地基处理方法总结
一．强夯法
1.强夯法的简单描述
强夯法是一种利用重锤（一般100--600kN)，在6--40m高处自由落下，对较厚的松软土层进行强力夯实的方法。它也称动力固结法 2.强夯法的发展历史
强夯法起源于法国，是法国Menard技术公司于首创的一种地基加固方法，它通过一般8～30t的重锤(最重可达200t)和8～20m的落距(最高可达40m)，对地基土施加很大的冲击能，提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件等。1969年首先用于法国戛纳附近芒德利厄海边20来幢八层楼居住建筑的地基加固工程，之后在国外迅速得到推广应用。我国于1978年首次由交通部一航局科研所及其协作单位在天津塘沽新港三号公路进行了强夯法试验研究，并获得成功。自引进到80年代初，约8年。本阶段工程应用强夯能级比较小，一般仅为1000kN*m，处理深度5m左右，以处理浅层人工填土为主。80年代初到90年代初。本阶段兴建国家重点工程山西化肥厂，为了消除黄土地基的湿陷性，国家化工部组织开发了6250kN*m能级强夯，使有效处理深度提高到了10m左右。90年代初到2002年，本阶段以兴建国家重点工程三门峡火力发电厂为契机，成功开发了8000kN*m能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到15m。2002年底至今，强夯工程最高应用能级已经达到10000kN*m。为了更进一步扩大强夯的应用范围，在强夯技术的基础上，还形成了强夯置换和柱锤冲扩等新技术 。目前，国内所用的单击能为50-8000kn.m，多数应用100-200kN.m。 3.强夯法的加固机理
强夯法利用重夯锤，高落距产生的高夯击能给地基一冲击力，在地基中长生冲击波，振密，挤密地基土体。当夯击时，夯锤对地基浅部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对夯坑周围的土体进行动力挤压，夯坑四周地表可能产生隆起。
多孔隙、粗颗粒、非饱和土多采用动力加固，动力加固的主要机理是冲击型动力荷载使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度。
细颗粒饱和土多采用动力固结，动力固结的主要机理是巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利逸出，待超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土的触变性，强度得到提高。
淤泥质土地基多采用动力置换，其加固机理是通过垫层将上部荷载扩散传递到垫层下卧层地基中或通过在设置桩体过程中对桩间土进行挤密，形成挤密砂石桩复合地基，已达到地基承载力，减小沉降的目的。
对非饱和土地基，强夯冲击力对地基土的压密过程基本上同实验室中的击实实验相同，挤密振密效果明显。
对饱和无粘性土地基，在冲击力作用下，土体可能会产生液化，其压密过程同爆破和振动密实的过程类似，挤密，振密效果也是明显的。
对饱和粘性土地基，在锤击作用下，在夯击点附近地基土体结构破坏，产生触变，在一定范围内的地基土体将产生超孔压，并且逐渐消散，地基土固结，孔隙比减小，强度提高。 4.强夯法的设计与施工要点
1）设计
（1）强夯加固地基的有效加固深度和单击夯击能的确定
强夯法加固地基能达到的有效深度直接影响采用强夯法解雇地基的加固效果。强夯法有效加固深度主要取决于单击夯击能和图的工程性质。单击夯击能的确定主要与锤重和落距有关，也与地基土性质和夯锤底面积等有关。加固深度可以通过试验确定，也可以通过修正Menard公式估算：HKWh10
W----锤重，kN: h----落距，m; K----修正系数，一般为0.34-0.8 （2）夯锤和落距地选用 夯击能确定后，课根据要求的单击夯击能和施工设备条件确定夯锤重量和落距。夯锤重量确定后还需确定夯锤尺寸以及选用强夯自动脱钩装置。夯锤底面积大小取值与夯锤的重量和地基土体的性质有关，通常取决于表层土质，对砂性土地基一般采用2--4m2,对粘性土地基一般采用3--6. （3）夯击范围和夯击点布置
强夯法处理地基时，强夯加固的范围应大于建（构）筑物基础范围。通常要求强夯加固范围每边超出基础外缘一定的宽度。超出范围宽度为设计强夯加固深度的1/3--1/2,并不小于3m。
