情境3(单元1单一地基处理)

1、情境三 人工地基工程施工 1. 了解人工地基分类。 2. 掌握垫层的作用、设计方法、施工要点。 3. 掌握排水固结法原理、构造、施工工艺。 4. 掌握强夯法加固机理、设计参数、施工步骤。 5. 掌握挤密法加固原理、构造、施工方法。 6. 掌握深层搅拌法加固原理、设计要点、施工方法。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 一、 概述 在软弱地基或特殊土地基上修建桥涵或填筑路基时，其天然地基的承载力往往比较低或承载力不稳定，需采用人工加固方法增强地基强度和改善地基土性能，从而提高地基承载力，这种采用人工方法加固地基的工程称为人工地基工程。 软弱地基处理的目的是改善地基土的性质，达到满足路基或桥梁对

2、地基强度、变形和稳定的要求，其中包括改善地基土的渗透性，提高地基强度或增加其稳定性，降低地基的压缩性以减小其变形，改善地基的动力特性以提高其抗液化性能。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 根据地基处理方法的原理，常用地基处理方法如表3.1.1所示。由于各种地基处理方法具有不同的适用范围和优缺点，具体选用时应结合场地的工程地质条件、地基处理的要求和施工条件，经综合分析比较，选择经济合理的处理方法。同时，还需注意环境保护，避免对地面及地下水体产生污染，以及避免振动噪音对周围环境产生不良影响等。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 二、 换土垫层法 1.

3、原理及适用范围原理及适用范围 换土垫层法（又称换填法）是将处于路基或桥梁基础底面以下一定深度内的软弱土挖去或部分挖去，分层回填强度较高的砂、碎石或灰土以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并夯实或压实后作为地基持力层。常用的垫层有：砂垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、矿渣垫层等。垫层的作用主要体现在以下几个方面：单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （1） 提高浅层地基承载力。以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料置换基础下较弱的土层，可提高浅层地基承载力，避免地基的破坏。 （2） 减小地基沉降量。一般浅层地基的沉降量占总沉降量比例较大。如以密实砂或其他填筑材料代替上层软弱土层，就可以减小这部分的沉降量

4、。由于砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减小下卧层土的沉降量。 （3） 加速软弱土层的排水固结。砂垫层和碎石垫层等垫层材料透水性强，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （4） 防止冻胀。粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。 在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，如房屋建筑物基础下的砂垫层主要起换土的作用，而在路堤及土坝等工程中，往往以排水固结为主要作用。 换填法适用于建筑物荷载不大时

5、的浅层软土（软土厚度3 m）地基处理，可用于处理淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、膨胀土、素填土、杂填土、季节性冻土地基以及暗沟、暗塘等浅层软基。但砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基，因为砂垫层较大的透水性反而易引起土的湿陷。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 2. 2. 垫层的设计要点垫层的设计要点 垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。其设计内容主要是确定断面的合理厚度和宽度。对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。对于有排水要求的垫层来说，还需形成一个排水面，促进软弱土层的固结，提高其强度，以满足

6、上部荷载的要求。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 1 1） 垫层厚度的确定垫层厚度的确定 垫层厚度应根据垫层底面处下卧层的承载力确定，如图3.1.1所示。垫层底面处的附加应力与土自重应力之和不应超过同一标高处下卧层的容许承载力，其表达式为： pz+pczfz （3.1）式中 fz垫层底面处土层的地基承载力，kPa； pz垫层底面处的附加应力，kPa； pcz垫层底面处土的自重应力，kPa。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理图图3.1.1 砂垫层内应力分布砂垫层内应力分布单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 具体计算时，一般可根据垫层的容许承载力确定基础宽度，再根据下卧层的承载力确定

