湿陷性黄土及地基处理

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse湿陷性黄土及地基处理前言：一、湿陷性黄土及地基处理课程的重要性及意义湿陷性黄土的概念：由于黄土颗粒表面含有可溶盐，同时其结构具有肉眼可见的近乎铅直的小管孔、在雨水及地表水的浸湿下可溶盐溶解，从而使小土颗粒向大孔隙中滑移，导致地面沉陷，具有这种性质的土称为湿陷性黄土；湿陷性黄土对工程的影响：建筑物开裂、突然下陷、突然失稳等；1）建筑工程的安全和使用要求;强度（C、）、变形（下沉过大）；2）地基处理的重要性：增加强度、减少变形。二、学习本课程的目的通过该课程的学习使同学们掌握湿陷性黄土的设计与施工基本知识及地基处理的方法、技巧等三、本课程的学习方法课堂教学：采用多媒体教学与板面教学相结合的方法进行；参读关于湿陷性黄土及地基处理、软弱土地基处理等方面的资料；第一章：黄土的分布、成因、分类第一节：黄土的分布一、分布范围世界各大洲均有黄土分布，各大洲黄土覆盖面积占其总面积的比例分别为:欧洲7%、北美5%、南美10%、亚洲3%。中国黄土主要分布在黄河流域，比较集中的是黄河中游，如山西西部，陕西及甘肃大部分地区内黄土最为发育，地层齐全，厚度大，分布广而连续，除这一区域外，在河北、山东、内蒙、辽宁、吉林、青海、新疆、宁夏南部也有黄土分布，但发育程度均显次之。二、中国黄土分布的特点1、黄土基本分布在我国北方各省及自治区，南部大致以昆仑山、祁连山、秦岭为界，向东延至泰山和鲁山以北地区。2、黄土分布地区气侯干燥，降水量少，蒸发量大，属于干旱和半干旱地区，与世界上其它黄土地区的气侯条件相似。黄土分布地区年降水量多为250—500mm,年降水量小于250mm的地区，则黄土较少，而代之的是沙漠和戈壁；年降水量大于750mm的地区基本上没有黄土分布。3、黄土的分布地区的北面与沙漠和戈壁相连，自北而南，戈壁-沙漠-黄土三者逐渐过渡，东西向呈条带状排列。近沙漠地区黄土颗粒成分较粗，向南逐渐变细。4、黄土分布呈东西走向的带状横贯我国北方，这是受我国北方山脉地理气侯条件的控制而造成的。三、黄土主要分布在黄河中游，地层全、厚度大，这就是黄土地区地下建筑在这一地区得到进一步发展的客观原因。四、黄土的分布厚度黄土是典型的大陆性更新世沉积物，黄土厚度最大可达300米。第二节黄土的年代、成因黄土沉积于第四纪更新世，并延续到全新世，至今仍有黄沉积。黄土最早年代距今有240万年。黄土的成因问题仍在探讨和争论，有风说、水说及多成因说。而一般认为风成为主。其依据如下：1、从黄土的分布特征和颗粒的粗细变化来看，我国黄土与沙漠和戈壁三者是自南而北逐渐过渡的，而且呈东西带状排列，黄河中游地区黄土颗粒由东南至西北逐渐由细变粗，这种变化可以说明黄土是由风力搬运而来。2、从这一区域中的高山与低地均有黄土分布的情〉兄，可以得知黄土是风成的，除风力搬运外，其它成因是不好解释的。3、黄土厚度具有坡向性迎风面厚度大。4、随着地面的起伏而起伏，只有风说可以解释。5、物质成份与当地的岩石无关。6、土层中的化石为干草原型动物。7、构造无层理。第二节黄土的分类及其特征一、黄土的分类；从有无湿陷性来分：湿陷性黄土（自重湿陷湿陷性黄土、非自重湿陷湿陷性黄土）非湿陷性黄土二、特征：湿陷湿性黄土遇水湿陷，非湿陷性黄土遇水不湿陷；自重湿陷性黄土在自重作用下遇水湿陷，非自重湿陷性黄土在无荷载作用下遇水不湿陷第二章湿陷湿黄土地基评价第一节黄土湿陷的原因与主要影响因素内因：黄土内有肉眼可见的大孔隙；黄土颗粒表面含有可溶盐夕卜因：水浸入可溶盐溶解影响因素：天然空隙比与天然含水量。天然空隙比大，湿陷性强；天然含水量高，湿陷性低。第二节黄土湿陷性的判定黄土的湿陷性判定多用室内侧限压缩试验所得的湿陷系数来判定，试验方法基本同一般土，所不同的是在规定压力作用下并压缩稳定后开始浸水，计算土样在浸水前后并压缩稳定后的高度或孔隙比，求出湿陷系数s，用来判定黄土是否具有湿陷性，黄土的湿陷系数按下式计算："或："shs1e其中：七、\--分别是保持天然含水量和结构的土样，在侧限条件下加压到规定压力P（KPa）时，压缩稳定后的高度（cm）和孔隙比；h/,e/分别是上述加压稳定后的土样，在浸水作用下压缩稳定后的pp高度（cm）和孔隙比；ho,匕分别是土样的原始高度（cm）和原始孔隙比；当s0.015时，定为非湿陷性黄土；当s0.015时，定为湿陷性黄土。实验温室湿陷系数的垂直压力，自基础底面（初步勘察时，自地面下1.5米）算起，10米以内的土层压力用200Kpa;10米以下至非湿陷性土层顶面，应用其上覆土的饱和自重压力（当大于300Kpa时，仍用300KPa）。当基底压力大于300Kpa时，宜按实际压力测定的湿陷系数来判定黄土的湿陷性。湿陷性黄土按湿陷系数的大小分为三类：s0.03时，称为弱湿陷性（洛阳）；当0.03s0.07的称为中等湿陷性（太原）；当0.07时，称为强湿陷性（兰州）。s第三节湿陷性黄土场地的自重湿陷性场地的湿陷类型按自重湿陷量或计算自重湿陷量zs来判定自重湿陷量7cm时，应定为非自重湿陷性黄土场地；自重湿陷量7cm时，应定为自重湿陷湿黄土场地。自重湿陷量：zs=°nwhii1式中：zsi第i层土在上覆土的饱合自重压力下的自重湿陷系数hh/zsih0其中：hz保持天然湿度和结构的第i个土样，加压至土的饱合自重压力时，下沉稳定后的高度。h/--上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定z后的高度。h0--第i个土样的原始高度。气第i层土的厚度（cm）;h°--因地区而异的土质修正系数。查规范。第四节湿陷性黄土地基的湿陷等级黄土地基总湿陷量s式中：si第i层土的湿陷系数；hi第i层土的厚度；考虑地基土的侧向挤出的浸水机会等因素的修正系数（见规范）。湿陷黄土的计算厚度总湿陷量自基础底面以下算起，在非自重湿陷性黄土场地，累计至基底下5米（或压缩层）深度为止；在自重湿陷性黄土场地，对一、二类建筑应穿过湿陷性土层，累计至非湿陷性土层顶面；对三、四类建筑当基底下的湿陷性土层厚度大于10米时，累计深度按当地经验确定。3.黄土地基的湿陷等级\湿陷计算'类型自重湿陷量\总湿陷量s（cm）\非自重湿陷性场地自重湿陷性场地一级（轻微）二级（中等）—二级（中等）二或三级三级（严重）—三级（严重）四级（很严重）第五节黄土的湿陷起始压力湿陷性黄土受压浸水后，开始出现湿陷现象时的压力称湿陷起始压力Psh（KPa）。也就是说，如果用在湿陷性黄土地基上的压力小于这个湿陷起始压力，地基即使浸水，也不会发生湿陷。一、黄土湿陷起始压力的测定方法湿陷起始压力采用载荷浸水试验中p-s浸的第一拐点。二、影响湿陷起始压力的因素1、粘粒含量的影响：粘粒含量多，湿陷起始压力大。2、孔隙比的影响:孔隙比大，湿陷起始压力小。3、天然含水量大的影响：天然含水量高，湿陷起始压力大。4、埋深大，湿陷起始压力大。第六节含水量变化对湿陷性黄土地基工程特性的影响a）湿陷性黄土湿陷后，其性质与湿陷前截然不同；b）湿陷性黄土浸水饱合后，已没有湿陷性；c）低含水量的湿陷性黄土强度高；d）最佳含水量的湿陷性黄土在用于回填土时，不具备湿陷性的特点；否则，压实到最大密实度也具有湿陷性。第七节湿陷起始含水量湿陷性黄土在载荷或土自重压力作用下，受水浸湿时开始出现湿陷现象时的最低含水量。第八节地下水位上升对湿陷性黄土地基的影响一、地下水位上升的原因；年降水量的影响；蓄水池的涌水作用和渗漏；地表径流的改变和用水量的增加；灌溉渠道的渗漏二、地下水位上升所引起的地基湿陷变形；三、地下水位上升引起二次湿陷问题（由于气候的影响湿陷反复进行）；四、地下水位上升造成建筑物的开裂；五、地下水位上升的预测1生活、生产用水的排放，场地平整、迳流，排泄条件的变化，建筑工程中的地下结构的阻水作用等；2水源、水网、灌溉等六、地下水位上升的防治1）防止水进入地基；2）采用桩基；3）采用灰土垫层，改变土的水理性质；4）建筑单元不宜过长；5）建筑体型应力求简单；6）不同高度的建筑物应分开成独立单元。第三章湿陷性黄土地基上建筑分类及设计措施第一节湿隐性黄土地基上场址选择与总平面设计一・场址选择宜符合下列要求：具有排水畅通或利于组织场地排水的地形条件；避开洪水威胁的地段；避开不良地质现象发育和地下坑穴集中的地段；避开新建水库等可能引起地下水位上升的地段；避免将重要建设项目，布置在很严重的湿陷性场地或厚度大的新近堆积黄土，高压缩性的饱和黄土地段；避开由于建设可能引起工程地质条件恶化的地段。