湿陷性黄土基础处理设计.docx

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湿陷性黄土基础处理设计

湿陷性黄土地基处理设计

湿陷性黄土在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，但遇水侵湿时，土的强度显著降低，在饱和土的自重压力下或在附加压力和自重压力共同作用下，往往具有突然下降的性质。

工程实践表明，当工业与民用建（构）筑物的地基不处理或处理不足时，建筑物在使用期间，由于各种原因的漏水或地下水位的上升，地基湿陷是经常发生的。

因此，在湿陷性黄土地区进行建设，对建筑物的地基需要采取处理,以改善土的物理力学性质，减少或消除湿陷性黄土地基偶然侵水而引起的湿陷变形，保证建筑物的安全和正常使用。

湿陷性黄土地基处理常用的方法，在国内目前常用的方法有以下几种：

（1）、土垫层法；

（2）、夯实法；（3）、土（或灰土）挤密桩法；（4）、化学加固法；（5）、桩基础，等等。

（A组）1、某院综合楼，长32.7m，宽12.9m，采用条形基础，基础宽2m，埋深1.5m。

设计要求容许承载力为180kPa。

该工程拟建场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土，基底下湿陷性黄土厚度7.5m，湿陷量为38.12cm，压缩模量Es为3.3MPa，压缩系数a0.1~0.2为0.6MPa-1，属高压缩性土层，干土密度为12.8KN/m3，含水量w为0.18，天然孔隙比为1.0，天然地基承载力为120kPa，桩侧摩阻力为80kPa。

该场地不能满足工程设计要求，为消除湿陷性，降低变形量，进行地基处理设计。

解：

根据题设条件可选用两种方法：

（一）、夯实法（强夯）；

（二）、土桩及灰土桩挤密法。

（一）、夯实法（强夯）

1、强夯法概述

强夯法的加固原理是利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基密实。

这种冲击引起的振动在土中以波的形式向地下传播。

强夯理论认为：

压缩波大部分通过液相运动，使孔隙水压力增大，同时使土粒错位，土体骨架解散，而随后的剪切波使土颗粒处于更加密实的状态。

现在一般的看法是，地基经强夯后，其强度提高过程可分为：

夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密；土体液化或土体结构破坏；排水固结压密；触变恢复并伴随固结压密。

2、设计计算

强夯参数包括：

有效加固深度、夯锤和落距、单点夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、相邻两次夯击遍数的间歇时间、加固范围和夯点布置等。

1>、有效加固深度

有效加固深度是选择地基处理的方法的重要依据，又是反映处理效果的重要参数，一般可按下列公式估算有效加固深度：

H=α

式中：

H——有效加固深度（本题中有效加固深度为7.5m），m；M——锤重，kN；h——落距，m；α——系数，对黄土其值可取0.34～0.5（在本题中其值可取为0.4）。

2>、夯锤（夯锤的形状、面积、高度）和落距的取值

一般国内夯锤可取10-25t，我国至今采用的最大夯锤为40t。

本题的夯锤锤重可取为20t；夯锤的形状为正方形；面积取值为5.29m2夯锤的高度为0.93m。

所以根据上述有效加固深度公式计算可知，落距可取18m。

3>、最佳夯击能

在黏土中，由于孔隙水的压力消散慢，当夯击能逐渐增大时，孔隙水压力亦相应的增加，因而在黏性土中，可根据孔隙水压力的叠加值来确定最佳夯击能。

4>、夯锤加固范围

强夯和强夯置换处理范围应大于建筑物的基础范围，具体的放大范围，可根据建筑物类型和重要性等因素考虑决定。

对一般建筑物，每边超出基础外缘的宽度宜为处理深度的1/2-2/3,并不宜小于3m（所以本题的边缘宽度取为4m）。

5>、夯击点的布置及间距

本题强夯夯击点的位置根据基地平面形状，采用正方形布置，强夯第一遍夯击点间距可取夯锤直径的2.8倍，可取值为6.5m，第二遍夯击点位于第一遍之间，以后各遍夯击点间距应当适当的减少。

6>、夯击遍数的确定

夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加最后再以低能量满夯两遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。

