浅层地基处理

1、浅层地基处理1.1 换土垫层法换土垫层法是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高炉干渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料。当软弱地基的承载力和变形不能满足建筑物要求，且软弱土层的厚度又不很大时，换土垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。不同的回填材料形成不同的垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土或灰土垫层、粉煤灰垫层及煤渣垫层等。换土深度较大时，经常出现开挖过程中因地下水位高而不得不采用降水措施；坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护；施工土方量大，弃方多等问题，从而使处理费用高、工期延长，因此换土垫层法的处理深度常控制在3-5米范

2、围以内。当然，若换土垫层太薄，则其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5米。换土垫层处理软土地基，其作用主要体现在以下几个方面：提高浅层地基承载力；减小地基沉降量；加速软弱土层的排水固结，即垫层起排水作用；防止土的冻胀，即粗粒垫层材料起隔水作用；减少或消除土的胀缩性。换土垫层法在处理一般软弱地基时，其可起的主要作用为前三种，在某些工程中可能几种作用同时发挥（如既起提高地基承载力、减小沉降量的作用，也起排水作用）。限于篇幅，本节仅介绍砂（石）垫层的设计与施工。图7-1垫层内应力分布1.砂（石）垫层设计砂（石）垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度两方面，要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软

3、弱土层，有足够的宽度防止砂垫层向两侧挤出。主要起排水作用的砂（石）垫层，一般厚度要求30cm，并需在基底下形成一个排水面，以保证地基土排水路径的畅通，促进软弱土层的固结，从而提高地基强度。(1).填层厚度的确定如图7-1所示，垫层厚度应根据砂垫层下面软弱下卧层土的承载力和建筑物对地基变形要求来确定。如仅以软弱下卧层承载力为控制指标，则应满足下式要求： （7-1）式中 相应于荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值； 软弱下卧层顶面处土的自重压力值； 垫层底面处经深度修正后软弱下卧层的地基承载力特征值。 垫层底面处的附加压力，可按如下简化方法计算：条形基础 （7-2）矩形基础 （7-3）式中 相

4、应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值；基础底面处土的自重压力值；矩形基础或条形基础底边的宽度；矩形基础底边的长度； 垫层厚度； 垫层的压力扩散角可按表7-2选用。垫层应压扩散角( º ) 表7-2换填材料/中砂、粗砂、砾砂、碎石、黄土、石屑粘性土和粉土（8Ip14)灰土0.25206300.5302330注：1. 当z/b0.5时，除灰土仍取=30º外，其余材料均取=0º；2. 当0.25z/b0.5时，值可用内插法求得。垫层厚度的计算方法、步骤为：先假设一个厚度，然后按式（7-1）进行验算，若不符合要求，重新假设厚度后再验算，直至满足要求为止。(2)垫层

5、宽度的确定垫层宽度应满足基础底面压力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定。 （7-4）式中 垫层底面宽度； 垫层的压力扩散角，可按表7-2选用。整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm长度，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡确定。应防止垫层向两侧挤压而破坏侧面土质。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，造成基础沉降增大。需要指出的是，垫层材料应分层夯实并达到一定的密实度，以保证其自身的承载力满足设计要求。对于一般工程，如无实测资料时，可参见表7-3选用承载力特征值。对于比较重要的建筑物，还应计算

6、地基的变形量。地基变形由垫层和下卧土层的两部分变形量所组成。 各种垫层的承载力特征值 表7-3施 工方 法换填材料类别压 实系 数c承载力特征值(kPa)碾压或振密碎石、卵石0.940.97200300砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%-50%）200250土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%-50%）150200中砂、粗砂、砾砂150200粘性土和粉土（8Ip14）130180灰土0.930.95200250重锤夯实土或灰土0.930.95150200注：1. 压实系数小，承载力标准值取低值；反之取高值；2. 重锤夯实，对土的承载力标准值取低值；反之取高值。【例7-1】某建筑物承重墙下为条