二.总平面的设计，应符合下列要求：合理规划场地，做好竖向设计，保证场地，道路和铁路等地表排水畅通；建筑范围内，地基的压缩性和湿陷性变化不宜过大；主要建筑宜布置在湿陷等级低的地段；在山前斜坡地带，建筑物宜沿等高线布置，填方厚度不宜过大。水池类构筑物和有湿润生产过程的厂房等，宜布置在地下水流向的下游地段或地形较低处。山前地带的建筑场地，应整平成若干单独的台阶，并应符合下列要求：台阶应具有稳定，性；避免雨水沿边破排泄；用陡槽沿边坡排泄雨水时，应保证使雨水由边坡底部沿排水沟平缓地流出，陡槽的结构应保证在暴雨时土不受冲刷。在建筑物周围6m内平整场地，当为填方时，应分层任实，其压实系数不得小于0.90;当为挖方时，对自重湿陷性黄土场地，表面压实后，宜设置150一300厚的灰土面层，其压实系数不得小于0・93。防护范围内的雨水明沟，不得渗漏水。在自重湿陷性黄土场地，宜设混凝土雨水明沟，防护范围外的雨水明沟，宜做防水处理，沟底下均应设灰土垫层。建筑场地平整后的坡度，在建筑物周围六米以内，不宜小于0.02，当为不透水地面时，可适当减少；在建筑物周围六米以外，不宜小于0.005。当采用雨水明沟或路面排水时，其纵向坡度不宜小于0.005。7、排水构造物与建筑物之间的防护距离埋地管道、排水沟、雨水明沟和水池等与建筑物之间的防护距离不宜小于规范规定。对建筑物防护距离宜自外墙轴线算起，对管道、排水沟宜自其外壁算起。甲类建筑物与新水沟之间的距离，在非自重湿陷性黄土场地不得小于12米，在自重湿陷性黄土场地不得小于湿陷性土层的3倍，并不应小于25米。8、建筑物处于下列情况之一时，应采取措施使雨水畅通排除：邻近构造物、露天吊车、堆场或其它露天作业场地等；邻近有铁路通过时；建筑物平面为封闭或半封闭的场地。第二节湿陷性黄土地基上建筑设计措施一、建筑设计应符合下列要求：1、建筑物的体型与纵墙的布置，应有利于加强其空间刚度，并具有适应或抵抗湿陷变形的能力。多层砌体民用建筑，体型应简单，长高比不应大于3。2、妥善处理建筑物的雨水排水系统，多层民用建筑的室内地坪，宜高出室外地坪45cm;3、用水设施宜集中设置，缩短地下管线和远距离主要承重基础，其管道宜明装。二、单层和多层民用建筑的屋面，宜采用外排水。当采用有组织排水时，宜选用然耐用的水落管，其未端距离散水面不应大于30cm，并不应设置在沉降缝处。集水面积大的外水落管，应接入专设的雨水明沟或管道。三、建筑物的周围必须做散水，其坡度不得小于0.05,散水外缘应略高于平整后的场地，散水的宽度应按下列规定采用：1、当屋面为无组织排水时，檐口高度在8米以下宜为1.5米，8米以上每增高4米宜增宽25cm，但宽度不宜大于2.5米。2、当屋面为有组织排水时，在非自重湿陷性黄土场地不得小于1米，在自重湿陷性黄土场地，宜为1.5米。3、水池的散水的宽度为1一3米，散水的外缘超出池底边缘不应小于20cm,喷水池等的回水坡或散水的宽度宜为3一5米。4、高层建筑结构的散水的宽度宜超出基底边缘1米，并不应小于5米。四、散水应采用现浇混凝土。其垫层应设置15cm厚的灰土或30cm厚的素土，垫层外缘应超出散水的和建筑物外墙基底外缘50cm。散水宜每隔6-10米设置一条伸缩缝。散水与外墙交接处和散水的伸缩缝，应用柔性防水材料填封。沿散水外缘不宜设置雨水明沟。五、经常受水浸湿或可能积水的地面，应严密不渗漏，并按防水地面设计。对采用严格防水措施的建筑，其防水地面应设行之有效的防水层。地面坡向集水点的坡度不得小于0.01。地面与墙、柱、［翻设备基础等交接处应做翻边。地面下应做30-50cm厚的灰土垫层。［翻六、排水沟的材料和做法，应根据湿陷类型、湿陷等级和使用要求等选定，并应设置灰土垫层，防护范围内的排水沟，宜采用钢筋混

凝土，但在非自重湿陷性黄土场地，室内小型排水沟可采用混凝土，并应做防水面层。对采用严格防水措施的建筑，其排水沟应增设卷材防水层或其它有效的防水层。七、对基础梁底下预留日空隙，应采取有效措施防止地面水浸入地基。对地下室的采光井，应做好防、排水设施。第三节湿陷性黄土地基上结构的设计措施一、当地基不处理或仅消除地基的部分湿陷量时，结构设计应*艮据地基湿陷量等级或地基处理后的剩余湿陷量、建筑物的不均匀沉降、倾斜和构件脱离支座等不利情况，采取下列结构措施：1、选择适宜的结构体系和基础型式；2、加强结构的整体性与空间刚度；3、预留适应沉降的净空。二、当建筑物的体型复杂时，宜用沉降缝将建筑物分成若干个体型简单，并具有较大空间刚度独立的单元。砌体结构建筑物的沉降缝处，宜设置双墙。三、高层建筑的设计，宜选用轻质高强材料；宜调整上部荷载和基础宽度，使地基应力均匀分布；宜加强上部结构的刚度和基础刚度。四、对一、二、三类建筑，基础的埋深不应小于1米。五、建筑物的基础或墙，当有地下管道或管沟时，应预洞孔。洞顶与管沟及管道顶间的净空高度，对消除地基的全部湿陷量的建筑物不宜小于20cm;对消除地基的部分湿陷量和未处理地基的建筑物不宜小于30cm。洞边与管沟外壁必须脱离。洞边与承重墙转角处外缘的距离不宜小于1m,当不能满足时，可用钢筋混凝土框加强。洞

底距基础底不应小于洞宽的1/2，并不宜小于40cm,当不能满足时，应局部加深基础或在洞底设置钢筋混凝土梁。五、建筑物的基础或墙，当有地下管道或管沟时，应预洞孔。洞六、砌体结构建筑的钢筋混凝土梁，应按下列规定设置:六、砌体结构建筑的钢筋混凝土梁，应按下列规定设置:二、三类中的多层建筑，当地基处理后的剩余湿陷量分别大于20cm,30cm时，均应在基础内、屋面檐口处和第一层楼盖处设置钢筋混凝土梁圈，其它各层宜隔层设置；当地基处理后的剩余湿陷量分别大于20cm,30cm时，在基础内除设置钢筋混凝土圈梁外，并应每层设置钢筋混凝土圈梁。在二、三、四级湿陷性黄土地基上的四类建筑，应在基础内和屋面檐口处设置混凝土配筋带，或设置钢筋混凝土圈梁。采用严格防水措施的多层建筑，应每层设置钢筋混凝土圈梁。各层圈梁均应设在外墙、内纵墙和对整体刚度起重要作用的内横墙上，并应在同一标高处闭合，否则应采取加强措施。七、砌体结构的窗间墙宽度，在承受主梁处或开间轴线处，不变小于主梁或开间轴线间距的1/3,并不应小于1米，在其它承重墙处，不应小于0.6米。门窗洞边全建筑物转角处的距离不应小于1米当不能满足上述要求时，应在洞孔周边采用钢筋混凝土框加强，或在转角及轴线处加构造桩。多层砌体结构的建筑，不得采用空斗和无钢筋砌体过梁。八、当砌体结构建筑的门窗洞孔或其它洞孔的宽度大于1米，且地基未经处理或未消除地基的全部湿陷量时，应采用钢筋混凝土过梁。九、厂房内吊车上的净空高度：对消除地基的全部湿陷量建筑，不宜小于20cm;对消除地基的部分湿陷量或未经处理地基的建筑，不宜小于30cm。吊车梁应设置成简支梁。吊车梁与吊车轨之间应采用能调整的连接方式。十、预制钢筋混凝土梁的支承长度，在砖墙、砖柱上不宜小于24cm,预制钢筋混凝土板的支承长度，在砖墙上不宜小于10cm。第五节湿陷性黄土地基设计措施的选择原则：1消除内因：消除大孔隙；2消除外因：采取必要的防水措施和控制基底压力在湿陷性黄土地基设计时，应按照建筑物的重要性和地基对沉降的敏感程度、地基被水浸湿的可能性、地基土的湿陷类型和湿陷等级、土的变形和强度、地下水可能的变化情况、当地建筑经验和施工条件等因素综合考虑分析，区别对待，合理采用地基处理、防水措施和结构措施等任何一种或多种措施，以保证建筑安全。一、建筑物的设计措施：地基处理措施：1）消除地基的全部湿陷量，或采用桩基、深基等穿透全部湿陷性黄土层;2）消除地基的部分湿陷量。防水措施：1）基本防水措施：在建筑物布置、场地排水、屋面排水、地面防水、散水、排水沟等方面防止雨水或生产、生活用水的渗漏，并提高管道材料和接口的标准。2）检漏防水措施：在基本防水措施的基础上，对防护范围内的地下管道增设检渗漏管沟和检漏井。3）严格防水措施：在检漏防止措施的基础上，对防水地面、排水沟、检漏管沟和检漏井等设施提高设计标准。结构措施：减少建筑物的不均匀沉降，或使结构适应地基的变形。二、选择设计措施的一般原则：各类建筑物在采取设计措施时，应根据堪察报告提供的场地湿陷类型、地基湿陷等级及地基承载力的情况，并结合当地建筑经验和施工条件等因素综合考虑确定。