軟土地基處理施工技術(shù)(振沖法-旋噴樁-換填墊層)

軟弱土地基處理§9.1概述軟弱土是指淤泥、淤泥質(zhì)土和部分沖填土、雜填土及其他高壓縮性土。由軟弱土組成的地基稱(chēng)為軟弱土地基。淤泥和淤泥質(zhì)土一般是第四紀(jì)后期在濱海、湖泊、河灘、三角洲、冰磧等地質(zhì)沉積環(huán)境下沉積形成的，還有部分沖填土和雜填土。這類(lèi)土的物理特性大部分是飽和的，含有機(jī)質(zhì)，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí)，稱(chēng)為淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5時(shí)，則稱(chēng)為淤泥質(zhì)土。這類(lèi)土工程特性甚為軟弱，抗剪強(qiáng)度很低，壓縮性較高，滲透性很小，并具有結(jié)構(gòu)性，廣泛分布于我國(guó)東南沿海地區(qū)和內(nèi)陸江河湖泊的周?chē)?，是軟弱土的主要土?lèi)，通稱(chēng)軟土，一般具有下列工程特性：(1)含水量較高，孔隙比較大。因?yàn)檐浲恋某煞葜饕怯烧惩亮＝M和粉土粒組組成，并含少量的有機(jī)質(zhì)。粘粒的礦物成份為蒙脫石、高嶺石和伊利石。這些礦物晶粒很細(xì)，呈薄片狀，表面帶負(fù)電荷，它與周?chē)橘|(zhì)的水和陽(yáng)離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜。在不同的地質(zhì)環(huán)境下沉積形成各種絮狀結(jié)構(gòu)。因此，這類(lèi)土的含水量和孔隙比都比較高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般含水量為35～80%，孔隙比為1～2。軟土的高含水量和大孔隙比不但反映土中的礦物成份與介質(zhì)相互作用的性質(zhì)，同時(shí)也反映軟土的抗剪強(qiáng)度和壓縮性的大小。含水量愈大，土的抗剪強(qiáng)度愈小，壓縮性愈大。反之，強(qiáng)度愈大，壓縮性愈小?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》利用這一特性按含水量確定軟土地基的承載力基本值。許多學(xué)者把軟土的天然含水量與土的壓縮指數(shù)建立相關(guān)關(guān)系，推算土的壓縮指數(shù)。由此可見(jiàn)：從軟土的天然含水量可以略知其強(qiáng)度和壓縮性的大小，欲要改善地基軟土的強(qiáng)度和變形特性，那么首先應(yīng)考慮采用何種地基處理的方法，降低軟土的含水量。(2)抗剪強(qiáng)度很低。根據(jù)土工試驗(yàn)的結(jié)果，我國(guó)軟土的天然不排水抗剪強(qiáng)度一般小于20kPa，其變化范圍約在5～25kPa。有效內(nèi)摩擦角約為=20°～35°。固結(jié)不排水剪內(nèi)摩擦角=12°～17°。正常固結(jié)的軟土層的不排水剪切強(qiáng)度往往是隨離地表深度的增加而增大，每米的增長(zhǎng)率約為1～2kPa。在荷載的作用下，如果地基能夠排水固結(jié)，軟土的強(qiáng)度將產(chǎn)生顯著的變化，土層的固結(jié)速率愈快，軟土的強(qiáng)度增加愈大。加速軟土層的固結(jié)速率是改善軟土強(qiáng)度特性的一項(xiàng)有效途徑。(3)壓縮性較高。一般正常固結(jié)的軟土層的壓縮系數(shù)約為：，最大可達(dá)到；壓縮指數(shù)約為=0.35～0.75，它與天然含水量的關(guān)系為=0.0147－0.213。天然狀態(tài)的軟土層大多數(shù)屬于正常固結(jié)狀態(tài)，但也有部分是屬于超固結(jié)狀態(tài)，近代海岸灘涂沉積為欠固結(jié)狀態(tài)。欠固結(jié)狀態(tài)土在荷重作用下產(chǎn)生較大沉降。超固結(jié)狀態(tài)土，當(dāng)應(yīng)力未超過(guò)先期固結(jié)壓力時(shí)，地基的沉降很小。因此研究軟土的變形特性時(shí)應(yīng)注意考慮軟土的天然固結(jié)狀態(tài)。先期固結(jié)壓力和超固結(jié)比OCR是表示土層固結(jié)狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。它不但影響土的變形特性，同時(shí)也影響土的強(qiáng)度變化。(4)滲透性很小。軟土的滲透系數(shù)一般約為。所以在荷載作用下固結(jié)速率很慢。若軟土層的厚度超過(guò)l0cm，要使土層達(dá)到較大的固結(jié)度(如=90%)往往需要5～10年之久。所以在軟土層上的建筑物基礎(chǔ)的沉降往往拖延很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定，同樣在荷載作用下地基土的強(qiáng)度增長(zhǎng)也是很緩慢的。這對(duì)于改善地基土的工程特性是十分不利的。軟土層的滲透性有明顯的各向異性，水平向的滲透系數(shù)往往要比垂直向的滲透系數(shù)大，特別含有水平夾砂層的軟土層更為顯著，這是改善軟土層工程特性的一個(gè)有利因素。(5)具有明顯的結(jié)構(gòu)性。軟土一般為絮狀結(jié)構(gòu)，尤以海相粘土更為明顯。這種土一旦受到擾動(dòng)(振動(dòng)、攪拌、擠壓等)，土的強(qiáng)度顯著降低，甚至呈流動(dòng)狀態(tài)。土的結(jié)構(gòu)性常用靈敏度St表示。我國(guó)沿海軟土的靈敏度一般為4～10，屬于高靈敏土。因此，在軟土層中進(jìn)行地基處理和基坑開(kāi)挖，若不注意避免擾動(dòng)土的結(jié)構(gòu)，就會(huì)加劇土體的變形，降低地基土的強(qiáng)度，影響地基處理的效果。(6)具有明顯的流變性。在荷載的作用下，軟土承受剪應(yīng)力的作用產(chǎn)生緩慢的剪切變形，并可能導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減，在主固結(jié)沉降完畢之后還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。根據(jù)上述軟土的特點(diǎn)，以軟土作為建筑物的地基是十分不利的。由于軟土的強(qiáng)度很低，天然地基上淺基礎(chǔ)的承載力基本值一般為50～80kPa，這就不能承受較大的建筑物荷載，否則就可能出現(xiàn)地基的局部破壞乃至整體滑動(dòng)，在開(kāi)挖較深的基坑時(shí)，就可能出現(xiàn)基坑的隆起和坑壁的失穩(wěn)現(xiàn)象。由于軟土的壓縮性較高，建筑物基礎(chǔ)的沉降和不均勻沉降是比較大的，對(duì)于一般四層至七層的砌體承重結(jié)構(gòu)房屋，最終沉降約為0.2～0.5m，對(duì)于荷載較大的構(gòu)筑物(貯罐、糧倉(cāng)、水池)基礎(chǔ)的沉降一般達(dá)0.5m以上，有些達(dá)到2m以上。如果建筑物各部位荷載差異較大，體形又比較復(fù)雜，那就要產(chǎn)生較大的不均勻沉降。沉降和不均勻沉降過(guò)大將引起建筑物基礎(chǔ)標(biāo)高的降低，影響建筑物的使用條件，或者造成傾斜、開(kāi)裂破壞。由于滲透性很小，固結(jié)速率很慢，沉降延續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)，使建筑物內(nèi)部設(shè)備的安裝和與外部的連接帶來(lái)許多困難，同時(shí)，軟土的強(qiáng)度增長(zhǎng)比較緩慢，長(zhǎng)期處于軟弱狀態(tài)，影響地基加固的效果。由于軟土具有比較高的靈敏度，若在地基施工中采取振動(dòng)、擠壓和攪拌等作用，就可能引起軟土結(jié)構(gòu)的破壞，降低軟土的強(qiáng)度。因此，在軟土地基上建造建筑物，則要求對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。地基處理的目的主要是改善地基土的工程性質(zhì)，達(dá)到滿足建筑物對(duì)地基穩(wěn)定和變形的要求，包括改善地基土的變形特性和滲透性，提高其抗剪強(qiáng)度和抗液化能力，消除其他不利的影響。近年來(lái)許多重要的工程和復(fù)雜的工業(yè)廠房在軟弱土地基上興建，工程實(shí)踐的要求推動(dòng)了軟弱土地基處理技術(shù)的迅速發(fā)展，地基處理的途徑愈來(lái)愈多，考慮問(wèn)題的思路日益新穎，老的方法不斷改進(jìn)完善，新的方法不斷涌現(xiàn)。根據(jù)地基處理方法的原理，基本上分為如表9-1所示的幾類(lèi)。表中各種地基處理方法都有各自的特點(diǎn)和作用機(jī)理，在不同的土類(lèi)中產(chǎn)生不同的加固效果和局限性。沒(méi)有哪一種方法是萬(wàn)能的。具體的工程地質(zhì)條件是千變?nèi)f化的，工程對(duì)地基的要求也是不相同的，而且材料的來(lái)源、施工機(jī)具和施工條件也因工程地點(diǎn)的不同又有較大的差別。因此，對(duì)于每一工程必須進(jìn)行綜合考慮，通過(guò)幾種可能采用的地基處理方案的比較，選擇一種技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工可行的方案，既可以是單一的地基處理方法，也可以是多種地基處理方法的綜合處理。軟弱土地基處理方法分類(lèi)表達(dá)式表9-1表9-1雖已列出多種地基處理方法，但仍有些方法來(lái)納入表內(nèi)，而且目前又有新的發(fā)展，不能一一闡述。本章簡(jiǎn)要介紹幾種常用地基處理方法的作用原理、設(shè)計(jì)方法和施工質(zhì)量要求?！?.2碾壓法及夯實(shí)法建筑物地基表層的松散填土、雜填土或其他松軟土層，常常要求壓實(shí)后才能作為地基的持力層。夯硪或蛙夯的夯擊功能很小，影響深度很淺，只能應(yīng)用于整平基槽或局部壓實(shí)。一般建筑物地基要求增大壓實(shí)的影響深度，常用壓實(shí)功能較大的重錘夯實(shí)、機(jī)械碾壓和振動(dòng)壓實(shí)等方法處理。近年來(lái)夯實(shí)技術(shù)的發(fā)展突破了原來(lái)壓實(shí)的原理，出現(xiàn)了強(qiáng)夯法。這已不屬于一般的壓實(shí)范圍了，而是一種通過(guò)夯擊產(chǎn)生振動(dòng)波處理地基的方法。因?yàn)樗€是用錘夯擊，所以在這里一并介紹。9.2.1重錘夯實(shí)法圖9-1重錘重錘夯實(shí)法是利用起重機(jī)將重錘提到一定高度，然后使其自由落下，重復(fù)夯打，把地基表層夯實(shí)。