7、垫层的厚度。垫层的厚度一般不宜大于3 m，太厚造价太高、施工困难；太薄（0.5 m）则垫层作用不明显。 单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 垫层底面处的附加应力值pz可分别按式（3.2）和式（3.3）简化计算：矩形基础 pz=b(ppc)/b+2ztan （3.2）条形基础 pz=bl(ppc)/(b+2ztan)(l+2ztan)（3.3）式中 p基础底面压应力，kPa。 pc基础底面处土的自重应力，kPa。 l、b基础底面的长度和宽度，m； z基础底面下垫层的厚度，m； 垫层的压力扩散角，可按表3.1.2采用。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理单元一单元一 单一地基处理单一地基处理

8、 （2） 垫层宽度的确定垫层宽度的确定 垫层宽度b需满足两方面要求：一是满足应力扩散的要求；二是防止垫层向两边挤出。一般可按下式或根据当地经验确定。 bb+2ztan (3.4) 式中 b、z、物理意义与同式（3.3）。 整片垫层的宽度可根据施工要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于0.3 m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑所要求的坡度放坡。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （3 3） 沉降验算沉降验算 对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形验算。建筑物基础的沉降S小于或等于建筑物允许沉降S。而建筑物基础的沉降S=垫层自身的变形量S1+下卧土层的变形量S

9、2。 3. 3. 垫层的施工要点垫层的施工要点 （1 1） 垫层材料选择垫层材料选择 不同垫层的材料有不同的要求。例如砂垫层，砂料以中粗砂为宜，要求不均匀系数不小于5，有机质含量、含泥量和水稳定性不良的物质均不宜超过3，且不得含有大石块。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （2 2） 基坑开挖要求基坑开挖要求 施工时必须避免扰动软弱下卧层的结构。一般基坑开挖后立即回填垫层，不可暴露过久、浸水或任意践踏坑底。垫层底面宜铺设在同一标高上，如深度不同，地基土面应挖成踏步或斜坡搭接，各层错开0.51.0 m，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。 （3 3） 垫层填筑压实工艺垫层填筑压实工

10、艺 垫层填料应分层填筑、分层压实。每层铺填厚度应控制在2030 cm，压实度逐层进行检验，合格后方可进行上层施工。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 三、三、 排水固结法排水固结法 1. 1. 加固原理及适用范围加固原理及适用范围 排水固结法（又称预压法），是在软基中设置砂井、塑料排水板等竖向排水体，然后加载预压，使土体中的孔隙水排出，土体逐渐固结，地基发生沉降，同时强度得以逐步提高的一种地基处理方法。 排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成。加压系统有堆载预压和真空预压两种。排水系统由竖向排水体和水平排水体两部分组成，竖向排水体采用砂井、袋装砂井或塑料排水板等；水平排水体常采用砂垫

11、层，如图3.1.2所示。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理图图3.1.2砂井布置图砂井布置图(a) 立面图；（立面图；（b） 正方形布置；（正方形布置；（c） 等边三角形布置；（等边三角形布置；（d） 砂井的排水途径砂井的排水途径单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 2. 2. 砂井的构造砂井的构造 砂井的构造主要指砂井的直径、间距、深度、平面布置以及砂垫层的布置等。 （1 1） 砂井的直径砂井的直径d dw w 砂井的直径由黏性土层的固结特性和施工期限确定。 因缩小井距要比增大砂井直径更有利于加速土层的固结，故原则上采用“细而密”的布置方案。砂井的直径不宜过大或过小，过大不经济；过小，

12、施工易造成灌砂率不足、缩颈或砂井不连续等质量问题。普通砂井直径dw为3050 cm，袋装砂井直径为710 cm。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （2 2） 砂井的深度砂井的深度 砂井深度的选择与土层分布、地基中附加应力的大小、施工期限和条件等因素有关。当软黏土层不厚（H=1020 m），底部有透水层时，砂井应尽可能穿透软黏土层；当软黏土层较厚(H20 m)，但其间有砂层或砂透镜体时，砂井应尽可能打至砂层或透镜体；当软黏土层很厚，其中又无透水层时，可按地基的稳定性及建筑物变形要求来决定。以地基抗滑稳定性控制的工程，如路堤、土坝、岸坡、堆料场等，砂井深度应通过稳定分析确定，且砂井深度至少应

