水利工程地基處理墊層

1、合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院 趙 靜,地基處理Ground Treatment,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,又稱換填法，是淺層處理方法 一、墊層處理概念： 當(dāng)軟弱（缺陷）土地基的承載力和變形滿足不了設(shè)計要求，而軟弱（缺陷）土層的厚度又不是很大時，將基礎(chǔ)底面下處理范圍內(nèi)的軟弱（缺陷）土層部分或全部挖去，然后換填密度大、壓縮性低、強(qiáng)度高、水穩(wěn)性好的天然或人工材料,并分層夯 (振、壓)實(shí)至要求的密實(shí)度,達(dá)到改善地基應(yīng)力分布、提高地基穩(wěn)定性和減少地基沉降的目的，這種地基處理方法稱為墊層處理,也叫換填法。,第二章 墊層處理Replacement Method,二、處理對象：,第一節(jié) 墊層的作用及適

2、用范圍,淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性土、膨脹土、凍脹土、雜填土地基,三、墊層材料：,砂礫土、碎（卵）石土、灰土、素土（壤土）、中砂、粗砂、礦渣等,四、分類： 按回填不同材料形成的墊層(Cushion)進(jìn)行分類，如砂墊層、砂石墊層、碎石墊層、素土墊層、灰土墊層、礦渣墊層、粉煤灰墊層等。 五、換填法加固機(jī)理： 換填法的加固原理是據(jù)土中附加應(yīng)力分布規(guī)律，讓墊層承受上部較大的應(yīng)力，軟弱層承擔(dān)較小的應(yīng)力，以滿足設(shè)計對地基的要求。,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,六、墊層的作用： 1、提高持力層的承載力 通過擴(kuò)散作用使傳到墊層下軟弱層的應(yīng)力減小。 2、減少沉降量 一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例是比

3、較大的。如條形基礎(chǔ)，在相當(dāng)于基礎(chǔ)寬度深度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降的50%左右，如以密實(shí)砂代替軟弱土層，就可減少這部分沉降。由于砂墊層或其它墊屋對應(yīng)力的擴(kuò)散作用，使作用在下臥層土的壓力較小，這樣也會相應(yīng)減少下臥層土的沉降量。,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,六、墊層的作用： 3、加速較弱土層的排水固結(jié) 不透水基礎(chǔ)直接與軟弱上層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫繞基礎(chǔ)兩側(cè)排出，因而使基底下的軟弱土不易固結(jié)，形成較大的孔隙水壓力，還可能導(dǎo)致由于地基強(qiáng)度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險，砂墊層和砂石墊層等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊

4、層下軟弱土層的固結(jié)和提高其強(qiáng)度。,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,六、墊層的作用： 4、防止凍脹 因?yàn)榇诸w粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中的冰所造成的凍脹，墊層應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度的要求。 5、消除膨脹土的脹縮作用,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,七、換填法適用范圍： 規(guī)范表述：適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。 課本表述：適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗溝、暗塘等的淺層處理。 分類及適用范圍見表2-1。,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,表2-1換土的適用范圍,八、討論： 1、大面積填土設(shè)計按照建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）

5、設(shè)計 2、處理深度3m左右，不小于0.5m 3、不同墊層可按照砂墊層設(shè)計 4、換填法的“壓實(shí)”與“固結(jié)”的不同 本節(jié)完,第一節(jié) 墊層的作用及適用范圍,1、查明地層土性及不良地質(zhì) 2、查明處理場地的地形、地質(zhì)構(gòu)造及物理力學(xué)性質(zhì) 3、查明地下水情況 4、查明地下管線、障礙物等 5、查明換填土料的來源、種類、規(guī)格、價格等 根據(jù)工程地質(zhì)、建筑要求、材料來源等進(jìn)行綜合比較，提出合理的換填方案，尤其需提供換填土料的最優(yōu)含水量、最大干密度、壓實(shí)系數(shù)、施工機(jī)械、碾壓要求、監(jiān)理標(biāo)準(zhǔn)等施工參數(shù)。 本節(jié)完,第二節(jié) 勘察和調(diào)查,一、土的壓實(shí)機(jī)理(Compaction Mechanics)： 1、含水量小時 2、含水量

