地基處理1課件

第二講

單位體積內(nèi)干土的質(zhì)量，亦即ρd=ms/V，干密度與土中水的含量無關(guān)，只取決于土的礦物成分與空隙度。如果土中的礦物成分固定，則干密度只取決于土的空隙度。因此可以說干密度愈大，土愈密實。第二章

換填法處理

第一節(jié)概述

一、換填法的概念

換填法又稱做置換法、墊層法。

將基礎(chǔ)下一定深度范圍內(nèi)的天然軟弱土層挖除，然后分層填入性能穩(wěn)定、強度和模量相對較高、無侵蝕性的墊層，并夯(振、壓、碾)實到所要求的干密度(密實度)

，形成一個較好的持力層，達到提高承載力和減少變形的目的一種地基處理方法。［什么是干密度？］軟土層墊層三、換填處理的主要作用及適用范圍1、提高地基的承載力

(一)主要作用較弱天然地基土被人工處理墊層取代之后，其地基的抗剪切強度顯著提高，承載力顯著增大。墊層還將建筑物的基底壓力分散到墊層之下面積更大范圍的下臥的軟土層之中，大大減少了下臥軟土層所受的應(yīng)力，并使其降低到允許的承載力范圍之內(nèi)

基底壓力結(jié)構(gòu)荷載(1)

變形模量值高、壓縮性低的墊層可以減少原有軟土墊層的這部分沉降量(淺層軟土在總沉降量中占很大比例，其模量一般僅在1～1.5(最大4.5)Kpa，而墊層之模量值可達30Kpa；

(2)

墊層下臥的軟土層所受應(yīng)力的大大下降，故其沉降量也相應(yīng)減少。

2、減少基礎(chǔ)的沉降量：

在上部荷載作用下，軟弱地基中的水被迫繞基礎(chǔ)兩側(cè)排出，因而使基底下面的軟土不易固結(jié)，形成較大的孔隙壓力，可能導(dǎo)致地基強度降低而破壞。3、加速軟土層的排水固結(jié)進程：不透水基礎(chǔ)與軟弱土層接觸時存在的問題：

而當(dāng)使用透水性好的砂，碎石類材料做墊層時，上面的墊層可以形成良好的排水面，大大促進基礎(chǔ)下面軟土中孔隙水的排水速度，加速墊層下面軟土層的固結(jié)進程，提高地基強度。三、換填處理的主要作用及適用范圍(二)適用范圍

換填法主要適用于對淺層地基的處理，一般深度不超過3m，且不小于0.5m，而在濕陷性黃土區(qū)或土質(zhì)較好的場地，當(dāng)坑壁可直立或邊坡穩(wěn)定時，處理深度可放寬到5m。各類墊層的工程適用范圍及條件

換填處理的地基土對象：應(yīng)用范圍廣

包括淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、膨脹土、素填土、雜填土、季節(jié)性凍土，以及暗溝、暗塘、洞、墓穴等的淺層地基土。四、換填處理施工方法

將回填材料由開挖基坑中自深到淺分層填入壓實到所要求的干密度，具體施工方法有：機械碾壓法、平板振動壓實法、重錘夯實法。

(Vs、Vw、Va分別是土粒體積，土中水體積和空氣體積)

一、壓實機理（密度與g之乘積）

相對密實度:Dr定義1(理論表達式)定義2(實用表達式)emax無粘性土處于最松狀態(tài)時的孔隙比，可由其最小干密度換算

emin無粘性土處于最密狀態(tài)時的孔隙比，可由其最大干密度換算e0無粘性土的天然孔隙比或填筑孔隙比ρdmax無粘性土的最大干密度ρdmin無粘性土的最小干密度

ρd無粘性土的天然干密度或填筑干密度(c)

而當(dāng)含水量繼續(xù)增加時(并達到一定程度后)，孔隙中水量增加，尤其是飽和度達到85～90%后，孔隙中氣體被水包圍，并以微小的封閉氣泡形成出現(xiàn)，并由表面張力而固定，此時，外力的增加反而更加難以擠出這些氣體，因而壓實效果越來越差；

(d)

再繼續(xù)增加含水量時，外力的作用下，僅僅使孔隙水壓增加并阻止土粒的移動，因而土體反而得不到壓實，干實度下降(這也是形成單峰曲線的原因)。圖2-1砂土和粘土的壓實曲線

2、砂類土

對于砂類土而言：粒間水的存在主要起到減小粒間摩阻力的潤滑作用。

(a)

