第五講地基處理2009年講稿1

第11講河海大學地基處理沈才華*2009年概述換填法預壓法強夯法復合地基概論特殊地基處理概述特殊性巖土

在巖土工程界，特殊性巖土主要包括黃土、凍土、膨脹性巖土、鹽漬土、軟土等。對于特殊性巖土的定名、工程性質評價，不同部門基于自身建設的需要，都不盡相同。

軟弱土：淤泥、淤泥質土和部分沖填土、雜填土以及其它高壓縮性土。@淤泥和淤泥質土：第四紀后期在冰海、湖泊、河（江）灘、三角洲、冰磧等地質環(huán)境下沉積而成，還有部分沖填土和雜填土。

@沖填土：在治理和疏通江河時，用挖泥船或泥漿泵把江河和港口底部的泥砂用水力沖填法所形成的沉積土，也稱吹填土。沖填土的成分比較復雜，多數(shù)屬于粘性土、粉土或粉砂。這種土的含水量高，常大于液限，其中粘粒臺量較多的沖填土，排水固結很慢，多屬于壓縮性高、強度低的欠固結土。軟土、軟弱土@雜填土：指人工活動所形成的無規(guī)則的堆積物，包含工業(yè)廢料、建筑垃圾和生活垃圾等。雜填土的成分復雜．分布無規(guī)律性，性質隨填七的期齡而變化；一般認為，堆填期齡在5年以上，性質才逐漸趨于穩(wěn)定。此外，雜填土常含省腐植質和水化物，持別是以生活垃圾為主的雜填土，腐植質含量更高。隨著有機質的腐化，地基的沉降量要加大且不均勻，因而同一場地的不同位置，其承載力與壓縮性往往會有較大的差別?！蚰嗵客粒褐竿林兄参镔|含量不少于50％的土，若植物質含量為10％一50％，則稱為泥炭質土。通常這類土形成于低洼的沼澤和灌木林帶，常處于飽和狀態(tài)，含水量可高達百分之幾百。

廣泛分布于東南沿海地區(qū)和內陸江河湖泊周圍;

由軟弱土組成的地基，稱之為軟弱土地基。

飽和的，含有機質的

天然含水量接近或超過液限

天然孔隙比超過1.0

壓縮性高、抗剪強度低

滲透性很小

具有結構性軟弱土基本性質當燒失量wn5%時，有機質土

當燒失量wn10%時，則稱之為泥炭質土

當燒失量wn60%時，則稱之為泥炭物理狀態(tài)可分為有機質含量可分為IL1.0，且1e1.5時，稱之為淤泥質土

IL1.0，且e1.5時，稱之為淤泥（1）

物理性質差(高含水量，大孔隙比）

基本物理特性差，含水量W高，W=35%80%；

孔隙比e大，e=1.02.0

土的成分粘土礦物、有機質含量高

土粒粒度成分粘粒組和粉粒組含量高

降低W、縮小e成為軟弱土地基加固的重要內容軟弱土一般具有如下的工程特性（2）

抗剪強度低軟弱土天然不排水抗剪強度cu=5kPa25kPa

正常固結軟弱土隨深度cu增加，一般每延米深度增長12kPa

外載作用下，軟弱土滲透固結，強度會顯著增長加速軟弱土層滲透固結速率，是改善軟弱土強度特征的有效途徑（3）

壓縮性較高正常固結軟弱土壓縮系數(shù)為a1-2=0.51.5MPa-1，最大a1-2=4.5MPa-1；壓縮指數(shù)Cc=0.350.75，且有Cc=0.0147w-0.213天然軟弱土層一般為正常固結土，有部分土層處于超固結狀態(tài)，而近代海相或河湖相沉積物，一般處于欠固結狀態(tài)控制沉降是地基加固重要內容之一，尤其柔性荷載下控沉技術（4）

滲透性很小

軟弱土滲透系數(shù)k=10-610-8cm/s，在外荷作用下滲透固結速率很慢一般軟弱土層滲透性具有明顯各向異性，水平向滲透系數(shù)往往高于垂直向的滲透系數(shù)，尤其是存在水平砂夾層。加速軟弱土層的固結速率，成為軟土加固的一個重要內容（5）

