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1、软地基处理新技术,上海港湾软地基处理设计研究所同济大学地下建筑与工程系,一、现有的软地基处理技术,复合地基法：水泥土搅拌桩、粉喷桩、碎石桩等；优点：承载力高、变形小、稳定快 缺点：造价高强夯法；优点：设备简易、施工方便、工期相对较短、节省材料、造价较低缺点：饱和软土质量不可控，易形成弹簧土,一、现有的软地基处理技术,排水固结法：真空或堆载预优点：技术成熟；影响深度大缺点：工期长采用真空预压的，承载力80kPa,且施工中容易漏气造成质量问题采用堆载预压的，造价高,二、快速“高真空击密法”软地基处理工法,快速“高真空击密法”软地基处理工法是一种新型快速真空动力排水固结法，它是通过数遍高真空击密制造
2、”压差”排水，并结合数遍合适的变能量击密，逐步达到降低土体的含水量，提高密实度、承载力，减少地基工后沉降和差异沉降。,2.1 快速“高真空击密法”的理论创新,“压力差主动排水”：人为多次制造“压差”，即利用适当的能量击密产生的超静孔隙水压力为“正压”，然后同步插入高真空管产生“负压”，“正压”和“负压”形成可大于一个大气压的“压差”，进而可以达到低渗透软土含水量逐步降低的目的。“超固结硬壳层”：由于“高真空大能量击密”多次相互作用（等效静压力可达300-500MPa），使软土表层形成“超固结硬壳层”，经应力扩散能较好的增大地基的抗变形能力。“硬壳层作用下不留排水通道工后沉降估算”：通过大量的科
3、研和实践证明，由于高真空击密施工后不留排水通道，工后沉降的速率和工后沉降量将明显小于常规计算。,2.2 快速“高真空击密法”的设计要素,采用特制的高真空系统强制调整土体的含水量，控制需处理的土体逐步接近最优含水量；在需处理土体分遍逐步接近最优含水量的同时，采用特制的大型击密设备分遍击密需处理的土体，逐步接近最大密实度；根据处理土体的自振频率，调整击振频率；正确计算被处理土体超空隙水压力的消散时间，合理确定土体每遍击密的固结恢复时间，严防“弹簧土”的形成根据不同土体的渗透系数、含水量，分层多遍强制调整各层的真空度、真空气、平衡参数；根据地基的处理深度要求，正确计算各层不同土体击密所需的击振能量。
4、,2.3 快速“高真空击密法”的优点,1、造价低：造价较常规方法节约30%左右；2、工期短：工期较常规方法节约50%左右；3、质量可控：通过施加不同的夯击能量控制地基承载力，通过控制施工沉降而有效控制工后沉降；通过采用不同的施工参数，区域差异沉降工前有效控制进而可以减小工后差异沉降；4、施工环保：地基处理过程中不加入任何添加剂，无泥浆等废弃物排出。,2.4 快速“高真空击密法”施工流程,2.5 快速“高真空击密法”施工工艺,2.6 快速“高真空击密法”的信息化施工,对分部流程各项指标检测并调整施工参数含水量静力触探等原位测试击振频率击振能量真空度调整超孔隙水压力消散时间,三、快速“高真空击密法
5、”技术介绍,3.1压力差排水适能量击密产生的孔隙水压力为“正压”，高真空通过插入的真空管产生“负压”，从而产生“压差”（可达个大气压）；“压差”的形成使得低渗透系数软土孔隙水排出；通过人为多次制造“压差”，使得软土含水量逐步降低，承载力逐步提高。,3.1-1 高真空+多遍击密下土应力的变化,1500kNm冲击荷载下饱和土的塑性区,1500kNm冲击荷载下非完全饱和土的塑性区,3.1.2 结论,如上可见，多遍冲击过程中孔压消散率越高，强度增长也越明显，同时减轻了冲击荷载对土的结构破坏，大大降低了夯击过程中地基土出现“橡皮土”的风险。高真空击密法就是通过增加多遍高真空排水工序，来达到提高强夯击密效
