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1、第7章 地基工程地质问题,7.1地基变形及破坏的基本类型7.2地基承载力7.3地基处理7.4工程实例,7.1地基变形及破坏的基本类型,地基变形的概念1.基础：建筑物下部直接与土层、岩层接触的部位。基础是建筑物的组成部分。2.地基：承受结构物荷载的一部分岩层、土体，其深度 范围大约是基础宽度的1.55倍，宽度范围大 约是基础宽度的1.53倍。地基不属于房屋组成部分。3.地耐力：地基每平方米所能够承受的最大压力，称为 地基允许承载力，俗称地耐力。地基基础的投资一般占整个建筑物总投资的10%-20%。,地基变形破坏的基本类型一、地基不均匀沉降和变形过大 地基不均匀沉降和变形过大是地基基础工程中最常见
2、的两种地基变形。铁路和公路路基工程中表现为路基下沉。造成路基下沉的原因最普遍的是夯实不够。另外特殊土的不良工程性质也是造成修建在该类土质地基上的工程建筑物变形的重要原因。比萨斜塔,二、地基滑移、挤出,加拿大特朗斯康谷仓长59.4m。宽23.5m，高31.0m，钢筋混凝土片筏基础，厚2m，埋置深度3.6m，谷仓于1913年秋建成，10月初贮存谷物2.7万吨时发现谷仓明显下沉，谷仓西端下沉8.8m，东端上抬1.5m，最后，整个谷仓倾斜近27度。事后勘察发现：该建筑物基础下埋藏有厚达16m的高塑性淤泥质软粘土层。谷仓加载使基础底面上的平均荷载达到330kPa，超过了地基的极限承载力280kPa，因而
3、发生地基强度破坏而整体滑动。,接吻的双塔,国外某水泥仓库,日本某城市地震后的景象,7.1.3 地基剪切破坏的机制,一、库仑定律,剪切试验模拟,1776年，库仑根据砂土剪切试验,tf=s tanj,砂土,后来，根据粘性土剪切试验,tf=c+s tanj,粘土,c,库仑定律：在一般应力水平下，土的抗剪强度与滑动面上的法向应力s之间呈直线关系,抗剪强度指标：c:土的粘聚力 j:土的内摩擦角,上述法向应力采用总应力 表示，称为抗剪强度的总应力表达式。当法向应力采用有效应力 表示时，则称为抗剪强度的有效应力表达式。根据有效应力原理，土中某点的总应力 等于有效应力 和孔隙水压力u 之和，即 而抗剪强度的有
4、效应力表达式为：或 式中、分别为有效粘聚力和有效内摩擦角，统称为有效应力抗剪强度指标。,抗剪强度的第二种表达式：,抗剪强度的第二种表达式,二、土体抗剪强度来源与影响因素,摩擦力来源：滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力来源：由土粒之间的胶结作用和电分子引力等因素形成 抗剪强度影响因素：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：土中矿物成分、粘粒含量、含水量以及土的结构,三、土中一点的应力状态,楔体静力平衡,设某一土体单元上作用着大、小主应力s1和s3。土体内一点处不同方位的截面上应力的集合（剪应
5、力t 和法向应力s）可用方程表示,斜面上的应力,可经过运算化为莫尔应力圆方程,A(s,t),圆心坐标(s1+s3)/2，0,应力圆半径r(s1s3)/2,莫尔应力圆,四、土的极限平衡条件,s,t,强度线,应力圆与强度线相切：,应力圆与强度线相割：,f,弹性平衡状态,=f,极限平衡状态,f,破坏状态,应力圆与强度线相离：,莫尔库仑破坏准则,莫尔应力圆与库仑强度线相切的应力状态作为土的破坏准则(目前判别土体所处状态的最常用准则),7.2 地基承载力,7.2.1 地基承载力的基本概念 单位面积上地基能承受的最大极限荷载能力称为地基极限承载力。7.2.2 地基承载力确定的方法按原位测试方法确定地基承载
