軟弱土地基處理§9.1概述軟弱土是指淤泥、淤泥質土和部分沖填土、雜填土及其他高壓縮性土。由軟弱土組成的地基稱為軟弱土地基。淤泥和淤泥質土一般是第四紀后期在濱海、湖泊、河灘、三角洲、冰磧等地質沉積環境下沉積形成的，還有部分沖填土和雜填土。這類土的物理特性大部分是飽和的，含有機質，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。當天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5時，則稱為淤泥質土。這類土工程特性甚為軟弱，抗剪強度很低，壓縮性較高，滲透性很小，并具有結構性，廣泛分布于我國東南沿海地區和內陸江河湖泊的周圍，是軟弱土的主要土類，通稱軟土，一般具有下列工程特性：(1)含水量較高，孔隙比較大。因為軟土的成份主要是由粘土粒組和粉土粒組組成，并含少量的有機質。粘粒的礦物成份為蒙脫石、高嶺石和伊利石。這些礦物晶粒很細，呈薄片狀，表面帶負電荷，它與周圍介質的水和陽離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜。在不同的地質環境下沉積形成各種絮狀結構。因此，這類土的含水量和孔隙比都比較高。根據統計，一般含水量為35～80%，孔隙比為1～2。軟土的高含水量和大孔隙比不但反映土中的礦物成份與介質相互作用的性質，同時也反映軟土的抗剪強度和壓縮性的大小。含水量愈大，土的抗剪強度愈小，壓縮性愈大。反之，強度愈大，壓縮性愈小。《建筑地基基礎設計規范》利用這一特性按含水量確定軟土地基的承載力基本值。許多學者把軟土的天然含水量與土的壓縮指數建立相關關系，推算土的壓縮指數。由此可見：從軟土的天然含水量可以略知其強度和壓縮性的大小，欲要改善地基軟土的強度和變形特性，那么首先應考慮采用何種地基處理的方法，降低軟土的含水量。(2)抗剪強度很低。根據土工試驗的結果，我國軟土的天然不排水抗剪強度一般小于20kPa，其變化范圍約在5～25kPa。有效內摩擦角約為=20°～35°。固結不排水剪內摩擦角=12°～17°。正常固結的軟土層的不排水剪切強度往往是隨離地表深度的增加而增大，每米的增長率約為1～2kPa。在荷載的作用下，如果地基能夠排水固結，軟土的強度將產生顯著的變化，土層的固結速率愈快，軟土的強度增加愈大。加速軟土層的固結速率是改善軟土強度特性的一項有效途徑。(3)壓縮性較高。一般正常固結的軟土層的壓縮系數約為：，最大可達到；壓縮指數約為=0.35～0.75，它與天然含水量的關系為=0.0147－0.213。天然狀態的軟土層大多數屬于正常固結狀態，但也有部分是屬于超固結狀態，近代海岸灘涂沉積為欠固結狀態。欠固結狀態土在荷重作用下產生較大沉降。超固結狀態土，當應力未超過先期固結壓力時，地基的沉降很小。因此研究軟土的變形特性時應注意考慮軟土的天然固結狀態。先期固結壓力和超固結比OCR是表示土層固結狀態的一個重要參數。它不但影響土的變形特性，同時也影響土的強度變化。(4)滲透性很小。軟土的滲透系數一般約為。所以在荷載作用下固結速率很慢。若軟土層的厚度超過l0cm，要使土層達到較大的固結度(如=90%)往往需要5～10年之久。所以在軟土層上的建筑物基礎的沉降往往拖延很長時間才能穩定，同樣在荷載作用下地基土的強度增長也是很緩慢的。這對于改善地基土的工程特性是十分不利的。軟土層的滲透性有明顯的各向異性，水平向的滲透系數往往要比垂直向的滲透系數大，特別含有水平夾砂層的軟土層更為顯著，這是改善軟土層工程特性的一個有利因素。(5)具有明顯的結構性。軟土一般為絮狀結構，尤以海相粘土更為明顯。這種土一旦受到擾動(振動、攪拌、擠壓等)，土的強度顯著降低，甚至呈流動狀態。土的結構性常用靈敏度St表示。我國沿海軟土的靈敏度一般為4～10，屬于高靈敏土。因此，在軟土層中進行地基處理和基坑開挖，若不注意避免擾動土的結構，就會加劇土體的變形，降低地基土的強度，影響地基處理的效果。(6)具有明顯的流變性。在荷載的作用下，軟土承受剪應力的作用產生緩慢的剪切變形，并可能導致抗剪強度的衰減，在主固結沉降完畢之后還可能繼續產生可觀的次固結沉降。根據上述軟土的特點，以軟土作為建筑物的地基是十分不利的。由于軟土的強度很低，天然地基上淺基礎的承載力基本值一般為50～80kPa，這就不能承受較大的建筑物荷載，否則就可能出現地基的局部破壞乃至整體滑動，在開挖較深的基坑時，就可能出現基坑的隆起和坑壁的失穩現象。由于軟土的壓縮性較高，建筑物基礎的沉降和不均勻沉降是比較大的，對于一般四層至七層的砌體承重結構房屋，最終沉降約為0.2～0.5m，對于荷載較大的構筑物(貯罐、糧倉、水池)基礎的沉降一般達0.5m以上，有些達到2m以上。如果建筑物各部位荷載差異較大，體形又比較復雜，那就要產生較大的不均勻沉降。沉降和不均勻沉降過大將引起建筑物基礎標高的降低，影響建筑物的使用條件，或者造成傾斜、開裂破壞。由于滲透性很小，固結速率很慢，沉降延續的時間很長，使建筑物內部設備的安裝和與外部的連接帶來許多困難，同時，軟土的強度增長比較緩慢，長期處于軟弱狀態，影響地基加固的效果。由于軟土具有比較高的靈敏度，若在地基施工中采取振動、擠壓和攪拌等作用，就可能引起軟土結構的破壞，降低軟土的強度。因此，在軟土地基上建造建筑物，則要求對軟土地基進行處理。地基處理的目的主要是改善地基土的工程性質，達到滿足建筑物對地基穩定和變形的要求，包括改善地基土的變形特性和滲透性，提高其抗剪強度和抗液化能力，消除其他不利的影響。近年來許多重要的工程和復雜的工業廠房在軟弱土地基上興建，工程實踐的要求推動了軟弱土地基處理技術的迅速發展，地基處理的途徑愈來愈多，考慮問題的思路日益新穎，老的方法不斷改進完善，新的方法不斷涌現。根據地基處理方法的原理，基本上分為如表9-1所示的幾類。表中各種地基處理方法都有各自的特點和作用機理，在不同的土類中產生不同的加固效果和局限性。沒有哪一種方法是萬能的。具體的工程地質條件是千變萬化的，工程對地基的要求也是不相同的，而且材料的來源、施工機具和施工條件也因工程地點的不同又有較大的差別。因此，對于每一工程必須進行綜合考慮，通過幾種可能采用的地基處理方案的比較，選擇一種技術可靠、經濟合理、施工可行的方案，既可以是單一的地基處理方法，也可以是多種地基處理方法的綜合處理。軟弱土地基處理方法分類表達式表9-1表9-1雖已列出多種地基處理方法，但仍有些方法來納入表內，而且目前又有新的發展，不能一一闡述。本章簡要介紹幾種常用地基處理方法的作用原理、設計方法和施工質量要求。§9.2碾壓法及夯實法建筑物地基表層的松散填土、雜填土或其他松軟土層，常常要求壓實后才能作為地基的持力層。夯硪或蛙夯的夯擊功能很小，影響深度很淺，只能應用于整平基槽或局部壓實。一般建筑物地基要求增大壓實的影響深度，常用壓實功能較大的重錘夯實、機械碾壓和振動壓實等方法處理。近年來夯實技術的發展突破了原來壓實的原理，出現了強夯法。這已不屬于一般的壓實范圍了，而是一種通過夯擊產生振動波處理地基的方法。因為它還是用錘夯擊，所以在這里一并介紹。