1、一级建筑物，要求全部消除地基土的湿陷性或穿透全部湿陷性土层；2、二级建筑物，消除地基土的部分湿陷量，最小处理厚度对非自重和自重湿陷性黄土场地，均不应小于压缩层厚度的2/3,自重湿陷性黄土地基还应控制未处理土层的剩余湿陷量不大于20cm,如基础宽度大或湿陷性土层厚度大，处理2/3压缩层或湿陷性性土层厚度确有困难时，在建筑物范围内应采取整片处理，其处理厚度，非自重湿陷性黄土场地不应小于4m,自重湿陷性黄土场地不应小于6m。同时采取防水措施和结构措施。地基处理后的剩余湿陷量小于20cm时在，应采取检漏或基本防水措施；当大于20cm时，对非自重湿陷性黄土场地应采取检漏防水措施，对自重湿陷性黄土场地，应采取严格防水措施。3、三级建筑物，对于一级湿陷性黄土地基，可不做处理，但应采取结构和基本防水措施。对于二、三、四级湿陷性黄土地基，应消除地基土的部分湿陷量，消除部分湿陷量的最小处理厚度满足规范要求。并应采取结构和防水措施。地基处理后的土层的剩余湿陷量不大于30cm时，应采取基本防水措施或检漏防水措施；当大于30cm时，应采取检漏防水措施或严格防水措施。4、四级建筑物，对于各级湿陷性黄土地基一律不用处理，当在一级湿陷性黄土地基上，应采取基本防水措施，在二级湿陷性黄土地基上，应采取基本防水措施和结构措施，在三、四级湿陷性黄土地基上，应采取结构措施和检漏防水措施。三、对各类建筑物采取设计时，还要求按下列情况确定：1、当地基土的总湿陷量不大于5cm时对各类建筑物均可按非湿陷性黄土地基进行设计。2、当基底下各土层的湿陷系数小于0.03时，对二类建筑地基可不做处理，但应采取结构和检漏防水措施。3、在湿陷性黄土层很厚的场地上，当一类建筑物采取措施消除地基的全部湿陷量或穿透全部湿陷性土层有困难时，应采取专门措施。4、当场地内的湿陷性黄土层较薄、湿陷系数较大或湿陷性性土层分布很不均，而且下伏基岩埋深不大，起伏较大时，如经济合理，对二级建筑物和三、四级湿陷性黄土地基上的三类建筑，可采取措施消除地基的全部湿陷量或穿透全部湿陷性土层。5、对承受较大荷载的重要设备基础，应与建筑物采取相同的的地基处理措施和防水措施。6、在非自重湿陷性黄土场地上，当地基内各土层的湿陷起始压力（不考虑基础埋深和宽度修正）均大于其附加压力与上覆土的饱和自重压力之和时，各类建筑物可按非湿陷性黄土进行地基设计。7、在非自重湿陷性黄土场地上，建筑物使用期间，当地下水有可能上升到地基压缩层以内时，宜采取下列措施：1）建筑体型力求简单，平面避免转折，或分成若干简单的单元；2）多层砌体结构应有较大刚度，其长高比不大于3.0；3）同一单元内，各基础的荷载、形式、尺寸和埋深应尽量接近；门厅与主体之间应有效措施，减少差异沉降；第四章黄土地基计算同土力学与地基基础，不在讲述第五章地基处理第一节:概述一、地基处理（地基加固）：对天然地基中的不良地基进行人工处理的过程。二、建筑物的不良地基问题：1、强度及稳定性问题：在荷载作用下，地基土抗剪强度不足，使地基土产生局部或整体破坏；2、不均匀沉降、沉降、水平位移问题：在荷载作用下，地基产生变形，使建筑物产生过大的沉降、水平位移、不均匀沉降等，从而影响建筑物的正常使用。如建筑荷载过大及土体的强度不足，湿陷性黄土地基的遇水湿陷，膨胀土遇水膨胀、失水收缩等。3、渗流问题：地基的渗流量或水力比降超过其允许值时，会发生较大的水量损失，或因潜蚀和管涌使地基失稳而导致建筑物破坏。三、、地基处理的目的：解决上述不良地基问题

四、不良地基：软粘土、杂填土、冲填土、饱和土、湿陷性黄土、泥炭土、膨胀土、多年冻土、盐渍土、岩溶、山洞、山区地基及垃圾掩埋土地基等。五、地基处理方法分类及其适用范围（见下表）纠倾黄土浸水迫降法利用黄土浸水湿陷原理使沉降小的一侧黄土浸水产生沉降达到目的因黄土地基局部浸水造成不均匀沉降导致的工程事故顶升纠倾法通过在墙体中设置顶升梁，用千斤顶顶升整栋建筑物，不仅可以调整不均匀沉降，并可整体顶升至设计标高各类不良地基断桩纠倾法在桩基础建筑工程中出现倾斜时，利用断掉沉降量小的一边部分桩基础，使应力重新分配，从而达到纠倾的目的桩基础工程应力解除纠倾法在建筑物沉降量小的一边，利用洛阳铲陶土，解除其部分应力，从而增大其沉降量各类不良地基综合纠倾法将加固地基与纠倾结合，或将几种方法综合应用。各类不良地基第二节换填法一、换填法的原理及适用范围换填法是将基础底面以下不太深的一定范围内、性能稳定、的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高具有抗侵蚀性的砂、石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。经过换填法处理的地基或垫层，可以把上部荷载扩散传至下面的下卧层，以满足上部建筑所需的地基承载力和减少沉降量的需求。当垫层下面有较软弱土层时，也可以加速软弱土层的排水固结和强度的提高。换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层地基处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理；用于膨胀土地基可消除地基上的胀缩地基上的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷，性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不均以及岩溶与土洞等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和冻胀损坏等。当采用换填法进行地基处理时，应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和量级、场地工程地质资料及环境条件并结合施工机械设备与当地材料来源等进行综合分析、合理进行换填设计，选择换填材料和相应的施工方法。二、表层原位压实法地基浅层处理的最简易方法是表层加固。当需要处理的地基软弱土位于表层，厚度不大，或上部荷载较小时，采用表层压实法，可以取得较好的技术经济效果。地基表层压实法一般常应用于道路、堆场等，有时也可适用于轻型建筑物。表层原位压实法根据不同的施工机械设备和工艺一般可分为碾压法、振动压实法及重锤夯实法。碾压法：是用压路机、堆土机、平碾或其它碾压机械在地表来回开动利用机械自重把松散土地基压实加固。这种方法常用于地下水位以上大面积填土的压实以及一般非饱和粘性土和杂填土地基的浅层处理。原位分层填土压密一般不需要其它建筑材料，但需较好的土料和土源场地。有时也可适量添加石灰、水泥、碎砖、碎石等，以提高地基强度。碾压法施工时应根据压实机械的压实能量、控制碾压土的含水量符合最优百分比，选用适当的碾压分层厚度和碾压的遍数。对于一般粘性土，通常用8-10t的平碾或12t的羊足碾，每层铺土厚度30cm左右，碾压8一12遍。对于饱和粘，性土进行表层压实，要考虑适当的排水措施以加快土体的固结。对于淤泥及淤泥质土，一般应挖除或者结合碾压进行挤淤充填，先在土面上堆土、块石、片石等，然后用机械压入以置换和挤出淤泥，堆积碾压分层进行，直到把淤泥全部挤出，置换完毕为止。碾压法对表层地基加固的深度一般可达2~3cmo碾压的质量标准，以分层压实系数的干重度和含水量来控制，如控制干重度为d，最大干重度主为max（由试验确定），则d与max的比值D称为压实系数，压实系数和现场含水量的控制符合下表规定。一般粘性土经表层压实处理，其地基承载力可达80—100KN/m2。填土地基质量控制值（W’填土的最优含水量）结构类型填土部位压实系数控制含水量（%）砖石承重结构和框架结构在地基主要受力层范围内>0.96Wy±2在地基主要受力层范围以下0.93-0.96简支结构和排架结构在地基主要受力层范围内0.9厂0.97Wy±2在地基主要受力层范围以下0.9厂0.93杂填土的碾压，可先将建筑范围的设计加固深度内的杂填土挖出，开挖平面从基础纵向放出3米左右，横向放出1.5米左右，然后将坑底碾压2一3遍，再将原土分层回填碾压，每层土虚铺厚度30cm左右。由于杂填土的性质比较复杂，碾压后的地基承载力差别较大，根据一些地区的经验，用8-12t压路机碾压后的杂填土地基，承载力约为100—120KN/m2。振动压实法振动压实法是用振动压实机械在地基表面施加振动力以振实浅层松散土的地基处理方法。三、换土垫层法换土垫层的原理：在冲刷较小的软土地基上，地基的承载力和变形达不到基础设计要求，且当软土层不太厚（如不超过3m）时，可采用较经济、简便的换土垫层法进行浅层处理。即将软土部分或全部挖除，然后换填工程特性良好的材料，并予以分层压实，这种地基处理方法称为换填垫层法。