软土地基处理施工技术(振冲法-旋喷桩-换填垫层).doc

软弱土地基处理9.1 概述软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。由软弱土组成的地基称为软弱土地基。淤泥和淤泥质土一般是第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲、冰碛等地质沉积环境下沉积形成的，还有部分冲填土和杂填土。这类土的物理特性大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。当天然孔隙比大于1.5时，称为淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5时，则称为淤泥质土。这类土工程特性甚为软弱，抗剪强度很低，压缩性较高，渗透性很小，并具有结构性，广泛分布于我国东南沿海地区和内陆江河湖泊的周围，是软弱土的主要土类，通称软土，一般具有下列工程特性：(1)含水量较高，孔隙比较大。因为软土的成份主要是由粘土粒组和粉土粒组组成，并含少量的有机质。粘粒的矿物成份为蒙脱石、高岭石和伊利石。这些矿物晶粒很细，呈薄片状，表面带负电荷，它与周围介质的水和阳离子相互作用，形成偶极水分子，并吸附于表面形成水膜。在不同的地质环境下沉积形成各种絮状结构。因此，这类土的含水量和孔隙比都比较高。根据统计，一般含水量为3580%，孔隙比为12。软土的高含水量和大孔隙比不但反映土中的矿物成份与介质相互作用的性质，同时也反映软土的抗剪强度和压缩性的大小。含水量愈大，土的抗剪强度愈小，压缩性愈大。反之，强度愈大，压缩性愈小。建筑地基基础设计规范利用这一特性按含水量确定软土地基的承载力基本值。许多学者把软土的天然含水量与土的压缩指数建立相关关系，推算土的压缩指数。由此可见：从软土的天然含水量可以略知其强度和压缩性的大小，欲要改善地基软土的强度和变形特性，那么首先应考虑采用何种地基处理的方法，降低软土的含水量。(2)抗剪强度很低。根据土工试验的结果，我国软土的天然不排水抗剪强度一般小于20kPa，其变化范围约在525kPa。有效内摩擦角约为=2035。固结不排水剪内摩擦角=1217。正常固结的软土层的不排水剪切强度往往是随离地表深度的增加而增大，每米的增长率约为12kPa。在荷载的作用下，如果地基能够排水固结，软土的强度将产生显著的变化，土层的固结速率愈快，软土的强度增加愈大。加速软土层的固结速率是改善软土强度特性的一项有效途径。(3)压缩性较高。一般正常固结的软土层的压缩系数约为：，最大可达到；压缩指数约为=0.350.75，它与天然含水量的关系为=0.01470.213。天然状态的软土层大多数属于正常固结状态，但也有部分是属于超固结状态，近代海岸滩涂沉积为欠固结状态。欠固结状态土在荷重作用下产生较大沉降。超固结状态土，当应力未超过先期固结压力时，地基的沉降很小。因此研究软土的变形特性时应注意考虑软土的天然固结状态。先期固结压力和超固结比OCR是表示土层固结状态的一个重要参数。它不但影响土的变形特性，同时也影响土的强度变化。(4)渗透性很小。软土的渗透系数一般约为。所以在荷载作用下固结速率很慢。若软土层的厚度超过l0cm，要使土层达到较大的固结度(如=90%)往往需要510年之久。所以在软土层上的建筑物基础的沉降往往拖延很长时间才能稳定，同样在荷载作用下地基土的强度增长也是很缓慢的。这对于改善地基土的工程特性是十分不利的。软土层的渗透性有明显的各向异性，水平向的渗透系数往往要比垂直向的渗透系数大，特别含有水平夹砂层的软土层更为显著，这是改善软土层工程特性的一个有利因素。 (5)具有明显的结构性。软土一般为絮状结构，尤以海相粘土更为明显。这种土一旦受到扰动(振动、搅拌、挤压等)，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。土的结构性常用灵敏度St表示。我国沿海软土的灵敏度一般为410，属于高灵敏土。因此，在软土层中进行地基处理和基坑开挖，若不注意避免扰动土的结构，就会加剧土体的变形，降低地基土的强度，影响地基处理的效果。 (6)具有明显的流变性。在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。 根据上述软土的特点，以软土作为建筑物的地基是十分不利的。