9.2.1重錘夯實法圖9-1重錘重錘夯實法是利用起重機將重錘提到一定高度，然后使其自由落下，重復夯打，把地基表層夯實。這種方法可用于處理非飽和粘性土或雜填土，提高其強度，減少其壓縮性和不均勻性，也可用于處理濕陷性黃土，消除其濕陷性。重錘夯實法的主要機具是起重機和重錘。重錘為一截頭的圓錐體(見圖9-1)，錘重不小于15kN，錘底的直徑約為0.7～1.5m。重錘夯實的效果與錘重、錘底的直徑、落距、夯擊的遍數、夯實土的種類和含水量有密切關系。合理選定上述參數和控制土的含水量，才能達到較好的夯實效果，因此在施工時，一方面控制含水量，使土在最優含水量條件下夯實，另一方面，若夯實土的含水量發生變化，則可以調節夯實功的大小，使夯實功適應土的實際含水量。一般情況，增大夯實功或增加夯擊的遍數可以提高夯實的效果。但是當土夯實到達某一密實度時，再增大夯實功和夯擊遍數，土的密度卻不再增大了，甚至有時會使土的密實度降低。夯實功和夯擊的遍數一般通過現場試驗確定，根據實踐經驗，夯實的影響深度約為重錘底直徑的一倍左右；夯實后雜填土地基的承載力基本值一般可以達到100～150kPa。對于地下水位離地表很近或軟弱土層埋置很淺的情況，重錘夯實可能產生橡皮土的不良的效果，所以要求重錘夯實的影響深度高出地下水位0.8m以上，且不宜存在飽和軟土層。9.2.2機械碾壓法機械碾壓法是一種采用平碾、羊足碾、壓路機、推土機或其他壓實機械壓實松軟土的方法。這種方法常用于大面積填土的壓實和雜填土地基的處理，碾壓的效果主要決定于被壓實土的含水量和壓實機械的壓實能量。在實際工程中若要求獲得較好的壓實效果，應根據碾壓機械的壓實能量，控制碾壓土的含水量，選擇適合的分層碾壓厚度和遍數，一般可以通過現場碾壓試驗確定。關于粘性土的碾壓，通常用80～100kN的平碾或120kN的羊足碾，每層鋪土厚度約為200～300mm，碾壓8～12遍，碾壓后填土地基的質量常以壓實系數和現場含水量控制，壓實系數為控制的干密度與最大干密度的比值，在主要受力層范圍內一般要求>0.96。9.2.3振動壓實法振動壓實法是一種在地基表面施加振動把淺層松散土振實的方法。振動壓實機是這種方法的主要機具，自重為20kN，振動力為50～100kN，頻率為1160～1180轉／分，振幅為3.5mm。這種方法主要應用于處理砂土、爐碴、碎石等無粘性土為主的填土，振動壓實的效果主要決定于被壓實土的成分和振動的時間，振動的時間越長，效果越好。但超過一定時間后，振動的效果就趨于穩定。所以在施工之前先進行試振，確定振動所需的時間和產生的下沉量，例如爐灰和細粒填土，振實的時間約為3～5分鐘，有效的振實深度約為1.2～1.5m。一般雜填土經過振實后，地基承載力基本值可以達到100～120kPa。如地下水位太高，則將影響振實的效果。另外應注意振動對周圍建筑物的影響，振源與建筑物的距離應大于3m。9.2.4強夯法強夯法是法國L．梅納(Menard，1969)首創的一種地基加固的方法，即用幾十噸重錘從高處落下，反復多次夯擊地面，對地基進行強力夯實。這種強大的夯擊力在地基中產生應力和振動，從地面夯擊點發出的縱波和橫波可以傳至土層深處，從而使淺層和深層得到不同程度的加固作用。實踐證明,效果顯著。如圖9-2所示，經強夯后的地基承載力可提高2～5倍，壓縮性可降低200～500%，影響深度在10m以上。而且這種方法具有施工簡單、速度快、節省材料等特點，因而受到工程界的廣泛重視。9.2.4.1強夯法的作用機理關于強夯法加固地基的作用機理，目前尚未完全了解。然而通過大量工程實踐和現場實測資料分析，對強夯作用機理的認識逐步明朗。強夯加固地基主要是由于強大的夯擊能在地基中產生強烈的沖擊波和動應力對土體作用的結果。由強夯產生的沖擊波，按其在土中的傳播和對土作用的特性可分為體波和面波兩類(詳見第十一章)。體波包括縱波和橫波(或分別稱為壓縮波和剪切波)，從夯擊點向地基深處傳播，對地基土起壓縮和剪切作用，可能引起地基土的壓密固結。面波從夯擊點沿地表面傳播，對地基不起加固作用，而使地基表面松動。因此，強夯的結果，在地基中沿深度常形成性質不同的三個作用區。在地基表層受到面波和剪切波的干擾形成松動區；在松動區下面某一深度，受到壓縮波的作用，使土層產生沉降和土體的壓密，形成加固區；在加固區下面，沖擊波逐漸衰減，不足以使土產生塑性變形，對地基不起加固作用，稱為彈性區。圖9-2夯實前后的旁壓儀試驗結果在強夯的過程中，根據土體中的孔隙水壓力、動應力和應變關系，加固區內波對土體的作用可分為三個階段，如圖9-3所示：(1)加載階段(或段)，即夯擊的一瞬間，夯錘的沖擊使地基土體產生強烈的振動和動應力，在波動的影響帶內，動應力和孔隙水壓力急劇上升(和)，而動應力往往大于孔隙水壓力()，動的有效應力使土體產生塑性變形，破壞土的結構。對于砂土，迫使土的顆粒重新排列而密實。對于粘性土，土骨架被迫壓縮，同時由于土體中的水和土顆粒兩種介質引起不同的振動效應，兩者的動應力差大于土顆粒的吸附能時，土中部分結合水和毛細水從顆粒間析出，產生動力水聚結，形成排水通道，制造動力排水條件。(2)卸載階段(或段)，即夯擊動能卸去的一瞬間，動的總應力瞬息即逝，然而土中孔隙水壓力仍然保持較高的水平，此時孔隙水壓力大于有效應力，因此土體中存在較大的負有效應力，引起砂土的液化。在粘性土地基中，當最大孔隙水壓力大于小主應力、靜止側壓力及土的抗拉強度之和時，土體開裂，滲透性迅速增大，孔隙水壓力迅速下降。(3)動力固結階段(或段)，在卸載之后，土體中仍然保持一定的孔隙水壓力，土體就在此壓力作用下排水固結。在砂土中，孔隙水壓力消散甚快，約3～5分鐘，使砂土進一步密實：在粘性土中，孔隙水壓力消散較慢，可能要延續2～4周。如果有條件排水固結，土顆粒進一步靠近，重新形成新的水膜和結構連接，土的強度逐漸恢復和提高，達到加固地基的目的。上述三個過程稱為動力固結。如果在加載和卸載階段所形成的最大孔隙水壓力不能使土體開裂，也不能使土顆粒的水膜和毛細水析出，動荷載卸去后，孔隙中水未能迅速排走，則孔隙水壓力很大，土的結構已被擾動破壞，又沒有條件排水固結；土顆粒間的觸變恢復條件又較慢，在這種情況下，不但不能使粘性土加固，反而使土擾動，降低了地基土的抗剪強度，增大土的壓縮性。因此對飽和粘性土進行強夯，應根據波在土中傳播的特性，按照地基土的性質選擇適合的強夯能量，同時又要注意設置排水條件和觸變恢復條件，才能使強夯獲得良好的加固效果。在施工前，事先必須進行現場動力固結試驗，探討強夯加固土體的規律，選擇強夯能量和方法，檢驗是否能產生動力排水固結和觸變恢復。否則就不易在飽和粘性土地基中獲得良好的效果，有些工程在飽和軟土中進行強夯未能獲得預期的效果，甚至破壞了土的結構，這是因為在飽和粘性土中強夯不易控制達到動力固結的緣故。所以應持慎重態度。圖9-3強夯沖擊波對土體的作用過程關于非飽和土的強夯機理，可以認為：夯擊能量產生的波和動應力的反復作用，迫使土骨架產生塑性變形，由夯擊能轉化為土骨架的變形能，使土密實，提高土的抗剪強度,改善土的變形特性。9.2.4.2強夯實施要點為了使強夯加固達到預期的效果，首先根據建筑物對地基加固深度的要求，確定所需的夯擊能量，然后根據被加固地基的土類，按其強夯的機理選擇錘重、落高、夯擊點間距、排列、夯擊遍數、每遍夯擊點的擊數和每遍間歇的時間等。