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1、人工地基,第十五章,土力学与基础工程电子教案,第十五章 地基处理简介,15.1 概述,15.3 挤密压实法,15.2 换土(垫层)法,15.4 排水固结法,15.5 深层搅拌法,15.6 其他地基加固法简介,一、人工地基的概念和适用条件经人工处理或加固后的地基称为人工地基。软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土构成的地基。工程上常将淤泥和淤泥质土统称为软土 冲填土（吹填土）是指在水利建设或江河整治中，用挖泥船或泥浆泵将江河或港湾底部的泥砂用水力冲填（吹填）形成的沉积土。杂填土是指因人类活动而填积形成的无规则堆积物，包括建筑垃圾、工业废料和生活垃圾等。,15.1 概述,
2、二、地基处理的目的地基处理的目的是针对在软弱地基上建造结构物时有可能产生的问题，采用人工的方法改善地基土的工程性质，以达到满足结构物对地基稳定和变形的要求。包括：提高地基土的抗剪强度，增加地基土的稳定性；降低地基土的压缩性，减少沉降和不均匀沉降；改善软弱土的渗透性，加速固结沉降过程；改善土的动力特性和提高其抗震性能；消除或减少特殊土的不良工程特性，如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等,三、地基处理方法分类及适用情况地基处理的方法很多，每一具体工程都要进行具体细致分析，应从地基条件、处理要求（包括经处理后地基应达到的各项指标、处理的范围、工程进度等），工程费用以及材料，机具来源等方面进行综合分析比较
3、，以确定合适的地基处理方法。,人工地基 土木工程建设中，当遇到工程地质条件不良的软弱土地基不能满足建筑物要求时，需经人工处理加固后建造基础，这种人工处理后的地基称为人工地基。二、地基处理的方法,地基处理方法适用条件,地基处理方法适用条件,地基处理方法适用条件,1.置换,地基处理方法与加固原理,2.排水固结,3.振密挤密,3.振密挤密,4.加筋,5.化学固化,6.热学处理及其他,将软土部分或全部挖除，然后换填工程特性良好的材料，并予以分层压实，这种地基处理方法称为换填垫层法。垫层处治应达到增加地基持力层承载力，防止地基浅层剪切变形的目的。,15.2 换土垫层法,一、换土垫层法的概念,换填的材料主
4、要有砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等，应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特性。换填垫层法设计的主要指标是垫层厚度和宽度，一般可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行设计。,5.3 挤密压实法,在厚度较大，不发生冲刷或冲刷深度不大的松散土地基(包括松散中、细、粉砂土，粉土，松散细粒炉渣，杂填土以及IL1、孔隙比接近或大于1的含砂量较多的松软粘性土)。,一、机械碾压法,机械碾压法是利用压路机、羊足碾、平碾、振动碾等碾压机械将地基土压实。通过处理，可使填土或地基表层疏松土孔隙体积减小，密实度提高，从而降低土的压缩性，提高其抗剪强度和承载力。这种方法常用于大面积填土和杂填土
5、地基的压实。在工程实践中，除了进行室内击实试验外，还应进行现场碾压试验。通过试验，确定在一定压实能条件下土的合适含水量，恰当的分层碾压厚度和遍数，以便确定满足设计要求的工艺参数。粘性土压实前，被碾压的土料应先进行含水量测定，只有含水量在合适范围内的土料才允许进场，每层铺土厚度约为300mm。,二、振动压实法,振动压实法是通过在地基表面施加振动把浅层松散土振实的方法。可用于处理砂土和由炉灰、炉渣、碎砖等组成的杂填土地基。竖向振动力由机内设置的两个偏心块产生。振动压实的效果与振动力的大小、填土的成分和振动时间有关。当杂填土的颗粒或碎块较大时，应采用振动力较大的机械。一般来说，振动时间越长，效果越好
6、。但振动超过一定时间后振实效果将趋于稳定。因此，在施工前应进行试振，找出振实稳定所需要的时间。振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间。经过振实的杂填土地基，承载力基本值可达100120kPa。,夯锤一般为截头圆锥体，锤重大于15KN，锤底直径为0.71.5m，落距34m，其有效夯实深度约为1.11.2m（与锤径相当）。其地基承载力基本值一般可达100150kPa。可用于处理地下水位距地表0.8m以上的非饱和粘性土或杂填土，提高其强度，降低其压缩性和不均匀性。也可用于处理湿陷性黄土，消除其湿陷性。,三、重锤夯实法,夯实效果与锤重、锤底直径、落距、夯击遍数、夯实土的种类和含水