13、超过最危险滑动面2 m。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 以沉降控制的工程，如压缩土层厚度不大，砂井易贯穿；压缩土层深厚，则砂井深度应根据在限定的预压时间内应消除的变形量确定。 工程应用中，砂井的深度一般为1020 m。 （3 3） 砂井的布置和间距砂井的布置和间距 砂井常按正方形或等边三角形（即梅花形）布置，如图3.1.2（b）、(c)示。由于梅花形排列较正方形紧凑有效，故应用较多。砂井的布置范围应稍大于建筑物基础范围，即由基础轮廓线向外增大约24 m。砂井的间距s与单根砂井的有效排水圆柱体直径de图3.1.2（b）、(c)、（d）有关：单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 当采用正

14、方形布置时：s=1/ /1.13de （3.5） 当采用等边三角形布置时：s=1/ /1.05de （3.6） 而单根砂井的有效排水圆柱体直径de又与砂井的直径dw存在如下关系，de=ndw （3.7）式中 n砂井的井径比（普通砂井n=68，袋装砂井或塑料排水板n=1522）。 工程应用中，砂井的间距一般取13 m。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （4 4） 砂垫层砂垫层 在砂井顶面应铺设排水砂垫层，以连通各个砂井形成通畅的排水面，将水排到场地以外。砂垫层厚度一般为0.30.5 m；水下施工时，砂垫层厚度一般为1 m左右。为节省砂子，也可采用连通砂井的纵横砂沟代替整片砂垫层，砂沟的高度

15、一般为0.51.0 m，砂沟宽度取砂井直径的2倍。 （5 5） 砂井和砂垫层的材料砂井和砂垫层的材料 砂井和袋装砂井的砂料宜采用中粗砂，渗透系数不小于10-2cm/s，含泥量应小于3%。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 袋装砂井应用干砂灌实，袋口扎紧；底部置于设计深度，顶面高出孔口200 mm，以便埋入砂垫层中。袋装砂井的砂袋可采用聚丙烯、聚乙烯等材料制成，砂袋的渗透系数应不小于砂的渗透系数。 砂垫层的砂料也宜采用中粗砂，渗透系数不小于10-2cm/s，含泥量应小于5%。 3. 砂井的施工砂井的施工 普通砂井成孔方法有沉管法、射水法。袋装砂井和塑料排水板施工采用导管式振动打桩机、塑料排水

16、板插板机等。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （1 1） 普通砂井的施工工艺流程普通砂井的施工工艺流程 排除地面水、整平原地面铺设砂垫层（厚2030 cm）桩机就位打设桩管到设计深度向桩管中灌注砂子拔起桩管，活瓣桩尖张开，砂留在桩孔中将桩管再次打到设计深度再灌注砂子拔起桩管完成扩大砂井同法打设其他点位处的砂井全部砂井打设完毕后，铺上层水平砂垫层（厚约1 m）。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （2 2） 袋装砂井施工工艺流程袋装砂井施工工艺流程 排除地面水、整平原地面铺设砂垫层（厚2030 cm，便于桩机就位）桩机就位打设套管到设计深度沉入砂袋拔起套管，砂袋留在桩孔中埋置砂井头（使

17、其竖立，防止砂井头歪斜）同法打设其他点位处的袋装砂井全部袋装砂井打设完毕后，铺上一层水平砂垫层（厚约1 m）。袋装砂井施工图如图3.1.3所示。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理图图3.1.3 袋装砂井施工袋装砂井施工(a)打设套管打设套管;(b)沉入砂袋沉入砂袋;(c)埋置砂井头埋置砂井头单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 沉入砂袋的方法有两种：一种是将砂袋装好备用，待成孔后将砂袋沉入套管形成的桩孔中（通常套管直径应略大于袋装砂井直径，便于袋装砂井下沉）；另一种是成孔后先将空袋置入套管，再装砂入袋，采用此种方法时，需预先在空袋中装2030 cm高的砂子作为压重，再将袋装入套管，使袋下