夯擊的能量與加固深度的關系，可用經驗公式估算：（9-1）式中—錘重，—落高，—經驗系數，它與波在土中傳播的速度及土吸收能量的能力有關。根據我國的實踐經驗，值約為0.4～0.8之間，碎石土、砂土等為0.45～0.5，粉土、粘性土、濕陷性黃土等為0.4～0.45。錘重和落高決定于加固深度所需的能量，錘重有100kN、150kN、200kN、300kN等，落高則由起重設備來決定。當夯擊的能量確定后，便可根據施工設備的條件選擇錘重和落高，并通過現場試夯確定。強夯時，一般按一定的間距和排列布置夯點，然后在每一夯擊點連續夯擊，開始夯擊時形成一個夯坑，第一擊下沉較大，連續多次夯擊后，下沉逐漸減少，待最后二擊平均下沉量不大于50mm時，停止夯擊，完成全部夯擊點稱為第一遍。間歇一段時間后，待夯擊引起的孔隙水壓力消散后，繼續夯擊第二、第三遍。夯擊點的布置一般按方格布置，間距約5～9m。第一遍夯點距離不宜太小，約為夯錘直徑的3～4倍，第二、三遍的距離逐漸減小，完成全部夯擊遍數，最后用低能量滿夯，每遍夯擊數一般約5～10擊，夯擊遍數和要求與土的種類有關，一般約為2～4遍，每遍間歇時間決定孔隙水壓力消散的速率，對于砂土地基間歇時間很短，甚至可以連續夯擊，對于粘性土一般為15～30天。強夯法適用于處理砂土，碎石土，低飽和度的粘性土，粉土，濕陷性黃土等。在飽和軟弱土地基采用強夯法時，應通過現場試驗獲得效果后才宜采用。這種方法不足之處是施工振動大，噪音大，影響附近建筑物，所以在城市中不宜采用。§9.3換土墊層法9.3.1換土墊層及其作用當建筑物基礎下的持力層比較軟弱，不能滿足上部荷載對地基的要求時，常采用換土墊層來處理軟弱土地基，即將基礎下一定范圍內的土層挖去，然后回填以強度較大的砂、碎石或灰土等，并夯至密實。實踐證明：換土墊層可以有效地處理某些荷載不大的建筑物地基問題，例如：一般的三、四層房屋、路堤、油罐和水閘等的地基。換土墊層按其回填的材料可分為砂墊層、碎石墊層、素土墊層、灰土墊層等。下面僅以砂墊層為例討論換土墊層的作用和原理。砂墊層的主要作用是：（1）提高淺基礎下地基的承載力。一般來說，地基中的剪切破壞是從基礎底面開始的，并隨著應力的增大逐漸向縱深發展。因此，若以強度較大的砂代替可能產生剪切破壞的軟弱土，就可以避免地基的破壞。（2）減少沉降量。一般情況下，基礎下淺層地基的沉降量在總沉降量中所占的比例是比較大的。以條形基礎為例，在相當于基礎寬度的深度范圍內沉降量約占總沉降量的50%左右，同時由側向變形而引起的沉降，理論上也是淺層部分占的比例較大，若以密實的砂代替了淺層軟弱土，那么就可以減少大部分的沉降量。由于砂墊層對應力的擴散作用，作用在下臥土層上的壓力較小，這樣也會相應減少下臥土層的沉降量。（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接觸時，在荷載的作用下，軟弱土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土強度降低而產生塑性破壞的危險。砂墊層提供了基底下的排水面，不但可以使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，避免地基土的塑性破壞，還可以加速砂墊層下軟弱土層的固結及其強度的提高，但是固結的效果只限于表層，深部的影響就不顯著了。在各類工程中，砂墊層的作用是不同的，房屋建筑物基礎下的砂墊層主要起置換的作用，對路堤和土壩等，則主要是利用其排水固結作用。9.3.2砂墊層(或碎石墊層)的設計要點砂墊層設計的主要內容是確定斷面的合理寬度。根據建筑物對地基變形及穩定的要求，對于換土墊層，既要求有足夠的厚度置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止砂墊層向兩側擠動。對于排水墊層，一方面要求有一定的厚度和寬度防止加荷過程中產生局部剪切破壞，另一方面要求形成一個排水層，促進軟弱土層的固結。砂墊層設計的方法有多種，本節只介紹一種常用的方法。1．砂墊層厚度的確定：根據墊層作用的原理，砂墊層厚度必須滿足在建筑物荷載作用下墊層地基不應產生剪切破壞，同時通過墊層傳遞至下臥軟弱土層的應力也不產生局部剪切破壞，即應滿足節6-6式(6-24)對軟弱下臥層驗算的要求(但其中地基壓力擴散角的取值方法不同)：≤（9-2）式中—砂墊層底面處軟弱土層的承載力設計值，kPa(應按墊層底面的深度考慮深度修正)；—二砂墊層底面處土的自重應力標準值，kPa；—砂墊層底面處的附加應力設計值，kPa，按圖9-4中的應力擴散圖形計算，對條形基礎為：(9-3a)對矩形基礎為：（9-3b）—基礎的長度和寬度，m；—砂墊層的厚度，m；—基底壓力設計值，kh，—基礎底面標高處土的自重應力，kPa，—砂墊層的壓力擴散角，可按表9-2采用。圖9-4砂墊層剖面圖壓力擴散角(度)表9-2換填材料中、粗、礫、碎石土、石屑粉質粘土和粉土（8＜＜14）灰土0.25≥0.50203062330注：1、當<0.25時，除灰土外，其余材料均取=0°；2、當0.25<<0.50時，可內插求得。計算時，先假設一個墊層的厚度，然后用式(9-2)驗算。如不合要求，則改變厚度，重新驗算，直至滿足為止，一般砂墊層的厚度為1～2m左右，過薄的墊層(<0.5m)的作用不顯著，墊層太厚(>3m)則施工較困難。2.砂墊層寬度的決定：砂墊層的寬度一方面要滿足應力擴散的要求，另一方面防止墊層向兩邊擠動。關于寬度的計算，目前還缺乏可靠的理論方法，在實踐中常常按照當地某些經驗數(考慮墊層兩側土的性質)或按經驗方法確定，常用的經驗方法是擴散角法，如圖9-4，設墊層厚度為z，墊層底寬按基礎底面每邊向外擴出考慮，那么條形基礎下砂墊層底寬應不小于。擴散角仍按表(9-2)的規定采用。底寬確定以后，然后根據開挖基坑所要求的坡度延伸至地面，即得砂墊層的設計斷面。砂墊層斷面確定之后，對于比較重要的建筑物還要求驗算基礎的沉降，以便使建筑物基礎的最終沉降值小于建筑物的允許沉降值。驗算時不考慮砂墊層本身的變形。以上按應力擴散設計砂墊層的方法比較簡單，故常被設計人員所采用。但是必須注意，應用此法驗算砂墊層的厚度時，往往得不到接近實際的結果。因為增加砂墊層的厚度時，式(9-2)中的雖可減少，但卻增大了，因而兩者之和()的減少并不明顯，所以這樣設計的砂墊層往往較厚(偏于安全)。【例題9-1】某四層磚混結構的住宅建筑，承重墻下為條形基礎，寬1.2m，埋深1m，上部建筑物作用于基礎的荷載每米120kN，基礎的平均重度為20kN/m3。地基土表，層為粉質粘土，厚1m，重度為17.5kN/m3，第二層為淤泥質粘土，厚15m，重度為17.8kN/m3，含水量65%，第三層為密實的砂礫石。地下水距地表為1m。因為地基土較軟弱，不能承受建筑物的荷載，試設計砂墊層。【解】(1)先假設砂墊層的厚度為1m，并要求分層碾壓夯實，干密度達到>1.5t/m3。