這種方法可用于處理非飽和粘性土或雜填土，提高其強(qiáng)度，減少其壓縮性和不均勻性，也可用于處理濕陷性黃土，消除其濕陷性。重錘夯實(shí)法的主要機(jī)具是起重機(jī)和重錘。重錘為一截頭的圓錐體(見(jiàn)圖9-1)，錘重不小于15kN，錘底的直徑約為0.7～1.5m。重錘夯實(shí)的效果與錘重、錘底的直徑、落距、夯擊的遍數(shù)、夯實(shí)土的種類(lèi)和含水量有密切關(guān)系。合理選定上述參數(shù)和控制土的含水量，才能達(dá)到較好的夯實(shí)效果，因此在施工時(shí)，一方面控制含水量，使土在最優(yōu)含水量條件下夯實(shí)，另一方面，若夯實(shí)土的含水量發(fā)生變化，則可以調(diào)節(jié)夯實(shí)功的大小，使夯實(shí)功適應(yīng)土的實(shí)際含水量。一般情況，增大夯實(shí)功或增加夯擊的遍數(shù)可以提高夯實(shí)的效果。但是當(dāng)土夯實(shí)到達(dá)某一密實(shí)度時(shí)，再增大夯實(shí)功和夯擊遍數(shù)，土的密度卻不再增大了，甚至有時(shí)會(huì)使土的密實(shí)度降低。夯實(shí)功和夯擊的遍數(shù)一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，夯實(shí)的影響深度約為重錘底直徑的一倍左右；夯實(shí)后雜填土地基的承載力基本值一般可以達(dá)到100～150kPa。對(duì)于地下水位離地表很近或軟弱土層埋置很淺的情況，重錘夯實(shí)可能產(chǎn)生橡皮土的不良的效果，所以要求重錘夯實(shí)的影響深度高出地下水位0.8m以上，且不宜存在飽和軟土層。9.2.2機(jī)械碾壓法機(jī)械碾壓法是一種采用平碾、羊足碾、壓路機(jī)、推土機(jī)或其他壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)松軟土的方法。這種方法常用于大面積填土的壓實(shí)和雜填土地基的處理，碾壓的效果主要決定于被壓實(shí)土的含水量和壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)能量。在實(shí)際工程中若要求獲得較好的壓實(shí)效果，應(yīng)根據(jù)碾壓機(jī)械的壓實(shí)能量，控制碾壓土的含水量，選擇適合的分層碾壓厚度和遍數(shù)，一般可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定。關(guān)于粘性土的碾壓，通常用80～100kN的平碾或120kN的羊足碾，每層鋪土厚度約為200～300mm，碾壓8～12遍，碾壓后填土地基的質(zhì)量常以壓實(shí)系數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)含水量控制，壓實(shí)系數(shù)為控制的干密度與最大干密度的比值，在主要受力層范圍內(nèi)一般要求>0.96。9.2.3振動(dòng)壓實(shí)法振動(dòng)壓實(shí)法是一種在地基表面施加振動(dòng)把淺層松散土振實(shí)的方法。振動(dòng)壓實(shí)機(jī)是這種方法的主要機(jī)具，自重為20kN，振動(dòng)力為50～100kN，頻率為1160～1180轉(zhuǎn)／分，振幅為3.5mm。這種方法主要應(yīng)用于處理砂土、爐碴、碎石等無(wú)粘性土為主的填土，振動(dòng)壓實(shí)的效果主要決定于被壓實(shí)土的成分和振動(dòng)的時(shí)間，振動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，效果越好。但超過(guò)一定時(shí)間后，振動(dòng)的效果就趨于穩(wěn)定。所以在施工之前先進(jìn)行試振，確定振動(dòng)所需的時(shí)間和產(chǎn)生的下沉量，例如爐灰和細(xì)粒填土，振實(shí)的時(shí)間約為3～5分鐘，有效的振實(shí)深度約為1.2～1.5m。一般雜填土經(jīng)過(guò)振實(shí)后，地基承載力基本值可以達(dá)到100～120kPa。如地下水位太高，則將影響振實(shí)的效果。另外應(yīng)注意振動(dòng)對(duì)周?chē)ㄖ锏挠绊?，振源與建筑物的距離應(yīng)大于3m。9.2.4強(qiáng)夯法強(qiáng)夯法是法國(guó)L．梅納(Menard，1969)首創(chuàng)的一種地基加固的方法，即用幾十噸重錘從高處落下，反復(fù)多次夯擊地面，對(duì)地基進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)。這種強(qiáng)大的夯擊力在地基中產(chǎn)生應(yīng)力和振動(dòng)，從地面夯擊點(diǎn)發(fā)出的縱波和橫波可以傳至土層深處，從而使淺層和深層得到不同程度的加固作用。實(shí)踐證明,效果顯著。如圖9-2所示，經(jīng)強(qiáng)夯后的地基承載力可提高2～5倍，壓縮性可降低200～500%，影響深度在10m以上。而且這種方法具有施工簡(jiǎn)單、速度快、節(jié)省材料等特點(diǎn)，因而受到工程界的廣泛重視。9.2.4.1強(qiáng)夯法的作用機(jī)理關(guān)于強(qiáng)夯法加固地基的作用機(jī)理，目前尚未完全了解。然而通過(guò)大量工程實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析，對(duì)強(qiáng)夯作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐步明朗。強(qiáng)夯加固地基主要是由于強(qiáng)大的夯擊能在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力對(duì)土體作用的結(jié)果。由強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊波，按其在土中的傳播和對(duì)土作用的特性可分為體波和面波兩類(lèi)(詳見(jiàn)第十一章)。體波包括縱波和橫波(或分別稱(chēng)為壓縮波和剪切波)，從夯擊點(diǎn)向地基深處傳播，對(duì)地基土起壓縮和剪切作用，可能引起地基土的壓密固結(jié)。面波從夯擊點(diǎn)沿地表面?zhèn)鞑?，?duì)地基不起加固作用，而使地基表面松動(dòng)。因此，強(qiáng)夯的結(jié)果，在地基中沿深度常形成性質(zhì)不同的三個(gè)作用區(qū)。在地基表層受到面波和剪切波的干擾形成松動(dòng)區(qū)；在松動(dòng)區(qū)下面某一深度，受到壓縮波的作用，使土層產(chǎn)生沉降和土體的壓密，形成加固區(qū)；在加固區(qū)下面，沖擊波逐漸衰減，不足以使土產(chǎn)生塑性變形，對(duì)地基不起加固作用，稱(chēng)為彈性區(qū)。圖9-2夯實(shí)前后的旁壓儀試驗(yàn)結(jié)果在強(qiáng)夯的過(guò)程中，根據(jù)土體中的孔隙水壓力、動(dòng)應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，加固區(qū)內(nèi)波對(duì)土體的作用可分為三個(gè)階段，如圖9-3所示：(1)加載階段(或段)，即夯擊的一瞬間，夯錘的沖擊使地基土體產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和動(dòng)應(yīng)力，在波動(dòng)的影響帶內(nèi)，動(dòng)應(yīng)力和孔隙水壓力急劇上升(和)，而動(dòng)應(yīng)力往往大于孔隙水壓力()，動(dòng)的有效應(yīng)力使土體產(chǎn)生塑性變形，破壞土的結(jié)構(gòu)。對(duì)于砂土，迫使土的顆粒重新排列而密實(shí)。對(duì)于粘性土，土骨架被迫壓縮，同時(shí)由于土體中的水和土顆粒兩種介質(zhì)引起不同的振動(dòng)效應(yīng)，兩者的動(dòng)應(yīng)力差大于土顆粒的吸附能時(shí)，土中部分結(jié)合水和毛細(xì)水從顆粒間析出，產(chǎn)生動(dòng)力水聚結(jié)，形成排水通道，制造動(dòng)力排水條件。(2)卸載階段(或段)，即夯擊動(dòng)能卸去的一瞬間，動(dòng)的總應(yīng)力瞬息即逝，然而土中孔隙水壓力仍然保持較高的水平，此時(shí)孔隙水壓力大于有效應(yīng)力，因此土體中存在較大的負(fù)有效應(yīng)力，引起砂土的液化。在粘性土地基中，當(dāng)最大孔隙水壓力大于小主應(yīng)力、靜止側(cè)壓力及土的抗拉強(qiáng)度之和時(shí)，土體開(kāi)裂，滲透性迅速增大，孔隙水壓力迅速下降。(3)動(dòng)力固結(jié)階段(或段)，在卸載之后，土體中仍然保持一定的孔隙水壓力，土體就在此壓力作用下排水固結(jié)。在砂土中，孔隙水壓力消散甚快，約3～5分鐘，使砂土進(jìn)一步密實(shí)：在粘性土中，孔隙水壓力消散較慢，可能要延續(xù)2～4周。如果有條件排水固結(jié)，土顆粒進(jìn)一步靠近，重新形成新的水膜和結(jié)構(gòu)連接，土的強(qiáng)度逐漸恢復(fù)和提高，達(dá)到加固地基的目的。上述三個(gè)過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)力固結(jié)。如果在加載和卸載階段所形成的最大孔隙水壓力不能使土體開(kāi)裂，也不能使土顆粒的水膜和毛細(xì)水析出，動(dòng)荷載卸去后，孔隙中水未能迅速排走，則孔隙水壓力很大，土的結(jié)構(gòu)已被擾動(dòng)破壞，又沒(méi)有條件排水固結(jié)；土顆粒間的觸變恢復(fù)條件又較慢，在這種情況下，不但不能使粘性土加固，反而使土擾動(dòng)，降低了地基土的抗剪強(qiáng)度，增大土的壓縮性。因此對(duì)飽和粘性土進(jìn)行強(qiáng)夯，應(yīng)根據(jù)波在土中傳播的特性，按照地基土的性質(zhì)選擇適合的強(qiáng)夯能量，同時(shí)又要注意設(shè)置排水條件和觸變恢復(fù)條件，才能使強(qiáng)夯獲得良好的加固效果。在施工前，事先必須進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力固結(jié)試驗(yàn)，探討強(qiáng)夯加固土體的規(guī)律，選擇強(qiáng)夯能量和方法，檢驗(yàn)是否能產(chǎn)生動(dòng)力排水固結(jié)和觸變恢復(fù)。