第七章 地基处理-同济大学

(三)地基变形计算 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。 换土垫层后的建筑物地基沉降由垫层自身的变形量 和下卧土层的变形量两部分所构成，即
2. 杂填土：由人类活动所形成的建筑垃圾、工业废弃物和 生活垃圾等无规则堆填物。 杂填土主要特性是强度低、压缩性高和均匀性差，即 使在同一建筑场地的不同位臵，其地基承载力和压缩性也 有较大差异。杂填土未经人工处理一般不宜作为持力层。 3. 冲填土：在整治和疏浚江河航道时，用挖泥船通过泥 浆泵将夹大量水分的泥砂吹到江河两岸而形成的沉积土。 冲填土的工程性质主要取决于颗粒组成、均匀性和排 水固结条件，如以粘性土为主的冲填土往往是欠固结的， 其强度较低且压缩性较高，一般需经过人工处理才能作为 建筑物地基；如以砂性土或其它粗颗粒土所组成的冲填土 ，其性质基本上与砂性土相类似，可按砂性土考虑是否需 要进行地基处理。
4. 其它高压缩土: 饱和松散粉细砂及部分粉土，在机械振 动、地震等动力荷载的重复作用下，有可能会产生液化或 震陷变形。另外，在基坑开挖时，也可能会产生流砂或管 涌。因此，对于这类地基土，往往需要进行地基处理。 5. 特殊土地基：大部分带有地区性特点，包括湿陷性黄土、 膨胀土和冻土等。 对软弱土和特殊土进行地基处理，其目的就是为了 提高地基的强度和保证地基的稳定、降低地基的压缩性、 减少地基的沉降和不均匀沉降、防止地震时地基土的振动 液化以及消除特殊性土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。
二、地基处理方法的分类 地基处理方法的分类可有多种多样。 如：按时间可分为临时处理和永久处理； 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，饱 和土处理和非饱和土处理； 按地基处理作用机理可分为臵换、夯实、挤密、排水、 胶结、加筋和冷热等处理方法。 其中最本质的是根据地基处理作用机理进行分类，其 具体分类以及加固原理、适用范围见表7-1。 五大类：换土垫层法、深层密实法、排水固结法、加 筋法、化学加固法。
第七章 地基处理
第一节 概 述
一. 地基处理的对象和目的 地基处理的对象主要是软弱地基和特殊土地基。 软弱地基系指主要由软土（淤泥、淤泥质土）、冲填 土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。 1. 软土：淤泥及淤泥质土的总称为软土。 软土的特性是含水率高、孔隙比大、渗透系数小、 压缩性高、抗剪强度低。软土地基承载力低，在外荷载 作用下，地基变形大，不均匀变形也大，且变形稳定历 时较长，在比较深厚的软土层上，建筑物基础的沉降往 往持续数年甚至数十年之久。软土地基是在工程实践中 最需要人工处理的地基。
pz pcz f
pz 式中 —垫层底面处的附加压力(kPa)； pcz —垫层底面处的自重压力(kPa)； f —垫层底面处经深度修正后的下卧土层地基承载 力设计值(kPa)。
垫层底面处的附加压力，除了可用弹性理论的土中 应力公式进行计算外，常用的是按压力扩散角的方法进 行简化计算。 具体设计时，可根据下卧土层的地基承载力，先假 设一个垫层的厚度，然后按式(7-1)进行验算，若不符合 要求，则改变厚度，重新再验算，直至满足要求为止。
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第二节 换填法
换填法就是将基础底面下一定深度范围内的软弱土 层部分或全部挖去，然后换填强度较大的砂、碎石、素 土、灰土、粉煤灰、干渣等性能稳定且无侵蚀性的材料 ，并分层夯压至要求的密实度。 换填法适用条件：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性 黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理 ，且建筑物荷载不太大的地基。换填法的处理深度通常 宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。 换填法处理地基时换填材料所形成的垫层，按其材 料的不同，可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土 垫层、粉煤灰垫层等。不同材料垫层上建筑物沉降特点 基本相似，各种材料垫层的设计都可参照砂垫层方法。
式中 —基础沉降量(cm)； s1 s2 —垫层自身变形量(cm)； s —压缩层厚度范围内，自垫层底面算起的各土层 压缩变形量之和(cm)。
s s1 s2
