湿陷性黄土场地地基处理和回填土场地地基处理方案及实例.doc

摘 要本次设计是对两个不同地质段的地基进行处理，即湿陷性黄土场地地基处理和回填土场地地基处理。分别介绍了湿陷性黄土工程地质判别原则和物理力学性质，以及回填土的有关性质。同时，结合不同的工程场地，对可能采用的地基处理方案，简单阐述了其加固机理，并对各个方案的优点和缺陷作了进一步的说明。按照“技术可行，经济合理”的原则，考虑到对环境的影响，通过计算每一个方案的处理费用，比较施工工期长短，综合分析后，选择出最经济、最合理的处理方案。最后，对两个不同工程性质的场地，按照选用的方案，详细介绍了方案的加固机理，同时对施工过程中的填料和压实系数做了要求，以保证施工质量。在此基础上，对选用方案作了桩长、桩径、承载力等方面的详细设计。关键词:湿陷性黄土 回填土 桩 承载力目 录1 前言12 湿陷性黄土场地地基处理 22.1 工程概况22.2 黄土的基本性质22.3 湿陷性黄土的物理力学性质32.4 地基处理方案比选92.5 灰土挤密桩设计123 回填土场地地基处理183.1 工程概况183.2 回填土物理力学性质183.3 地基处理方案比选193.4 钢渣桩设计204 设计总结 265 参考文献 271 前 言随着国民经济的迅猛发展，基建规模在不断扩大。由于我国地域辽阔、幅员广大、自然地理环境不同、土质各异、地基条件区域性很强，建设可用地日益紧张，原来许多不适合建筑要求的场地也越来越多的被征用为建筑用地，因此就需要对天然的软弱地基进行处理。地基处理的主要目的是指提高软弱地基的强度、保证地基的稳定；降低软弱地基的压缩性、减少地基的沉降和不均匀沉降；或为消除地基土的振动液化趋势及消除湿陷性土的湿陷性、膨胀性土的膨胀性等区域性土的不良土性。目前国内外地基处理方法众多。然而每一种地基加固技术都不是万能的，都有它的适应范围和局限性，因而选用某一种地基处理方法时，一定要根据地基土质条件、工程要求、工期、造价、料源、施工机械设备条件等因素综合分析后确定。盲目的套用，不仅难以取得预期的加固效果，造成大量浪费；甚至可能导致工程失败，给后续施工带来极大的困难。良好的地基处理方案不仅要求技术上可行，更要求经济上合理。因此地基改良时，应根据不同的水文地质状况，灵活选择合理的加固手段对不良地基进行加固处理，以满足上部结构对地基的强度、变形和稳定性要求。本次设计是对两个不同地质段的地基进行处理，即湿陷性黄土场地地基处理和回填土场地地基处理。分别介绍了湿陷性黄土工程地质判别原则和物理力学性质，以及回填土的有关性质。同时，结合不同的工程场地，对可能采用的地基处理方案，简单阐述了其加固机理，并对各个方案的优点和缺陷作了进一步的说明。按照“技术可行，经济合理”的原则，考虑到对环境的影响，通过计算每一个方案的处理费用，比较施工工期长短，综合分析后，选择出最经济、最合理的处理方案。最后，对两个不同工程性质的场地，按照选用的方案，详细介绍了方案的加固机理，同时对施工过程中的填料和压实系数做了要求 ，以保证施工质量。在此基础上，对选用方案作了桩长、桩径、承载力等方面的详细设计。2 湿陷性黄土场地地基处理2.1 工程概况根据现场勘探资料，该工程场地4.7米深范围内同时存在湿陷性黄土和非湿陷性黄土，其中2.52.7米深度范围内存在非湿陷性黄土，地下水位地表下5.8米，并且，该工程场地为II级非自重湿陷性黄土场地。下表为探井取样得出的黄土主要物理力学性质指标：深度（m）干重度（KN/m3）孔隙比e压缩系数（MPa-1）压缩模量（MPa）摩檫角粘聚力湿陷系数0.612.871.0980.484.3712240.1132.114.050.9220.1612.0114270.0253.614.080.9180.228.721428.50.0375.114.670.8410.0920.4622320.0066.614.680.8390.1215.3322260.0058.114.780.8270.1314.0521300.0059.615.820.7070.0821.3410400.0022.2黄土的基本性质黄土是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部形状的特征，不同于同期的其他沉积物，在地理分布上也有一定的规律性。在我国黄土分布面积相当广泛，黄土和黄土状土的分布面积约为64万平方公里，是国土面积的6.3%。在黄河中游地区，西起贺兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭，几乎全部都被黄土覆盖，总面积约为27万平方公里。但是，由于各地的地理、地址和气候条件不同，使黄土在沉积厚度、地层特征和物理力学性质上都表现出明显的差异。