由于软土的强度很低，天然地基上浅基础的承载力基本值一般为5080kPa，这就不能承受较大的建筑物荷载，否则就可能出现地基的局部破坏乃至整体滑动，在开挖较深的基坑时，就可能出现基坑的隆起和坑壁的失稳现象。由于软土的压缩性较高，建筑物基础的沉降和不均匀沉降是比较大的，对于一般四层至七层的砌体承重结构房屋，最终沉降约为0.20.5m，对于荷载较大的构筑物(贮罐、粮仓、水池)基础的沉降一般达0.5m以上，有些达到2m以上。如果建筑物各部位荷载差异较大，体形又比较复杂，那就要产生较大的不均匀沉降。沉降和不均匀沉降过大将引起建筑物基础标高的降低，影响建筑物的使用条件，或者造成倾斜、开裂破坏。由于渗透性很小，固结速率很慢，沉降延续的时间很长，使建筑物内部设备的安装和与外部的连接带来许多困难，同时，软土的强度增长比较缓慢，长期处于软弱状态，影响地基加固的效果。由于软土具有比较高的灵敏度，若在地基施工中采取振动、挤压和搅拌等作用，就可能引起软土结构的破坏，降低软土的强度。因此，在软土地基上建造建筑物，则要求对软土地基进行处理。地基处理的目的主要是改善地基土的工程性质，达到满足建筑物对地基稳定和变形的要求，包括改善地基土的变形特性和渗透性，提高其抗剪强度和抗液化能力，消除其他不利的影响。 近年来许多重要的工程和复杂的工业厂房在软弱土地基上兴建，工程实践的要求推动 了软弱土地基处理技术的迅速发展，地基处理的途径愈来愈多，考虑问题的思路日益新颖，老的方法不断改进完善，新的方法不断涌现。根据地基处理方法的原理，基本上分为如表9-1所示的几类。表中各种地基处理方法都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 效果和局限性。没有哪一种方法是万能的。具体的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不相同的，而且材料的来源、施工机具和施工条件也因工程地点的不同又有较大的差别。因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过几种可能采用的地基处理方案的比较，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，也可以是多种地基处理方法的综合处理。软弱土地基处理方法分类表达式 表9-1表9-1虽已列出多种地基处理方法，但仍有些方法来纳入表内，而且目前又有新的发展，不能一一阐述。本章简要介绍几种常用地基处理方法的作用原理、设计方法和施工质量要求。 9.2 碾压法及夯实法建筑物地基表层的松散填土、杂填土或其他松软土层，常常要求压实后才能作为地基的持力层。夯硪或蛙夯的夯击功能很小，影响深度很浅，只能应用于整平基槽或局部压实。一般建筑物地基要求增大压实的影响深度，常用压实功能较大的重锤夯实、机械碾压和振动压实等方法处理。近年来夯实技术的发展突破了原来压实的原理，出现了强夯法。这已不属于一般的压实范围了，而是一种通过夯击产生振动波处理地基的方法。因为它还是用锤夯击，所以在这里一并介绍。9.2.1 重锤夯实法 图9-1 重锤重锤夯实法是利用起重机将重锤提到一定高度，然后使其自由落下，重复夯打，把地基表层夯实。这种方法可用于处理非饱和粘性土或杂填土，提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于处理湿陷性黄土，消除其湿陷性。 重锤夯实法的主要机具是起重机和重锤。重锤为一截头的圆锥体(见图9-1)，锤重不小于15kN，锤底的直径约为0.71.5m。 重锤夯实的效果与锤重、锤底的直径、落距、夯击的遍数、夯实土的种类和含水量有密切关系。合理选定上述参数和控制土的含水量，才能达到较好的夯实效果，因此在施工时，一方面控制含水量，使土在最优含水量条件下夯实，另一方面，若夯实土的含水量发生变化，则可以调节夯实功的大小，使夯实功适应土的实际含水量。一般情况，增大夯实功或增加夯击的遍数可以提高夯实的效果。但是当土夯实到达某一密实度时，再增大夯实功和夯击遍数，土的密度却不再增大了，甚至有时会使土的密实度降低。夯实功和夯击的遍数一般通过现场试验确定，根据实践经验，夯实的影响深度约为重锤底直径的一倍左右；夯实后杂填土地基的承载力基本值一般可以达到100150kPa。对于地下水位离地表很近或软弱土层埋置很浅的情况，重锤夯实可能产生橡皮土的不良的效果，所以要求重锤夯实的影响深度高出地下水位0.8m以上，且不宜存在饱和软土层。