(2)砂墊層厚度的驗算：根據題意，基礎底面平均壓力設計值為：砂墊層底面的附加應力由式(9-3a)得例圖9-1砂墊層剖面圖根據持力層淤泥的含水量65%，查表6-7得地基承載力基本值=50kPa，從地基勘察報告查得回歸修正系數=0.90，則計算地基承載力標準值=50×0.9=45kPa。再經深度修正得地基承載力設計值。則這說明所設計的墊層厚度不夠，再假設墊層厚度為1.7m，同理可得(3)確定砂墊層的底寬為(4)繪制砂墊層剖面圖，如例圖9-1所示。9.3.3砂墊層(或碎石墊層)的施工要點(1)砂墊層的砂料必須具有良好的壓實性，以中、粗砂為好，也可使用碎石；細砂雖然也可以作墊層，但不易壓實，且強度不高。墊層用料雖然要求不高，但不均勻系數不能小于5，有機質含量、含泥量和水穩性不良的物質不宜超過2%，且不希望摻有大石塊。(2)砂墊層施工的關鍵是如何將砂加密至設計的要求。加密的方法常用的有加水振動、水撼法、碾壓法等。這些方法都要求控制一定的含水量，分層鋪砂，逐層振密或壓實。含水量太低或飽和砂都不易密實。以濕潤到接近飽和狀態時為好。(3)開挖基坑鋪設砂墊層時，必須避免擾動軟土層的表面和破壞坑底土的結構。因此基坑開挖后，應立即回填，不能暴露過久或浸水，更不得任意踐踏坑底。(4)當采用碎石墊層時，為了避免碎石擠入土中，應在坑底先鋪一層砂，然后再鋪碎石墊層。墊層的種類很多，除了砂和碎石墊層外，還有素土和灰土墊層等，近年來又發展了類似墊層的土工聚合物加筋墊層。§9.4排水固結法9.4.1排水固結法的原理排水固結法就是利用地基排水固結規律，采用各種排水技術措施處理飽和軟弱土的一種方法。它的基本原理可用圖9-5來說明。在壓縮曲線中，當試樣的天然壓力為時，對應的孔隙比為，如圖中的點，當壓力增加至固結完成時，孔隙比變化至點，孔隙比減少了；與此同時，在抗剪強度與固結壓力的變化曲線中，抗剪強度隨固結壓力的增大也由點提高至點，增長了。如果從點卸除壓力，則土樣產生膨脹，曲線由返回到點，然后又從點再加壓力至完全固結，土樣再壓縮沿虛線至點，相應的強度也從點增大至點。由此可見，地基受壓固結時，一方面孔隙比減少，土體被壓縮，抗剪強度也相應提高，另一方面，卸荷再壓縮時，固結壓力同樣從增加，而孔隙比僅減少，因為土體己變為超固結狀態的壓縮，所以比小得多，抗剪強度也相應有所提高。圖9-5排水固結增大地基土密度的原理圖9-6排水法原理(a)豎向排水情況；(b)砂井地基排水情況排水固結法就是利用這一變化規律來處理軟弱土地基，主要有兩方面問題。1.沉降問題：預先在擬建的建筑物場地上施加一預壓荷載，使土層固結，然后卸去頂壓荷載建造建筑物，稱為預壓法，這樣由建筑荷載引起的沉降和沉降差就大大地減少了。2.穩定問題：利用建筑物荷載作用，促使地基土排水固結引起抗剪強度的增長，提高地基的承載力，控制施工加荷速率，滿足建筑物荷載對地基穩定性的要求。地基土層的排水固結效果與它的排水邊界有關。根據固結理論，在達到同一固結度時，固結所需的時間與排水距離的長短的平方成正比。如圖9-6所示，軟弱土層越厚，一維固結所需的時間越長，如果淤泥質土層厚度大于10～20m，要達到較大固結度(U>80%)，所需的時間要幾年至十幾年之久。為了加速固結，最有效的辦法就是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離。在天然地基中設置垂直向排水體(砂井或塑料排水帶)，如圖9-6所示，這就是縮短排水距離的最好措施。所以砂井或塑料排水帶的作用就是增加排水條件，縮短排水距離，加速地基的固結，加速抗剪強度的增長，加速沉降的發展。在地基處理中，主要是利用這些加速作用，縮短預壓工程的預壓期，在短期內達到較好的固結效果，使沉降提前完成，加速地基土強度的增長，使地基承載力提高的速率始終大于施工荷載增長的速率，以保證地基的穩定性。這一點無論從理論和實踐都得到證實。例如浙江省寧波機場和溫州機場，在厚20～40m的淤泥質粘土地基上，采用砂井堆載預壓建造跑道，效果良好。又如慈溪市杜湖水庫軟基土壩工程，如圖9-7所示。土壩下為淤泥質粘土，平均厚度為15.5m，其下為砂礫石層，軟土層的天然十字板試驗強度平均為17.8kPa，土壩的設計高度為17.5m。壩基用砂井處理，砂井的直徑為420mm，間距為3m，井深為14m(來打穿軟土層)。在開始施工以后，隨著土壩的填筑，荷載逐漸增大，地基逐漸固結，土層的抗剪強度也逐漸增大。當壩填筑至14m時，歷時約二年，現場實測十字板試驗強度平均達到57.2kPa，如圖9-8所示，相當于天然地基土的強度的3.2倍。當填筑到18m時，現場十字板強度平均到達69.0kPa，相當天然地基強度的4倍。由于地基土強度的增長，使原來只能填筑4～5m土堤的地基可以順利地填筑至壩高17.5m。當土壩填筑至17.5m時，平均沉降達2.5m，相應的固結度為80%。圖9-7杜湖水庫砂井地基剖面圖必須指出：排水固結法的應用條件，除了設置砂井或塑料排水帶的施工機械和外，必須要有：(1)預壓荷載；(2)預壓時間和(3)適用的土類等條件。預壓荷載是個關鍵問題，因為施加預壓荷載后才能引起地基的排水固結，然而施加一個與建筑物相等的荷載，這并非輕而易舉之事，少則幾千噸，大則數十萬噸。許多工程因無條件施加預壓荷載而不宜采用砂井處理地基。為了解決這一問題，發展了各種排水固結法，如：(1)真空預壓法；(2)降水預壓法；(3)電滲排水等等。堆載預壓是在地基中形成超靜水壓力條件下排水固結，稱為正壓固結，真空預壓和降水預壓是在負超靜水壓力下排水固結，稱為負壓固結，兩者的原理是類似的。預壓時間是通過設計來確定，如果實際工程有充裕的時間條件，可考慮用天然地基排水條件進行排水固結，反之，則采用不同間距和深度的砂井，加速地基的固結以滿足工程的要求。圖9-8壩基實測十字板強度分布圖排水固結法適用于處理各類淤泥、淤泥質土及其他類飽和軟粘土。對于砂土和粉上，因透水性良好，無需用砂井排水固結處理地基；含水平夾砂或粉砂層的飽和軟土，因為水平向透水性良好，不用砂井處理地基也可獲得良好的固結效果。對于泥炭及透水性極小的流塑狀態飽和軟土，在很小的荷載作用下，地基土就出現較大的剪切蠕變，排水固結效果很差。圖9-9砂井布置圖(a)剖面圖;(b)正方形布置;(c)梅花形布置;(d)砂井的排水途徑9.4.2砂井固結理論隨著排水砂井法的廣泛應用，逐步發展了砂井地基固結理論。一般砂井的平面布置有梅花形(正三角形)和正方形兩種，如圖9-9所示。在大面積荷載作用下，假設每根砂井為一獨立排水系統。正方形排列時，每根砂井的影響范圍為一正方形，而梅花形布置時，則為一正六邊形(如圖中直線所示)。為了簡化起見，每根砂井的影響范圍都化作一個等面積圓。因此梅花形排列時的影響直徑為：=；正方形排列的情況則為：。式中—砂井的間距。如果軟弱土層是單面排水的，每個砂井的滲透途徑如圖[9-9(d)]所示，它既有豎向分量，亦有徑向分量。如果假定：(1)每個砂井的影響范圍在平面上為一個圓，整個砂井為一個圓柱；(2)砂井地基表面上荷載是均勻分布的，而且附加應力的分布不隨深度而變化；(3)地基土只能產生豎向壓密變形；(4)施加瞬時荷載后，全部荷載立即由孔隙水來承擔；(5)不考慮固結過程中固結系數的變化和砂井施工過程中涂抹作用的影響，則根據第二章中的一維固結理論原理，砂井的三維固結微分方程可以表示為：（9-4）若改為、圓柱坐標，則三維固結微分方程則為：（9-5）當土層的水平向的滲透系數不等于豎向的滲透系數時上式應改寫為：式中為豎向固結系數，為水平向固結系數，分別為：。