結構性明顯

@軟弱土一般為絮凝結構，尤以海相粘土更為明顯

結構性強，一旦結構受到擾動或破壞，強度明顯降低，甚至呈現(xiàn)流動狀態(tài)

@我國沿海軟弱土的靈敏度St=48，屬于高靈敏土。

@地基處理中或地基施工中，減小結構性土層擾動，直接影響施工效果

（6）

流變性顯著

@在外載作用下，土體主（滲透）固結完成后，在剪應力作用下，土體剪切應變緩慢發(fā)展

@流變的工程問題，既可導致強度衰減；又可產(chǎn)生可觀次固結沉降

@流變機理認識待完善，地基處理的對策目前是提高處置的等級@提高地基土強度，改善其變形特征和滲透性

@提高抗液化能力、消除濕陷、脹縮等其它病害地基處理目的——是改善地基土工程性質，滿足上部結構對地基穩(wěn)定和變形的要求。地基處理的方法——置換、夯實、擠密、排水、加筋、膠結和熱學等方法。物理處理

化學處理

熱學處理置換排水密實加筋

攪拌灌漿

熱加固凍結根據(jù)地基處理方法的基本原理，基本上可以分為如下表。地基處理的分類碎石樁具有置換、擠密、排水和加筋的多重功能

石灰樁則具有擠密、吸水和置換等功能地基處理方法具有多重處理加固功能例如:地基處理的主要方法、適用范圍和工作機理置換法換土墊層法一般采用開挖后回填的方法；對于厚度較小的淤泥質土層，亦可采用拋石擠淤法。地基表面性能良好的墊層，形成雙層地基。墊層可有效的擴散基底壓力，提高底基礎承載力。振沖置換法強夯置換法碎石樁法石灰樁法EPS輕填法各種淺層的軟弱土地基利用振沖器在高壓水的作用下邊振、邊沖，在地基中成孔，在孔內回填碎石料且振密成碎石樁。碎石樁柱體與樁間土形成復合地基，提高承載力，降低沉降采用強夯時，夯坑內回填碎石擠淤置換的方法，形成碎石墩柱體，以提高地基承載力和降低沉降采用沉管法或其他技術，在軟土中設置砂或碎石樁柱體，置換后形成復合地基，可提高地基承載力，降低地基沉降。同時，砂、石柱體在軟粘土中形成排水通道，加速固結在軟弱土中成孔后，填入生石灰或其他混合料，形成豎向石灰樁柱體，通過石灰的吸水膨脹、放熱以及離子交換作用改善樁柱體周圍土體的性質，形成石灰樁復合地基，以提高地基承載力，降低沉降發(fā)泡聚苯乙烯（EPS）重度只有土的1/501/100，并具有較高的強度和低壓縮性，用于填土料，可有效減少作用于地基的荷載，且根據(jù)需要用于地基的淺層置換cu20kPa的粘性土、松散粉土和人工填土、濕陷性黃土地基等適用于表層軟弱土層較薄的地基一般軟土地基填土、軟粘土地基軟弱地基上的填方工程地基處理的主要方法、適用范圍和工作機理排水固結加載預壓法在預壓荷載作用下，通過一定的預壓時間，天然地基被壓密、固結，地基的強度提高，壓縮性降低。在達到設計要求后，卸去預壓荷載，再建造上部結構，以保證地基承載力和變形的穩(wěn)定性。當天然土層的滲透性較低時，為了縮短滲透固結的時間，加速固結速率，可在地基中設置豎向排水通道，如砂井、排水板等。加載預壓的荷載，一般有利用建筑物自身荷載、堆載或真空預壓等超載預壓法軟粘土、粉土、雜填土、沖填土等基本原理與上述相同，但預壓荷載超過上部結構的荷載。