1、換填法、砂石樁法及強夯法地基處理技術12概述處理原則和方法分類34換填法砂石樁法5強夯法第五章 地基處理1概述第五章 地基處理昆明學院馮博士 （1）改善地基的剪切性能、提高地基承載力及其穩定性。 （2）改善地基的變形性質、減少其沉降及不均勻沉降變形量。 （3）改善地基的滲透性、加強其滲透穩定性。 （4）改善地基的動力特性、提高其抗震性能。 （5）改善地基的不良特性、滿足其工程的需要。5.1 概述一、地基處理的目的 淤泥和淤泥質土、軟粘土、人工填土、細粉砂土和粉土、濕陷性土、有機質土和膨脹土、多年凍土、巖溶、土洞和山區地基等。5.1 概述二、處理對象1、淤泥土與淤泥質土淤泥土與淤泥質土簡稱軟土淤

2、泥: 孔隙比 e1.5, wwl (Il1.0)淤泥質土: 孔隙比 e =1.01.5,wwl (Il1.0)土性 * 高含水量 =4090% 甚至100% * 高壓縮性 a 0.53.0MPa-1 * 高流變性 : 次固結量隨時間增加 * 低強度 Cu 1.5, wwl (Il1.0)，有機含量 30%泥炭質土 e=1.01.5, 有機含量10-30%*強度低、壓縮性很大2、粉細砂、粉土和粉質土：易震陷、液化3、砂土、砂礫石等：透水性大、抗滲、防止管涌和流土4、其他類土濕陷性黃土：消除濕陷膨脹土：脹縮性巖溶：塌陷5.1 概述2處理原則和方法分類第五章 地基處理 地基處理方法的分類可有多種多樣

3、。如：按時間可分為臨時處理和永久處理； 按處理深度可分為淺層處理和深層處理； 按處理土性對象可分為砂性土處理和粘性土處理，飽和土處理和非飽和土處理； 按地基處理作用機理可分為置換、夯實、擠密、排水、膠結、加筋等處理方法。地基處理方法分類及應用范圍5.2 處理原則和方法分類地基處理方法選用原則技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量地基條件處理要求（處理后地基應達到的各項指標、處理的范圍、工程進度等）工程費用材料、機具來源5.2 處理原則和方法分類3換填法第五章 地基處理當軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設計要求，而軟弱土層的厚度又不是很大時，將基礎底面下處理范圍內的軟弱土層部分或全部挖除，然后分

4、層換填強度較大的砂（碎石、素土、灰土、爐渣、粉煤灰）或其他性能穩定、無侵蝕性的材料，并壓實至要求的密實度為止，這種地基處理方法稱為墊層法。5.3 換填法1 墊層法定義通?；娱_挖后，利用分層回填壓實，也可處理較深的軟弱土層，但經常由于地下水位高而需要采用降水措施；坑壁放坡占地面積大或需要基坑支護；以及施工土方量大，棄土多等因素，從而使處理費用增高，工期延長，因此換填法的處理深度通常宜控制在3米以內。但也不應小于0.5米，因為墊層太薄，則換土墊層的作用也不顯著。在濕陷性黃土地區或土質較好場地，一般坑壁可直立或邊坡穩定時，處理深度可限制在5米以內。“軟弱土層的厚度又不很大” -到底是多少米？在實際

5、工程中，什么情況下優先選用該法？適用性：5.3 換填法深厚軟土深厚軟土軟土地基沉降太大、強度不足墊層法地基處理過程示意5.3 換填法2 墊層的類型按常用的墊層材料，可分為 砂墊層 碎石墊層 素土墊層 灰土墊層5.3 換填法3 換土墊層的作用 （1）提高持力層的承載力； （2）減少沉降量； （3）加速軟弱土層的排水固結； （4）防止凍脹； （5）消除膨脹土的脹縮作用。5.3 換填法墊層的作用：(1)提高地基承載力。淺基礎的地基承載力與持力層的抗剪強度有關。如果以抗剪強度較高的砂或其它填筑材料代替軟弱的土，可提高地基的承載力，避免地基破壞。(2)減少沉降量。一般地基淺層部分沉降量在總沉降量中所占的

