1、土木工程中的地基处理土木工程中的地基处理第一节 概 述土木工程建设中，有时不可幸免地遇到工程地质条件不良的脆弱土地基，不能满足建筑物要求，需要先通过人工处理加固，再建筑基础，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筑建筑物可能产生的咨询题，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固和变形的要求，这些方法要紧包括提升地基土的抗剪强度，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，减少沉降和不平均沉降：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；排除或减少专门土的不良工程特性（如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等）。近几十年
2、来，大量的土木工程实践推动了脆弱土地基处理技术的迅速进展，地基处理的方法多样化，地基处理的新技术、新理论持续涌现并日趋完善，地基处理已成为基础工程领域中一个较有生命力的分枝。按照地基处理方法的差不多原理，差不多上能够分为如表6-1所示的几类。地基处理方法的分类 表6-1物理处理化学处理热学处理置换排水挤密加筋搅拌灌浆热加固冻结但必须指出，专门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。地基处理的要紧方法、适用范畴及加固原理，参见表6-2。地基处理的要紧方法、适用范畴和加固原理 表6-2分类方法加固原理适用范畴置换换
3、土垫层法采纳开挖后换好土回填的方法；关于厚度较小的污泥质土层，亦可采纳抛石挤淤法。地基浅层性能良好的垫层，与下卧层形成双层地基。垫层可有效地扩散基底压力，提升地基承载力和减少沉降量。各种浅层的脆弱土地基振冲置换法利用振冲器在高压水的作用下边振、边冲，在地基中成孔，在孔内回填碎石料且振密成碎石桩。碎石桩柱体与桩间土形成复合地基，提升承载力，减少沉降量cu20kPa的粘性土、松散粉土和人工填土、湿陷性黄土地基等强夯置换法采纳强夯时，夯坑内回填块石、碎石挤淤置换的方法，形成碎石墩柱体，以提升地基承载力和减少沉降量。浅层脆弱土层较薄的地基碎石桩法采纳沉管法或其他技术，在软土中设置砂或碎石桩柱体，置换后
4、形成复合地基，可提升地基承载力，降低地基沉降。同时，砂、石柱体在软粘土中形成排水通道，加速固结一样软土地基石灰桩法在脆弱土中成孔后，填入生石灰或其他混合料，形成竖向石灰桩柱体，通过生石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩柱体周围土体的性质，形成石灰桩复合地基，以提升地基承载力，减少沉降量人工填土、软土地基EPS轻填法发泡聚苯乙烯（EPS）重度只有土的1/501/100，并具有较高的强度和低压缩性，用于填土料，可有效减少作用于地基的荷载，且按照需要用于地基的浅层置换脆弱土地基上的填方工程排水固结加载预压法在预压荷载作用下，通过一定的预压时刻，天然地基被压缩、固结，地基土的强度提升，压缩性降低
5、。在达到设计要求后，卸去预压荷载，再建筑上部结构，以保证地基稳固和变形满足要求。当天然土层的渗透性较低时，为了缩短渗透固结的时刻，加速固结速率，可在地基中设置竖向排水通道，如砂井、排水板等。加载预压的荷载，一样有利用建筑物自身荷载、堆载或真空预压等软土、粉土、杂填土、冲填土等超载预压法差不多原理同加载预压法，但预压荷载超过上部结构的荷载。一样在保证地基稳固的前提下，超载预压方法的成效更好，专门是对降低地基次固结沉降十分有效污泥质粘性土和粉土振密挤密强夯法采纳重量100400kN的夯锤，从高处自由落下，在强烈的冲击力和振动力作用下，地基土密实，能够提升承载力，减少沉降量松散碎石土、砂土，低饱和度
6、粉土和粘性土，湿陷性黄土、杂填土和素填土地基振冲密实法振冲器的强力振动，使得饱和砂层发生液化，砂粒重新排列，孔隙率降低；同时，利用振冲器的水平振冲力，回填碎石料使得砂层挤密，达到提升地基承载力，降低沉降的目的粘粒含量少于10%的疏松散砂土地基挤密碎（砂）石桩法施工方法与排水中的碎（砂）石桩相同，然而，沉管过程中的排土和振动作用，将桩柱体之间土体挤密，并形成碎（砂）石桩柱体复合地基，达到提升地基承载力和减小地基沉降的目的松散砂土、杂填土、非饱和粘性土地基、黄土地基土、灰土桩法采纳沉管等技术，在地基中成孔，回填土或灰土形成竖向加固体，施工过程中排土和振动作用，挤密土体，并形成复合地基，提升地基承载