7、量有关系。施工中宜由现场夯击试验决定有关参数。随土质和含水量变化相应加以调整。,注意事项：拟加固土层必须高出地下水位0.8m以上，且该范围内不宜存在饱和软土层，否则可能将表层土夯成橡皮土，反而破坏土的结构和增大压缩性。因此，当地下水位埋藏深度在夯击的影响深度范围内时，需采取降水措施。,停夯标准：随着夯击遍数增加，每遍夯的夯沉量逐渐减少，一般要求最后两遍平均夯沉量对于粘性土及湿陷性黄土不大于1.02.0cm；对于砂性土不大于0.51.0cm。,锤夯实法加固后的地基应经静载试验确定其承载力，需要时还应对软弱下卧层承载力及地基沉降进行验算。,1.强夯法的加固机理 强夯时地基在极短的时间内受到夯锤的高
8、能量冲击，激发压缩波、剪切波和瑞利波等应力波传向地基深处和夯点周围。其中压缩波可以使土受压或受拉，能引起瞬间的孔隙水应力，导致土的抗剪强度大为降低，紧随其后的剪切波进而使土的结构受到破坏，瑞利波的传播则在夯点附近引发土的隆起。在此过程中，土颗粒重新排列而趋于更加稳定、密实的状态。,四、强夯法,2.有效加固深度强夯法的有效加固深度H（m）主要取决于单击夯击能量Wh，也与地基的性质及其在夯实过程中的变化有关。可用经验公式估算，即：H=,系数 值最好通过现场试夯或根据当地经验确定,3.强夯法的特点及适用范围 特点：夯击能量大，影响深度大。具有工艺简单，施工速度快、费用低、适用范围广、效果好等优点。强
9、夯法适用范围：碎石类土、砂类土、杂填土、低饱和粉 土和粘 土、湿陷性黄土等地基的加固，效果较好。对于高饱和软粘土(淤泥及淤泥质土)强夯处理效果较差，但若结合夯坑内回填块石、碎石或其他粗粒料，强行夯入 形成复合地基（称为强夯置换或动力挤淤），效果较好。对于工程周围建筑物和设备有振动影响限制要求的地基，不得使用强夯法,参数确定 强夯法施工前，应先在现场进行原位试验(旁压试验、十字板试验、触探试验等)，取原状土样测定含水量、塑限液限、粒度成分等，然后在试验室进行动力固结试验或现场进行试验性施工，以取得有关数据。,五、砂桩法,提高地基承载力，减少沉降量和增强抗液化能力。对于厚度大的饱和软粘土地基，由于
10、土的渗透性小，此法加固不易将土挤密实，还会破坏土的结构强度，主要起到置换作用，加固效果不大。,一）作用原理砂桩挤密法是用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔（孔径一般为300600mm），然后向孔中填入含泥量小于5%的中、粗砂，再加以夯挤密实形成土中桩体从而加固地基的方法。,（一）作用原理用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔(孔径一段为300mm600mm)然后向孔中填入含泥量不大于5%的中、粗砂、粉、细砂料应同时掺入25%35%碎石或卵石，再加以夯挤密实形成土中桩体从而加固地基的方法。,对松散的砂土层，砂桩的加固机理有挤密作用、排水减压作用和砂土地基预振密实作用；对于松软粘性土地基中，
11、主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性质。对于砂土与粘性土互层的地基及冲填土，砂桩也能起到一定的挤实加固作用。,（三）砂桩施工要点砂桩的施工宜用透水性好的中、粗砂或砂与砾石的混合料，含泥量不超过5%。成孔机具宜采用振动打桩机或柴油打桩机等机具。根据成桩方法确定砂的最佳含水量，所填入孔内的砂料应分层填筑，分层夯实，并保证桩体在施工中的连续密实性。实际灌砂量未达到设计用量时，应在原处复打，或在旁边补桩。为增加挤密效果，砂桩可以从外圈向内圈施打。,六、振冲法,振冲法又称振动水冲法。其主要的施工机具是振冲器、卷扬机和水泵。振冲器筒
12、内主要由一组偏心块、潜水电机和通水管等三部分组成,振冲器有两个功能，一是产生水平向振动力（4090KN）作用于周围土体；二是从端部和侧部进行射水和补给水。,振冲法按加固机理和效果不同，又分振冲置换法和振冲密实法两类,1.对砂类土地基振冲挤密 一方面是靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减;另一方面是靠振冲器的水平振动力,在加回填料情况下通过填料使砂层挤压密实.,2.对粘性土地基振冲置换利用振冲器在高压水流下边冲边振，在软弱粘土中成孔，然后在孔内分批填入碎石、砂等竖硬材料制成桩体，和原来的粘性土构成复合地基。,15.4 排水固结法,又称预压法，是通过预压使软粘土地基中的孔隙
13、水排出，在预压荷载作用下土体固结，土中孔隙体积减少，土体强度提高，减少地基工后沉降。组成通常由排水系统和加压系统两部分组成。分类,对一维固结情况，固结所需时间与最大排水距离关系：土体固结系数与渗透系数成线性关系，固结速率与土体的渗透系数成反比关系；土体固结速率与最大排水距离有关，并且是二次方关系；在地基层中设置竖向排水系统，可有效缩短最大排水距离，大大缩短地基土固结所需时间。,原理,一、砂井堆载预压法,基本方法：砂井堆载预压法系在软弱地基中通过采用钢管打孔、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，形成排水系统；在砂垫层上部堆载，以增加软弱土中附加应力，使土体中孔