一般在保證地基穩(wěn)定的前提下，超載預壓方法的效果更好，特別是對降低地基次固結沉降十分有效淤泥質飽和軟粘土地基處理的主要方法、適用范圍和工作機理振密擠密強夯法采用重量100400kN的夯錘，從高處自由落下，在強夯的沖擊力和振動力作用下，地基土密實，可以提高承載力，減少沉降振沖密實法擠密碎石樁法土、灰土樁法松散碎石土、砂土，低飽和度粉土和粘性土，濕陷性黃土、雜填土和素填土地基振沖器的強力振動，使得飽和砂層發(fā)生液化，砂粒重新排列，孔隙比降低；同時，利用振沖器的水平振沖力，回填料使得砂層擠密，達到提高地基承載力，降低沉降的目的施工方法與排水中的碎石樁相同，但是，沉管過程中的排土和振動作用，將樁柱體之間土體擠密，并形成碎石樁柱體復合地基，達到提高地基承載力和降低地基沉降的目的采用沉管等技術，在地基中成孔，回填土或灰土形成豎向加固體，施工過程中排土和振動作用，擠密土體，并形成復合地基，提高地基承載力，減小沉降粘粒含量少于10%的疏松砂性土地基松散砂性土、雜填土、非飽和粘性土地基、黃土地基地下水位以上的濕陷性黃土、雜填土、素填土地基地基處理的主要方法、適用范圍和工作機理加筋加筋土法主要有土釘和土錨法，土釘加固作用依賴于土釘與其周圍土間的相互作用；土錨則依賴于錨桿另一端的錨固作用，兩者主要功能是減少或承受水平向作用力錨固法淺層軟土地基處理、擋土墻結構在地基中設置樹根樁、低標號混凝土樁等豎相加固體，例如CFG樁、二灰混凝土樁等，形成復合地基，提高地基承載力，減少沉降各類軟土地基、尤其是較深厚的軟弱土地基豎向加固體復合地基法在土體中加入起抗拉作用的筋材，例如土工合成材料、金屬材料等，通過筋土間作用，達到減小或抵抗土壓力；調整基底接觸應力的目的?？捎糜谥踅Y構或淺層地基處理適用于邊坡加固，土錨技術應用中，必須有可以錨固的土層、巖層或構筑物地基處理的主要方法、適用范圍和工作機理化學加固法深層攪拌法利用深層攪拌機械，將固化劑（一般的無機固化劑為水泥、石灰、粉煤灰等）在原位與軟弱地基土攪拌成樁柱體，可以形成樁柱體復合地基、格柵狀或連續(xù)墻無機加固（水泥）土。作為復合地基，可以提高地基承載力和減少變形；作為支擋結構或防滲，可以用作基坑開挖時，重力式支擋結構，或深基坑的止水帷幕。水泥系深層攪拌法，一般有兩大類方法，即可噴漿攪拌法和噴粉攪拌法等灌漿注漿法一般適用于飽和軟粘土地基，對于有機質較高的泥炭質土或泥炭、含水量很高的淤泥質土，適用性宜通過試驗確定有滲入灌漿、劈裂灌漿、壓密灌漿以及高壓注漿等多種工法，漿液的種類較多。適用于各類軟土地基，和巖基加固，可用于建筑物糾偏等處理技術中托換技術對原有建筑物地基和基礎進行處理、加固或改建，或在原有建筑物基礎下修建地下工程或因臨近建造新工程而影響到原有建筑物的安全時，所采取的技術措施的總稱。噴粉樁施工振動沉管碎石樁強夯加固地基@各類地基處理方法有各自特點和工作機理

@不同方法加固效果不同，存在局限性

@根據(jù)工程地基條件；工程對地基要求；材料、施工機具和施工條件；經(jīng)濟性等，綜合、比選，確定一技術可靠、經(jīng)濟合理、施工可行的方案

@單一地基處理方案；多種方法組合處理技術地基處理方法選擇地基處理設計順序地基處理的目的及主要地基問題：(1)強度及穩(wěn)定性問題：當?shù)鼗目辜魪姸炔蛔阋灾С猩喜拷Y構的自重及外荷時，地基就會產(chǎn)生局部或整體剪切破壞。(2)壓縮及不均勻沉降問題。當?shù)鼗谏喜拷Y構及外荷作用下產(chǎn)生過大變形時，會影響結構物的正常使用，特別是超過建筑物允許變形值時，結構可能產(chǎn)生開裂破壞。(3)地基滲透問題．當?shù)鼗兴Ρ冉党^容許值肘，發(fā)生管涌，潛蝕等不良現(xiàn)象，造成建筑物的破壞。(4)動力荷載作用，地震、機器，車輛震動，波浪作用和爆破等動力荷載引起地基土的液化失穩(wěn)，震陷等危害。概述換填法預壓法強夯法復合地基概論