2.2.1 黄土的地层划分 我国黄土形成经历了整个地质年代的第四纪时期。按形成的年代可分为老黄土和新黄土。老黄土有午城黄土和离石黄土。新黄土有马兰黄土和新近堆积黄土。马兰黄土和新近堆积黄土均具有浸水湿陷性，故有称为湿陷性黄土。 午城黄土、离石黄土和马兰黄土属于原生黄土，基本由风积而成，全新世的次生黄土是马兰黄土经由风和水的多次搬运沉积而成。水力搬运一般距离较短，所以次生黄土的颜色和颗粒组成以及矿物成分都酷似马兰黄土，但其结构更为疏松，大孔隙更为发育，湿陷性更为强烈。 全新世黄土状土为新近堆积，多分布在梁、塬、峁表层及河谷阶地上，坡脚以及阶地上及地层的顶部，受各种自然营力的影响，其物理力学性质的差异较大。质地较疏松，成岩性差，具有湿陷性，甚至强烈的湿陷性。 晚更新世马兰黄土构成黄土层的上部，为典型黄土。其质地疏松，无层理，大孔隙结构发育，有垂直节理裂隙，有较强的湿陷性和自重湿陷性。如处理不善常会发生较大的湿陷事故，威胁建筑物的安全。 中更新世离石黄土为马兰黄土下面的埋藏黄土层，其间夹有多层古土壤和钙质结核厚度较大，构成黄土塬的主体。质地较密实，一般无湿陷性，但在高压下仍具有一定的湿陷性。 早更新世午城黄土为老黄土的下部，颜色呈淡红色，含有棕红色的埋藏古土壤层。其质地密实，强度大、压缩性小、厚度较薄，几乎不透水，无湿陷性。2.3 湿陷性黄土的物理力学性质 湿陷性黄土是黄土的一种，凡天然黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著的湿陷变形，强度也随之降低的，称为湿陷性黄土。自重湿陷性黄土在上覆土层的自重压力下受水浸湿后，即发生湿陷；在自重应力下受水浸湿后不发生湿陷，需要在自重应力和由外荷引起的附加应力共同作用下，受水浸湿才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。湿陷性黄土地基的湿陷特性，会对结构物带来不同程度的危害，使结构物大幅度的沉降、倾斜甚至严重影响其安全和使用。因此，在黄土地区修筑结构物，应该对湿陷性黄土地基有可靠的判定方法和全面的认识，并采取正确的工程措施，防止或消除它的湿陷性。2.3.1物理性质2.3.1.1 颗粒组成 湿陷性黄土的颗粒以粉粒（0.050.005mm）为主，其含量可达5075%，其次为砂粒（0.05mm），约占1030%和粘粒（0.005mm）约占826%。由西北到东南方向砂粒减少而粘粒增多。2.3.1.2 比重、重度、孔隙比（1）比重Gs湿陷性黄土的比重约在2.552.85之间。随粘粒含量增多，在我国由西北向东南湿陷性黄土的比重有增大的趋势。（2）重度湿陷性黄土的天然重度一般在13.5 19.0KN/。干重度一般在11 16KN/之间。干重度超过15KN/以上时湿陷性一般很薄弱。（3）孔隙比e 孔隙比是衡量湿陷性黄土密实程度的主要指标，一般在0.8 1.24之间，大多数在0.91.1之间。2.3.1.3 含水量（1）含水量w湿陷性黄土的天然含水量在5 23%之间，含水量的大小与地区年降雨量和地下水位以及农田灌溉，渠道渗漏等环境影响有关。在塬、梁、峁上的黄土，含水量一般在8 12%之间，而河流阶地及谷地上则可达18 21%之间。一般来说，当含水量在23%以上，湿陷性基本消失，相应的压缩性增高。含水量与湿陷性密切相关，故它常随季节变化。对于近地表的湿陷性黄土，雨季的含水量与干旱季节的含水量差值可达2 5%。（2）饱和度 湿陷性黄土的饱和度约在1777%之间，而大多数为4050%，当饱和度超过80%时，称为饱和黄土，湿陷性基本消失，成为压缩性很大的软土。2.3.1.4 可塑性 湿陷性黄土的液限，一般在2235%之间，塑性在14 20之间，液性指数通常接近零甚至小于零，而对河谷或低阶地的湿陷性黄土多为0.30.6。2.3.2 力学性质2.3.2.1 压缩性由于湿陷性黄土中具有一定的可溶盐类，同时也由于可观的负孔隙压力的存在，所以在天然状态下它的压缩性较低，但是一旦遇到水的作用，上述条件消失，就使的它的压缩性增高。我国湿陷性黄土的压缩系数一般在0.1 1.0之间，除受含水量的影响外，与土的地质年代也有一定的关系。一般在Q2晚期形成的湿陷性黄土多属于低压缩性或中等偏低压缩性，而Q3晚期和Q4形成的多是中等偏高或是高压缩性。而新近堆积的黄土则多属于高压缩性。2.3.2.2 抗剪强度湿陷性黄土的粘聚力由二部分组成，一部分是原始粘聚力，它是由土粒间的电分子引力所产生，主要取决于土的粒度成分、矿物成分、扩散层间的离子成分和土的密实程度。当粘土矿物多，粘粒含量多、土越密实则原始粘聚力就越大。另一部分是由于湿陷性黄土具有较多的可溶性盐和一定的负孔压力存在，从而形成较高的结构强度，使土的粘聚力增大。土的形成年代越久，粘聚力就越大。