6、比例是比較大的。以條形基礎為例，在相當于基礎寬度的深度范圍內的沉降量約占總沉降量50%左右。如以密實砂或其它填筑材料代替上部軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。由于砂墊層或其它墊層對應力的擴散作用，使作用在下臥層土上的壓力較小，這樣也會相應減少下臥層土的沉降量。5.3 換填法(3)加速軟弱土層的排水固結。建筑物的不透水基礎直接與軟弱土層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土層地基中的水被迫繞基礎兩側排出，因而使基底下的軟弱土不易固結，形成較大的孔隙水壓力，還可能導致由于地基強度降低而產生塑性破壞的危險。砂墊層和砂石墊層等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎下面的孔隙水

7、壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度，避免地基土塑性破壞。5.3 換填法(4)防止凍脹。因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產生毛細管現象，因此可以防止寒冷地區土中結冰所造成的凍脹。這時，砂墊層的底面應滿足當地凍結深度的要求。(5)消除膨脹土的脹縮作用。在膨脹土地基上可選用砂、碎石、塊石、煤渣、二灰或灰土等材料作為墊層以消除脹縮作用，但墊層厚度應依據變形計算確定，一般不少于0.3m，且墊層寬度應大于基礎寬度，而基礎的兩側宜用與墊層相同的材料回填。5.3 換填法墊層的厚度z應根據需置換軟弱土的深度或下臥土層的承載力確定，并符合下式要求： 墊層設計（以砂墊層為例）5.3 換填法 相應于荷

8、載效應標準組合時，墊層底面處的附加壓力值（kPa）；墊層底面處土的自重壓力值（kPa）； 墊層厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。faz墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值（kPa）。1）墊層厚度的確定b回填土b= b+2ztan dzCZ用試算法確定墊層的厚度z（1）初定z為12m；（2）計算； 、（3）按式 驗算；若不滿足要求，則重新取值，直到滿足要求為止。5.3 換填法墊層底面處的附加壓力值可分別按下兩式計算：式中 b矩形基礎或條形基礎底面的寬度（m）；l 矩形基礎底面的長度（m）；pk 相應于荷載效應標準組合時，基礎底面處的平均壓力值（kPa）； 基礎底面處土的自重壓力值（kPa

9、）； z 基礎底面下墊層的厚度（m）； 墊層的壓力擴散角，宜通過試驗確定，當無試驗資料時，可查表。條形基礎矩形基礎5.3 換填法粉質粘土和粉土換填材料中、粗、礫、碎石土、石屑灰土0.250.50203062328 壓力擴散角 注：1、當Z/b0.25時，除灰土外，其余材料均取=0； 2、當0.25Z/b0.50時，可內插求得。5.3 換填法要求：滿足基礎底面應力擴散的要求，防止墊層向兩側擠壓。 5.3 換填法2） 墊層寬度的確定常用經驗的擴散角法按下式確定： 墊層頂面每邊超出基礎底邊不宜小于300mm。采用換填法對地基進行處理后，由于墊層下軟弱土層的變形，建筑物地基往往仍將產生一定的沉降量及差

10、異沉降量。因此，在墊層的厚度和寬度確定后，對于重要的建筑物或墊層下存在軟弱下臥層的建筑物，還應進行地基的變形計算。5.3 換填法3） 地基變形計算換土墊層后的建筑物地基沉降由墊層自身的變形量和下臥土層的變形量兩部分所構成，即 式中 基礎沉降量(cm)； 墊層自身變形量(cm)； 壓縮層厚度范圍內，自墊層底面算起的各土層壓縮變形量之和(cm)。5.3 換填法4） 墊層材料的選用(2) 粉質粘土。土料中有機質含量不得超過5，當含有碎石時，粒徑不宜大于50mm。(1)砂石。宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑（粒徑小于2mm的部分不應超過總重的45），應級配良好，不含植物殘體、垃圾等