6、增大時，最優(yōu)含水量 3、含水量繼續(xù)增大,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,wop,C,A,B,二、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)(Compaction Test)： 墊層施工質(zhì)量檢驗(yàn)控制需要得到最大干密度，可通過擊實(shí)試驗(yàn)得到。 (一)、擊實(shí)試驗(yàn) 1、土料風(fēng)(烘)干、攪拌均勻 2、測土料含水量，按塑限估計最優(yōu)含水量，依次相差2%計算每份土料需水量 3、制備預(yù)定含水量的試樣,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,二、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)(Compaction Test)：,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,(一)、擊實(shí)試驗(yàn) 4、按標(biāo)準(zhǔn)方法擊實(shí)土樣修整土樣推出土樣 5、從擊實(shí)后的土樣中取出土測含水量、干密度 6、繪出擊實(shí)曲線 7、求出最大干密度和最優(yōu)含水量,二、室

7、內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)(Compaction Test)： (二)、壓實(shí)功能與最大干密度、最優(yōu)含水量關(guān)系 壓實(shí)功能增大更易克服粒間吸引力，故干密度更大,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,二、室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)(Compaction Test)：,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,(三)、土性與最大干密度、最優(yōu)含水量關(guān)系 粘粒越多顆粒間引力越大，相同壓實(shí)功能下，只有較大含水量下才能達(dá)到更大干密度。,三、現(xiàn)場壓實(shí)控制： (一)、擊實(shí)試驗(yàn)與現(xiàn)場壓實(shí)的差別 1、有無側(cè)向約束 2、土料顆粒級配等差別,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,三、現(xiàn)場壓實(shí)控制： (二)、現(xiàn)場控制參數(shù) 1、壓實(shí)系數(shù)：即壓實(shí)度，c= d/dmax 2、施工含水量：最優(yōu)含水量/2% 3、

8、碾壓遍數(shù)：達(dá)到設(shè)計的壓實(shí)度時的碾壓遍數(shù) 本節(jié)完,第三節(jié) 土的壓實(shí)機(jī)理,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： 對砂墊層的設(shè)計，既要求有足夠的厚度以置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要求有足夠的寬度以防止砂墊層向兩側(cè)擠出。 設(shè)計時需要確定墊層的厚度、寬度、承載力和沉降量。,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 1、基本要求： 滿足承載力和變形要求 2、計算公式： 當(dāng)下臥土層的承載力確定時，應(yīng)滿足下式(2-1): pz-墊層底面處的附加壓力值 pcz墊層底面處土的自重壓力 faz經(jīng)深度修正后墊層底面處軟

9、弱下臥層的地基承載力,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,Pz,Pcz,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (1)求pz： a. 墊層底面處的附加壓力值pz 可按壓力擴(kuò)散角法進(jìn)行簡化計算:,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,條形基礎(chǔ)(2-2),矩形基礎(chǔ)(2-3),其中：b、l 矩形基礎(chǔ)地面的寬和長,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (1)求pz： b. pk為基礎(chǔ)底面的平均壓力， 為上部結(jié)構(gòu)荷載(地表面以上) 和基礎(chǔ)底面以上基礎(chǔ)及土的自重：,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,

10、d- 為基礎(chǔ)埋深,G,G-為基礎(chǔ)及基礎(chǔ)上土的平均有效容重(即：有地下水應(yīng)扣浮力),一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (1)求pz： c. pc為基礎(chǔ)底面處原地基土 的自重壓力(若有地下水則水 下用浮容重)：,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,-為地下水以上原地基土濕容重,-為地下水以下原地基土浮容重,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (1)求pz： d. 可以看出，式(2-2)(2-3) 中的pk -pc的實(shí)際上為考慮了 土回彈后的基底凈壓力。 pz 為凈壓力擴(kuò)散

11、后在墊層底面形成的附加應(yīng)力,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (1)求pz： e. 墊層的壓力擴(kuò)散角取值,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,b,回填土,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、計算公式： (2)求pcz： 墊層底面處土的自重壓力值： 按原地基處土的自重壓力計算， 地下水位以下采用浮容重。,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (一)、砂墊層厚度的確定 2、