否則就不易在飽和粘性土地基中獲得良好的效果，有些工程在飽和軟土中進(jìn)行強(qiáng)夯未能獲得預(yù)期的效果，甚至破壞了土的結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵陲柡驼承酝林袕?qiáng)夯不易控制達(dá)到動(dòng)力固結(jié)的緣故。所以應(yīng)持慎重態(tài)度。圖9-3強(qiáng)夯沖擊波對(duì)土體的作用過(guò)程關(guān)于非飽和土的強(qiáng)夯機(jī)理，可以認(rèn)為：夯擊能量產(chǎn)生的波和動(dòng)應(yīng)力的反復(fù)作用，迫使土骨架產(chǎn)生塑性變形，由夯擊能轉(zhuǎn)化為土骨架的變形能，使土密實(shí)，提高土的抗剪強(qiáng)度,改善土的變形特性。9.2.4.2強(qiáng)夯實(shí)施要點(diǎn)為了使強(qiáng)夯加固達(dá)到預(yù)期的效果，首先根據(jù)建筑物對(duì)地基加固深度的要求，確定所需的夯擊能量，然后根據(jù)被加固地基的土類(lèi)，按其強(qiáng)夯的機(jī)理選擇錘重、落高、夯擊點(diǎn)間距、排列、夯擊遍數(shù)、每遍夯擊點(diǎn)的擊數(shù)和每遍間歇的時(shí)間等。夯擊的能量與加固深度的關(guān)系，可用經(jīng)驗(yàn)公式估算：（9-1）式中—錘重，—落高，—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它與波在土中傳播的速度及土吸收能量的能力有關(guān)。根據(jù)我國(guó)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，值約為0.4～0.8之間，碎石土、砂土等為0.45～0.5，粉土、粘性土、濕陷性黃土等為0.4～0.45。錘重和落高決定于加固深度所需的能量，錘重有100kN、150kN、200kN、300kN等，落高則由起重設(shè)備來(lái)決定。當(dāng)夯擊的能量確定后，便可根據(jù)施工設(shè)備的條件選擇錘重和落高，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試夯確定。強(qiáng)夯時(shí)，一般按一定的間距和排列布置夯點(diǎn)，然后在每一夯擊點(diǎn)連續(xù)夯擊，開(kāi)始夯擊時(shí)形成一個(gè)夯坑，第一擊下沉較大，連續(xù)多次夯擊后，下沉逐漸減少，待最后二擊平均下沉量不大于50mm時(shí)，停止夯擊，完成全部夯擊點(diǎn)稱(chēng)為第一遍。間歇一段時(shí)間后，待夯擊引起的孔隙水壓力消散后，繼續(xù)夯擊第二、第三遍。夯擊點(diǎn)的布置一般按方格布置，間距約5～9m。第一遍夯點(diǎn)距離不宜太小，約為夯錘直徑的3～4倍，第二、三遍的距離逐漸減小，完成全部夯擊遍數(shù)，最后用低能量滿夯，每遍夯擊數(shù)一般約5～10擊，夯擊遍數(shù)和要求與土的種類(lèi)有關(guān)，一般約為2～4遍，每遍間歇時(shí)間決定孔隙水壓力消散的速率，對(duì)于砂土地基間歇時(shí)間很短，甚至可以連續(xù)夯擊，對(duì)于粘性土一般為15～30天。強(qiáng)夯法適用于處理砂土，碎石土，低飽和度的粘性土，粉土，濕陷性黃土等。在飽和軟弱土地基采用強(qiáng)夯法時(shí)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得效果后才宜采用。這種方法不足之處是施工振動(dòng)大，噪音大，影響附近建筑物，所以在城市中不宜采用?！?.3換土墊層法9.3.1換土墊層及其作用當(dāng)建筑物基礎(chǔ)下的持力層比較軟弱，不能滿足上部荷載對(duì)地基的要求時(shí)，常采用換土墊層來(lái)處理軟弱土地基，即將基礎(chǔ)下一定范圍內(nèi)的土層挖去，然后回填以強(qiáng)度較大的砂、碎石或灰土等，并夯至密實(shí)。實(shí)踐證明：換土墊層可以有效地處理某些荷載不大的建筑物地基問(wèn)題，例如：一般的三、四層房屋、路堤、油罐和水閘等的地基。換土墊層按其回填的材料可分為砂墊層、碎石墊層、素土墊層、灰土墊層等。下面僅以砂墊層為例討論換土墊層的作用和原理。砂墊層的主要作用是：（1）提高淺基礎(chǔ)下地基的承載力。一般來(lái)說(shuō)，地基中的剪切破壞是從基礎(chǔ)底面開(kāi)始的，并隨著應(yīng)力的增大逐漸向縱深發(fā)展。因此，若以強(qiáng)度較大的砂代替可能產(chǎn)生剪切破壞的軟弱土，就可以避免地基的破壞。（2）減少沉降量。一般情況下，基礎(chǔ)下淺層地基的沉降量在總沉降量中所占的比例是比較大的。以條形基礎(chǔ)為例，在相當(dāng)于基礎(chǔ)寬度的深度范圍內(nèi)沉降量約占總沉降量的50%左右，同時(shí)由側(cè)向變形而引起的沉降，理論上也是淺層部分占的比例較大，若以密實(shí)的砂代替了淺層軟弱土，那么就可以減少大部分的沉降量。由于砂墊層對(duì)應(yīng)力的擴(kuò)散作用，作用在下臥土層上的壓力較小，這樣也會(huì)相應(yīng)減少下臥土層的沉降量。（3）加速軟弱土層的排水固結(jié)。建筑物的不透水基礎(chǔ)直接與軟弱土層接觸時(shí)，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫繞基礎(chǔ)兩側(cè)排出，因而使基底下的軟弱土不易固結(jié)，形成較大的孔隙水壓力，還可能導(dǎo)致由于地基土強(qiáng)度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險(xiǎn)。砂墊層提供了基底下的排水面，不但可以使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，避免地基土的塑性破壞，還可以加速砂墊層下軟弱土層的固結(jié)及其強(qiáng)度的提高，但是固結(jié)的效果只限于表層，深部的影響就不顯著了。在各類(lèi)工程中，砂墊層的作用是不同的，房屋建筑物基礎(chǔ)下的砂墊層主要起置換的作用，對(duì)路堤和土壩等，則主要是利用其排水固結(jié)作用。9.3.2砂墊層(或碎石墊層)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)砂墊層設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定斷面的合理寬度。根據(jù)建筑物對(duì)地基變形及穩(wěn)定的要求，對(duì)于換土墊層，既要求有足夠的厚度置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止砂墊層向兩側(cè)擠動(dòng)。對(duì)于排水墊層，一方面要求有一定的厚度和寬度防止加荷過(guò)程中產(chǎn)生局部剪切破壞，另一方面要求形成一個(gè)排水層，促進(jìn)軟弱土層的固結(jié)。砂墊層設(shè)計(jì)的方法有多種，本節(jié)只介紹一種常用的方法。1．砂墊層厚度的確定：根據(jù)墊層作用的原理，砂墊層厚度必須滿足在建筑物荷載作用下墊層地基不應(yīng)產(chǎn)生剪切破壞，同時(shí)通過(guò)墊層傳遞至下臥軟弱土層的應(yīng)力也不產(chǎn)生局部剪切破壞，即應(yīng)滿足節(jié)6-6式(6-24)對(duì)軟弱下臥層驗(yàn)算的要求(但其中地基壓力擴(kuò)散角的取值方法不同)：≤（9-2）式中—砂墊層底面處軟弱土層的承載力設(shè)計(jì)值，kPa(應(yīng)按墊層底面的深度考慮深度修正)；—二砂墊層底面處土的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；—砂墊層底面處的附加應(yīng)力設(shè)計(jì)值，kPa，按圖9-4中的應(yīng)力擴(kuò)散圖形計(jì)算，對(duì)條形基礎(chǔ)為：(9-3a)對(duì)矩形基礎(chǔ)為：（9-3b）—基礎(chǔ)的長(zhǎng)度和寬度，m；—砂墊層的厚度，m；—基底壓力設(shè)計(jì)值，kh，—基礎(chǔ)底面標(biāo)高處土的自重應(yīng)力，kPa，—砂墊層的壓力擴(kuò)散角，可按表9-2采用。圖9-4砂墊層剖面圖壓力擴(kuò)散角(度)表9-2換填材料中、粗、礫、碎石土、石屑粉質(zhì)粘土和粉土（8＜＜14）灰土0.25≥0.50203062330注：1、當(dāng)<0.25時(shí)，除灰土外，其余材料均取=0°；2、當(dāng)0.25<<0.50時(shí)，可內(nèi)插求得。計(jì)算時(shí)，先假設(shè)一個(gè)墊層的厚度，然后用式(9-2)驗(yàn)算。如不合要求，則改變厚度，重新驗(yàn)算，直至滿足為止，一般砂墊層的厚度為1～2m左右，過(guò)薄的墊層(<0.5m)的作用不顯著，墊層太厚(>3m)則施工較困難。2.砂墊層寬度的決定：砂墊層的寬度一方面要滿足應(yīng)力擴(kuò)散的要求，另一方面防止墊層向兩邊擠動(dòng)。關(guān)于寬度的計(jì)算，目前還缺乏可靠的理論方法，在實(shí)踐中常常按照當(dāng)?shù)啬承┙?jīng)驗(yàn)數(shù)(考慮墊層兩側(cè)土的性質(zhì))或按經(jīng)驗(yàn)方法確定，常用的經(jīng)驗(yàn)方法是擴(kuò)散角法，如圖9-4，設(shè)墊層厚度為z，墊層底寬按基礎(chǔ)底面每邊向外擴(kuò)出考慮，那么條形基礎(chǔ)下砂墊層底寬應(yīng)不小于。擴(kuò)散角仍按表(9-2)的規(guī)定采用。底寬確定以后，然后根據(jù)開(kāi)挖基坑所要求的坡度延伸至地面，即得砂墊層的設(shè)計(jì)斷面。砂墊層斷面確定之后，對(duì)于比較重要的建筑物還要求驗(yàn)算基礎(chǔ)的沉降，以便使建筑物基礎(chǔ)的最終沉降值小于建筑物的允許沉降值。驗(yàn)算時(shí)不考慮砂墊層本身的變形。以上按應(yīng)力擴(kuò)散設(shè)計(jì)砂墊層的方法比較簡(jiǎn)單，故常被設(shè)計(jì)人員所采用。但是必須注意，應(yīng)用此法驗(yàn)算砂墊層的厚度時(shí)，往往得不到接近實(shí)際的結(jié)果。因?yàn)樵黾由皦|層的厚度時(shí)，式(9-2)中的雖可減少，但卻增大了，因而兩者之和()的減少并不明顯，所以這樣設(shè)計(jì)的砂墊層往往較厚(偏于安全)?！纠}9-1】某四層磚混結(jié)構(gòu)的住宅建筑，承重墻下為條形基礎(chǔ)，寬1.2m，埋深1m，上部建筑物作用于基礎(chǔ)的荷載每米120kN，基礎(chǔ)的平均重度為20kN/m3。地基土表，層為粉質(zhì)粘土，厚1m，重度為17.5kN/m3，第二層為淤泥質(zhì)粘土，厚15m，重度為17.8kN/m3，含水量65%，第三層為密實(shí)的砂礫石。