混凝土搅拌站地基处理工程设计大学本科毕业论文.docx
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混凝土搅拌站地基处理工程设计大学本科毕业论文
1.概况
1.1工程概况
由中国十七冶筹建的扬州混凝土搅拌站位于扬州市邗江区瓜洲镇，拟建工程主要包括搅拌系统和上料系统，高度为10.0m，二层框架结构，采用矩形基础，砌置深度为2.0m。
地基承载力设计值为270kpa。
拟建工程场地东临古运河，北接沿江公路，南侧和西侧为邗江化工厂为原瓜洲混凝土制品预制厂厂址。
场地地势平坦，中部为原预制厂预应力张拉地坪，覆盖约30cm厚的钢筋混凝土，南北长约150m，东西宽约25m；场地中西部为一葫芦形水塘，水深约2.0m，东部和北部零星布置数栋一、二层平房。
在宏观地貌上场地属于长江漫滩，微观地貌属于古运河河漫滩。
1.2地层及水文地质条件
本次勘察查明，场地地层单一，在钻探所达深度范围内主要地层属第四全新统冲积饱和松散粉砂层。
现分述如下：
第①层——杂填土层（Qml）：
层厚均匀，约0.5~1.2m，主要成分是砼和砂浆碎屑、粗砂、粘性土，杂色，呈松散，稍湿状态，含植物根茎，最大揭露厚度为1.5m。
第②层——第四系全新统冲积粉质粘土（Q4al）：
灰色、灰黑色，很湿~饱和、软可塑~软塑状态，主要成分是粉质粘土、粉土，局部夹粉砂和现代沉积的塘泥，场地内均匀分布，厚度约0.4~1.0m，该层为大气影响层，含腐植物。
第③层——第四系全新统冲积饱和松散粉砂层（Q4al）：
灰色、青灰色，饱和、松散状态，有震陷析水反应，由石英、云母等矿物碎屑组成，偶见灰白色风化螺壳。
场地均有分布，本次勘探未穿透，最大揭露厚度15.5米。
工程地质剖面图见附录。
在本次勘察深度范围内，地下水类型为孔隙潜水，埋藏浅，平均埋深约为0.5m，水位起伏小，主要分布于第②、③层土中，含水量大，渗透系数各土层差别大，接受大气降水、地表水的补给，通过蒸发和侧向渗流排泄；地表水源丰富，由古运河上游地表水汇集并接受大气降水和地下水的补给，主要通过侧向渗流向运河排泄。
地表积水时间受汛期决定，集中在6~8月份。
根据地下水和地表水的水质分析报告及邻近环境判定，场地地下水对混凝土无腐蚀性。
1.3土的物理力学性质
详见表1-1
表1-1土的物理力学性质
孔号及土号
ZK7-1
ZK7-2
ZK7-3
ZK7-4
ZK7-5
ZK7-6
试样深度（m）
2.5～2.65
5.2～5.35
7.0～7.15
8.9～9.05
11.1～11.25
12.8～12.95
颗粒组成百分数＞0.075mm%
50.2
51.0
58.2
57.8
50.1
50.2
室内定名
粉砂
粉砂
粉砂
粉砂
粉砂
粉砂
1.4岩土工程分析评价
1.4.1场地的稳定性和适宜性
本次勘察结果表明，场地无地下埋设物，场地和地基主要由可液化的粉砂层构成，需采取全部消除液化沉陷的措施后，方可进行本工程的建设。
1.4.2岩土工程分析
第①层杂填土结构不均、松散（原路面经碾压较密实），差异大，施工时应剥除；第②层粉质粘土层，根据钻孔揭露，埋藏浅、土层差异大，层厚及层底坡度变化较大，高压缩性、欠压密土，承载力较低，工程特性较差，可以通过处理用作复合地基的桩间土；第③层饱和松散粉砂，分布稳定，埋藏较浅，层厚较大，平均标贯击数N=8，承载力较低，属可液化土层，工程特性差，必须进行消除液化处理。
根据统计，各层土的地基承载力特征值和压缩模量、渗透参数建议详见表1-2：
表1—2土的性质
地层编号
岩土名称
状态
标贯击数
压缩模量
Es（MPa）
渗透系数
k（cm/s）
地基承载力特征值fsk（kPa）
②
粉质粘土
软塑~软可塑
3.0
8.0×10-6
80
③
粉砂
饱和松散
8
6.0
8.0×10-4
110
1.4.3场地地震效应