三、垫层的施工 采用砂、石填料时，垫层施工应注意以下几方面： （1）垫层的砂料必须具有良好的压实性。砂料的不 均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，容许在砂中掺入 一定数量的碎石，但要分布均匀。如果用碎石作垫层， 其强度较高，易于夯实，还可以水下抛填；碎石的直径 一般不应超过10cm。碎石的含泥量不应超过3%；有机 质含量和水稳定性都应控制在一定范围之内。 （2）垫层的质量关键是如何把垫层密实到设计要求 的密实度。加密的方法可采用振动法、水撼法、碾压法 等。要严格控制垫层的松铺厚度，一般为15~20cm。分 层密实，及时进行质量检查。
三、地基固结度计算 地基固结度计算主要时根据图7-2所示的两种边界条 件作出的。 四、加载系统 土体孔隙水是靠地面荷载所产生的应力将其挤出的，所 以加载系统的设计和选择关系到预压排水固结的效果。 （—）堆载预压法 （二）降水预压法 （三）真空预压法 （四）联合预压法
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第四节 密实法
土的密实原理是利用各种机械功能，在短时间内促使 土的孔隙比减小，密实度增加，从而达到增加地基强度、 减少沉降的目的。利用密实原理处理地基的方法有：碾压、 夯实、挤密和震密等四类。以上四类方法适用于非饱和粘 性土以及饱和或非饱和的砂类土。 一、碾压法 碾压法是利用各种压实机械，如压路机、铲运机、羊 足碾等的机械重量对土进行压实。由于机械的重量有限 ，压实功能小，压实的影响深度很浅，所以碾压法主要 用于填土工程，如土坝、路堤或大面积回填土，这类工 程一般都是把土作为回填材料，因此可采用分层碾压的 办法来达到密实的效果。
二、夯实法 夯实法是利用冲击能来击实地基。根据冲击能大小， 可分为重锤夯实和强夯两类。 （一）重锤夯实 用起重机械将夯锤提高到一定的高度后，然后将其 自由下落，利用冲击能量将地基夯实。夯击的能量随着 夯锤的重力和落距的增加而增加，夯锤的重力一般为 15~30kN，落距一般为2.5~4.5m，夯击8~12遍后，夯实 的影响深度一般能达到锤底直径的一倍左右，约1.2m。 但若在影响深度范围内，地下水位高且存在有低渗透性 饱和软土时，软土结构很可能被破坏，而水又无法排出 ，从而形成所谓“橡皮土”，在这种情况下，土层则不 可能达到密实的效果，应特别注意。
第三节 排水固结法
排水固结法是在建筑物建造之前，在场地上进行加 载预压，使土体中部分孔隙水逐渐排出，地基固结，土 体强度逐渐提高，沉降提前完成的方法。排水固结法主 要是用于处理海相、湖相以及河相沉积的软弱粘土层， 这类土的特点是含水率大、压缩性高、强度低、透水性 差，而且沉降持续的时间很长。 采用排水固结法，可以使土体的强度增长，地基承载 力提高；相对于预压荷载的地基沉降，在处理期间部分 消除或基本消除，使建筑物在使用期间不会产生不利的 沉降或沉降差。
(3) 加速软弱土层的排水固结 由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受 压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压 力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高 地基土强度。 (4)防止地基土冻胀 由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，不易产生毛细管现 象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。 在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的， 如建筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土 坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。 换填法主要适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素 填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。
（3）开挖基坑铺设垫层时，必须避免对软土层的扰 动，否则由于坑底土的扰动，使土的结构遭到破坏，强 度降低而导致附加沉降增加。当采用碎石垫层时，最好 在基坑底面先铺一层砂垫底，然后再铺碎石。 （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。 可用作垫层的材料很多，除砂和碎石外，还有素土、 灰土垫层，以及粉煤灰垫层等。国外还在垫层中铺设塑 料网片（加筋）来提高垫层的强度。