地下水距地表為1m。因?yàn)榈鼗凛^軟弱，不能承受建筑物的荷載，試設(shè)計(jì)砂墊層?！窘狻?1)先假設(shè)砂墊層的厚度為1m，并要求分層碾壓夯實(shí)，干密度達(dá)到>1.5t/m3。(2)砂墊層厚度的驗(yàn)算：根據(jù)題意，基礎(chǔ)底面平均壓力設(shè)計(jì)值為：砂墊層底面的附加應(yīng)力由式(9-3a)得例圖9-1砂墊層剖面圖根據(jù)持力層淤泥的含水量65%，查表6-7得地基承載力基本值=50kPa，從地基勘察報(bào)告查得回歸修正系數(shù)=0.90，則計(jì)算地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值=50×0.9=45kPa。再經(jīng)深度修正得地基承載力設(shè)計(jì)值。則這說(shuō)明所設(shè)計(jì)的墊層厚度不夠，再假設(shè)墊層厚度為1.7m，同理可得(3)確定砂墊層的底寬為(4)繪制砂墊層剖面圖，如例圖9-1所示。9.3.3砂墊層(或碎石墊層)的施工要點(diǎn)(1)砂墊層的砂料必須具有良好的壓實(shí)性，以中、粗砂為好，也可使用碎石；細(xì)砂雖然也可以作墊層，但不易壓實(shí)，且強(qiáng)度不高。墊層用料雖然要求不高，但不均勻系數(shù)不能小于5，有機(jī)質(zhì)含量、含泥量和水穩(wěn)性不良的物質(zhì)不宜超過(guò)2%，且不希望摻有大石塊。(2)砂墊層施工的關(guān)鍵是如何將砂加密至設(shè)計(jì)的要求。加密的方法常用的有加水振動(dòng)、水撼法、碾壓法等。這些方法都要求控制一定的含水量，分層鋪砂，逐層振密或壓實(shí)。含水量太低或飽和砂都不易密實(shí)。以濕潤(rùn)到接近飽和狀態(tài)時(shí)為好。(3)開(kāi)挖基坑鋪設(shè)砂墊層時(shí)，必須避免擾動(dòng)軟土層的表面和破壞坑底土的結(jié)構(gòu)。因此基坑開(kāi)挖后，應(yīng)立即回填，不能暴露過(guò)久或浸水，更不得任意踐踏坑底。(4)當(dāng)采用碎石墊層時(shí)，為了避免碎石擠入土中，應(yīng)在坑底先鋪一層砂，然后再鋪碎石墊層。墊層的種類(lèi)很多，除了砂和碎石墊層外，還有素土和灰土墊層等，近年來(lái)又發(fā)展了類(lèi)似墊層的土工聚合物加筋墊層?！?.4排水固結(jié)法9.4.1排水固結(jié)法的原理排水固結(jié)法就是利用地基排水固結(jié)規(guī)律，采用各種排水技術(shù)措施處理飽和軟弱土的一種方法。它的基本原理可用圖9-5來(lái)說(shuō)明。在壓縮曲線中，當(dāng)試樣的天然壓力為時(shí)，對(duì)應(yīng)的孔隙比為，如圖中的點(diǎn)，當(dāng)壓力增加至固結(jié)完成時(shí)，孔隙比變化至點(diǎn)，孔隙比減少了；與此同時(shí)，在抗剪強(qiáng)度與固結(jié)壓力的變化曲線中，抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)壓力的增大也由點(diǎn)提高至點(diǎn)，增長(zhǎng)了。如果從點(diǎn)卸除壓力，則土樣產(chǎn)生膨脹，曲線由返回到點(diǎn)，然后又從點(diǎn)再加壓力至完全固結(jié)，土樣再壓縮沿虛線至點(diǎn)，相應(yīng)的強(qiáng)度也從點(diǎn)增大至點(diǎn)。由此可見(jiàn)，地基受壓固結(jié)時(shí)，一方面孔隙比減少，土體被壓縮，抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)提高，另一方面，卸荷再壓縮時(shí)，固結(jié)壓力同樣從增加，而孔隙比僅減少，因?yàn)橥馏w己變?yōu)槌探Y(jié)狀態(tài)的壓縮，所以比小得多，抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)有所提高。圖9-5排水固結(jié)增大地基土密度的原理圖9-6排水法原理(a)豎向排水情況；(b)砂井地基排水情況排水固結(jié)法就是利用這一變化規(guī)律來(lái)處理軟弱土地基，主要有兩方面問(wèn)題。1.沉降問(wèn)題：預(yù)先在擬建的建筑物場(chǎng)地上施加一預(yù)壓荷載，使土層固結(jié)，然后卸去頂壓荷載建造建筑物，稱(chēng)為預(yù)壓法，這樣由建筑荷載引起的沉降和沉降差就大大地減少了。2.穩(wěn)定問(wèn)題：利用建筑物荷載作用，促使地基土排水固結(jié)引起抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，提高地基的承載力，控制施工加荷速率，滿足建筑物荷載對(duì)地基穩(wěn)定性的要求。地基土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界有關(guān)。根據(jù)固結(jié)理論，在達(dá)到同一固結(jié)度時(shí)，固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的長(zhǎng)短的平方成正比。如圖9-6所示，軟弱土層越厚，一維固結(jié)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，如果淤泥質(zhì)土層厚度大于10～20m，要達(dá)到較大固結(jié)度(U>80%)，所需的時(shí)間要幾年至十幾年之久。為了加速固結(jié)，最有效的辦法就是在天然土層中增加排水途徑，縮短排水距離。在天然地基中設(shè)置垂直向排水體(砂井或塑料排水帶)，如圖9-6所示，這就是縮短排水距離的最好措施。所以砂井或塑料排水帶的作用就是增加排水條件，縮短排水距離，加速地基的固結(jié)，加速抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)，加速沉降的發(fā)展。在地基處理中，主要是利用這些加速作用，縮短預(yù)壓工程的預(yù)壓期，在短期內(nèi)達(dá)到較好的固結(jié)效果，使沉降提前完成，加速地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，使地基承載力提高的速率始終大于施工荷載增長(zhǎng)的速率，以保證地基的穩(wěn)定性。這一點(diǎn)無(wú)論從理論和實(shí)踐都得到證實(shí)。例如浙江省寧波機(jī)場(chǎng)和溫州機(jī)場(chǎng)，在厚20～40m的淤泥質(zhì)粘土地基上，采用砂井堆載預(yù)壓建造跑道，效果良好。又如慈溪市杜湖水庫(kù)軟基土壩工程，如圖9-7所示。土壩下為淤泥質(zhì)粘土，平均厚度為15.5m，其下為砂礫石層，軟土層的天然十字板試驗(yàn)強(qiáng)度平均為17.8kPa，土壩的設(shè)計(jì)高度為17.5m。壩基用砂井處理，砂井的直徑為420mm，間距為3m，井深為14m(來(lái)打穿軟土層)。在開(kāi)始施工以后，隨著土壩的填筑，荷載逐漸增大，地基逐漸固結(jié)，土層的抗剪強(qiáng)度也逐漸增大。當(dāng)壩填筑至14m時(shí)，歷時(shí)約二年，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)十字板試驗(yàn)強(qiáng)度平均達(dá)到57.2kPa，如圖9-8所示，相當(dāng)于天然地基土的強(qiáng)度的3.2倍。當(dāng)填筑到18m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)十字板強(qiáng)度平均到達(dá)69.0kPa，相當(dāng)天然地基強(qiáng)度的4倍。由于地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，使原來(lái)只能填筑4～5m土堤的地基可以順利地填筑至壩高17.5m。當(dāng)土壩填筑至17.5m時(shí)，平均沉降達(dá)2.5m，相應(yīng)的固結(jié)度為80%。圖9-7杜湖水庫(kù)砂井地基剖面圖必須指出：排水固結(jié)法的應(yīng)用條件，除了設(shè)置砂井或塑料排水帶的施工機(jī)械和外，必須要有：(1)預(yù)壓荷載；(2)預(yù)壓時(shí)間和(3)適用的土類(lèi)等條件。預(yù)壓荷載是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)槭┘宇A(yù)壓荷載后才能引起地基的排水固結(jié)，然而施加一個(gè)與建筑物相等的荷載，這并非輕而易舉之事，少則幾千噸，大則數(shù)十萬(wàn)噸。許多工程因無(wú)條件施加預(yù)壓荷載而不宜采用砂井處理地基。為了解決這一問(wèn)題，發(fā)展了各種排水固結(jié)法，如：(1)真空預(yù)壓法；(2)降水預(yù)壓法；(3)電滲排水等等。堆載預(yù)壓是在地基中形成超靜水壓力條件下排水固結(jié)，稱(chēng)為正壓固結(jié)，真空預(yù)壓和降水預(yù)壓是在負(fù)超靜水壓力下排水固結(jié)，稱(chēng)為負(fù)壓固結(jié)，兩者的原理是類(lèi)似的。預(yù)壓時(shí)間是通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)確定，如果實(shí)際工程有充裕的時(shí)間條件，可考慮用天然地基排水條件進(jìn)行排水固結(jié)，反之，則采用不同間距和深度的砂井，加速地基的固結(jié)以滿足工程的要求。圖9-8壩基實(shí)測(cè)十字板強(qiáng)度分布圖排水固結(jié)法適用于處理各類(lèi)淤泥、淤泥質(zhì)土及其他類(lèi)飽和軟粘土。對(duì)于砂土和粉上，因透水性良好，無(wú)需用砂井排水固結(jié)處理地基；含水平夾砂或粉砂層的飽和軟土，因?yàn)樗较蛲杆粤己?，不用砂井處理地基也可獲得良好的固結(jié)效果。對(duì)于泥炭及透水性極小的流塑狀態(tài)飽和軟土，在很小的荷載作用下，地基土就出現(xiàn)較大的剪切蠕變，排水固結(jié)效果很差。圖9-9砂井布置圖(a)剖面圖;(b)正方形布置;(c)梅花形布置;(d)砂井的排水途徑9.4.2砂井固結(jié)理論隨著排水砂井法的廣泛應(yīng)用，逐步發(fā)展了砂井地基固結(jié)理論。一般砂井的平面布置有梅花形(正三角形)和正方形兩種，如圖9-9所示。在大面積荷載作用下，假設(shè)每根砂井為一獨(dú)立排水系統(tǒng)。正方形排列時(shí)，每根砂井的影響范圍為一正方形，而梅花形布置時(shí)，則為一正六邊形(如圖中直線所示)。