9.2.2 机械碾压法机械碾压法是一种采用平碾、羊足碾、压路机、推土机或其他压实机械压实松软土的方法。这种方法常用于大面积填土的压实和杂填土地基的处理，碾压的效果主要决定于被压实土的含水量和压实机械的压实能量。在实际工程中若要求获得较好的压实效果，应根据碾压机械的压实能量，控制碾压土的含水量，选择适合的分层碾压厚度和遍数，一般可以通过现场碾压试验确定。关于粘性土的碾压，通常用80100kN的平碾或120kN的羊足碾，每层铺土厚度约为200300mm，碾压812遍，碾压后填土地基的质量常以压实系数和现场含水量控制，压实系数为控制的干密度与最大干密度的比值，在主要受力层范围内一般要求0.96。9.2.3 振动压实法振动压实法是一种在地基表面施加振动把浅层松散土振实的方法。振动压实机是这种方法的主要机具，自重为20kN，振动力为50100kN，频率为11601180转分，振幅为3.5mm。这种方法主要应用于处理砂土、炉碴、碎石等无粘性土为主的填土，振动压实的效果主要决定于被压实土的成分和振动的时间，振动的时间越长，效果越好。但超过一定时间后，振动的效果就趋于稳定。所以在施工之前先进行试振，确定振动所需的时间和产生的下沉量，例如炉灰和细粒填土，振实的时间约为35分钟，有效的振实深度约为1.21.5m。一般杂填土经过振实后，地基承载力基本值可以达到100120kPa。如地下水位太高，则将影响振实的效果。另外应注意振动对周围建筑物的影响，振源与建筑物的距离应大于3m。9.2.4 强夯法强夯法是法国L梅纳(Menard，1969)首创的一种地基加固的方法，即用几十吨重锤从高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。这种强大的夯击力在地基中产生应力和振动，从地面夯击点发出的纵波和横波可以传至土层深处，从而使浅层和深层得到不同程度的加固作用。实践证明,效果显著。如图9-2所示，经强夯后的地基承载力可提高25倍，压缩性可降低200500%，影响深度在10m以上。而且这种方法具有施工简单、速度快、节省材料等特点，因而受到工程界的广泛重视。 9.2.4.1 强夯法的作用机理关于强夯法加固地基的作用机理，目前尚未完全了解。然而通过大量工程实践和现场实测资料分析，对强夯作用机理的认识逐步明朗。强夯加固地基主要是由于强大的夯击能在地基中产生强烈的冲击波和动应力对土体作用的结果。由强夯产生的冲击波，按其在土中的传播和对土作用的特性可分为体波和面波两类(详见第十一章)。体波包括纵波和横波(或分别称为压缩波和剪切波)，从夯击点向地基深处传播，对地基土起压缩和剪切作用，可能引起地基土的压密固结。面波从夯击点沿地表面传播，对地基不起加固作用，而使地基表面松动。因此，强夯的结果，在地基中沿深度常形成性质不同的三个作用区。在地基表层受到面波和剪切波的干扰形成松动区；在松动区下面某一深度，受到压缩波的作用，使土层产生沉降和土体的压密，形成加固区；在加固区下面，冲击波逐渐衰减，不足以使土产生塑性变形，对地基不起加固作用，称为弹性区。图9-2 夯实前后的旁压仪试验结果在强夯的过程中，根据土体中的孔隙水压力、动应力和应变关系，加固区内波对土体的作用可分为三个阶段，如图9-3所示： (1)加载阶段(或段)，即夯击的一瞬间，夯锤的冲击使地基土体产生强烈的振动和动应力，在波动的影响带内，动应力和孔隙水压力急剧上升(和)，而动应力往往大于孔隙水压力()，动的有效应力使土体产生塑性变形，破坏土的结构。对于砂土，迫使土的颗粒重新排列而密实。对于粘性土，土骨架被迫压缩，同时由于土体中的水和土颗粒两种介质引起不同的振动效应，两者的动应力差大于土颗粒的吸附能时，土中部分结合水和毛细水从颗粒间析出，产生动力水聚结，形成排水通道，制造动力排水条件。 (2)卸载阶段(或段)，即夯击动能卸去的一瞬间，动的总应力瞬息即逝，然而土中孔隙水压力仍然保持较高的水平，此时孔隙水压力大于有效应力，因此土体中存在较大的负有效应力，引起砂土的液化。在粘性土地基中，当最大孔隙水压力大于小主应力、静止侧压力及土的抗拉强度之和时，土体开裂，渗透性迅速增大，孔隙水压力迅速下降。 (3)动力固结阶段(或段)，在卸载之后，土体中仍然保持一定的孔隙水压力，土体就在此压力作用下排水固结。在砂土中，孔隙水压力消散甚快，约35分钟，使砂土进一步密实：在粘性土中，孔隙水压力消散较慢，可能要延续24周。