7、力，减小沉降量地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土地基加筋加筋土法在土体中加入起抗拉作用的筋材，例如土工合成材料、金属材料等，通过筋土间作用，达到减小或抗击土压力；调整基底接触应力的目的。可用于支挡结构或浅层地基处理浅层脆弱土地基处理、挡土墙结构锚固法要紧有土钉和土锚法，土钉加固作用依靠于土钉与其周围土间的相互作用；土锚则依靠于锚杆另一端的锚固作用，两者要紧功能是减少或承担水平向作用力边坡加固，土锚技术应用中，必须有能够锚固的土层、岩层或构筑物竖向加固体复合地基法在地基中设置小直径刚性桩、低等级混凝土桩等竖向加固体，例如CFG桩、二灰混凝土桩等，形成复合地基，提升地基承载力，减少沉降量各类
8、脆弱土地基、专门是较深厚的软土地基化学固化深层搅拌法利用深层搅拌机械，将固化剂（一样的无机固化剂为水泥、石灰、粉煤灰等）在原位与脆弱土搅拌成桩柱体，能够形成桩柱体复合地基、格栅状或连续墙支挡结构。作为复合地基，能够提升地基承载力和减少变形；作为支挡结构或防渗，能够用作基坑开挖时，重力式支挡结构，或深基坑的止水帷幕。水泥系深层搅拌法，一样有两大类方法，即喷浆搅拌法和喷粉搅拌法饱和软粘土地基，关于有机质较高的泥炭质土或泥炭、含水量专门高的污泥和污泥质土，适用性宜通过试验确定灌浆或注浆法有渗入灌浆、劈裂灌浆、压密灌浆以及高压注浆等多种工法，浆液的种类较多。类脆弱土地基，岩石地基基加固，建筑物纠偏等加
9、固处理上述表中的各类地基处理方法，均有各自的特点和作用机理，在不同的土类中产生不同的加固成效，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明显差不，没有哪一种方法是万能的。因此，关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，既能够是单一的地基处理方法，也能够是多种方法的综合处理。第二节 软土地基一软土的成因及划分软土按沉积环境分类要紧有下列几种类型：（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，使其不平均和极松软，增强了污泥的透水
10、性能，易于压缩固结。 2.泻湖相： 颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范畴较宽敞，常形成海边平原。在泻湖边缘，表层常有厚约0.32.0m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。分布范畴略窄，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，而使污泥与薄层砂交错沉积，受海流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳固，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许多的极薄的粉砂层，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
11、粒，出现明显的层理。污泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一样为10m左右，最厚者可达25m。（三）河滩沉积要紧包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情形较为复杂，成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。一样常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一样小于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。下部分布有污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，它们的成层情形，粒度组成，矿物成分有所差不，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，但工程性质并不专门接近，不应借用。软土的力学性质参数宜尽可
