土力学地基基础地基处理解析

第一节概述土木工程建设中，有时不可避免地遇到工程地质条件不良的软弱土地基，不能满足建筑物要求，需要先经过人工处理加固，再建造基础，处理后的地基称为人工地基。

地基处理的目的是针对软土地基上建造建筑物可能产生的问题，采取人工的方法改善地基土的工程性质，达到满足上部结构对地基稳定和变形的要求，这些方法主要包括提高地基土的抗剪强度，增大地基承载力，防止剪切破坏或减轻土压力；改善地基土压缩特性，减少沉降和不均匀沉降：改善其渗透性，加速固结沉降过程；改善土的动力特性防止液化，减轻振动；消除或减少特殊土的不良工程特性（如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等）。

近几十年来，大量的土木工程实践推动了软弱土地基处理技术的迅速发展，地基处理的方法多样化，地基处理的新技术、新理论不断涌现并日趋完善，地基处理已成为基础工程领域中一个较有生命力的分枝。

根据地基处理方法的基本原理，基本上可以分为如表6-1所示的几类。

地基处理方法的分类表6-1但必须指出，很多地基处理方法具有多重加固处理的功能，例如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重功能；而石灰桩则具有挤密、吸水和置换等功能。

地基处理的主要方法、适用范围及加固原理，参见表6-2。

地基处理的主要方法、适用范围和加固原理表6-2的加固效果，并也存在着局限性。

地基的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不尽相同的，材料、施工机具和施工条件等亦存在显著差别，没有哪一种方法是万能的。

因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过方案的比选，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种方法的综合处理。

第二节软土地基软土是指沿海的滨海相、三角洲相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高（a1-2>0.5MPa-1）和强度低的特点，多数还具有高灵敏度的结构性。

主要包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等。

一．软土的成因及划分软土按沉积环境分类主要有下列几种类型：（一）滨海沉积1.滨海相：常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒(粗、中、细砂)相掺杂，使其不均匀和极松软，增强了淤泥的透水性能，易于压缩固结。

2.泻湖相：颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范围较宽阔，常形成海滨平原。

在泻湖边缘，表层常有厚约0.3～2.0m的泥炭堆积。

底部含有贝壳和生物残骸碎屑。

3.溺谷相：孔隙比大、结构松软、含水量高，有时甚于泻湖相。

分布范围略窄，在其边缘表层也常有泥炭沉积。

4.三角洲相：由于河流及海潮的复杂交替作用，而使淤泥与薄层砂交错沉积，受海流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳定，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层，结构疏松软，颗粒细小。

如上海地区深厚的软土层中央有无数的极薄的粉砂层，为水平渗流提供了良好条件。

（二）湖泊沉积湖泊沉积是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。

沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理。

淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一般为10m左右，最厚者可达25m。

（三）河滩沉积主要包括河漫滩相和牛轭湖相。

成层情况较为复杂，成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。

一般常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一般小于l0m。

（四）沼泽沉积分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，多以泥炭为主，且常出露于地表。

下部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。

软土由于沉积年代、环境的差异，成因的不同，它们的成层情况，粒度组成，矿物成分有所差别，使工程性质有所不同。

不同沉积类型的软土，有时其物理性质指标虽较相似，但工程性质并不很接近，不应借用。

软土的力学性质参数宜尽可能通过现场原位测试取得。

软土的工程特性：含水量较高，孔隙比较大；抗剪强度低；压缩性较高；渗透性很小；结构性明显；流变性显著三、软土地基的承载力、沉降和稳定性的计算在软土地基设计计算中，由于它的工程特性常需解决地基承载力、沉降和稳定性的计算问题,故与一般地基土的计算有所区别，现分述如下。

(一) 软土地基的承载力软土地基承载力应根据地区建筑经验，并结合下列因素综合确定：①软土成层条件、 应力历史、力学特性及排水条件；②上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不均匀沉降的敏感性；③基础的类型、尺寸、埋深、刚度等；④施工方法和程序；⑤采用预压排水处理的地基，应考虑软土固结排水后强度的增长。

1．根据极限承载力理论公式确定饱和软粘土上条形基础的极限承载力p u (kPa)按普朗特尔—雷斯诺(Prandtl —Reissner)极限荷载公式(参见土力学教材)由ϕ＝0，h q 2γ=确定为h C p u u 214.5γ+= （6-1） 式中：u C —软土不排水抗剪强度，可用三轴仪、十字板剪切仪测定，也可取室内无侧限抗压强度q u 之半计算；2γ—基底以上土的重度(kN ／m 3)，地下水位以下为浮重度；h —基础埋置深度(m)。

当受水流冲刷时，由一般冲刷线算起。

据此，考虑矩形基础的形状修正系数及水平荷载作用时的影响系数，并考虑必要的安全系数，《公桥基规》提出软土地基容许承载力[]σ(kPa)为[]h C k mu p 214.5γσ+= （6-2） 式中：m —安全系数1.5~2.5，软土灵敏度高且基础长宽比小者用高值；k p —基础形状及倾斜荷载的修正系数，属半经验性质的系数，当矩形基础上作用有倾 斜荷载时 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=u p C Q bl l b k 4.012.01b —基础宽度(m)；l —垂直于b 边的基础长度(m)，当有偏心荷载时， b 与l 由b ’与l ’代替，b e b b 2'-=,L e l l 2'-= e b 、e l 分别为荷载在b 方向、l 方向的偏心矩；Q —为荷载的水平分力(kN)。