如果有条件排水固结，土颗粒进一步靠近，重新形成新的水膜和结构连接，土的强度逐渐恢复和提高，达到加固地基的目的。上述三个过程称为动力固结。如果在加载和卸载阶段所形成的最大孔隙水压力不能使土体开裂，也不能使土颗粒的水膜和毛细水析出，动荷载卸去后，孔隙中水未能迅速排走，则孔隙水压力很大，土的结构已被扰动破坏，又没有条件排水固结；土颗粒间的触变恢复条件又较慢，在这种情况下，不但不能使粘性土加固，反而使土扰动，降低了地基土的抗剪强度，增大土的压缩性。因此对饱和粘性土进行强夯，应根据波在土中传播的特性，按照地基土的性质选择适合的强夯能量，同时又要注意设置排水条件和触变恢复条件，才能使强夯获得良好的加固效果。在施工前，事先必须进行现场动力固结试验，探讨强夯加固土体的规律，选择强夯能量和方法，检验是否能产生动力排水固结和触变恢复。否则就不易在饱和粘性土地基中获得良好的效果，有些工程在饱和软土中进行强夯未能获得预期的效果，甚至破坏了土的结构，这是因为在饱和粘性土中强夯不易控制达到动力固结的缘故。所以应持慎重态度。 图9-3 强夯冲击波对土体的作用过程关于非饱和土的强夯机理，可以认为：夯击能量产生的波和动应力的反复作用，迫使土骨架产生塑性变形，由夯击能转化为土骨架的变形能，使土密实，提高土的抗剪强度,改善土的变形特性。9.2.4.2 强夯实施要点为了使强夯加固达到预期的效果，首先根据建筑物对地基加固深度的要求，确定所需的夯击能量，然后根据被加固地基的土类，按其强夯的机理选择锤重、落高、夯击点间距、排列、夯击遍数、每遍夯击点的击数和每遍间歇的时间等。夯击的能量与加固深度的关系，可用经验公式估算： （9-1）式中 锤重， 落高， 经验系数，它与波在土中传播的速度及土吸收能量的能力有关。根据我国的 实践经验，值约为0.40.8之间，碎石土、砂土等为0.450.5，粉土、粘性土、湿陷性黄土等为0.40.45。锤重和落高决定于加固深度所需的能量，锤重有100kN、150kN、200kN、300kN等，落高则由起重设备来决定。当夯击的能量确定后，便可根据施工设备的条件选择锤重和落高，并通过现场试夯确定。强夯时，一般按一定的间距和排列布置夯点，然后在每一夯击点连续夯击，开始夯击时形成一个夯坑，第一击下沉较大，连续多次夯击后，下沉逐渐减少，待最后二击平均下沉量不大于50mm时，停止夯击，完成全部夯击点称为第一遍。间歇一段时间后，待夯击引起的孔隙水压力消散后，继续夯击第二、第三遍。夯击点的布置一般按方格布置，间距约59m。第一遍夯点距离不宜太小，约为夯锤直径的34倍，第二、三遍的距离逐渐减小，完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，每遍夯击数一般约510击，夯击遍数和要求与土的种类有关，一般约为24遍，每遍间歇时间决定孔隙水压力消散的速率，对于砂土地基间歇时间很短，甚至可以连续夯击，对于粘性土一般为1530天。强夯法适用于处理砂土，碎石土，低饱和度的粘性土，粉土，湿陷性黄土等。在饱和软弱土地基采用强夯法时，应通过现场试验获得效果后才宜采用。这种方法不足之处是施工振动大，噪音大，影响附近建筑物，所以在城市中不宜采用。9.3 换土垫层法9.3.1 换土垫层及其作用当建筑物基础下的持力层比较软弱，不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换土垫层来处理软弱土地基，即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。实践证明：换土垫层可以有效地处理某些荷载不大的建筑物地基问题，例如：一般的三、四层房屋、路堤、油罐和水闸等的地基。换土垫层按其回填的材料可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层等。下面仅以砂垫层为例讨论换土垫层的作用和原理。 砂垫层的主要作用是：（1）提高浅基础下地基的承载力。一般来说，地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着应力的增大逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂代替可能产生剪切破坏的软弱土，就可以避免地基的破坏。（2）减少沉降量。