地基处理1.ppt

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1、第12章 地基处理,12.1 概述,12.1.1 定义 地基处理也称地基加固，是人为改善土的工程性质或地基组成，使之适应工程需要而采取的措施，经过处理的地基一般称之为人工地基。,欧美称为地基处理（Ground Treatment），也有称为地基加固（Ground Improvement）。,12.1.2 地基处理的对象,软弱地基（Soft Foundation）指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。特殊性地基（Special Ground）指明显带有地区性特点的地基，在我国主要有软土、湿陷性黄土、膨胀土、红粘土和冻土等地基。,12.1 概述,软土的工程性质,结构性

2、显著。灵敏度高，316高含水量；天然含水量wL高孔隙比；天然孔隙比1高压缩性；压缩系数0.5MPa-1低强度；抗剪强度小于30kPa低渗透性。渗透系数一般在,桥台破坏,路基整体滑动破坏,不均匀沉降造成的路面开裂塌陷,地基液化,1,2,3,4,12.1.3 地基处理的目的,提高土的抗剪强度，使地基保持稳定；降低土的压缩性或改善地基组成，使地基的沉降和不均匀沉降在容许范围内；降低土的渗透性或渗流的水力梯度，防止或减少水的渗漏；改善土的动力性能，防止地基产生震陷变形或因土的振动液化而丧失稳定性；改善特殊土地基安定性，消除或减少土的湿陷性或胀缩性引起的地基变形。,12.1 概述,12.1.4 常用地基

3、处理方法分类,置换法，包括开挖置换法和振冲置换法；拌入法，包括高压喷射注浆法、深层喷浆搅拌法、深层喷粉搅拌法等；排水固结法；振密和挤密法，包括重锤夯实法、强夯法、振冲挤密法以及砂桩、土桩或灰土桩挤密法等；灌浆法；加筋法；托换技术。,12.1 概述,12.1.5 地基处理方法的选择,1、地基处理方法的选择原则2、地基处理方法的选择3、地基处理设计程序4、地基处理施工过程与完工后的注意事项,12.1 概述,地基处理方法的选择原则,各种方法均有其适用范围，各有优点与局限性；选择地基处理方法应综合考虑地基条件、加固要求、工程进度、工程造价、材料及机具等各方面因素；选择的方法应注意环境保护（地下水的污染

4、、振动、噪音等）。,2、地基处理方法的选择,4、地基处理施工过程与 完工后的注意事项,施工人员必须掌握施工方法，并了解地基处理方法的原理、技术标准与质量要求；施工中应进行实时监测与监理；完工后必须进行质量检测。,参考书目,地基处理手册编写委员会.地基处理手册(第二版).中国建筑工业出版社,2000.叶书麟.地基处理工程实例应用手册.中国建筑工业出版社,1998刘松玉.公路地基处理.东南大学出版社,2001.建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2002),中国建筑工业出版社,2002.公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJ 017-96),人民交通出版社，1997.,12.2 复合地基理论,

5、12.2.1 复合地基的概念与分类12.2.2 复合地基作用机理与破坏模式12.2.3 复合地基的有关设计参数 12.2.4 复合地基承载力确定 12.2.5 复合地基变形计算,12.2.1 复合地基的概念与分类,复合地基复合地基是指天然地基和部分杂（素）填土地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在这些地基中设置加筋材料而形成增强体，由增强体与其周围地基土共同承担上部荷载并协调变形的人工地基。,12.2.1 复合地基的概念与分类,12.2.2 复合地基作用机理与破坏模式,一、作用机理桩体作用；分散应力作用，桩体产生应力集中而桩周土应力减小，提高承载力与整体刚度；加速排水固结；挤密作用

6、；加筋作用。提高土的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。,12.2.2 复合地基作用机理与破坏模式,二、破坏模式,刺入破坏,鼓胀破坏,整体剪切破坏,滑动破坏,12.2.3复合地基的有关设计参数,面积置换率m；桩土应力比n；复合模量 Eps。,一、面积置换率 m,定义：桩体的横截面积Ap与该桩体所承担的复合地基面积 A之比。,桩体正方形形布置：,桩体等边三角形布置：,其中，d桩体直径；l桩间距。,二、桩土应力比n,定义：桩体的竖向应力 与桩间土的竖向平均应 力 之比。,模量比公式,Baumann公式,三、复合模量,定义：将加固区视为一均质的复合土体，则与原 复合地基等价的均质复合土体的模量称为 复合模