式(9-5)可以用分離變量法分為：（9-5a）(9-5b)式(9-5)表示在每個砂井影響范圍內任意一點()在任意時間的孔隙水壓力的微分方程。它可以分解為徑向向內排水固結[式(9-5a)]和豎向排水固結[式(9-5b)]兩部分，從而根據起始條件和邊界條件分別解得徑向向內排水固結的孔隙水壓力分量和豎向排水的孔隙水壓力分量。N.卡里諾(Carrillo)從理論上證明：任意一點的孔隙水壓力有如下關系：（9-6a）式中為起始的孔隙水壓力。整個砂井影響范圍內土柱體的平均孔隙水壓力也有同樣的關系：（9-6b）或以固結度表達為：（9-7）式中—每一個砂井影響范圍內圓柱的平均固結度；—徑向排水的平均固結度，—豎向排水的平均固結度。在雙面排水條件下或者固結土層中的應力分布均勻時，可由第2-9節三的一維固結理論解得如下：（2-108）式中為正奇整數（1，3，5……）。當>30%時（2-109）R.A.巴隆（Barron）曾分別在自由應變和等應變兩種條件下求得的解答，但以等應變求解比較簡單，其結果如下：（9-8）式中；；—水平向固結系數；—每一個砂井有效影響范圍的直徑；，稱為井徑比；—砂井直徑；—水平向固結時間因數。將式（2-109）和（9-8）代入（9-7）后則得到砂井的平均固結度為：（9-9）式中為正奇整數（1，3，5……）。如果>30%，則（9-9）式可以近似表達為：（9-10）令（9-11）則（9-12）砂井地基的平均固結度常用式(9-7)計算，式中的和分別為了、及的函數。如果和已知，則可以由式(2-109)和式(9-8)分別計算及為了方便起見，可以從圖9-10中查得固結度。當>30%時，可以直接應用式(9-10)計算。當豎向排水影響很小時(如軟土層很厚)，可以直接應用水平向固結度計算式(9-8)計算砂井地基的固結度。【例題9-2】設有一飽和軟土層，厚度為16m，其下臥層為透水性良好的砂礫石層。現在此軟土層中打砂井貫穿至砂礫石層，砂井的直徑為0.3m，砂井的間距=2.5m，以梅花形布置，經勘探試驗得到，豎向固結系數=1.5×10cm2/sec，水平向固結系數為=2.94×10cm2/sec。試求在大面積均布荷載=120kPa的作用下，歷時90天的固結度。若最終荷載為200kPa，則對最終荷載而言，此時的固結度應是多少?圖9-10和與時間因數關系曲線圖【解】已知=250cm，根據上述數據查圖9-10得。所以對最終荷載而言的固結度由本例可以看出：所設計的砂井，其效果是顯著的，砂井地基以徑向固結為主(本例徑向固結度與總固結度只差2.5％)。由此可見，對于軟土層較厚或?的情況，為了簡化計算，可忽略由豎向排水引起的固結度，根據砂井固結理論分析，砂井的井徑與間距的合理關系應以細而密為原則。因此，砂井逐漸從普通砂井向細而密型的袋裝砂井及塑料排水帶發展。隨著它們的廣泛應用，人們逐漸意識到井阻和涂抹作對固結效果的影響是不可忽視的。R．A．巴隆(Barron)，S.漢斯堡(Hansbo)、吉國洋(Yoshikumi)和謝康和等人先后給出了考慮井阻和涂抹作用的砂井固結理論解。前兩作者的結果系近似解，吉國洋的結果系精確解，但計算復雜．謝康和的解比較簡明，并有簡化解，其結果如下：地基的豎向和徑向排水平均固結度為：（9-13）式中整數地基平均固結度的簡化解為：（9-14）式中式中—井阻因子；—涂抹比，砂井涂抹后的直徑與砂井直徑之比；—井徑比；—砂井砂，地基土和砂井涂抹土層的滲透系數；—砂井的長度。簡化式與精確解比較誤差小于是10%。上述各式均假設荷載是一次瞬時施加的，而實際工程多為分級逐漸施加的，對于多級等速加荷的情況，如圖9-11所示。理論證明，理論解的簡化式為：（9-15）式中—與多級加荷歷時對應的荷載，固結度對此荷載而言；—第級荷載的加荷速率；—第級荷載的終點和始點的歷時（從零點計起）；—所求固結度的歷時，應大于，當≤＜時，則=，=1，2，3……。當軟土層比較厚時，常常砂井沒有打穿整個軟土層，如圖9-12所示。因此不能把砂井部分的固結度代表整個受壓層的固結度。對于砂井未完全打穿整個受壓層情況，地基的平均固結度按下式計算：（9-16）式中—地基的平均固結度；—砂井部分土層平均固結度，按砂井固結理論計算；—砂井以下部分土層的固結度，按照一維固結理論計算。計算時可以將砂井底面視作排水面；—砂井打入深度與整個壓縮層的厚度的比值，即：式中—砂井長度；—砂井下壓縮層范圍內土層的厚度。圖9-11多級加荷圖圖9-12砂井未打穿整個受壓土層的情況9.4.3砂井的應用和設計砂井在工程上的應用主要有兩方面：(1)對于以變形控制設計的建筑物，例如：房屋建筑、機場跑道和高速公路，利用砂井加速固結進行堆載預壓，減少沉降和不均勻沉降；(2)對于以穩定性控制的建筑物，例如堤壩、油罐(同時也要控制變形)等，利用砂井加速軟弱土強度的增長，提高地基的承載力，控制加荷速率，滿足施加建筑物荷載對地基的要求。此外，也可利用砂井消散打樁引起的孔隙水壓力，提高單樁承載力。因此，砂井地基設計方法分為兩類，預壓設計和穩定控制設計。兩者的設計既有共同的問題，又有各自的要求，現分別討論如下：9.4.3.1砂井類型和砂井布置尺寸的選擇1.砂井類型：常用的有三種：(1)普通砂井，指用沉管法或高壓射水法施打的砂井，直徑>300mm；(2)袋裝砂井，用土工編織布制成的袋，內裝中、粗砂的長條形砂袋，然后打入地基中形成砂井，直徑=(70～100)mm；(3)塑料排水帶，這是由塑料制成的通水芯片外包土工無紡透水濾膜制成，寬100mm，厚3.5～6mm，長100～300m。實踐證明：三種砂井都能獲得良好的固結效果。普通砂井井徑較大，排水性能良好，長細比較小，井阻和涂抹作用不明顯。但是，施工速度較慢，工程量較大，質量不易控制。袋裝砂井井徑較小，施工簡便，價格低廉，質量易于保證，但是，長細比較大，隨砂井長度增大，井阻對固結度的影響越來越明顯。因此，對于長度較大的砂井，必須采用透水性良好的中、粗砂為井料，否則就降低其排水固結作用。排水帶是近年來發展的一種土工復合排水材料，透水性好，排通量大，質輕價廉，施工簡便，工效快，而且質量易于保證。雖然，隨著砂井的長度增大，相應井阻增大，但可以按砂井的長度選擇較大的排通量，可減少井阻對固結的影響。所以在選擇砂井類型時，應考慮設計建筑物地基軟弱土層的透水性、厚度、施工條件、材料的來源、造價、工程對固結時間和效果等因素后選用。相對來說，排水帶的性能優于其他兩種材料，但也要比較材料的來源和造價等因素以確定砂井類型。2.砂井間距的選擇：當砂井類型選定后，砂井的直徑也基本確定了。因為它們的尺寸基本上是定型的，普通砂井的直徑約為400mm；袋裝砂井的直徑約為70mm或l00mm；塑料排水帶的寬度和厚度約為100×4mm或100×4.5mm，當量直徑約為65mm～68mm。需要認真選定的砂井尺寸是砂井的間距和長度(或深度)。根據砂井固結理論，砂井間距越小和井徑越大，固結的效果越好，反之，固結效果越差。