垫层处治应达到增加地基持力层承载力，防止地基浅层剪切变形的目的。换填的材料主要有砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等，应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特，性。当软土层部分换填时，地基便由垫层及软弱）下卧层组成如图6—4所示，足够厚度的垫层置换可能被剪切破坏的软土层，以使垫层底部的软弱下卧层满足承载力的要求，而达到加固地基的目的。按垫层回填材料的不同，可分别称为砂垫层、碎石垫层等。换填垫层法设计的主要指标是垫层厚度和宽度，一般可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行设计。垫层的作用及适应范围当建筑物的地基为软弱土或湿陷土、膨胀土、冻胀土时，不能满足上部结构对地基强度和变形的要求，而软弱土层的厚度又不很大，可采用换填法处理。与其他方法相比，用换填法能取得良好的处理效果和经济效益。该方法适用于淤泥、淤泥质土、膨胀土、冻胀土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘的浅层处理。换土垫层法就是把建筑基底下一定深度的软弱土层预先挖除（如果软弱土层较薄时，则将其全部挖除），然后回填土料、分层压实，作为建筑物基础的持力层。垫层的主要作用有两点，一是提高了持力层的强度，同时将建筑物的基底压力扩散到地基中去，使垫层以下软弱地基的应力减少到许可承载力范围以内，从而满足稳定性要求；二是代替了承受应力最大的软弱地基以后，可以减少地基的沉降量，在路堤或土坎工程中，砂垫层还可提高排水固结速度，防止季节性冻土的冻胀，消除膨胀土地基的胀缩性及湿陷性土层的湿陷性。垫层的土料垫层要由合适的土进行填筑，其本身必须具有足够的强度、厚度和宽度才能充分发挥作用。土料可选用黏性土、砾类土、砾石、碎石、石碴、矿渣、灰土、细砂卵砾石，不选粉细砂、轻亚黏土，如果采用砂料作垫层，尚需满足抗震要求。垫层土料需按常规做土工试验。对于黏性土来说，要通过试验得出干密度与最优含水量，黏聚力及内摩擦角的关系；对于砂土来说，要做相对密度试验，从而为设计和施工控制提供依据。根据换填材料的不同，将垫层分为砂石（砂砾、碎卵石）垫层、土垫层（素土、灰土、二灰土垫层）粉煤灰垫层、矿渣垫层、加筋砂石垫层等。垫层厚度及宽度设计垫层厚度和宽度设计根据下卧土层承载力确定，符合下式且满足基础底面压力扩散（压力扩散角0取30°）。Pcz+Pz<fak式中：Pcz垫层底面处土的自重应力；（MPa）碾Pz垫层底面处土的附加应力。由此确定垫层厚度z及宽度b见图所示。图垫层设计示意图5、砂垫层的设计计算(一)砂垫层厚度的确定砂垫层厚度计算实质上是软弱下卧层顶面承载力的验算，计算方法有多种。一种方法是按弹性理论的土中应力分布公式计算。即将砂垫层及下卧土层视为一均质半无限弹性体，在基底附加应力作用下，计算不同深度的各点土中附加应力并加上土的自重应力，同时以第二章所介绍的“规范”方法计算地基土层随深度变化的容许承载力，并以此确定砂垫层的设计厚度，如图所示。也可将加固后地基视为上层坚硬、下层软弱的双层地基，用弹性力学公式计算。另一种是我国目前常用的近似按应力扩散角进行计算的方法。即认为砂垫层以“”角向下扩散基底附加压力，到砂垫层底面下卧层顶面)处的土中附加压应力与土中自重应力之和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力，即：式中：h(kPa)为下卧层顶面处地基的容许承载力，通常只进行下卧层顶面深度修正，而压应力的大小与基底附加压力、垫层厚度、材料重等有关。H若考虑平面为矩形的基础，在基底平均附加应力作用下，基底下土中附加压应力按扩散角通过砂垫层向下扩散到软弱下卧层顶面，并假定此处产生的压应力平面呈梯形分布图13-5)在空间呈六面体形状分布)，根据力的平衡条件可得到：则该处下卧层顶面的附加压应力气为：式中：l—基础的长度(m);hb—基础的宽度(m);hs一砂垫层的厚度(m);一基底处的附加应力(kPa);一砂垫层的压应力扩散角，一般取350。一450。，根据垫层材料选用。砂垫层及应力分布砂垫层应力扩散图砂垫层底面下的下卧层同时还受到垫层及基坑回填土的重力，所以式中：s、一砂垫层、回填土的重度(kN/m3)，水下时按浮重度计算，h—基坑回填土厚度(m)。由式可得到砂垫层所需厚hs。hs一般不宜小于lm或超过3m，垫层过薄，作用不明显，过厚需挖深坑，费工耗料，经济、技术上往往不合理。当地基土软且厚或基底压力较大时，应考虑其它加固方案。(二)砂垫层平面尺寸的确定砂垫层底平面尺寸应为：其中L、B分别为砂垫层底平面的长及宽，一般情)兄砂垫层顶面尺寸按此确定，以防止承受荷载后垫层向两侧软土挤动。三)基础最终沉降量的计算砂垫层上基础的最终沉降量是由垫层本身的压缩量ss与软弱下卧层的沉降量S］所组成，sssS］由于砂垫层压缩模量比较弱下卧层大得多，其压缩量小且在施工阶段基本完成，实际可以忽略不计。需要时ss也可按下式求得：式中：Es—砂垫层的压缩模量，可由实测确定，一般为12一24kPa:—一砂垫层内的平均压应力。乙S］可用有土力学的有关方法进行计算。S的计算值应符合建筑物容许沉降量的要求，否则应加厚垫层或考虑其它加固方案。垫层施工要点垫层施工中的关键是要使用填料土达到设计的密实度。密实度的方法常用的有振动法、水撼法、碾压法等。这些方法要求控制一定的含水量，逐层振密或压实，并应在下层的密实度检验合格后，方可进行上层施工。垫层的砂料必须具有良好的压实性，砂料的不均匀系数不能小于设计值，以中粗砂为宜，容许在砂中掺入一定数量的碎石，但要分布均匀。开挖基坑铺设垫层时，必须避免对软弱土层的扰动和破坏坑底土的结构。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，应在坑底先铺一层砂垫层，以免碎石挤入土中。垫层质量控制的主要指标是干密度。黏性土、灰土、砂土采用环刀取土测其干密度，以使测试数据准确，对砂土垫层应加做相对密度试验，垫层检测结果应符合设计要求。对于碎石、砾石等大骨料垫层，在施工时按设计要求可用碾压遍数或振实时间来控制密度。四、挤淤置换法1、原理及适用范围依靠换填材料的自重及借助于其他外力诸如：压载、振动、爆破、强夯或卸荷(即及时挖除换填体周边的淤泥)等，使软弱层遭到破坏后被强制挤出而进行的换填处理。换填的宽度、深度及换填材料，可根据计算确定。但换填深度除考虑沉降和滑移稳定外，还应置换到使地基承载力大于换填体荷载所需的深度-至较好的持力层。强制挤淤换填，往往不可能把软弱层完全挤出，对于换填后地基的沉降必须有所考虑。挤淤置换地基适用于厚度在10米以内的流动性大，基本无硬壳层的大面积流塑状淤泥地基处理。2.施工方法1）堆载法；2）振动挤淤；3）强夯挤淤；4）爆破挤淤；5）卸荷挤淤。也—±±第三节第四节：预压排水固结原理饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。现以图13-6为例，可说明排水固结法使地基土密实、强化的原理。在如图13-6a中，当土样的天然有效固结压力为0。时，孔隙比为e。，在e一：曲线上相应为a点，当压力增加’，固结终了时孔隙比减少e，相应点为c点，曲线abc为压缩曲线，与此同时，抗剪强度与固结压力成比例地由a点提高到c点，说明土体在受压固结时，与孔隙比减小产生压缩的同时，抗剪强度也得到提高。如从。点卸除压力’，则土样发生回弹，图13-6a中cef为卸荷回弹曲线，如从f点再加压’，土样再压缩将沿虚线到c‘，其相图13-6室内压缩试验说明排水固结法原理应的强度包线，如图13-l5b所示。从再压缩曲线fgc＜可a）e-：曲线b）t-c曲线看出，固结压力同样增加’而孔隙比减小值为e'，e'比e小的多。这说明如在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基沉降减少，如进行超载预压预压荷载大于建筑物荷载）效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。排水固结法加固软土地基是一种比较成熟、应用广泛的方法，它主要解决沉降和稳定问题

