和分層填土等地基，但有效夯實深度內存在軟黏土層時不宜采用。主要用于淺層地基土加固，加固深度一般為1.2～2m。3.強夯法強夯法是用起重機械將重錘（一般為80~300kN）從6~30m高處下落，以強大的沖擊能強制壓實加固地基深層的密實方法，如圖3.1.5所示。該法可提高地基承載力，降低其壓縮性，減輕甚至消除砂土振動的液化危害，消除濕陷性黃土的濕陷性等。第三十五頁，共45頁。單元一單一地基處理一般地基土強度可提高2~5倍，壓縮性可降低2~10倍，加固影響深度可達6~10m。圖3.1.5強夯法(a)強夯機械；(b)夯坑第三十六頁，共45頁。單元一單一地基處理（1）強夯法的加固機理及適用范圍強夯法的加固機理與重錘夯實法有本質的區(qū)別。強夯法在夯擊地基時，除產生強大的沖擊能外，還在地基中產生強大的動應力和沖擊波，進而對土體產生：①壓密作用，土中孔隙體積被壓縮；②局部液化作用，導致土體內孔隙水壓力驟然上升，當與上覆壓力相等時，土體即產生局部液化，土喪失強度，土粒重新自由排列；③固結作用；④時效作用。第三十七頁，共45頁。單元一單一地基處理對多孔隙、粗顆粒、非飽和土，為動力密實機理。即強大的沖擊能，強制超壓密地基，使土中氣相體積大幅度減小。對細粒飽和土，為動力固結機理。即強大的沖擊能與沖擊波，破壞土的結構，使土體局部液化并產生許多裂隙，作為孔隙水的排水通道，使土體固結；土體觸變恢復壓密土體。強夯法適用于碎石土、砂土、建筑垃圾、低飽和度的粉土、黏性土、素填土、雜填土和濕陷性黃土等地基，也可用于防止粉土及粉砂的液化；對于淤泥與飽和軟黏土，如采取一定措施，也可以采用。但強夯法不得用于對工程周圍建筑物和設備有一定振動影響的地基加固，必需時，應采取防振、隔振措施。第三十八頁，共45頁。單元一單一地基處理

（2）強夯法的設計參數應用強夯法加固軟弱地基，一定要根據現場的地質條件和工程的使用要求，正確地選用各項技術參數。

①夯擊能夯擊能分單擊夯擊能和單位夯擊能。

單擊夯擊能是指錘重與落距的乘積。單擊夯擊能不能太小，否則無法使水與土顆粒產生相對流動，水不能排出，重復夯擊還容易使地基變成橡皮土。目前國內采用的最大單擊夯擊能為8000kN·m。第三十九頁，共45頁。單元一單一地基處理單位夯擊能是指單位面積上所施加的總夯擊能。單位夯擊能應根據地基土類別、結構類型、荷載大小和需處理深度等綜合考慮，并通過現場試夯確定。一般對粗顆粒土可取1000~3000kN·m/m2；細顆粒土可取1500~4000kN·m/m2。②夯擊次數夯擊次數指單個夯點一次連續(xù)夯擊的次數。夯擊次數應按現場試夯得到的錘擊數和夯沉量關系曲線確定，且應同時滿足：最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，當單擊夯擊能量較大時不大于100mm；夯坑周圍地面不應發(fā)生過大隆起；不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難。每夯擊點之夯擊次數一般為3~10擊。第四十頁，共45頁。單元一單一地基處理③夯擊