《建筑地基基础设计方法及实例分析(第二版)》第3章

既要求有足够的厚度置换可
能剪切破坏的软弱土层，并使 通过垫层扩散到软土层的附加 应力，满足软土层强度和变形
的要求；又要求有足够的宽度
以防止垫层向两侧挤出。
回填土
d
确定其断面的合理厚度和宽度。
z b′
3.2 换填法
砂垫层设计的步骤
1) 垫层厚度的确定
z cz faz
要求: 作用在垫层底面处土的自重
（3）基坑开挖时应避免坑底土层受扰动。
（4）作好基坑的排水工作，必要时应采取降低地下水位的措 施。采用振实时，应保证水源补给与 排水畅通，水面宜 保持与砂面齐平。
3.2 换填法
பைடு நூலகம்
地基变形验算
采用换填法对地基进行处理后，由于垫层下软弱 土层的变形，建筑物地基往往仍将产生一定的沉降量 及差异沉降量。因此，在垫层的厚度和宽度确定后， 对于重要的建筑物或垫层下存在软弱下卧层的建筑物， 还应进行地基的变形计算。
技术先进、经济合理、安全适用、确保质量
地基处理方法很多，没有一种方法是万能的。对每一 具体工程均应进行具体细致分析，从地基条件、处理要求 （处理后地基应达到的各项指标、处理的范围、工程进度 等）、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考 虑，以确定合适的地基处理方法。
3.1 概述
7. 地基处理方法的选择步骤
按处理深度可分为浅层处理和深层处理；
按处理土性对象可分为砂性土处理和粘性土处理；
按地基处理作用机理可分为置换、夯实、挤密、排水、 胶结、加筋等处理方法。
3.1 概述
换填法
按
碾压与夯实
作
用
机
预压法
理
密实法
换土垫层法 褥垫法 重锤夯实 机械碾压 振动压实
强夯
堆载预压
砂井（塑料排水板）堆载预压
2.按成桩后桩体的刚度（或强度）分类 1）柔性桩：散体材料类桩； 2）半刚性桩：水泥土类桩； 3）刚性桩：混凝土类桩。
3.按增强体的方向分类 1）竖向增强体复合地基： 由不同材料形成不同强度桩体的复合地基。 2）横向增强体复合地基： 由土工合成材料、金属材料格栅等形成的复合地基。
3.3 复合地基
• 4）复合地基作用机理
3.2 换填法 垫层材料的选择
注意： 砂垫层不宜用于处理 湿陷性黄土地基
（1）砂石：宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、 中砂或石屑（粒径<2mm的部分不应超过总重的45％）, 应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细 砂时，应掺入不少于总重30％的碎石或卵石。砂石的最 大粒径不宜大于50mm。
换填后地基沉降
垫层的压缩
可忽略不计
垫层下软土的变形
按常规法计算
3.2 换填法
褥垫法简介
褥垫是在基础底面下一定深度范围内，将局部压 缩性低的岩石凿去，换填压缩性较大的材料，然后分 层夯实形成垫层作为基础的部分持力层，使基础变形 协调的地基处理方法。
换填垫层法 --- 以硬换软，主要提高强度，降低沉降；
高压缩且欠固结； 以粉土或粉细砂为主的，则容易产生液化。
3.1 概述
3）粉细砂、粉土和粉质土：易震陷、液化 4）砂土、砂砾石等：透水性大、抗渗、防止管
涌和流土 5）其他类土：
湿陷性黄土：湿陷性 膨胀土：胀缩性 红粘土：特殊结构性 岩溶、土洞：塌陷
3.1 概述
5. 地基处理方法的分类
作用机理
按时效可分为临时处理和永久处理；
（2） 粉质粘土：土料中有机质含量不得超过5％，当含有碎 石时，粒径不宜大于50mm。
（ 3）其他材料：如灰土、 粉煤灰、 矿渣等。
3.2 换填法
垫层施工要点
（1）关键是如何将填土加密到设计要求的密实度。加密方法 可采用机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。应根据 不同的换填材料选择施工机械。
（2）分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。一般 情况下，垫层的分层铺填厚度可取200～300mm 。
（1）根据上部结构及建筑场地条件和环境，初步选定几种 可供考虑的处理方案；
（2）对初步选定的各种地基处理方案进行综合分析，进行 技术经济分析和对比，确定最佳的地基处理方案；
（3）对已确定的地基处理方案，在有代表性的场地上进行 相应的现场试验或试验性施工及必要的测试，以期达 到最佳处理效果。
3.2 换填法
3.1 概述
4. 地基处理的对象
泥炭,泥炭质土：有机含量> 25%
1）淤泥土与淤泥质土 --- 简称软土
淤泥: 孔隙比 e > 1.5, w > wl ( Il > 1.0 )
淤泥质土: 孔隙比 e =1.0 ~1.5, w >wl ( Il > 1.0 )
工程特性
*高含水量 w= 40 ~ 90% *高压缩性 a > 0.5 ~ 3.0MPa-1 *高流变性 : 次固结量随时间增加
应力σcz与附加应力σz之和不大 于垫层底面下土的承载力。
软弱下卧土层经深度 修正的承载力特征值
cd CZ
回填土
b