一般情况下，基础下浅层地基的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内沉降量约占总沉降量的50%左右，同时由侧向变形而引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大，若以密实的砂代替了浅层软弱土，那么就可以减少大部分的沉降量。由于砂垫层对应力的扩散作用，作用在下卧土层上的压力较小，这样也会相应减少下卧土层的沉降量。（3）加速软弱土层的排水固结。建筑物的不透水基础直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基土强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层提供了基底下的排水面，不但可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，还可以加速砂垫层下软弱土层的固结及其强度的提高，但是固结的效果只限于表层，深部的影响就不显著了。在各类工程中，砂垫层的作用是不同的，房屋建筑物基础下的砂垫层主要起置换的作用，对路堤和土坝等，则主要是利用其排水固结作用。9.3.2 砂垫层(或碎石垫层)的设计要点砂垫层设计的主要内容是确定断面的合理宽度。根据建筑物对地基变形及稳定的要求，对于换土垫层，既要求有足够的厚度置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤动。对于排水垫层，一方面要求有一定的厚度和宽度防止加荷过程中产生局部剪切破坏，另一方面要求形成一个排水层，促进软弱土层的固结。砂垫层设计的方法有多种，本节只介绍一种常用的方法。1砂垫层厚度的确定：根据垫层作用的原理，砂垫层厚度必须满足在建筑物荷载作用下垫层地基不应产生剪切破坏，同时通过垫层传递至下卧软弱土层的应力也不产生局部剪切破坏，即应满足节6-6式(6-24)对软弱下卧层验算的要求(但其中地基压力扩散角的取值方法不同)： （9-2）式中砂垫层底面处软弱土层的承载力设计值，kPa(应按垫层底面的深度考虑深度修正)；二砂垫层底面处土的自重应力标准值，kPa；砂垫层底面处的附加应力设计值，kPa，按图9-4中的应力扩散图形计算，对条形基础为： (9-3a)对矩形基础为： （9-3b）基础的长度和宽度，m；砂垫层的厚度，m；基底压力设计值，kh，基础底面标高处土的自重应力，kPa，砂垫层的压力扩散角，可按表9-2采用。图9-4 砂垫层剖面图 压力扩散角 (度) 表9-2换填材料中、粗、砾、碎石土、石屑粉质粘土和粉土（814）灰土0.250.50203062330注：1、当0.25时，除灰土外，其余材料均取=0；2、当0.250.50时，可内插求得。计算时，先假设一个垫层的厚度，然后用式(9-2)验算。如不合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足为止，一般砂垫层的厚度为12m左右，过薄的垫层(3m)则施工较困难。2. 砂垫层宽度的决定：砂垫层的宽度一方面要满足应力扩散的要求，另一方面防止垫层向两边挤动。关于宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在实践中常常按照当地某些经验数(考虑垫层两侧土的性质)或按经验方法确定，常用的经验方法是扩散角法，如图9-4，设垫层厚度为z，垫层底宽按基础底面每边向外扩出考虑，那么条形基础下砂垫层底宽应不小于。扩散角仍按表(9-2)的规定采用。底宽确定以后，然后根据开挖基坑所要求的坡度延伸至地面，即得砂垫层的设计断面。砂垫层断面确定之后，对于比较重要的建筑物还要求验算基础的沉降，以便使建筑物基础的最终沉降值小于建筑物的允许沉降值。验算时不考虑砂垫层本身的变形。以上按应力扩散设计砂垫层的方法比较简单，故常被设计人员所采用。但是必须注意，应用此法验算砂垫层的厚度时，往往得不到接近实际的结果。因为增加砂垫层的厚度时，式(9-2)中的虽可减少，但却增大了，因而两者之和()的减少并不明显，所以这样设计的砂垫层往往较厚(偏于安全)。【例题9-1】 某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1m，上部建筑物作用于基础的荷载每米120kN，基础的平均重度为20kN/m。