相對而言縮短間距比增大井徑的固結效果好，因而得到一個優選砂井井徑與間距的原則，即細而密原則。但是也不是越細越密固結效果越好，因為太細太密就無法保證砂井的質量。具體來說，砂井的間距是根據工程對地基固結度大小的要求和容許固結時間長短決定的，根據固結理論，可按下式確定：（9-17）式中：為系數，梅花型布置=0.95，正方形布置=0.89；為井徑比，若不考慮井阻作用，可用下式試算求解，即：(9-18)考慮井阻時則為（9-19）式中：為水平向固結系數；和為工程容許的固結時間和要求達到的固結度；為井阻因子。【例題9-3】設某工程地基土的固結系數，要求歷時100天，固結度達到90%，試求袋裝砂井長度為15m時，砂井的合理的間距。【解】設袋裝砂井的井徑=70mm，長度=15m砂井地基土與砂井中砂料的滲透系數比值則并阻因子將值代入式(9-18)式和式(9-19)，分別求解得：不考慮井阻影響，，則砂井間距；考慮井阻影響，，則砂井間距。若固結系數，，考慮井阻影響求得的井徑比為，則間距。工程實踐證明：普通砂井一般用井徑比=6~9；袋裝砂井用=15~25，均可取得良好的效果。砂井打入深度，一般按下列原則確定，如果軟土層不厚(10~15m)，砂井應貫穿軟土層；如果軟土層很厚，則根據建筑受壓層深度來確定。9.4.3.2砂井地基土強度增長的預測為了保證地基穩定，控制施工加荷速率，必須認真估算地基土強度的增長。這也是利用砂井加速固結的主要效果。在荷載作用下，由于砂井地基的排水固結，地基土強度相應提高，同時由于荷載產生的剪應變和剪切速率的減緩，又引起地基土強度衰減。因此，用下式表達和計算，即(9-20)式中：為荷載作用下歷時地基土的抗剪強度；為天然地基土的抗剪強度，為地基固結引起的強度增長；為由于剪切蠕變和剪切速率減慢引起強度衰減的衰減系數。從理論分析地基土強度增長值可按下式計算：(9-21)式中：為計算點的最大有效主應力；為孔隙水壓力系數；為大小主應力比；為有效抗剪角。由工程實測結果證明：可簡化為下式(9-22)式中：為天然地基土的不排水剪切強度；為由荷載引起的大主應力增量；為固結度；系數，可用下式計算：(9-23)式中：為不排水剪切試驗剪損的歷時，一般約10分鐘，為建筑物荷載持續的時間；為每一對數周期的強度衰減系數，=0.04~0.06。工程實測結果=0.7~0.9。為了簡化計算，由如下經驗公式也能得到接近實際的結果，即（9-24）和（9-25）為固結不排水剪內摩擦角。9.4.3.3堆載預壓設計堆載預壓的目的是使地基在預壓荷載作用下基本固結完成，然后卸去預壓荷載建造建筑物，以消除建筑物基礎的部分固結沉降和不均勻沉降。因此預壓設計的內容包括：(1)確定預壓荷載的大小；(2)確定預壓的時間；(3)預壓后地基沉降的估算等。預壓荷載的大小決定于軟弱土層的厚薄和壓縮性、預壓的時間和建筑物的允許沉降等。如果軟弱土層不太厚，允許預壓的時間比較長，可以不用超載：反之則需要超載。一般超載的大小約為建筑物荷載的1.30倍。特殊情況則根據工程具體要求來決定。超載預壓的時間決定于建筑物的允許沉降，(如圖9-13所示)，要求滿足如下標準：圖9-13超載預壓消除主固結沉降≤（9-26）而式中為建筑物荷載作用下基礎的最終沉降；為預壓荷載作用下歷時的沉降；為建筑物的允許沉降值。，，分別為在荷載作用下的瞬時沉降/主固結沉降和次固結沉降。固結度為(9-27)則式中：（無砂井情況）；（有砂井情況）預壓后沉降的計算則根據地基的固結狀態，參考相應的沉降計算公式計算。9.4.3.4地基穩定性控制設計在施加預壓荷載的過程中，砂井地基中各部位立即產生剪應力，同時地基土的抗剪強度相應增長(有時減少)。如果地基土的強度增長速率大于荷載引起的剪應力的增大，地基就穩定，反之，如果加荷速率控制不當，地基中剪應力的增大超過了由固結引起強度的增長，地基就會產生局部剪切破壞，乃至整體破壞。因此，砂井地基必須控制加荷速率，控制剪應力的增大始終小于強度的增大，以保證地基的穩定。因此，在施工加荷前，應設計一個合理的加荷計劃和加荷速率控制圖，設計的步驟如下：(1)估計第一級允許施加的荷載(見圖9-11所示中的)。這級荷載就是天然地基的容許荷載。對于矩形基礎可以用下式估算：。式中：為安全系數。(2)估計加荷速率及間歇期。第一級荷載可以快一些，但對于軟土也不宜過快，根據經驗，每天加荷速率控制在：2-3kPa(為加荷速率)，由此可得第一級荷載所需的時間(天)為：。在第一級荷載施加之后；如果繼續施加第二級荷載，很容易使地基達到極限荷載而破壞，所以要有一段間歇期，如圖9-11中的了至段，使地基在第一級荷載作用下排水固結，地基土的強度增大后，然后施加第二級荷載。間歇期可按下式估算：（9-28）式中：為瞬時加荷達到所需的時間；為系數，按式(9-11)計算，為固結度，一般要求＞70%后才施加下一級荷載，則間歇期(3)計算地基土的強度增長。在施加第一級荷載后，并經過一段間歇期，地基土的強度增長可按式(9-22)估算值。(4)估算施加第二級荷載的大小。這一級荷載的大小主要決定于前一級荷載作用下固結強度的增長值。計算方法和第一步驟相同，但計算式中的天然地基土的強度改用固結后的強度。如果第二級荷載還未達到設計的最終荷載，可依此類推，重復前述步驟，繼續計算到達設計的總荷載。上述步驟僅是估算求得控制加荷速率的進程，實際的加荷進程還要考慮施工條件并通過現場觀測加以修正。對于比較重要的工程要求對初步擬訂的加荷進程進行固結計算，強度增長的計算、穩定分析和沉降計算，校核是否能滿足工程的要求。如果發現不能滿足地基穩定及沉降的要求，那么就要修改加荷進程或采取其他措施。9.4.4砂井施工簡介砂井地基施工一般都有專用的施工機械，普通砂井通常用打入式的打樁機或用射水砂井機施打，袋裝砂井和排水帶則分別用袋裝砂井機和插板機施工。施工中主要的技術問題是控制砂井材料的質量，對于砂井的砂料必須采用中、粗砂，不宜用細砂或摻細砂，含泥量必須小于3%，滲透系數>10cm／s。袋裝砂井除砂料滿足以上質量要求外，外包織物袋必須要有足夠的強度、透水性及防淤堵性。排水帶的質量要求，必須保證足夠的豎向通水量，一般要求單位梯度通水量大于25cm3／s。另外濾膜要求滲透系數>103cm/s和滿足防淤堵的要求。§9.5擠密法和振沖法9.5.1擠密及振沖作用機理眾所周知：在砂土中，通過機械振動擠壓或加水振動可以使土密實。擠密法和振沖法就是利用這個原理發展起來的兩種地基加固方法。9.5.1.1擠密法擠密法是以振動或沖擊的方法成孔，然后在孔中填入砂、石、土、石灰、灰土或其他材料，并加以搗實成為樁體，按其填入的材料分別稱為砂樁、砂石樁、石灰樁、灰土樁等。擠密法一般采用打樁機或振動打樁機施工的，也有用爆破成孔的。擠密樁的加固機理主要靠樁管打入地基中，對土產生橫向擠密作用，在一定擠密功能作用下，土粒彼此移動，小顆粒填入大顆粒的空隙，顆粒間彼此靠近，空隙減少，使土密實，地基土的強度也隨之增強。所以擠密法主要是使松軟土地基擠密，改善土的強度和變形特性。由于樁體本身具有較大的強度和變形模量，樁的斷面也較大，故樁體與土組成復合地基，共同承擔建筑物荷載。