12、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；渗透性专门小；结构性明显；流变性明显 三、软土地基的承载力、沉降和稳固性的运算 在软土地基设计运算中，由于它的工程特性常需解决地基承载力、沉降和稳固性的运算咨询题,故与一样地基土的运算有所区不，现分述如下。(一) 软土地基的承载力软土地基承载力应按照地区建筑体会，并结合下列因素综合确定：软土成层条件、 应力历史、力学特性及排水条件；上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不平均沉降的敏锐性；基础的类型、尺寸、埋深、刚度等；施工方法和程序；采纳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按照
13、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pu(kPa)按普朗特尔雷斯诺(PrandtlReissner)极限荷载公式(参见土力学教材)由0，确定为 （6-1）式中：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qu之半运算；基底以上土的重度(kNm3)，地下水位以下为浮重度； 基础埋置深度(m)。当受水流冲刷时，由一样冲刷线算起。据此，考虑矩形基础的形状修正系数及水平荷载作用时的阻碍系数，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(kPa)为 （6-2）式中：m安全系数1.52.5，软土灵敏度高且基础长宽比小者用高值； kp基础形状及倾斜荷
14、载的修正系数，属半体会性质的系数，当矩形基础上作用有倾 斜荷载时 b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，, eb、el分不为荷载在b方向、l方向的偏心矩； Q为荷载的水平分力(kN)。 2按照土的物理性质指标确定软土大多是饱和的，天然含水量差不多反映了土的孔隙比的大小，当饱和度Sr=l时，(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，因此一样情形，地基承载力是与其天然含水量紧密有关的，按照统计资料w与软土的容许承载力关系如表6-3所示。 软土的容许承载力 表6-3天然含水量w（%）36404550556575
15、(kPa)100908070605040 在基础埋置深度为h(m)的软土地基修正后的容许承载力可按下式运算： （6-3） 各符号意义同前，当h3m时，取h=3m计。 公桥基规认为对小桥涵软土基础可用式(63)运算。 当按式(6-2)或式(6-3)运算软土修正后的容许承载力时，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pcr公式估算，以操纵沉降在一样建筑物容许范畴。条形基础临塑荷载pcr (kPa)运算式为 饱和软土时，Nq=1，Nc=则 （6-4） 此式用于矩形基础（空间咨询题）可认为较用于条形基础（平面咨询题）偏于安全。我国有些
16、地区和部门，按照该地区软土情形，采纳略高于临塑荷载的临界荷载p14，即承诺基础边缘显现塑性区范畴深度不超过基础底宽的14。p14的运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cu等)常受土被扰动阻碍使结果不正确；而一样土的承载力理论公式用于软土也会有偏差，因此采纳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：按照载荷试验、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体会公式运算地基承载力等。 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