7、量。,12.2.4 复合地基承载力fspk确定,复合求和法；稳定分析法。,一、复合求和法,1、对散体材料桩复合地基 式中：fspk、fpk、fsk分别为复合地基、桩体和桩间 土承载力特征值。,一、复合求和法,2、对水泥土类桩复合地基 式中：桩间土承载力折减系数，对摩 擦型桩取0.51.0，对摩擦支承型桩取0.10.4。,一、复合求和法,3、对刚性桩复合地基式中：N基础下桩数；单桩承载力特征值；A基础面积；As桩间土面积；桩间土承载力折减系数，取0.81.0。,二、稳定分析法,稳定分析方法很多，通常采用圆弧分析法。分析计算时，假设圆弧滑动面经过加固区和未加固区；在滑动面上，取不同的滑动面进行计算

8、，找出最小的安全系数值，即可根据要求的安全系数来计算地基承载力。计算时，地基土的强度应分区计算，未加固区采用天然地基土的强度指标，加固区土体强度指标可分别采用桩体和桩间土的强度指标，也可采用复合土体的综合强度指标。,稳定分析法,按分别强度指标计算 式中：分别为复合地基、桩体和桩间土抗 剪强度。,12.2.4 复合地基承载力fspk确定,稳定分析法,按综合强度指标计算 复合土体粘聚力cc和内摩擦jc可按以下两公式计算：式中：桩体与桩间土相对的应力分布，,12.2.4 复合地基承载力fspk确定,12.2.4 复合地基变形s计算,复合地基的沉降;复合地基加固区的压缩量;地基压缩层厚度内加固区下卧层

9、的压缩量。,复合模量法(法)应力修正法(法)桩身压缩量法(法)应力扩散法等效实体法 改进Geddes法分层总和法,12.2.4 复合地基变形s计算,12.3 换土垫层法,换土垫层法指当软弱土地基的承载力和变形不能满足建筑物要求，而软弱土层厚度又不很大时，可将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大、性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换土垫层法。按回填材料可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层等。,适用范围 适合浅层软弱地基及不均匀地基的处理。（JGJ 792002）,12.3 换土垫层法,一、垫层的主要作用 提高地基

10、承载力；减少地基沉降量；加速排水固结；消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性；防止土的冻胀作用；改善土的抗液化性能。,12.3 换土垫层法,二、垫层设计 垫层设计的主要内容是确定断面的合理宽度和厚度。垫层厚度的确定；砂垫层底面尺寸的确定。,12.3 换土垫层法,垫层厚度 z 根据垫层底面处的自重压力与附加压力之和小于或等于该处下卧土层的容许承载力要求来确定，即有,0.5z3 m,12.3 换土垫层法,2砂垫层底面尺寸的确定 垫层宽度（或长度）应利于排水和防止垫层砂石侧向挤出。垫层底面宽度及长度b和 l要满足应力扩散的要求，即要求 垫层顶面每边最好比基础底面大300mm，或从垫层底面两侧向上按当地开挖

11、基坑经验的要求放坡延伸至地面。,12.4 重锤夯实与强夯法,12.4.1 重锤夯实法（1）概念：利用起重机械将夯锤提到一定高度（2.5-4.5m），然后使重锤自由下落并反复夯击以加固地基。（2）处理范围：离地下水位0.8m以上稍湿的杂填土、粘性土等地基，但在加固深度内存在软粘土时不宜使用。（3）一般认为，该法为浅层密实法，其有效加固深度一般为1.1-1.2m，加固后地基承载力可达100-150kPa。,12.4.2 强夯法 一、概 述 二、加固机理 三、设计计算 四、施工工艺 五、质量检测,12.4 重锤夯实与强夯法,一 概 述,1、定 义,3、适 用 性,2、特 点,定 义,强夯法是法国Me

12、nard公司于1969年首创的地基加固方法。国外又称为动力固结法。强夯法是通过将840 t（最重可达200 t）的重锤提至820 m的高度(又称落距，最高可达40 m)，对地基土施加很大的冲击能（5008000 kNm），在地基土中产生强大的冲击波和动应力，以达到提高地基土的强度，降低土的压缩性，改善砂土抗液化性能，消除湿陷性黄土的湿陷性等目的。同时夯击能还可以提高土层的均匀程度，降低差异沉降。,特 点,强夯法具有简单、经济、有效的特点，但振动、噪声大，易造成环境问题。,适用性,强夯法适用于加固碎石土、砂土、低饱和度的粉土和粘土、湿陷性黄土、杂填土地基。国外普遍认为：只适用于加固Ip10的土。