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，每根砂井的影響范圍都化作一個(gè)等面積圓。因此梅花形排列時(shí)的影響直徑為：=；正方形排列的情況則為：。式中—砂井的間距。如果軟弱土層是單面排水的，每個(gè)砂井的滲透途徑如圖[9-9(d)]所示，它既有豎向分量，亦有徑向分量。如果假定：(1)每個(gè)砂井的影響范圍在平面上為一個(gè)圓，整個(gè)砂井為一個(gè)圓柱；(2)砂井地基表面上荷載是均勻分布的，而且附加應(yīng)力的分布不隨深度而變化；(3)地基土只能產(chǎn)生豎向壓密變形；(4)施加瞬時(shí)荷載后，全部荷載立即由孔隙水來(lái)承擔(dān)；(5)不考慮固結(jié)過(guò)程中固結(jié)系數(shù)的變化和砂井施工過(guò)程中涂抹作用的影響，則根據(jù)第二章中的一維固結(jié)理論原理，砂井的三維固結(jié)微分方程可以表示為：（9-4）若改為、圓柱坐標(biāo)，則三維固結(jié)微分方程則為：（9-5）當(dāng)土層的水平向的滲透系數(shù)不等于豎向的滲透系數(shù)時(shí)上式應(yīng)改寫(xiě)為：式中為豎向固結(jié)系數(shù)，為水平向固結(jié)系數(shù)，分別為：。式(9-5)可以用分離變量法分為：（9-5a）(9-5b)式(9-5)表示在每個(gè)砂井影響范圍內(nèi)任意一點(diǎn)()在任意時(shí)間的孔隙水壓力的微分方程。它可以分解為徑向向內(nèi)排水固結(jié)[式(9-5a)]和豎向排水固結(jié)[式(9-5b)]兩部分，從而根據(jù)起始條件和邊界條件分別解得徑向向內(nèi)排水固結(jié)的孔隙水壓力分量和豎向排水的孔隙水壓力分量。N.卡里諾(Carrillo)從理論上證明：任意一點(diǎn)的孔隙水壓力有如下關(guān)系：（9-6a）式中為起始的孔隙水壓力。整個(gè)砂井影響范圍內(nèi)土柱體的平均孔隙水壓力也有同樣的關(guān)系：（9-6b）或以固結(jié)度表達(dá)為：（9-7）式中—每一個(gè)砂井影響范圍內(nèi)圓柱的平均固結(jié)度；—徑向排水的平均固結(jié)度，—豎向排水的平均固結(jié)度。在雙面排水條件下或者固結(jié)土層中的應(yīng)力分布均勻時(shí)，可由第2-9節(jié)三的一維固結(jié)理論解得如下：（2-108）式中為正奇整數(shù)（1，3，5……）。當(dāng)>30%時(shí)（2-109）R.A.巴隆（Barron）曾分別在自由應(yīng)變和等應(yīng)變兩種條件下求得的解答，但以等應(yīng)變求解比較簡(jiǎn)單，其結(jié)果如下：（9-8）式中；；—水平向固結(jié)系數(shù)；—每一個(gè)砂井有效影響范圍的直徑；，稱(chēng)為井徑比；—砂井直徑；—水平向固結(jié)時(shí)間因數(shù)。將式（2-109）和（9-8）代入（9-7）后則得到砂井的平均固結(jié)度為：（9-9）式中為正奇整數(shù)（1，3，5……）。如果>30%，則（9-9）式可以近似表達(dá)為：（9-10）令（9-11）則（9-12）砂井地基的平均固結(jié)度常用式(9-7)計(jì)算，式中的和分別為了、及的函數(shù)。如果和已知，則可以由式(2-109)和式(9-8)分別計(jì)算及為了方便起見(jiàn)，可以從圖9-10中查得固結(jié)度。當(dāng)>30%時(shí)，可以直接應(yīng)用式(9-10)計(jì)算。當(dāng)豎向排水影響很小時(shí)(如軟土層很厚)，可以直接應(yīng)用水平向固結(jié)度計(jì)算式(9-8)計(jì)算砂井地基的固結(jié)度。【例題9-2】設(shè)有一飽和軟土層，厚度為16m，其下臥層為透水性良好的砂礫石層?，F(xiàn)在此軟土層中打砂井貫穿至砂礫石層，砂井的直徑為0.3m，砂井的間距=2.5m，以梅花形布置，經(jīng)勘探試驗(yàn)得到，豎向固結(jié)系數(shù)=1.5×10cm2/sec，水平向固結(jié)系數(shù)為=2.94×10cm2/sec。試求在大面積均布荷載=120kPa的作用下，歷時(shí)90天的固結(jié)度。若最終荷載為200kPa，則對(duì)最終荷載而言，此時(shí)的固結(jié)度應(yīng)是多少?圖9-10和與時(shí)間因數(shù)關(guān)系曲線圖【解】已知=250cm，根據(jù)上述數(shù)據(jù)查圖9-10得。所以對(duì)最終荷載而言的固結(jié)度由本例可以看出：所設(shè)計(jì)的砂井，其效果是顯著的，砂井地基以徑向固結(jié)為主(本例徑向固結(jié)度與總固結(jié)度只差2.5％)。由此可見(jiàn)，對(duì)于軟土層較厚或?的情況，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可忽略由豎向排水引起的固結(jié)度，根據(jù)砂井固結(jié)理論分析，砂井的井徑與間距的合理關(guān)系應(yīng)以細(xì)而密為原則。因此，砂井逐漸從普通砂井向細(xì)而密型的袋裝砂井及塑料排水帶發(fā)展。隨著它們的廣泛應(yīng)用，人們逐漸意識(shí)到井阻和涂抹作對(duì)固結(jié)效果的影響是不可忽視的。R．A．巴隆(Barron)，S.漢斯堡(Hansbo)、吉國(guó)洋(Yoshikumi)和謝康和等人先后給出了考慮井阻和涂抹作用的砂井固結(jié)理論解。前兩作者的結(jié)果系近似解，吉國(guó)洋的結(jié)果系精確解，但計(jì)算復(fù)雜．謝康和的解比較簡(jiǎn)明，并有簡(jiǎn)化解，其結(jié)果如下：地基的豎向和徑向排水平均固結(jié)度為：（9-13）式中整數(shù)地基平均固結(jié)度的簡(jiǎn)化解為：（9-14）式中式中—井阻因子；—涂抹比，砂井涂抹后的直徑與砂井直徑之比；—井徑比；—砂井砂，地基土和砂井涂抹土層的滲透系數(shù)；—砂井的長(zhǎng)度。簡(jiǎn)化式與精確解比較誤差小于是10%。上述各式均假設(shè)荷載是一次瞬時(shí)施加的，而實(shí)際工程多為分級(jí)逐漸施加的，對(duì)于多級(jí)等速加荷的情況，如圖9-11所示。理論證明，理論解的簡(jiǎn)化式為：（9-15）式中—與多級(jí)加荷歷時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，固結(jié)度對(duì)此荷載而言；—第級(jí)荷載的加荷速率；—第級(jí)荷載的終點(diǎn)和始點(diǎn)的歷時(shí)（從零點(diǎn)計(jì)起）；—所求固結(jié)度的歷時(shí)，應(yīng)大于，當(dāng)≤＜時(shí)，則=，=1，2，3……。當(dāng)軟土層比較厚時(shí)，常常砂井沒(méi)有打穿整個(gè)軟土層，如圖9-12所示。因此不能把砂井部分的固結(jié)度代表整個(gè)受壓層的固結(jié)度。對(duì)于砂井未完全打穿整個(gè)受壓層情況，地基的平均固結(jié)度按下式計(jì)算：（9-16）式中—地基的平均固結(jié)度；—砂井部分土層平均固結(jié)度，按砂井固結(jié)理論計(jì)算；—砂井以下部分土層的固結(jié)度，按照一維固結(jié)理論計(jì)算。計(jì)算時(shí)可以將砂井底面視作排水面；—砂井打入深度與整個(gè)壓縮層的厚度的比值，即：式中—砂井長(zhǎng)度；—砂井下壓縮層范圍內(nèi)土層的厚度。圖9-11多級(jí)加荷圖圖9-12砂井未打穿整個(gè)受壓土層的情況9.4.3砂井的應(yīng)用和設(shè)計(jì)砂井在工程上的應(yīng)用主要有兩方面：(1)對(duì)于以變形控制設(shè)計(jì)的建筑物，例如：房屋建筑、機(jī)場(chǎng)跑道和高速公路，利用砂井加速固結(jié)進(jìn)行堆載預(yù)壓，減少沉降和不均勻沉降；(2)對(duì)于以穩(wěn)定性控制的建筑物，例如堤壩、油罐(同時(shí)也要控制變形)等，利用砂井加速軟弱土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，提高地基的承載力，控制加荷速率，滿足施加建筑物荷載對(duì)地基的要求。此外，也可利用砂井消散打樁引起的孔隙水壓力，提高單樁承載力。因此，砂井地基設(shè)計(jì)方法分為兩類(lèi)，預(yù)壓設(shè)計(jì)和穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)。兩者的設(shè)計(jì)既有共同的問(wèn)題，又有各自的要求，現(xiàn)分別討論如下：9.4.3.1砂井類(lèi)型和砂井布置尺寸的選擇1.砂井類(lèi)型：常用的有三種：(1)普通砂井，指用沉管法或高壓射水法施打的砂井，直徑>300mm；(2)袋裝砂井，用土工編織布制成的袋，內(nèi)裝中、粗砂的長(zhǎng)條形砂袋，然后打入地基中形成砂井，直徑=(70～100)mm；(3)塑料排水帶，這是由塑料制成的通水芯片外包土工無(wú)紡?fù)杆疄V膜制成，寬100mm，厚3.5～6mm，長(zhǎng)100～300m。實(shí)踐證明：三種砂井都能獲得良好的固結(jié)效果。普通砂井井徑較大，排水性能良好，長(zhǎng)細(xì)比較小，井阻和涂抹作用不明顯。但是，施工速度較慢，工程量較大，質(zhì)量不易控制。袋裝砂井井徑較小，施工簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，質(zhì)量易于保證，但是，長(zhǎng)細(xì)比較大，隨砂井長(zhǎng)度增大，井阻對(duì)固結(jié)度的影響越來(lái)越明顯。因此，對(duì)于長(zhǎng)度較大的砂井，必須采用透水性良好的中、粗砂為井料，否則就降低其排水固結(jié)作用。排水帶是近年來(lái)發(fā)展的一種土工復(fù)合排水材料，透水性好，排通量大，質(zhì)輕價(jià)廉，施工簡(jiǎn)便，工效快，而且質(zhì)量易于保證。雖然，隨著砂井的長(zhǎng)度增大，相應(yīng)井阻增大，但可以按砂井的長(zhǎng)度選擇較大的排通量，可減少井阻對(duì)固結(jié)的影響。所以在選擇砂井類(lèi)型時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)建筑物地基軟弱土層的透水性、厚度、施工條件、材料的來(lái)源、造價(jià)、工程對(duì)固結(jié)時(shí)間和效果等因素后選用。相對(duì)來(lái)說(shuō)，排水帶的性能優(yōu)于其他兩種材料，但也要比較材料的來(lái)源和造價(jià)等因素以確定砂井類(lèi)型。2.