17、，成层情形，下卧层性质等考虑，并注意满足结构物对沉降和稳固的要求。 （二）软土地基的沉降运算软土地基在荷载下沉降变形的要紧部分为固结沉降Sc，此外还包括瞬时沉降Sd与次固结沉降Ss，如图6-1所示。软土地基的总沉降量S为Sd、Sc、Ss之和。 1固结沉降Sc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，常用的运算方法如下。（1）采纳ep曲线运算 （-5） 图6-1 软土地基沉降的组成式中：e0i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固时的孔隙比； e1i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固时的稳固孔隙比；土分层厚度，宜为0.5
18、m1.0m；（2）采纳压缩模量运算 （6-6）第i层土中点的附加应力;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运算。(3)采纳elogp曲线运算 软土按照先期固结压力Pc，与上覆土自重应力P0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。我国海边平原，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。关于欠固结软土，在运算其固结沉降Sc时，必须包括在自重应力作用下连续固结所引起的那一部分沉降，若仍按正常固结的土层运算，所得结果将远小于实际
19、沉降。下面简要介绍考虑先期固结压力的运算公式：正常固结、欠固结条件下（-7）式中：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运算；第i层土分层中点的自重应力；先期固结压力，正常固结时pci=poi，欠固结时pcit2。 由于对软土的次固结性状仍了解不够，不管关于它的机理、变化规律、阻碍因素、运算方法和试验测定等都有待进一步深入探讨。 软土地基沉降量S还能够利用观看到的建筑物的若干随时刻(t1、t2等)变化的沉降值Stl、St2、St一t关系等，推算该建筑物的后期沉降St及最终沉降。常用的推算方法是将实测的沉降一时刻(St一t)曲线拟合为指数曲线、双曲线等而用数学
20、方法推算St或。具体详见土力学教材。综上所述，软土地基的沉降应为上述三种沉降之和，即，然而由于瞬时沉降和次固结沉降的运算方法和理论还处于初步时期，故工程上也常用将一维固结沉降运算的结果乘以一个沉降运算体会的修正系数ms运算 （6-12）在公桥基规规定：当软土压缩模量Es1.04.0MPa时，ms1.81.1，以提升其运算精度。由于软土地基沉降的复杂性，ms的取值尚待补充完善。 (三)软土地基的稳固性分析分析软土地基上建筑物承担水平推力后，由于地基土抗剪强度低，发生基础连同部分地基土在土中剪切滑移失稳的可能性。在软土地基上桥台、挡土墙等承担侧向推力的建筑物在保证其地基承载力、沉降验算。同时，应进
21、行稳固性的分析。关于桩基础，假定的滑动弧面可认为发生在桩底以上如图6-3所示(只有软土层专门厚而桩长又专门短时才发生在桩底以下，但此仅是特例)，由于在设计中考虑承台底以上全部外力均由基桩承担，因此分析时能够不计这部格外力作用于滑动弧面上的分力，只考虑承台底面到滑动弧面以上土柱重，即在图6-3中对P、M不应计入其阻碍，而阴形部分土的重力应计入其阻碍。不属于基桩承担的滑裂体范畴内的荷载仍应 图6-3 桩基稳固性分析示意图四、软土地基基础工程应注意的事项软土地基的强度、变形和稳固是工程中必须全面、充分注意的咨询题。从目前国内的勘察、设计、施工的现状动身，在软土地基上修建高速公路从基础工程的角度动身，
22、应注意下列一些事项：(一)要取得代表性专门好的地质资料软土地基上高速公路的设计与施工质量专门大程度上取决于地质资料的真实性和代表性，应认真收集沿线的地势、地貌、工程地质、水文地质、气象等资料，合理地利用钻探、触探、十字板剪切等现场综合勘探测试方法，做好软土地基各层土样的物理、力学、水理性质的室内试验，并对上述各项资料进行统计与分析，选择有代表性的技术指标作为设计和施工的依据。(二)软土地基路堤处治设计应注意的事项有：1软土路堤的稳固性分析2软土路堤的变形分析3软土地基处理方案的合理选择4观测和试验(三)软土地区的桥涵基础设计应注意的事项1全面把握有关资料合理布设桥涵在软土地区，桥梁位置(专门是