淺層軟弱土層厚度不是很大，可將基礎底面下處理范圍內的軟弱土挖除，然后換填工程特性良好的材料，分層壓實至設計密實度。

淺層軟弱土層主要指淤泥質土、松散填土、雜填土、濱填土以及沖填土地基。

換填法概念ReplacementMethod

低洼區(qū)域填筑、路基高填法，公路擋土墻、涵洞地基處理等。（工程實例）

砂、碎石、高爐干渣和粉煤灰等具備強度高、壓縮性低、穩(wěn)定性好和無侵蝕性等良好工程特性。主要為砂墊層、碎石墊層。

提高地基承載力、加速基礎底面排水和減小基礎沉降和差異沉降。應用材料作用（a）某閘基采用粘性土墊層(b）海工建筑物（碼頭）采用拋石擠淤形成墊層

換填法設計主要是墊層厚度t（3m）和寬度bm

各種材料墊層設計，近似按砂墊層計算方法進行設計

砂墊層墊層厚度t，要求達到足夠深度，以置換可能被剪切破壞的軟弱土層

墊層上、下平面尺寸，滿足應力擴散要求和砂墊層不發(fā)生水平擠出

砂墊層厚度的確定砂墊層設計原理式中：pz－墊層底面處的附加壓力（kPa）

pcz－墊層底面處的自重壓力（kPa）

fz－墊層底面處地基承載力（kPa）

墊層厚度t根據(jù)下臥土層承載力驗算確定設計驗算（6-1）

條形基礎：（6-2a）

矩形基礎：（6-2b）

式中b－矩形基礎或條形基礎底面的寬度（m）；

l－矩形基礎底面的長度（m）；

p－基礎底面接觸壓力（kPa）；

pc－基礎底面自重應力（kPa）；

θ－墊層材料壓力擴散角，缺乏資料可參照下表。

按均勻分布，條形基礎和矩形基礎下墊層底面處附加壓力pz的簡化計算計算方法墊層材料壓力擴散角θ/°

換填材料t/b砂、碎石灰土粉煤灰粘性土或粉土8<IP<140.252030226≥0.530302223注：①當t/b<0.25時，除灰土仍取θ=30°外，其它材料均取=0；

②當0.25<t/b<0.50時，砂石墊層的θ值可內插求得；

梯形分布計算，在公路規(guī)范中，墊層底面附加應力pz的分布沿擴散角呈現(xiàn)梯形分布，根據(jù)靜力平衡推出梯形分布pz最大值，此時擴散角=3545。對于條形基礎，墊層底面寬度bm，可按下式計算

上海市標準《地基處理技術規(guī)范》（DBJ08-40-94）中，

bm確定計算方法

對于矩形基礎，墊層底面長度lm確定與bm的確定相同。

墊層平面尺寸確定

砂墊層t確定后，墊層平面尺寸按基礎底面應力擴散要求或按當?shù)亟?jīng)驗確定。

墊層平面尺寸確定◎防止墊層水平擠出，整片墊層平面尺寸適當加寬

◎墊層頂面（基礎底面）每邊宜超出基礎邊緣不少于30cm

◎或從墊層底面兩側向上，按當?shù)鼗A開挖經(jīng)驗放坡

重要建筑或墊層下存在軟弱下臥層，墊層法應計算地基沉降S，包括墊層本身壓縮沉降Sm和墊層下地基土沉降Sg，即

Sm計算中，應力可取墊層頂面和底面壓力的平均值。一般砂墊層Es=1224MPa；粉煤灰則Es=820MPa。無論是地基還是墊層，其沉降計算均可傳統(tǒng)分層綜合法計算。沉降計算壓實標準墊層材料選擇和資料檢測概述換填法預壓法強夯法復合地基概論

