第5章复合地基-修改.

第5章地基处理§5.1概述地基处理概念:当天然地基不能满足设计建筑物对地基强度与稳定性和变形的要求时,常采取各种地基加固、补强等类技术措施,改善地基土的工程性状,以满足工程要求。现状：不良地基选择不可避免不良地基要处理荷载要求越来越高有时良好地基也要处理沉降变形要求更严格地基处理的对象主要是软弱地基和特殊土地基工程上需要处理的土类淤泥及淤泥质土：强度很低,压缩性甚大。粉质粘土、细粉砂土：主要是抗震动液化和隔震。砂石类土：主要是抗渗和防渗,防止流土和管涌。特殊土（膨胀土，黄土、红粘土等）：黄土湿陷性,膨胀土胀缩性,红粘土特殊的结构性。岩溶：易出现坍陷。地基处理主要目的与内容应包括:①提高地基土的抗剪强度,以满足设计对地基承载力和稳定性的要求；②改善地基的变形性质,防止建筑物产生过大的沉降和不均匀沉降以及侧向变形等；③改善地基的渗透性和渗透稳定,防止渗流过大和渗透破坏等；④提高地基土的抗振(震)性能,防止液化,隔振和减小振动波的振幅等；⑤消除黄土的湿陷性,膨胀土的胀缩性等。地基处理的工作方法一般要作如下考虑:（1）天然地基土层的分布及其工程性质；（2）拟建建筑物的特点,荷载大小和分布,基础的类型和使用的特殊要求等；（3）进一步运用土力学原理,分析建筑物对地基的要求,确定地基处理的目的和所需要解决的地基问题；（4）针对问题实质,选用一种或多种地基处理方法,分析其作用机理,预测作用效果,比较其可靠性、施工的可行性和合理性等；最终选择一个优化的地基处理方案。§5.2垫层法5.2.1垫层的作用垫层法:当建筑物基础下持力土层比较软弱,不能满足设计荷载或变形的要求时,常在地基表面铺设一定厚度的垫层,或者把表面部分软弱土层挖去,置换强度较大的砂石素土等,处理地基表层。垫层的材料一般用强度较高,透水性强的砂、碎石、石渣、矿渣,灰土和素土等。为了增强垫层水平抗拉断裂性能和整体结构性能,通常在垫层内增设水平抗拉材料,如:竹片、柳条、筋笆、金属板条和近年来广泛应用的土工格栅(Grognd)、土1网垫(Geomat)、土工格室(Geocell)及高强度土工编织布、经编复合布等组成加筋土垫层。深厚软土深厚软土软土地基沉降太大、强度不足垫层法地基处理过程示意振动压路机按其组成材料分为：砂垫层、碎石垫层、灰土垫层和加筋土垫层等。按垫层在地基中的主要作用又分为：换土垫层、排水垫层和加筋土垫层等。注意：垫层仅对软土地基作表层处理,不论地基强度的提高、变形性质的改善和应力场应变场的改变等都是在浅层,所以所能承受的建筑物荷载不宜太大。5.2.2换土垫层的设计设计的基本原则为:既要满足建筑物对地基变形和承载力与稳定性的要求,又要符合技术经济的合理性。设计的内容主要是确定垫层的合理厚度和宽度,并验算地基的承载力与稳定性和沉降,既要求垫层具有足够的宽度和厚度以置换可能被剪切破坏的部分软弱土层,并避免垫层两侧挤出,又要求设计荷载通过垫层扩散至下卧软土层的附加应力,满足软土层承载力与稳定性和沉降的要求。(1)砂垫层厚度的确定b回填土b’=b+2ztandzCZ条形基础矩形基础应该指出：应用此法确定的垫层厚度，往往比实际需要的偏厚，较保守。原因：仅考虑应力扩散的作用,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,所以实际的承载力要比考虑深度修正后的天然地基承载力大。（2）垫层宽度的确定要求：满足基础底面应力扩散的要求，防止垫层向两侧挤压。常用经验的扩散角法按下式确定：垫层底宽垫层顶宽－－开挖坡度确定（便于压实机械施工、防侧向挤压(淤泥)）垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。