《土力學(xué)與地基基礎(chǔ)》第九章 軟弱地基處

土力學(xué)地基基礎(chǔ)Soil Mechanics and Foundation Engineering,河南科技大學(xué)建筑工程學(xué)院 高笑娟,第九章 軟弱地基處理,第一節(jié) 概述 一、地基處理的目的 1、建筑物地基面臨的問(wèn)題 （1）承載力及穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)?shù)鼗目辜魪?qiáng)度不足以支承上部結(jié)構(gòu)的自重及外荷載時(shí)，地基就會(huì)產(chǎn)生局部或整體剪切破壞。,（2）沉降、不均勻沉降、水平位移等問(wèn)題。 （3）地基的滲透量或水力坡降超過(guò)容許值時(shí)，會(huì)發(fā)生水量損失，或因潛蝕和管涌而可能導(dǎo)致失事。 （4）地震、機(jī)器以及車輛的振動(dòng)、海浪作用和爆破等動(dòng)力荷載可能引起地基土，特別是飽和無(wú)粘性土的液化、失穩(wěn)和震陷等危害。這類地基問(wèn)題也可能分別概括于上述穩(wěn)定和變形問(wèn)題中，只不過(guò)是由于動(dòng)力荷載引起的。,2、地基處理的目的 （1）地基處理的概念 在土木工程建設(shè)中，當(dāng)天然地基不能滿足建(構(gòu))筑物對(duì)地基的要求時(shí)，需對(duì)天然地基進(jìn)行加固改良，形成人工地基，以滿足建(構(gòu))筑物對(duì)地基的要求，保證其安全與正常使用，這種地基加固改良稱為地基處理。地基處理的目的是利用換填、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學(xué)等方法對(duì)地基土進(jìn)行加固，用以改良地基土的工程特性。,（2）目的 1）提高地基土的抗剪強(qiáng)度。 2）降低地基土的壓縮性。 3）改善地基土的透水特性。 4）改善地基的動(dòng)力特性。 5）改善持殊土的不良地基特性。,二、地基處理方法的分類 地基處理方法按地基處理原理進(jìn)行分類外，還可以按下面方法分類： （1）地基處理方法可分為物理的地基處理方法、化學(xué)的地基處理方法以及生物的地基處方法； （2）可根據(jù)地基處理加固區(qū)的部位分為淺層地基處理方法、深層地基處理方法和斜面土層處理方法三大類； （3）還可視用途將地基處理方法分為臨時(shí)地基處理方法和永久地基處理方法兩種。,三、地基處理的特點(diǎn) （1）大部分地基處理方法的加固效果不是在施工結(jié)束后就能全部發(fā)揮； （2）每一項(xiàng)地基處理工程都有它的特殊性； （3）地基處理是隱蔽工程，很難直接檢驗(yàn)其加固效果。,四、常見(jiàn)的地基處理方法 1、換填墊層法 該法常用于基坑面積寬大和開(kāi)挖土方較大的回填土方工程，一般適用于處理淺層軟弱土層（淤泥質(zhì)土、松散素填土、雜填土、填土，以及已完成自重固結(jié)的沖填土等）與低洼區(qū)域的填筑。一般處理深度為23m。適用于處理淺層非飽和軟弱土層、濕陷性黃土、膨脹土、季節(jié)性凍土、素填土和雜填土。,2、振密、擠密法 1）表層壓實(shí)法； 2）重錘夯實(shí)法； 3）強(qiáng)夯法； 4）振沖擠密法； 5）土樁與灰土樁法； 6）砂樁； 7）爆破法,3、排水固結(jié)法 1）堆載預(yù)壓法； 2）砂井法（包括袋裝砂井、塑料排水帶等）； 3）真空預(yù)壓法； 4）降低地下水位法； 5）電滲排水法。,4、置換法 1）振沖置換法(碎石樁法)； 2）石灰樁法； 3）強(qiáng)夯置換法； 4）水泥粉煤灰碎石樁法(CFG樁法)。,5、加筋法 加筋法的基本原理是通過(guò)在土層中埋設(shè)強(qiáng)度較高的土工合成材料、拉筋、受力桿件等提高地基承載力、減小沉降、維持建(構(gòu))筑物或土坡穩(wěn)定。 1）土工合成材料 2）土層錨桿 3）土釘 4）樹(shù)根樁法,6、膠結(jié)法 膠結(jié)法的基本原理是在軟弱地基中部分土體內(nèi)摻入水泥、水泥砂漿以及石灰等固化物，形成加固體，與未加固部分形成復(fù)合地基以提高地基承載力和減小沉降。 （1）灌漿法 （2）高壓噴射注漿法 （3）水泥土攪拌法,7、冷熱處理法 （1）凍結(jié)法 （2）燒結(jié)法 8、托換 9、糾偏,第二節(jié) 地基處理方法簡(jiǎn)介,一、換填墊層法 當(dāng)軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設(shè)計(jì)要求，而軟弱土層的厚度又不是很大時(shí)，基礎(chǔ)底面下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除，然后分層換填強(qiáng)度較大的砂（碎石、素土、灰土、爐渣、粉煤灰）或其他性能穩(wěn)定、無(wú)侵蝕性的材料，并壓實(shí)至要求的密實(shí)度為止，這種地基處理方法稱為換填墊層法，簡(jiǎn)稱為換填法。,1、墊層的作用 （1）提高持力層的承載力 （2）減小沉陷量 （3）加速軟弱土層的排水固結(jié) （4）防止凍脹 （5）消除膨脹土的脹縮作用,2、墊層材料的選用 （1）砂石 砂石墊層材料宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑，應(yīng)級(jí)配良好，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)。當(dāng)使用粉細(xì)砂時(shí)，應(yīng)摻入不少于總重30的碎石或卵石。砂石的最大粒徑不宜大于50mm，并通過(guò)試驗(yàn)確定虛鋪厚度、振搗遍數(shù)、振搗器功率等技術(shù)參數(shù)。對(duì)濕陷性黃土地基，不得選用砂石等透水材料。,（2）粉質(zhì)粘土 土料中有機(jī)質(zhì)含量不得超過(guò)5，亦不得含有凍土或膨脹土，不得夾有磚材料。當(dāng)含有碎石時(shí)，粒徑不宜大于50mm。 （3）灰土 灰土的體積配合比宜為2:8或3:7。土料宜用粉質(zhì)粘土，不宜使用塊狀粘土和砂質(zhì)粉土，不得含有松軟雜質(zhì)，并應(yīng)過(guò)篩，其顆粒直徑不得大于15mm。石灰宜用新鮮的消石灰，其顆粒粒徑不得大于5mm。,（4）粉煤灰 可用于道路、堆場(chǎng)和小型建筑物、構(gòu)筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.30.5m。作為建筑物墊層的粉煤灰應(yīng)符合有關(guān)放射性安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。 （5）礦渣 墊層使用的礦渣是指高爐重礦渣，可分為分級(jí)礦渣、混合礦渣及原狀礦渣。礦渣墊層主要用于堆場(chǎng)、道路和地坪，也可用于小型建筑物、構(gòu)筑物地基。易受酸、堿影響的基礎(chǔ)或地下管網(wǎng)不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)地下水和土壤的環(huán)境影響。,3、墊層設(shè)計(jì) （1）墊層厚度的確定 墊層厚度z應(yīng)根據(jù)需置換軟弱土的深度或下臥土層的承載力確定，并結(jié)合式,對(duì)于矩形基礎(chǔ) （2）墊層寬度確定,二、預(yù)壓法固結(jié)法 1、堆載預(yù)壓法,三、擠密法 1、砂樁擠密法(砂樁)(densification by sand Pile) （1）概述 砂樁擠密法是用振動(dòng)、沖擊或打入套管等方法，在地基中形成土孔，然后填入中、粗砂，并予以搗實(shí)而形成直徑較大的樁，使地基土在較大的深度范圍內(nèi)得以擠密加固。,砂樁法起源于19世紀(jì)30年代的歐洲，用于在海灣沉積軟土上建造兵工廠的地基工程中。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為2m，樁徑為0.2m，每根樁承擔(dān)的荷載為10kN。此后，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由于沒(méi)有實(shí)用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，缺少先進(jìn)的施工工藝和施工設(shè)備而影響了它的發(fā)展。 