必須指出：擠密砂樁與排水砂井都是以砂為填料的樁體，但兩者的作用是不同的。砂樁的作用主要是擠密，故樁徑較大，樁距較小，而砂井的作用主要是排水固結，故井徑小而間距大。擠密樁主要應用于處理松軟砂類土、素填土、濕陷性黃土等，將土擠密或消除濕陷性，其效果是顯著的。9.5.1.2振沖法振沖法是利用一個振沖器(見圖9-14)，在高壓水流的幫助下邊振邊沖，使松砂地基變密；或在粘性土地基中成孔，在孔中填入碎石制成一根根的樁體，這樣的樁體和原來的土構成比原來抗剪強度高和壓縮性小的復合地基。圖9-14振沖器構造圖振沖器為圓筒形，筒內由一組偏心鐵塊，潛水電機和通水管三部分組成。潛水電機帶動偏心鐵塊使振沖器產生高頻振動，通水管接通高壓水流從噴水口噴出，形成振動水沖作用。振沖法的工作過程是用吊車或卷揚機把振沖器就位后[見圖(9-15)中第一步驟]，打開噴水口，開動振沖器，在振沖作用下使振沖器沉到需要加固的深度(圖中第二步驟)，然后邊往孔內回填碎石，邊噴水振動，使碎石密實，逐漸上提，振密全孔，孔內的填料愈密，振動消耗的電量愈大，常通過觀察電流的變化，控制振密的質量，這樣就使孔內填料及孔周圍一定范圍內土密實(圖中第三四步驟)。圖9-15振沖法施工順序圖在砂土中和粘性土中振沖法的加固機理是不同的。在砂土中，振沖器對土施加重復水平振動和側向擠壓作用，使土的結構逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大。由于土的結構破壞，土粒便向低勢能位置轉移，土體由松變密。當孔隙水壓力增大到大主應力值時，土體開始液化。所以，振沖對砂土的作用主要是振動密實和振動液化，隨后孔隙水消散固結。振動液化與振動加速度有關，而振動加速度又隨著離振沖器的距離增大而衰減。因此，把振沖的影響范圍從振沖器壁向外，按加速度的大小劃分為液化區，過渡區和壓密區。壓密區外無加固效果。一般來說過渡區和壓密區愈大，加固效果愈好，因為液化狀態的土不易密實，液化區過大反而降低加密的效果。根據工程實踐的結果，砂土加固的效果決定于土的性質(砂土的密度、顆粒的大小、形狀、級配、比重、滲透性和上覆壓力等)和振沖器的性能(如偏心力、振動頻率、振幅和振動歷時)。土的平均有效粒徑=0.2～2mm時加密的效果較好；顆粒較細易產生寬廣的液化區，振沖加固的效果較差。所以對于顆粒較細的砂土地基，需在振沖孔中添加碎石形成碎石樁，才能獲得較好的加密效果。顆粒較粗的中、粗砂土可不必加料，也可以得到較好的加密效果。在粘性土中，振動不能使粘性土液化，除了部分非飽和土或粘粒土含量較少的粘性土在振動擠壓作用下可能壓密外，對于飽和粘性土，特別是飽和軟土，振動擠壓不可能使土密實的，甚至擾動了土的結構，引起土中孔隙水壓力的升高，降低有效應力，使土的強度降低。所以振沖法在粘性土中的作用主要是振沖制成碎石柱，置換軟弱土層，碎石樁與周圍土組成復合地基。在復合地基中，碎石樁的變形模量遠較粘性土的大，因而使應力集中于碎石樁，相應減少軟弱土中的附加應力，從而改善地基承載能力和變形特性。但在軟弱土中形成復合地基是有條件的，即在振沖器制成碎石樁的過程中，樁周土必須具有一定的強度，以便抵抗振沖器對土產生的振動擠壓力和爾后在荷載作用下支撐碎石樁的側向擠壓作用。若地基土的強度太低，不能承受振沖過程的擠壓力和支撐碎石樁的側向擠壓，復合地基的作用就不可能形成了。由此可見，被加固土的抗剪強度是影響加固效果的關鍵。工程實踐證明，具有一定的抗剪強度(>20kPa)的地基土采用碎石樁處理地基的效果較好，反之，處理效果就不顯著，甚至不能采用。許多人認為：當地基土的不固結不排水抗剪強度<20kPa時，采用振沖碎石樁應該慎重對待。實踐證明振動擠壓可能引起飽和軟土強度的衰減，但經過一段間歇期后，土的抗剪強度是可以恢復的。所以，在比較軟弱的土層中，如能振沖制成碎石樁，應間歇一段時間，待強度恢復后，才能施加上部荷載。總之振沖法的機理，在砂土中主要是振動擠密和振動液化作用，在粘性土中主要是振沖置換作用，置換的樁體與土組成復合地基。近年來振沖法已廣泛應用處理各類地基土，但是主要應用于處理砂土、濕陷性黃土及部分非飽和粘性土，提高這些土的地基承載力和抗液化性能，也應用于處理不排水剪強度稍高(>20kPa)的飽和粘性土和粉土，改善這類土的地基承載力和變形特性。9.5.2設計和計算原理利用振沖法和擠密法處理地基的設計理論和方法目前尚不完善，主要依靠工程實踐的經驗進行綜合分析，在工程實踐的基礎上提出了一些半經驗方法。由于在砂土和粘性土中擠密和振沖的加固機理不同，茲分別討論如下：9.5.2.1砂土地基中的設計在砂土地基中，主要是從擠密的角度出發來考慮地基加固的設計問題。首先根據工程對地基加固的要求(如提高地基承載力，減少沉降，抗地震液化等)，按土力學的基本理論，計算出加固后要求達到的密度和孔隙比，并考慮建筑基礎的形狀，合理布置樁柱(單獨基礎按正方形布置，大面積基礎按梅花形布置)。如果要把砂土從初始孔隙比，加固后達到孔隙比為，并假設擠密法和振沖法只產生側向擠密，那么振沖碎石樁(或擠密砂樁)的間距可按下式確定，對于正方形布置（9-29）對于梅花形布置則為（9-30）式中—砂樁的直徑；—地基處理前和處理后要求達到的孔隙比；和—砂土最大和最小孔隙比，并按現行規定確定；—擠密后要求達到的相對密實度，可以取0.7～0.85。關于估算加固后達到的承載力標準值，可通過現場標準貫入試驗錘擊數(修正后的值)，按《建筑地基基礎設計規范》求得。按照《建筑地基處理技術規范》，用現場載荷試驗確定地基承載力標準值。關于加固深度問題，若是為了提高承載力和減少沉降，加固的深度不需太深，一般不超過8m，因為砂土的強度隨深度增大很快，沉降的影響深度也不大。若為了抗地震液化，可按現行抗震規范確定，也可以用標準貫入試驗的一些經驗公式估算加固深度。9.5.2.2粘性土地基中的設計要點對于粘性土地基，利用振動碎石樁加固后，復合地基的承載力和變形特性一方面決定于被加固土的特性，另一方面決定于置換率的大小，置換率用截面積比表示，即（9-31）式中為置換率；為碎石樁置換軟土的截面積；為被加固范圍內的土所占的截面積；被加固的面積。在荷載作用下，應力分別由樁體和土來承擔，常用樁土應力比表示，即（9-32）式中：為樁體承擔的部分豎向荷載；為樁周土承擔的部分荷載。的大小隨荷載水平而變化。當荷載到達極限荷載時，根據復合地基的靜力平衡原理，復合地基的極限豎向承載力可按面積加權計算：即(9-33)(9-34)式中—復合地基的極限豎向承載力；—樁體單位面積極限承載力；—樁間土極限承載力。令；。為天然地基不固結不排水剪切強度，和分別為碎石樁和樁周土的承載力系數，則復合地基的承載力系數為：（9-35）從式(9-35)可以看出，加固后復合地基的承載力決定于置換率的大小及承載力系數和。復合地基的設計首先根據地基加固的要求，選擇一個合理的置換率剛。由置換率的大小確定碎石樁的樁徑和間距。實際工程中常用的置換率約=10～20％，碎石樁的直徑約為0.6～lm，間距約1.5～3m。對于大面積加固，樁宜采用梅花形布置，對于條形基礎和單獨基礎采用正方形布置，樁的長度按建筑物對地基的要求確定，一般盡可能打入堅實土層，如軟土層太厚，樁長最深也不超過15m，但一般打至8m深度以后，再增加深度，對于提高承載力的效果逐漸不顯著，只是減少沉降量而已。