11、雜質。當使用粉細砂時，應摻入不少于總重30的碎石或卵石。砂石的最大粒徑不宜大于50mm。(3) 其他材料如灰土、 粉煤灰、 礦渣等。在有可靠試驗結果或成功工程經驗時，對質地堅硬、性能穩定、無腐蝕性和放射性危害的工業廢渣等均可用于填筑換填墊層。也可由土工合成材料與地基土構成加筋墊層。(2) 分層鋪填厚度、每層壓實遍數等宜通過試驗確定。一般情況下，墊層的分層鋪填厚度可取200300mm。5.3 換填法5） 墊層的施工關鍵是如何將砂土加密到設計要求的密實度。加密方法可采用機械碾壓法、重錘夯實法和平板振動法。應根據不同的換填材料選擇施工機械。(3) 基坑開挖時應避免坑底土層受擾動。 5.3 換填法(4

12、) 作好基坑的排水工作，必要時應采取降低地下水位的措施。采用振實時，應保證水源補給與 排水暢通，水面宜保持與砂面齊平?？捎米鲏|層的材料很多，除砂和碎石外，還有素土、灰土墊層，以及粉煤灰墊層等。國外還在墊層中鋪設塑料網片（加筋）來提高墊層的強度。 某工程地基為軟弱地基，采用換填法處理，換填材料為礫砂，墊層厚度為1m，已知：該基礎為條形基礎，基礎寬度為2m，基礎埋深位于地表下1.5m，上部結構作用在基礎底面上的荷載為：P=200KN/m；自地面至6.0m均為淤泥質土，其天然重度為17.6KN/m3，飽和重度為19.7KN/m3，承載力特征值為80kpa，地下水位在地表下2.7m，問：(1) 作用于

13、墊層底部的附加應力(2) 下臥層承載力是否滿足要求 5.3 換填法5.3 換填法5.3 換填法某獨立基礎尺寸為1.5m1.2m，基礎埋深為1m，荷載效應標準組合時，上部結構傳至基礎頂面的荷載為252kN，其他資料如圖所示，現擬采用1m厚的灰土墊層進行處理，灰土的重度為19.8kN/m3，進行下臥層承載力驗算。5.3 換填法4砂石樁法第五章 地基處理1、基本定義 碎(砂)石樁又被稱做粗顆粒土樁，是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔之后，形成由砂石構成的大直徑密實樁體，包括碎石樁、砂樁和砂石樁，總稱為碎石樁。 砂石樁與樁周土共同組成基礎下的復合土層，構成持力層。2、成樁方式 1) 成砂樁方

14、式：振動法和沖擊法為主； 2) 成碎石樁方式：有振沖法、沉管法、干振法、強夯置換法、鉆孔錘擊法等。5.4 砂石樁法 1) 中、小型工業與民用建筑物； 2) 港灣建筑物(碼頭、護岸工程等)； 3) 土工構筑物(土石壩、路基等)； 4) 材料堆置場地(礦料場等)； 5) 其它場地?；?、機場等。工程上，碎石樁法可用以下各類建筑：5.4 砂石樁法新鄭高速公路震動沉管擠密碎石樁施 工5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 1) 松散砂土的工程特性 砂土和粉土屬于散粒狀結構，粒間孔隙大，顆粒的排列位置很不穩定， 在外荷(動力和靜力)作用下易發生移位,并會重新進行排列，趨于較穩定狀態。因此，松散砂