夯点的夯击次数，应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件：

（1）、最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：

当单击夯击能小于4000KN·m时为50mm；当单击夯击能为4000～6000KN·m时为100mm；当单击夯击能大于6000KN·m时为200mm。

（2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起。

（3）不因夯坑过深而发生提锤困难。

3、施工工艺

强夯法的施工要点包括以下：

（1）、试夯

施工前，应根据初步确定的强夯参数，在现场有代表性的场地上进行试夯，并通过测试，与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，以便最后确定工程采用的各项强夯参数

（2）、平整场地

预先估计强夯后可能产生的平均地面变形，并以此确定夯前地面高程，然后用推土机平整。

同时应认真查明强夯场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高，尽量避开在其上进行强夯施工。

（3）、铺设层或降低地下水位

遇到地表为细粒土，且地下水位高的情况，有时需要在表层铺设0.2～2m左右厚的松散性材料或人工降低地下水位，以使地表形成硬层，可以支承起重设备，确保机械通行和施工。

（4）、强夯施工

其加固顺序位先深后浅，即先加固深层土，再加固中层土，最后加固表层土。

根据此加固顺序，在最后一遍夯击完成后，用推土机将夯坑填平。

4、施工设计图：

根据理正岩土软件计算可知，其设计图如下所示

分别为平面图和剖面图，见下图所示

（二）土桩及灰土桩挤密法

1、土桩及灰土桩挤密法概述

土桩及灰土桩挤密法是利用成孔时的侧向挤压作用，使桩间土得以挤密：

随后将桩孔用素土或灰土分层夯填密实，前者称为土桩挤密法，后者称为灰土桩挤密法，其共同点是对土的侧向深层挤密加固。

土桩或灰土桩挤密地基均属于人工复合地基，其上部荷载由桩体和桩间挤密土共同承担。

土桩和灰土桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土或杂填土地基。

处理深度宜为5～15m。

当以消除地基土湿陷性为主要目的时，宜选用土桩法，当以提高地基的承载力为主要目的时，宜选用灰土桩法（本题采用土桩）。

2、土桩加固原理

在湿陷性黄土地区多采用土桩挤密法。

土桩挤密地基是由素土夯填的土桩和桩间挤密土体组合而成。

桩孔内夯填的土料多为就近挖运的黄土类土，其土质及夯实的标准于桩间挤密土基本一致，因此它们的物理力学性质也无明显的差异。

很显然，土桩挤密法的加固作用主要是增加土的密实度，降低土中孔隙率，从而达到消除地基湿陷性和提高水稳定性的工程效果。

土桩是一种柔性桩，不但桩孔部分夯填土要承受上部荷载，挤密后的桩间土也将分担很大一部分荷载。

其主要特点是不需大挖大填，土方量少。

3、设计计算

土桩挤密法处理地基时的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积，并应符合下列规定：

当采用局部处理时，超出基础底面的宽度：

对非自重湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基，每边不应小于基地宽度的0.25倍，并不应小于0.50m；对自重湿陷性黄土地基，每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.00m（本题工程拟建场地为Ⅱ级自重湿陷性黄土，超出基础底面的宽度为1.5m）。