12、計算公式： (3)求faz： 地基承載力的修正見建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007-2002,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (二)、砂墊層寬度的確定 1、墊層底面的寬度應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求，可按下式確定： 2、 取值： 當(dāng)z/b0.25時，仍按表中 z/b0.25取值。 3、整片墊層底面的寬度可根據(jù)施工的要求適當(dāng)加寬。 4、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(yàn)放坡確定。墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊不宜小于300mm。,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion

13、)設(shè)計： (三)、砂墊層承載力的確定 1、墊層的承載力決定于填筑料的性質(zhì)、施工機(jī)具能量大小及施工質(zhì)量的優(yōu)劣等，宜通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。 2、墊層的承載力尚必須對軟弱下臥層的承載力驗(yàn)算后再確定。 3、墊層的承載力也可通過取土分析、標(biāo)貫實(shí)驗(yàn)、動力觸探等實(shí)驗(yàn)資料綜合分析確定。 4、無試驗(yàn)資料時可參見表24。,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、砂(砂石、碎石)墊層(Sand Cushion)設(shè)計： (四)、沉降計算 1、原則： 建筑物基礎(chǔ)沉降總量S=墊層變形Sc+下臥土層變形Sp 2、墊層： 粗顆粒墊層一般可忽略變形，需計算時方法：,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,Es-墊層壓縮模量,3、下臥土層： 土力學(xué)

14、分層總和法，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007-2002,二、砂(砂石、碎石)墊層施工： (一)、砂(砂石、碎石)料 要求級配良好，質(zhì)地堅硬，有機(jī)質(zhì)、泥等的限制 (二)、施工參數(shù) 最大干密度、最優(yōu)含水量、壓實(shí)系數(shù)c、現(xiàn)場碾壓干密度,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,二、砂(砂石、碎石)墊層施工： (三)、施工要點(diǎn) 1、施工方法： 按密實(shí)方法分類，施工機(jī)械包括：機(jī)械碾壓法和平板振動法。 (1)機(jī)械碾壓法： 常用于基坑面積大、開挖土方量大的工程。 平碾、羊角碾、振動碾,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,振動壓路機(jī),18T自行式振動壓路機(jī),18T拖式振動5邊凸塊壓路機(jī),振動平胎碾礫石,羊足碾粘性土或粉土,二

15、、砂(砂石、碎石)墊層施工： (三)、施工要點(diǎn) 1、施工方法： (2)平板振動法： 用來處理無粘性土或粘粒含量少、透水性較好松散雜填土等地基。,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,二、砂(砂石、碎石)墊層施工： (三)、施工要點(diǎn) 2、砂石料宜采用振動碾壓密實(shí) 3、墊層底部存在軟硬不均部位時，應(yīng)先清理、再砂石回填密實(shí)，合格后再進(jìn)行上層施工。 4、嚴(yán)禁擾動下臥軟土 5、墊層底部盡量在同一標(biāo)高，若不同應(yīng)合理連接 6、墊層應(yīng)分層鋪筑、碾壓，參數(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)定 7、填筑材料應(yīng)拌和均勻 8、注意排水、降水、邊坡穩(wěn)定,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,三、砂(砂石、碎石)墊層質(zhì)量檢驗(yàn)： 檢驗(yàn)方法：環(huán)刀法、貫入測定法 1、

16、環(huán)刀法：測定干密度 2、貫入法：鋼筋貫入深度 3、檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量：參考規(guī)范 4、竣工質(zhì)量驗(yàn)收：載荷試驗(yàn)、標(biāo)貫、觸探等。 本節(jié)完,第四節(jié) 砂(砂石、碎石)墊層,一、粉煤灰墊層(Flyash Cushion)適用范圍： 適用于廠房、機(jī)場、港區(qū)陸域和堆場等工程大面積填筑。（廢料資源化） 按粉煤灰排放系統(tǒng)不同可分為干排灰、濕排灰、調(diào)濕灰；按含鈣量不同可分為高鈣灰、低鈣灰。我國大多為水排低鈣灰。 按照土工規(guī)范粉煤灰屬于：砂質(zhì)粉土,第五節(jié) 粉煤灰墊層,二、粉煤灰的工程特性及其對環(huán)境影響： (一)自重輕： 輕型擊實(shí)后干密度0.921.35t/m3 (二)擊實(shí)性能好： 擊實(shí)曲線峰值段比天然土具有相對較寬的最優(yōu)含水