6、果的目的。但高真空排水不是强夯法的辅助手段，而至少是与强夯法同等重要的工序。,3.2“快速”的机理,通过调整真空管的间距、真空度、时间等，控制软土中的孔隙水消散时间，使得原规范中的软土孔隙水自然消散时间从3-4周缩短为5-7天。一般工程设计中采用3-4遍“高真空击密法”，施工总时间仅为21-28天。,3.3 施工参数的控制,工后沉降的控制：通过调整地基处理深度，“高真空击密”处理遍数等施工参数，有效控制每一区域的施工沉降，从而使工后沉降满足设计要求差异沉降的控制：将施工区域按差异沉降的精度要求划分若干施工小区，不同地质的小区通过控制采用不同施工参数，控制处理范围内软土的差异沉降，使得工后的差异
7、沉降满足设计要求,3.4 超固结硬壳层,在“高真空击密”作用下，通过控制“高真空”施工遍数，逐步增大击密的能量，使软土表层形成一个超固结的“硬壳层”，大幅度增加应力扩散角，大大增加地基的抗变形能力。,3.7 硬壳层作用下无排水通道工后沉降估算,采用“高真空击密法”施工，用真空管取代塑料排水板。由于施工结束时拔除真空管，所以施工结束后不留排水通道。不留排水通道的工后沉降与排水固结法工后沉降的修正系数为（0.3 0.8）,四、工程实例,上海浦东国际机场二号跑道宁波北仑港三期常熟兴华港二、三期青岛大炼油工程上海化工区（粉土）“高真空击密”与振冲碎石桩效果比较,4.1,上海浦东国际机场二号跑道,上海浦
8、东国际机场二号跑道地质情况,吹填砂：层厚2m左右，砂质相对密实，含泥量较高褐黄色粉质粘土：层厚0.252.70 m，呈可塑软塑状态，含铁锰结核及侵染锈点，属中压缩性土。灰色粘质粉土：层厚0.605.90 m，呈饱和、稍密状态，土质极不均匀，属中压缩性土。灰色砂质粉土：层厚1.009.10 m，呈饱和、稍密状态，土质极不均匀，夹杂粘土，属中压缩性土。灰色淤泥质粉质粘土：一般层厚5.0m左右，呈饱和、流塑状态，土质分布不均，夹有砂质粉土，属高压缩性土。灰色淤泥质粘土：一般层厚11.0m左右，呈饱和、流塑状态，夹有薄层粉细砂。土质比较均匀，粘性大，孔隙比大，含水量高，属高压缩性土。,上海浦东国际机场
9、二号跑道七种方法处理前后对比,综上所述，竞标方案七（快速“高真空击密法”)综合指标最佳,上海浦东国际机场二号跑道与一号跑道处理效果对比,一号跑道：加道碴强夯法施工沉降35cm工后沉降30cm造价高工期十二个月,二号跑道：高真空击密法施工沉降55.7cm工后沉降10cm比一号跑道节约1.2亿元工期：四个月,上海浦东国际机场二号跑道施工现场（111万）,上海浦东国际机场二号跑道反馈,上海机场网站(05年3月17日）：报道本工程建设创造了国内“七个第一”，其中之一国内第一条成功采用高真空击密法新闻晨报网站(05年3月18日）：浦东国际机场跑道地基处理国内首次采用高真空降水强夯，大大超过了设计要求，节
10、约资金1.2亿元,4.2,宁波北仑港三期,宁波北仑港三期地质情况,宁波北仑港区三期国际集装箱码头(二区)地基处理工程约46万0-2米为新吹填的粉煤灰，为浆糊状，承载力接近于零，人无法在上面行走2-10米为淤泥质粘土，Ps值约0.10MPa设计要求承载力要求fak=120kPa工前沉降 600mm,处理前地面状况,处理后地面状况,处理后开挖沟槽情况,北仑港粉煤灰加固前后的ps曲线,大面积加固后的静载试验,03年宁波北仑港三期二种地基处理方法主要成果对比,宁波北仑港反馈,宁波港网站(04年7月23日）视频和文字报道：“宁波北仑港三期二阶段工程地基处理采用了先进的高真空击密法，具有投资省、工期短、质