根椐国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）的规定，扬州市及所辖区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g（第一组）；从场地土的性质判定，属于软弱场地土，场地类别为Ⅲ类，属于对抗震不利地段。
根椐场地土质和地下水埋藏条件，按《建筑抗震设计规范》规定判定，本场地有地震液化，0～15m液化指数大于15，属严重液化等级。
2工程方案的可行性论证及方案选定
2.1方案可行性论证
根据勘察初步判定场地第③层饱和粉砂，平均标贯击数N=8，承载力较低，液化指数大于15，属于严重液化土层。
工程特性差，必须进行消除液化处理。
液化地基处理措施的基本出发点是改变它的内在条件，即增加土体的密实度和改善排水条件。
常用的处理措施有：
强夯法、振冲法、高压喷射法、电动化学灌浆法等，还可以采用桩基础中预制桩及灌注桩和近些年刚刚兴起的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）。
其中强夯法虽然可以改善土的密实度，是土中颗粒重新排列达到防止液化的效果，但处理深度比较低，在本工程中不适用。
而电动灌浆法施工设备比较复杂，使用化学胶凝物质及消耗大量能量，因此费用较大，在我国很少采用。
预制桩挤土量大，难以穿透厚的砂层，且工程造价过高。
灌注桩成桩质量难以控制，不易穿透厚的砂层。
桩径变化范围小，施工不当易产生缩径、桩身错位、断桩和局部夹泥等质量事故，噪音较大。
综合工程场地具体条件判定不适用。
初步选定
振冲法
高压喷射法
水泥粉煤灰碎石桩法三种方案。
2.1.1水泥粉煤灰碎石桩（CFG）初步设计
2.1.1.1概述
水泥粉煤灰碎石桩（CementFly-ashGravelPile）简称CFG桩，是在碎石桩基础上加进一些石屑，粉煤灰和少量水泥，加水拌制成的一种具有一定粘结强度的桩，也是近年来新开发的地基处理技术。
CFG桩的单桩承载力主要来自全桩长的摩阻力及桩端承载力，桩越长则承载力越高。
以置换率10%计，桩承载的荷载的百分比为40%～75%。
复合地基承载力可提高4倍或更高。
在多层及高层建筑物的地基处理中有很广泛的应用。
2.1.1.2加固机理
CFG桩不同与碎石桩，是具有一定粘结强度的混合料。
在荷载作用下CFG的压缩性明显比周围软土小，因此基础传给复合地基的附加应力随地基的变形逐渐集中到桩体上，出现应应力集中现象，复合地基中的CFG桩起到了桩体作用。
另外CFG桩复合地基的桩土应力比明显大于碎石桩的桩土应力比，亦即其桩体作用显著。
其桩身具有一定强度，在荷载作用下桩身不会出现压胀变形，桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端阻力传到深层地基中，其复合地基承载力会有较大幅度的提高。
CFG桩采用振动沉管法施工，由于振动和挤压作用使桩间土得到挤密。
经加固后的地基含水量、孔隙比、压缩系数均有所减小；重度、压缩模量均有所增加，说明经加固后桩间土已挤密。
2.1.1.3设计计算
（1）设计参数
1桩长：
由于砂层深度较厚，且液化指数大于15，属于严重液化，所以砂层需全部处理，初步拟订桩长L=15m。
2桩径：
由于需要对地进行振密，改善其孔隙比，可选用振动沉管法。
根据经验选择桩径d=400mm。
3布桩形式和桩间距：
由于基础为矩形基础，基底液化砂层需全部处理，所以可以采用正方型满堂布桩。
在砂土层中桩间距一般取S=（4—6）d，这里取S=5d=5×0.4=2m。
（2）验算承载力
①根据m=d2/de2
d——桩径；m——面积置换率；
de——等效影响圆半径de=1.05S；S——桩间距；
则m=0.42/2.12=0.036
②根据fspk=mRk/Ap+β（1-m）fsk