（1）、桩孔直径的确定

桩孔直径宜为300～450mm，并可根据所选用的成孔设备或成孔方法确定（本题的桩孔直径确定为350mm）。

（2）、桩径和排距

桩孔宜按三角形布置，桩孔间的中心距离，可为桩孔直径的2.0～2.5倍，也可按下式估算：

式中：

——桩孔之间的中心距离，m；

——桩孔直径，m；

——桩间土的最大干密度，

；

——地基处理前土的平均干密度，

；

——桩土经过成孔挤密后的平均挤密系数，对重要的工程不宜小于0.93，对一般工程不应小于0.90。

桩间土的平均挤密系数

按下式确定：

式中：

——在成孔挤密深度内，桩间土的平均干密度（

），平均试样不应少于6组。

（本题的桩孔设计按三角形布置，桩孔间中心距可取为0.84m）。

（3）、桩孔数量可按下式估算：

式中：

——桩孔的数量；

——拟处理地基的面积（㎡）；

——1根土或灰土挤密桩所承担的处理地基面积（㎡），即

；

——1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m）；

桩孔按等边三角形布置：

；

桩孔按正方形布置：

。

根据题设条件可求得：

拟处理地基的面积A=182.4m2；de=0.88m；Ae=0.61m2

所以可以求得布置桩孔的数量：

n=A/Ae=182.4/0.61=300根

（4）、桩孔深度

挤密桩孔深度主要取决于湿陷性黄土层的厚度、性质以及成孔机械的性能。

最小不得小于3m，因为深度过小使用土桩挤密不经济。

我国目前生产的成孔机械能达到的最大深度是15m，但随着我国建筑机械性能的进步和施工工艺的改善，成孔深度还可以增加（本题的桩孔深度可取值为8m）。

4、施工工艺

挤密土桩的施工程序位桩孔定位、桩孔成型、桩孔回填夯实。

（1）、桩孔定位

桩孔定位要求偏差不超过5cm。

可用小木桩或粗钢筋打入土中20cm，拔出后在孔内浇少许石灰水即可。

（2）、桩孔成型

桩孔成型是影响挤密桩地基工程质量的技术关键，也是问题多、操作困难的一道工序。

造孔的方法由沉管成孔法、爆扩成孔法和冲击挤密成孔法，本题不再赘述。

（3）桩孔回填夯实

使用锤击沉管成孔法于桩孔造成之后，需将打桩机移走，并将土桩夯实机就位在桩孔上，夯实锤对准桩孔。

然后将含水量适中的拌合均匀并过筛的涂料，按要求依量填入桩孔中，夯实之后土桩即筑成。

5、施工设计图：

根据理正岩土软件计算可知，其设计图如下所示

分别为平面图和剖面图，见下图所示

总结：

根据以上两个方案对比可知，采用第二个方案“土桩及灰土桩挤密法”较为合理

（B组）1、某场地面积约100×58㎡，采用条形基础，基础宽1.5m，埋深2.0m。

该场地土自上而下为：

①新近堆积黄土状亚粘土（Q42Al+pl），γ=16.4KN/m3，γd=13.4KN/m3，e为1.03，wL=33.25%，wP=19.58%，a0.1~0.2=0.05~0.15MPa-1,δs为0.032~0.056，厚5m，属高压缩、高湿陷性黄土。

②黄土状亚粘土（Q41Al+pl），γ=17.6KN/m3，γd=14.5KN/m3，e为0.856，wL=32.10%，wP=19.70%，δs为0.1~0.20，厚4.5m，属中压缩性、具湿陷性黄土。

③黄土状亚粘土（Q3Al+pl），γ=18.8KN/m3，γd=14.7KN/m3，e为0.76，wL=24.90%，wP=16.20%，δs为0.002，厚4.5m。

要求容许承载力[R]≥200KN/m2，消除全部湿陷性δs≤0.015；干容重γd≥16KN/m3，该场地不能满足工程设计要求，为消除湿陷性，降低变形量，进行地基处理设计。

解答方案如下所述：

（一）砂石桩法

1、概述

碎石桩、砂桩和砂石桩总称为砂石桩，它是指利用振动或冲击形式，在软弱的地基成孔后，填入砂、砾石、卵石、碎石等材料并将其挤入土中，形成较大直径的砂石体而构成的密实桩体。

砂石桩可用于处理松散砂土、粉土、粘性土、素填土及杂填土地基，该方法处理可液化地基是很有效的。

其工作机理主要靠桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密实度增大，从而使地基的承载力提高，压缩性降低。