夯击点布置一般可采用三角形或正方形布置。第一遍夯击点间距可取5--9m，以后每遍夯击点间距可以与第一遍相同，也可以适当减小。对加固深度要求较深或采用的单击夯击能较大的工程，所选用的第一遍夯击点间距可是当增大。
（4)夯击数和夯击遍数
每遍每夯点夯击数可通过试验确定。一般以最后二击的平均夯沉量小于某一数值作为标准。
夯击遍数英视现场地质条件和工程要求确定，也与每遍每夯击点夯击数有关.夯击遍数一般采用2--3遍,最后再以低能量对整个加固场地满夯1--2遍. （5）间歇时间
间歇时间是指两遍夯击之间的时间间隔.时间间隔大小取决于地基土体中超孔隙水压力消散的快慢.对渗透性好的地基,强夯在低级中形成的超孔隙水压力消散很快,夯完一遍,第二遍可连续夯击,不需间歇时间.若地基土渗透性较差，强夯在地基土体中形成的超孔隙水压力消散很慢，二遍夯击之间需间歇时间要长，粘性土地基夯完一遍一遍需间歇3--4星期才能进行下一遍夯击。
（6）垫层设计
强夯前一般需要铺设垫层，使地基具有一层较硬的表层能支承较重的强夯起重设备，并便于强夯夯击能的扩散，同时也可以加大地下水位和地表的距离，有利于强夯施工。对场地地下水位在-2m深度以下的砂砾石层,无需铺设垫层可直接进行强夯;对地下水位较高的饱和粘性土地基与易于液化流动的饱和砂土地基,都需要铺设垫层才能进行强夯施工,否则,地基土体会发生流动.铺设垫层的厚度可以根据场地条件、夯锤的重量和夯锤的形状等条件确定。砂砾垫层厚度一般可取0.5--2.0m。当场地条件好、夯锤较小或形状构造合理时，也可采用较薄的垫层厚度。
（7）现场测试设计
①地面沉降观测
通过地面沉降观测可以估计强夯法处理地基的效果。
②孔隙水压力观测
测量在夯击和间歇过程中地基土体中孔隙水压力沿深度和水平距离变化的规律。从而确定夯击点的影响范围，合理选用夯击点间距、夯击间歇时间等。
③强夯影响范围观测 m 通常将地表的醉倒振动加速度等于0.98m/s2的位置作为设计时振动影响的安全距离。为了减小强夯振动对周围建筑物的影响，可在夯区周围设置隔振沟。
④深层沉降和侧向位移观测
通过对地基深层沉降和侧向位移的测试可以有效地了解强夯处理的有效加固深度和强夯的影响范围。 2）施工
强夯施工所产生的振动对邻近的建筑物或设备可能产生有害影响时应设置监测点，并采取隔振、防振措施。 强夯法加固地基施工一般可按下列步骤进行：
①清理并平整施工场地。
②铺设垫层，使在地表形成硬层，用以支承起重设备，确保机械通行和施工。同时可加大地下水和表层面的距离，防止夯击的效率降低。
③标出第一遍夯击点的位置，并测量场地高程。
④起重机就位，使夯锤对准夯点位置。
⑤测量夯前锤顶标高。
⑥将夯锤起吊到预定高度，待夯锤脱钩自由下落后放下吊钩，测量锤顶高程； 若发现因坑底倾斜而造成夯锤歪斜时，应及时将坑底整平。
⑦重复步骤⑥，按设计规定的夯击次数及控制标准，完成一个夯点的夯击。
⑧换夯点，重复步骤4)～7)，完成第一遍全部夯点的夯击。
⑨用推土机将夯坑填平，并测量场地高程。
⑩在规定的间隔时间后，按上述步骤逐次完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将场地表层土夯实，并测量夯后场地高程。 5.强夯法质量检测项目与方法
强夯施工结束后应间隔一定时间方能对地基加固质量进行检验，对碎石土和砂土地基，其间隔时间可取7～14d；对粉土和粘性土地基可取14～28d。强夯置换地基的间隔时间可取28d。
强夯处理后的地基竣工验收时，承载力检验应采用原位测试和室内土工试验；强夯置换后的地基，承载力检验除应采用单墩载荷试验检验外，尚应采用动力触探等有效手段查明置换墩着底情况及承载力与密度随深度的变化，对饱和粉土地基允许采用单墩复合地基载荷试验代替单墩载荷试验。
竣工验收承载力检验的数量，应根据场地复杂程度和建筑物的重要性确定，对于简单场地上的一般建筑物，每个建筑地基的载荷试验检验点不应少于3点；对于复杂场地或重要建筑地基应增加检验点数。强夯置换地基载荷试验检验和置换墩着底情况检验数量均不应少于墩点数的1％，且不应少于3点。
检测点位置可分别布置在夯坑内、夯坑外和夯击区边缘。检验深度应不小于设计处理的深度。
6.强夯法的适用性
强夯法常用来加固碎石土、砂土、低饱和度的粘性土（对于高饱和度的可采用强夯置换法）、素填土、杂填土、湿陷性黄土等地基。 7.工程实例