在含水量遞增初期，隨w的增加，粒間摩阻力減少，土粒易于移動，則隨外界壓實作用的加強，土體被壓實，干密度rd增加；

圖2-1由于砂土不存在粒間引力與結(jié)合水膜，因此，較粘土而言，砂土在含水量w較小的情形下，rd就已出現(xiàn)了最大值。

(b)但是，當(dāng)含水量達到某一值之后，水的減摩阻作用不再明顯，而是像粘土一樣，因粒間的存在阻止了顆粒的進一步擠密，并有可能在外力作用下(如振動)使砂粒處于懸浮狀態(tài)，因而干密度下降。圖2-1砂土和粘土的壓實曲線

二、外界壓實能量與rdmax、wop關(guān)系

當(dāng)外界壓(振)實能量改變時，rdmax~wop

關(guān)系曲線基本形態(tài)不變，但是rdmax的位置會發(fā)生改變，能量大，rdmax也增加，相應(yīng)的wop反而減少。為什么？

這是因為：能量增加后，即使在較小含水量的條件下，也能使土顆粒發(fā)生相對移而使土體密實度增加，因壓(振)實能量的改變而產(chǎn)生的不同壓實曲線見圖2-2圖2-2壓實功能對壓實曲線的影響

錘擊數(shù)三、壓實參數(shù)的確定

壓實參數(shù)首先通過室內(nèi)的擊實試驗初步確定后，再據(jù)工程實際修正室內(nèi)試驗參數(shù)，進而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。具體步驟如下：1室內(nèi)擊實試驗操作步聚

①樣料制備：樣品風(fēng)干或在低于600C的溫度下烘干并碾散，過5mm樣篩拌勻備用；②估計所需加水量或最優(yōu)含量：測定土樣風(fēng)干含水量，按土的塑限(IP)估計最優(yōu)含水量，依次相差約2%，其中有兩個大于和兩個小于最優(yōu)含水量，計算所需的加水量；

③樣土制備：按預(yù)定含水量制備試樣。稱取土樣(每個2.5kg)、噴水浸潤（時間12小時～一晝夜）、靜置、裝袋、封存?zhèn)溆?；④樣品制備：裝桶擊實。將制備的試樣裝入專門擊桶(600～800g)，用專用錘(重2.5kg錘底直徑5cm)擊實，落距46cm自由落擊，每層20擊(對粉、粘土為30擊)，重復(fù)填、擊第二、三層，擊實完成后的余土高度不得高于擊實桶之頂面10cm；⑤水量測定：取出擊實試樣(不擾動)并從中心取2個15～30g的擊實土，測定其含水量；⑥不同預(yù)制樣擊實試驗：按④、⑤重復(fù)進行其它不同預(yù)制含水量試樣的擊實試驗；⑦計算與繪圖：計算上述5個不同含水量(w)試樣的5個相應(yīng)干密度rd，并繪制出rd-w關(guān)系曲線，并獲得rdmax、wop(圖2-1)。此外，在室內(nèi)還可以根據(jù)不同的錘擊數(shù)(即不同的壓實能量)得到數(shù)條rd-w

關(guān)系數(shù)線(圖2-2)。擊實試驗輕型：粒徑小于5毫米重型：粒徑小于40毫米25cm下，分三層擊實56cm下，分5層擊實擊實儀手柄導(dǎo)桶擊錘擊實桶導(dǎo)桿土樣底板擊實儀結(jié)構(gòu)示意圖

對現(xiàn)場的壓實，通常以壓實系數(shù)lc(土的控制干密度rd與rdmax之比)與施工含水量(最優(yōu)含水量wop±2%)來進行檢驗。不同結(jié)構(gòu)對土體密實度的要求見表2-1圖2-3工地與室內(nèi)擊實試驗比較碾壓6(a),12(b),24(c)遍;d-室內(nèi)擊實試驗

表2-1不同結(jié)構(gòu)對土體密實度的要求

第二章?lián)Q填法處理

第三節(jié)施工方法與砂(碎)石墊層設(shè)計一、施工方法

對軟土地基，雖然不同材料的墊層其應(yīng)力分布稍有不同，但從試驗結(jié)果分析，其極限承載力都比較接近。此外，通過沉降觀測資料發(fā)現(xiàn)，不同材料墊層的特點基本相似。

因此，各種材料的墊層設(shè)計計算方法相同，并按砂(砂石、碎石)墊層的計算方法進行。

對于特殊土地基，所考慮解決問題的關(guān)鍵不同，故在設(shè)計上有所差異。

1、機械碾壓法常用機械：平碾、羊足碾、壓路機等（注意適用條件）適用條件：大面積填土和雜填土等土方量較大的工程。試驗與施工：為了將室內(nèi)實驗結(jié)果用于設(shè)計與施工，必須研究室內(nèi)擊實實驗與現(xiàn)場碾壓的關(guān)系。所有施工參數(shù)(包括施工機械、鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)、填筑含水量等)，要注意現(xiàn)場對壓實系數(shù)λc與最優(yōu)含水量wop的控制。施工質(zhì)量控制：a:土的含水量應(yīng)為最優(yōu)含水量wop；b:土的分層厚度300mm左右；c:檢測壓實系數(shù)λc與rdmax