6、力。按地基土的强度理论确定地基承载力。经验方法确定地基承载力。,1.原位测试法：载荷试验、标准贯入试验、静力触探等。要进行修正。2.强度理论法：目前规范公式计算法，不做宽度深度修正3.根据经验确定承载力特征值，做宽度深度修正,一、原位试验,载荷板试验深浅均可旁压仪 较深地基十字板 饱和软粘土,1.现场载荷试验,千斤顶,荷载板,平板载荷试验要点,0.5 0.5m,0.71 0.71m,1.01.0m不少于3点8-10级每级稳定的标准承载力的特征值,地基破坏的判定(1)明显侧向挤出或发生裂纹(2)荷载增量很小,沉降急剧增加,(3)某级荷载增量下,24小时内沉降不能稳定(4)s/b0.06的荷载作为
7、破坏荷载,pcr,pu,p,2.旁（横）压试验,旁压仪示意图,又称横压试验，是通过旁压器，在竖直的孔内使旁压膜膨胀并由该膜将压力传给周围土体，使土体产生变形直至破坏，从而得到压力与钻孔体积增量之间的关系曲线，称为P-V曲线，又称旁压曲线。旁压试验适用于原位测定粘性土、粉土、砂土、软质岩石和风化岩石的承载力、旁压模量和土的应力应变关系。,二、强度理论确定地基承载力 我国建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定采用塑性区最大深度不大于基础宽度的1/4所对应的临界压力P1/4并结合工程经验计算地基承载力特征值。fa-地基承载力特征值；b-基础宽度，取36m,d基础埋置深度；Mb、Md、M
8、c承载力系数（见表71）ck土体内聚力标准值；基础底面以下土的重度；m基础底面以下土的加权平均重度。,三、经验法确定地基承载力1.间接原位测试法 如静力触探试验、标准贯入试验、动力触探试验。以静力触探试验或者标准贯入试验数据为基础，根据地区经验进行修正的经验公式。使用时应谨慎使用，注意使用范围，以免发生错误。2.承载力表 多年地区工程经验的总结，但应注意其使用范围（表73、4、5、6、7、8、9）,静力触探试验,静力触探试验确定地基承载力,比贯入阻力：,根据比贯入阻力查经验表格或由经验公式计算确定容许承载力,地基承载力宽度修正,基础类型与构造 一、基础类型 1、按基础的构造形式：可以分为条形基
9、础、独立柱基础、联合基础（井格式基础、片筏式基础、板式基础、箱形基础）、桩基础。2、按基础受力特点：基础分为刚性基础和柔性基础。3、按基础所使用的材料：基础包括砖基础、毛石基础、混凝土基础、灰土基础、三合土基础、毛石混凝土基础、钢筋混凝土基础等。,7.3地基处理,二、按材料和受力特点分类（一）刚性基础 刚性材料是指抗压强度高，而抗拉、抗剪强度低的材料。如砖、石、素混凝土等。刚性基础用刚性材料制作的基础，底面宽度扩大受刚性角的限制。,试验得知，上部结构（墙或柱）在基础中传递压力是沿一定角度分布的，这个传力角度称压力分布角，或称刚性角，以表示。如图所示。刚性基础底宽度的增大要受到刚性角的限制。,3
10、、刚性基础构造 1）毛石基础 抗压、冻、抗水、抗腐蚀性能好（1）组成：石材砂浆,砂浆不低于M5。（2）剖面形式：矩形基础，底面宽度700mm。阶梯形基础，每阶高400mm,每阶放宽200mm。（3）适用于地下水位较高或冻结深度较深的多层民用建筑。,2、砖基础 1）组成：粘土砖砂浆 2）剖面形式：台阶形 等高式 3）砌筑方式：间隔式 4）特点：因砖易受潮，抗冻性差，在砖基下面放置垫层，垫层材料可用3：7灰土、碎砖三合土或砂等。砖不低于MU10,砂浆不低于M5.5）适用于地基土质好，地下水位较低的低层建筑（5层以内）。,3、灰土与三合土基础 砖基础下设的灰土或三合土垫层。（1）组成：灰土：灰：粘土
11、3：7或2：8，三合土：石灰：砂：集料=1：3：6或1：2：4加水拌合夯实而成。(每层虚铺220，夯实至150）（2）厚度：150mm为一步，一般3层为2步，3层为3步。（3）适用：灰土：4层及4层以上建筑厚度一般采用450；3层及3 层以下建筑厚度一般采用300 三合土：一般只能用于4层以下建筑的基础，基础宽度一般不小于600mm。在我国南方应用较广。灰土和三合土基础一般埋置于地下水位以上。,4、混凝土基础混凝土基础具有坚固、耐久、不怕水的特点。（1）材料组成：混凝土强度等级C30；矩形(H350mm)（2）剖面形式 阶梯形（H 350mm)锥形(B 2m)；（3）适用于地下水位以下（地下水
