2019th不良地质地基处理.doc
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7、灾灾趋趋慷涵雹慷涵雹 不良地不良地质质路基路基处处理理 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
8、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。 地基地基处处理方法的分理方法的分类类 表表 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,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
9、。 地基地基处处理的主要方法、适用范理的主要方法、适用范围围和加固原理和加固原理 表表 6-2 分 类 方法加固原理适用范围 换土垫 层法 采用开挖后换好土回填的方法;对 于厚度较小的淤泥质土层,亦可采 用抛石挤淤法。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,提高 地基承载力和减少沉降量。 各种浅层的软 弱土地基 置 换 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,提高承 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 分 类
10、方法加固原理适用范围 强夯置 换法 采用强夯时,夯坑内回填块石、碎 石挤淤置换的方法,形成碎石墩柱 体,以提高地基承载力和减少沉降 量。 浅层软弱土层 较薄的地基 碎石桩 法 采用沉管法或其他技术,在软土中 设置砂或碎石桩柱体,置换后形成 复合地基,可提高地基承载力,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 一般软土地基 石灰桩 法 在软弱土中成孔后,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 提高地基承载力,减少沉降量 人工填土、软土 地基 EPS 轻 填法 发泡聚苯
11、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,且根据需要 用于地基的浅层置换 软弱土地基上 的填方工程 分 类 方法加固原理适用范围 加载预 压法 在预压荷载作用下,通过一定的预 压时间,天然地基被压缩、固结,地 基土的强度提高,压缩性降低。在 达到设计要求后,卸去预压荷载, 再建造上部结构,以保证地基稳定 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 时间,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,一般有利 用建筑物自身荷载、堆载或真空预 压等 软土、粉土、杂 填
12、土、冲填土等 排 水 固 结 超载预 压法 基本原理同加载预压法,但预压荷 载超过上部结构的荷载。一般在保 证地基稳定的前提下,超载预压方 法的效果更好,特别是对降低地基 次固结沉降十分有效 淤泥质粘性土 和粉土 分 类 方法加固原理适用范围 强夯法采用重量 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,可以提 高承载力,减少沉降量 松散碎石土、砂 土,低饱和度粉 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,
13、达 到提高地基承载力,降低沉降的目 的 粘粒含量少于 10%的疏松散砂 土地基 振 密 挤 密 挤密碎 (砂)石 桩法 施工方法与排水中的碎(砂)石桩相 同,但是,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, 达到提高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 分 类 方法加固原理适用范围 土、灰土 桩法 采用沉管等技术,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,提高地基承 载力,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 加筋土 法
14、 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,达到减小或抵抗 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 浅层软弱土地 基处理、挡土墙 结构 锚固法主要有土钉和土锚法,土钉加固作 用依赖于土钉与其周围土间的相互 作用;土锚则依赖于锚杆另一端的 锚固作用,两者主要功能是减少或 承受水平向作用力 边坡加固,土锚 技术应用中,必 须有可以锚固 的土层、岩层或 构筑物 加 筋 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,提高地基承载力,减少沉 降量 各类软弱
15、土地 基、尤其是较深 厚的软土地基 分 类 方法加固原理适用范围 深层搅 拌法 利用深层搅拌机械,将固化剂(一般 的无机固化剂为水泥、石灰、粉煤 灰等)在原位与软弱土搅拌成桩柱 体,可以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,可以提高地基承载力和减少 变形;作为支挡结构或防渗,可以用 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,一般有两大类方法,即喷 浆搅拌法和喷粉搅拌法 饱和软粘土地 基,对于有机质 较高的泥炭质 土或泥炭、含水 量很高的淤泥 和淤泥质土,适 用性宜通过试 验确定 化 学 固 化 灌浆或 注浆法 有渗入灌浆、劈裂灌浆、压密灌浆
16、 以及高压注浆等多种工法,浆液的 种类较多。 类软弱土地基, 岩石地基基加 固,建筑物纠偏 等加固处理 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
17、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(a1-20.5MPa-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 0.32.0m 的泥炭堆积。底 部含有贝壳和生物残
18、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。
19、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
20、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: 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,对不均匀沉降的敏感性;基础 的类型、尺寸、埋深、刚度等;施工方法和程序;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 pu(kPa)按普朗特尔雷斯 诺(Prandt
21、lReissner)极限荷载公式(参见土力学教材)由 0, 确定为hq 2 hCp uu2 14 . 5 (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, u C 也可取室内无侧限抗压强度 qu之半计算; 基底以上土的重度(kNm3),地下水位以下为浮重度; 2 基础埋置深度(m)。当受水流冲刷时,由一般冲刷线算起。h 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 (kPa)为 hCk m up2 14 . 5 (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
22、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 bll b k 4 . 0 12 . 01 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分别为荷载在 b 方 b ebb2 L ell2 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,天然含水量基本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G S G e r 含水量 w 约 36;e 为 1.5 时,相应 w 约 55,所以
23、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 许承载力关系如表 6-3 所示。 0 软软土的容土的容许许承承载载力力 0 表表 6-3 天然含水量 w(%) 36404550556575 (kPa) 0 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 下式计算: 3 20 h (6-3) 各符号意义同前,当 ht2。 由于对软土的次固结性状仍了解不够,无论对于它的机理、变化 规律、影响因素、计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 还可以利用观察到的建筑物的若干随时间 (t1、t2等)变化的沉降
24、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间(St一 t) S 曲线拟合为指数曲线、双曲线等而用数学方法推算 St或。具体详见 S 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 ,但是由于瞬时沉降和次固结沉降的计算方法和理论还 scd SSSS 处于初步阶段,故工程上也常用将一维固结沉降计算的结果乘以一个 沉降计算经验的修正系数 ms计算 (6-12) csS mS 在公桥基规规定:当软土压缩模量 Es1.04.0MPa 时, ms1.81.1,以提高其计算精度。由于软土地基沉降的复杂性,ms的 取值尚待
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