第二次世界大戰(zhàn)以后，砂樁法在前蘇聯(lián)得到廣泛應(yīng)用并取得了較大成就。初期，砂樁采用沖孔搗實(shí)施工法，以后又采用水沖振動(dòng)施工法，其缺點(diǎn)都是質(zhì)量不佳和處理深度較淺。,20世紀(jì)50年代后期，隨著振動(dòng)打樁機(jī)的出現(xiàn)又采用振動(dòng)式打拔管施工法。 隨后日本又研究出振動(dòng)式重復(fù)壓拔管施工法和控制施工質(zhì)量的方法，這些方法的應(yīng)用使砂樁地基處理技術(shù)發(fā)展到一個(gè)新的水平，使其施工質(zhì)量和施工效率均有顯著提高，處理深度可達(dá)30m左右。,我國(guó)1959年首次在上海重型機(jī)器廠采用錘擊沉管擠密砂樁法處理地基； 1978年又在寶山鋼鐵總廠采用振動(dòng)重復(fù)壓拔管砂樁施工法處理原料堆場(chǎng)地基。這兩項(xiàng)工程為我國(guó)在飽和軟弱粘性土中采用砂樁，特別是砂樁地基處理方法積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 近十多年來(lái)，砂樁法在我國(guó)工業(yè)與民用建筑、交通、水利等工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。,（2）加固原理 地基土的土質(zhì)不同，對(duì)砂樁的作用原理也不盡相同 1）在松散砂土中的作用 擠密作用； 振密作用 2）在軟粘土中的作用 置換作用； 排水作用；,（3）砂樁用途 1）在松散砂土中，可用于增大相對(duì)密度，防止振動(dòng)液化。 2）在軟弱粘性土中，可用于提高地基承載力，加速固結(jié)沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。,3、土擠密樁樁法和灰土擠密樁法 土擠密樁法由原蘇聯(lián)阿別列夫教授于1934年首創(chuàng)，并在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。 我國(guó)自20世紀(jì)50年代中期開(kāi)始在西北黃土地區(qū)進(jìn)行土擠密樁法的研究和應(yīng)用。 60年代中期，西安地區(qū)在土擠密樁法的基礎(chǔ)上成功地應(yīng)用了灰土擠密樁法，并在70年代逐步推廣應(yīng)用。,灰土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，不適用于地下水位以下使用。當(dāng)?shù)鼗恋暮看笥?4、飽和度超過(guò)65時(shí)，成孔及撥管過(guò)程中，樁孔容易縮頸，樁孔周圍容易隆起，擠密效果差，此時(shí)不宜采用。灰土擠密樁法和土擠密樁法處理地基深度一般為515m。若用于處理5m以內(nèi)土層，其綜合效果不如強(qiáng)夯法、重錘夯實(shí)法以及換填墊層法。對(duì)大于15m的土層，若地下水位較深，近年來(lái)有采用螺旋鉆取土成孔，分層回填灰土，并強(qiáng)力夯實(shí)，使加固深度超過(guò)20m的黃土地基加固實(shí)例。,四、化學(xué)加固法 化學(xué)加固法指利用水泥漿液、粘土漿液或其它化學(xué)漿液，通過(guò)灌注壓入、高壓噴射或機(jī)械攪拌，使?jié){液與土顆粒膠結(jié)起來(lái)，以改善地基土的物理和力學(xué)性質(zhì)的地基處理方法。灌漿法創(chuàng)始于1802年，法國(guó)工程師采用了灌注粘土和石灰漿的方法修復(fù)了一座受沖刷的水閘。此后，灌漿法已成為地基土加固中的一種廣泛使用的方法。,1、灌漿法 （1）概念 灌漿法是指利用液壓、氣壓或電化學(xué)原理，通過(guò)注漿管把漿液體均勻地注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，使土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣排出，經(jīng)人工控制一定時(shí)間后，漿液將原來(lái)松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個(gè)整體形成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能高和化學(xué)性良好的結(jié)石體。