一、砂井堆载预压法软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的历时，对较厚的软土层，常在地基中设置排水通道，使土中孔隙较快排出水。可在软粘土中设置一系列的翌向排水通道砂井、袋装砂井或塑料排水板），在软土顶层设置横向排水砂垫层如图13-7所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改善地基渗透性能。（一）砂井地基的设计砂井地基的设计主要包括选择适当的砂井直径、间距、深度、排列方式、布置范围以及形成砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以使地基在堆载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度（通常定为80%）。砂井的直径和间距：砂井的直径和间距主要取决于土的固结特性和施工期的要求。从原则上讲，为达到相同的固结度，缩短砂井间距比增加砂井直径效果要好，即以“细而密”为佳，不过，考虑到施工的可操作性，普通砂井的直径为300~500mm。砂井的间距可根据地基土的固结特征和预定时间内所要求达到的固结度确定，间距可按为直径的6~8倍选用。砂井深度：砂井深度主要根据土层的分布、地基中的附加应力大小、施工期限和条件及地基稳定性等因素确定。当软土不厚图13-7砂井堆载预压（一般为10~20m）时，尽量要穿过软土层达到砂层；当软土过厚（超过20m），不必打穿粘土，可根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求确定。对以地基抗滑稳定性控制的工程，翌井深度应超过最危险滑动面2.0m以上。砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或等边三角形（图13-8）,在大面积荷载作用下，认为每个砂井均起独立排水作用。为了简化计算，将每个砂井平面上的排水影响面积以等面积的圆来代替，可得一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距l的关系按下式考虑：只；2<3等边三角形布置正方形布置■4d-11.1281dI11.051等边三角形布置正方形布置■4d-11.1281一般由基础的轮廓线向砂井的布置范围：由于在基础以外一定的范围内仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布置范围应比基础范围大为好外增加2~4m。一般由基础的轮廓线向粗砂，必须保证良好的透3%，渗透系数应大于砂料：砂料宜用中、水性，含泥量不应超过10-3cm/so粗砂，必须保证良好的透3%，渗透系数应大于砂垫层：为了使砂井有良好的排水通道，砂井顶部应铺设砂垫层，垫层砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般为0.5m〜1m（二）砂井地基的固结度的计算砂井固结理论采取了下列的假设条件：图13-8砂井的平面布置及固结渗透途径①地基土是饱和的，固结过程是土中孔隙水的排出过程；②地基表面承受连续均匀的一次施加的荷载；③地基土在该荷载作用下仅有翌向的压密变形，整个固结过程地基土渗透系数不变；④加荷开始时，所有翌向荷载全部由孔隙水承受。采用砂井的地基固结度计算属于三维问题。在轴对称条件下的单元井固结课题，如图13-8所示。可采用RedulibTerzagh固结理论，其表达式为式中CV、Cr-地基的翌向和水平向固结系数（m/s2）;r,z-距离砂井中轴线的水平距离和深度（m）。为了求解方便，采用了分离变量原理，设uuzur，则式（13-20）可分解成方程（13-21a）的求解，可以采用Terzagh解答，其固结度的计算公式为其中Ai(2i1)U18exp(A2Cvt/2L)2)zA2i0i方程（13-21b）其中Ai(2i1)式中Tr一水平向固结的时间因素，无量纲；t—固结时间（s）；L一砂井垂直长度（翌向排水距离）（m）；n一井径比n=de/dw，无量纲；d,d一砂井的有效排水直径（m）和砂井直径（m）。根据前述的分离变量原理uuzur，则整个土层的平均超静孔隙水压力为同理，对起始孔隙水压力值的平均;值仍然有上述两式相除后，可得到再根据固结度的概念，土层的平均固结度同理，可得翌向和径向平均固结度为Uz14或』1Uz从式（13-24、或713-2^可得1Ut1u「1uz）或Ut1（1U「1U「上述推导得到的（13-26），即Carril（1942）原理。根据这一原理，以及上述Terzaghi和Barron的解答，则可计算出砂井地基的平均固结度。为了实际应用方便，将式（13-26中。尸与Tr、n的函数关系制成表13-4以供查用。径向平均固结度U与时间因素^及井径比n的关系^表13-40.10.20.30.40.50.60.70.80.940.00980.02080.03310.04750.06420.08520.11180.15000.214050.01220.02600.04130.05900.08000.10650.13900.18700.268060.01440.03060.04900.07000.09460.12540.16480.22100.316070.01630.03560.05520.07900.10700.14170.18600.24900.356080.01800.03830.06100.08750.11820.15700.20600.27600.395090.01960.04160.06640.09500.12870.17050.22300.30000.4380100.02060.04400.07000.10000.13670.18000.23600.31600.4530110.02200.04670.07460.10700.14460.19200.25200.33800.4820120.02300.04900.07800.11200.15180.20080.26300.35300.5050130.02390.05070.08100.11600.15700.20800.27300.36600.5240140.02500.05310.08480.12150.16630.21860.28600.38300.5480例题有一饱和软粘性土层，厚8m,其下为砂层，打穿软粘土到达砂层的砂井直径为0.3m，平面布置为梅花形，间距l=2.4m;软粘土在150kPa均布压力下的翌向固结系数Cy=0.15mm2/s,水平向固结系数Cr=0.29mm2/s,求一个月时的固结度。解翌向排水固结度uv的计算地基上设置砂垫层，该情况为两面排水H=8/2=4（m）=0.235径向排水固结度ur的计算砂井地基总平均固结度Ut110.23510.4910.3961%不打砂井，依靠上下砂层固结排水，一个月地基固结度仅23.5%,设砂井后为61%。以上介绍的径向排水固结理论，是假定初始孔隙水压力在砂井深度范围内为均匀分布的，即只有荷载分布面积的宽度大于砂井长度时方能满足，并认为预压荷载是一次施加的，如荷载分级施加，也应对以上固结理论予以修正，详见有关砂井设计规范和专着，此处不再赘述。对于未打穿软粘土层的固结度计算，因边界条件不同儒考虑砂井以下软粘土层的固结度），不能简单套用式（13-26）可以按下式近似计算其平均固结度：式中：u一整个受压土层平均固结度；一砂井深度L与整个饱和软粘性土层厚度H的比值，二；HUt一砂井深度范围内土的固结度，按式（13-26计算：U；一砂井以下土层的固结度，按单向固结理论计算，近似将砂井底面作为排水面。砂井的施工工艺与砂桩大体相近，具体参照砂桩的施工工艺。二、袋装砂井和塑料排水板预压法用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不能保持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。近年来普通在砂井的基础上，出现了以袋装砂井和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井不连续缺点，而且施工简便、加快了地基的固结，节约用砂，在工程中得到日益广泛的应用。（一）袋装砂井预压法目前国内应用的袋装砂井直径一般为70~120mm，间距为1.0m~2.0m（井径比n约取15~20）。砂袋可采用聚丙烯或聚乙烯等长链聚合物编织制成，应具有足够的抗拉强度、耐腐蚀、对人体无害等特点。