但如果土体受水浸湿而产生胶溶作用，则土的结构力就逐渐减弱，减少到一定程度土就产生湿陷。内摩擦角主要与土颗粒的成分和矿物成分有关。颗粒越粗，则土的内摩擦角越大，反之，则越小。天然状态下，湿陷性黄土的粘聚力一般在10 60KPa，内摩擦角则在1730之间。2.3.2.3 渗透性 湿陷性黄土的结构较为复杂，且含有较多不同成分的易溶盐，并有垂直节理等特征，所以起渗透性不同方向上是不一样的，尤其在垂直和水平方向上相差较大，一般垂直渗透系数为0.160、3310-5cm/s，而水平渗透系数则为0.1 0.8310-6cm/s。如其他粘性土一样，湿陷性黄土的渗透系数并不是一个常数，它随渗透溶液的性质、水头梯度和渗透时间的变化而变化。一般来说，水头梯度越大，渗透系数越大。2.3.3 湿陷性评价在湿陷性黄土地区进行工程建设，正确地评价地基的湿陷性，具有重大的实际意义。黄土地基湿陷性评价一般包括三个方面的内容：（1）判定地基土层是湿陷的还是非湿陷的，据此确定湿陷性黄土层的总厚度及其在平面上的分布范围；（2）如果是湿陷性黄土，还要判定场地是自重湿陷性的还是非自重湿陷性的；（3）判定湿陷性黄土地基的湿陷等级。2.3.3.1 湿陷性的判定黄土湿陷性判定，现在国内外都采用湿陷系数值来判定。在我国根据湿陷性黄土地区建筑规范（GBJ2590）的规定，黄土的湿陷性是在现场取原状土样，然后在室内通过浸水压缩试验测定，把保持天然含水量和结构的黄土土样，逐步加压，达到规定试验压力，土样压缩稳定后，进行浸水，使含水量接近饱和，土样迅速又下沉，再次达到稳定，得到浸水后土样高度（如图）， 由下式可以求得黄土的湿陷系数： =( hp-)/h0 （1）式中： h0土样的原始高度（m）； hp土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力P作用下，压缩稳定后的试验高度（m）； 对在压力P作用下的土样进行浸水，达到湿陷稳定后的土样高度（m）。湿陷系数为单位厚度的土层，由于浸水在规定试验压力作用下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。我国湿陷性黄土地区建筑规范（GBJ2590）按照国内外各地的经验采用了= 0.015作为湿陷性黄土的界限值： 当0.015时，为非湿陷性黄土； 当0.015时，为湿陷性黄土。测定湿陷性系数时的一定压力，自基础底面（初勘时自地面下1.5m）算起，10m以内的土层用200KPa，10m以下至非湿陷性土层顶面，用其上覆土的饱和自重压力（当大于300KPa时，仍用300KPa）。另外当基底压力大于300KPa时，则易以实际压力测定湿陷系数值。按室内压缩试验确定计算自重湿陷量时，应测定不同深度的土样在饱和土自重压力作用下的自重湿陷系数，自重湿陷系数值可按下式计算： =（hz -）/ h0式中: hz保持天然的湿度和结构的土样，加压至土的饱和自重压力时，下沉稳定后的高度； 上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度； h0土样的原始高度。当0.015时，一般定为自重湿陷性黄土。测定自重湿陷系数时所用的压力，采用自天然地面算起（当挖、填方厚度和面积较大时，自设计地面算起）至该土样顶面为止的上覆土的饱和（=0.85）自重压力（当大于300KPa时，仍用300KPa）。湿陷系数的大小反映了黄土对水的敏感程度，越大表示土受水浸湿后的湿陷量越大，对建筑物的危害性就越大；反之，越小，则表示表示土样受水浸湿后的湿陷量就越小。根据的大小可以大致地判断土样湿陷性的强弱。一般认为：当0.03时，为弱湿陷性黄土；当0.030.07时，为中等湿陷性黄土；当0.07时，为强湿陷性黄土。2.3.3.2 湿陷类型的划分 湿陷系数只是表示它所在某一黄土层在某一压力的作用下的湿陷性的大小，而不表示整个地基湿陷性的强弱。对整个地基土层的湿陷性，主要考虑在湿陷影响深度范围内各黄土层的湿陷系数及其相应的厚度。对于湿陷性黄土地基的湿陷性评价，我国目前主要用湿陷类型和湿陷等级来表示。湿陷性黄土有自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两种类型。而自重湿陷性黄土地基的湿陷事故多，对建筑物的危害也大，因此，准确划分建筑场地的湿陷类型是很重要的。但严格来说，这两种类型仅是对特定的建筑场地而言的，因为当场地条件变化时，这两种类型有相互转化的可能。建筑场地的湿陷类型，应按实测自重湿陷量或计算自重湿陷量来判定。实测自重湿陷量则通过室内试验测定不同深度土样的自重湿陷系数乘以土层厚度来确定。（1）按计算的自重湿陷量划分根据对每一个勘探点原状土样进行室内试验测出的自重湿陷系数，按下式计算场地的自重湿陷量，即: =式中 第i层土样的自重湿陷系数； 第i层土样所在地层的厚度； 因土质地区而异的修正系数。 