场地位于九江长江冲积漫滩上,地基土自上而下描述如下:②21粉质黏土:褐色,软塑,表层为30cm耕土,层厚为110 m。②22淤泥粉质黏土:灰色,流塑,呈交互状,层厚在1315～2510 m以上。其间发育有三层灰色饱和流塑状的粉土透镜体,其中透镜体Ζ厚度为2～3 m。②23粉土:灰色,流塑,其间发育有[层灰色流塑粉质黏土透镜体,埋深1512～2510m以上。②24粉质黏土:灰色,流塑,呈交互状,埋深大于1619 m。
1、现场试验结果与分析
夯击沉降量是强夯施工最为宏观、最为直接的一种表征,用夯坑深度来描述。夯击沉降量的大小在一定程度上决定了强夯加固效果的好坏。单击夯击沉降量是强夯施工的控制标准之一,当单击夯击沉降量小于某个控制量时就停止继续夯击,即单击夯击沉降量控制了单个夯击点的夯击次数。
图1为某夯击点在夯击能U为510 MN·m(夯锤20 t,落距25 m)时,夯击次数与夯击沉降量的关系曲线。可以看出,随着夯击次数的增加,单击夯击沉降量不断变小而累计夯击沉降量逐渐增大,并趋于一个恒定值。当夯击次数达到20次,单击沉降量小于5 cm,说明此时已达到良好的加固效果。
图2为夯击20次后,地表土体的位移曲线。可以看出土体的隆起较为明显,在距离夯点3 m处隆起达到最大值。
图3为在不同夯击能作用下,夯击次数为20次时,最大夯击沉降量随深度的衰减曲线。随着深度的增加,最大夯击沉降量迅速减小;不同的夯击能作用下,夯击沉降量随深度衰减的趋势基本一致的,并且随着夯击能的增加,夯击沉降量增大。夯击沉降量在土层浅处的衰减很快,若要使更深处的土体被压实,则需要提高夯击能量[2,3]。
图4为夯击能相同,锤重和落距不同组合下峰值沉降量随深度的衰减曲线。可以看出,重锤低落距方式产生的夯击沉降量大于轻锤高落距方式产生的夯击沉降量,在相同夯击能量下,重锤低落距的加固效果要优于轻锤高落距。
2、结论
本文通过现场夯击试验对强夯加固软土地基的夯击影响因素进行了分析。试验结果表明:随着夯击次数的增加,单击夯击沉降量不断变小而累计夯击沉降量逐渐增大,并趋于一个恒定值。夯击过程中土体会发生隆起现象,在距离夯点3 m处隆起达到最大值。随着夯击能的增加,夯击沉降量增大。在相同夯击能量下,重锤低落距的加固效果要优于轻锤高落距。 二．砂石桩法
1.砂石桩法的简单描述
通过在地基中设置砂石桩（也包括设置只由碎石组成的碎石桩和只由砂组成的砂桩），并在地基中设置桩体过程中对桩间土进行挤密，形成挤密砂石桩复合地基，以达到提高地基承载力，减小沉降目的的一类地基处理方法，统称为挤密砂石桩法（包括挤密碎石桩和挤密砂桩法）。
在设置砂石桩的过程中对桩间土进行挤密是这类地基处理的关键，否则就不是挤密砂石桩，桩的作用主要作用排水。 2.砂石桩法的发展史
碎石桩最早在1835年由法国城Bayonne建造兵工厂车间时使用。但长期缺少实用的计算方法，先进的施工工艺和施工设备，砂桩的应用和发展受到很大的影响。直到1937年由德国人发明了振动水冲法用来挤密砂土地基，直接形成挤密的砂土地基。自本世纪50年代后期，产生了目前日本采用的振动式和冲击式的施工方法，并采用了自动记录装置，提高了施工质量和施工效率，处理深度也有较大幅度的增长。砂桩技术自50年代引进我国后，在工业，交通，水利等建设工程中得到了应用。 3.砂石桩法的加固机理
砂石桩法主要通过挤密、排水减压和砂基预震来提高地基承载力，减小沉降。
挤密作用是指在采用沉管法或干振法，会在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙比减小，密实度增大。在采用振冲挤密桩施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，且在桩孔中填入大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩角增大，土的物理性能改善，地基承载力在幅度提高。
排水减压作用是指对砂土液化机理的研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件进体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升。当砂土中的有效应力降低为零时便形成了完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。