對天然地基，或先在地基中設置豎向排水井，然后在預壓荷載（Preloading）作用下，加速飽和軟弱粘性土固結

預壓排水法（

PVDs

）PrefabricatedVerticalDrains

飽和的、滲透性低的、軟土埋藏較深的軟弱粘性土地基加固

加速滲透固結，縮短沉降周期，降低工后沉降，提高地基承載力

廣泛用于路基填筑工程，工業(yè)和民用建筑以及機場跑道工程適用性工作機理工程應用

預壓排水法系統(tǒng)組成

（a）排水系統(tǒng)（b）加壓系統(tǒng)分類豎向排水井平面布置和影響范圍

（a）梅花形布置（b）矩形布置等面積元原理，豎向排水井影響圓直徑de與排水井間距s關系如下：

等邊三角形布置

矩形布置

@普通砂井直徑

@徑井比，一般采用n=68

@袋裝砂井直徑，

徑井比n=1530。

@塑料排水板（PVDs）采用當量直徑的概念，徑井比一般為n=1530。

主要設計參數(shù)

PVDs當量直徑根據(jù)等排水面積原理計算，并乘以一折減系數(shù)=0.751.0。即：

最新研究表明，塑料排水板折角等對當量直徑有折減，但是更簡單、更適用的一種換算方法（Rixneretal，1986）

式中b，—分別為PVDs寬度和厚度。預壓排水法原理

預壓排水法加固地基原理可以采用elogp壓縮曲線和pf強度曲線說明。

初始地基自重應力狀態(tài)對應pa和土體初始孔隙比ea

預亞固結應力pb=pa+p，對應固結完成時應孔隙比降低到eb

實際結構荷載作用下，土體中相應固結應力為pd。預壓排水法原理與計算預壓法中，降低結構荷載產(chǎn)生地基沉降或工后沉降顯著

排水系統(tǒng)，加快固結，縮短強度增加和變形穩(wěn)定周期

作用預壓荷載作用下，地基土體固結應力增加至pb=pa+p，

當pbpd時，稱超載（surcharge）預壓

當pb

pd時，則稱為一般預壓

超載預壓時，地基土體應力水平處于超固結狀態(tài)

超載預壓加固效果更佳，尤其對于次固結變形（有機質含量較高）大的軟土地基，可以有效降低蠕變。預壓方法單元砂井固結度計算理論砂井（或塑料排水板）地基的固結度計算屬于3維問題。

在軸對稱條件下，可簡化為軸對稱2維的Redulic－Terzaghi固結理論

單元砂井固結度模型砂井地基工程剖面圖采用分離變數(shù)原理，將上式分解成

方程（1）采用Terzaghi解答，固結度計算公式：

其中，

方程（2）采用Barron(1948)等應變條件下的水平向固結度的計算公式：

（3b）

其中，

Carrillo（1942）根據(jù)前述分離變量原理，可以求出方程（1）解答：

飽和軟粘土層厚度2H=15m，其下臥砂層。砂井穿透該土層，進入下臥砂土層。砂井直徑dw=30cm，平面布置為等邊三角形，間距s=2.5m。

垂直向固結系數(shù)

水平向固結系數(shù)

求在均勻荷載下，預壓3個月后固結度。例題解：

1.豎向固結度Uz計算

雙面排水，垂直向最大滲徑H=750cm

取Terzaghi解答（2a）式中第一項，則有

2.徑向固結度Ur計算

因為砂井的平面布置為等邊三角形，所以

3.單元井平均固結度U計算

砂井預壓法處理該地基的平均固結度

可以看出，采用砂井后固結度提高了約70%，明顯加快了地基的排水固結。1.砂井未穿透軟弱土層

2.逐級加荷

3.