7、形基础，基础宽度1.5m，埋深1m，相应于荷载效应标准组合时上部结构传至条形基础顶面的荷载=；地面下存在5.0m厚的淤泥层,，淤泥层地基的承载力特征值；地下水位距地面深1m。试设计砂垫层。【解】（1）垫层材料选用中砂，设垫层厚度z=2.0m，则垫层的压力扩散角=30。（2）垫层厚度验算相应于荷载效应标准组合时基础底面平均压力值为： 基础底面处土的自重压力 垫层底面处的附加压力值由式（7-2）计算得：垫层底面处土的自重应力：淤泥层地基经深度修正后的地基承载力特征值为： 满足强度要求垫层厚度选定为2.0m是合适的。（3）确定垫层宽度取=3.85m，按11.5边坡开挖。2.垫层施工及其质量检验要点垫

8、层施工应严格控制垫层材料的颗粒成分和质量。砂石料宜选用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石和碎石等，料中不得含有植物残体、垃圾等杂质。用粉细砂作垫层料时，应掺入25%30%的碎石或卵石，最大粒径不宜大于50mm。用于排水固结垫层的砂石料，含泥量不宜超过3%。垫层材料应保证达到设计要求的密实度，填料应分层铺筑（每层虚铺厚为200300mm），逐层碾压、夯实，碾压时需控制一定的含水量。常用的密实方法有振动法和碾压法等。开挖基坑铺设垫层时，还需注意避免扰动软弱土层的结构，基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏坑底。当采用碎石垫层时，应在坑底先行铺设一层砂垫底，以免碎石挤

9、入土中。砂、碎石垫层的质量检验应随施工分层进行，检验方法主要有环刀法和贯入测定法。通过环刀取样法，测定的垫层干密度应大于等于设计干密度；通过贯入测定法，测定的垫层贯入深度应小于等于根据垫层干密度确定的贯入深度。另外，尚需对砂、碎石垫层填筑工程竣工质量进行验收。常用的验收方法有：静载荷试验；标准贯入试验；轻便触探试验；动测法；静力触探试验。1.2 抛石挤淤法抛石挤淤为强迫换土的一种形式，通过在软粘土中抛入较大的片石、块石，使片石、块石强行挤出软粘土并占据其位置，以此来提高地基承载力、减小沉降量，提高土体的稳定性。抛石挤淤法一般适用于厚为34m的软土层和常年积水且不易抽干的湖、塘、河流等积水洼地，

10、以及表层无硬壳、软土的液性指数大、层厚较薄、片石能沉达下卧硬层的情况。由于抛石挤淤法施工简单，不用抽水、不用挖淤、施工迅速，所以现场乐于采用，特别是在路基工程中，当道路路基穿越或部分穿越河塘洼地时，更是常用此法来处理其下的软土地基。抛石挤淤法施工时，抛石顺序应自路堤中部开始，然后逐次向两旁展开，使淤泥向两侧挤出。当抛入的片石露出水面后，用重锤夯实或用压路机等机械碾压密实，然后在其上铺设反滤层再行填土(图7-2a)。当下卧岩层面具有明显的横向坡度时，抛石应从下卧层高的一侧向低的一侧扩展，并且在低的一侧适当高度范围内多抛填一些，以增加其稳定性(图7-2b)。 （a）换填片石 （ b）抛片石挤淤图7

11、-2 抛石挤淤1.3 重锤夯击法重锤夯实法即用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后使锤自由下落并重复夯击，使浅层土体变得密实，地基得以加固。重锤夯实法既是一种独立的地基浅层处理方法，也是换土垫层法压实的一种手段。 重锤夯实法适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土及分层填土等。但在有效夯实深度内夹有软粘土层时不宜采用。重锤夯实的影响深度和效果与锤重、锤底直径、落距以及土质条件等因素有关。一般夯锤采用圆台形，如图7-3所示，锤重宜大于20kN，锤底直径宜根据锤的单位静压力为1520kPa确定，夯锤落距一般大于4m。图73夯锤重锤夯击宜一夯换一夯顺序进行。在独立基础基坑

12、内，宜先外后内进行夯击。同一基坑底面标高不同时，应按先深后浅的顺序进行夯实。一般当最后两遍的平均夯沉量达到：粘性土及湿陷性黄土小于1.02.0cm，砂土小于0.51.0cm时，可停止夯击。对某个具体工程，为确定最少的夯击遍数、最后两遍平均夯沉量和有效夯实深度等，需事先进行现场试验。对于稍湿和湿、稍密中密的建筑垃圾杂填土，如采用重15kN、锤底直径1.15m的重锤夯击，且落高为34m，则其有效夯实深度约为1.11.2m（相当于锤底直径），夯击后地基承载力特征值一般可达到100150kPa。通常重锤夯击的有效夯实深度一般可达到1m左右，并可消除1.01.5m厚湿陷性黄土的湿陷性。1.4 土工织物土

