浅谈软土地基处理施工技术与应用.doc

4.软土地基处理一、 处理方法与特点二、 复合地基计算原理三、 换填法设计四、 强夯法设计五、 预压法设计六、 水泥土搅拌法设计七、 托换技术4.1地基处理方法4.1.1地基处理的目的软土地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要包括：1)提高地基的抗剪切强度 2)降低地基的压缩性 3)改善地基的透水特性 一种增加地基土的透水性加快固结，另一种是降低透水性或减少其水压力（基坑抗渗透）。4.1.2 地基处理方法分类及应用范围软土地基处理的基本方法主要有置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋、和热学等方法。常用地基处理方法的原理、作用及适用范围如下。1. 换土垫层法(1)垫层法 其基本原理是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。干渣分为分级干渣、混合干渣和原状干渣；粉煤灰分为湿排灰和调湿灰。换土垫层法可提高持力层的承载力，减少沉降量；常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑。一般处理深度为23m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。(2)强夯挤淤法 采用边强夯、边填碎石、边挤淤的方法，在地基中形成碎石墩体。可提高地基承载力和减小变形。适用于厚度较小的淤泥和淤泥质土地基，应通过现场试验才能确定其适应性。2.振密、挤密法振密、挤密法的原理是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。软土地基中常用强夯法强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性。3.排水固结法 其基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水可以利用天然土层本身的透水性，尤其是上海地区多夹砂薄层的特点，也可设置砂井、袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体。加压主要是地面堆载法、真空预压法和井点降水法。为加固软弱的粘土，在一定条件下，采用电渗排水井点也是合理而有效的。(1)堆载预压法 在建造建筑物以前，通过临时堆填土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。临时的预压堆载一般等于建筑物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于建筑物荷载，称为超载预压。为了加速堆载预压地基固结速度，常可与砂井法或塑料排水带法等同时应用。如粘土层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法。适用于软粘土地基。(2)砂井法(包括袋装砂井、塑料排水带等) 在软粘土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度增长。砂井法通常辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。适用于透水性低的软弱粘性土，但对于泥炭土等有机质沉积物不适用。(3)真空预压法 在粘土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层及砂井抽气，使地下水位降低，同时在大气压力作用下加速地基固结。适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。(4)真空-堆载联合预压法 当真空预压达不到要求的预压荷载时，可与堆载预压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压荷载可叠加计算。适用于软粘土地基。(5)降低地下水位法 通过降低地下水位使土体中的孔隙水压力减小，从而增大有效应力，促进地基固结。适用于地下水位接近地面而开挖深度不大的工程，特别适用于饱和粉、细砂地基。(6)电渗排水法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。适用于饱和软粘土地基。4.置换法 其原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。(1)振冲置换法(或称碎石桩法) 碎石桩法是利用一种单向或双向振动的冲头，边喷高压水流边下沉成孔，然后边填入碎石边振实，形成碎石桩。