井阻與涂抹作用砂井固結理論實際應用中的修正圖6-6砂井未打穿軟弱粘性土層

砂井未穿透軟弱土層

砂井H1深度范圍內，根據(jù)單元井固結理論計算固結度U1，表達式（4）。

砂井深度H1下臥H2范圍內，假定砂井底面為一排水面，采用Terzaghi解答計算固結度U2，表達式（1a）

因此，整個土層的平均固結度U

（5）

式中－砂井打入深度H1與整個固結土層厚度的比值H比值，即；

U1、U2－分別為砂井范圍內土層（H1）固結度和砂井以下部分土層（H2）固結度。逐級加荷條件下的固結度計算

1.改進的Terzaghi法

分級等速加荷固結計算改進的Terzaghi法

對于分級加荷，改進太沙基法的基本假定

（1）分級荷載增量Pi引起固結過程單獨進行，與上一級荷載增量無關

（2）總固結度等于各級荷載增量作用下固結度的疊加

（3）等速加荷周期內，經(jīng)過時間t的固結度與t/2時刻施加相應瞬時荷載的固結度相同，即

計算采用固結時間為t=t/2

（4）等壓周期內，某一時刻t（t>Ti）的固結度，計算采用時間t為等壓時間（t-Ti）加上等速加載時間Ti/2，即

（5）計算的固結度尚應對總荷載比例進行修正。

以二級等速加荷為例，說明Terzaghi改進法應用于分級加荷固結計算的方法。

當0<t=t1<T1時，進入首次等速加載過程，對于本級荷載p1，有

當按總荷載計算固結度時，上式改寫成當時，進入首次等壓期

計算采用時間

修正后固結度為當時，進入二次等速加載周期

對p1，采用的固結計算時間為；

對，固結度計算時間則為

所以有當進入第二次等壓周期，則

對p1，固結計算時間

對p2

，固結時間

則，固結度計算為多級等速加荷可依次類推，并歸納如下式

（6）

式中Tn、Tn+1－分別為各級等速加荷的起

點和終點時間；

pn－為第i級荷載的增量。井阻與涂抹作用

地基中設置豎向排水系統(tǒng)透水性雖然大，而對滲流總有一定的阻力，稱為井阻（WellResistance）

在豎向排水系統(tǒng)施工中，井管插拔對井壁附近一定區(qū)域的土體具有涂抹作用，該作用降低了土體的徑向滲透系數(shù)，稱為施工涂抹作用（SmearEffect）。

近年來，斷面尺寸較小塑料排水板。井徑dw、井間距de減小，降低了地基徑向排水滲徑，提高了地基排水固結的速率。

考慮井阻和涂抹作用的非理想井固結理論具有了現(xiàn)實的意義，在Barron解的基礎上，Yashikmmi（1979）和Hansbo（1981）提出了可以考慮上述作用的非理想單元井固結理論。Hansbo考慮井阻和施工涂抹的固結度解答，以PVDs為例

(7)

其中

PVDs通水能力設計值qw根據(jù)Short-Term試驗得出，一般25~50升/s·m。美國ASTMD4716試驗（ASTM，1996），采用水頭梯度1.0，PVDs側面正應力200kPa，得

式中RFIN—反濾土工織物彈性應度，壓縮了芯板排水通道

的折減系數(shù)；

RFCR—PVDs的蠕變折減系數(shù)；

RFCC—反濾織物和芯板孔隙中化學物質沉淀產(chǎn)生化學

阻塞作用的折減系數(shù)；

RFBC—芯板排水通道或反濾織物孔隙上生物積聚阻塞

作用的折減系數(shù)；

RFK—由固結變形導致PVDs的糾結、皺折和應變的

折減系數(shù)。PVDs的使用時間較短，化學和生物的阻塞影響相對較小，一般可以忽略

考慮井阻、涂抹，亦可簡單乘以一個折減系數(shù)0.800.95

在附加荷載作用下，某一時間，土體中一點的抗剪強度S可用下式表示

（8）

式中－天然地基在加荷前的抗剪強度/kPa

－由于固結而增長的抗剪強度/kPa

－由于剪切應力水平提高和應變發(fā)展所引

起的土體強度衰減/kPa

地基強度的增長規(guī)律

針對

研究不夠深入，表達式（8）一般改寫成

(9)

式中－土體剪切應力等因素對強度影響

綜合性折減系數(shù)=0.750.90。

天然地基的強度可用十字板剪切試驗或無側限抗壓試驗確定。

十字板剪切試驗，軟土地基強度S0與深度z關系基本上是直線

式中c0

－地面處地基的初始強度（kPa）。

無側限抗壓試驗，確定地基初始抗壓強度時

式中qu－土體的無側限抗壓強度（kPa）。圖6-8地基初始強度與深度的關系強度增量估算