13、工织物由高分子聚合物通过纺丝制成纤维而合成，是各种聚合材料的总称，也称之为土工合成材料。土工织物有多种形式，如以聚合物材料丝编而成的“土工网”；以聚合物体冲孔并拉伸制成的“土工格栅”；以及工程上要求不透水的“土工膜”等。根据制造工艺的不同，又可分为“有纺织物”、“无纺织物”和“编织物”等。土工织物在工程中的应用始于二十世纪五十年代末，随着土工合成材料研究的不断深入，其物理、力学性能不断得到改善，应用于工程中可以产生多种作用（效果），因此已在我国的水利、铁路、公路、港口、建筑、矿冶和电力等领域中逐步推广应用。1.土工织物的作用(1).反滤作用将土工织物置于上游面的块石护坡下面，土工织物将与其相邻

14、接触部分土层共同形成一个反滤系统，起到反滤、隔离和防冲刷的作用，也可铺放在下游排水体(褥垫排水或棱体排水)周围起反滤作用，防止管涌。(2).排水作用土工织物除了可作透水反滤外，由于其具有良好的三维透水性，还可使水经过土工织物的平面沿水平向(水平铺设)或竖向(竖直铺设)排出，起到加速填筑土体排水固结过程的作用。(3).隔离作用土工织物可设置在两种不同的材料之间，既不使不同材料相互混杂，又能保持整个构筑体统一的作用。在道路工程中，可防止因软弱土层浸入路基碎石中而引起的翻浆冒泥现象，避免道路破坏；在堆放材料和储存时，可防止材料损失和劣化、废料的扩散污染；但用作隔离废料扩散污染的土工织物，其渗透性应远

15、小于被隔离废料土的渗透性；承受动力荷载时，也可用不透水的土工膜。(4).加筋作用当土工织物设置在基础与地基之间、设置在路基或坝体与地基之间,以及设置在填料内部时，由于它与土界面上的摩擦力和咬合力，可减小竖向应力并限制土体的侧向位移，从而提高土体的强度与稳定性，减小土体的侧向与竖向位移。用于加固土坡和堤坝时，使用土工织物可使边坡变陡，节省占地面积，防止滑动圆弧通过路堤和地基土；防止因堤下地基土或堤坝本身强度不足而造成的堤坝破坏；还可跨越可能的沉陷区等。用于加固地基时，土工织物所具有的较高抗拉强度和韧性，使上部结构传至地基的荷载能均匀地分布到土层中去，阻止地基破坏面的出现，提高地基承载力；可以阻止

16、土体的侧向挤出，从而减小地基变形、增加地基稳定性。用于挡土墙工程时，在墙后填土中每隔一定垂直距离铺设土工织物，使其与墙体牢固联结，土工织物与土界面的摩擦力部分抵消了作用在墙上的土压力，使得墙体的厚度大为减小，减轻了墙体重量，增加挡土墙在软土地基上的适用性，并提高挡土墙自身的抗倾覆稳定性。工程实践表明，土工织物不论作为一种独立的方法，还是与其他方法一起对软土地基进行加固处理，都有显著的效果。现举一工程实例说明之。图7-4 土工织物加固软土路堤某铁路路基工程，路堤高9.2m，路堤下地质条件为：粘砂土硬壳层厚13m，泥炭、软粘土类夹植物根叶和树干，厚57m。地基采用土工织物与砂井共同处理，如图7-4

17、所示。砂井直径0.3m，间距4m，穿透软土层；在路堤底部分两层铺设土工织物，两层土工织物间垫0.3m厚的砂，土工织物上、下各铺设0.2m厚的砂，砂层共厚0.7m，既是土工织物的保护层，又是与砂井连通的砂垫层。土工织物力学性能为：经向抗拉强度2500N/5cm，纬向抗拉强度1800 N/5cm，延伸率20%。地基处理完毕后，仅43天就填到设计高度9.2m，路堤稳定，经过二年多通车运行后再测量，路堤仅下降0.070.36m。上述工程实例说明，土工织物（或与其他方法联合）处理软土地基，不仅可提高地基承载力（处理后达到了路堤填筑高度），而且对地基的沉降也有改善作用，减小了路堤中心的沉降量。2.土工织物

