xA02--水利工程地基处理--垫层.ppt

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1、合肥工业大学 土木与水利工程学院 赵 静,地基处理 Ground Treatment,第一节 垫层的作用及适用范围,又称换填法，是浅层处理方法 一、垫层处理概念： 当软弱（缺陷）土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱（缺陷）土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱（缺陷）土层部分或全部挖去，然后换填密度大、压缩性低、强度高、水稳性好的天然或人工材料,并分层夯 (振、压)实至要求的密实度,达到改善地基应力分布、提高地基稳定性和减少地基沉降的目的，这种地基处理方法称为垫层处理,也叫换填法。,第二章 垫层处理 Replacement Method,二、处理对象：,第一节 垫层的作用

2、及适用范围,淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、杂填土地基,三、垫层材料：,砂砾土、碎（卵）石土、灰土、素土（壤土）、中砂、粗砂、矿渣等,四、分类： 按回填不同材料形成的垫层(Cushion)进行分类，如砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层等。 五、换填法加固机理： 换填法的加固原理是据土中附加应力分布规律，让垫层承受上部较大的应力，软弱层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。,第一节 垫层的作用及适用范围,六、垫层的作用： 1、提高持力层的承载力 通过扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小。 2、减少沉降量 一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例

3、是比较大的。如条形基础，在相当于基础宽度深度范围内的沉降量约占总沉降的50%左右，如以密实砂代替软弱土层，就可减少这部分沉降。由于砂垫层或其它垫屋对应力的扩散作用，使作用在下卧层土的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。,第一节 垫层的作用及适用范围,六、垫层的作用： 3、加速较弱土层的排水固结 不透水基础直接与软弱上层相接触时，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强度降低而产生塑性破坏的危险，砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加

4、速垫层下软弱土层的固结和提高其强度。,第一节 垫层的作用及适用范围,六、垫层的作用： 4、防止冻胀 因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀，垫层应满足当地冻结深度的要求。 5、消除膨胀土的胀缩作用,第一节 垫层的作用及适用范围,七、换填法适用范围： 规范表述：适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。 课本表述：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。 分类及适用范围见表2-1。,第一节 垫层的作用及适用范围,表2-1 换土的适用范围,八、讨论： 1、大面积填土设计按照建筑地基基础设计规范（GB50007-20

5、02）设计 2、处理深度3m左右，不小于0.5m 3、不同垫层可按照砂垫层设计 4、换填法的“压实”与“固结”的不同 本节完,第一节 垫层的作用及适用范围,1、查明地层土性及不良地质 2、查明处理场地的地形、地质构造及物理力学性质 3、查明地下水情况 4、查明地下管线、障碍物等 5、查明换填土料的来源、种类、规格、价格等 根据工程地质、建筑要求、材料来源等进行综合比较，提出合理的换填方案，尤其需提供换填土料的最优含水量、最大干密度、压实系数、施工机械、碾压要求、监理标准等施工参数。 本节完,第二节 勘察和调查,一、土的压实机理(Compaction Mechanics)： 1、含水量小时 2、

6、含水量增大时，最优含水量 3、含水量继续增大,第三节 土的压实机理,wop,C,A,B,二、室内击实试验(Compaction Test)： 垫层施工质量检验控制需要得到最大干密度，可通过击实试验得到。 (一)、击实试验 1、土料风(烘)干、搅拌均匀 2、测土料含水量，按塑限估计最优含水量，依次相差2%计算每份土料需水量 3、制备预定含水量的试样,第三节 土的压实机理,二、室内击实试验(Compaction Test)：,第三节 土的压实机理,(一)、击实试验 4、按标准方法击实土样修整土样推出土样 5、从击实后的土样中取出土测含水量、干密度 6、绘出击实曲线 7、求出最大干密度和最优含水量,

7、二、室内击实试验(Compaction Test)： (二)、压实功能与最大干密度、最优含水量关系 压实功能增大更易克服粒间吸引力，故干密度更大,第三节 土的压实机理,二、室内击实试验(Compaction Test)：,第三节 土的压实机理,(三)、土性与最大干密度、最优含水量关系 粘粒越多颗粒间引力越大，相同压实功能下，只有较大含水量下才能达到更大干密度。,三、现场压实控制： (一)、击实试验与现场压实的差别 1、有无侧向约束 2、土料颗粒级配等差别,第三节 土的压实机理,三、现场压实控制： (二)、现场控制参数 1、压实系数：即压实度，c= d/dmax 2、施工含水量：最优含水量/2%