17、量區(qū)間。4%，施工質(zhì)量易保證。 (三)抗剪強(qiáng)度： 固結(jié)不排水剪：c=530kPa，=23300。,第五節(jié) 粉煤灰墊層,二、粉煤灰的工程特性及其對環(huán)境影響： (四)壓縮性： 壓實(shí)系數(shù)為0.90.95時，Es=820MPa，為低壓縮性 (五)承載力： 壓實(shí)系數(shù)為0.90.95時的浸水墊層，承載力特征值可采用120150kPa。 (六)滲透性： 顆粒類似砂質(zhì)粉土，滲透系數(shù)10-310-5cm/s。隨著時間增加，因?yàn)榛鹕交曳磻?yīng)使得墊層強(qiáng)度增加、滲透系數(shù)減小，后期形成一個相對隔水層。,第五節(jié) 粉煤灰墊層,二、粉煤灰的工程特性及其對環(huán)境影響： (七)抗液化性： 因火山灰反應(yīng)，強(qiáng)度增長，顆粒形成具有膠凝能力

18、的化合物，實(shí)驗(yàn)證明不會發(fā)生液化。 (八)對環(huán)境的影響： 粉煤灰中微量有害元素會對環(huán)境造成一定程度的影響，建設(shè)時需充分論證，并采取相應(yīng)的工程措施。,第五節(jié) 粉煤灰墊層,三、粉煤灰墊層的設(shè)計和施工： 1、設(shè)計方法同砂石墊層。 2、施工時分層壓實(shí)。 3、運(yùn)輸需含水量1525%。 4、施工壓實(shí)參數(shù)可依據(jù)輕型擊實(shí)實(shí)驗(yàn)得到。 5、填筑應(yīng)分層鋪筑與碾壓，設(shè)置排水、泄水溝。 6、虛鋪厚度和碾壓遍數(shù)需實(shí)驗(yàn)確定。 7、鋪設(shè)方式：人工和機(jī)鋪。,第五節(jié) 粉煤灰墊層,三、粉煤灰墊層的設(shè)計和施工： 8、當(dāng)天鋪筑、當(dāng)天碾壓。 9、控制碾壓含水量為最優(yōu)含水量4%。 10、施工氣溫大于0，防凍脹。 11、施工時防塵。 12、施

19、工質(zhì)量檢驗(yàn)可采用環(huán)刀法、鋼筋貫入法。 13、施工質(zhì)量驗(yàn)收可采用載荷板試驗(yàn)等。 本節(jié)完,第五節(jié) 粉煤灰墊層,一、礦渣(Cinder)及礦渣墊層適用范圍： 1、礦渣： 也稱高爐重礦渣或干渣，是高爐冶煉生鐵過程中所產(chǎn)生的固體廢渣經(jīng)自然冷卻而成。 2、礦渣分類： 經(jīng)破碎、篩分的礦渣稱為分級礦渣，未破碎、篩分的稱為原狀礦渣，經(jīng)破碎而未篩分的稱為混合礦渣。,第六節(jié) 礦渣墊層,一、礦渣(Cinder)及礦渣墊層適用范圍： 3、礦渣墊層及適用： 礦渣取代天然砂石等作為墊層，是廢物利用，資源化。 適用于中、小型建筑工程，尤其適用于地坪和堆場等工程大面積地基處理和場地平整。,第六節(jié) 礦渣墊層,二、礦渣墊層的工程特