装砂后砂袋的渗透系数不应小于砂的渗透系数。灌入砂袋的砂应为中、粗砂并振捣密实。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少300mm，并不得卧倒。袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利于保持其连续性。二）塑料排水板预压法塑料排水板预压法是将塑料排水板用插板机插入加固的软土中，然后在地面加载预压，使土中水沿塑料板的通道逸出，经砂垫层排除，从而使地基加速固结。塑料板排水与砂井比较具有如下优点：1，塑料板由工厂生产，材料质地均匀可靠，排水效果稳定；塑料板重量轻，便于施工操作；施工机械轻便，能在超软弱地基上施工；施工速度快，工程费用便宜。塑料排水板所用材料、制造方法不同，结构也不同，基本上分两类。一类是用单一材料制成的多孔管道的板带，表面刺有许多微孔（如图13-9）;另一类是两种材料组合而成，板芯为各种规律变形断面的芯板或乱丝、花式丝的芯板，外面包裹一层无纺土工织物滤套（如图13-10）。塑料排水板可采用砂井加固地基的固结理论和设计计算方法。计算时应将塑料板换算成相当直径的砂井，根据两种排水体与周围土接图13-9多孔单一结构型塑料排水板触面积相等原理进行换算，当量换算直径dp为式中：b一塑料板宽度（mm）,一塑料板厚度（mm）,目前应用的塑料排水板产品成卷包装，每卷长约数百米，用专门的插板机插入软土地基，先在空心套管装入塑料排水板，并将其一端与预制的专用钢靴连接，插入地基下预定标高处，拔出空心套管，由于13-10复合结构塑料排水板土对钢靴的阻力，塑料板留在软土中，在地面将塑料板切断，即可移动插板机进行下一个循环作业。三、天然地基堆载预压法天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与设计荷载相等或略大）的预压荷载（如砂、土、石等重物）堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固结以提高其强度也可以利用建筑物本身的重量分级缓慢施工），减少工后的沉降量，待地基承载力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除，在经预压的地基上修建建筑物。此方法费用较少，但工期较长。如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。四、真空预压法和降水位预压法真空预压法实质上是以大气压作为预压荷重的一种预压固结法（图13-11）。在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道（普通砂井、袋装砂井或塑料排水板），再用不透气的封闭薄膜覆盖软土地基，使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空泵进行抽气，使其形成真空，当真空泵抽气时，先后在地表砂垫层及翌向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压力差，在此压力差作用下，土体中的孔隙水不断排水，从而使土体固结。降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位，以增加土的自重应力，达到预压目的。其降低地下水位原理、方法和需要设备基本与井点法基坑排水相同。地下水位降低使地基中的软弱土层承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结，增加了土中的有效应力。这一方法最适用于渗透性较好的砂土或粉土或在软粘土层中存在砂土层的情况，使用前应摸清土层分布及地下水位情况等。采用各种排水固结方法加固后的地基，均应进行质量检验。检验方法图13-11真空预压工艺设备平面和剖面图可采用十字板剪切试验、旁压试验、荷载试验或常规土工试验，以测定其加固效果。第五节密实法原理在不发生冲刷或冲刷深度不大的松散土地基（包括松散中、细、粉砂土，粉土，松散细粒炉渣，杂填土以及］＜1、孔隙比接近或大于1的含砂量较多的松软粘性土），如其厚度较大，用砂垫层处理施工困难时，可考虑采用砂桩深层挤密法，以提高地基承载力，减少沉降量和增强抗液化能力。对于厚度大的饱和软粘土地基，由于土的渗透性小，此法加固不易将土挤密实，还会破坏土的结构强度，主要起到置换作用，加固效果不大，宜考虑采用其他加固方法如砂井预压、高压喷射、深层搅拌法等。下面介绍常用的挤密砂桩法、夯（压）实法和振动法三类。一、挤密砂桩法挤密砂（或砂石）桩法是用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔（孔径一段为300mm-600mm）然后向孔中填入含泥量不大于5%的中、粗砂、粉、细砂料应同时掺入25%~35%碎石或卵石再加以夯挤密实形成土中桩体从而加固地基的方法。对松散的砂土层，砂桩的加固机理有挤密作用、排水减压作用和砂土地基预振作用，对于松软粘性土地基中，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性质。对于砂土与粘性土互层的地基及冲填土，砂桩也能起到一定的挤实加固作用。挤密砂桩的设计如下：图13-12砂桩加固的平面布置（一）砂土加固范围的确定砂桩加固的范围A（m2）必需稍大于基础的面积（图13-12），一般应自基础向外加大不少于0.5m或0.1b（b为基础短边的宽度，以m计）。一般认为砂（石）桩挤密地基的宽度应超出基础宽度，每边宽度不少于13排；用于防止砂土液化时，每边放宽不宜少于处理深度的1/2且不小于5m;当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化土层时，每边放宽不应小于液化层厚度的1/2并不应小于3m。（二）所需砂桩的面积A1

A1的大小除与加固范围A有关外，主要与土层加固后所需达到的地基容许承载力相对应的孔隙比有关。图13-13表示砂桩加固后的地基。假设砂桩加固前地基土的孔隙比为e°，砂土加固范围为A，加固后土孔隙比为％。从加固前后的地基中取相同大小的土样图13-13b可见，加固前后原地基土颗粒所占体积不变，由此可得所需砂桩的面积A］（m2）砂土：e1=膈—Dr（emax飞"emax及emin由相对密度试验确定，Dr值根据地质情1况、荷载大小及施工条件选择，可采用0.7~0.85饱和粘性土：e1=ds［wp-II（W^_Wp）］式中ds—土粒的比重；w；wp一土的液限和塑限；Il一液性指数，粘土可取0.75粉质粘土取0.5对粉土根据试验资料e1=0.6~0,8砂质粉土图13-13砂桩加固后的地基情）兄取较低值，粘质粉土取较高值。%值也可根据加固后地基要求的承载力或抗液化确定。三）砂桩根数确定A］后，可根据施工设备的能力，地基的类型和地基处理的加固要求，确定砂桩的直径d（m）,目前国内实际采用的直径一般为0.30.6m，由此求出砂桩根数n,则砂桩根数约为：四）砂桩的布置及其间距为了使挤密作用比较均匀，砂桩的可按正方形、梅花形布置或等边三角形，也可以为其他形式，如放射形等。当布置为梅花形时，图13-14所示，abc为挤密前软土，面积为A,被砂桩挤密后该面积内的松软土被挤压到阴影所示的部分。砂桩面积A1从图13-5可知为：1d21d2A364abc的面积A=―厂l28图13-14按梅花形布置砂桩将式（13-31、（13-32代入式（13-29解得：式中l为砂桩的间距（m）,一般为（3~5）d当布置为正方形时，同理可得：abc的面积A=―厂l2在工程实践中，除了理论计算外，常常通过现场试验确定砂桩的间距及加固的效果。四）砂桩长度如软弱土层不很厚，砂桩一般应穿透软土层，如软弱土层很厚，砂桩长度可按桩底承载力和沉降量的要求，根据地基的稳定性和变形验算确定。（五）砂桩的灌砂量为保证砂桩加固后地基达到设计要求的的质量，每根桩应灌入足够的砂量Q（kN）,以保证加固后土的密实度达到设计要求。则每根砂桩的灌砂量为：式中：A1一砂桩面积l—砂桩长度r—为加固后的孔隙比e1的砂桩内砂土重度雄/m3）；w一水的重度（kN/m3）；w一灌入砂的含水量（以百分数计）；d一土颗粒比重。s由式（13-35计算所得灌砂量是理论计算值，应考虑各种可能损耗，备砂量应大于此值。