13、国外资料表明：强夯处理的砂土地基，f 200500（25倍），压缩性 2001000（210倍）。,二、强夯法加固机理,1、概 述,3、动力固结原理,2、动力密实原理,4、动力(强夯)置换,强夯法加固机理,概 述,强夯法目前为止，尚无成熟的理论和设计方法。美国教授Mitchell在第10届国际土协会议上指出：“强夯法目前已发展到地基土的大面积加固，深度可达30 m。对非饱和土，压实过程基本上与实验室中的击实实验相同。对饱和无粘性土，可能会产生液化，其压密过程与爆破和振动密实的过程相同。对饱和细颗粒土，成功和失败的工程实例均有报道。对加固杂填土，特别有效”。,强夯法加固机理,动力密实原理非饱和土

14、加固机理,强夯法加固多孔隙、粗颗粒、非饱和土是基于动力密实原理，即土体在冲击型动力荷载作用下，e，土体密实，、f。,非饱和土的夯实过程就是土体的气体被挤出的过程,其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起的。,强夯法加固机理,动力固结原理饱和土加固机理,用强夯法加固细颗粒饱和土时，则是借助于动力固结的理论，即巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体的原有结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水逸出，u 0，土体固结。最后，由于软土的触变性，强度得到了提高。,强夯法加固机理,动力置换原理,利用强夯将碎石、矿渣等强制挤入地基，置换原有地基土（1）整式置换：m大，置换点

15、多，置换体连成整体，形成置换层。（2）桩（墩）式置换：m小，置换点小，置换体不连成整体，类似砂石桩。,三、强夯法设计计算,1、有效加固深度2、夯击能量与最佳夯击能3、夯 锤4、落 距5、夯击点布置及间距6、夯击击数与遍数7、间歇时间8、垫层设计,有效加固深度,经强夯加固后，强度和变形指标有较明显的改善的土层范围。,式中，H m；M 夯锤重，t；h 落距，m。为修正系数，按以下规定取值：Menard，最初取 1；Leonards（美国），0.5（砂土地基）；Gambin（法国），0.51.0；我国学者：一般粘土、砂土，0.450.6 高填土，0.60.8 湿陷性黄土，0.340.5 我国港口工程

16、技术规范，0.40.7。,强夯法设计计算,夯击能量,单击夯击能锤重M落距h总夯击能量Mh总夯击数n单位夯击能总夯击能量加固面积。,工程中，先初步确定单位夯击能，再定锤重和落距。,夯 锤,（1）重量：我国1025 t，最大40 t。（2）底面形状：圆形：方形：夯击时锤印不重合，导致能量损失。（3）垂体：气孔式：起吊吸力(可达3M)和落锤时上托力；封闭式：（4）锤底面积：按土的性质确定：一般底2540kPa。对砂土、碎石填土：24m2；第四纪粘土：34m2；淤泥质土：46m2；黄土：4.55.5m2。（5）高宽比：防止偏锤现象。如黄土12.512.8。（6）夯锤材料：大多数使钢板壳砼芯。,强夯法设

17、计计算,落 距,根据单击夯击能量确定，825m。对相同的夯击能量，常选用大落距，因为h越大，v落越大，能耗小，传得深。,强夯法设计计算,夯击点布置及间距,夯击点布置 一般为三角形或正方形。超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/22/3，并不宜小于3m。夯点间距(第1遍可取夯锤直径的2.53.5倍)515m，保证夯击能传到深处、保护夯坑周围的辐射裂隙。若夯点间距的太小：浅处形成硬层，影响夯击能向深处传递；对粘性土，会使产生的裂隙重新闭合。总之，软土厚，间距大；软土薄又夹砂，间距小,夯击击数与遍数,夯击击数（每遍每点的）由夯击击数夯沉量曲线确定，且满足：最后两击的夯沉量：50mm，当夯击能400

18、0kNm时；100mm，当夯击能40006000kNm；200mm，当夯击能6000kNm时；夯坑周围地面不应发生过大隆起；不因夯坑过深而发生起锤困难。夯击击数使土体压缩最大而侧向位移最小为原则，一般为410击。夯击遍数 根据地基土的性质和平均夯击能确定，一般18遍。对粗粒土，遍数少些；细颗粒土，遍数多些。最后再以低能量“搭夯”(满夯)2 遍。,强夯法设计计算,间歇时间,间歇时间指两相邻夯击两遍之间的时间间隔。取决于u0的时间：砂性土：t u024min，可连续夯击；粘性土：t u0很长，34周。,强夯法设计计算,垫层铺设,目的 支承起重设备；扩散“夯击能”；地下水位距地表距离(应2m)，防止