砂井間距的選擇：當(dāng)砂井類(lèi)型選定后，砂井的直徑也基本確定了。因?yàn)樗鼈兊某叽缁旧鲜嵌ㄐ偷?，普通砂井的直徑約為400mm；袋裝砂井的直徑約為70mm或l00mm；塑料排水帶的寬度和厚度約為100×4mm或100×4.5mm，當(dāng)量直徑約為65mm～68mm。需要認(rèn)真選定的砂井尺寸是砂井的間距和長(zhǎng)度(或深度)。根據(jù)砂井固結(jié)理論，砂井間距越小和井徑越大，固結(jié)的效果越好，反之，固結(jié)效果越差。相對(duì)而言縮短間距比增大井徑的固結(jié)效果好，因而得到一個(gè)優(yōu)選砂井井徑與間距的原則，即細(xì)而密原則。但是也不是越細(xì)越密固結(jié)效果越好，因?yàn)樘?xì)太密就無(wú)法保證砂井的質(zhì)量。具體來(lái)說(shuō)，砂井的間距是根據(jù)工程對(duì)地基固結(jié)度大小的要求和容許固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)短決定的，根據(jù)固結(jié)理論，可按下式確定：（9-17）式中：為系數(shù)，梅花型布置=0.95，正方形布置=0.89；為井徑比，若不考慮井阻作用，可用下式試算求解，即：(9-18)考慮井阻時(shí)則為（9-19）式中：為水平向固結(jié)系數(shù)；和為工程容許的固結(jié)時(shí)間和要求達(dá)到的固結(jié)度；為井阻因子。【例題9-3】設(shè)某工程地基土的固結(jié)系數(shù)，要求歷時(shí)100天，固結(jié)度達(dá)到90%，試求袋裝砂井長(zhǎng)度為15m時(shí)，砂井的合理的間距?！窘狻吭O(shè)袋裝砂井的井徑=70mm，長(zhǎng)度=15m砂井地基土與砂井中砂料的滲透系數(shù)比值則并阻因子將值代入式(9-18)式和式(9-19)，分別求解得：不考慮井阻影響，，則砂井間距；考慮井阻影響，，則砂井間距。若固結(jié)系數(shù)，，考慮井阻影響求得的井徑比為，則間距。工程實(shí)踐證明：普通砂井一般用井徑比=6~9；袋裝砂井用=15~25，均可取得良好的效果。砂井打入深度，一般按下列原則確定，如果軟土層不厚(10~15m)，砂井應(yīng)貫穿軟土層；如果軟土層很厚，則根據(jù)建筑受壓層深度來(lái)確定。9.4.3.2砂井地基土強(qiáng)度增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)為了保證地基穩(wěn)定，控制施工加荷速率，必須認(rèn)真估算地基土強(qiáng)度的增長(zhǎng)。這也是利用砂井加速固結(jié)的主要效果。在荷載作用下，由于砂井地基的排水固結(jié)，地基土強(qiáng)度相應(yīng)提高，同時(shí)由于荷載產(chǎn)生的剪應(yīng)變和剪切速率的減緩，又引起地基土強(qiáng)度衰減。因此，用下式表達(dá)和計(jì)算，即(9-20)式中：為荷載作用下歷時(shí)地基土的抗剪強(qiáng)度；為天然地基土的抗剪強(qiáng)度，為地基固結(jié)引起的強(qiáng)度增長(zhǎng)；為由于剪切蠕變和剪切速率減慢引起強(qiáng)度衰減的衰減系數(shù)。從理論分析地基土強(qiáng)度增長(zhǎng)值可按下式計(jì)算：(9-21)式中：為計(jì)算點(diǎn)的最大有效主應(yīng)力；為孔隙水壓力系數(shù)；為大小主應(yīng)力比；為有效抗剪角。由工程實(shí)測(cè)結(jié)果證明：可簡(jiǎn)化為下式(9-22)式中：為天然地基土的不排水剪切強(qiáng)度；為由荷載引起的大主應(yīng)力增量；為固結(jié)度；系數(shù)，可用下式計(jì)算：(9-23)式中：為不排水剪切試驗(yàn)剪損的歷時(shí)，一般約10分鐘，為建筑物荷載持續(xù)的時(shí)間；為每一對(duì)數(shù)周期的強(qiáng)度衰減系數(shù)，=0.04~0.06。工程實(shí)測(cè)結(jié)果=0.7~0.9。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，由如下經(jīng)驗(yàn)公式也能得到接近實(shí)際的結(jié)果，即（9-24）和（9-25）為固結(jié)不排水剪內(nèi)摩擦角。9.4.3.3堆載預(yù)壓設(shè)計(jì)堆載預(yù)壓的目的是使地基在預(yù)壓荷載作用下基本固結(jié)完成，然后卸去預(yù)壓荷載建造建筑物，以消除建筑物基礎(chǔ)的部分固結(jié)沉降和不均勻沉降。因此預(yù)壓設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：(1)確定預(yù)壓荷載的大小；(2)確定預(yù)壓的時(shí)間；(3)預(yù)壓后地基沉降的估算等。預(yù)壓荷載的大小決定于軟弱土層的厚薄和壓縮性、預(yù)壓的時(shí)間和建筑物的允許沉降等。如果軟弱土層不太厚，允許預(yù)壓的時(shí)間比較長(zhǎng)，可以不用超載：反之則需要超載。一般超載的大小約為建筑物荷載的1.30倍。特殊情況則根據(jù)工程具體要求來(lái)決定。超載預(yù)壓的時(shí)間決定于建筑物的允許沉降，(如圖9-13所示)，要求滿足如下標(biāo)準(zhǔn)：圖9-13超載預(yù)壓消除主固結(jié)沉降≤（9-26）而式中為建筑物荷載作用下基礎(chǔ)的最終沉降；為預(yù)壓荷載作用下歷時(shí)的沉降；為建筑物的允許沉降值。，，分別為在荷載作用下的瞬時(shí)沉降/主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。固結(jié)度為(9-27)則式中：（無(wú)砂井情況）；（有砂井情況）預(yù)壓后沉降的計(jì)算則根據(jù)地基的固結(jié)狀態(tài)，參考相應(yīng)的沉降計(jì)算公式計(jì)算。9.4.3.4地基穩(wěn)定性控制設(shè)計(jì)在施加預(yù)壓荷載的過(guò)程中，砂井地基中各部位立即產(chǎn)生剪應(yīng)力，同時(shí)地基土的抗剪強(qiáng)度相應(yīng)增長(zhǎng)(有時(shí)減少)。如果地基土的強(qiáng)度增長(zhǎng)速率大于荷載引起的剪應(yīng)力的增大，地基就穩(wěn)定，反之，如果加荷速率控制不當(dāng)，地基中剪應(yīng)力的增大超過(guò)了由固結(jié)引起強(qiáng)度的增長(zhǎng)，地基就會(huì)產(chǎn)生局部剪切破壞，乃至整體破壞。因此，砂井地基必須控制加荷速率，控制剪應(yīng)力的增大始終小于強(qiáng)度的增大，以保證地基的穩(wěn)定。因此，在施工加荷前，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的加荷計(jì)劃和加荷速率控制圖，設(shè)計(jì)的步驟如下：(1)估計(jì)第一級(jí)允許施加的荷載(見(jiàn)圖9-11所示中的)。這級(jí)荷載就是天然地基的容許荷載。對(duì)于矩形基礎(chǔ)可以用下式估算：。式中：為安全系數(shù)。(2)估計(jì)加荷速率及間歇期。第一級(jí)荷載可以快一些，但對(duì)于軟土也不宜過(guò)快，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每天加荷速率控制在：2-3kPa(為加荷速率)，由此可得第一級(jí)荷載所需的時(shí)間(天)為：。在第一級(jí)荷載施加之后；如果繼續(xù)施加第二級(jí)荷載，很容易使地基達(dá)到極限荷載而破壞，所以要有一段間歇期，如圖9-11中的了至段，使地基在第一級(jí)荷載作用下排水固結(jié)，地基土的強(qiáng)度增大后，然后施加第二級(jí)荷載。間歇期可按下式估算：（9-28）式中：為瞬時(shí)加荷達(dá)到所需的時(shí)間；為系數(shù)，按式(9-11)計(jì)算，為固結(jié)度，一般要求＞70%后才施加下一級(jí)荷載，則間歇期(3)計(jì)算地基土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。在施加第一級(jí)荷載后，并經(jīng)過(guò)一段間歇期，地基土的強(qiáng)度增長(zhǎng)可按式(9-22)估算值。(4)估算施加第二級(jí)荷載的大小。這一級(jí)荷載的大小主要決定于前一級(jí)荷載作用下固結(jié)強(qiáng)度的增長(zhǎng)值。計(jì)算方法和第一步驟相同，但計(jì)算式中的天然地基土的強(qiáng)度改用固結(jié)后的強(qiáng)度。如果第二級(jí)荷載還未達(dá)到設(shè)計(jì)的最終荷載，可依此類(lèi)推，重復(fù)前述步驟，繼續(xù)計(jì)算到達(dá)設(shè)計(jì)的總荷載。上述步驟僅是估算求得控制加荷速率的進(jìn)程，實(shí)際的加荷進(jìn)程還要考慮施工條件并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)加以修正。對(duì)于比較重要的工程要求對(duì)初步擬訂的加荷進(jìn)程進(jìn)行固結(jié)計(jì)算，強(qiáng)度增長(zhǎng)的計(jì)算、穩(wěn)定分析和沉降計(jì)算，校核是否能滿足工程的要求。如果發(fā)現(xiàn)不能滿足地基穩(wěn)定及沉降的要求，那么就要修改加荷進(jìn)程或采取其他措施。9.4.4砂井施工簡(jiǎn)介砂井地基施工一般都有專(zhuān)用的施工機(jī)械，普通砂井通常用打入式的打樁機(jī)或用射水砂井機(jī)施打，袋裝砂井和排水帶則分別用袋裝砂井機(jī)和插板機(jī)施工。施工中主要的技術(shù)問(wèn)題是控制砂井材料的質(zhì)量，對(duì)于砂井的砂料必須采用中、粗砂，不宜用細(xì)砂或摻細(xì)砂，含泥量必須小于3%，滲透系數(shù)>10cm／s。袋裝砂井除砂料滿足以上質(zhì)量要求外，外包織物袋必須要有足夠的強(qiáng)度、透水性及防淤堵性。排水帶的質(zhì)量要求，必須保證足夠的豎向通水量，一般要求單位梯度通水量大于25cm3／s。另外濾膜要求滲透系數(shù)>103cm/s和滿足防淤堵的要求?！?.5擠密法和振沖法9.5.1擠密及振沖作用機(jī)理眾所周知：在砂土中，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)擠壓或加水振動(dòng)可以使土密實(shí)。擠密法和振沖法就是利用這個(gè)原理發(fā)展起來(lái)的兩種地基加固方法。