地基土表，层为粉质粘土，厚1m，重度为17 .5kN/m，第二层为淤泥质粘土，厚15m，重度为17.8kN/m，含水量65%，第三层为密实的砂砾石。地下水距地表为1m。因为地基土较软弱，不能承受建筑物的荷载，试设计砂垫层。【解】 (1)先假设砂垫层的厚度为1m，并要求分层碾压夯实，干密度达到1.5t/m。 (2)砂垫层厚度的验算：根据题意，基础底面平均压力设计值为：砂垫层底面的附加应力由式(9-3a)得 例图9-1 砂垫层剖面图根据持力层淤泥的含水量65%，查表6-7得地基承载力基本值=50kPa，从地基勘察报告查得回归修正系数=0.90，则计算地基承载力标准值=50 0.9=45kPa。再经深度修正得地基承载力设计值。则这说明所设计的垫层厚度不够，再假设垫层厚度为1.7m，同理可得(3)确定砂垫层的底宽为(4)绘制砂垫层剖面图，如例图9-1所示。 9.3.3 砂垫层(或碎石垫层)的施工要点(1)砂垫层的砂料必须具有良好的压实性，以中、粗砂为好，也可使用碎石；细砂虽然也可以作垫层，但不易压实，且强度不高。垫层用料虽然要求不高，但不均匀系数不能小于5，有机质含量、含泥量和水稳性不良的物质不宜超过2%，且不希望掺有大石块。(2)砂垫层施工的关键是如何将砂加密至设计的要求。加密的方法常用的有加水振动、水撼法、碾压法等。这些方法都要求控制一定的含水量，分层铺砂，逐层振密或压实。含水量太低或饱和砂都不易密实。以湿润到接近饱和状态时为好。(3)开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动软土层的表面和破坏坑底土的结构。因此基坑开挖后，应立即回填，不能暴露过久或浸水，更不得任意践踏坑底。 (4)当采用碎石垫层时，为了避免碎石挤入土中，应在坑底先铺一层砂，然后再铺碎石垫层。垫层的种类很多，除了砂和碎石垫层外，还有素土和灰土垫层等，近年来又发展了类似垫层的土工聚合物加筋垫层。 9.4 排水固结法9.4.1 排水固结法的原理排水固结法就是利用地基排水固结规律，采用各种排水技术措施处理饱和软弱土的一种方法。它的基本原理可用图9-5来说明。在压缩曲线中，当试样的天然压力为时，对应的孔隙比为，如图中的点，当压力增加至固结完成时，孔隙比变化至点，孔隙比减少了；与此同时，在抗剪强度与固结压力的变化曲线中，抗剪强度随固结压力的增大也由点提高至点，增长了。如果从点卸除压力，则土样产生膨胀，曲线由返回到点，然后又从点再加压力至完全固结，土样再压缩沿虚线至点，相应的强度也从点增大至点。由此可见，地基受压固结时，一方面孔隙比减少，土体被压缩，抗剪强度也相应提高，另一方面，卸荷再压缩时，固结压力同样从增加，而孔隙比仅减少，因为土体己变为超固结状态的压缩，所以比小得多，抗剪强度也相应有所提高。图9- 5 排水固结增大地基土密度的原理图9-6 排水法原理(a)竖向排水情况； (b)砂井地基排水情况排水固结法就是利用这一变化规律来处理软弱土地基，主要有两方面问题。1. 沉降问题：预先在拟建的建筑物场地上施加一预压荷载，使土层固结，然后卸去顶压荷载建造建筑物，称为预压法，这样由建筑荷载引起的沉降和沉降差就大大地减少了。2. 稳定问题：利用建筑物荷载作用，促使地基土排水固结引起抗剪强度的增长，提高地基的承载力，控制施工加荷速率，满足建筑物荷载对地基稳定性的要求。地基土层的排水固结效果与它的排水边界有关。根据固结理论，在达到同一固结度时，固结所需的时间与排水距离的长短的平方成正比。如图9-6所示，软弱土层越厚，一维固结所需的时间越长，如果淤泥质土层厚度大于1020m，要达到较大固结度(U80%)，所需的时间要几年至十几年之久。为了加速固结，最有效的办法就是在天然土层中增加排水途径，缩短排水距离。在天然地基中设置垂直向排水体(砂井或塑料排水带)，如图9-6所示，这就是缩短排水距离的最好措施。所以砂井或塑料排水带的作用就是增加排水条件，缩短排水距离，加速地基的固结，加速抗剪强度的增长，加速沉降的发展。在地基处理中，主要是利用这些加速作用，缩短预压工程的预压期，在短期内达到较好的固结效果，使沉降提前完成，加速地基土强度的增长，使地基承载力提高的速率始终大于施工荷载增长的速率，以保证地基的稳定性。这一点无论从理论和实践都得到证实。例如浙江省宁波机场和温州机场，在厚2040m的淤泥质粘土地基上，采用砂井堆载预压建造跑道，效果良好。又如慈溪市杜湖水库软基土坝工程，如图9-7所示。