12、位较高时）。,（二）非刚性基础（柔性基础）,墙下条基素砼垫层,墙下条基,三、按基础的构造型式分类,（一）条形基础,（二）独立基础,（三）井格式基础,柱下条基,框架结构基础梁,框架结构柱下条基,（四）筏形基础,柱下筏板基础,不埋板式基础,（五）箱形基础,基本概念地基处理,一、基本概念天然地基：基础直接建造在未经加固的天然土层。软弱地基：由淤泥、淤质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土构成的地基。人工地基：天然地基很软弱，不能满足地基强度和变形的要求，必须事先对地基进行加固处理后再建造基础。,二、地基处理的目的及问题,（一）目的1.提高土的强度-地基承载力2.增加土的刚度-减少地基沉降量3.改善地基
13、土的水力特性(1)防渗,堤坝,闸基,池(湿陷,膨胀性土)(2)排水:软基固结渗流,挡土墙排水(3)渗透稳定性:长江大堤的管涌,流土.采用反滤(4)抗冻性:实质是渗透性,减少毛细现象,加强排水4.改善抗震性能:(1)液化:加密,围封（水床）;(2)震陷:干松砂和溶洞.,三、地基处理方法1.排水固结法：堆载预压法、真空预压法、电渗法等。2.注浆加固法：深层搅拌法、高压喷射注浆法（包括压密灌浆、劈裂灌浆、电化学注浆）。3.热力学法：热加固、冷冻结。4.加筋法：加筋土、土工织物、树根桩。5.置换法：振冲置换碎石桩、CFG桩、石灰桩、二灰桩、强夯置换、砂桩、换土回填等。6.挤密法：平板振动、机械碾压、重
14、锤击实、强夯挤密、振冲法、爆破法、沉管挤密碎石桩法、土桩与灰土桩等。,设计坑底,坑底降水深度,D,坑底降水线,基坑降水预固结,注浆加固,碾压,机械压实法,强夯挤密和振冲挤密,挤密法,换填及拌入法,换填,加筋法,压实法,换土法可选换土的材料有：砂、碎石、矿碴、石屑、灰土、三合土等（从应力状态属垫层）。,挤密法：一般是采用打桩机成孔，桩管打入地基对土体产生剂密作用，土体颗粒彼此靠近，空隙减少，使土体密实度得以提高，地基土强度亦随之增加。,水泥搅拌法：是利用水泥（或石灰）作为固化剂，通过深层搅拌机械，在一定深度范围把地基土与水泥（或其他固化剂）强行拌和和固化，形成具有水稳定性和足够强度的水泥土，形成
15、桩体、块体和墙体等。,化学加固法：是利用高压射流技术，喷射化学浆液，破坏地基土体，并强制土与化学液混合，并形成具有一定强度的加固体来处理软基的一种方法,一、工程概况柳州市文昌路西段长约1.2Km，规划路宽60m，为城市I级主干道。总体地势为西低东高，东部（0570里程以东）地势相对较平缓，局部为缓坡、缓丘、池塘、陡坎等形态，西部（0190至0570里程段）绝大部分地区原为一个砖厂的取土区，地势较低洼，后经人工回填平整。回填土主要为建筑工地弃土，建筑垃圾，其成分及含量极不均匀，回填物有碎砖、碎石、粘土、腐植质土等。平均厚度约9m，最大厚度为14m；回填时间最长的在10年左右，最短的为23年。根据
16、现场土基回弹模量承载板实测结果，回弹模量在13.564.5Mpa之间分布极不均匀，且有3个点回弹模量小于20Mpa，须进行处理后方能作为路基使用。,7.4 工程实例,为节省投资，采用强夯治理方案对此填土区进行处理。强夯处理深度为3m，在强夯处理的杂填土面上再采取换填1.5米厚的粘土加以调整。二、强夯施工为了提供可靠的依据和指导，确定正式施工的技术工艺参数，在K0360K0390南侧作为试夯区域，施工中做好现场测试和记录，基本测试项目包括夯点沉降，冲击振动的影响范围和夯击次数。,夯锤,（一）清理并平整场地。（二）夯点布置。夯点布置，采用等腰三角形网格布置，呈梅花形，强夯范围为路基换填土范围内，其