fspk——复合地基承载力特征值；
fsk——桩间土承载力特征值（勘察报告提供fsk=110kpa）
Rk——单桩竖向承载力特征值；m——面积置换率；
β——桩间土承载力折减系数取β=0.9；
n
Rk=qpAp+∑qsi2πRLi
i=1
qp——桩端端阻力特征值（6200kpa）；R——桩的半径；
qsi——桩的侧摩阻力（50kpa）；Li——第I层土的厚度；
Ap——桩的截面积；
Rk=50×2×3.14×0.4×15+6200×3.14×0.42=4998.88kpa
则fspk=mRk/Ap+β（1-m）fsk
=0.036×4998.88/3.14×0.42+0.9（1-0.036）×110
=358.2+95.436=453.636kpa＞270kpa
满足设计要求；
（3）复合地基压缩模量计算
Esp=[1+m（n-1）]Es
Esp——复合地基压缩模量；n——桩土应力比（经验值）；
Es——地基土压缩模量（勘察报告提供）；
则Esp=[1+0.036（25-1）]×6=11.18Mpa
（4）fcu≥3Rk/Ap=3×4998.88/0.5024=29850kpa=29.9Mpa
故CFG桩混合材料强度设计为C30；
2.1.1.4工程量计算及工程预算表
（1）工程量计算：
单桩工程量=设计桩断面积×设计桩长=3.14×0.22×15=1.88m3）
总工程量=单桩工程量×总桩数=1.88×462=868.56m3
定额费用如下：
表2-1定额费用表
工程项目
单位（m3）
单价（元）
其中
人工费
材料费
机械费
CFG
10
1843.86
133.4
1140.7
509.76
直接费=868.56×1843.86=16（万元）
人工费=868.56×133.4=1.2（万元）
材料费=868.56×1140.7=10（万元）
机械费=868.56×509.76=4.5（万元）
②工程预算表
表2-2工程预算表
序号
取费项目
计算公式
金额（万元）
一
直接工程费
1+2+3
17.4
1
直接费
868.56×1843.8
16
2
其它直接费
⑴+⑵+⑶+⑷
0.56
⑴
夜间施工增加费
0.00038×1.5×15
0.0086
⑵
雨季施工增加费
16×0.25%
0.04
⑶
流动施工津贴
16×2.30%
0.36
⑷
生产用具使用费
16×1.04%
0.16
3
现场经费
⑴+⑵
0.79
⑴
现场管理费
16×3.71%
0.59
⑵
临时设施费
16×1.27%
0.20
二
间接费
16×3.92%
0.63
三
上级管理费
16×0.75%0
0.012
四
劳动保险费
16×1.83%
0.29
五
计划利润
（一+二+…四）×5.78%
1.10
六
其它
1+2
0.028
1
预算定额编制管理费
（一+二+…五）×1%0
0.02
2
劳动定额测定费
（一+二+…五）×0.4%0
0.008
七
税金
（一+二+…六）×3.41%
0.66
八
合计
（一+二+…七）
20.1
2.1.2高压喷射法初步设计
2.1.2.1概述
高压喷射注浆法是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进到土层的预定位置后，以高压设备使浆液或成为20kpa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。
同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合。
浆液凝固后在土中形成一个固结体。
主要用于加固地基、提高地基抗剪强度、改善土的变形性质，也可以组成闭合帷幕，用于截阻地下水流和治理流砂，还可以用于基坑防渗，改善地基土的水流性质和稳定边坡等工程。
在工程中主要起减少基础振动，防止砂土地基液化的作用。