砂基预震效应是指在一定应力循环次数下，当两试样的相对密实度相同时，要造成经过预震的试样发生液化，所需施加的应力要比施加未经预震的试样引起液化所需应力值提高46%，从而得出了砂土液化特性除了与砂土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有关的结论。在振冲法施工时，振冲器的振动作用使地基土获得强烈的预震，这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。
粘性土地基中，砂石桩的作用不是挤密，而是部分置换。对于粘性土地基，砂石桩的作用缩短了排水距离，加速了固结速率。 4.砂石桩法的设计和施工要点
1）设计
（1）施工方法的选用
地基中设置砂石桩的方法有多种，可以根据工程地质条件、施工设备条件、拟采用的桩径、桩长，并根据经济指标分析决定选用施工方法。
（2）桩长的确定
主要根据工程地质条件确定，应让砂石桩穿过主要的软弱层，以满足控制沉降要求。但桩长不宜小于4.0m。
（3）复合地基置换率设计
可先根据经验进行挤密砂石桩复合地基的初步设计，然后通过现场试验提供设计参数，修改完善设计。复合地基置换率m表达式为：
mpcfpsfppfpsf
pcfppfpsf----工程要求复合地基极限承载力，kPa; ----砂石桩单桩极限承载力，kPa; ----桩间土地基极限承载力，kPa;
----桩间土地基承载力修正系数，
（4）加固范围和桩位布置
挤密砂石桩处理范围宜在基础外缘扩大1--3排桩。对可液化的地基，在基础外缘扩大宽度不小于可液化土层的1/2，并不小于5m。桩位布置一般采用三角形或正方形布置。
（5）垫层的设置
砂石桩加固地基宜在桩顶铺设一砂石垫层，一般可取300--500mm厚。
（6）沉降计算
可采用分层总和法计算，加固范围内的复合土体压缩模量Ec可采用下列公式计算：
EcmEp(1m)Es
Ep----砂石桩体压缩模量； Es----挤压后桩间土压缩模量；
m----复合地基置换率。
（7）质量检验方法
复合地基荷载试验确定承载力。
2）施工
挤密砂石桩施工方法主要有振冲法和振动沉管法两种，下面分别介绍两种方法：
（1）振冲法
振冲法是利用振冲器的高频振动和高压水流，边振边冲，将振冲器在地面预定桩位处沉到地基中设计的预定深度，形成桩孔。经过清孔后，向孔内逐段填入碎石，每段填料在振冲器振动作用下振挤、密实。然后提升振冲器，再向孔内填入一段碎石，再用振冲器将其振挤密实。通过重复填料和振密，在地基中形成碎石桩桩体。振冲法施工的主要步骤如下：
①清理平整施工现场，布置桩位。 ②施工机具就位，将振冲器对准桩位。
③启动供水泵和振冲器，将振冲器徐徐沉入地基图中，直到设计深度。
④分层填料，每次填料厚度不宜大于0.5m。利用振冲器进行振密制桩，当电流达到规定的密实电流和到了规定的留振时间后，将振冲器提升30--50cm，然后重复制桩直至桩顶。
⑤关闭振冲器和水泵，移位至下一个桩位。
（2）振动沉管法
振动沉管法是指利用振动桩锤将桩管振动沉入到地基中的设计深度，在沉管过程中对桩间土体产生挤压。然后向管内投入砂石料，边振动边提升桩管，直至拔出地面。通过沉管振动使填入砂石料密实，在地基中形成砂石桩，并挤密振密桩间土。振动沉管法的主要步骤如下：
①清理平整现场，布置桩位。
②振动沉管机具就位，桩管垂直对准桩位。
③启动振动桩锤，将下端装有话瓣桩靴的桩管振动沉入地基中，达到设计深度。
④从桩管上端的投料漏斗加入砂石料（挤密砂桩，加砂料；挤密碎石桩，加碎石料；挤密砂石桩，加砂石料），为保证顺利下料到桩管中，可加适量的水。
⑤边振动边拔桩管直至桩管拔出地面；对逐步拔管法，当桩管沉入到设计深度后，一次投料，然后连续边振边拔，直至拔出地面。
⑥移动桩机至下一个桩位。 5.砂石桩法的检测项目和方法
振冲碎石桩的施工质量检验科采用单桩载荷试验和碎石桩复合地基载荷试验。对碎石桩桩体科用重型动力触探试验进行随机检验，对桩间土的检验可采用标准贯入试验、静力触探试验等进行。
振动沉管挤密砂石桩施工质量检验同振冲法施工质量检验，可以单桩载荷试验和复合地基载荷试验确定地基承载力。对桩体质量可以采用动力触探试验检测，对桩间土可采用标准贯入、静力触探等原位测试方法检测。