19、夯击能引起土体流动，防止夯击效率降低。材料与厚度 砂、砂砾石或碎石；0.52.0m。,12.5 排水固结法,12.5.1 概 述 一、定义 二、系统构成 三、适用范围12.5.2 排水固结法加固机理 一、堆载预压法 二、砂井预压法 三、真空预压法12.5.3 排水固结法设计计算 一、堆载预压设计 二、超载预压法设计 三、真空预压法设计,12.6 砂石桩法,用振动、冲击及水冲等方法在软弱地基中成孔后，将碎石或砂挤压入已成孔中，形成大直径密实桩体。碎石桩和砂桩总称为碎(砂)石桩，又称粗颗粒土桩或粒料桩。,振动成桩法冲击成桩法,适用条件,对砂土、填土加固效果较好对饱和软粘土，有争议,施工方法,12.

20、6 砂石桩法,建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)规定：振冲法要求地基土 cu20kPa；公路地基路堤设计与施工技术规范(JTJ017-96)规定：湿法(水冲法)：cu15kPa；干法(沉管法)：cu10kPa。,12.4.2 砂石桩法,碎(砂)石桩一般设计砂桩材料 砂桩直径 砂桩长度 砂桩平面布置 砂桩桩间距,碎(砂)石桩一般设计,砂桩材料 材料就地取材，中、粗混合砂、碎石等，含泥量5%，d粒8cm垫层基础底面应铺设3050cm厚度的砂（碎）石垫层，分层铺设。,12.6 砂石桩法,碎(砂)石桩一般设计,砂桩直径 根据设备和地质土质情况确定。如采用30kN振冲器成桩：d桩0.801.2

21、m；采用沉管法成桩：d桩0.30.70m。,砂桩长度 下卧的较硬层埋深不大时，按此埋深确定；下卧的较硬层埋深较大时：对按变形控制的工程，复合地基变形s；对按稳定性控制工程，加固深度最危险滑动面深度。可液化地基中，加固深度按要求的抗震处理深度确定。,12.6 砂石桩法,碎(砂)石桩一般设计,砂桩平面布置 均匀受力地基(路基)：满堂布置，宜用等边三角形布桩；独立或条形基础：宜用正方形、矩形和等腰三角形布桩；圆形或环形基础(如油罐基础)：放射形布桩。,12.6 砂石桩法,12.8 高压喷射注浆桩法,定 义 用高压将气、水和水泥浆液，经沉入土层中的特制喷射管送到旋喷头，并从开口于旋喷头侧面的喷咀高速喷

22、射出来,形成能量高度集中的液流，直接冲击破坏土体，使土颗粒在冲击力、离心力和重力共同作用下与浆液搅拌混合，经一定时间后凝固成强度甚高、渗透性较低的加固土体。,12.8 高压喷射注浆桩法,高压喷射注浆特征 适用范围广施工简便固结体形状可控可垂直、倾斜和水平喷射,高压喷射注浆适用范围 适用：淤泥质土、粘土、粉土、黄土、砂土、人工 填土、碎石土。慎用：含块石、坚硬粘土、大量植物根茎或过多有 机质的土。不宜：岩溶区、永冻土、地下水活动区。,12.8 深层搅拌桩法,定义 利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，在产生一系列的物理、化学反应后形成具有整

23、体性、水稳定性和一定强度的水泥土。,12.8 深层搅拌桩法,适用范围 适 用：淤泥及淤泥质土；fk120kPa的粘性土和粉质粘土。不适用：伊利石、氯化物和水铝英石矿物的粘性土；有机质含量高、pH值低的粘性土。,12.10 基础托换,基础加宽、加深法 桩式托换压入桩树根桩灌注桩托换,顶承式静压桩托换,灌注桩托换,（1）抽气前，地基土体中的气压为 Pa，但当抽气后，砂井气压 Pv，这样在压差PaPv的作用下，土体中水向砂井中渗流，u下降，增大，土固结，直到压差趋近于0。,（2）地下水位降低，相应增加附加应力。设抽气前，地下水位为 H1，抽气后为 H2，水位下降了H1H2，在此范围内的土体从浮重度湿

24、重度，此时土骨架增大约（H1H2）水柱高的压力。,（3）封闭气泡排出，土的渗透性加大。在饱和土体中通常含有少量封闭气泡，在正压作用下，该气泡堵塞孔，使土的渗透性降低，固结过程减慢。但在真空吸力下，封闭气泡被吸出，土体渗透性增大，固结加快。,真空预压的原理主要反映在以下几个方面：,一、堆载预压设计,加压系统设计：堆载预压计划（单级、多级加载）；堆材选取（自重、土石、加水）。排水系统设计：排水体材料；断面；堆载预压长度；平面布置。现场监测设计,12.5.3 排水固结法设计计算,1、加载系统设计 因为 软粘土 低，不可一次加载过大，必须分级逐渐加载，待每级荷载下的 软粘土增大到足以加下级荷载时方可加