2．根据土的物理性质指标确定软土大多是饱和的，天然含水量ω基本反映了土的孔隙比的大小，当饱和度S r =l 时，G S Ge r ωω==(G 为土颗粒比重)，e 为1时，相应天然含水量w 约36％；e 为1.5时，相应w 约55％，所以一般情况，地基承载力是与其天然含水量密切相关的，根据统计资料w 与软土的容许承载力[]0σ关系如表6-3所示。

软土的容许承载力[]0σ 表6-3在基础埋置深度为h(m)的软土地基修正后的容许承载力[]σ可按下式计算：[][]()320-+=h γσσ （6-3） 各符号意义同前，当h<3m 时，取h=3m 计。

《公桥基规》认为对小桥涵软土基础[]σ可用式(6—3)计算。

当按式(6-2)或式(6-3)计算软土修正后的容许承载力[]σ时，必须进行地基沉降验算，保证满足基础沉降的要求。

3．按临塑荷载估算软土地基承载力，考虑变形因素可按临塑荷载p cr 公式估算，以控制沉降在一般建筑物容许范围。

条形基础临塑荷载p cr (kPa)计算式为C N rD N p c q cr +=饱和软土u u C C ==,0φ时，N q =1，N c =π则h r C rD C p u u cr 214.314.3+=+= （6-4）此式用于矩形基础（空间问题）可认为较用于条形基础（平面问题）偏于安全。

我国有些地区和部门，根据该地区软土情况，采用略高于临塑荷载的临界荷载p 1／4，即允许基础边缘出现塑性区范围深度不超过基础底宽的1／4。

p 1／4的计算详见与土力学教材。

4．用原位测试方法确定由室内试验测定土的物理力学指标(如c u 等)常受土被扰动影响使结果不正确；而一般土的承载力理论公式用于软土也会有偏差，因此采用现场原位测试的方法往往能克服以上缺点。

软土地基常用的原位测试方法有：根据载荷试验、旁压试验确定地基承载力，以十字板剪切试验测定软粘土不排水抗剪强度换算地基承载力值，按标准贯入试验和静力触探结果用经验公式计算地基承载力等。

对较重要或规模较大的工程，确定软土地基承载力宜综合以上方法，结合当地软土沉积年代，成层情况，下卧层性质等考虑，并注意满足结构物对沉降和稳定的要求。

（二）软土地基的沉降计算软土地基在荷载下沉降变形的主要部分为固结沉降S c ，此外还包括瞬时沉降S d 与次固结沉降S s ，如图6-1所示。

软土地基的总沉降量S 为S d 、S c 、S s 之和。

1．固结沉降S c在荷载作用下，软土地基缓慢地排水固结发生的沉降称为（主）固结沉降，常用的计算方法如下。

（1）采用e —p 曲线计算i ni i i i c h e e e S ∆+-=∑=10101 （６-5） 图6-1 软土地基沉降的组成 式中：e 0i —未受基础荷载前，软土地基第i 层土分层中点自重应力作用下稳定时的孔隙比； e 1i —受基础荷载后，软土地基第i 层土分层中点自重应力与附加应力作用下稳定时的稳定孔隙比；i h ∆——土分层厚度，宜为0.5m~1.0m ；（2）采用压缩模量计算i ni si i c h E p S ∆∆=∑=1 （6-6） i p ∆—第i 层土中点的附加应力;si E —压缩摸量,应取第i 层土分层中点自重应力至自重应力与附加应力之和的压缩段计算。

(3)采用e —logp 曲线计算软土根据先期固结压力P c ，与上覆土自重应力P 0关系，天然土层的固结状态可区分为正常固结状态、超固结状态、欠固结状态。

我国海滨平原，内陆平原软土大多属正常固结状态；少数上覆土层经地质剥蚀的软土及软土上的“硬壳”则属超固结状态；江、河入海口处及滨海相沉积(以及部分冲填土)则属欠固结土的。

对于欠固结软土，在计算其固结沉降S c 时，必须包括在自重应力作用下继续固结所引起的那一部分沉降，若仍按正常固结的土层计算，所得结果将远小于实际沉降。

下面简要介绍考虑先期固结压力的计算公式：①正常固结、欠固结条件下⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⋅+∆=∑=ci i oi ci n i i i c p p p C e h S lg 110 （６-7）式中：ci C —第i 层土中的压缩指数，应取分层中点自重应力至自重应力与附加应力之和的压缩段计算； i p —第i 层土分层中点的自重应力；ci p —先期固结压力，正常固结时p ci =p oi ，欠固结时p ci <p oi ；②超固结条件下a.对于应力增量o c p p p ->∆时，⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⋅+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+∆=∑=ci i oi ci oi ci si n i oi i c p p p C p p C e h S lg lg 11 （６-8）b. 对于应力增量o c p p p -≤∆时，⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+⋅+∆=∑=oi i oi si n i oi i c p p p C e h S lg 11 （６-9）式中：si C —第i 层土中的回弹指数2．瞬时沉降S d瞬时沉降包括土的两种沉降，一种由地基土弹性变形引起；另一部分是由于软土渗透系数低，加荷后初期不能排水固结，因而土体产生剪切变形，此时沉降是由软土侧向剪切变形引起。