6.砂石桩法的适用性
挤密砂石桩法常用于处理砂土、粉土和杂填土地基。在桩体设置过程中，桩间土体被有效振密、挤密。挤密砂石桩复合地基具有承载力提高幅度大、沉降小的优点。 7.工程实例
阳泉一矿53#住宅楼建筑面积为3 486 m2,占地面积43 m×16 m,三个单元,六层,砖混结构。勘 察显示工程所处场地的土层情况自上而下为:①以煤灰炉渣和建筑垃圾为主的杂填土,厚度3～5 m平均4 m;②砾砂,平均厚度4 m;③岩石层。勘察得到的天然地基承载力为80 kPa。工程原设计采用换土法,为了缩短工期,同时降低造价,经建设单位、施工单位与设计单位共同协商,决定采用振动法砂石挤密桩进行加固处理。
根据经验公式:S0.95d1e0e0e
式中:S———砂石挤密桩间距;
d———砂石桩直径;
e0———地基处理前土的孔隙比;
e———地基处理后应达到的孔隙比。
同时经过现场取样试验,确定桩距为112 m,砂石桩以等边三角形布置,桩长3～5 m,桩径500 mm,填料采用粒径50 mm以下天然级配砂卵石。挤密加固范围超出基础宽度,每边放宽2排,共打砂石桩524根,施工顺序从外围和两侧向中间隔一打一进行。
1、加固效果检验
施工后,在场地内分别进行了复合地基及天然地基的静力载荷,以检验加固效果。承压板尺寸为112 m×112 m,承压板放置在非边缘桩之上,承压板面积略大于桩单元面积(即一根桩所担负的面积),这样效果较好。天然地基与复合地基静载荷试验p—S曲线,见图1。
复合地基的p—S曲线无明显直线段与曲线的拐点,为了慎重,采用S/b=0101所对应的荷载作为地基容许承载力,复合地基载荷板下深度为2 b范围内变形模量的平均值(容许载荷状态时):
E=0.89(1-2)bp/S。
式中:p———所提供的容许承载力,kPa;
S———p对应的总沉降量;
μ———复合地基土的泊桑比,sa(sp)，p为砂石桩泊桑比取0.2,s为
桩间上泊桑比取0.42,a为承压板下土的面积与桩的面积之比。
按上述方法确定,复合地基容许承载力为260 kPa,变形模量为2116 M Pa;天然地基为66.6 MPa,复合地基容许承载力是天然地基的3125倍、变形模量是3127倍,地基加固后,满足设计要 求。
在建筑物一层主体完成后,开始沉降观测,共设8个观测点。经施工过程的沉降观测,建筑物基本均匀沉降,使用半年后沉降趋于稳定,目前正常。
2、结语
振动法砂石挤密桩加固杂填土地基与换土法比较,资金节省一半,工期缩短一半,效果是显著的,通过试验与观测可以得出结论。
(1) 把松散的砂土挤实到临界孔隙比以下,防止砂土液化。
(2) 由于形成强度高的挤密砂石桩体,提高了地基总体强度。
(3) 有效地加快饱和软弱土地基排水固结沉降,发挥了土体置换和地基土排水固结的复合作用。
三．换土垫层法
1.换土垫层法的简单描述
换土垫层法就是将基础底面以下不太深的一定范围内软弱土层挖去，然后用强度高、压缩性能好的岩土材料，如砂、碎石、矿渣、灰土/土工格栅加砂石料等材料分层填筑，采用碾压、振密等方法使垫层密室。通过垫层将上部荷载扩散传递到垫层下卧层地基中，以满足提高地基承载力和减小沉降的要求。 2.换土垫层法的发展史
3.换土垫层法的加固机理
将软弱土层挖去，用强度高压缩性能好的土分层填筑，然后通过碾压、振密使各垫层密实。
4.换土垫层法的设计和施工要点
1）设计
（1）垫层材料的选用（因地制宜）
（2）确定垫层铺设范围
垫层铺设范围应满足记住底面应力扩散的要求。对于条形基础，垫层铺设宽度B可根据当地的经验确定，也可按下式计算：
Bb2ztan
B----垫层宽度，m;
b----基础底面宽度，m;
z----垫层厚度，m;
----压力扩散角。
（3）确定垫层厚度
垫层铺设厚度根据需要置换软弱土层的厚度确定，一般情况下垫层厚度不宜小于0.5m,也不宜大于3m。要求垫层底面处土的自重应力与荷载作用下产生的附加应力之和不大于同一标高处的低级承载力特征值，其表达式为：
pzpczfaz
pzpczfaz----荷载作用下垫层底面处的附加应力，kPa; ----垫层底面处土的自重应力，kPa; ----垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。
（4）沉降计算