2.1.2.2加固机理
（1）高压喷射流对土体的破坏作用
破坏土体的结构强度的最主要因素是喷射动压，根据动量定律在空气中喷射时的破坏力为：
P=ρQVm
式中；P——破坏力；Q——流量（m3/s）；Q=Vm*A；
ρ——密度（kg/m3）；Vm——喷射流的平均速度（m/s）；
A——喷嘴断面积；
则P=ρAVm2
即破坏力可以在选定的喷嘴直径、喷射压力和浆液密度后进行计算。
所以在一定的喷嘴面积A的条件下，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20Mpa以上，这样就使射流象刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成柱状的固结体。
喷射流在钟期区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土颗粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。
（2）高压喷射流结构
单管高压喷射注浆所使用的高压喷射水泥浆流和多管所使用的高压水射流，其射流构造可用高速水连续射流在空气中的模式予以说明。
假定喷射流不与四周空气结合，射流边界各处是大气压力，忽略摩擦力，喷嘴上无外力作用，喷嘴出口处流量是均匀的，则高压射流结构分三个区域：
1初期区域：
包括保持喷嘴出口压力的喷流核和迁移段。
喷流核轴向动压是常数，速度均匀。
在整个喷射流中，速度分布保持均匀的部分成为喷流核，由于边界气流的渗入，喷射核越来越小乃至消失。
在喷射核末端有一过度阶段称迁移段。
此段喷射流的扩散宽度稍有增加，轴向动压有所减小。
根据实验资料，在空气中喷射，初期区域为xc=（75～100）d0，在水中喷射xc=（6～6.5）d0（d0为喷嘴直径）。
在空气射流的初期区域的长度比在水中约大10倍。
2主要区域：
轴向动压徒然减弱，喷射流速进一步降低，它的扩散率为常数，扩散宽度和距离的平方根呈正比。
在土中喷射时，喷射流与土在本区域内搅拌混合。
3终了区域：
轴向动压徒然减弱，喷射流处于衰竭状态，喷射流成为断续流，末端呈雾化状并于空气混合在一起，最后消散在大气中。
高喷加固的有效长度为初期区域和主要长度之和。
有效长度越长，则搅拌土的距离越大，高喷桩的直径也越大。
介质不同，有效射程也不同。
如在空气中阻力小，射程远；在水中射流扩散快，动压骤减，有效射程近；在土中射流，由于有地下水和破碎土体合成的黏度高的泥浆，阻力更大，有效射程更近。
当压力为10～40Mpa时，喷射流在土中的压力衰减规律按下式计算：
h=KHd00.5/L2
式中h——在中心轴上，距喷嘴L距离的压力水头，m；
H——喷嘴出口的压力水头，m；d0——喷嘴直径，mm；
L——距喷嘴距离，m；K、n——喷嘴形状和喷嘴装置系统；
在空气中以20Mpa压力喷射，喷嘴直径d0=2mm的条件下，距喷嘴8cm以外，压力逐渐下降。
水中喷射，在距离3cm之内，可保持20Mpa，超过3cm，压力急剧下降。
为改善这种状况，日本的研究人员在空气、水和泥浆中进行射流特性研究发现：
如果在喷射周围设一环状缝隙，在射水的同时喷气，射流的破坏能力和作用距离将增大。
如果空气射流速度接近音速，气流不会迅速扩散，而保持在水射流周围，两种物质像一种致密的射流喷出去，直至速度减小为止。
二管和三管高喷法就是根据上述理论和试验而发展起来的。
气、水、浆同轴喷射将获得更大的喷射距离。
2.1.2.3设计计算
（1）设计参数确定：
由于处理面积较小，第③层砂土标贯击数N=8＜10，如果采用单管法 则根据经验可选定喷射直径为0.6～1.0m，这里取1.0m。
由于需要处理液化砂层可采用满堂布形式，桩距2m。
（2）地基承载力计算
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）第10.2.3条规定：