14、隙水在较短的时间内通过竖向砂井和水平砂垫层排出，达到加速土体固结、提高软弱地基土承载力之目的。主要用于道路路堤、土坝、机场跑道、工业建筑油罐、码头、岸坡等工程的地基处理，对于泥炭等有机沉积地基则不适用。,（二）预压加载 对于路堤、土坝等填土工程，可采用分期填筑的方式以其自重作为预压荷载；对于房屋、码头等的地基，一般用土石堆载预压 在缺少加载材料、预压后弃土场地难以解决或运输能力不足的情况下，利用结构本身（如建成后的空油罐）的蓄水能力充水预压，更显示其优越性。预压荷载应不小于建筑物基础底面的设计压力，一般情况下可取二者相等；对于要求严格限制地基沉降的建筑物，应采用超载预压的方法，其超载的大小应据
15、预定时间内要求消除的地基变形量通过计算确定。,袋装砂井和塑料排水板预压法用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不能保持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。袋装砂井塑料排水板,天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、土、石等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固结以提高其强度(也可以利用建筑物本身的重量分级缓慢施工)，减少工后的沉降量，待地基承载力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除，在经预压的地基上修建建筑物。堆载预压计划设计应根据堆载预压工期、地基处理要求，拟定一堆载预压计划，并进行相应的验算。,二、其
16、他预压法简介（一）天然地基堆载预压法,超载预压法 当预压荷载超过工作荷载时称为超载预压。超载预压目的是为了缩短堆载预压时间，或进一步减少工作荷载作用下地基沉降量。,（二）真空预压法,真空预压法是通过在砂垫层和竖向排水体中形成负压区，在土体内部与排水体间形成压差，迫使土中水排出，土体固结，其实质上是以大气压作为预压荷重的一种预压固结法。真空预压法一般能取得相当于78KPa92KPa的等效荷载堆载预压法的效果。在加固过程中，土体中有效应力不断增加，地基不存在整体稳定问题。在土体固结过程中，地基产生沉降，同时产生水平位移，但其方向是向加固区中心移动。,（四）真空和堆载联合预压法,理论研究和实践证明，
17、真空预压和堆载预压的效果是可以叠加的。采用这种方法曾获得相当于 130KPa等效荷载的预压效果。,（三）降水位预压法 降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位，以增加土的自重应力，达到预压目的。,5.5 深层搅拌法,深层搅拌法是利用水泥（石灰）等材料作为胶结剂，通过特制的深层搅拌机械，将加固深度内的软土和胶结剂（浆体或粉体）强制拌和，利用胶结剂和软土发生一系列物理、化学反应，使其凝结成具有较高强度，整体性和水稳定性都较好的水泥加固土，与周围天然土体共同形成复合地基。加固机理主要是水泥表面的矿物与软土中的水发生水解和水化反应，形成水泥石骨架，利用水泥的水解和水化反应，部分水化物与周围具有一定活性的
18、粘土颗粒发生反应，形成较大的土团粒，起到加固土体的作用。,三、施工工艺,通过深层搅拌机械，在地基深处就地，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土固化成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体，其与桩间土组成复合地基。（一）粉体喷射搅拌法(粉喷桩法)粉体喷射搅拌法是通过专用的施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将固化剂（生石灰或水泥粉体材料）以雾状喷入加固部位的地基土，凭借钻头和叶片旋转使粉体加固料与软土原位搅拌混合，自下而上边搅拌边喷粉，直到设计停灰标高。为保证质量，可再次将搅拌头下沉至孔底，重复搅拌。,(二)水泥浆搅拌法（深层搅桩法）,水泥浆搅拌法是用回转的搅拌叶片将压
19、入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成水泥加固体。搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成，并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备。我国生产的搅拌机现有单搅头和双搅头两种，加固深度达30m，形成的桩柱体直径6080cm。,一般用425号水泥，水泥用量为加固土干重的2%15，其三个月龄期试块变形模量可达75MPa以上，抗压强度1.53.0MPa以上（加固软土含水量40100）。加固软土地基可提高承载力23倍以上，沉降减少，稳定性明显提高，且施工方便。,5.6 其他地基加固法简介,一、高压喷射注浆法 利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以20MPa左右的高压将加固用浆液(一般为水