可采用分层总和法计算沉降量，一般垫层地基的沉降中仅考虑下卧层的变形，但对沉降要求较严或垫层厚度较厚的情况，还应计算垫层自身的变形。
2）施工
换土垫层法施工包括开挖换土和铺填垫层两部分。 开挖换土应注意避免坑底土层扰动，应采用干挖土法。
铺填垫层应根据不同的换填材料选用不同的施工机械。垫层需分层铺填，分层压密。砂石垫层宜采用振动碾碾压；粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯等碾压方法密实；灰土垫层宜采用平碾、振动碾等方法密实。 5.换土垫层法的检测项目和方法
垫层法施工质量检验应分层进行。每层施工后经检验符合设计要求后才能进行下一层施工。
对灰土、粉煤灰和砂土垫层的施工质量可采用环刀法、贯入法、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验等方法进行质量检验；对砂石、矿渣垫层可采用重型动力触探检验垫层质量。
6.换土垫层法的适用性
换土垫层法适用于软弱涂岑分布在浅层且较薄的各类不良地基的处理。 7.工程实例
龙岩市某开发区A幢住宅楼为六层砖混结构,总建筑面积为2910m2,基底外围面积为485m2。按楼面设计荷载6.88kN/m2,屋面设计荷载6.90kN/m2。该工程95年6月开工, 96年6月完工,基础平面如图一。
一、工程地质条件
本工程由省地质工程勘察院进行勘察,自然地面标高为326.30～326.51m,地质剖面见图二。浅部土层可分为三层;素填土层、粉质粘土层和含砾粉质粘工层。素填土层厚4.5～8.5m,各土层的物理力学指标见表一。
二、垫层设计
根据龙岩地区现有基础特点,一般选用墙下毛石条形基础,但由于填土较厚,其承载力指标又不能满足设计要求,若选择粉质粘土层作为持力层,则基槽开挖深度过大给施工带来很大的因难。工期和造价也无法接受。考虑到该建筑物结构布置较均称,墙下条基承受荷载相差不大,故决定采用墙下毛石条形基础,但其下填土应进行处理以提高地基的承载力和减少基础的沉降,本次设计采用换土垫层法以砂砾石填料来置换部分素填土。
1、垫层厚度Z的确定
垫层剖面如图三所示。垫层厚度Z根据垫层底部软弱土层的承载力确定。即作用于垫层底面处土的自重应图与附加应力和应不大于下卧层的地基承载力。计算方示如下:
Pz+Pcz≤fz
式中:Pz一砂砾石垫层底面处附加应力设计值(kN/m2)
Pcz一砂砾石垫层底面处自重应力标准值(kN/m2)
fz一砂砾石垫层处修正后的软土地基承载力设计值(kN/m2)
对于条形基础,垫层底面处的附加应力设计值Pz
PzbPcb2Ztan
式中:Po—基底附加压力(kN/m2)
b—条形基础宽度(m)
Z—基础底面下垫层的厚度(m)
θ—垫层的压力扩散角(°) 本工程设计荷载见表二
2、确定垫层宽度b′
垫层宽度主要应满足基础底面应力扩散的要求,其次也要考虑垫层侧面土的允许承载力,以防止垫层向两侧挤入软弱土层中,导致沉降增大,甚至失稳。可按公式:b’≥b+2ztanθ计算。垫层宽度可根据施工要求适当加宽,顶面宽度每边宜超出基础底面不小于300mm,或从垫层底面两侧向上按当地基槽开挖经检要求加坡。本工程取400mm。基础及垫层剖面如图三。
3、垫层的承载力
由于垫层采用人工级配,其中碎石,卵石占全重的40～50%,并进行分层施工,根据规范规定和实际情况,垫层的承载力fk=200kPa～250kPa,本工程取fk=210kPa。
4、基础沉降验算
本工程由于垫层下仍存在软弱下卧层(素填土层),且不在可不作地基变形计算的二级建筑物范围内《(建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)表2.0.2),故须进行基础沉降验算。砖混结构的地基变形由局部倾斜控制,即计算砖混结构沿纵向6～10m内基础两点的沉降差与其距离的比值,此局部倾斜值须小于地基变形允值,对中压缩性土层允许值为0.002。
规范推荐的地基变形计算公式为: n
SsS\'si1P0Esi(ZiZi1ai1)
式中:S—地基最终沉降量(mm)
S\'—按分层总和法计算出的地基沉降量(mm)
s—沉降计算经验系数。
n—地基沉降计算深度范围内所划分的土层数
P0—对应于荷载标准值时的基础底面处的附加压力(kPa)
Esi—基础底面至i层土,第i-1层土底面的距离
Zi、Zi1—基础底面至i层土,第i-1层土底面的距离