8、 3、碾压遍数：达到设计的压实度时的碾压遍数 本节完,第三节 土的压实机理,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： 对砂垫层的设计，既要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。 设计时需要确定垫层的厚度、宽度、承载力和沉降量。,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 1、基本要求： 满足承载力和变形要求 2、计算公式： 当下卧土层的承载力确定时，应满足下式(2-1): pz-垫层底面处的附加压力值 pcz垫层底面处土的自重压力 faz经深度修正后垫层底

9、面处软弱下卧层的地基承载力,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,Pz,Pcz,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (1)求pz： a. 垫层底面处的附加压力值pz 可按压力扩散角法进行简化计算:,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,条形基础(2-2),矩形基础(2-3),其中：b、l 矩形基础地面的宽和长,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (1)求pz： b. pk为基础底面的平均压力， 为上部结构荷载(地表面以上) 和基础底面以上基础及土的自重：,第四节 砂(砂石、碎石)

10、垫层,d- 为基础埋深,G,G-为基础及基础上土的平均有效容重(即：有地下水应扣浮力),一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (1)求pz： c. pc为基础底面处原地基土 的自重压力(若有地下水则水 下用浮容重)：,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,-为地下水以上原地基土湿容重,-为地下水以下原地基土浮容重,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (1)求pz： d. 可以看出，式(2-2)(2-3) 中的pk -pc的实际上为考虑了 土回弹后的基底净压力。 pz 为净压

11、力扩散后在垫层底面形成的附加应力,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (1)求pz： e. 垫层的压力扩散角取值,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,b,回填土,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定 2、计算公式： (2)求pcz： 垫层底面处土的自重压力值： 按原地基处土的自重压力计算， 地下水位以下采用浮容重。,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (一)、砂垫层厚度的确定

12、 2、计算公式： (3)求faz： 地基承载力的修正见建筑地基基础设计规范GB50007-2002,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (二)、砂垫层宽度的确定 1、垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定： 2、 取值： 当z/b0.25时，仍按表中 z/b0.25取值。 3、整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。 4、垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cush

13、ion)设计： (三)、砂垫层承载力的确定 1、垫层的承载力决定于填筑料的性质、施工机具能量大小及施工质量的优劣等，宜通过现场试验确定。 2、垫层的承载力尚必须对软弱下卧层的承载力验算后再确定。 3、垫层的承载力也可通过取土分析、标贯实验、动力触探等实验资料综合分析确定。 4、无试验资料时可参见表24。,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计： (四)、沉降计算 1、原则： 建筑物基础沉降总量S=垫层变形Sc+下卧土层变形Sp 2、垫层： 粗颗粒垫层一般可忽略变形，需计算时方法：,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,Es-垫层压缩模量,3、下卧土层：

14、土力学分层总和法，建筑地基基础设计规范GB50007-2002,二、砂(砂石、碎石)垫层施工： (一)、砂(砂石、碎石)料 要求级配良好，质地坚硬，有机质、泥等的限制 (二)、施工参数 最大干密度、最优含水量、压实系数c、现场碾压干密度,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,二、砂(砂石、碎石)垫层施工： (三)、施工要点 1、施工方法： 按密实方法分类，施工机械包括：机械碾压法和平板振动法。 (1)机械碾压法： 常用于基坑面积大、开挖土方量大的工程。 平碾、羊角碾、振动碾,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,振动压路机,18T自行式振动压路机,18T拖式振动5边凸块压路机,振动平胎碾砾石,羊足碾粘性土或粉

15、土,二、砂(砂石、碎石)垫层施工： (三)、施工要点 1、施工方法： (2)平板振动法： 用来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好松散杂填土等地基。,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,http:/ (三)、施工要点 2、砂石料宜采用振动碾压密实 3、垫层底部存在软硬不均部位时，应先清理、再砂石回填密实，合格后再进行上层施工。 4、严禁扰动下卧软土 5、垫层底部尽量在同一标高，若不同应合理连接 6、垫层应分层铺筑、碾压，参数现场试验定 7、填筑材料应拌和均匀 8、注意排水、降水、边坡稳定,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,三、砂(砂石、碎石)垫层质量检验： 检验方法：环刀法、贯入测定法 1、环刀法：测定