2tanbbz换土垫层的材料可用砂、砾石、碎石、石屑、粉质土、粉土和灰土等,必要时可加铺土工合成材料或采用加筋土垫层换填。换土垫层必须注意施工质量,应按换填材料的特点,采用相应碾压夯实机械,按施工质量标准碾压夯实。这是不可轻视的问题。此外,在施工垫层时,应采取必要的措施,按规定的顺序施工,挖除软土,回填垫层,切实防止施工对原地基的扰动与破坏,以免影响垫层的效果。排水垫层和加筋垫层两者,因其作用机理与换土垫层不同,其设计方法和施工技术也相应有所区别。排水垫层的作用主要是排水固结,常和砂井联合使用,所以其设计方法将在5.3节排水固结法中一并阐述;同样加筋垫层的应用与设计也将在第6章土工合成材料在工程中应用中阐述。§5.3排水固结法5.3.1原理与应用排水固结法加固地基的原理超固结状态对固结土再施加荷载压力固结,虽然其孔隙比也随有效固结压力增大而降低,抗剪强度也随之增大,但其压缩量或孔隙比的降低却明显减小。排水固结法两大应用(1)应用于提高建筑物软土地基的承载力与稳定性。(2)应用于消除或减少建筑基础(底)的沉降。取得良好排水固结效果的两个基本条件：①必要的预压荷载方法堆载预压自重预压真空预压降水预压②必要的排水条件和足够的排水固结时间措施普通砂井袋装砂井塑料排水带水平排水垫层排水固结法主要适用于：淤泥、淤泥质土及其它饱和软土。预压的具体方法：1.堆载预压法。2.真空预压法加固机理1.内外大气压差产生的荷载-预压载荷2.地下水位降低-增加附加应力3.封闭气泡排出-渗透系数增大PaPaPaPvPa-Pv处理前水位H1处理后水位H2H1-H2也可与堆载预压联合使用3.降水预压法。超孔隙水压力由渗流或荷载引起的超过静水位的孔隙水压力称为超孔隙水压力。对于稳定渗流，由于水头是常数，因而超孔隙水压力将不随时间变化。对于荷载引起的超孔隙水压力，将随时间而变化，其变化规律仍然服从有效应力原理。设置竖向排水体的原理土层的厚度变小,渗径缩短,就可显著缩短固结的时间。砂井的作用就是在地基中增加排水通道,缩短渗径,加速地基的固结、强度的增长和沉降的发展。竖向排水情况砂井地基排水情况淤泥质粘土现场十字板强度的平均值达到了69kPa,相当于天然地基土强度的4倍（原17.8kPa）。相应的固结度约为80%。排水固结预压法主要适用于处理淤泥、淤泥质土及其他饱和软土。对于粉土、砂类土,因透水性良好无需用此法处理。对于含水平夹砂层的粘性土层,具有良好的横向排水性能,所以,不用竖向排水体(砂井),也能获得良好的固结效果。对于泥炭土及透水性很小的流塑状饱和超软弱土,在很小的荷载下就产生较大的剪切蠕变或次固结,而砂井排水仅对主固结有效,所以,对这类土采用排水固结预压法的效果较差。5.3.2砂井地基固结理论砂井的平面布置有梅花形(或正三角形)和正方形两种砂井的影响范围以等面积圆代替梅花形布置时正方形布置时早在30年代Rendulic(1935),Caniio(1941),Barron(1940,1942)就开始对这个砂井体系固结理论进行研究。巴隆(Bafion)1948年总结了以往研究的成果,提出了等应变和自由应变两种极端条件,不考虑井阻和涂抹作用影响的理想井固结理论和等应变条件考虑井阻和涂抹作用的非理想井固结理论,至今仍视为经典的砂井固结理论。吉国洋(Yoshikumi1974年)和汉斯堡(Hansbo,1981年)又提出了考虑井阻作用比较严密的新的非理想井固结理论。谢康和认为:Barron非理想井固结理论与吉国洋精确解和工程实际相比偏于保守,Hansbo的是近似解,吉国洋的精确解,不便计算,所以又提出了新的非理想井固结理论解。