一、换填法的作用和适用范围 换填法处理地基的作用主要有以下几个方面： (1)提高地基承载力 地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底 压力的增大而逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂 或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高地基承载力，从 而避免地基破坏。 (2)减少地基沉降量 基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在地 基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑 材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。另 外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层 上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。
二、垫层的设计与计算 换填法处理软弱地基的设计内容主要是确定垫层的厚 度和宽度。对于换土垫层，根据建筑物对地基强度和变 形的要求，既要求垫层有足够的厚度以臵换可能被剪切 破坏的软弱土层，又要求垫层有足够的宽度以防止垫层 向两侧挤出；而对于排水垫层，则主要是在基础底面下 设臵厚度为30cm的砂、砂石或碎石等透水性大的垫层， 以形成一个排水层，从而促使软弱土层的排水固结。 (一)垫层厚度的确定 垫层厚度(图7-1)应根据垫层底面下卧软弱土层的承载 力来确定，即要求作用在垫层底面处土的自重压力与附加 压力之和不大于下卧软弱土层顶面处的地基承载力，应满 足下式要求：
一、加固机理 地基土的排水固结效果与它的排水边界有关，根据固 结理论，粘性土固结所需的时间与排水距离的平方成正 比。如图7-2所示，这是一种典型的单向固结情况。 当土层较薄或土层厚度相对荷载宽度较小时，土中孔 隙水可以由竖向渗流经上下透水层排出而使土层固结。 但当软土层很厚时，一维固结所需的时间很长，为了满 足工程的要求，加速土层固结，最有效的方法就是在地 基中增加排水途径，如图7-2所示，这是目前常用的由砂 井（袋装砂井）或塑料排水板构成的竖向排水系统以及 由砂层构成的横向排水系统，在荷载作用下促使孔隙水 由水平向流入砂井，竖向流入砂垫层，从而固结时间可 以大大缩小。
(二)垫层宽度的确定 确定垫层宽度时，应满足基础底面压力扩散的要求， 同时还应考虑到垫层应有足够的宽度以及垫层侧面土的强 度条件，以防止垫层材料向侧边挤出而增加垫层的竖向变 形量。 垫层的宽度可按式(7-4)压力扩散角的方法进行计算， 或根据当地经验确定。
b' ≥b 2hs tg
式中 b' —垫层底面宽度(m)； —垫层压力扩散角，按表7-3采用，但当 hs b＜0.25 时，仍按 hs b＝0.25取值。
要使土体中孔隙水排出，必须对土体施加荷载，所以排 水固结还必须配有加载系统。加载系统的形式和方法很多， 目前常用的方法有：堆载法、真空法、降水法、电渗法和 联合法等。 排水固结法处理地基主要有以下两种情况。 (一)等载预压 （二）超载预压
二、排水系统 排水系统分为水平排水系统和竖向排水系统两种。 （一）水平排水系统 水平排水系统是指软土层顶面的排水砂层，目的是为 了创造一个竖向渗流的排水边界。 排水垫层的材料，一般采用透水性好的砂料，其渗 透系数不低于10-3 cm/ s ，同时能起到一定的反滤作用， 并要求含泥量不超过3%。 （二）竖向系统 设臵竖向系统的目的是为了创造一个水平向渗流边 界。根据我国的情况，大致有以下几种形式：30~50cm 直径的普通砂井；7~12cm直径的袋装砂井；各种类型 的塑料排水板等。
三 地基处理的原则及其注意事项 地基处理是一门技术性和经验性很强的应用学科。 在选择地基处理方法之前，必须认真研究上部结构和地 基两方面的特点，并结合当地的经验，选择经济有效的 处理方法。地基处理的几条原则。 1. 针对地质条件和工程特点选用合适的地基处理方法； 2. 所选用的处理方法必须符合土力学的基本原理; 3. 根据地基处理的时效特点进行工程验算与控制; 4. 重视地基处理的工程经验。 在众多的地基处理方法中，加固机理、理论分析和 计算方法等都尚需进一步研究，因此，经验具有相当重 要的作用。岩土工程师必须不断的研究和总结。因地制 宜，切忌机械地搬用。