11、量可靠等特点”。宁波北仑港软地基高真空击密法处理工程被评为宁波港第三届科技进步一等奖。！宁波北仑港四期、五期、煤码头继续采用快速“高真空击密法”,4.3,常熟兴华港二、三期,常熟兴华港地质情况,表层吹填粉细砂，层厚为13m；第二层粘土及粉质粘土，平均层厚2m；第三层为淤泥及淤泥质土，该层分布较不均匀，层厚变化较大，层厚在06m之间变化，夹有粉砂层，属高压缩性的软土；第四层为粉细砂。,常熟兴华港吹填砂加固前后的地基承载力,常熟兴华港局部加固效果较差区域重新加固前后,常熟兴华港“高真空击密”二遍、三遍加固效果前后对比,常熟兴华港高真空击密处理后标贯试验,常熟兴华港业主评价,一期工程：粉喷桩复合地基
12、质量无法保证造价高,二期工程高真空击密法施工质量好造价比一期节约100元/,！三期工程继续使用高真空击密法，效果良好,4.4,青岛大炼油工程,青岛大炼油工程地质情况,-1素填土：主要回填粘性土、砂；层厚；-1细砂：深灰色-灰色，松散。饱和，含有较多淤泥质；厚度；粉土：灰色，松散-稍密，饱和，层厚-1粉质粘土：可塑-硬塑，层厚米,青岛大炼油工程处理要求,由于本场地层素填土和层粉土属软弱土层，且在抗震设防烈度为7度的情况下属液化土层，不能直接做为待力层，为了满足设计要求，本场地采用快速“高真空击密法”进行地基预处路，地基处理要求如下：1层素填土地基承载力特征值150kPa，Es10MPa；层粉土地
13、基承载力特征值120kPa，Es8MPa。2地基处理后层或层消除液化。,青岛大炼油工程检测结论,本场地在最大检测揭露深度8.2m范围内的地层，表层为素填土，上部为第四系全新统海相沉积的粉土层及上更新统花岗岩残坡积土，下部为燕山期花岗岩。经过高真空击密预处理后，场地第层素填土承载力特征值达到150kPa,第层粉土承载力特征值为120kPa;压缩模量建议值Es为8.0MPa.如本场地按7度进行抗震设防，设计基本地震加速度值按0.1g，设计地震分组按第一组考虑，地基经“高真空击密”预处理后，本场地第层粉土不具有液化潜势，场地为非液化场地。,4.5,上海化工区（粉土）“高真空击密”与振冲碎石桩效果比较
14、,上海化工区高真空击密法（粉土）,粉土地基振冲碎石桩桩间土,粉土地基振冲碎石桩桩身,由此可见，粉土中、HVDM加固后，标贯击数明显好于振冲碎石桩的桩间土，表层2m效果也较好于碎石桩桩身,静载试验比较,静载实验也比较理想,五、“高真空击密法”扩展技术,快速“低位高真空分层预压击密”软地基处理方法（国家发明专利号200410014257.9）快速“高真空击密、桩基”复合软地基处理方法（国家专利申请号200510134966.5）,5.1“低位高真空分层预压击密”,为了有效控制深厚淤泥工后沉降、差异沉降，公司又开发快速“低位高真空分层预压击密”复合软地基处理方法：“低位高真空分层预压击密法”软地基处
15、理方法是在快速“高真空击密法”软地基处理专利技术的基础上进一步改进、研制成功的一种软地基处理专利技术。本工法利用低位高真空预压，解决深层工后沉降的问题，然后利用高真空击密法，在浅层形成一定厚度的超固结硬壳层，解决承载力的问题。优点为利用低位高真空预压，控制深层工后沉降；表层“高真空击密”使地基土形成超固结硬壳层，以满足附加荷载的承载力及地基土变形的要求。该工法处理深度深、造价低、工期快、质量可控。,低位高真空分层预压击密法工程实例,宁波航空港物流标准仓库2005年上海临港工业大电气项目,宁波航空港物流标准仓库,宁波航空港物流标准仓库,宁波航空港物流标准仓库，道路淤泥厚26米，经本专利技术快速处
16、理，工后沉降、承载力都满足设计要求。,宁波航空港物流标准仓库施工现场,2005年上海临港工业大电气项目,2005年上海临港工业大电气项目,2005年上海临港工业大电气项目，地质主要为新吹填粉土夹淤泥，人机不能进入。通过“低位高真空分层预压击密”方法处理，承载力从3040kPa快速提高到100120kPa。,2005年上海临港工业大电气项目施工后情景,5.2HVDM+桩基复合地基,为了满足高承载力设计的需要，公司二次开发了快速“高真空击密、桩基”复合软地基处理方法(专利申请号：ZL 2005 1 0134966.5),HVDM+桩基复合地基应用实例,山东黄岛10万m3的石油储备罐亚洲铝厂,山东黄