25、下级荷载。整个加载计划的具体计算步骤如下：,（1）利用天然土计算第一级容许施加的荷载 p1；（2）计算第一级荷载下地基土强度增大后的值；（3）计算p1作用下达到确定的所需时间t1，确定停歇时间；（4）根据(2)步得到的cu1计算p2；（5）进行每级荷载下的地基稳定性验算；（6）计算预压荷载下地基的s终和s预压期。,（1）竖向排水体材料选择：普通砂井、袋装砂井和塑料排水带（2）竖向排水体深度设计：一般为1025m。（3）竖向排水体平面布置设计(细而密),2、排水系统的设计,（4）砂料设计 宜用中粗砂、洁净，含泥量3。,（5）地表排水砂垫层设计 材料：中粗砂，含泥量3；要求：陆上0.5m厚；水中1

26、m厚，缺砂时，可用砂沟。,3、现场监测设计,（1）监测项目 地面沉降观测；地面水平位移观测；孔隙水压力；如有条件可进行深层沉降和水平位移观测。（2）监测要求 地面沉降观测；地面沉降水平位移；u 观测。,二、超载预压法设计,超载预压法与堆载预压法不同的是如何确定超载预压荷载。超载预压适合对s有严格控制的工程，超载，附加建筑荷载，附加时，固结后，无 s主，降低了 s次。,式中：sd为瞬时沉降；sc为最终固结沉降；ss为次固结沉降。,上式可用于：确定所需的超载压力值ps；确定给定超载下达到预定s所需时间。,任何时间的地基沉降量可表示为：,超载应维持到：,式中：pf为永久荷载；ps为超载。,三、真空预

27、压法设计,1膜内真空度：目前国内可达600 mmHg，相当于8 kPa真空压力，可以此值进行设计。2加固区内要求达到的：一般80。3竖向排水体：可采用袋装砂井或塑料排水带。4沉降计算：5监测项目设计：,一、定义,是通过在饱和软粘土中设置竖向排水体，利用分级加载预压，使孔隙水排出，土体逐渐固结，提前完成或基本完成地基沉降，以达到增大地基承载力，减小地基沉降的目的。,12.5.1 概 述,二、排水固结系统构成,三、排水固结法实用范围,总的来说，排水固结法适用饱和软粘土，但具体方法又各有差异：（1）砂井预压法：特别适用有薄砂层地基。但若土太软，则荷载加不上去。此外，由于砂井只增大主固结，所以对有机质

28、土和泥炭等次固结土不宜，此时可用超载处理。（2）真空预压法：适合大面积均匀深厚软土地基加固。此外，由于降低地下水位法、真空预压法、电渗法，由于不增加剪应力，地基不会产生剪切破坏，所以很软的粘性地基土也适用。,12.5.2 排水固结法加固机理,一、堆载预压加固机理,堆载预压是在建筑物建造之前，对地基土进行预压加载，使其固结沉降基本完成，增大 fk。对饱和软土地基：当荷载增大，随着u0，于是孔隙比e减小，s固完成，从而使地基强度增大。排水固结法的基本原理，可从图12.2的压缩、膨胀曲线和增长曲线得到很好的说明。同样，从图可看出，超载预压，效果更好。,砂井预压加固机理本质上与前面相同，唯一不同的是改

29、善了排水条件，即通过设置竖向排水体(砂井、塑料排水带等)，增加了排水途径、缩短排水距离，从而可加速固结沉降。下图给出了设置与不设竖向砂井的排水固结情况。,二、砂井预压法加固机理,三、真空预压加固机理,真空预压法是先在加固的软土地基表面铺设砂垫层和垂直排水通道，然后用不透气的封闭膜使其与大气隔离，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空泵抽气，使砂垫层和竖向排水通道内逐步形成负压，从而增大有效应力，加速土体固结。,换填垫层法,高压注浆,真空预压 利用大气压加载,场区管网铺设,真空预压 场区覆膜,真空预压,堆载预压（抽水堆载）,真空预压 抽气、抽水,强夯,加筋土挡土墙,水平向增强体,竖向增强体,原基础Old foundation,基础托换UNDERPINING,新基础New foundation,盾构隧道Shield tunnel,楼房building,粉喷桩 竖向增强体,