计算自重湿陷量时，自天然地面算起（当挖、填方厚度和面积较大时，自设计地面算起），至其下全部湿陷性黄土层的底面为止，其中7cm时，一般定为自重湿陷性黄土场地。（2）按实测的自重湿陷量划分 在工程现场挖深0.5米、长或直径不小于10米的试坑，进行浸水，直接测定该场地的实际自重湿陷量。当7cm时，为非自重湿陷性黄土场地； 当7 cm时，为自重湿陷性黄土场地。实践证明，用实测的自重湿陷量划分场地的湿陷类型，比用计算的划分要更可靠。2.3.3.3 湿陷等级的划分湿陷性黄土地基的湿陷强烈程度，以分级湿陷量S来划分。分级湿陷量的大小与基础底面以下各黄土层的湿陷系数的大小以及累计湿陷量的计算深度有关。湿陷性黄土地基受水浸湿饱和到下沉稳定为止的总湿陷量，根据土的湿陷系数和土层厚度按下式计算： =式中 第i层土湿陷系数； 第i层土样所在地层的厚度； 考虑地基土的侧向挤出和浸水机率等因素的修正系数。基底下5米（或压缩层）深度内可取1.5；5米以下：在非自重湿陷性黄土场地，可取=0；在自重湿陷性黄土场地，可按计算自重湿陷量时系数0的值取用。 湿陷性黄土地基的湿陷等级越高，地基浸水后的可能湿陷量越大，对建筑物的危害性也越大，因此设计措施的要求也就越高。应当指出：分级湿陷量是假定地基在规定的压力作用下，充分浸水后的湿陷变形，它只是近似的反映了地基土的是湿陷程度，并不是建筑物地基的实际湿陷量。而建筑物的实际湿陷量应按建筑地基的实际应力状态计算其湿陷量。还应指出：按目前现行规范划分时，对一些分级湿陷量较大而计算自重湿陷量较小的轻微自重湿陷性黄土地基，有可能把它们划为I或II级自重湿陷性黄土地基，不够合理。湿陷性黄土地基的湿陷等级，按照我国湿陷性黄土地区建筑规范（GBJ2590），根据地基总湿陷量S和计算自重湿陷量ZS综合，按下表判定。湿陷性黄土地基的湿陷等级湿陷类型非自重湿陷性场地自重湿陷性场地 计算湿陷量总湿陷量7cm7cm35cm5cm30cmI(轻微)II（中等）/30cm60cm/III（严重）IV（很严重）注：当S小于5厘米时，可按非湿陷性黄土地基进行设计和施工；I级为轻微；II级为严重；III级为严重；IV级为很严重；当总湿陷量30cm50cm，计算自重湿陷量7cm50cm，计算自重湿陷量30cm时，可判断为III级。2.4 地基处理方案比选5米高的填方路基，基底最大压应力大约为80KPa，而该场地地层主要为湿陷性黄土和非湿陷性黄土，且总湿陷量为42.1cm，自重湿陷量达10.2cm，这对路基的危害很大，不满足湿陷性黄土地区建筑规范（GBJ2590）中对建筑物湿陷沉降量的要求。因此，必须进行采取相应的措施，实施地基处理，以保证路基的安全使用，从而延长道路的使用寿命，改善行车条件和道路状况，减少交通事故的发生。结合该场地的工程地质状况，可能采用的地基处理方案有：灰土垫层换填、挤密法、强夯法等。根据该场地的工程地质条件，5米深范围内的黄土主要为强湿陷性黄土和弱湿陷性黄土，同时，该范围内的大部分为中等压缩性土。土的这些工程性质，对路基来说，都是不利因素。其中，紧挨路基的0.6米深度范围内的土为强湿陷性黄土，遇到水就发生湿陷，强度很小，对路基影响最大。其余范围内的黄土具有一定的湿陷性，为弱湿陷性黄土。在遇到水的情况下，也会发生湿陷性，对路基仍会产生影响。5米以下范围，土的湿陷性已经不存在，即使遇到水，虽然也会发生变形，但这一变形主要由于土颗粒存在空隙，在外荷载作用下，颗粒被挤密压实，土颗粒间的间距变小造成的，变形量很小，不会发生湿陷变形。根据以上分析，把基底下5米深范围作为处理地基段。（1）灰土垫层换填法：该方法在我国的应用已经有上千年的历史，全国各地都有适合当地情况的丰富经验。在湿陷性黄土地区使用广泛，是一种以土治土处理湿陷性黄土的传统方法，可用以消除13米厚黄土层的湿陷作用。可有效地处理某些荷载不大的建筑物的地基问题，常作为浅层地基处理的方法。其原理是把基础底面下处理范围内的土层全部挖去，然后换填灰土（石灰和土的体积比为2：8或3：7），分层夯实至要求的干密度作为持力层，达到增强承载力、减少地基沉降的地基处理目的。在处理湿陷性黄土场地时，灰土垫层的作用一般有以下几个方面：提高地基承载力地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，随着基底压力的增大，逐渐向纵深方向发展。因此，采用密实灰土代替可能产生的剪切破坏的软弱土，就可避免地基的破坏。减少次降量一般基础下浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例尺是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内，沉降量约占总沉降的50%左右。