2、设计计算

该方法的设计内容包括以下几个方面：

（1）、桩的平面布置。

采用正方形。

（2）、桩直径的大小。

采用500mm。

（3）、砂石桩的间距。

对粘性土地基砂石桩长宽间距采用0.6m。

（4）、砂石桩的长度。

主要取决于需加固处理的软土层的厚度，根据地基的稳定和变形验算确定为1.5m。

（5）、砂石桩处理范围应大于基底范围，处理宽度在基础外缘扩大2排桩。

（6）、砂石桩孔内填料量应通过现场试验确定，估算时按设计桩孔体积乘以充盈系数确定。

（7）、桩体材料可用碎石、卵石、圆砾、粗砂、中砂以及石屑等硬质材料，含泥量不得大于5％，最大粒径不宜大于50mm。

（8）、砂石顶部铺设一层厚度为450mm的砂石垫层。

（9）、砂石桩复合地基的承载力特征值，通过现场复合地基载荷试验确定为256.6kPa。

（10）、如果砂石桩处理地基发生变形，则按规范中的规定进行计算。

3、施工

砂石桩机包括桩基架、桩管及桩尖、提升设备、挤密装置、上料设备及监测装置等部分。

施工前应在现场进行成桩试验，以此检验设计要求和确定施工工艺及施工控制要求，包括砂石量、提升速度、挤压时间等。

以挤密桩为主的砂石桩施工时，应间隔进行，并宜由外侧向中间推进。

对粘性土地基，砂石桩主要起置换作用，为了保证设计的置换率，宜从中间向外围或隔排施工。

在既有建筑附近施工时，为了减少对临近既有建筑物的振动影响，应背离建筑物方向进行。

4、施工设计图：

根据理正岩土软件计算可知，其设计图如下所示

分别为平面图和剖面图，见下图所示

（二）水泥土搅拌法

1、概述

我国地域广大，有各种成因的软土层，其分布范围广、土层厚度大。

这类软土的特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、渗透性差、沉降稳定时间长。

水泥土搅拌法是利用水泥、石灰等材料做为固化剂，用过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土之间所产生的一系列物理化学反应，时软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，进而提高地基土强度和增大变形模量。

水泥土搅拌桩一般用于增加软土地基的承载力，减少沉降量。

《建筑地基处理技术规范》中规定如下：

（1）水泥土搅拌法分为深层搅拌法和粉体喷搅法。

水泥土搅拌桩适用于正常固结的淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土地基等。

当地基土的天然含水量小于30％、大于70％或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。

冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。

2、设计计算

水泥土搅拌法的设计内容包括以下几个方面：

（一）加固形式的选择

竖向承载搅拌桩的平面布置可根据建筑物的上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，采用柱状、壁状、块状等加固形式。

（根据题设条件，本题则选择柱状加固，桩的布置形式为三角形布桩）

（二）桩经以及桩间距和桩长选择

桩长应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，水泥土搅拌桩应尽可能穿透软弱土层，到达承载力相对较高的持力层，尽量避免在深厚软土层中采用“悬浮”桩型。

一般情况下，湿法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m，桩径不宜小于500mm。

（根据题设条件，本体则选用湿法加固，桩经为600mm，桩长为14.5m，桩间距水平为0.80m竖向间距为0.64m）

（三）单桩竖向承载力特征值计算

初步设计时可按下式估算

式中：

——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（

）；

——桩身强度折减系数，湿法取0.30；

——桩的周长（m）；

——桩长范围内所划分的土层数；

——桩周第i层土的侧阻力特征系数；

——桩长范围内第i层土的厚度；

——桩端地基土未经修正的承载力特征值（

）；

——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.5。

计算结果可知单桩竖向承载力取值为254kN。

（四）复合地基承载力特征值的确定

初步设计时可按下式估算

式中：

——复合地基承载力特征值（

）；

——面积置换率；

——单桩竖向承载力特征值（kN）；

——桩的截面积；

——桩间土承载力折减系数；

——处理后的桩间土承载力特征值（

），可取天然地基承载力特征值。

（五）下卧层地基的验算

可按下式验算

式中：

——假想实体基础底面压力（

）；

——假想实体基础底面面积（㎡）；

——地基处理面积（㎡）；

——假想实体基础自重（KN）；

——假想实体基础侧表面积（㎡）；

——作用在假想实体基础侧壁上的平均摩阻力特征值（

）；

——假想实体基础边缘软弱土的承载力（

）；

——假想实体基础持力层经修改后的地基承载力（

）。

计算结果可知，下卧层地基的承载力符合设计要求。

3施工工艺

3.1湿法施工

（一）搅拌机械

国内目前的水泥浆搅拌机有中心管喷浆方式和叶片喷浆方式两种

（二）施工流程

（1）定位

（2）预搅下沉（3）配置水泥浆（4）提升喷浆搅拌

（5）重复上、下搅拌（6）清洗（7）移位。

3.2、4、施工设计图：

根据理正岩土软件计算可知，其设计图如下所示

分别为平面图个剖面图，见下图所示

总结：

根据以上两个方案的对比可知，采用第一个方案“砂石桩法

”较为合理。