,（2）灌漿的目的 1）增加地基土的不透水性。防止流砂、鋼板樁滲水、壩基漏水和隧道開(kāi)挖時(shí)涌水，及改善地下工程的開(kāi)挖條件； 2）防止邊坡護(hù)岸的沖刷； 3）整治坍方滑坡，處理路基病害； 4）提高地基土的承載力，減少地基的沉降和不均勻沉降； 5）進(jìn)行托換技術(shù)，對(duì)古建筑的地基加固更為常用。,（3）適用范圍,2、深層水泥攪拌法 （1）概念 水泥土攪拌法是利用水泥(或石灰)等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固體，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量的地基處理方法。,（2）水泥土攪拌法的優(yōu)點(diǎn) 水泥土攪拌法加固軟土技術(shù)，具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 1）水泥土攪拌法由于將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌?，因而最大限度地利用了原土?2）攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音和無(wú)污染，可在市區(qū)內(nèi)和密集建筑群中進(jìn)行施工； 3）攪拌時(shí)不會(huì)使地基側(cè)向擠出，所以對(duì)周圍原有建筑物及地下溝管影響很小；,（4）水泥土攪拌法形成的水泥土加固體，可作為豎向承載的復(fù)合地基、基坑工程圍護(hù)擋墻、基坑被動(dòng)區(qū)加固、防滲帷幕、大體積水泥穩(wěn)定土等，其設(shè)計(jì)靈活，可按不同地基土的性質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，合理選擇固化劑及其配方； （5）根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，可靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固形式； （6）與鋼筋混凝土樁基相比，可節(jié)約大量的鋼材，并降低造價(jià)。,（3）適用范圍 1）作為建筑物或構(gòu)筑物的地基、廠房?jī)?nèi)具有地面荷載的地坪、高填方路堤下基層等； 2）進(jìn)行大面積地基加固、防止碼頭岸壁的滑動(dòng)、深基坑開(kāi)挖時(shí)作支護(hù)和減少軟土中地下構(gòu)筑物的沉降； 3）作為地下防滲墻以阻止地下滲透水流、對(duì)樁側(cè)或板樁背后的軟土進(jìn)行加固。,3、高壓噴射注漿法,（1）特點(diǎn) 1）適用范圍較廣 2）施工簡(jiǎn)便 3）可控制固結(jié)體形狀。 4）可垂直、傾斜和水平噴射 5）耐久性較好； 6）料源廣闊； 7）設(shè)備簡(jiǎn)單,（2）高壓噴射注漿法的工程應(yīng)用范圍 1）增加地基強(qiáng)度 提高地基承載力，整治已有建筑物沉降和不均勻沉降的托換； 減少建筑物沉降，加固持力層或軟弱下臥層； 加強(qiáng)盾構(gòu)法和頂管法的后座，形成反力后座基礎(chǔ),2）擋土圍堰及地下工程建設(shè) 保護(hù)鄰近建、構(gòu)筑物； 保護(hù)地下工程建設(shè)； 防止基坑底部隆起。 3）增大土的摩擦力和黏聚力 防止小型坍方滑坡； 錨固基礎(chǔ)。,（4）減少振動(dòng)，防止液化 1）減少設(shè)備基礎(chǔ)振動(dòng)； 2）防止砂土地基液化。 （5）降低土的含水量 1）整治路基翻漿冒泥； 2）防止地基凍隆。,（6）防滲帷幕 1）河堤水池的防漏及壩基防塵； 2）帷幕井筒； 3）防止盾構(gòu)和地下管道漏水漏氣； 4）地下連續(xù)墻補(bǔ)缺； 5）防止涌砂冒水。,（3）對(duì)漿體的要求 1）有良好的可噴性 2）有足夠的穩(wěn)足陸 3）氣泡少 4）調(diào)節(jié)漿液的膠凝時(shí)間 5）有良好的力學(xué)性能 6）無(wú)毒、無(wú)臭 7）結(jié)石率高,