15、土沉降變形大、抗液化性弱、承載力小。尤其是受振動作用后，體積可縮小20%。2) 加固機理 通過碎石樁處理，可有效地改善松散砂(粉)土的工程特性，主要表現在三個方面：5.4 砂石樁法 擠密作用：a、對振沖法而言：施工過程中由于水沖使得松散砂土達到飽和狀態，并在高頻強迫振動下產生液化、重新排列密實；孔中填入的粗骨料被強迫振動、密實的同時，樁體半徑還不斷增大，對樁周土形成水平擠壓作用,甚至有一部分被擠入樁周土中。于是 ，砂土密實度、孔隙率 ，干密度和內摩擦角，達到力學性能改善、承載力提高、抗液化性能增強的目的；b、對沉管法或干振法而言：施工中，樁管對周圍砂層產生很大的水平擠壓力，并將樁管處砂子擠向樁

16、管周圍的土層中, 樁管四周砂層孔隙率、密實度 。 5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 由于擠壓，緊貼于樁周管上的土結構遭到完全破壞。樁管周圍塑性變形區，由于受到擠壓和孔隙水壓力的共同作用，強度顯著降低。樁管周圍塑性變形區半徑RP可由下式確定。 由式知，塑性變形區域的大小與樁管半徑、土的變形模量成正比，與土的抗剪強度成反比。 5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 擠密作用：圖 樁孔周圍應力分布區完全破壞區5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 擠密作用：砂土和粉土中排水減壓振密作用比擠密作用顯著，是砂石樁的主要加固作用之一。振密作用在宏觀上表現為振密變形。振動成樁過

17、程中，一般形成以樁管為中心的“沉降漏斗”，直徑達樁徑的69倍，并形成多條環狀裂隙。 振沖成樁過程中，樁周土體在循環荷載作用下發生收縮和趨于緊密，砂土在無排水條件下體積不斷收縮導致超孔隙水壓力產生，有效應力降為零時引起砂土液化。碎石樁體材料具有良好的反濾效果，是理想的人工豎向排水減壓通道，土體中的超水孔隙水必然沿著該排水通道排出地面。隨著孔隙水排出，土體的孔隙比降低，密實度得到提高。5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 排水減壓振密作用: 預震抗液化作用: 砂石樁法的預震抗液化作用主要有兩個方面： 樁間可液化土層受到擠密和振密作用。土層的密實度增加，結構強度提高，表現在土層標貫擊數的增

18、加，從而提高土層本身的抗液化能力； 砂土的液化特性不僅與相對密實度和排水體有關，還與砂土的振動應變史有關。預先受過適度水平的循環應力預振的砂土，將具有較大的抗液化強度。砂石樁成樁過程中，樁間土受了多次預振作用，并通過樁體將產生的超孔隙水壓力消散，因而提高樁間土的抗液化能力。 5.4 砂石樁法3、加固機理（松散砂土及粉土） 3、加固機理(粘性土) 1) 粘性土的工程特性: 結構為蜂窩狀或絮狀結構，粘粒含量高、粘間結合力強、滲透性低。 在受到動、靜外荷作用時，黏粒之間的結合力以及黏粒、離子、水分子所組成的平衡體系雖然受到破壞，孔隙水壓力升高，土的強度降低，塑性變形增大，但是土中水并不容易排放。 黏

19、性土密實度提高效果不佳，無法達到最終提高承裁力的目的。 5.4 砂石樁法2) 加固機理 主要通過置換法(用碎石樁置換粘性土) 實現改良土基的目的，具體表現在兩個方面。 樁體置換作用。以性能良好的砂石樁直接替換部分粘性土，構成性能良好的復合地基。由密實的碎石樁樁體取代了與樁體體積相同的軟弱土，因為砂石樁的強度和抗變形性能等均優于其周圍的土，所以形成的復合地基的承載力、模量就比原來天然地基的承載力、模量大，從而提高了地基的整體穩定性，減小了地基的沉降量。復合地基承載力增大率與沉降量的減小率均和置換率成正比關系。5.4 砂石樁法3、加固機理(粘性土) 2) 加固機理： 排水固結作用。飽和黏性土地基中