桩体和原来的粘性土构成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。适用于地基土的不排水抗剪强度大于20kPa的淤泥、淤泥质土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基。对不排水抗剪强度小于20kPa的软土地基，采用碎石桩时须慎重。(2)石灰桩法 在软弱地基中用机械成孔，填入作为固化剂的生石灰并压实形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及土与石灰的物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，同时桩与土形成复合地基，达到地基加固的目的。适用于软弱粘性土地基。(3)强夯置换法 对厚度小于6m的软弱土层，边夯边填碎石，形成深度36m、直径为2m左右的碎石拄体，与周围土体形成复合地基。适用于软粘土。(4)水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩) 是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的具有一定粘结强度的桩。桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基。适用于填土、饱和及非饱和粘性土、砂土、粉土等地基。 (6)EPS超轻质料填土法 发泡聚苯乙烯(EPS)的重度只有土的1/501/100，并具有较好的强度和压缩性能， 用于填土料可有效减少作用在地基上的荷载，需要时也可置换部分地基土，以达到更好的效果。适用于软弱地基上的填方工程。5.加筋法 通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等提高地基承载力、减小沉降、或维持建筑物稳定。(1)土工合成材料 土工合成材料是岩土工程领域中的一种新型建筑材料，是用于土工技术和土木工程，而以聚合物为原料的具渗透性的材料名词的总称。它是将由煤、石油、天然气等原材料制成的高分子聚合物通过纺丝和后处理制成纤维，再加工制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。常见的这类纤维有：聚酰胺纤维(PA，如尼龙、锦纶)、聚酯纤维(如涤纶)、聚丙烯纤维(PP，如腈纶)、聚乙烯纤维(PE，如维纶)以及聚氯乙烯纤维(PVC，如氯纶)等。利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。土工合成材料的功能是多方面的，主要包括排水作用、反滤作用、隔离作用和加筋作用。适用于砂土、粘性土和软土，或用作反滤、排水和隔离材料。(2)加筋土 把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体，用以提高土体的稳定性。适用于人工填土的路堤和挡墙结构。(3)土层锚杆 土层锚杆是依赖于土层与锚固体之间的粘结强度来提供承载力的，它使用在一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程结构，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、高耸结构抗倾覆等。适用于一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程。(4)土钉 土钉技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土共同作用，用以弥补土体自身强度的不足。不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉和抗剪强度低的弱点，显著提高了整体稳定性。适用于开挖支护和天然边坡的加固。(5)树根桩法 在地基中沿不同方向，设置直径为75250mm的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用以挡土，稳定边坡。适用于软弱粘性土和杂填土地基。6.胶结法 在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。(1)注浆法 其原理是用压力泵把水泥或其它化学浆液注入土体，以达到提高地基承载力、减小沉降、防渗、堵漏等目的。适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可加固暗浜和使用在托换工程中。(2)高压喷射注浆法 将带有特殊喷嘴的注浆管，通过钻孔置入要处理土层的预定深度，然后将水泥浆液以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体；若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。