p0
d
Z z z
3.2 换填法
z的简化计算
cd
CZ
压力扩散角法
回填土
b
p0
Z
b′= b+2ztan
d
zz
条形基础
z

b( pk cd ) b 2z tan
定义 垫层法
当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求， 可将基础底面下一定范围内的软弱土层部分或全部挖 除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、 炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料， 并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为
换土垫层法，简称垫层法。
3.2 换填法 垫层法
深厚软土
σcd=γmd
矩形基础
z

(l
lb( pk cd ) 2z tan )(b 2z tan )
3.2 换填法
试算法确定垫层厚度
（1）初定z为1~2m； （2）计算垫层底面处的σcz和σz； （3）按式 σcz +σz ≤ faz 验算；
若不满足要求则重新取值， 直到满足要求为止。
例较大，低压缩性材料置换高压缩性土，减少沉降； 3）加速软土的排水固结：透水性大且性能稳定材料做垫层，可
加速软土的排水固结，提高地基强度； 4）防止地基土的冻胀：采用粗粒土使土中水分不能迁移； 5）消除黄土、膨胀土的湿陷性、胀缩性。（注意材料要求！）
3.2 换填法 垫层的设计
设计的基本要求
设计的主要内容
•（1） 桩体作用。 •（2） 排水固结作用。 •（3） 挤密作用。 •（4） 加筋作用。
3.3 复合地基
五、复合地基的设计参数 1.面积置换率m dss
Ap
s
Ae
s
d ss s
Ae
正方形布桩
m Ap Ae
一根桩体的横截面积 一根桩体的加固面积
等边三角形布桩
s 1.08 Ae
3.3 复合地基
（1） 复合地基是由两种刚度（或模量）不同的材料 （增强体和基体）两部分组成，是非均质和各向异性 的； 区别于均质地基
（2） 复合地基在荷载作用下，基体和增强体共同承担 荷载并协调变形。 区别于桩基础
3.3 复合地基
三、复合地基的分类
1.按成桩材料分类 1）散体材料桩：如砂桩、碎石桩、矿渣桩等； 2）水泥土类桩：水泥搅拌桩、高压旋喷桩等； 3）混凝土类桩：水泥粉煤灰碎石桩 CFG、树根桩、锚杆静压桩。
z s2h