同时，由于侧向变形而引起的沉降，理论上也是浅层部分所占的比例较大，若以密实的灰土代替软弱土层，就可减少这部分沉降量。另外，由于垫层对基底的扩散作用，使作用在软弱下卧层上的压力将减少，这样会相应的减少下卧层的沉降量。消除湿陷作用灰土垫层法的缺点主要表现在以下几个方面：灰土垫层施工过程中，要进行大面积的开挖回填，挖方量和填方量比较大，因此需要车辆运输；动用的劳动力多，工期长，处理费用高；弃土多，占用耕地农田，对环境有一定的影响。（2）强夯法亦名动力固结法，是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法。开始使用时，仅用于加固砂土和砂石地基，经过多年的发展与应用，强夯法已适用于杂填土、碎石土、砂土、粘性土、湿陷性黄土及人工填土等地基的施工。当前，应用强夯法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。强夯法是一种将几十吨的重锤，从几十米的高处自由落下，迫使深层土液化和固结，使土体密实，用以提高地基承载力和减小沉降，消除土的湿陷性、膨胀性和液化性的一种地基处理方法。强夯法的处理深度大，施工速度快，施工质量容易保证，经其处理后，土性较均匀，适用于处理大面积场地。但是，它也有自身的缺陷： 施工时对周围有很大的震动和噪音，不宜在闹市中施工； 需要有一套重锤、起重机等强夯工具； 强夯过程中震动大，在施工过程中容易使周围建筑物产生受震变形及对较近的边坡或陡坎的稳定性造成破坏； 强夯过程中，容易引起尘土飞扬，对周围环境不好。（3）灰土挤密桩法：国外在20世纪30年代就开始采用该方法处理湿陷性黄土地基。我国50年代中期在西北黄土地区开始试验，70年代初在黄土地区得到广泛的应用。灰土桩挤密法是处理地下水位以上湿陷性黄土、新近堆积黄土、素填土和杂填土的一种地基加固方法。它是利用打入钢套管（或振动沉管、炸药爆炸）在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土得到加密，然后在孔中分层填入灰土后夯实而成灰土桩。在成孔过程中，原处于桩孔部位的土体全部被挤入桩周土层中，使桩周一定范围内的地基土得到挤密，承载力得到提高，湿陷性得以消除。挤密后的桩间土与桩体共同构成复合地基，承受上部荷载的作用。挤密法进行地基处理，有以下主要特征： 挤密法是横向挤密，但是，同样可以达到要求加密处理后的最大干密度指标； 与换填法相比较，无须开挖回填，节约了开挖和回填土方的工作量，节约了劳动人数，能将工期缩短约一半； 由于不受开挖和回填限制，处理深度一般可达515米； 由于填入桩孔材料均属就地取材，因而它比换填法处理造价低，可以节约资金，尤其利用粉煤灰可变废为宝。现在将各方案经济性进行比较：取该路堤长L=100米，宽B=20米，桩长H=5米，则处理范围内土体体积为：H（L+H）（B+H）=13125m3，根据黄土力学与工程（刘祖典编陕西科学技术出版社），地基处理单价按以下计：灰土垫层换填25元/m3，强夯法19元/m3，灰土挤密桩法13元/m3。各方案的处理费用如下：（1）灰土垫层换填： 建筑地基基础设计规范（GBJ789）中规定，换填法最经济的处理应控制在3米以内并不小于0.5米。另外，采用该方案需要进行大面积的开挖回填，施工土方量大，从而增加了工程量，增加了劳动人数，延长了工期，经济消耗大，不经济。处理费用为： 2513125=328125元（2）强夯法：为了使地基土获得很大的冲击能，强夯法需要将重锤提升到几十米的高度，因此，强夯法就要购置相应的起重设备和重锤。强夯法的费用就由设备购置费和处理费两部分组成。处理费： 1913125=249375元设备购置费: 20万总费用: 处理费+设备购置费=449375元（3）灰土挤密法: 1313125=170625元根据以上经济分析比较,灰土挤密桩法费用最低,最经济.将各方案的施工工期进行比较:（1）灰土垫层换填法：劳动人数按100人计，每人每天挖方或填方量按5 m3计，挖、填方共需（99842）/（5100）=40天，换填法需要对各层分别碾压，碾压按十天计，则该方法施工工期约为50天。（2）强夯法：强夯过程中，同一编号的夯击点一般要采用23遍。对于湿陷性黄土而言，夯击遍数一般取3遍。在夯击过程中，对于要进行多遍夯击的工程，两遍夯击间应该要有一定的时间间隔，各遍间的时间间隔取决于加固土层中孔隙水压力消散的时间。黄土颗粒比较小，以粉粒为主，因此孔隙水压力消散比较缓慢，一般需要3周时间。故强夯法施工工期大约为40天。（3）灰土挤密桩法：灰土挤密桩法因为无需开挖和回填，因而节约了开挖和回填土方的工作量，同时也节约了大量的劳动力。