18、的特点与性能土工织物纤维品种多样，有聚酰胺纤维（如尼龙、锦纶）、聚脂纤维（如涤纶）、聚丙烯纤维（如腈纶）、聚乙烯纤维（如维纶）和聚氯乙烯纤维（如氯纶）等；产品形式多样，有土工网、土工格栅和土工膜，可适用不同工程的需要；质地柔软、重量轻、厚度薄、可连续施工，原材料的相对密度为：丙烯0.91，聚乙烯0.920.95，聚脂1.221.28，聚乙烯醇1.261.32，尼龙1.051.14，常用的单位面积质量1001200g/m2,厚度一般为0.15mm，最厚也仅十几毫米；施工方便、抗拉强度高，没有显著的方向性，各向强度基本一致，常用的无纺型土工织物抗拉强度一般为1030kN/m，高强度的为30100k

19、N/m，常用的有纺型土工织物为2050kN/m，高强度的为50100kN/m，特高强度的编织物（包括带状织物）为1001000kN/m，一般土工格栅为30200kN/m，高强度的为200400kN/m；弹性、耐磨性、耐久性和抗微生物侵蚀性好，不易霉变和虫蚀，由聚乙烯、聚丙烯原材料制成的土工织物，在受保护的条件下，其老化时间可达50100年；渗透性和疏导性好，水可竖向、横向排出，土工织物水平向渗透系数为1×10-11×10-3cm/s；产品为工厂制造，材质易保证，施工快捷，造价低廉，与砂垫层相比可节省大量砂、石材料，节省费用1/3左右；适应性强，可用于加固软弱地基或边坡，作为

20、土中的加筋与地基土构成复合地基后，承载力可提高34倍，显著减小地基沉降量，提高地基稳定性。1.5 强夯法1. 概述强夯法加固地基，是指通过用专门的起重设备和方法，将重锤（一般为80300kN，最重可达2000kN）从高处(一般为812m，最高达到40m)自由下落，通过对地基土施加很大的冲击能（一般能量为5008000kN·m），从而使地基土强度提高、土的压缩性降低，提高砂土的抗液化强度，消除湿陷性黄土的湿陷性，降低将来可能出现的差异沉降，以达到地基加固的目的。强夯法也称为动力固结法。对高饱和度的粉土和粘性土地基，曾有人在夯坑中回填块石、碎石或其他粗颗材料，然后再将其强行夯入并排开软土

21、，最终形成砂石桩与软土构成的复合地基，此时则称之为强夯置换法（或动力置换、强夯挤淤）。图7-5 堆载预压与强夯的对比强夯法于二十世纪六十年代末，由法国Menard技术公司首创，对Riviera滨海填土进行夯实。该场地地质条件为新近填筑的、厚约9m的碎石填土，其下是厚12m疏松的砂质粉土，场地上要求建造20幢8层的住宅。由于碎石填土完全是新近填筑的，需要对地基进行加固处理，如图7-5所示。经3个月预压（荷载100kPa），沉降值达200mm，后又重新综合分析，认为该地基土质较差，最终决定采用强夯法处理。选用重约100kN的夯锤，落距13m，对地基进行夯击后，量测整个场地的平均沉降量约为500mm

22、，经对夯后的土层勘探取样并做土工试验，结果表明土的各项物理、力学性质指标得到了较大的改善，基底压力采用300kPa是有保证的。建造的8层住宅竣工后，其平均沉降量仅为13mm，而差异沉降则可忽略不计，应用获得了成功。随着Menard技术公司强夯法应用于地基处理获得成功，经过二、三十年的继续发展和应用，人们对该法的认识不断深入，应用的工程范围也日趋广泛。目前强夯法已在工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等工程的软土地基中得到了广泛的应用，也是我国目前较为经济的一种地基处理方法。2. 加固机理及适用条件 强夯法在工程中虽已得到了广泛应用，并取得了较好的效果，但时至今日，