18、沉到设计深度，然后把袋子固定到装砂子用的出料口，由漏斗将砂子装入袋中，装满砂子后取下袋子。 拔套管时拧紧套管上盖，一边把压缩空气送进套管（防止将砂袋带上来），套管下盖自动打开，一边提升套管。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 4. 4. 真空预压法真空预压法 真空预压法是先在需加固的软土地基表面铺设一层透水砂垫层或砂砾层，再在其上覆盖一层不透气的塑料薄膜或橡胶布，四周密封，与大气隔绝，在砂垫层内埋设渗水管道，然后与真空泵连通进行抽气，使透水材料保持较高的真空度，在土的孔隙水中产生负的孔隙水压力，将土中孔隙水和空气逐渐吸出，从而使土体固结，如3.1.4所示。对于渗透系数小的软黏土，为加速孔隙

19、水的排出，也可在加固部位设置砂井、袋装砂井或塑料排水带等竖向排水系统。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理图图3.1.4真空预压真空预压1塑料膜或橡胶布；塑料膜或橡胶布；2砂垫层；砂垫层；3淤泥；淤泥；4砂井；砂井；5黏土；黏土；6集水罐；集水罐；7抽水泵；抽水泵；8真空泵真空泵单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 真空预压法具有如下特点： （1 1） 不需要大量堆载，节省运输和造价；不需要大量堆载，节省运输和造价； （2 2） 无需分期加荷，工期短，效果好；无需分期加荷，工期短，效果好； （3 3） 无噪声、无振动、无污染。无噪声、无振动、无污染。 真空预压法的实质是利用大气压差作为预压

20、荷载，其成功的关键在于能否形成负压区，并要求薄膜和四周地基浅层土体不漏气，这些在施工过程中应特别给予重视。 真空预压法适用于：饱和均质黏性土及含较薄砂夹层的黏性土，特别适用于新冲填土、超软黏性土地基的加固。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 四、四、 碾压法与夯实法碾压法与夯实法 碾压与夯实是修路、筑堤、加固地基表层最常用的简易处理方法。通过夯锤或机械的夯击或碾压，使填土或地基表层疏松土孔隙体积减小，密实度提高，从而降低土的压缩性，提高其抗剪强度和承载力。目前常用的方法有：振动压实、重锤夯实以及20世纪70年代发展起来的强夯法等。 1. 1. 振动压实法振动压实法 振动压实法是用振动压实机

21、在地基表层施加振动，将浅层松散土振实的方法。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 振动压实的效果取决于振动力的大小、填土的成分和振动时间。一般来说，振动时间越长，效果越好。但振动超过一定时间后振实效果将趋于稳定。因此，在施工前应进行试振，找出振实稳定所需要的时间。振实时应从基础边缘外放0.6 m左右，先振基槽两边，后振中间。振实有效深度可达1.5 m。如地下水位过高，则影响振实质量。此外，为避免振动对周围建筑物的影响，要求振源与建筑物的距离应大于3 m。 该法适用于：处理砂土和由炉灰、炉渣、碎砖等组成的杂填土地基。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 2. 2. 重锤夯实法重锤夯实法 重锤