比换填法缩短施工工期约一半。对本工程而言，采用灰土挤密桩法大约需要施工约30天。经过对施工工期长短的比较，采用灰土挤密桩法工期最短。综上所述，无论是从经济性还是从施工长短上来比较，灰土挤密桩法都是最经济的方案。它无需进行大面积的开挖和回填，也不会发出很大的噪音，对环境造成影响。因此，决定采用灰土挤密桩法处理该地基。2.5 灰土挤密桩设计2.5.1 挤密作用灰土桩挤压成孔时，桩孔位置原有土体被强制挤向桩孔周围的土中，使桩周土的孔隙减小，土中气体溢出，土体密实度增大，压缩性降低，承载力提高。桩周土体被挤密程度由孔壁依次向外逐渐降低，孔壁附近土的干重度可接近甚至超过土体的最大干重度，也即压实系数可达到甚至超过1。其挤密影响半径通常为1.52.0d(d为桩径直径)。土的天然含水量和干密度对挤密效果影响较大。当含水量接近最优含水量时，土呈塑性状态，挤密效果最佳；当含水量偏低，土呈坚硬状态时，有效挤密区变小；当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，土体难被挤密。土的天然干密度越大，则有效挤密范围越大；反之，则有效挤密范围较小，挤密效果较差。2.5.2 灰土桩性质作用灰土桩是用石灰和土按一定体积比例（2：8或3：7）拌和，并在桩孔内夯实加密后形成的桩，这种材料在化学性能上具有气硬性和水硬性。由于土颗粒与周围介质间的化学和物理变化，土颗粒表面大多带有负电，将介质中的水分子及游离的阳离子吸附于表面。掺入石灰后，石灰中的钙离子与土粒周围吸附的阳离子发生交换并吸附在粘粒周围，改变了土粒表面的带电状态，土颗粒凝聚成团，改善了土的力学性质。同时，当散布在土颗粒表面或附近的氧化钙微粒与水接触时，氧化钙微粒表面被溶解，与水中的胶态氧化硅反应，生成具有半透膜作用的硅酸钙水合物包膜及其它复杂的水合物，包膜可优先让水渗入，氧化钙继续溶解。随着膜内渗透压力的不断增加，包膜胀裂，盐溶液流到含有胶态氧化硅的水溶液内，生成新的硅酸钙胶凝物，形成放射状的管状纤维。硅酸钙水合胶凝管的不断生成，使周围土颗粒缠绕在一起，产生胶结强度，使拌和的灰土强度大大提高，这是灰土桩强度提高的主要原因。此外，拌入的石灰还会和空气中的二氧化碳反应，形成固体的碳酸钙结晶，使土颗粒间产生胶结，从而改善土的力学性能。生石灰与土中水发生反应，所产生的热量也会使土中水产生一定的蒸发，土的含水量降低，从而促进土体的固化。由于拌和灰土的一系列复杂的物理化学变化，灰土桩桩身的变形模量随着龄期的增长而不断提高，土体固化作用也随之提高，使土体强度逐渐增加。在力学性能上，它可达到挤密地基的效果，提高地基承载力，消除湿陷性，沉降均匀和沉降量减小。2.5.3 桩体作用在灰土桩挤密地基中，由于灰土桩的变形模量远大于桩间土的变形模量（灰土的变形模量为E0=40200KPa相当于夯实素土的210倍），荷载向桩上产生应力集中，从而降低了基底底面以下一定深度内的土中的应力，消除了持力层内产生大量压缩变形和湿陷变形的不利因素。此外，由于灰土桩能对桩间土起侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生侧向挤密使压力与沉降始终成线形关系。2.5.4 填料和压实系数桩孔内填料前，孔底必须夯实，夯击次数不少于8次，然后分层回填夯实灰土。灰土桩设计中，石灰和土的体积比一般为2：8或3：7。一般桩的强度随用灰量的增大而提高，当超过一定值以后，则强度增加很小，而配合比为1：9的灰土桩，其强度很低，配合比为2：8和3：7的灰土一般作为最佳含灰率。，但这与石灰的等级有关，应以氧化钙和氧化镁总量达到8%为佳。每次回填厚度为300400mm，其压实系数应不小于0.97。土料宜用粘性土及塑性指数大于4的粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒粒径不得大于15mm。石灰和土料应拌和均匀，色调一致，并应控制含水量在最佳含水量附近。拌好后应及时铺设夯实，不得隔日夯打。2.5.5 灰土桩设计计算（1）灰土桩单桩设计灰土桩直径取d=500mm，桩间土挤密后达到的最大干密度=18KN/m3，挤密前土的平均干密度=14 KN/m3，处理宽度为：20+20.2520=30米。为了使桩间土得到均匀挤密，桩孔按等边三角形布置。