ai、ai1—基础底面计算点至第i层土,第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。
平均附加应力系数ai,ai-1计算时,当计算点不位于矩形荷载角点之下时,可按角点法求解。
三、垫层施工
在选材方面,所用材料砂砾石为主填以中粗砂,砂砾石颗粒不均匀系数不小于5,含泥量不超过3%,砾石直径不超过5cm。置换砂砾石要求分层施工,约每20cm用平板式振捣器夯实1次,并控制砂砾石最佳含水量在15～20%。
四、质量检查
分层铺填时,由质检人员检查填料质量、粒径、级配、铺填厚度等。每填两层抽查三处。检测采用填盒法。该工程96年6月竣工、验收和交付使用后,至今已三年半。经过沉降观测和用户使用反映,未发现沉降量过大和出现任何不均匀沉降现象。主要沉降观测点实测沉降曲线见图(4)。从图中可看出,上部结构施工完成后已完成大部沉降,经半年使用后沉降基本稳定,反映了砂砾石填上的特点。
六、经济分析
龙岩市砂砾石资源丰富,采用砂砾石垫层换土法有一定的优势。下面是本工程采用其它基础形式的经济指标对比分析表,当然设计人员应根据实际的地质情况、建筑物的上部结构及基础类型,采用不同的处理方法。三种方案经济比较见表三。
七、换土垫层法总结与探讨
本工程换土垫层施工严格按砂砾石垫层施工要求进行,并分层进行质量检验。在设计、施工、质检和甲方的共同努力下,保证了整幢工程顺利竣工和安全使用。换土垫层法发挥了其应有的地基处理作用。笔者从结构整体设计、基础设计、换土垫层设计和参与基础及整幢住宅现场施工过程中,认为以下几点值得探讨。
1、软土地基设计时,应考虑上部结构、基础和地基的共同作用
(1)对砖混结构,宜采取措施增加上部结构整体刚度和强度。如控制长高比不大于2.5(本工程为2.1);在墙体内设置钢筋砼圈梁和构造柱;圈梁和构造柱按抗震设计规范(本工程按6度四级设防)要求设置,本工程圈梁层层设置。
(2)对砌体结构采用刚性基础时,宜设置基础圈梁,选择合适的基础埋置深度,适当扩大基底面积。
(3)对建筑体型、荷载情况、结构类型和地质条件综合分析,确定合理的地基处理适当扩大基底面积。
2、最佳的地基土处理方案的选定
基于场地工程地质条件,本工程可采用的地基处理方案除换土垫层法外,还可考虑采用桩基础或地基不经处理的钢筋砼十字交梁基础。但若采用桩基,桩身长(本工程软土层较厚),施工机具要求高,势必引起造价高,而且施工工期长,甲方不能接受。采用钢筋砼工字交梁基础,因地基未经处理,直接采用天然地基,造成基础面积大,基础底板和基础梁所用筋和砼量大,基础造价较高,因属集资形式,甲方也难以接受。而采用换土层法,可就地取材且砂砾石廉价,施工机具简单,施工进度快,对环境影响小,砂砾垫层处理效果好且安全可靠,甲方乐于接受。
3、换土垫层厚度Z的选取范围
垫层厚度一般在1～3m之间,厚度太大则造价高,施工较困难,厚度太小则作用不显著。本工程垫层厚度为1.7m在此厚度范围内。
4、不同垫层材料对地基处理的影响
本工程垫层采用中粗砂和砾石,但垫层材料也可以是碎石、卵石、素土、灰土、矿渣,以及其他性能符合要求的散料材料。采用不同的垫层材料,虽然在某些非主要方面存在一定差异和限制,但就地基承载力和沉降变形这两个方面却基本相似,基本设计方法是一致的。
5、地基基础抗震措施
龙岩市的地震基本烈度为6度,建筑设计时应按此设防。由于6度区建筑可不必进行截面抗震验算,只需采取有关的抗震构造措施。故本工程按6度区抗震设计规范要求设置上部圈梁、构造柱,并设置基础圈梁,构造柱纵筋伸入毛石基础50cm下,加强基础和上部结构整体性;同时严格按《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91)进行地基处理,确保施工质量,满足地基基础抗震要求,保证结构安全和正常使用。
四．堆载预压法
1.堆载预压法的简单描述
堆载预压法加固地基是通过在地面上堆载，对地基土体进行预压，使地基土体在预压过程中产生排水固结，达到减少工后沉降和提高地基陈在理。 2.堆载预压法的发展史 3.堆载预压法的加固机理
通过地面上部堆载的预压，使地面下地基土体产生排水固结，从而达到减小沉降和提高地基承载力的目的。
4.堆载预压法的设计和施工要点
1）设计