17、中第一遍夯点间距为2.5米，第二遍夯点则在第一遍夯点之间。（三）起重机就位，使夯锤对准夯点位置，测量夯前锤顶高程。本次强夯处理采用带自动脱钩落锤装置的15T的履带式起重机一台，25T的履带式起重机两台，锤重为11.5T重，其底面形状为正方形，尺寸为22m，锤底静压力值为28.8Kpa。单点夯击夯锤落距为10m，单击能量为1150KN。（四）将锤起吊到预定高度，开启脱钩装置，待夯锤脱钩自由下落后，放下吊钩，若发现因坑底倾斜面造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平。,单点夯击数按现场试夯得到的夯击次数和夯测量关系曲线确定，且同时满足以下条件：A、最后两击的平均夯沉量不大于50；B、夯坑周围地面不应发生过
18、大的隆起。经试验，确定单点夯击数为9击。（五）单点夯击达到步骤（四）的条件后，换夯点，进行夯击。（六）完成第一遍全部夯点的夯击后，用推土机将夯坑推平，并测量场地高程；（七）采用二遍夯击。两遍夯击之间安排一定的时间间隔，以利于土中超静孔隙水压力的消散，两遍强夯施工间隔时间为7天。第二遍夯点位于第一遍夯点之间，最后推土机整平，采用35T振动压路机碾压全场地。（八）测量夯后场地高程。,三、强夯施工检测方案强夯区分三个单元，采用三种检测手段，即（1）测密度求压实系数；（2）载荷试验；（3）触探原位测试（N63.5及N10）。（一）测密度求压实系数1布点要求及测量深度。每个试夯区工作3组，即在主夯点的中
19、点、切点及主夯点的盲区3个部位布点，测试深度设在3m深度处。2压实系数的求取。c=d/dmax，其中分子d现场开挖试坑，用灌水法求得，分母dmax分别在各测点现场采样通过室内试验求取。（二）载荷试验载荷点的布设：东西两个试区各作一点，中区试夯区作两点，一共4点，各试验区布点随机抽取。,（三）触探原位测试各个载荷点均布设重型触探（N63.5）及轻型触探（N10）测试，测试深度为3m，共布N63.5测试孔4个、12m，N10测试孔4个、12m。四、强夯施工中所遇到的问题与采取的措施当强夯施工到K0+415K0+460及K0+500K0+550两段时，由于该段的杂填土中含粘性土成分较多，地下水位较高
20、，土体呈饱和状态，强夯后表层积水形成烂泥，强夯效果达不到要求。为了达到降低水位，在强夯区两侧边缘做盲沟进行降水处理，并清除表层0.5米的烂泥，然后再重新实施夯击。,五、强夯施工质量检测强夯施工结束7天后，采用载荷试验，测密度求压实系数，触探原位测试三种方法进行检测。（一）载荷试验结果在地表积水较少的情况下，经强夯后的承载力提高幅度较大，容许承载力达240kpa。（二）触探原位测试结果在现场实施过程中，由于被处理的土体为杂填土，轻便触探(N10)无法击进，故均采用重型（N63.5）触探检测方法。根据载荷试验和重型触探平均锤击数关系，及岩土工程手册中附表5517，即重型触探N63.5与碎石土地基土
21、容许承载力的关系相比较；经夯击处理后的杂填土其N63.59击/10cm时即可满足f180kpa的需求。,（三）压实度测试结果强夯区共选78点进行压实度测试，质量密度d(min)=1.78g/cm3，d(max)=1.76g/cm3，最大质量密度dmax(min)=1.78g/cm3，dmax(max)=1.9g/cm3，压实度Kmax=92.1%，Kmin=90%；满足设计提出的不小于的要求。六、经济比较分析该项目强夯部分的范围面积为18240，强夯施工及检测工程费用为104.48万元；如果按常规的换填处理，处理完相应部分的地基所需费用为446.73万元，采用强夯工艺处理可节省投资342.25万元。,作业,P225第1题、第3题,