理论分析取以单井，其排水固结条件简化如图所示分析时所作的假设：①应变条件成立，即砂井地基中无侧向变形同一水平面上的任一点的垂直变形相等；②砂井的渗流路径，既有竖向分量，也有径向分量，两者分别考虑；③砂井内的孔隙水压力可以忽略不计，任一深度处流入砂井的水量等于砂井向上流出的增量，孔隙水压力与径向和竖向孔隙水压力的关系为：④除渗透系数外，井料和涂抹区内的其它性质均与天然地基一样；⑤荷载一次瞬时加载。000uuuuuuzrrz1.径向固结基本方程及其解答rurruEkturrwssr122swrrrrurruEkturrwshr122esrrrrkukzuwwrsw222任一深度的径向固结度：tmrreHMzMUsin210平均固结度：0221mtrreMU2.等应变条件下竖向和径向固结的组合解单井的固结微分方程式为：rurruCzuCturzrzhrzvrz12220uuuruzrz任一深度径向组合的固结度为：tmrzreHMzMUsin210砂井打入范围内地基的总平均固结度为：trzreU291简化0221mtrzreMU理论解的平均固结度的简化式为：)(8)(121nrznrzrzTTtrznntnrzeeeTTpqU3.一级或多级等速加载情况平均固结度的计算4.砂井未打穿固结土层的固结度计算这种情况的排水边界条件与砂井完全打穿的情况或一维固结情况是不一样的,因为未打穿砂井的底部与下卧软土层两者之间的界面,既非完全透水层,也非不透水层,而是相互渗流的边界。因此,既不能直接采用上述完全贯穿的砂井固结理论公式计算砂井区的固结度,也不能用一维固结理论公式计算下卧层的固结度。211112132,ehevvdChdCChFGJFFn地基等效为一维压缩土层,和砂井以下的地基连在一起作为双层地基来考虑。考虑与不考虑井阻和涂抹作用所求得的固结度明显不同,两者相差28.1%。所以在袋装砂井和塑料排水带的设计中,用不考虑井阻和涂抹作用的理想井理论计算会存在较大的误差。5.3.3排水固结设计1.竖向排水体的类型的选用类型•普通砂井•袋装砂井•塑料排水带排水体性能质量要求：①井料和排水带芯片应具有足够的通水能力或渗透性，外包滤膜满足反滤性能，降低井阻影响，防止滤膜淤堵；②排水带和袋装砂井应具有一定的抗拉强度。采用排水带时，条带截面换算成相当于砂井的直径为：)(2bdw塑料排水板地基处理2.竖向排水体布置间距和打入深度的确定合理的间距由经验公式得：6.50.81(/)(1hwrzCtlInldInU打入深度的确定：①当软土层厚度不大（10m），打入深度应贯穿该土层；②当厚度较大（10m），则按设计建筑物稳定性和变形的要求确定。③对于以稳定性控制的预压工程,打入深度应到达圆弧滑动分析确定的最危险圆弧最大深度下2m④对于以变形控制设计的工程,则打入深度应到达地基沉降计算时有效压缩层的深度。3.地基强度增长的计算预压排水固结引起的地基强度增长为：)(0cftcuzccccUtantan地基强度的增长值为：)tan(cutzuftUc一方面由于地基排水固结,土中有效应力增大,引起地基土的强度增大；另一方面,地基由于剪切变形或蠕变,又会引起地基强度的衰减。应满足：apptpfsssattiiiifzeees01011)1()(pptppfpptUss预压持续时间：])(1[81221pptUInTt4.堆载预压设计（1）为消除基础沉降的预压设计设计内容应包括:①确定预压荷载的大小;②预压要求达到的固结度或预压固结持续的时间。注意：1.预压只能消除主固结沉降,不能消除次固结沉降。2.还应注意预压过程中,地基土的塑性蠕变,必须控制每级预压荷载的大小,宜小于强度增长后极限承载力的0.7倍。（2）提高地基承载力与稳定性的预压设计①确定施加分级预压荷载的大小；②确定每一级荷载预压需要达到的固结度或预压持续时间1）估算施加第一级荷载的大小：对于堤坝地基或条形基础：uckp14.511对于建筑物矩形或圆形基础：dbdlbcNkpuc2.012.01112）估算加荷速度和预