20、性： 1、穩(wěn)定性： 需注意其硅酸鹽分解、石灰分解和鐵錳分解。 2、松散密度： 礦渣的強(qiáng)度可用松散密度指標(biāo)表示，分級礦渣要求松散密度不小于1.1t/m3。 3、變形模量： 變形模量可達(dá)3570MPa 4、礦渣力學(xué)特點(diǎn)： 壓密實(shí)時荷載與變形具有直線變形體特性，壓實(shí)不佳時會有顯著變形。設(shè)計時應(yīng)了解礦渣成份、級配、密度、場地條件、施工機(jī)械條件，以確定合理設(shè)計參數(shù)。,第六節(jié) 礦渣墊層,三、礦渣墊層的設(shè)計和施工要點(diǎn)： 1、按砂石墊層設(shè)計 2、墊層承載力和變形模量宜通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定 3、礦渣墊層材料根據(jù)工程情況選用 4、礦渣墊層材料的基本要求： 穩(wěn)定性合格、松散密度不小于1.1t/m3、泥土和有機(jī)質(zhì)含量應(yīng)小

21、于5% 5、采用分層壓實(shí)法 6、墊層質(zhì)量檢驗(yàn)要求 本節(jié)完,第六節(jié) 礦渣墊層,一、素土墊層(Plain Soil Cushion)和灰土墊層 (Lime Soil Cushion)及適用范圍： 1、素土墊層： 指土中不摻入其他成分以改變土性的墊層。 2、灰土墊層： 石灰和土按照一定比例摻合形成的墊層，常用石灰和土的體積比為2:8或3:7。,第七節(jié) 土(素土)和灰土墊層,一、素土墊層(Plain Soil Cushion)和灰土墊層 (Lime Soil Cushion)及適用范圍： 3、適用范圍： 素土墊層和灰土墊層常用來處理濕陷性黃土，處理深度13m。當(dāng)只需處理濕陷性時，宜采用素土墊層；當(dāng)還需

22、要提高承載力和水穩(wěn)性時，宜采用灰土墊層。 4、分類： 可分為局部墊層和整片墊層。局部墊層一般處理矩形和條形基礎(chǔ)，超出基礎(chǔ)底邊的寬度不小于其厚度一半；整片墊層超出基礎(chǔ)底邊外緣不小于2m。,第七節(jié) 土(素土)和灰土墊層,二、素土墊層和灰土墊層設(shè)計和施工： 1、局部墊層的平面范圍： 每邊超出基礎(chǔ)底邊寬度按公式計算，并不小于前述規(guī)定（不小于其厚度一半）； 2、整片墊層： 整片墊層超出基礎(chǔ)底邊外緣不小于2m。 3、墊層的承載力： 易現(xiàn)場載荷試驗(yàn)得到。參考值：素土墊層不超過180kPa，灰土墊層不超過250kPa。,第七節(jié) 土(素土)和灰土墊層,二、素土墊層和灰土墊層設(shè)計和施工： 4、土料要求： 素土有機(jī)

23、質(zhì)少于5%；不含凍土、膨脹土、磚石塊，碎石粒徑不大于5cm。 灰土的石灰和土的體積比宜為2:8或3:7。土料粘性土或Ip4的粉土，不含軟土、粒徑小于15mm。石灰新鮮，粒徑小于5mm。 5、墊層施工： 分層施工，灰土夯實(shí)后3day內(nèi)不得浸水。,第七節(jié) 土(素土)和灰土墊層,二、素土墊層和灰土墊層設(shè)計和施工： 6、質(zhì)量檢驗(yàn)： 取樣深度：每層2/3深度處； 干密度測定：環(huán)刀法、鋼筋貫入法； 取樣數(shù)量：參考規(guī)范 本節(jié)完,第七節(jié) 土(素土)和灰土墊層,一、粉質(zhì)粘土墊層： 粘土及粉土難以夯實(shí)，應(yīng)摻入不少于30%的砂石。 二、石屑墊層： 石料場廢棄物，性質(zhì)接近砂，注意含泥及含粉量。 三、工業(yè)廢料墊層： 礦渣、煤矸石等，需作現(xiàn)場試驗(yàn)確定參數(shù)。 四、加筋墊層： 土工合成材料等。,第八節(jié) 其他墊層,五、聚苯乙烯板塊(Expanded P