可以提高地基承载力、减少沉降、防止砂土液化、管涌和基坑隆起。适用于淤泥、淤泥质土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。(3)水泥土搅拌法 利用水泥、石灰或其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(水泥或石灰的浆液或粉体)强制搅拌，形成坚硬的拌和拄体，与原地层共同形成复合地基。适用于淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土地基。7.冷热处理法冻结法 通过人工冷却，使地基温度低到孔隙水的冰点以下，使之冷却，从而具有理想的截水性能和较高的承载力。适用于软粘土或饱和的砂土地层中的临时措施。8.其它(1)锚杆静压桩 是结合锚杆和静压桩技术而发展起来的，它是利用建筑物的自重作为反力架的支承，用千斤顶把小直径的预制桩逐段压入地基，在将桩顶和基础紧固成一体后卸荷，以达到减少建筑物沉降的目的。主要使用于加固处理淤泥质土、粘性土、人工填土和松散粉土。(2)沉降控制复合桩基 是指桩与承台共同承担外荷载，按沉降要求确定用桩数量的低承台摩擦桩基。目前上海地区沉降控制复合桩基中的桩，宜采用桩身截面边长250mm、长细比在80左右的预制混凝土小桩，同时工程中实际应用的平均桩距一般在56倍桩径以上。主要适用于较深厚软弱地基上，以沉降控制为主的八层以下多层建筑物。4.2 复合地基计算理论一、基本概念1复合地基定义复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。复合地基与桩基都是采用以桩的形式处理地基，故两者有其相似之处，但复合地基属于地基范畴，而桩基属于基础范畴，所以两者又有其本质区别。复合地基中桩体与基础往往不是直接相连的，它们之间通过垫层（碎石或砂石垫层）来过渡；而桩基中桩体与基础直接相连，两者形成一个整体。因此，它们的受力特性也存在着明显差异。即复合地基的主要受力层在加固体内而桩基的主要受力层是在桩尖以下一定范围内。由于复合地基的理论的最基本假定为桩与桩周土的协调变形。为此，从理论而言，复合地基中也不存在类似桩基中的群桩效应。2复合地基分类根据地基中增强体的方向可分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基。水平向增强体复合地基主要包括由各种加筋材料，如土工聚合物、金属材料格栅等形成的复合地基。竖向增强体复合地基通常称为桩体复合地基。在桩体复合地基中，桩的作用是主要的，而地基处理中桩的类型较多，性能变化较大。为此，复合地基的类型按桩的类型进行划分较妥。然而，桩又可根据成桩所采用的材料以及成桩后桩体的强度（或刚度）来进行分类。桩体如按成桩所采用的材料可分为：2) 散体土类桩如碎石桩、砂桩等；3) 水泥土类桩如水泥土搅拌桩、旋喷桩等；4) 混凝土类桩树根桩、CFG桩等。桩体如按成桩后的桩体的强度（或刚度）可分为：1) 柔性桩散体土类桩属于此类桩；2) 半刚性桩水泥土类桩；3) 刚性桩混凝土类桩。半刚性桩中水泥掺入量的大小将直接影响桩体的强度。当掺入量较小时，桩体的特性类似柔性桩；而当掺入量较大时，又类似于刚性桩，为此，它具有双重特性。由柔性桩和桩间土所组成的复合地基可称为柔性桩复合地基，其它依次为半刚性桩复合地基、刚性桩复合地基。二、复合地基承载力计算1、竖向增强体复合地基承载力计算 复合地基的极限承载力可用下式表示： (4.1.5-1)式中 一桩体极限承载力,kPa； 一天然地基极限承载力,kPa； 一反映复合地基中桩体实际极限承载力的修正系数,与地基土质情况、 成桩方法等因素有关，一般大于1.0； 一反映复合地基中桩间土实际极限承载力的修正系数，其值与地基土 质情况、成桩方法等因素有关，可能大于1.0，也可能小于1.0； 一复合地基破坏时，桩体发挥其极限强度的比例，也称为桩体极限强度发挥度； 一复合地基破坏时，桩间土发挥其极限强度的比例，也称为桩间土极限强度发挥度； 一复合地基置换率，其中Ap为桩体面积，为对应的加固面积。对刚性桩复合地基和柔性桩复合地基，桩体极限承载力可采用类似摩擦桩极限承载力计算式计算，其表达式为 （4.1.5-2）式中 一桩周摩阻力极限值； 一桩身周边长度； 一桩身截面面积； 一桩端土极限承载力； 一按土层划分的各段桩长。对柔性桩，桩长大于临界桩长时，计算桩 长应取临界桩长值。按式(4.1.5-2)计算桩体极限承载力外，尚需计算桩身材料强度允许的单桩极限承载力，即 （4.1.5-3）式中 一桩体极限抗压强度。由式(4.1.5-2)和式(4.1.5-3)计算所得的二者中取较小值为桩的极限承载力。