16、干密度 2、贯入法：钢筋贯入深度 3、检验点数量：参考规范 4、竣工质量验收：载荷试验、标贯、触探等。 本节完,第四节 砂(砂石、碎石)垫层,一、粉煤灰垫层(Flyash Cushion)适用范围： 适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程大面积填筑。（废料资源化） 按粉煤灰排放系统不同可分为干排灰、湿排灰、调湿灰；按含钙量不同可分为高钙灰、低钙灰。我国大多为水排低钙灰。 按照土工规范粉煤灰属于：砂质粉土,第五节 粉煤灰垫层,二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响： (一)自重轻： 轻型击实后干密度0.921.35t/m3 (二)击实性能好： 击实曲线峰值段比天然土具有相对较宽的最优含水量区间。4%

17、，施工质量易保证。 (三)抗剪强度： 固结不排水剪：c=530kPa，=23300。,第五节 粉煤灰垫层,二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响： (四)压缩性： 压实系数为0.90.95时，Es=820MPa，为低压缩性 (五)承载力： 压实系数为0.90.95时的浸水垫层，承载力特征值可采用120150kPa。 (六)渗透性： 颗粒类似砂质粉土，渗透系数10-310-5cm/s。随着时间增加，因为火山灰反应使得垫层强度增加、渗透系数减小，后期形成一个相对隔水层。,第五节 粉煤灰垫层,二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响： (七)抗液化性： 因火山灰反应，强度增长，颗粒形成具有胶凝能力的化合物，实

18、验证明不会发生液化。 (八)对环境的影响： 粉煤灰中微量有害元素会对环境造成一定程度的影响，建设时需充分论证，并采取相应的工程措施。,第五节 粉煤灰垫层,三、粉煤灰垫层的设计和施工： 1、设计方法同砂石垫层。 2、施工时分层压实。 3、运输需含水量1525%。 4、施工压实参数可依据轻型击实实验得到。 5、填筑应分层铺筑与碾压，设置排水、泄水沟。 6、虚铺厚度和碾压遍数需实验确定。 7、铺设方式：人工和机铺。,第五节 粉煤灰垫层,三、粉煤灰垫层的设计和施工： 8、当天铺筑、当天碾压。 9、控制碾压含水量为最优含水量4%。 10、施工气温大于0，防冻胀。 11、施工时防尘。 12、施工质量检验可

19、采用环刀法、钢筋贯入法。 13、施工质量验收可采用载荷板试验等。 本节完,第五节 粉煤灰垫层,一、矿渣(Cinder)及矿渣垫层适用范围： 1、矿渣： 也称高炉重矿渣或干渣，是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成。 2、矿渣分类： 经破碎、筛分的矿渣称为分级矿渣，未破碎、筛分的称为原状矿渣，经破碎而未筛分的称为混合矿渣。,第六节 矿渣垫层,一、矿渣(Cinder)及矿渣垫层适用范围： 3、矿渣垫层及适用： 矿渣取代天然砂石等作为垫层，是废物利用，资源化。 适用于中、小型建筑工程，尤其适用于地坪和堆场等工程大面积地基处理和场地平整。,第六节 矿渣垫层,二、矿渣垫层的工程特性： 1、稳

20、定性： 需注意其硅酸盐分解、石灰分解和铁锰分解。 2、松散密度： 矿渣的强度可用松散密度指标表示，分级矿渣要求松散密度不小于1.1t/m3。 3、变形模量： 变形模量可达3570MPa 4、矿渣力学特点： 压密实时荷载与变形具有直线变形体特性，压实不佳时会有显著变形。设计时应了解矿渣成份、级配、密度、场地条件、施工机械条件，以确定合理设计参数。,第六节 矿渣垫层,三、矿渣垫层的设计和施工要点： 1、按砂石垫层设计 2、垫层承载力和变形模量宜通过现场试验确定 3、矿渣垫层材料根据工程情况选用 4、矿渣垫层材料的基本要求： 稳定性合格、松散密度不小于1.1t/m3、泥土和有机质含量应小于5% 5、