土坝下为淤泥质粘土，平均厚度为15.5m，其下为砂砾石层，软土层的天然十字板试验强度平均为17.8kPa，土坝的设计高度为17.5m。坝基用砂井处理，砂井的直径为420mm，间距为3m，井深为14m(来打穿软土层)。在开始施工以后，随着土坝的填筑，荷载逐渐增大，地基逐渐固结，土层的抗剪强度也逐渐增大。当坝填筑至14m时，历时约二年，现场实测十字板试验强度平均达到57.2kPa，如图9-8所示，相当于天然地基土的强度的3.2倍。当填筑到18m时，现场十字板强度平均到达69.0kPa，相当天然地基强度的4倍。由于地基土强度的增长，使原来只能填筑45m土堤的地基可以顺利地填筑至坝高17.5m。当土坝填筑至17.5m时，平均沉降达2.5m，相应的固结度为80%。图9-7 杜湖水库砂井地基剖面图必须指出：排水固结法的应用条件，除了设置砂井或塑料排水带的施工机械和外，必须要有：(1)预压荷载；(2)预压时间和(3)适用的土类等条件。预压荷载是个关键问题，因为施加预压荷载后才能引起地基的排水固结，然而施加一个与建筑物相等的荷载，这并非轻而易举之事，少则几千吨，大则数十万吨。许多工程因无条件施加预压荷载而不宜采用砂井处理地基。为了解决这一问题，发展了各种排水固结法，如：(1)真空预压法；(2)降水预压法；(3)电渗排水等等。堆载预压是在地基中形成超静水压力条件下排水固结，称为正压固结，真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结，称为负压固结，两者的原理是类似的。预压时间是通过设计来确定，如果实际工程有充裕的时间条件，可考虑用天然地基排水条件进行排水固结，反之，则采用不同间距和深度的砂井，加速地基的固结以满足工程的要求。图9-8 坝基实测十字板强度分布图排水固结法适用于处理各类淤泥、淤泥质土及其他类饱和软粘土。对于砂土和粉上，因透水性良好，无需用砂井排水固结处理地基；含水平夹砂或粉砂层的饱和软土，因为水平向透水性良好，不用砂井处理地基也可获得良好的固结效果。对于泥炭及透水性极小的流塑状态饱和软土，在很小的荷载作用下，地基土就出现较大的剪切蠕变，排水固结效果很差。 图9-9 砂井布置图(a)剖面图; (b)正方形布置;(c)梅花形布置;(d)砂井的排水途径9.4.2 砂井固结理论随着排水砂井法的广泛应用，逐步发展了砂井地基固结理论。一般砂井的平面布置有梅花形(正三角形)和正方形两种，如图9-9所示。在大面积荷载作用下，假设每根砂井为一独立排水系统。正方形排列时，每根砂井的影响范围为一正方形，而梅花形布置时，则为一正六边形(如图中直线所示)。为了简化起见，每根砂井的影响范围都化作一个等面积圆。因此梅花形排列时的影响直径为：=；正方形排列的情况则为：。式中砂井的间距。如果软弱土层是单面排水的，每个砂井的渗透途径如图9-9(d)所示，它既有竖向分量，亦有径向分量。如果假定：(1)每个砂井的影响范围在平面上为一个圆，整个砂井为一个圆柱； (2)砂井地基表面上荷载是均匀分布的，而且附加应力的分布不随深度而变化；(3)地基土只能产生竖向压密变形；(4)施加瞬时荷载后，全部荷载立即由孔隙水来承担；(5)不考虑固结过程中固结系数的变化和砂井施工过程中涂抹作用的影响，则根据第二章中的一维固结理论原理，砂井的三维固结微分方程可以表示为： （9-4）若改为、圆柱坐标，则三维固结微分方程则为： （9-5）当土层的水平向的渗透系数不等于竖向的渗透系数时上式应改写为： 式中为竖向固结系数，为水平向固结系数，分别为：。式(9-5)可以用分离变量法分为： （9-5a） (9-5b)式(9-5)表示在每个砂井影响范围内任意一点()在任意时间的孔隙水压力的微分方程。它可以分解为径向向内排水固结式(9-5a)和竖向排水固结式(9-5b )两部分，从而根据起始条件和边界条件分别解得径向向内排水固结的孔隙水压力分量和竖向排水的孔隙水压力分量。N.卡里诺(Carrillo)从理论上证明：任意一点的孔隙水压力有如下关系： （9-6a）式中为起始的孔隙水压力。整个砂井影响范围内土柱体的平均孔隙水压力也有同样的关系： （9-6b）或以固结度表达为： （9-7）式中每一个砂井影响范围内圆柱的平均固结度；径向排水的平均固结度，竖向排水的平均固结度。在双面排水条件下或者固结土层中的应力分布均匀时，可由第2-9节三的一维固结理论解得如下： （2-108）式中为正奇整数（1，3，5）。