9.5.1.1擠密法擠密法是以振動(dòng)或沖擊的方法成孔，然后在孔中填入砂、石、土、石灰、灰土或其他材料，并加以搗實(shí)成為樁體，按其填入的材料分別稱(chēng)為砂樁、砂石樁、石灰樁、灰土樁等。擠密法一般采用打樁機(jī)或振動(dòng)打樁機(jī)施工的，也有用爆破成孔的。擠密樁的加固機(jī)理主要靠樁管打入地基中，對(duì)土產(chǎn)生橫向擠密作用，在一定擠密功能作用下，土粒彼此移動(dòng)，小顆粒填入大顆粒的空隙，顆粒間彼此靠近，空隙減少，使土密實(shí)，地基土的強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。所以擠密法主要是使松軟土地基擠密，改善土的強(qiáng)度和變形特性。由于樁體本身具有較大的強(qiáng)度和變形模量，樁的斷面也較大，故樁體與土組成復(fù)合地基，共同承擔(dān)建筑物荷載。必須指出：擠密砂樁與排水砂井都是以砂為填料的樁體，但兩者的作用是不同的。砂樁的作用主要是擠密，故樁徑較大，樁距較小，而砂井的作用主要是排水固結(jié)，故井徑小而間距大。擠密樁主要應(yīng)用于處理松軟砂類(lèi)土、素填土、濕陷性黃土等，將土擠密或消除濕陷性，其效果是顯著的。9.5.1.2振沖法振沖法是利用一個(gè)振沖器(見(jiàn)圖9-14)，在高壓水流的幫助下邊振邊沖，使松砂地基變密；或在粘性土地基中成孔，在孔中填入碎石制成一根根的樁體，這樣的樁體和原來(lái)的土構(gòu)成比原來(lái)抗剪強(qiáng)度高和壓縮性小的復(fù)合地基。圖9-14振沖器構(gòu)造圖振沖器為圓筒形，筒內(nèi)由一組偏心鐵塊，潛水電機(jī)和通水管三部分組成。潛水電機(jī)帶動(dòng)偏心鐵塊使振沖器產(chǎn)生高頻振動(dòng)，通水管接通高壓水流從噴水口噴出，形成振動(dòng)水沖作用。振沖法的工作過(guò)程是用吊車(chē)或卷?yè)P(yáng)機(jī)把振沖器就位后[見(jiàn)圖(9-15)中第一步驟]，打開(kāi)噴水口，開(kāi)動(dòng)振沖器，在振沖作用下使振沖器沉到需要加固的深度(圖中第二步驟)，然后邊往孔內(nèi)回填碎石，邊噴水振動(dòng)，使碎石密實(shí)，逐漸上提，振密全孔，孔內(nèi)的填料愈密，振動(dòng)消耗的電量愈大，常通過(guò)觀察電流的變化，控制振密的質(zhì)量，這樣就使孔內(nèi)填料及孔周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)土密實(shí)(圖中第三四步驟)。圖9-15振沖法施工順序圖在砂土中和粘性土中振沖法的加固機(jī)理是不同的。在砂土中，振沖器對(duì)土施加重復(fù)水平振動(dòng)和側(cè)向擠壓作用，使土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大。由于土的結(jié)構(gòu)破壞，土粒便向低勢(shì)能位置轉(zhuǎn)移，土體由松變密。當(dāng)孔隙水壓力增大到大主應(yīng)力值時(shí)，土體開(kāi)始液化。所以，振沖對(duì)砂土的作用主要是振動(dòng)密實(shí)和振動(dòng)液化，隨后孔隙水消散固結(jié)。振動(dòng)液化與振動(dòng)加速度有關(guān)，而振動(dòng)加速度又隨著離振沖器的距離增大而衰減。因此，把振沖的影響范圍從振沖器壁向外，按加速度的大小劃分為液化區(qū)，過(guò)渡區(qū)和壓密區(qū)。壓密區(qū)外無(wú)加固效果。一般來(lái)說(shuō)過(guò)渡區(qū)和壓密區(qū)愈大，加固效果愈好，因?yàn)橐夯癄顟B(tài)的土不易密實(shí)，液化區(qū)過(guò)大反而降低加密的效果。根據(jù)工程實(shí)踐的結(jié)果，砂土加固的效果決定于土的性質(zhì)(砂土的密度、顆粒的大小、形狀、級(jí)配、比重、滲透性和上覆壓力等)和振沖器的性能(如偏心力、振動(dòng)頻率、振幅和振動(dòng)歷時(shí))。土的平均有效粒徑=0.2～2mm時(shí)加密的效果較好；顆粒較細(xì)易產(chǎn)生寬廣的液化區(qū)，振沖加固的效果較差。所以對(duì)于顆粒較細(xì)的砂土地基，需在振沖孔中添加碎石形成碎石樁，才能獲得較好的加密效果。顆粒較粗的中、粗砂土可不必加料，也可以得到較好的加密效果。在粘性土中，振動(dòng)不能使粘性土液化，除了部分非飽和土或粘粒土含量較少的粘性土在振動(dòng)擠壓作用下可能壓密外，對(duì)于飽和粘性土，特別是飽和軟土，振動(dòng)擠壓不可能使土密實(shí)的，甚至擾動(dòng)了土的結(jié)構(gòu)，引起土中孔隙水壓力的升高，降低有效應(yīng)力，使土的強(qiáng)度降低。所以振沖法在粘性土中的作用主要是振沖制成碎石柱，置換軟弱土層，碎石樁與周?chē)两M成復(fù)合地基。在復(fù)合地基中，碎石樁的變形模量遠(yuǎn)較粘性土的大，因而使應(yīng)力集中于碎石樁，相應(yīng)減少軟弱土中的附加應(yīng)力，從而改善地基承載能力和變形特性。但在軟弱土中形成復(fù)合地基是有條件的，即在振沖器制成碎石樁的過(guò)程中，樁周土必須具有一定的強(qiáng)度，以便抵抗振沖器對(duì)土產(chǎn)生的振動(dòng)擠壓力和爾后在荷載作用下支撐碎石樁的側(cè)向擠壓作用。若地基土的強(qiáng)度太低，不能承受振沖過(guò)程的擠壓力和支撐碎石樁的側(cè)向擠壓，復(fù)合地基的作用就不可能形成了。由此可見(jiàn)，被加固土的抗剪強(qiáng)度是影響加固效果的關(guān)鍵。工程實(shí)踐證明，具有一定的抗剪強(qiáng)度(>20kPa)的地基土采用碎石樁處理地基的效果較好，反之，處理效果就不顯著，甚至不能采用。許多人認(rèn)為：當(dāng)?shù)鼗恋牟还探Y(jié)不排水抗剪強(qiáng)度<20kPa時(shí)，采用振沖碎石樁應(yīng)該慎重對(duì)待。實(shí)踐證明振動(dòng)擠壓可能引起飽和軟土強(qiáng)度的衰減，但經(jīng)過(guò)一段間歇期后，土的抗剪強(qiáng)度是可以恢復(fù)的。所以，在比較軟弱的土層中，如能振沖制成碎石樁，應(yīng)間歇一段時(shí)間，待強(qiáng)度恢復(fù)后，才能施加上部荷載?？傊駴_法的機(jī)理，在砂土中主要是振動(dòng)擠密和振動(dòng)液化作用，在粘性土中主要是振沖置換作用，置換的樁體與土組成復(fù)合地基。近年來(lái)振沖法已廣泛應(yīng)用處理各類(lèi)地基土，但是主要應(yīng)用于處理砂土、濕陷性黃土及部分非飽和粘性土，提高這些土的地基承載力和抗液化性能，也應(yīng)用于處理不排水剪強(qiáng)度稍高(>20kPa)的飽和粘性土和粉土，改善這類(lèi)土的地基承載力和變形特性。9.5.2設(shè)計(jì)和計(jì)算原理利用振沖法和擠密法處理地基的設(shè)計(jì)理論和方法目前尚不完善，主要依靠工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上提出了一些半經(jīng)驗(yàn)方法。由于在砂土和粘性土中擠密和振沖的加固機(jī)理不同，茲分別討論如下：9.5.2.1砂土地基中的設(shè)計(jì)在砂土地基中，主要是從擠密的角度出發(fā)來(lái)考慮地基加固的設(shè)計(jì)問(wèn)題。首先根據(jù)工程對(duì)地基加固的要求(如提高地基承載力，減少沉降，抗地震液化等)，按土力學(xué)的基本理論，計(jì)算出加固后要求達(dá)到的密度和孔隙比，并考慮建筑基礎(chǔ)的形狀，合理布置樁柱(單獨(dú)基礎(chǔ)按正方形布置，大面積基礎(chǔ)按梅花形布置)。如果要把砂土從初始孔隙比，加固后達(dá)到孔隙比為，并假設(shè)擠密法和振沖法只產(chǎn)生側(cè)向擠密，那么振沖碎石樁(或擠密砂樁)的間距可按下式確定，對(duì)于正方形布置（9-29）對(duì)于梅花形布置則為（9-30）式中—砂樁的直徑；—地基處理前和處理后要求達(dá)到的孔隙比；和—砂土最大和最小孔隙比，并按現(xiàn)行規(guī)定確定；—擠密后要求達(dá)到的相對(duì)密實(shí)度，可以取0.7～0.85。關(guān)于估算加固后達(dá)到的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)(修正后的值)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》求得。按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。關(guān)于加固深度問(wèn)題，若是為了提高承載力和減少沉降，加固的深度不需太深，一般不超過(guò)8m，因?yàn)樯巴恋膹?qiáng)度隨深度增大很快，沉降的影響深度也不大。若為了抗地震液化，可按現(xiàn)行抗震規(guī)范確定，也可以用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的一些經(jīng)驗(yàn)公式估算加固深度。9.5.2.2粘性土地基中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)對(duì)于粘性土地基，利用振動(dòng)碎石樁加固后，復(fù)合地基的承載力和變形特性一方面決定于被加固土的特性，另一方面決定于置換率的大小，置換率用截面積比表示，即（9-31）式中為置換率；為碎石樁置換軟土的截面積；為被加固范圍內(nèi)的土所占的截面積；被加固的面積。在荷載作用下，應(yīng)力分別由樁體和土來(lái)承擔(dān)，常用樁土應(yīng)力比表示，即（9-32）式中：為樁體承擔(dān)的部分豎向荷載；為樁周土承擔(dān)的部分荷載。的大小隨荷載水平而變化。當(dāng)荷載到達(dá)極限荷載時(shí)，根據(jù)復(fù)合地基的靜力平衡原理，復(fù)合地基的極限豎向承載力可按面積加權(quán)計(jì)算：即(9-33)(9-34)式中—復(fù)合地基的極限豎向承載力；—樁體單位面積極限承載力；—樁間土極限承載力。令；。為天然地基不固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度，和分別為碎石樁和樁周土的承載力系數(shù)，則復(fù)合地基的承載力系數(shù)為：（9-35）從式(9-35)可以看出，加固后復(fù)合地基的承載力決定于置換率的大小及承載力系數(shù)和。復(fù)合地基的設(shè)計(jì)首先根據(jù)地基加固的要求，選擇一個(gè)合理的置換率剛。由置換率的大小確定碎石樁的樁徑和間距。實(shí)際工程中常用的置換率約=10～20％，碎石樁的直徑約為0.6～lm，間距約1.5～3m。