砂桩用于加固粘性土时，地基承载力应按后面介绍的复合地基计算或复核，并在需要时进行沉降验算。砂桩施工可采用振动式或锤击式成孔。振动式是靠振动机的垂直上下振动作用，把带桩靴或底盖的钢套管打入土中成孔，填入砂料振动密实成桩（一面振动一面拔出套管）；锤击式是将钢套管打入土中，其他工艺与振动式基本相同，但灌砂成桩和扩大是用内管向下冲击而成。筑成的砂桩必须保证质量要求：砂桩必须上下连续，确保设计长度；每单位长度砂桩投砂量应保证；砂桩位置的允许偏差不大于一个砂桩直径，垂直度允许偏差不大于1.5%；加固后地基承载力可用静载试验确定，桩及桩间土的挤密质量可采用标准贯入法、动力触探法、静力触探法等进行检测。除用砂作为挤密填料外，还可用碎石、石灰、二灰石灰、粉煤灰）、素土等填实桩孔。石灰、二灰还有吸水膨胀及化学反应而挤密软弱土层的作用。这类桩的加固原理与设计方法与砂桩挤密法相同。二、夯（压）实法夯（压）实法对砂土地基及含水量在一定范围内的软弱粘性土可提高其密实度和强度，减少沉降量。此法也适用于加固杂填土和黄土等。按采用夯实手段的不同可对浅层或深层土起加固作用，浅层处理的换土垫层法（第二节）需要分层压实填土，常用的压实方法是碾压法、夯实法和振动压实法。还有浅层处理的重锤夯实法和深层处理的强夯法也称动力固结法）。（一）重锤夯实法重锤夯实法是运用起重机械将重锤（一般不轻于15kN）提到一定高度（3~4m）然后锤自由落下，这样重复夯击地基，使它表层在一定深度内）夯击密实而提高强度。它适用于砂土、稍湿的粘性土，部分杂填土、湿陷性黄土等，是一种浅层的地基加固方法。重锤的式样常为一截头圆锥体图13-5）,重为15~30kN，锤底直径0.7m~1.5m,锤底面自重静压力约为15~25kPa，落距一般采用2.5~4.0m重锤夯实的有效影响深度与锤重、锤底直径、落距及地质条件有关。国内某地经验，一般砂质土，当锤重为15kN，锤底直径1.15m,落距3~4m时，夯击6~8遍，夯击有效深度约为1.10~1.20贝为达到预期加固密实度和深度，应在现场进行试夯，确定需要的落距、夯击遍数等。夯击时，土的饱和度不宜太高，地下水位应低于击实影响深度，在此深度范围内也不应有饱和的软弱下卧层，否则会出现“橡皮土”现象，严重影响夯实效果，含水量过低消耗夯击功能较大，还往往达不到预期效果。一般含水量应尽量控制接近击实土的最佳含水量或控制在塑液限之间而稍接近塑限，也可由试夯确定含水量与锤击功能的规律，以求能用较少的夯击遍数达到预期的设计加固深度和密实度，从而指导施工。一般夯击遍数不宜超过8~12遍，否则应考虑增加锤重、落距或调整土层含水量。图13-15夯锤重锤夯实法加固后的地基应经静载试验确定其承载力，需要时还应对软弱下卧层承载力及地基沉降进行验算。二）强夯法强夯法，亦称为动力固结法，是一种将较大的重锤（一般约为80~400kN，最重达2000kN）从6~20m高处最高达40m）自由落下，对较厚的软土层进行强力夯实的地基处理方法。它的显着特点是夯击能量大，因此影响深度也大。并具有工艺简单，施工速度快、费用低、适用范围广、效果好等优点。强夯法适用于碎石类土、砂类土、杂填土、低饱和粉土和粘土、湿陷性黄土等地基的加固，效果较好。对于高饱和软粘土（淤泥及淤泥质土）强夯处理效果较差，但若结合夯坑内回填块石、碎石或其他粗粒料，强行夯入形成复合地基（称为强夯置换或动力挤淤），处理图13-11强夯法示意图效果较好。强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的地基处理方法，但其加固机理研究尚待完善。目前对强夯加固机理根据土的类别图13-16强夯法示意图和强夯施工工艺的不同分为三种加固机理：（1）.动力挤密：在冲击型荷载作用下，在多孔隙、粗颗粒、非饱和土中，土颗粒相对位移，孔隙中气体被挤出，从而使得土体的孔隙减小、密实度增加、强度提高以及变形减小；（2）动力固结：在饱和的细粒土中，土体在夯击能量作用下产生孔隙水压力使土体结构被破坏，土颗粒间出现裂隙，形成排水通道，渗透性改变，随着孔隙水压力的消散土开始密实，抗剪强度、变形模量增大。在夯击过程中并伴随土中气体体积的压缩，触变的恢复，粘粒结合水向自由水转化等。图13-16为某一工地土层强夯前后强度提高的测定情况；（3）动力置换：在饱和软粘土特别是淤泥及淤泥质土中，通过强夯将碎石填充于土体中，形成复合地基，从而提高地基的承载力。强夯法的设计如下：（1有效加固深度：强夯的有效加固深度影响因素很多，有锤重、锤底面积和落距，还有地基土性质，土层分布，地下水位以及其他有关设计参数等。我国常采用的是根据国外经验方式进行修正后的估算公式：式中：H一有效加固深度（m）（M一锤重（以10kN为单位）；h一落距（m）（a一对不同土质的修正系数图13-17修正系数a表13-5土的名称黄土一般对粘性土、粉土砂土碎石土(不包括块石、漂石)块石、矿渣人工填土a0.45~0.600.55~0.650.65~0.700.60~0.750.49~0.500.55~0.75上式未反映土的物理力学性质的差别，仅作参考，应根据现场试夯或当地经验确定，缺乏资料时也可按相关规范提供的数据预估。强夯的单位夯击能：单位夯击能指单位面积上所施加的总夯击能，它的大小应根据地基土的类别、结构类型、荷载大小和处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。对于粗粒土可取1000~4000)KN・m/m2;对细粒土可取1500~5000kN・m/m2。夯锤底面积对砂类土一般为(3~4)m2，对粘性土不宜小于6m2。夯锤底面静压力值可取24~40kPa，强夯置换锤底静压力值可取40~200kPa实践证明，圆形夯锤底并设置可取250~300mm的纵向贯通孔的夯锤，地基处理的效果较好。夯击次数与遍数：夯击次数应根据现场试夯的夯击次数和夯沉量关系曲线以及最后两击夯沉量之差并结合现场具体情况来确定。施工的合理夯击次数，应取单击夯沉量开始趋于稳定时的累计夯击次数，且这一稳定的单击夯沉量即可用作施工时收锤的控制夯沉量。但必须同时满足：最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时，应不大于100mm,当单击夯击能大于6000kN•m时不大于200mm;夯坑周围地基不应发生过大的隆起；不因夯坑过深而发生起锤困难。各试夯点的夯击数，应使土体翌向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为5~15击。夯击遍数一般为2~3遍，最后再以低能量满夯一遍。间歇时间：对于多遍夯击，两遍夯击之间应有一定的时间间隔，主要取决于加固土层孔隙水压力的消散时间。对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，应不小于3~4周，渗透性较好的地基可连续夯击。夯点布置及间距：夯点的布置一般为正方形、等边三角形或等腰三角形，处理范围应大于基础范围，宜超出1/2~2/3的处理深度，且不宜小于3m。夯间距应根据地基土的性质和要求处理的深度来确定。一般第一遍夯击点间距可取5~9m,第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可与第一遍相同，也可适减小。强夯法施工前，应先在现场进行原位试验隽压试验、十字板试验、触探试验等)，取原状土样测定含水量、塑限液限、粒度成分等，然后在试验室进行动力固结试验或现场进行试验性施工，以取得有关数据。为按设计要求地基承载力、压缩性、加固影响深度等)确定施工时每一遍夯击的最佳夯击能、每一点的最佳夯击数、各夯击点间的间距以及前后两遍锤击之间的间歇时间(孔隙承压力消散时间)等提供依据。强夯法施工过程中还应对现场地基土层进行一系列对比的观测工作，包括：地面沉降测定；孔隙水压力测定；侧向压力、振动加速度测定等。对强夯加固后效果的检验可采用原位测试的方法如现场十字板、动力触探、静力触探、荷载试验、波速试验等；也可采用室内常规试验、室内动力固结试验等。近年来国内外有采用强夯法作为软土的置换手段，用强夯法将碎石挤入软土形成碎石垫层或间隔夯入形成碎石墩(桩)，构成复合地基，且已列相关的行业规范。强夯法除了尚无完整的设计计算方法，施工前后及施工过程中需进行大量测试工作外，还有诸如噪声大，振动大等缺点，不宜在建筑物或人口密集处使用；加固范围较J\(5000cm2)时不经济。三、振冲法振冲法主要的施工机具是振冲器、吊机和水泵。