復合地基的各項尺寸確定后，必須進一步驗算復合地基承載力及沉降是否能滿足所設計建筑物的要求。根據我國工程實踐的經驗，利用修正的J.布朗斯(Brauns，1980)公式可以得到較接近于實際的結果。布朗斯假設：(1)極限平衡區位于樁頂附近，滑動面成漏斗形，樁的破壞深度；(2)，(3)地基土和樁體的自重忽略不計。其中為碎石樁的半徑，，為碎石樁的抗剪角(≈30～40°)，其余符號見圖8-16。在這些前提下，他導出了碎石樁單樁豎向極限承載力公式：（9-36）或（9-37）式中—滑動面與水平面的夾角，按照下式用計算法求得：即（9-38）圖9-16Brauns的計算圖式式（9-36）是不考慮存在群樁影響的承載力計算式，這種情況的承載力系數記為。實際上的碎石樁都存在群樁的影響。若考慮四周都在群樁的影響的情況（即滿堂樁情況），也可導得碎石樁的單樁豎向極限承載力公式：或式中為四周有群樁影響的單樁承載力系數；，一般情況，當允許變形比較小時，=2，否則取高值。和是兩種極端情況下的承載力系數，實際的群樁都處于這兩種情況之間，因此碎石樁的承載力系數可以根據每根樁的邊界條件，分別屬于和的情況按比例分配求得，即(9-40)式中：為總邊界數，對于正方形布置每根樁有4個邊界，梅花形布置則有6個邊界，總邊界數為樁數乘邊界數。和分別為屬于和情況的邊界數。如圖9-17中，=6×4=24，=10，=14，故：那么，碎石樁與樁間土組成的復合地基極限承載力可按（9-33）式求得。復合地基承載力標準值可把極限承載力除以安全系數2~3求得。圖9-17六樁布置圖由于影響振沖碎石樁的承載力的因素比較復雜，往往不易準確計算。要獲得比較可靠的碎石樁復合地基承載力標準值，請參閱《建筑地基處理技術規范》按復合地基現場荷載試驗要點通過試驗確定。根據我國工程實踐經驗，在無荷載試驗的情況下，可參考下式估算碎石樁復合地基承載力標準值，即（9-41）式中為樁間土天然地基的十字板強度，復合地基的沉降值可按下式估算：即（9-42）式中：—按天然地基計算的沉降量；—復合地基估算沉降量；—折減系數：§9.6高壓噴射注漿法和深層攪拌法高壓噴射注漿法和深層攪拌法是近年來發展起來的兩種地基處理方法。兩者都可以用多種化學漿液注入地基中與地基土拌和，組成加固體，達到加固的目的。由于這些漿液中有些帶有毒性，有些價格昂貴，目前工程上主要采用水泥系漿液。所以本節主要介紹以水泥系漿液的高壓噴射注漿法和深層攪拌法。9.6.1高壓噴射注漿法加固原理高壓噴射注漿法是利用高壓噴射化學漿液與土混合固化處理地基的一種方法。它是將帶有特殊噴嘴的注漿管，置入預定的深度后，以20MPa的高壓噴射沖擊破壞土體，并使漿液與土混合，經過凝結固化形成加固體。按注漿的形式分為旋噴注漿、定噴注漿和擺噴注漿三種類型。旋噴注漿法的施工程序如圖9-18所示。首先用鉆機鉆孔至設計處理深度，然后用高壓脈沖泵，通過安裝在鉆桿下端的特殊噴射裝置，向四周土噴射化學漿液。在噴射化學漿液的同時，鉆桿以一定的速度旋轉，并逐漸往上提升。高壓射流使一定范圍內土體結構遭受到破壞并與化學漿，液強制混合，膠結硬化后即在地基中形成比較均勻的圓柱體，稱為旋噴樁。高壓旋噴注漿法的主要設備是高壓脈沖泵(要求工作壓力在20MPa以上)和帶有特殊噴嘴的鉆頭。脈沖泵把旋噴時所需要的漿液，低壓吸入，并借助于噴嘴高壓排出，使漿液具有很大的功能，以達到破壞土體，攪拌漿液。裝在鉆頭側面的噴嘴是旋噴灌漿的關鍵部件，一般是由耐磨的鎢合金制成。高壓泵輸出的漿液通過噴嘴后具有很大的功能，這種高速噴流，能破壞周圍土的結構。旋噴時的壓力、噴嘴的形狀和噴嘴回旋的速度等對所形成的旋噴樁的質量影響很大。常用的噴嘴形狀如圖9-19，噴嘴出口的直徑D取2mm左右，圓錐角約為13°，噴嘴的直線段長為=3～4D，而錐部長度視鉆頭的尺寸而定。噴射壓力一般用20MPa，噴嘴的回轉速度約20轉/分，這樣的組合效果較好。由于單一噴嘴的噴射水流破壞土的有效射程較短，因而又發展了二重管和三重管旋噴法，大大提高了噴射能力和加固效果。圖9-18旋噴注漿法施工程序圖①開始鉆進；②鉆進結束；③高壓旋噴開始；④噴嘴邊旋轉邊提升；⑤旋噴結束圖9-19噴嘴構造圖旋噴樁的漿液有多種，一般應根據土質條件和工程設計的要求來選擇，同時也要考慮材料的來源、價格和對環境的污染等因素。目前使用的是以水泥漿液為主，當土的透水性較大或地下水流速較大時，為了防止漿液流失，常在漿液中加速凝劑，如三乙醇胺和氯化鈣等。在軟弱土地基中，所形成的旋噴樁試樣的極限抗壓強度可達3.0～5.0MPa。樁體的直徑隨著地基土的性質及旋噴壓力的大小而變化。在軟土中，如壓力為5～10MPa，形成旋噴樁的直徑約0.8m。高壓噴射注漿法—般適用于標準貫入試驗擊數N<10的砂土和N<5的粘性土，超過上述限度，則可能影響成樁的直徑，應慎重考慮。這種方法用途廣泛，作為旋噴柱可以提高地基的承載力，作為連續墻可以防滲止水，還可應用于深基礎的開挖，防止基坑隆起，減輕支撐基坑的側壁壓力，特別是對于已建建筑物的事故處理，有它獨到之處。但對于擬建建筑物基礎，其作用與灌注樁類似，而強度較差，造價較貴，顯得遜色。如能發展無毒、廉價的化學漿液，高壓噴射注漿法將會有更好的前途。9.6.2深層攪拌法加固作用原理深層攪拌法系利用水泥作固結劑，通過特制的攪拌機械，在地基中將水泥和土體強制拌和，使軟弱土硬結成整體，形成具有水穩性和足夠強度的水泥(或石灰)土樁或地下連續墻。深層攪拌法可以在軟土地基中制成柱狀、壁狀和塊狀等不同形式的加固體，這些加固體與天然地基組成復合地基，共同承擔建筑物的荷載。深層攪拌法主要的機具是攪拌機。如圖9-20所示，為一雙軸回轉式的深層攪拌機，由電機、攪拌軸、攪拌頭和輸漿管等組成。電機帶動攪拌頭回轉，輸漿管輸入水泥漿液與周圍土拌和，形成一個平面8字形的水泥土柱體。施工順序如圖9-21所示。這是一種新的地基處理方法，主要應用于處理比較軟弱的土層，不但可以應用于陸地，也可以用來處理水下軟土，既可以用于處理各類建筑物地基，又可以用于加固岸坡。但必須指出：如果被加固土的強度較高，或土中含樹根、堅硬障礙物，攪拌就很困難。通過機械攪拌把水泥土和軟土混合形成水泥土是一種物理化學反應的過程，它與混凝土硬化的機理不同，混凝土硬化是水泥在粗骨料中進行，而水泥土硬化是水泥在具有活性的粘土介質中進行，作用緩慢而復雜。水泥遇水后發生水化和水解作用，生成氧化鈣等多種化合物，其中鈣離子與粘土礦物表面吸附的及離子進行當量交換，使粘土顆粒形成較大的土團粒，同時水泥水化后生成的膠體粒子，把土團粒連接起來形成蜂窩狀結構。隨著水泥水化的深入，溶液析出大量Ca離子與粘土礦物中的二氧化硅和三氧化二鋁進行化學反應，形成穩定性好的結晶礦物及碳酸鈣，這種化合物在水和空氣中逐漸硬化成為水泥土。圖9-20SJB-1型深層攪拌機1-輸漿管；2-外殼；3-出水口；4-進水口；5-電動機；6-導向滑塊；7-減速器；8-攪拌軸；9-中心管；10-橫向系板；11-球形閥；12-攪拌頭圖9-21深層攪拌法的工藝流程處理后的水泥土與軟粘土比