22、夯实法是利用起重机械将夯锤提到一定高度后，让锤自由落下，重复夯击使地基被压密以加固地基的方法。对于湿陷性黄土，重锤夯实可降低表层土的湿陷性；对于杂填土，则可降低其不均匀性。 重锤通常由钢筋混凝土制成，锤重一般不小于15 kN，锤底直径为0.71.5 m，落距2.54.5 m；有效夯实深度为锤底直径。 重锤夯实法的效果与锤重、锤底直径、夯击遍数、落距、土的种类、含水量等有密切的关系，应当根据设计的夯实密度及影响深度，通过现场试夯确定有关参数。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 当地下水位离地表很近或软弱土层埋置很浅时，重锤夯实可能产生“橡皮土”的不良效果。该法适用于处理距离地下水位0.8 m

23、以上稍湿的杂填土、黏性土、湿陷性黄土和分层填土等地基，但有效夯实深度内存在软黏土层时不宜采用。主要用于浅层地基土加固，加固深度一般为1.22 m。 3. 3. 强夯法强夯法 强夯法是用起重机械将重锤（一般为80300 kN）从630 m高处下落，以强大的冲击能强制压实加固地基深层的密实方法，如图3.1.5所示。该法可提高地基承载力，降低其压缩性，减轻甚至消除砂土振动的液化危害，消除湿陷性黄土的湿陷性等。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 一般地基土强度可提高25倍，压缩性可降低210倍，加固影响深度可达610 m。图图3.1.5 强夯法强夯法(a)强夯机械；强夯机械；(b)夯坑夯坑单元一单

24、元一 单一地基处理单一地基处理 （1） 强夯法的加固机理及适用范围强夯法的加固机理及适用范围 强夯法的加固机理与重锤夯实法有本质的区别。强夯法在夯击地基时，除产生强大的冲击能外，还在地基中产生强大的动应力和冲击波，进而对土体产生：压密作用，土中孔隙体积被压缩；局部液化作用，导致土体内孔隙水压力骤然上升，当与上覆压力相等时，土体即产生局部液化，土丧失强度，土粒重新自由排列；固结作用；时效作用。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 对多孔隙、粗颗粒、非饱和土，为动力密实机理。即强大的冲击能，强制超压密地基，使土中气相体积大幅度减小。对细粒饱和土，为动力固结机理。即强大的冲击能与冲击波，破坏土的结

25、构，使土体局部液化并产生许多裂隙，作为孔隙水的排水通道，使土体固结；土体触变恢复压密土体。 强夯法适用于碎石土、砂土、建筑垃圾、低饱和度的粉土、黏性土、素填土、杂填土和湿陷性黄土等地基，也可用于防止粉土及粉砂的液化；对于淤泥与饱和软黏土，如采取一定措施，也可以采用。但强夯法不得用于对工程周围建筑物和设备有一定振动影响的地基加固，必需时，应采取防振、隔振措施。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 （2 2） 强夯法的设计参数强夯法的设计参数 应用强夯法加固软弱地基，一定要根据现场的地质条件和工程的使用要求，正确地选用各项技术参数。 夯击能夯击能 夯击能分单击夯击能和单位夯击能。 单击夯击能是指

26、锤重与落距的乘积。单击夯击能不能太小，否则无法使水与土颗粒产生相对流动，水不能排出，重复夯击还容易使地基变成橡皮土。 目前国内采用的最大单击夯击能为8000 kNm。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 单位夯击能是指单位面积上所施加的总夯击能。单位夯击能应根据地基土类别、结构类型、荷载大小和需处理深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。一般对粗颗粒土可取10003000 kNm/m2；细颗粒土可取15004000 kNm/m2。 夯击次数夯击次数 夯击次数指单个夯点一次连续夯击的次数。夯击次数应按现场试夯得到的锤击数和夯沉量关系曲线确定，且应同时满足：最后两击的平均夯沉量不大于50 mm，当单击夯击能量较大时不大于100 mm；夯坑周围地面不应发生过大隆起；不因夯坑过深而发生起锤困难。每夯击点之夯击次数一般为310击。单元一单元一 单一地基处理单一地基处理 夯击遍数、两遍间隔时间夯击遍数、两遍间隔时间 夯击遍数（对整个场地完成全