（由設(shè)計確定）。一、施工方法一、施工方法2、振動壓實法常用機械：振動壓實機適用條件：雜填土、爐渣、細(xì)砂、碎石土等透水性較好的地基土。壓實效果：壓實效果與填土成分、振動時間等因素有關(guān)，因此施工前需要作試振，得出下沉量與時間的關(guān)系曲線。其關(guān)系曲線當(dāng)然與所用振動機械振幅、頻率、重量、振動力有關(guān)。注意：不宜用于地下水位高的地基處理，否則要先采用排水措施降水，并注意邊坡穩(wěn)定，防止塌土混入砂石墊層中。一、施工方法3、重錘夯實法

常用機械：由起重機將重錘提至一定高度后自由落下，重復(fù)夯擊使土密實。施工要求：錘重15~30kN，落距2.5~4.5m，夯打8~12遍，影響深度1.2m左右。二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

墊層設(shè)計的基本要求有兩個：

1）既要有足夠的厚度以置換可能受到剪切破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止墊層向兩則擠出而增大墊層的豎向變形量。0墊層設(shè)計的基本要求

因此墊層設(shè)計的主要內(nèi)容是確定墊層合理的厚度和寬度；2）在設(shè)計墊層厚度和寬度時，還應(yīng)當(dāng)使墊層下臥土層頂面的壓力滿足不大于下臥層承載力的要求。

1墊層厚度的確定

圖中D為基礎(chǔ)深度，墊層厚度z的確定依據(jù)是墊層底部軟弱土層的承載力。因此，作用于墊層底面處土的自重應(yīng)力pcz和相應(yīng)的載荷效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時的墊層底面處的附加壓力pz之和應(yīng)當(dāng)不大于墊層底面處經(jīng)過修正后的地基承載力特征值（亦即下臥層的允許承載力）faz，即

:pz+pcz≤faz

(2-1)

二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

(單位均為kPa)

其中的附加應(yīng)力Pz

可利用彈性理論的土中應(yīng)力公式求得，也可以按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002中的擴散角法簡化計算：圖3-1墊層剖面示意圖1、砂墊層；2、回填土；3、基礎(chǔ)

Pz

Pcz自重應(yīng)力pcz附加壓力pz

式中:

b：矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的寬度(m)；l：矩形基礎(chǔ)底面的長度(m)；pk：相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值(kPa)；pc：基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值(kPa)；

z

：基礎(chǔ)底面下墊層的厚度(m)；q：墊層的壓力擴散角(°)，宜通過試驗確定，當(dāng)無試驗資料時，可按表2-2采用。

附加壓力pz的計算表2-2壓力擴散角(o)

說明：(1)、當(dāng)z／b<0.25，除灰土仍取=280外，其余材料取=00，必要時，宜由試驗確定；(2)、0.25<Z/b<0.5時，可用內(nèi)插法求得。

墊層厚度一般在1～3m之間，不宜小于0.5m，也不宜大于3m。太大時存在造價高、施工困難問題；太小時作用不顯著。

具體計算時，可以先估定一個墊層厚度，然后按式(2-1)進行驗算，若不合要求，再重新給定一個厚度再行驗算，直到滿足為止。2墊層寬度的確定二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

墊層寬度確定時主要應(yīng)滿足兩個條件：1）滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴散(范圍)的要求；

2）考慮墊層兩側(cè)面土的允許承載力，以防止墊層向兩側(cè)擠入軟弱土層中，導(dǎo)致沉降增大或失效。（1）按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2002推薦的應(yīng)力擴撒角法，即

具體操作中，寬度的確定有兩種方法：

式中b′——墊層底面寬度(m)；b：矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的寬度(m)；z——處理土層厚度；

θ——壓力擴散角，可按表2.2采用；當(dāng)墊層厚寬比＜0.25時，仍按表中z/b＝0.25取值。整片墊層底面的寬度可根據(jù)施工的要求適當(dāng)加寬。(2)

按墊層側(cè)面土的地基承載力f側(cè)設(shè)計值確定b′：

當(dāng)f側(cè)>200kPa時，b′≥b+(0～0.35)z

當(dāng)200<f側(cè)<120kPa時，b′≥b+(0.6～1.0)z

當(dāng)f側(cè)<120kPa時，b′≥b+(1.6～2.0)z

墊層底面寬度b′確定之后，墊層頂面寬度可從墊層底面兩側(cè)向上，按基坑開挖期間保持邊坡穩(wěn)定的當(dāng)?shù)亟?jīng)驗放坡確定。墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊不宜小于30cm。