23、人们对其加固机理和设计计算理论的认识还有待于进一步深化。土的类型的不同，强夯加固的机理亦有所不同。对于粗颗粒、非饱和的土体，通过强夯法，给土体施加动力荷载，夯击能使土的骨架变形，土体孔隙减小变得密实，非饱和土的夯实过程，就是土中的空气被挤出的过程。由于提高了土的密实度，使土体抗剪强度提高，压缩性减小。因此强夯法加固处理多孔隙、粗颗粒、非饱和土体，其机理实质是动力密实。对于饱和的细颗粒土，强夯法处理机理则为动力固结。当巨大的冲击能量施加于土体后产生很大的应力波，存在于土体中的微气泡体积压缩，从而使土体体积得到压缩，土体体积压缩后孔隙水压力增加，增加至上覆压力值时，土体产生液化（局部液化），之后土

24、体结构遭到破坏，使土体产生很多裂隙，改善土体透水性能，使孔隙水顺利逸出，待孔隙水压力消散后，土体固结，强度提高，压缩性减小。在强夯的同时，夯坑中可置入碎石，强行挤走软土，即强夯置换。强夯置换可分为整式置换和桩式置换，如图7-6所示。整式置换是通过强夯把碎石整体挤入淤泥中，其作用机理类似于换土垫层；桩式置换是通过强夯将碎石挤入土体中，并形成碎石桩（墩），形成的碎石桩(墩)与桩(墩)间土一起构成复合地基，共同承受外荷载，抵抗变形。（a）整式置换 （b）桩式置换图7-6 动力置换类型强夯法刚问世时，主要用于加固砂土和碎石土等粗颗粒地基；随着强夯法试验研究工作的逐步深入，在碎石土、砂土、低饱和度的粉土

25、与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基中得到了广泛的应用。对于高饱和度的粉土和粘性土，当采用在夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料进行强夯置换时，应通过现场试验确定其适用性。强夯法在建筑物密集地区严禁使用，以防止强夯时对邻近建筑物产生破坏。3. 施工技术参数及基本施工步骤(1).夯锤与落距 单击夯实能是强夯法施工的重要技术参数之一。单击夯实能大，夯击击数和夯击遍数少，有效加固深度大，加固处理的技术效果与经济效益均较好。单击夯击能为夯锤锤重和落距的乘积，因此，夯锤锤重和落距是影响单击夯击能大小的两个参数。目前国内在强夯法中所用的夯锤锤重为100150kN（最大为400kN），夯锤落高一般为8

26、25m，夯锤的平面形状常为圆形和方形，夯锤有气孔式和封闭式两种。实践证明，圆形和带气孔的锤较好，可克服方形锤夯击时因上下两击着地不完全重合，而造成的夯击能量损失和着地时倾斜的缺点，减小起吊夯锤时的吸力和夯锤着地前瞬时气垫的上托力，防止能量损失。(2).夯击点布置及间距 夯击点布置应根据具体建筑物的结构类型而定。对于基底面积较大的建筑物或构筑物，夯击点一般按等边三角形或正方形布置；对办公楼和住宅建筑等，按承重墙位置，一般采用等腰三角形布点。对独立柱基，可按柱网单点或成组布置，在基础下面必须布置夯点。强夯点在平面上的布置范围，应为（L+H）×（B+H），其中，L为基础长度、B为基础宽度、

27、H为加固深度。夯击点间距一般根据地基土的性质和要求处理的深度而定。夯击点间距通常为515，为了使深层土得以加固，第一遍夯击点应大些，以使夯击能传递到深处。(3). 单点夯击击数与夯击遍数单点夯击击数是指单个夯点一次连续夯击的次数，整个场地完成全部夯击点称为一遍，单点的夯击遍数加满夯的夯击遍数为整个场地的夯击遍数。单点夯击击数应按现场试夯得到的夯击击数与夯沉量关系曲线确定，且应同时满足下列条件： 最后两击的夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时不大于100mm； 夯坑地面周围不应发生过大隆起； 不因夯坑过深而发生起锤困难。一般情况下，夯击遍数为23遍，最后再以低能量夯一遍，使松动的表层土得到夯实。对于渗透性弱的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加。(4). 间歇时间为有利于土中超静水压力的消散，当工程需要分两遍或多遍夯击时