按等边三角形布置的桩间距和桩排按下式计算： h=0.866S式中： d桩孔直径（mm） S桩间距（mm） 地基挤密后桩间土的平均压实系数，宜取0.93 桩间土的最大干密度（t/m3） 挤密前土的平均干密度（t/m3） h桩排（mm）代值计算得：=1175mm h=0.8661175=1018mm灰土桩桩体单位截面积承载力标准值按下式计算： 式中： 桩体单位截面积承载力标准值（KPa） 天然土不排水抗剪强度（KPa） 桩柱体的内摩擦角一般取35O45O 安全系数，一般取2考虑到地基土的工程性质及对湿陷性黄土的处理要求，桩长取L=5米，灰土桩的桩体内摩擦角取=40O，天然土不排水抗剪强度平均值取 =28 KPa，则单桩的单位截面积承载力标准值为： =121KPa则灰土桩单桩单位截面积承载力标准值取120 KPa（2）灰土桩复合地基承载力计算灰土桩按等边三角形布置，则其等效影响圆直径按下式计算：=1.05S式中： 等效影响圆直径（mm） S桩间距（mm）代值计算得： =1.051175 =1234 mm桩土面积置换率m按下式计算： 式中： m桩土面积置换率 d桩孔直径（mm） 等效影响圆直径（mm）代值计算得： =0.165根据场地工程地质资料，桩间天然地基土的承载力标准值=115 KPa，桩土应力比取n=3，则复合天然地基承载力标准值为： =m+（1-m）或 =1+m（n-1） 式中： m桩土面积置换率 复合地基承载力标准值（KPa） 桩间土承载力折减系数。对于散体材料柔性桩，可以取=1；对于水泥土搅拌桩，当桩端土为软土时，可以取=0.51.0；当桩端土为硬土时，可取=0.10.4；当不考虑桩间软土作用时，可以取=0； n桩土应力比，无实测资料时可以取24，原土强度低取大值，原土强度高取小值。代值计算得： =m+（1-m）=0.165120+（1-0.165）115 =116 KPa或 =1+m（n-1） =1+0.165（3-1） 115=153 KPa 灰土桩复合地基承载力标准值取130 KPa，完全满足路基基底80 KPa的要求，灰土桩布置见图。3 回填土场地地基处理3.1 工程概况钢铁厂高炉电气室，采用长20米、宽9米的单层混合结构钢筋混凝土条形基础。基底回填土为临近构筑4基坑开挖填筑而成的新回填土，填筑时间不满一年，最深6.57米，浅处为1.97米，结构疏松，密实性差，地基承载力约为83.6KPa，压缩模量为3.84 KPa，为高压缩性土；其下为厚23米，压缩模量为5.5KPa，承载力标准值为120KPa的中等压缩性的粉质粘土；再下分别为淤泥质粉质粘土，地基承载力标准值为90KPa，厚68米，压缩模量为4KPa；淤泥质粘土，厚1020米，压缩模量为5 KPa，地基承载力约为70KPa；中等压缩性的粉质粘土粉土；中密密实的细沙。3.2 填土物理力学性质填土是指由人类活动在地表形成的任意堆积的土层，它的组成分复杂，堆填的方法、时间和厚度都是随意的。填土主要分布在古老的城镇和工矿区的范围以及疏浚河道的排淤区。填土地基从工程性质和特点方面可以分为两类，即非压实填土地基和压实填土地基。3.2.1 填土的工程性质3.2.1.1 不均匀性填土由于其组成成分复杂，回填的方法、时间和厚度的随意性，所以不均匀性是其突出的特点。其中以杂填土的不均匀性最为严重。3.2.1.2 自重压密性填土是一种欠压密土，在自身重量和大气降水下渗的作用下有自行压密的特点，自重压密所需要的时间长短与填土的物质成分和颗粒组成有关。大块碎石类素填土一般需要13年；砂土素填土一般需25年；粉土和粘性土则需要1015年；含有大量有机质的生活垃圾填土的自重压密时间可达30年以上。3.2.1.3 湿陷性填土由于土质疏松，孔隙率高，在浸水后会产生较强的湿陷，新填土的湿陷性比老填土大，在生活垃圾填土中的炉灰和变质炉灰填土的湿陷性最强。但在气候潮湿和地下水位高的地区，填土的湿陷性则不显著。3.2.1.4 低强度和高压缩性填土由于土质疏松、密度差、固化程度低，所以抗剪强度低，承载力低。而填土的压缩性则很高，变形模量一般在6Mpa以下，与相同干密度的天然土相比，填土的压缩性比天然土要高得多。而且，随着含水量的增加，填土的压缩性也会随着增大。3.3 地基处理方案比选钢铁厂的高炉电气室，基底压力大约为100KPa，而与基础紧密接触的是临近构筑物基坑开挖填筑而成的新回填土，堆筑时间短，不满一年，结构疏松，密实性差，均匀性差，厚度变化大，最深处为6.57米，浅处仅1.97米，承载力标准值仅为82.6KPa，不能直接作为地基的持力层。因此，为了提高地基承载力，消除地基不均匀沉降，保证上部结构的安全使用，必须对地基进行相应的加固处理。对松散的回填土进行处理，可能采用的方案有：水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）、低强度水泥桩和钢渣桩等。（1）水泥粉煤灰碎石桩是由中国建筑科学研究院提出的一种新型桩体。是在碎石桩的基础上掺入适量的石屑、粉煤灰和少量的水泥加水搅拌后制成的一种具有胶结强度的桩体，具有良好的和易性。碎石是该桩体的粗骨料，石屑是填充碎石孔隙，改善骨料级配的次骨架材料；粉煤灰具有细骨料和低标号水泥的作用。