17、岛10万m3的石油储备罐,山东黄岛10万m3的石油储备罐,山东黄岛10万m3的石油储备罐，成功的用HVDM结合桩基，使原地质承载力4050kPa通过HVDM处理达到120kPa，再结合碎石桩，提高到210kPa，造价节省，工期缩短，并有效解决了碎石桩的软地基离散现象。,山东黄岛10万m3的石油储备罐,亚洲铝厂,亚洲铝厂,亚洲铝厂高精密流水车间，地质土层复杂，工后沉降要求高（小于5cm），经HVDM+水泥搅拌桩，形成复合地基，有效控制工后沉降和差异沉降。造价比原方案节约30%以上，工期60%以上，获外方设计高度评价并要求合作全力推广。,亚洲铝厂,六、专利技术发展应用简介,2000年：快速“高真空
18、击密法”开发成功2001年：上海市科委鉴定达到国际先进水平2006年：获上海市科技委科技成果奖2006年：中央电视台科技频道科技之光专题报导2007年：公司与同济大学、河海大学、浙江大学、大连理工大学、解放军后勤工程学院联合成立“上海港湾软地基设计开发研究院”，进一步深化研究现有专利技术2007年：以技术出口形式出口海外2007年：中央电视台国际频道中国新闻栏目主动报导2007年：“高真空击密法”开始入编地基处理新技术第六章截至2007：工程应用面积超4000万,七,集科研、设计、施工为一体的上海港湾软地基处理工程有限公司真诚欢迎各位领导、专家批评指正、携手合作。衷心感谢各位领导、专家及各位嘉
19、宾的光临！,第十一章 软弱地基处理建筑地基处理技术规范Technical code for ground treatment of buildingsJGJ 79-2002,地基处理：对不能满足承载力要求和变形要求的软弱地基进行人工处理的技术,物理性质差抗剪强度低压缩性较高渗透性很小结构性明显流变性显著,11.1 软弱地基土的工程特性,淤泥及淤泥质土（软土）：e1.5时，为淤泥，1.5e1时，为淤泥质土。比较软弱，天然地基的承载力较小，易出现地基局部破坏和滑动。荷载作用下产生较大的沉降和不均匀沉降，产生较大的侧向变形，且沉降与变形持续的时间很长，甚至出现蠕变等。杂填土和充填土中的部分饱和粘性土
20、归于软土一类。有机质含量超过25的软土称为泥炭质土或泥浆，这种土的强度很低，压缩性很大。,粉细砂、粉土、粉质土：比淤泥质土强度大，压缩性小，可以承受一定的静荷载。在动荷载作用下可能产生液化、震陷、振动速度的增大时可使地基失去承载力。砂土、砂砾石等：强度和变形性能随着密度的大小变化而变化，透水性较大。地基处理主要是抗渗和防渗，防止流土和管涌。其他类土：黄土具有湿陷性膨胀土具有胀缩性红粘土具有特殊的结构性岩溶易出现塌陷。,地基处理目的是改善地基土工程性质，满足上部结构对地基稳定和变形的要求。,地基处理主要目的与内容包括：提高地基土的抗剪强度以满足对地基承载力和稳定性的要求；改善地基的变形性质，防止
21、建筑物产生过大的沉降和不均匀沉降以及侧向变形等；改善地基的渗透性和渗透稳定，防止渗流过大和渗透破坏等；提高地基土的抗振（震）性能，防止液化，隔振和减小振动波的振幅等消除黄土的湿陷性，膨胀土的胀缩性等。,11.1.3 地基处理方案的选择,1、方案的选择 选择地基处理方案前，应进行深入的调查，充分收集资料时，应考虑以下五个方面的内容:上部结构和基础设计情况；建筑场地的工程地质条件；施工用地、施工工期、工程用料来源等；施工时对周围环境的影响；施工单位技术力量、机具设备、施工管理水平及施工经 验等。,2、方案确定的步骒如下:收集各种有关处理方案的资料。据收集的资料，初步选定可供考虑的几种地基处理方案。