20、泥浆)从喷嘴喷射出冲击土层，土层在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下；与浆液搅拌混合，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。高压喷射注浆法按喷射方向和形成固体的形状可分为旋转喷射、定向喷射和摆动喷射三种。旋转喷射时喷嘴边喷边旋转和提升，固结体呈圆柱状，称为旋喷法，主要用于加固地基；定向喷射喷嘴边喷边提升，喷射定向的固结体呈壁状；摆动喷射固结体呈扇状墙，此两方式常用于基坑防渗和边坡稳定等工程。按注浆的基本工艺可分为单管法（浆液管）、二重管法（浆液管和气管）、三重管法（浆液管、气管和水管）和多重管法（水管、气管、浆液管和抽泥浆管等）。,二、灌浆法 灌浆法，亦称注浆法，利用压力或电化学原理通过注
21、浆管将加固浆液注入地层中，以浆液掺入土粒间或岩石裂隙中的水分和气体，经一定时间后，浆液将松散的土体或缝隙岩体胶结成整体，形成强度大、防水防渗性能好的人工地基。压力灌浆压力灌浆是常用的方法，是在各种大小压力下使水泥浆液或化学浆液挤压充填土的孔隙或岩层缝隙。电动化学灌浆是在施工中以注浆管为阳极，滤水管为阴极，通过直流电电渗作用下孔隙水由阳极流向阴极，在土中形成渗浆通道，化学浆液随之渗入孔隙而使土体结硬。灌浆胶结法所用浆液材料有粒状浆液（纯水泥浆、水泥粘土浆和水泥砂浆等或统称为水泥基浆液）和化学浆液（环氧树脂类、甲基丙烯酸脂类和聚氨脂等）两大类。,三、土工合成材料加筋法,土工合成材料的功能包括隔离、
22、加筋、反滤、排水、防渗和防护六大类。土工合成材料一般具有多功能，在实际应用中，往往是一种功能起主导作用，而其它功能则不同程度地发挥作用。,1.土工合成材料的排水反滤作用,2.土工合成材料的加筋作用,当土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度。(1)用于加固土坡和堤坝 可使边坡变陡，节省占地面积；防止滑动圆弧通过路堤和地基土；防止路堤下面发生因承载力不足而破坏；跨越可能的沉陷区等。,(2)用于加固地基 由于土工合成材料有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于地基表面，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。当地基可能产生冲切破坏时，铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地
23、基承载力。当受集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高模量的土工合成材料受力后将产生一垂直分力，抵消部分荷载。土工合成材料加筋垫层的加固原理主要是：(1)增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；(2)扩散应力，由于垫层刚度增大的影响，扩大了荷载扩散的范围，使应力均匀分布；(3)约束作用，亦即约束下卧软弱土地基的侧向变形。(3)用于加筋土挡墙 在挡土结构的土体中，每隔一定距离铺设加固作用的土工合成材料时可作为拉筋起到加筋作用。,四、复合地基,部分土体被增强或被置换形成增强体，由增强体和周围地基土共同承担荷载的地基。1.振冲桩复合地基振冲桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，初步设计
24、时也可用单桩和处理后桩间土承载力特征值按下式估算：(如砂石桩法、夯实水泥土桩等)fspk 振冲桩复合地基承载力特征值（kPa）；f pk 桩体承载力特征值（kPa），宜通过单桩载荷试验确定；fsk 处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值；m 桩土面积置换率；d 桩身平均直径（m）；de 根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；,2.CFG桩复合地基 CFG桩复合地基是指在碎石桩桩体中掺加适量石屑、粉煤灰和水泥加水拌和，制成一种粘结强度较高的桩体，称之为水泥粉煤灰碎石桩（Cement Flyash Gravel pile），简称CFG桩。CFG桩、桩间土和褥垫层一起构成CFG桩复合地基.褥垫层是由粒状材料组成的散体垫层。褥垫层技术是CFG桩复合地基的一个核心技术，褥垫层的作用主要表现在以下几方面：保证桩、土共同承担荷载。调整桩、土荷载分担比。减小基础底面的应力集中。调整桩、土水平荷载的分担。,