20、，碎石樁體的排水通道作用是砂石樁法處理飽和軟弱黏性土地基的主要作用之一。由于沉管成樁過程中的擠壓和振動等作用，樁間土會出現較大的孔隙水壓力，導致土強度降低。碎石樁施工結束后，上覆土體重力作用下，借助于砂石樁良好的排水作用，樁間土發生排水固結，同時由于黏粒、水分子、離子之間重新形成新的穩定平衡體系，使土的強度得以恢復，甚至超過原土體強度。 5.4 砂石樁法3、加固機理(粘性土) 4、加固作用和效果 1 砂石樁加固作用： 不管是松散砂性土還是軟弱粘土，砂石樁具有復合地基的加固作用，并具體表現在5個方面：擠密、置換、排水固結、墊層和加筋作用。2 砂石樁加固效果： 對地基的加固效果具體表現在：可以使承

21、載力提高，使地基沉降量減小，抗剪強度增加和抗滑穩定性提高。 5.4 砂石樁法5、設計計算 (1)、加固范圍：總體上要大于基礎底面的面積，具體根據建筑物的重要性及場地條件確定。 對于一般地基，宜在基礎外緣擴大13排樁； 對可液化地基，在基礎外緣擴展寬度不小于基底可液化土層厚度的1/2，并不應小于5m。具體見下表所示。基礎形式加固范圍獨立基礎不超出基底面積條形基礎不超出或適當超出基底面積筏形、十字交叉及箱形基礎基礎平面外輪廓范圍內滿堂加固，輪廓線外加23排保護樁5.4 砂石樁法正方形布置矩形布置三角形布置扇形布置(2)、布樁形式： 對大面積滿堂處理，宜用等邊三角形布置；對單獨基礎或條形基礎，采用正

22、方形、矩形，等腰三角形較合適。5.4 砂石樁法5、設計計算 (3)、樁徑：1)碎石樁：取決于施工設備的樁管大小和地基土條件，一般為0.71.0m ；2)沉管法施工樁：一般為0.30.7m ；3)振沖樁：直徑一般為0.81.2m。(4)、材料要求：碎石料可使用礫砂、粗砂、中砂、圓礫、角礫、卵石、碎石等，這些材料可單獨用一種，也可以粗細粒料以一定的比例配合使用。填料中含泥量5%，并且不含有粒徑大于50mm的顆粒。(5)、墊層：墊層是基礎的“保護層”。故樁體施工結束后，樁頂與基礎間宜鋪設300500mm厚的碎(砂)石墊層，并振實。5.4 砂石樁法5、設計計算 (6)、樁長(加固深度)：取決于建筑物對

23、地基的強度和變形條件等的設計要求以及地質條件(軟土層的厚度、性能等)而定，砂土地基還應考慮抗液化的要求。主要注意四個方面： 1）地基中松軟土層厚度不大時。根據較好土層埋深確定。 2）松軟土層厚度較大時。按穩定性控制的工程，樁長不應小于最危險滑動面的深度；按沉降變形控制的工程，樁長應滿足復合地基的沉降量不超過建筑物地基的容許沉降量。 3）對于可液化地基，加固深度按要求的抗震處理深度確定。 4）樁長不宜小于4m，砂樁的長度一般應達8-20m。5.4 砂石樁法5、設計計算 加固目的是提高地基承載力，減小變形及抗液化性等。因此， 基本出發點是擠密。 由此，要求我們確定密實度(rd)，孔隙度(e)，樁位