振冲器是一个类似插入式混凝土振捣器的机具，其外壳直径为0.2m~0.45m，长2~5m，重约20~50kN，筒内主要由一组偏心块、潜水电机和通水管三部分组成如图13-8所示。振冲器有两个功能，一是产生水平向振动力（40—90kN）作用于周围土体；二是从端部和侧部进行射水和补给水。振动力是加固地基的主要因素，射水起协助振动力在土中使振冲器钻进成孔，并在成孔后清孔及实现护壁作用。施工时，振冲器由吊车或卷扬机就位后图13-9）,打开下喷水口，启动振冲器，在振动力和水冲作用下，在土层中形成孔洞，直至设计标高。然后经过清孔，用循环水带出孔中稠泥浆后，向桩孔逐段添加填料（粗砂、砾砂、碎石、卵石等），填料粒径不宜大于80mm，碎石常用20mm~50mm，每段填料均在振冲器振动作用下振挤密实，达到要求密实度后就可以上提，重复上述操作直至地面，从而在地基中形成一根具有相当直径的密实桩体，同时孔周围一定范围的土也被挤密。孔内填料的密实度可以从振动所耗的电量来反映，通过观察电流变化来控制。不加填料的振冲法密实法仅适用于处理粘粒含量不大于10%的粗砂、中砂地基。振冲法的显着优点是用一个较轻便的机具，将强大的水平振动有的振冲器也附有垂直向的振动）直接递送到深度可达20m左右的软弱地基内，施工设备较简单，操作方便，施工速度快，造价较低。缺点是加固地基时要排出大量的泥浆，环境污染比较严重。振冲法法根据其加固机理不同，可分为振冲置换和振冲密实两类（见表13-1）。（一）对砂类土地基振动力除直接将砂层挤压密实外，还向饱和砂土传播加速度，因此在振冲器周围一定范围内砂土产生振动液化。液化后的土颗粒在重力、上覆土压力及外添填料的挤压下重新排列变得密实，孔隙比大为减小，从而提高地基承载力及抗震能力；另一方面，依靠振冲器的重复水平振动力，在加回填料情况下，通过填料使砂层挤压加密。二）对粘性土地基软粘性土透水性很低，振动力并不能使饱和土中孔隙水迅速排除而减小孔隙比，振动力主要是把添加料振密并挤压到周围粘土中去形成粗大密实的桩柱，桩柱与软粘土组成复合地基。复合地基承受荷载后，由于地基土和桩体材料的变形模量不同，故土中应力集中到桩柱上，从而使桩周软土负担的应力相应减少。与原地基相比，复合地基的承载力得到提高。图13-18振冲器构造示意图图13-19振冲施工过程振冲法处理地基最有效的土层为砂类土和粉土，其次为粘粒含量较小的粘性土，对于粘粒含量大于30%的粘性土，则挤密效果明显降低，主要产生置换作用。振冲桩加固砂类土的设计计算，类似于挤密砂桩的计算，即根据地基土振冲挤密前后孔隙比进行；对粘性土地基应按后面介绍的复合地基理论进行，另外也可通过现场试验取得各项参数。当缺乏资料时，可参考表13-6进行设计。表13-6加固方法振冲置换法振冲密实法孔位的布置等边三角形和正方形等边三角形和正方形孔位的间距和桩长间距应根据荷载大小，原地基土的抗剪强度确定，可用1.5~2.5m荷载大或原土强度低时，宜取较小间距；反之，宜取较大间距。对桩端未达到相对硬层的短桩，应取小间距。桩长的确定，当相对硬层的埋深不大时，按其深度确定，当相对硬层的埋深较大时，按地基的变形允许值确孔位的间距视砂土的颗粒组成、密实要求、振冲器功率等而定，砂的粒径越细，密实要求越高，则间距应越小。使用30kW振冲器，间距一般为1.3~2.0m;55kw振冲器间距可采用1.4~2.5m;使用75kW大型振冲器，间距可加大到定。不宜短于4m。在可液化的地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩直径按所用的填料量计算，常为0.8~1.2m1.6~3.0m填料碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料，最大直径不宜大于80mm，对碎石常用粒径为20~50mm。宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂等硬质材料，在施工不发生困难的前提下，粒径越粗，加密效果越好。振冲法加固砂性土地基，宜在加固半个月后进行效果检验，粘性土地基则至少要一个月才能进行。检验方法可采用静载试验，标准贯入试验，静力触探或土工试验等方法，对加固前后进行对比。第六节化学固化法化学固化法是在软土地基土中掺入水泥、石灰等，用喷射、搅拌等方法使与土体充分混合固化；或把一些能固化的化学浆液水泥浆、水玻璃、氯化钙溶液等）注入地基土孔隙，以改善地基土的物理力学性质，达到加固目的。按加固材料的状态可分为粉体类（水泥、石灰粉末）和浆液类水泥浆及其他化学浆液）。按施工工艺可分为低压搅拌法粉体喷射搅拌桩、水泥浆搅拌桩）、高压喷射注浆法（高压旋喷桩等）和胶结法（灌浆法、硅化法）三类，下面分别予以介绍。一、粉体喷射搅拌桩）法和水泥浆搅拌桩）法深层搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是通过深层搅拌机械，在地基深处就地，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土固化成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体，其与桩间土组成复合地基。固化剂主要采用水泥、石灰等材料，与砂类土或粘性土搅拌均匀，在土中形成翌向加固体。它对提高软土地基承载能力，减小地基的沉降量有明显效果。当采用的固化剂形态为浆液固化剂时，常称为水泥浆搅拌桩法，当采用粉状固化剂时，常称粉体喷射搅拌（桩）法。这两者的加固原理、设计计算方法和质量检验方法基本一致，但施工工艺有所不同。（一）粉体喷射搅拌法粉喷桩法）粉体喷射搅拌法是通过专用的施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将固化剂（生石灰或水泥粉体材料）以雾状喷入加固部位的地基土，凭借钻头和叶片旋转使粉体加固料与软土原位搅拌混合，自下而上边搅拌边喷粉，直到设计停灰标高。为保证质量，可再次将搅拌头下沉至孔底，重复搅拌。粉体喷射搅拌法的优点是以粉体作为主要加固料，不需向地基注入水分，因此加固后地基土初期强度高，可以根据不同土的特性、含水量、设计要求合理选择加固材料及配合比，对于含水量较大的软土，加固效果更为显着；施工时不需高压设备，安全可靠，如严格遵守操作规程，可避免对周围环境产生污染、振动等不良影响。缺点是由于目前施工工艺的限制，加固深度不能过深，一般为8~15m。粉体喷射搅拌法的加固机理因加固材料的不同而稍有不同，当采用石灰粉体喷搅加固软粘土，其原理与公路常用的石灰加固土基本相同。石灰与软土主要发生如下作用：石灰的吸水、发热、膨胀作用；离子交换作用；碳酸化作用（化学胶结反应）；火山灰作用（化学凝胶作用）以及结晶作用。这些作用使土体中水分降低，土颗粒凝聚而形成较大团粒，同时土体化学反应生成复合的水化物4CaO«A1O•ISH0和2CaO«A1O^SiO6H0等在水中逐渐硬化，而与土颗2322322

粒粘结一起从而提高了地基土的物理力学性质。当采用水泥作为固化剂材料时其加固软粘土的原理是在加固过程中发生水泥的水解和水化反应（水泥水化成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙、及含水铁铝酸钙等化合物，在水中合空气中逐渐硬化）、粘土颗粒与水泥水化物的相互作用（水泥水化生成钙离子与土粒的钠、钾离子交换使土粒形成较大团粒的硬凝反应）和碳酸化作用（水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收二氧化碳生成不溶于水的碳酸钙）三个过程。这些反应使土颗粒形成凝胶体和较大颗粒；颗粒间形成蜂窝状结构；生成稳定的不溶于水的结晶化合物，从而提高软土强度。图13-20粉体喷射搅拌施工作业顺序搅拌机对准桩位；b）下钻；c）钻进结束;d）提升喷射搅拌；e）提升结束a)石灰、水泥粉体加固形成的桩柱的力学性质变形幅度相差较大，主要取决于软土特性、掺加料种类、质量、用量、施工条件及养护方法等。石灰用量一般为干土重的6%~15%，软土含水量以接近液限时效果较好，水泥掺入量一般为干土重5%以上（7%~15%）。粉体喷射搅拌法形成的粉喷桩直径为50cm—l00cm，加固深度可达10m~30m。石灰粉体形成的加固桩柱体抗压强度可达800kPa，压缩模量（20000~30000）kPa水泥粉体形成的桩柱体抗压强度可