当30%时 （2-109）R.A.巴隆（Barron）曾分别在自由应变和等应变两种条件下求得的解答，但以等应变求解比较简单，其结果如下： （9-8）式中 ； 水平向固结系数；每一个砂井有效影响范围的直径；，称为井径比；砂井直径；水平向固结时间因数。将式（2-109）和（9-8）代入（9-7）后则得到砂井的平均固结度为： （9-9）式中为正奇整数（1，3，5）。如果30%，则（9-9）式可以近似表达为： （9-10）令 （9-11）则 （9-12）砂井地基的平均固结度常用式(9-7)计算，式中的和分别为了、及的函数。如果和已知，则可以由式(2-109)和式(9-8)分别计算及为了方便起见，可以从图9-10中查得固结度。当30%时，可以直接应用式(9-10)计算。当竖向排水影响很小时(如软土层很厚)，可以直接应用水平向固结度计算式(9-8)计算砂井地基的固结度。 【例题9-2】 设有一饱和软土层，厚度为16m，其下卧层为透水性良好的砂砾石层。 现在此软土层中打砂井贯穿至砂砾石层，砂井的直径为0 .3m，砂井的间距=2.5m，以梅花形布置，经勘探试验得到，竖向固结系数=1.510cm/sec，水平向固结系数为=2.9410cm/sec。试求在大面积均布荷载=120kPa的作用下，历时90天的固结度。若最终荷载为200kPa，则对最终荷载而言，此时的固结度应是多少?图9-10 和与时间因数关系曲线图【解】已知=250cm， 根据上述数据查图9-10得。所以对最终荷载而言的固结度由本例可以看出：所设计的砂井，其效果是显著的，砂井地基以径向固结为主(本例径向固结度与总固结度只差2.5)。由此可见，对于软土层较厚或的情况，为了简化计算，可忽略由竖向排水引起的固结度，根据砂井固结理论分析，砂井的井径与间距的合理关系应以细而密为原则。因此，砂井逐渐从普通砂井向细而密型的袋装砂井及塑料排水带发展。随着它们的广泛应用，人们逐渐意识到井阻和涂抹作对固结效果的影响是不可忽视的。RA巴隆(Barron)，S.汉斯堡(Hansbo)、吉国洋(Yoshikumi)和谢康和等人先后给出了考虑井阻和涂抹作用的砂井固结理论解。前两作者的结果系近似解，吉国洋的结果系精确解，但计算复杂谢康和的解比较简明，并有简化解，其结果如下：地基的竖向和径向排水平均固结度为： （9-13）式中整数地基平均固结度的简化解为： （9-14）式中式中井阻因子；涂抹比，砂井涂抹后的直径与砂井直径之比；井径比；砂井砂，地基土和砂井涂抹土层的渗透系数；砂井的长度。简化式与精确解比较误差小于是10%。上述各式均假设荷载是一次瞬时施加的，而实际工程多为分级逐渐施加的，对于多级等速加荷的情况，如图9-11所示。理论证明，理论解的简化式为： （9-15）式中与多级加荷历时对应的荷载，固结度对此荷载而言；第级荷载的加荷速率；第级荷载的终点和始点的历时（从零点计起）；所求固结度的历时，应大于，当时，则=，=1，2，3。当软土层比较厚时，常常砂井没有打穿整个软土层，如图9-12所示。因此不能把砂井部分的固结度代表整个受压层的固结度。对于砂井未完全打穿整个受压层情况，地基的平均固结度按下式计算： （9-16）式中地基的平均固结度；砂井部分土层平均固结度，按砂井固结理论计算；砂井以下部分土层的固结度，按照一维固结理论计算。计算时可以将砂井底面视作排水面；砂井打入深度与整个压缩层的厚度的比值，即：式中砂井长度；砂井下压缩层范围内土层的厚度。图9-11 多级加荷图 图9-12 砂井未打穿整个受压土层的情况9.4.3 砂井的应用和设计砂井在工程上的应用主要有两方面： (1)对于以变形控制设计的建筑物，例如：房屋建筑、机场跑道和高速公路，利用砂井加速固结进行堆载预压，减少沉降和不均匀沉降； (2)对于以稳定性控制的建筑物，例如堤坝、油罐(同时也要控制变形)等，利用砂井加速软弱土强度的增长，提高地基的承载力，控制加荷速率，满足施加建筑物荷载对地基的要求。此外，也可利用砂井消散打桩引起的孔隙水压力，提高单桩承载力。因此，砂井地基设计方法分为两类，预压设计和稳定控制设计。两者的设计既有共同的问题，又有各自的要求，现分别讨论如下： 9.4.3.1 砂井类型和砂井布置尺寸的选择1. 砂井类型：常用的有三种： (1)普通砂井，指用沉管法或高压射水法施打的砂井，直径300mm； (2)袋装砂井，用土工编织布制成的袋，内装中、粗砂的长条形砂袋，然后打入地基中形成砂井