對(duì)于大面積加固，樁宜采用梅花形布置，對(duì)于條形基礎(chǔ)和單獨(dú)基礎(chǔ)采用正方形布置，樁的長(zhǎng)度按建筑物對(duì)地基的要求確定，一般盡可能打入堅(jiān)實(shí)土層，如軟土層太厚，樁長(zhǎng)最深也不超過(guò)15m，但一般打至8m深度以后，再增加深度，對(duì)于提高承載力的效果逐漸不顯著，只是減少沉降量而已。復(fù)合地基的各項(xiàng)尺寸確定后，必須進(jìn)一步驗(yàn)算復(fù)合地基承載力及沉降是否能滿足所設(shè)計(jì)建筑物的要求。根據(jù)我國(guó)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，利用修正的J.布朗斯(Brauns，1980)公式可以得到較接近于實(shí)際的結(jié)果。布朗斯假設(shè)：(1)極限平衡區(qū)位于樁頂附近，滑動(dòng)面成漏斗形，樁的破壞深度；(2)，(3)地基土和樁體的自重忽略不計(jì)。其中為碎石樁的半徑，，為碎石樁的抗剪角(≈30～40°)，其余符號(hào)見(jiàn)圖8-16。在這些前提下，他導(dǎo)出了碎石樁單樁豎向極限承載力公式：（9-36）或（9-37）式中—滑動(dòng)面與水平面的夾角，按照下式用計(jì)算法求得：即（9-38）圖9-16Brauns的計(jì)算圖式式（9-36）是不考慮存在群樁影響的承載力計(jì)算式，這種情況的承載力系數(shù)記為。實(shí)際上的碎石樁都存在群樁的影響。若考慮四周都在群樁的影響的情況（即滿堂樁情況），也可導(dǎo)得碎石樁的單樁豎向極限承載力公式：或式中為四周有群樁影響的單樁承載力系數(shù)；，一般情況，當(dāng)允許變形比較小時(shí)，=2，否則取高值。和是兩種極端情況下的承載力系數(shù)，實(shí)際的群樁都處于這兩種情況之間，因此碎石樁的承載力系數(shù)可以根據(jù)每根樁的邊界條件，分別屬于和的情況按比例分配求得，即(9-40)式中：為總邊界數(shù)，對(duì)于正方形布置每根樁有4個(gè)邊界，梅花形布置則有6個(gè)邊界，總邊界數(shù)為樁數(shù)乘邊界數(shù)。和分別為屬于和情況的邊界數(shù)。如圖9-17中，=6×4=24，=10，=14，故：那么，碎石樁與樁間土組成的復(fù)合地基極限承載力可按（9-33）式求得。復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值可把極限承載力除以安全系數(shù)2~3求得。圖9-17六樁布置圖由于影響振沖碎石樁的承載力的因素比較復(fù)雜，往往不易準(zhǔn)確計(jì)算。要獲得比較可靠的碎石樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，請(qǐng)參閱《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》按復(fù)合地基現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)要點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)確定。根據(jù)我國(guó)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在無(wú)荷載試驗(yàn)的情況下，可參考下式估算碎石樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，即（9-41）式中為樁間土天然地基的十字板強(qiáng)度，復(fù)合地基的沉降值可按下式估算：即（9-42）式中：—按天然地基計(jì)算的沉降量；—復(fù)合地基估算沉降量；—折減系數(shù)：§9.6高壓噴射注漿法和深層攪拌法高壓噴射注漿法和深層攪拌法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的兩種地基處理方法。兩者都可以用多種化學(xué)漿液注入地基中與地基土拌和，組成加固體，達(dá)到加固的目的。由于這些漿液中有些帶有毒性，有些價(jià)格昂貴，目前工程上主要采用水泥系漿液。所以本節(jié)主要介紹以水泥系漿液的高壓噴射注漿法和深層攪拌法。9.6.1高壓噴射注漿法加固原理高壓噴射注漿法是利用高壓噴射化學(xué)漿液與土混合固化處理地基的一種方法。它是將帶有特殊噴嘴的注漿管，置入預(yù)定的深度后，以20MPa的高壓噴射沖擊破壞土體，并使?jié){液與土混合，經(jīng)過(guò)凝結(jié)固化形成加固體。按注漿的形式分為旋噴注漿、定噴注漿和擺噴注漿三種類(lèi)型。旋噴注漿法的施工程序如圖9-18所示。首先用鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理深度，然后用高壓脈沖泵，通過(guò)安裝在鉆桿下端的特殊噴射裝置，向四周土噴射化學(xué)漿液。在噴射化學(xué)漿液的同時(shí)，鉆桿以一定的速度旋轉(zhuǎn)，并逐漸往上提升。高壓射流使一定范圍內(nèi)土體結(jié)構(gòu)遭受到破壞并與化學(xué)漿，液強(qiáng)制混合，膠結(jié)硬化后即在地基中形成比較均勻的圓柱體，稱(chēng)為旋噴樁。高壓旋噴注漿法的主要設(shè)備是高壓脈沖泵(要求工作壓力在20MPa以上)和帶有特殊噴嘴的鉆頭。脈沖泵把旋噴時(shí)所需要的漿液，低壓吸入，并借助于噴嘴高壓排出，使?jié){液具有很大的功能，以達(dá)到破壞土體，攪拌漿液。裝在鉆頭側(cè)面的噴嘴是旋噴灌漿的關(guān)鍵部件，一般是由耐磨的鎢合金制成。高壓泵輸出的漿液通過(guò)噴嘴后具有很大的功能，這種高速?lài)娏?，能破壞周?chē)恋慕Y(jié)構(gòu)。旋噴時(shí)的壓力、噴嘴的形狀和噴嘴回旋的速度等對(duì)所形成的旋噴樁的質(zhì)量影響很大。常用的噴嘴形狀如圖9-19，噴嘴出口的直徑D取2mm左右，圓錐角約為13°，噴嘴的直線段長(zhǎng)為=3～4D，而錐部長(zhǎng)度視鉆頭的尺寸而定。噴射壓力一般用20MPa，噴嘴的回轉(zhuǎn)速度約20轉(zhuǎn)/分，這樣的組合效果較好。由于單一噴嘴的噴射水流破壞土的有效射程較短，因而又發(fā)展了二重管和三重管旋噴法，大大提高了噴射能力和加固效果。圖9-18旋噴注漿法施工程序圖①開(kāi)始鉆進(jìn)；②鉆進(jìn)結(jié)束；③高壓旋噴開(kāi)始；④?chē)娮爝呅D(zhuǎn)邊提升；⑤旋噴結(jié)束圖9-19噴嘴構(gòu)造圖旋噴樁的漿液有多種，一般應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件和工程設(shè)計(jì)的要求來(lái)選擇，同時(shí)也要考慮材料的來(lái)源、價(jià)格和對(duì)環(huán)境的污染等因素。目前使用的是以水泥漿液為主，當(dāng)土的透水性較大或地下水流速較大時(shí)，為了防止?jié){液流失，常在漿液中加速凝劑，如三乙醇胺和氯化鈣等。在軟弱土地基中，所形成的旋噴樁試樣的極限抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.0～5.0MPa。樁體的直徑隨著地基土的性質(zhì)及旋噴壓力的大小而變化。在軟土中，如壓力為5～10MPa，形成旋噴樁的直徑約0.8m。高壓噴射注漿法—般適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N<10的砂土和N<5的粘性土，超過(guò)上述限度，則可能影響成樁的直徑，應(yīng)慎重考慮。這種方法用途廣泛，作為旋噴柱可以提高地基的承載力，作為連續(xù)墻可以防滲止水，還可應(yīng)用于深基礎(chǔ)的開(kāi)挖，防止基坑隆起，減輕支撐基坑的側(cè)壁壓力，特別是對(duì)于已建建筑物的事故處理，有它獨(dú)到之處。但對(duì)于擬建建筑物基礎(chǔ)，其作用與灌注樁類(lèi)似，而強(qiáng)度較差，造價(jià)較貴，顯得遜色。如能發(fā)展無(wú)毒、廉價(jià)的化學(xué)漿液，高壓噴射注漿法將會(huì)有更好的前途。9.6.2深層攪拌法加固作用原理深層攪拌法系利用水泥作固結(jié)劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基中將水泥和土體強(qiáng)制拌和，使軟弱土硬結(jié)成整體，形成具有水穩(wěn)性和足夠強(qiáng)度的水泥(或石灰)土樁或地下連續(xù)墻。深層攪拌法可以在軟土地基中制成柱狀、壁狀和塊狀等不同形式的加固體，這些加固體與天然地基組成復(fù)合地基，共同承擔(dān)建筑物的荷載。深層攪拌法主要的機(jī)具是攪拌機(jī)。如圖9-20所示，為一雙軸回轉(zhuǎn)式的深層攪拌機(jī)，由電機(jī)、攪拌軸、攪拌頭和輸漿管等組成。電機(jī)帶動(dòng)攪拌頭回轉(zhuǎn)，輸漿管輸入水泥漿液與周?chē)涟韬?，形成一個(gè)平面8字形的水泥土柱體。施工順序如圖9-21所示。這是一種新的地基處理方法，主要應(yīng)用于處理比較軟弱的土層，不但可以應(yīng)用于陸地，也可以用來(lái)處理水下軟土，既可以用于處理各類(lèi)建筑物地基，又可以用于加固岸坡。但必須指出：如果被加固土的強(qiáng)度較高，或土中含樹(shù)根、堅(jiān)硬障礙物，攪拌就很困難。通過(guò)機(jī)械攪拌把水泥土和軟土混合形成水泥土是一種物理化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，它與混凝土硬化的機(jī)理不同，混凝土硬化是水泥在粗骨料中進(jìn)行，而水泥土硬化是水泥在具有活性的粘土介質(zhì)中進(jìn)行，作用緩慢而復(fù)雜。水泥遇水后發(fā)生水化和水解作用，生成氧化鈣等多種化合物，其中鈣離子與粘土礦物表面吸附的及離子進(jìn)行當(dāng)量交換，使粘土顆粒形成較大的土團(tuán)粒，同時(shí)水泥水化后生成的膠體粒子，把土團(tuán)粒連接起來(lái)形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。隨著水泥水化的深入，溶液析出大量Ca離子與粘土礦物中的二氧化硅和三氧化二鋁進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定性好的結(jié)晶礦物及碳酸鈣，這種化合物在水和空氣中逐漸硬化成為水泥土。圖9-20SJB-1型深層攪拌機(jī)1-輸漿管；2-外殼；3-出水口；4-進(jìn)水口；5-電動(dòng)機(jī)；6-導(dǎo)向滑塊；7-減速器；8-攪拌軸；9-中心管；10-橫向系板；11-球形閥；12-攪拌頭圖9-21深層攪拌法的工藝流程處理后的水泥土與軟粘土比