旋喷桩复合地基载荷试验确定，也可按下式计算：
fspk=1/Ae[Rkd+βfsk（Ae-Ap）]
式中：
fspk——复合地基承力标准值；Ae——1根桩承担的处理面积；
Ap——桩的平均截面积；fsk——桩间天然地基土承载力标准值；
β——桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，在无试验资料时，可取0.2～0.6，当不考虑桩间软土作用时可取0。
这里取0.2；
Rkd——单桩竖向承载力标准值，可通过现场载荷试验确定，也可按下列二式计算，取其中较小值（KN）
Rkd=ηfcu.kAp
Rkd=πd∑hiqsi+Apqp
式中：
fcu.k——桩身试块（边长为70.7mm的立方体）的无侧限抗压强度平均值；
η——强度折减系数，可取0.35～0.50（这里取0.4）
d——桩的平均直径；n——桩长范围内所划分的土层数；
hi——桩周第I层土的厚度（m）；
qsi——桩周第I层土的摩擦力标准值可采用钻孔灌注桩侧壁摩擦力标准值（Kpa）；
qp——桩端（天然地基土的承载力标准值）可按国家标准《建筑地基基础设计规范》GBJ-89第3章第2节有关规定确定（Kpa）；
则Rkd=ηfcu.kAp
=0.5×300×3.14×0.82
=301.44KN
Rkd=πd∑hiqsi+Apqp
=3.14×1.6×15×4.6+3.14×0.82×80
=507.424KN
取Rkd=301.44KN
则fspk=1/Ae[Rkd+βfsk（Ae-Ap）]
=1/1.13[301.44+0.6×110（1.13-0.785）
=286.91Kpa＞270Kpa
满足设计要求
（3）地基变形计算
旋喷桩的沉降计算应为桩长范围内复合土层以及下卧层地基变形值之和，计算时应按国家标准《建筑地基基础设计规范》（GBJ-89）的有关规定进行计算，其中复合土层的压缩模量可按下式确定：
Esp=Es（Ae-Ap）+EpAp/Ae
式中：
Esp——旋喷桩复合土层的压缩模量（Kpa）；
Es——桩间土的压缩模量，可用天然地基土的压缩模量代替（Kpa）；
Ep——桩体的压缩模量，可采用测定混凝土割线模量的方法确定（Kpa）；
则Esp=Es（Ae-Ap）+EpAp/Ae
=6（1.13-0.785）+1×0.785/1.13
=2.53（Kpa）
（4）浆量计算
浆量计算有二种方法，即体积法和喷量法，取其大者作为设计喷射浆量
1体积法：
Q=π/4De2K1h1（1+β）+π/4D02K2h2
式中：
Q——需要用的浆量（m3）；De——旋喷体直径（m）；
D0——注浆管直径（m）；K1——填充率（0.75～0.90）；
h1——旋喷长度（m）；K2——未旋喷范围土的填充率（0.5～0.75）；
h2——未旋喷长度（m）；β——损失系数（0.5～0.75）；
则Q=（π/4）De2K1h1（1+β）+（π/4）D02K2h2
=（3.14/4）×12×0.9×5700×（1+0.1）+（3.14/4）×0.032×0.5×3
=4429.8（m3）
2喷量法：
以单位时间喷射的浆量及喷射持续时间，计算出浆量。
计算公式为：
Q=H/V×q×（1+β）
式中：
Q——需要用的浆量（m3）；V——提升速度（m/min）；
H——喷射长度（m）；q——单位时间喷射量（m3/min）
β——损失系数，通常取（0.1～0.2）；
则Q=H/V×q×（1+β）
=（5700/0.1×60）×4.8×（1+0.1）
=5016（m3）
所以取Q=5016（m3）
2.1.2.4工程量计算及工程预算表
（1）工程量计算
总工程量=喷浆量/每米用浆量
=5016/13=5016m3
定额费用如表2-3
表2-3定额费用表
定额编号
工程项目
单位（m）