21、采用分层压实法 6、垫层质量检验要求 本节完,第六节 矿渣垫层,一、素土垫层(Plain Soil Cushion)和灰土垫层 (Lime Soil Cushion)及适用范围： 1、素土垫层： 指土中不掺入其他成分以改变土性的垫层。 2、灰土垫层： 石灰和土按照一定比例掺合形成的垫层，常用石灰和土的体积比为2:8或3:7。,第七节 土(素土)和灰土垫层,一、素土垫层(Plain Soil Cushion)和灰土垫层 (Lime Soil Cushion)及适用范围： 3、适用范围： 素土垫层和灰土垫层常用来处理湿陷性黄土，处理深度13m。当只需处理湿陷性时，宜采用素土垫层；当还需要提高承载力

22、和水稳性时，宜采用灰土垫层。 4、分类： 可分为局部垫层和整片垫层。局部垫层一般处理矩形和条形基础，超出基础底边的宽度不小于其厚度一半；整片垫层超出基础底边外缘不小于2m。,第七节 土(素土)和灰土垫层,二、素土垫层和灰土垫层设计和施工： 1、局部垫层的平面范围： 每边超出基础底边宽度按公式计算，并不小于前述规定（不小于其厚度一半）； 2、整片垫层： 整片垫层超出基础底边外缘不小于2m。 3、垫层的承载力： 易现场载荷试验得到。参考值：素土垫层不超过180kPa，灰土垫层不超过250kPa。,第七节 土(素土)和灰土垫层,二、素土垫层和灰土垫层设计和施工： 4、土料要求： 素土有机质少于5%；

23、不含冻土、膨胀土、砖石块，碎石粒径不大于5cm。 灰土的石灰和土的体积比宜为2:8或3:7。土料粘性土或Ip4的粉土，不含软土、粒径小于15mm。石灰新鲜，粒径小于5mm。 5、垫层施工： 分层施工，灰土夯实后3day内不得浸水。,第七节 土(素土)和灰土垫层,二、素土垫层和灰土垫层设计和施工： 6、质量检验： 取样深度：每层2/3深度处； 干密度测定：环刀法、钢筋贯入法； 取样数量：参考规范 本节完,第七节 土(素土)和灰土垫层,一、粉质粘土垫层： 粘土及粉土难以夯实，应掺入不少于30%的砂石。 二、石屑垫层： 石料场废弃物，性质接近砂，注意含泥及含粉量。 三、工业废料垫层： 矿渣、煤矸石等

24、，需作现场试验确定参数。 四、加筋垫层： 土工合成材料等。,第八节 其他垫层,五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)： 1、材料： 聚苯乙烯板即为泡沫苯乙烯，添加发泡剂。 2、特性： （1）超轻质性：重度0.20.4KN/m3，为土的1/1001/50 （2）耐抗压性：5%应变抗压强度100350kPa，变形模量2.511.5MPa。 （3）摩擦性：与砂、砂浆等间摩擦系数 （4）直立性：侧向变形小，桥台、挡墙后填土压力小,第八节 其他垫层,五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)： 2、特性： （5）耐水性：水很难渗入 （6）化

25、学特性：70下强度和变形特性不会改变；阻燃性EPS；抗酸、碱、盐、动植物油的浸蚀；但易溶于芳香族、卤族、酮、脂等类碳氢化合物。 （7）施工方便：质轻、易切割加工，可模性好。,第八节 其他垫层,五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)： 3、应用： 可作路堤材料（两侧用土包裹，见教材），已应用到公路、铁路、机场、港口、市政园林景观的路堤、回填、垫层等。,第八节 其他垫层,经研究分析，确定采用砂垫层处理方案。第二层地基承载力标准值45kPa。设计垫层。 （提示：先假设砂垫层厚度为1m）。,例题：,（1）基础底面平均压力：,（2）基础底面处土自重压力：,（3）垫层底面处土自重压力：,（4）垫层底面处附加应力： 应力扩散角：因z/b=1/1.20.5，取=300； 对于条形基础有：,（5）垫层底面所有应力：,（7）不满足要求，再调整,（6）承载力修正：,1、某砖混结构房屋，采用条形基础，基础埋深1.2m，基础地表面以上作用竖向上部荷载130KN/m，基础及基础上土的平均容重20KN/m3，地基中淤泥全部挖除，用砂换填，垫层厚1.3m，干容重16KN/m3，试验算地基承载力是否满足要求。（说明：取淤泥层饱和容重等于湿容重）,