在p ~s 曲线上褥垫所 受压力的变形量
设计关键是 确定其厚度
土层
褥垫
岩层
3.2 换填法
褥垫材料的选择
褥垫材料一般采用炉渣、中粗砂、土夹石或粘性土等。 其中炉渣调整沉降的幅度较大，夯实密度较为稳定，也不受 水的影响；中粗砂虽性能稳定亦不受水的影响，但因其压缩 性低调整沉降的幅度不大；土夹石调整沉降比较灵活，但水 对其有一定影响；粘性土虽调整沉降的灵活性大，但水的影 响也比较大。
垫层厚度不宜>3m，垫层也不宜< 0.5m。
注意:
垫层厚度的确定 仅考虑了应力扩散的 作用，忽略了垫层的 约束作用和排水固结 对地基承载力提高的 影响，所以实际的承 载力比考虑深度修正 后的天然地基承载力 大。对重要工程，建 议通过现场载荷试验 来确定。
3.2 换填法
2) 垫层宽度的确定 宽度计算
土工合成材料加筋垫层：一般用于z/b较小的薄垫层， 其压力扩散角宜通过静载荷试验确定，通过实测软弱下卧层 顶面的压力反算上部垫层的压力扩散角。对于土工带加筋垫 层，设置一层土工筋带时，宜取26°；设置两层及以上土工 筋带时，宜取35°。
3.2 换填法
垫层材料的压力扩散角
回填土
d
b
zz
3.1 概述
褥垫法 --- 以软换硬，主要是调整地基的相对变形。
3.2 换填法
褥垫的设计与构造
要求
褥垫材料的压缩性 比被换填的 地基大
褥垫厚度的确定：
1）确定要求褥垫的沉降量：
s2 = s1 - [Δs ] ≤ s1
2）确定褥垫的厚度：
z s2Es z
褥垫材料的压缩模量 褥垫顶底面的平均附
加应力
或
褥垫材料试样的高度
注意：防止水泥、石灰等胶结 材料混入，使褥垫失去作用
3.3 复合地基
夯扩载体CFG桩施工设备及结果
3.3 复合地基
• 1.复合地基的概念 复合地基是由基体（天然地基土体）和增
强体（桩体或带形体）两部分组成，共同承受上 部结构荷载并协调变形的人工地基。
3.3 复合地基
2.复合地基有两个基本特点：
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建筑地基基础设计方法及实例分析 （三）
1
3 地基处理 3.1 概述 3.2 换填法 3.3 复合地基 3.4 强夯法 3.5 其他地基处理方法 3.6 常见设计问题
3.1 概述
地基基础优先选择方案：天然地基上浅基础
3.1 概述
土木工程建设中，当天然地基不能满足 建（构）筑物对地基强度或变形或稳定性的 要求时，需对天然地基进行加固改良，形成 人工地基，以满足建（构）筑物对地基的要 求，保证其安全与正常使用。这种地基加固 改良称为地基处理。
要求: （1）满足应力扩散的要求； （2）防止垫层侧向挤出。
按地区经验或压力扩散角法
垫层底宽：
b b 2 z tan
垫层顶宽： 按开挖坡度确定
回填土 b
b′≥ b+2ztan
d
zz
3.1 概述
垫层材料的压力扩散角 （°）
3.1 概述
垫层材料的压力扩散角
水泥稳定碎石垫层：其主要组成分为级配碎石和水泥，正 常养护后垫层抗压强度通常不小于3.0MPa，变形模量不小 于30MPa，经水泥稳定后的碎石垫层还获得一定的抗拉强度， 作为垫层其压力扩散角与碎石垫层相比更为有利。
软土地基 沉降太大、强度不足
深厚软土
垫层法地基处理 过程示意
3.2 换填法 垫层的类型
按垫层材料分
砂垫层 砂卵石垫层 碎石垫层 素土垫层 灰土垫层 粉煤灰垫层 矿渣垫层
适用范围： 软弱地基的 浅层处理。
3.2 换填法
垫层的主要作用
不同材料的垫层, 其作用也各不相同。
1）提高持力层的承载力：高强度材料置换软弱土，强度提高； 2）减少地基的沉降量：基础下浅层土的压缩占基础总沉降的比
3.1 概述
2. 地基处理常需解决的问题 强度及稳定性问题。 压缩及不均匀沉降问题。 渗流和渗透稳定问题。 动力荷载引起的液化、震陷等灾害问题。 区域性特殊土的不良特性问题。
3.1 概述
3. 地基处理的目的
（1）改善地基的剪切性能、提高地基承载力及其稳定性。 （2）改善地基的变形性质、减少其沉降及不均匀沉降变形量。 （3）改善地基的渗透性、加强其渗透稳定性。 （4）改善地基的动力特性、提高其抗震性能。 （5）改善地基的不良特性、满足其工程的需要。
2.桩土应力比n
基础刚性时，桩与桩间土沉降一致，但模量不一致， 因此荷载向桩体集中，桩体所受压力pp大于基底平 均压力p，桩间土的压力ps小于p。
n pp ps
柔性桩（散体材料桩），n=2~4 如：振冲碎石桩
半刚性桩， n=3~12
*低强度 cu < 30 kPa，φ ≈ 0
*低渗透性 k =10-6 ~10-8cm/s，固结过程长 *高结构性 St > 4
3.1 概述
2）填土
杂填土：人类活动所形成的无规则堆积物。 如建筑垃圾、工业废料及生活垃圾等。
主要特性：强度低，压缩性高，不均匀，不稳定。
冲填土：利用水力将泥砂冲填到岸边形成的沉积土。 主要特性：含粘粒多的细、 呈流动状态，低强度、
真空预压
井点降水
振冲挤密
沉桩挤密
灰土挤密 爆破挤密
3.1 概述
固化法
按
作
用
机
加筋法
理
其他方法
灌浆法
水泥灌浆
碱液法 单液硅化法
喷拌法
冲抓置换 深层搅拌
土工合成材料 锚杆（索）静压桩 树根桩 加筋土
灌浆 冻结 托换 （平移） 纠偏
3.1 概述
6. 地基处理方法选用原则