23、大型桥梁)既要与路线走向和谐，又要注意构造物对工程地质的要求，如果地基土层是深、厚软粘土，专门污泥、泥炭和高灵敏度的软土，不仅设汁技术条件复杂，而且将给施工、养护、运营带来许多困难，工程造价也将增大，应力求幸免，另选择软土较薄、平均、灵敏度较小的地段可能更为有利。关于小桥涵，可优先考虑地表“硬壳”层较厚，下卧为平均软土处，以争取采纳明挖刚性扩大基础，降低造价。在确定桥梁总长、桥台位置时，除应考虑泄洪、通航要求外，宜进一步结合桥台和引道的结构和稳固考虑。如能利用地势、地质条件，适当的布置或延长引桥，使桥台置于地基土质较好或软土较薄处，以引桥代替高路堤，减少桥台和填土高度，有利于桥台、路堤的结构和
24、稳固。在造价、占地、养护费用、运营条件等统盘考虑后，在技术上、经济上差不多上合理的。软土地基上桥梁宜采纳轻型结构，减轻上部结构及墩台自重。由于地基易产生较大的不平均沉降，一样以采纳静定结构或整体性较好的结构为宜，如桥梁上部可采纳钢筋混凝土空心板或箱形梁；桥台采纳柱式、支撑梁轻型桥台或框架式等组合式桥台；桥墩宜用桩柱式、排架式、空心墩等。涵洞宜用钢筋混凝土管涵、整体基础钢筋混凝土盖板涵、箱涵以保证涵身刚度和整体性。2软土地基桥梁基础设计应注意事项我国在软土地区的桥梁基础，常用的是刚性扩大基础(天然地基或人工地基)和桩基础，也有用沉井基础的，现结合软土地基的特点，介绍设计时应注意的几个咨询题。（1
25、）刚性扩大浅基础在较稳固、平均、有一定强度的软土上修建对沉降要求不严高的矮、小桥梁，常优先采纳天然地基(或配合砂砾垫层)上的刚性扩大浅基础。如软土表层有较厚的“硬壳”也可考虑利用。刚性扩大基础常因软土的局部塑性变形而使墩、台发生不平均沉降，或由于台后填土的阻碍使桥台前后端沉降不均而发生后仰也是常见的工程事故，有时还同时使桥台向前滑移。因此在设计时应注意对基础受力不同的边缘(如桥台基础的前趾和后踵)沉降的验算及抗滑动、倾覆的验算。防治措施：可采纳人工地基如有针对性的布设砂砾垫层，对地基进行加载预压以减少地基的沉降量和调整沉降差，或采纳深层搅拌法，以水泥土搅拌桩或粉体喷射搅拌桩加固软土地基，按复合
26、地基理论验算地基各操纵点的承载力和沉降(加固范畴应包括桥头路堤地基的一部分)；采取结构措施如改用轻型桥台，埋置式桥台，必要时改用桩基础等；也有建议对小桥(如单孔跨径不超过8m，孔数不多于3孔)可将相邻墩台刚性扩大基础联合成整体，形成联合基础板，在满足地基承载力和沉降同时，能够解决桥台前倾后仰和滑移咨询题。但现在为幸免基础板过厚，常需配置受力钢筋改为柔性基础，应先进行技术、经济方案比较，全面分析后选用(设计方法可参考第二章柔性基础简化的倒梁法及钢筋混凝土结构设计有关规定)。为了防止小桥基础向桥孔滑移，也可仅在基础间设置钢筋混凝土(或混凝土)支撑梁。软土地基上相邻墩、台间距小于5m时，应按公桥基规
27、要求考虑邻近墩、台对软土地基所引起的附加竖向压应力。（2）桩基础在较深厚的软土地基，大中型桥梁常采纳桩基础，它能获得较好的技术成效，如达到经济上合理，应是首选的方案。施工方法能够是打入(压入)桩、钻孔灌注桩等。要求基桩穿过软土深入硬土(基岩)层以保证足够的承载力和专门小的沉降量。软土专门厚需采纳长的摩擦桩时，应注意桩底软土承载力和沉降的验算，必要时可对桩周软土进行压浆处理或做成扩底桩。打入桩的桩距应较一样土质的适当加大，并注意安排好桩的施打顺序，幸免已打入的邻桩被挤移或上抬，阻碍质量。钻孔灌注桩一样应先试桩取得施工体会，幸免成孔时发生缩孔、坍孔。软土地基桩基础设计中，应充分注意由于软土侧向移动而使基桩挠曲和受到的附加水平压力：由于软土下沉而对基桩发生的负摩阻力，现分述如下：地基软土侧限移动对基桩的阻碍。在软土上桩基础的桥台、挡墙等，由于台后填土重力的挤压，地基软土侧向移动，桩土间产生附加水平压力，引起桩身挠曲，使桥台后仰和向河槽倾移，甚至基桩折损等事故。在深厚软土上修桥，专门是较高填土的桥台日益增多，这类事故时有发生，已引起国内外基础工程界广泛重视。我国公桥基规要求桥台“基桩上部位于摩擦角小于20的软土中时，应验算施于基桩的水平力所产生的挠曲”(国外也有提出当台后填土重超过软土屈服强度py3Cu时)。在此情形下，桩身所受到的附加水平力，发生的挠曲与填土高度紧密有关，也与基桩