22、考虑预期处理效果，材料来源和消耗，施工机具和进度，对周围环 境的影响等各种因素，对初步选定的几种处理方案进行技术经济 分析和对比，从中选择最优的地基处理方案。对已选定的地基处理方案，根据建筑物的安全等级、施工场地的复杂程度，可在有代表性的场地上进行相应的现场实体试验，以验证各项设计参数，选择合理的施工方法和确定处理效果。3、设计原则地基处理方案，应针对具体工程的具体处理要求，本着技术上安全可靠，经济上节约、合理的原则，精心设计，进行方案设计时，还应重视环保问题，减小或避免对周围空气、地面和地下水的污染及对于周围的振动、噪声等影响。,地基处理方法分类,地基处理方法的分类表,碾压及夯实法，换土垫层
23、法，排水固结法，振密挤密法，置换及拌入法，加筋法，其他方法如灌浆法、冻结法、托换技术、纠倾技术等等。,11.2 换土垫层法,换土垫层法(换填法),将基础底面的软弱土层挖去,质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并予以分层压实,可以将上部荷载扩散至下面的下卧层,作用,(一)换土垫层法的作用,1、提高地基承载力,2、减少沉降量,3、加速软弱土层的排水固结,4、消除湿陷性黄土的湿陷性,5、消除膨胀土的胀缩作用,6、防止冻胀,一、换土垫层法的作用及适用范围,(二)换土垫层法的适用范围,垫层法：当建筑物基础下持力层比较软弱，不能满足设计荷载或变
24、形要求时，常在地基表面铺设一定厚度的垫层，或者把表面部分软弱土层挖去，置换强度较大的砂石素土等，处理地基表层，这类方法称为垫层法。换土垫层法：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土及暗沟、暗塘等的浅层处理，多用于多层或低层建筑的条形基础、独立基础、地坪、料场及道路工程。只对软土地基作表层处理，所能承受的建筑物荷载不宜太大，一般为35层的房屋、48m的路堤及一般水闸。,二、换土垫层的设计砂垫层,垫层厚度的确定：应力扩散至软土层面的附加应力与垫层自重之和满足下卧土层地基承载力的要求。,条形基础：,矩形基础：,砂垫层厚度,砂垫层压力扩散角,一般垫层的厚度约为12m，过薄（3m），施工困难，
25、经济上不合理。,垫层宽度的确定：一方面要满足扩散的要求；另一方面要防止垫层向两侧挤出。,垫层底面宽度：,沉降验算：不考虑垫层的压缩变形，仅按常规的沉降公式计算下卧软土层引起的基础沉降。,要求最终沉降量小于设计建筑物的允许沉降值。,垫层材料：透水性较好的砂石、粉质粘土、灰土、工业废渣、碎石、石渣、矿渣、灰土和素土等,（1）砂石：应为级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂时，应掺入碎石或卵石，最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性的黄土地基，不得选用砂石等透水材料。,（2）粉质黏土：土料中有机质含有量不得超过5%。不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不得大于50mm。用于湿陷性黄土地基
26、的素土垫层，土层中不得夹有砖、瓦和石块。（3）灰土：体积配合比宜为2:8或3:7土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂土，不得含有松软杂质，并应过筛，其粒径不得 大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其粒径不得大于5mm。（4）工业废渣：应质地坚硬、性能稳定和无腐蚀性，其最大粒径及级配通过实验确定。,垫层材料：为了增强垫层水平抗拉断裂性和整体结构性能，通常在垫层内增设水平抗拉材料，如竹片、柳条、金属板条、土工格栅、土工网垫及高强度土工编织布、经编复合布等组成加筋土垫层。按其组成材料分：砂垫层碎石垫层灰土垫层加筋土垫层。,按垫层在地基中的作用：换土垫层排水垫层加筋土垫层,11.3 预压固结法,在建