24、布置，樁徑(d)，間距(L)，樁體長或處理深度(H ) 。5.4 砂石樁法5、設計計算（砂性土） 計算參數及公式 單樁加固面積，正方形布樁 樁體面積 樁距 原地基土單位深度平均體積 砂固相顆粒體積 假定碎石樁為100%的擠密作用，即成樁過程中地面沒有隆起或下沉現象，被加固的砂土沒有流失。 一根碎石樁承擔的處理面積5.4 砂石樁法5、設計計算（砂性土） 樁距L的確定處理前體積： 處理后體積： 樁體直徑為d： 兩式聯立： 正方形布置正三角形布置5.4 砂石樁法5、設計計算（砂性土） 按照規范給出的簡化公式修正系數用來考慮振動下沉密實作用，取值為1.11.25.4 砂石樁法5、設計計算（砂性土） 若

25、考慮擠密和振密兩種作用粘性土的加固機理是置換，故根據置換率確定樁間距。由面積換算率m計算一根樁的分擔面積Ae 規范給出一根樁承擔的處理地基面積的等效圓直徑5.4 砂石樁法5、設計計算（粘性土） 式中為單根樁承擔的處理面積(m2) ； m (=樁身平均直徑d 2/單根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑de2)為樁土面積置換率，與樁間距成反比；Ap為砂石樁的截面積。 等邊三角形布置:de =1.05l; 正方形布置:de =1.13l; 矩形布置: 。 l、l1、l2分別為樁的間距、縱向間距和橫向間距。 1) 等邊三角形布置：2) 正方形布置：5.4 砂石樁法5、設計計算（粘性土） 粘性土的加固機理

26、是置換，故根據置換率確定樁間距。 作用于樁頂的應力 樁周土的應力 碎石樁面積， 則樁周土面積為Ae-Ap復合地基承載力應由現場復合地基載荷試驗取的，也可分別取得樁、樁間土承載力，按樁土應力比估算。則有當復合地基上作用荷載p時5.4 砂石樁法6、承載力計算對小型工程的粘性土地基： 復合地基承載力特征值應通過現場復合地基載荷試驗確定,初步設計時也可用單樁和處理后樁間土的承載力特征值估算.樁間土承載力標準值由現場原位試驗或室內試驗確定。 n為樁土應力比, 即： 粘土為24，砂土、粉土為1.53。 5.4 砂石樁法6、承載力計算【例】對粘性土地基，砂石樁的樁徑為600mm，置換率為0.28。 1、對等

27、邊三角形布樁，其間距最接近下列哪個值?(A)1.0m (B)1.1m (C)1.2m (D)1.3m (E)1.4m 2、對正方形布樁，其間距最接近下列哪個值?(A)1.0m (B)1.1m (C)1.2m (D)1.3m (E)1.4m【答案】1、B; 2、A【解】粘性土地基：一根砂石樁承擔的處理面積為：等邊三角形布置，砂石樁間距為：正方形布置，砂石樁間距為：5.4 砂石樁法某黏土場地采用砂石樁處理，天然地基承載力為90kPa，處理后復合地基承載力為150kPa，砂樁樁體承載力300kPa，如采用等邊三角形布樁，樁徑為0.8m，按建筑地基處理技術規范計算，砂樁間距為（ ）A 1.23m B

28、1.43m C 1.63m D 1.83m5.4 砂石樁法某均質砂土場地采用砂樁處理，等邊三角形布樁，砂樁直徑為0.5m，樁體承載力為300kPa，場地土層天然孔隙比為0.92，最大孔隙比為0.96，最小孔隙比為0.75，天然地基承載力為120kPa，要求加固后砂土的相對密度不小于0.7，按建筑地基處理技術規范計算，當采用振動沉管法施工，修正系數取為1.1時，樁間距為（ ）A 2.01m B 2.11m C 2.21m D 2.31m5.4 砂石樁法5強夯法第五章 地基處理強夯是法國Menard技術公司于1969年首創的一種地基加固方法，它通過一般840t的重錘(最重可達200t)和820m的落距(最高可達40m)，對地基土施加很大的沖擊能，一般能量為5008000kN.m。在地基土中所出現的沖擊波和動應力，可提高地基土的強度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等。同時，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現的差異