单价（元）
其中
人工费
材料费
机械费
106
旋喷桩
100
31298.76
1921.25
22396.33
6981.18
直接费=5016×312.9876=157（万元）
人工费=5016×19.2125=9.6（万元）
材料费=5016×223.9633=112.4（万元）
机械费=5016×69.8118=35（万元）
（2）工程预算表
表2-4工程预算表
序号
取费项目
计算公式
金额（万元）
一
直接工程费
1+2+3
170.5
1
直接费
868.56×1843.8
157
2
其它直接费
⑴+⑵+⑶+⑷
5.64
⑴
夜间施工增加费
0.00038×1.5×15
0.0086
⑵
雨季施工增加费
16×0.25%
0.39
⑶
流动施工津贴
16×2.30%
3.61
⑷
生产用具使用费
16×1.04%
1.63
3
现场经费
⑴+⑵
7.81
⑴
现场管理费
16×3.71%
5.82
⑵
临时设施费
16×1.27%
1.99
二
间接费
16×3.92%
2.25
三
上级管理费
16×0.75%0
0.118
四
劳动保险费
16×1.83%
2.87
五
计划利润
（一+二+…四）×5.78%
10.2
六
其它
1+2
0.259
1
预算定额编制管理费
（一+二+…五）×1%0
0.185
2
劳动定额测定费
（一+二+…五）×0.4%0
0.074
七
税金
（一+二+…六）×3.41%
6.35
八
合计
（一+二+…七）
192.5
2.1.3振冲碎石桩初步设计
2.1.3.1概述
利用振动和水冲加固土体的方法叫做振冲法（vibroflotation）。
振冲法最早是用来振密松砂地基的，由德国S.Steuerman在1936年提出。
德国把这一方法称为“Rutteldruckverfahren”，意思是振动加压力水的处理方法。
在英美称之为“vibroflotation”，中国称它为“振动水冲法”，简称“振冲法”。
后来开始将振冲法应用于粘性土地基，在粘性土中制造一群以石块、砂砾等散粒材料组成的桩体，这些桩与原地基土一起构成所谓复合地基，使承载力提高，沉降减少。
为此，有人把这一方法称为“碎石桩法”（stonecolumnmethod）或“散粒桩法”（granularcolumnmethod）。
用桩体构成复合地基的加固方法是振冲法应用的一种扩大和创新。
复合地基的加固机理和振冲加密砂基完全不同，简单来说，前者用振冲法在地基中以紧密的桩体材料置换一部分地基土，后者用振冲法使砂基变密，因此振冲法演变为两大分之，一支是适用于砂基的“振冲挤密”（vibrocompaction），另一支是主要适用于粘性土地基的“振冲置换”（vibroreplacement）。
这里选用“振冲挤密”方法。
具体论证详见4.1施工方法的选择。
2.1.3.2加固机理
振冲碎石桩加固砂土地基抗液化的机理主要体现在以下三个方面；
（1）挤密作用
振冲挤密法在施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，且在桩孔中填入的大量粗骨料后，被强大的水平振动力挤入周围土中，这种强制挤密使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地基承载力大幅度提高，一般可提高2～5倍。
由于地基密度显著增加，相对密实度也相应提高，因此抗液化的能力相应得到改善。
我国通常对地震区的广泛调查和室内试验得知，当地震烈度为7、8、9度时，在砂土的相对密实度分别达到55%、70%和80%以上时则不会发生液化。
在国内对振冲法加固的地基，以加固效果较低的桩间土中心测试，其相对密实度一般可达到75%以上。
如
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