27、筑物或构筑物建造前，先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载，使土体中孔隙水排出，孔隙体积变小，土体密实，提高地基承载力和稳定性。堆载预压法处理深度一般达10m左右，真空预压法处理深度可达15m左右。,砂井的影响范围计算：等效直径：,等边三角形布置时正方形布置时,应用范围：提高建筑物软土地基的承载力与稳定性。一般利用堆载或自重荷载作为预压荷载，并在的集中设竖向排水体（砂井等）。消除或减少建筑基础（底）的沉降。可以在拟建建筑物场地先施加预压荷载，使地基土层充分排水固结压密。再卸去预压荷载，再修建建筑物。,11.4 碾压法和夯实法,碾压法 重锤夯实法 机械碾压法 振动压实法,机械碾压法,分层碾压
28、法，振动压实法,振动压路机,强夯法,强夯法：用几吨至几十吨的重锤，从几米至几十米高处落下，反复多次夯击底面，对地基进行强力夯实。通过强大的夯击力在地基中产生动应力与振动波，从底面抗击点发出纵波和横波传到土层深处，使地基潜层和深处山生不同程度的加固。,强夯法：强夯法是法国L梅纳（Menard）1969年首创的一种地基加固方法。夯击后的地基承载力可提高25倍，压缩性可降低200500，影响深度在10m以上。,11.5 挤密法和振冲法,砂石桩法（建筑地基处理技术规范8章）土桩挤密法（建筑地基处理技术规范14章）灰土桩挤密法（建筑地基处理技术规范14章）,挤密法,振冲法,在粘土中主要起振冲置换作用，置
29、换后填料形成的桩体与土组成复合地基；在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用。,振冲置换法,振冲密实法,作用机理：,振冲法（建筑地基处理技术规范7章）,振冲法：利用振动和水力冲切原理加固地基的方法。,振冲密实法（适用于砂类土）：在混凝土振捣器的基础上制成加固地基的振冲器，利用振冲器冲切下沉并振动使砂土密实。,振冲置换法（适用于粘性土）：利用振冲成孔把粘土冲出，置换砂砾石并振密形成碎石桩体，与原地基土共同作用，提高地基的承载力和改善变形性质。,11.6 化学加固法,水泥深层搅拌法（建筑地基处理技术规范11章）高压喷射灌浆法（建筑地基处理技术规范12章）灌浆法（建筑地基处理技术规范16章）,水泥深层搅
30、拌法（CDM法）,利用水泥（或石灰）作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，再一定的深度范围内把地基土与水泥（或其他固化剂）强行搅拌，固化后形成具有水稳定性和足够强度的水泥土，制成桩体、块体和墙体等类加固体，并与地基土共同作用，提高地基的承载力，改善地基变形特性的一种地基处理方法。广泛应用于房屋建筑、油罐、堤坝等类工程软基处理和软土地基中的基坑维护结构以及防渗帷幕等类工程。定位沉入到底部喷浆搅拌（上升）重复搅拌（下沉）重复搅拌（上升）完毕,水泥搅拌桩在施工,高压喷射注浆法,高压喷射注浆法：用钻机成孔至预定深度后，再用高压注浆流体发生设备，使水和浆液通过装在钻杆末端的特制喷嘴喷出，以高压脉动的喷射流向土体四周喷射，把一定范围内土的结构破坏，并强制与化学浆液混合，形成注浆体，同时钻杆按一定方向旋转和提升，待浆液凝固后在土中制成具有一定强度和防渗性能的圆柱状、板状、连续墙等固结体，与周围土体共同作用加固地基。,*托换技术（建筑地基处理技术规范17章）,基础加固托换 基础加宽 基础加深技术 桩式托换 顶承式静压桩托换 锚杆静压桩托换 灌注桩托换 树根桩托换,