该桩是一种低强度的混凝土桩，可以较大幅度的提高地基的承载力。（2）低强度水泥砂石桩是用振动打桩成孔灌桩工艺，将以砂石为主，掺有少量水泥、粉煤灰等其它工业废料注入土中，形成低强度的水泥砂石桩，与原地基土一起组成复合地基，共同承担上部结构传来的荷载。（3）钢渣桩是日本的烟博昭等人率先开发研制的一种转炉钢渣为桩体主要材料的柔性材料桩，是利用机械成孔后填入作为固化剂的转炉钢渣并加以密实后形成的桩体。钢渣桩利用制桩过程中对桩周土的离子交换、凝硬反应等作用，改善桩周土体的物理力学性质，并与桩周土一起共同构成复合地基，达到加固的目的，经钢渣桩加固，地基承载力通常可提高1倍，压缩模量可提高40%左右。结合工程所在处的周围环境，现在将各个方案的可行性进行分析比较。（1）水泥粉煤灰碎石桩：采用该方案进行地基处理，毫无疑问的就要购置必备的建筑材料：水泥、粉煤灰和碎石。相应地，这就增加了工程造价。另外水泥、粉煤灰和碎石不能就地取材，需要车辆运输和人工搬运，这又会增加一部分工程造价，不经济。牵扯到水泥、粉煤灰和碎石的使用，这势必造成基础工程和上部结构争材料。而且，水泥、碎石和粉煤灰堆放要占用一定的场地，对环境也不好。（2）低强度水泥砂石桩：采用该方案进行地基处理，因为也要牵扯到水泥、碎石和粉煤灰的使用，同样也存在车辆运输费和人工搬运费，同时，也要占用一定的场地，对周围环境势必造成污染。（3）钢渣桩主要有以下特点： 由于该工程位于一钢铁厂内，加固厂区内有丰富的钢渣资源，采用钢渣桩进行处理，就不需要购买水泥，粉煤灰和砂石，节省了大量的车辆运输费和人工搬运费，降低了工程造价； 不会出现基础工程和上部结构争材料的问题，可以就地取材； 采用钢渣桩进行地基处理，不仅帮助钢铁厂消化了大量的工业废料，而且，保护了环境，减少了污染和对土地的占用； 钢渣较水泥、粉煤灰、砂石价格更低； 钢渣具有水硬性的特点，成桩后具有半刚性桩的受力特征，具有比水泥粉煤灰碎石桩和低强度水泥砂石桩更高的加固效果，经钢渣桩加固，不但可以使复合地基承载力提高为原来的1倍左右，而且，地基的压缩变形也较水泥粉煤灰碎石桩和低强度水泥砂石桩复合地基小，具有可靠的技术保证； 钢渣桩加固效果快，地基加固完毕即可产生加固效应； 加固方法简单，加固期短； 钢渣桩不需要进行预压荷载，它是以水平方向的挤密作用来实现增加地基的承载力的； 钢渣桩加固软土地基综合了固化剂加固法和挤密地基加固法两种方法的优点，同时有避免了这两种加固法的不足。根据以上分析，无论是从造价方面考虑，还是从环保方面着想，采用钢渣桩进行该工程的地基处理，都是最佳的方案选择。它可以帮助钢铁厂消化大量的工业废料，保护了环境，减少了对土地的占用。钢渣价格低廉，这对节省投资，减少工程造价又大有好处。所以，最终确定采用钢渣桩加固方案。3.4 钢渣桩设计3.4.1 钢渣桩的加固机理3.4.1.1 钢渣材料的水解和水化反应钢渣主要的矿物组成成分为硅酸三钙、硅酸二钙和氧化镁、氧化铁、氧化锰等的固溶体，与硅酸盐水泥熟料的组成成分比较接近，其中，氧化钙在水泥中主要存在于硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和铁铝酸三钙中，钢渣桩中主要存在于硅酸三钙、硅酸二钙中；三氧化二铝在水泥中存在于铝酸三钙和铁铝酸四钙中，在钢渣桩中主要存在于固溶体矿物中。因此，钢渣与硅酸盐水泥熟料有相似的水化机理。钢渣填入桩孔后，钢渣吸收桩周围土中的水分后发生水化反应。水化初期，间隔较大的水化钢渣粒子放射出纤维状的水化硅酸钙，由于其晶粒大小相当于胶体尺寸而具有凝胶体的特性，又称为水化硅酸钙凝胶体。随着水化的深入，许多小的水化粒子相互接触并把结晶度较完整的水化物缠绕在一起，形成互相联系的网状结构，桩体逐渐形成强度；当水化发展到一定的程度后，每个水化粒子放射出的水化物凝胶的区域相互交织，网络状粒子连成一体，并将反应生成的氢氧化钙晶体包裹在一起，桩身形成了一定的强度。由于钢渣材料的水化反应吸收了桩周土体中大量的水分，在桩体水化强度不断形成的同时，桩周土的物理力学性能也得到改善。3.4.1.2 膨胀挤密作用钢渣材料填入桩孔后，土中的水和部分土体进入桩体，与钢渣发生了一系列水化反应，生成的水化产物使固相体积增大，桩体发生膨胀，对周围土体产生挤压。且由于桩周土中大量的水分子被钢渣材料的水化反应所消耗，土体饱和度大大降低，桩体的膨胀使土的孔隙减小，体积压缩，桩周土的密实度显著提高。3.4.1.3 离子交换和凝硬反应桩外围的钢渣材料水化生成的氢氧化钙中的钙离子能与土中含量较多的带有钠离子或钾离子的硅酸胶体微粒进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，同时，钢渣水化生成的胶凝粒子能进一步使土团粒结合起来，形成坚固联结，从而使桩与土的