2、水平向增强体复合地基承载力计算水平向增强体复合地基主要包括在地基中铺设各种加筋材料，如土工织物、土工格栅等形成的复合地基。复合地基工作性状与加筋体长度、强度，加筋层数，以及加筋体与土体间的粘聚力和摩擦系数等因素有关。水平向增强体复合地基破坏可具有多种形式，影响因素也很多（龚晓南，1992）。到目前为止，许多问题尚未完全搞清楚，水平向增强体复合地基的计算理论尚不成熟。这里只介绍Florkiewicz（1990）承载力公式，供借鉴。图4.1.5-1表示一水平向增强体复合地基上的条形基础。刚性条形基础宽度为，下卧厚度为的加筋复合土层，其视粘聚力为，内摩擦角为，复合土层下的天然土层粘聚力为，内摩擦角为。Florkiewicz认为基础的极限荷载是无加筋体（=0）的双层土体系的常规承载力和由加筋引起的承载力提高值之和，即 (4.1.5-5)复合地基中各点的视粘聚力值取决于所考虑的方向，其表达式（Schlosser和Long，1974）为 (4.1.5-6)式中 一考虑的方向与加筋体方向的倾斜角； 一加筋体材料的纵向抗拉强度。采用极限分析法分析，地基土体滑动模式取Prandtl滑移面模式，当加筋复合土层中加筋体沿滑移面AC滑动时，地基破坏。此时，刚性基础竖直向下速度为，加筋体沿AC面滑动引起的能量消散率增量为 (4.1.5-7)忽略了ABCD区和BGFD区中由于加筋体存在（0）能量消散率增量的增加。根据上限定理，可得到承载力提高值表示式如下： (4.1.5-8)式中值可根据Prandtl滑移面模式确定。三、复合地基沉降计算在各类复合地基沉降实用计算方法中，通常把沉降量分为二部分，即加固区土体压缩量和加固区下卧层土体压缩量，而复合地基总沉降表达式为 (4.1.6-1)的计算方法一般有以下三种:1、复合模量法将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Ecs来评价复合土体的压缩性。采用分层总和法计算，表达式为 (4.1.6-2)式中第i层复合土上附加应力增量； 第i层复合土层的厚度。值可通过面积加权法计算或弹性理论表达式计算，也可通过室内试验测定。 面积加权表达式为 (4.1.6-3) 式中复合地基面积置换率；桩体压缩模量；土体压缩模量。2、应力修正法在该法中，根据桩间土承担的荷载，按照桩间土的压缩模量，忽略增强体的存在，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量。 (4.1.6-4)式中 应力修正系数，； 桩土应力比；复合地基在荷载作用下第层桩间土的附加应力增量，相当于未加固地基在荷载作用下第层土上的附加应力增量；未加固地基在荷载作用下相应厚度内的压缩量。3、桩身压缩量法在荷载作用下，桩身压缩量为 (4.1.6-5)式中 应力集中系数，； 桩身长度，即等于加固区厚度； 桩身材料变形模量； 桩底端端承力密度。复合地基加固区下卧层土层压缩量通常采用分层总和法计算。在分层总和法计算中，作用在下卧层土体上的荷载或土体中附加压力是难以精确计算的。目前在工程应用上，常采用下述三种方法计算：1、应力扩散法图4.1-1 下卧层附加应力计算应力扩散法计算加固区下卧层上附加压力示意图如图4.1-1所示。复合地基上荷载密度为，作用宽度为，长度为，加固区厚度为，压力扩散角为，则作用在下卧层上的为 (4.1.6-6)对条形基础，仅考虑宽度方向扩散，则上式可改写为 (4.1.6-7)采用应力扩散法计算关键是压力扩散角的合理选用。2、等效实体法等效实体法计算加固区下卧层上附加应力示意图如图4.1.6-2(b)所示。复合地基上荷载密度为，作用面长度为，宽度为，加固区厚度为，为等效实体侧摩阻力密度，则作用在下卧层上的附加应力为 (4.1.6-8)对于条形基础，上式可改写为 (4.1.6-9)等效实体法计算关键是侧摩阻力的计算。3、改进Geddes法黄绍铭建议采用下述方法计算下卧层土层中应力。复合地基总荷载为，桩体承担，桩间土承担。桩间土承担的荷载在地基所产生的竖向应力，其计算方法和天然地基中应力计算方法相同。桩体承担的荷载在地基中所产生的竖向应力采用Geddes法计算。然后叠加两部分应力得到地基中总的竖向应力。图4.1.6-3 单桩荷载的组合S.D.Geddes(1996)年将长度为L的单桩在荷载Q作用下对地基土产生的作用力，可近似地视作如图4.1.6-3所示的桩端集中力，桩侧均匀分布的摩阻力和桩侧随深度线性增长的分布摩阻力等三种形式荷载的组合。S.D.Geddes根据弹性理论半无限体中作用一集中力的Mindlin应力解积分，导出了单桩的上述三种形式荷载在地基中产生的应力计算公式。地基中的竖向应力可按下式计算 (4.1.6-10)式中，为竖向应力系数。对于由n根桩组成的桩群，地基中竖向应力可对这n根桩逐根采用上式计算后叠加求得。由桩体荷载和桩间土荷载共同产生的地基中竖向应力表达式为 (4.1.6-11)