3墊層承載力的確定二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

地基承載力：指地基承受建筑物荷載的能力。

決定墊層的承載力的主要因素：取決于填筑材料性質(zhì)，施工機具能量大小以及施工質(zhì)量優(yōu)劣等因素。一般通過現(xiàn)場試驗確定。

墊層的承載力的確定：

宜通過現(xiàn)場載荷試驗、標(biāo)貫試驗等方法確定，并應(yīng)進行下臥層承載力的驗算。表2-3是各類墊層承載力參考值，只是對無試驗資料時的一種針對一般工程的辦法。

地基在基礎(chǔ)荷載作用下，如發(fā)生整體剪切破壞而喪失其穩(wěn)定性，建筑物有傾斜、倒塌等危險，因此，地基設(shè)計中應(yīng)驗算地基的承載力，看其是否超出其容許承載力。表2-3各類墊層承載力參考值平板載荷試驗確定地基承載力由試驗結(jié)果可繪制p～s關(guān)系曲線，并推斷出地基的極限荷載與承載力特征值(臨塑壓力pcr,極限承載力pu)。

承載力特征值由載荷試驗p～s關(guān)系曲線確定（四種情況）：荷載試驗p～s曲線

0spcrpuabcs1p1.p～s曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值；2.極限荷載小于對應(yīng)比例界限荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半；3.當(dāng)不能按上述要求確定時，當(dāng)壓板面積為0.25～0.50m2，可取沉降量與基礎(chǔ)寬度之比(s/b)=0.01～0.015所對應(yīng)的荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。4．當(dāng)試驗實測值的極差不超過其平均值的30%時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak(同一土層實驗不應(yīng)少于三點)。原位荷載試驗裝置荷載試坑支墩次梁主梁承壓板千斤頂百分表基準(zhǔn)梁

貫入阻抗用貫入器貫入土中30cm的錘擊數(shù)N63.5表示,N63.5也稱為標(biāo)貫擊數(shù)。右圖：1-穿心錘;2-錘墊;3-觸探桿;4-錘頭.修正后得標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N查表得：承載力標(biāo)準(zhǔn)值:標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗?

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)是動力觸探的一種，它利用一定的錘擊動能（錘重63.5kg，落距76cm）,將一定規(guī)格的對開管式的貫入器打入鉆孔孔底的土中，根據(jù)打入土中的貫阻抗，判別土層的工程性質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗確定墊層承載力4沉降計算二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

墊層斷面確定之后，對于重要建筑物或墊層下面尚存在較弱下臥層的建筑物，還應(yīng)進行地基的沉降變形計算。

在進行地基沉降變形計算時應(yīng)考慮鄰近基礎(chǔ)對軟弱下臥層頂面應(yīng)力疊加的影響。當(dāng)超出原地面標(biāo)高的墊層或換填材料的重度高于天然土層重度時，宜及早換填，并應(yīng)考慮其附加的荷載對建筑及鄰近建筑的影響。

墊層地基的變形由墊層變形和下臥層變形組成(兩種情況)。

1）換填墊層在滿足墊層厚度與寬度條件下[現(xiàn)行規(guī)范（JGJ79-2002）第4.2.1條、第4.2.2條]，和表2-4[規(guī)范第4.2.6條]的條件下，墊層地基的變形可僅考慮其下臥層的變形。施工方法換填材料類別壓實系數(shù)λc碾壓、振密或夯實碎石、卵石0.94～0.97砂夾石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）土夾石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）碾壓、振密或夯實中砂、粗砂、礫砂、角礫、圓礫、石屑0.94～0.97粉質(zhì)粘土灰土0.95粉煤灰0.90～0.952-4各種墊層的壓實標(biāo)準(zhǔn)

2）對沉降要求嚴(yán)的或墊層厚的建筑，應(yīng)計算墊層自身的變形。墊層下臥層的變形量可按現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007的有關(guān)規(guī)定計算。表2-5是現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)制定的建筑物的地基變形允許值。表2-5建筑物的地基變形允許值

計算地基變形時地基內(nèi)的應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論。其最終變形量的計算公式：表2-6沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ys（建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范之表5-3-5）

為變形計算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值。應(yīng)按右式計算:

式中Ai—第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值；地基變形計算深度zn（右5.3.5）應(yīng)符合右式要求:式中:在計算深度范圍內(nèi)第i層土的計算變形值,在由計算深度向上取厚度為z的土層計算變形值Dz（見圖）并按表2-6確定。5材料要求二、砂(砂石、碎石)墊層設(shè)計

就砂墊層材料而言，注意四個方面：

宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑，且粒徑小于2mm的部分不應(yīng)超過墊層材料總重的45%；

應(yīng)級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質(zhì)；

當(dāng)使用粉細(xì)砂或石粉（粒徑