堆载预压法设计主要包括排水系统的设计和加压系统两部分的设计。排水系统设计包括竖向排水体的材料选用，排水长度、断面、平面布置的确定等；加压系统设计主要包括堆载预压计划的确定和堆载材料的选用，以及堆载预压过程中的现场检测设计等。下面介绍一下大致步骤：
（1）竖向排水体材料选择
①竖向排水体材料选择
竖向排水体可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带。可根据材料资源、施工条件和经济分析比较确定。若需要设置竖向排水体长度超过20m，建议采用普通砂井。
②竖向排水体设置深度设计
根据对工后沉降要求和地基承载力的要求确定软黏土地基处理深度，然后由处理深度确定竖向排水体的设置深度。若软土层较薄，竖向排水体应贯穿软土层。若软土层中有砂层，而且砂层中没有承压水，应尽量打至砂层。否则应留有一定厚度的软土层，防止承压水与竖向排水体连通。
③竖向排水体平面设计
工程应用中，普通砂井直径一般为300--500mm，多采用400mm，井径比常采用n=6-8。当加固土层很厚时，砂井直径也有大于1000mm的。
袋装砂井直径一般为70-100mm，多采用70mm，井径比常采用n=15-30。塑料排水带常用当量直径表示。当塑料排水带宽度为b，厚度为时，其当量直径Dp计算式为：
Dp2(b) 塑料排水带井径比一般采用n=15-30。
④水平排水砂垫层的设计
地表排水砂垫层采用中粗砂铺设，含泥量应小于5%，砂垫层的厚度一般应大于400mm。水平排水系统应能保证在预压加固过程中由地基中排出的水能引出预压区。
（2）堆载预压计划设计
根据初步确定的排水系统核对地基处理的要求，包括提高地基承载力、减小工后沉降以及容许的堆载预压工期等要求，初步拟定一个堆载预压计划。
①堆载预压过程中地基稳定性验算
主要验算加载阶段地基的稳定性。加载阶段地基稳定，则恒载预压阶段地基肯定是稳定的。
②堆载预压结束时刻（t4）地基承载力和工后沉降是否满足设计要求。
（3）现场监测设计
堆载预压法现场监测项目一般包括底面沉降，地表水平位移观测和地基土体中孔隙水压力观测，有条件也可进行地基中深层沉降和水平位移观测。
（4）堆载预压法设计计算小结
堆载预压法设计过程是一个反复调整、不断优化的过程。堆载预压法应采用动态设计，根据现场监测结果，不断调整堆载预压计划。 2）施工
堆载预压法施工包括排水系统施工和堆载预压施工。在铺设垫层时应注意与竖向排水体的连接。堆载预压应严格按照堆载预压计划进行加载，并根据现场测试资料不断调整堆载预压计划，确保堆载预压过程中地基稳定性。堆载预压用料应尽可能就近取材，如卸载后材料还能二次应用最好。
5.堆载预压法的检测项目和方法
排水固结施工过程中主要通过沉降观测、地基中超孔隙水压力监测来检验其处理效果，也可在加载不同阶段进行不通深度的十字板抗剪强度试验和取土进行室内试验，检验地基处理效果，并且通过上述检验手段验算预压过程中地基稳定性。
预压完成后，可通过沉降观测成果、超孔隙水压力监测成果以及对预压后地基进行十字板抗剪强度试验及室内土工试验检验处理效果。 6.堆载预压法的适用性
7.工程实例
五．深层搅拌法
1.深层搅拌法的简单描述
深层搅拌法事通过特制的施工机械----各种深层搅拌机，沿深度将固化剂（水泥浆或水泥粉或石灰粉，外加一定的掺和剂）与地基土就地强制搅拌形成水泥土桩或水泥土块的一种地基处理方法。通过深层搅拌法在地基中形成的水泥土强度高、规模大、渗透系数小，可用于提高地基承载力，减小沉降，也可用于形成止水帷幕，构筑挡土结构等。 2.深层搅拌法的发展史
第二次世界大战后，美国首先研制成功水泥深层搅拌法，所形成的水泥土桩称为就地搅拌桩（Mixed-in-place-Pile)。1953年，日本从美国引进水泥深层搅拌法。1967年日本和瑞典分别开始研制喷石灰粉的深层搅拌施工法，并获得成功，并于20世纪70年代应用于工程实践。
我国于1977年由原冶金部建筑研究总院和交通部水运设计规划院引进、开发水泥深层搅拌法，并很快在全国得到推广应用，成为软土地基处理的一种重要手段。 3.深层搅拌法的加固机理
深层搅拌法通过在地基中灌入水泥固化物，在地基中设置水泥土桩与地基土形成水泥土桩复合地基，已达到提高地基承载力，减小沉降的目的。也有通过在地基中灌入固化物，达到土质改良的目的。
4.深层搅拌法的设计和施工要点
5.深层搅拌法的检测项目和方法 6.深层搅拌法的适用性 7.工程实例
