8　地基處理

8.1　概述

建筑物的地基，除應(yīng)保證強(qiáng)度穩(wěn)定性外，建筑物建成后還不應(yīng)有影響其安全與使用的沉降和不均勻沉降。當(dāng)天然地基無法滿足這兩個(gè)要求時(shí)，則必須對地基進(jìn)行加固和處理。當(dāng)已有建筑物的地基發(fā)生事故，或建筑物加層時(shí)，也需要對地基進(jìn)行處理。經(jīng)處理后的地基稱為人工地基。

我國地域遼闊，自然地理環(huán)境不同，土質(zhì)各異，其強(qiáng)度、壓縮性和透水性等性質(zhì)有很大的差別。其中，有不少是軟土或不良土，例如淤泥和淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土、泥炭土、膨脹土、濕陷性黃土、季節(jié)性凍土、巖溶和土洞等。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷地發(fā)展，建筑物的重量和占地范圍越來越大，還經(jīng)常不得不在工程地質(zhì)條件不良的場地上建造房屋，因此，對地基處理的需求也越來越多。此外，當(dāng)遇有舊房改造、加層、工廠擴(kuò)建引起荷載增大，或深基礎(chǔ)開挖和修建地下工程時(shí)，為防止出現(xiàn)土體失穩(wěn)破壞、地面變形和地下水滲流等現(xiàn)象，也都要求對地基進(jìn)行處理。

近年來，國內(nèi)外地基處理的技術(shù)迅速發(fā)展，處理的方法越來越多，但是，我們必須針對地基土的特性以及上部結(jié)構(gòu)對地基的要求，有的放矢、因地制宜地選擇處理方法。要總結(jié)國內(nèi)外在地基處理方面的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，發(fā)展地基處理的技術(shù)，提高地基處理的水平，節(jié)約基本建設(shè)投資。

8.1.1　地基處理的對象

地基處理的對象主要是軟弱地基和特殊土地基。

1) 軟弱地基

我國《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，軟弱地基系指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土層構(gòu)成的地基。

(1) 軟土。淤泥及淤泥質(zhì)土的總稱為軟土。軟土的特性是含水量高、孔隙比大、滲透系數(shù)小、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低。在外荷載作用下，軟土地基承載力低，地基變形大，不均勻變形也大，且變形穩(wěn)定歷時(shí)較長，在比較深厚的軟土層上，建筑物基礎(chǔ)的沉降往往持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年之久。軟土地基是在工程實(shí)踐中遇到最多需要人工處理的地基。

(2) 沖填土。沖填土是指在整治和疏浚江河航道時(shí)，用挖泥船通過泥漿將夾大量水分的泥砂吹到江河兩岸而形成的沉積土，亦稱吹填上。沖填土的工程性質(zhì)主要取決于顆粒組成、均勻性和排水固結(jié)條件，如以黏性土為主的沖填土往往是欠固結(jié)的，其強(qiáng)度較低且壓縮性較高，一般需經(jīng)過人工處理才能作為建筑物地基。如以砂性土或其他粗顆粒所組成的沖填土，其性質(zhì)基本上與砂性土類似，可按砂性土考慮是否需要進(jìn)行地基處理。

(3) 雜填土。雜填土是由人類活動(dòng)所形成的建筑垃圾、工業(yè)廢料和生活垃圾等無規(guī)則堆填物。雜填土的成分復(fù)雜，分布極不均勻，結(jié)構(gòu)松散且無規(guī)律性。雜填土的主要特性是強(qiáng)度低、壓縮性高和均勻性差，即使在同一建筑場地的不同位置，其地基承載力和壓縮性也有較大的差異。雜填土未經(jīng)人工處理一般不宜作為持力層。

(4) 其他高壓縮性土。飽和松散粉細(xì)砂及部分粉土，在機(jī)械振動(dòng)、地震等動(dòng)力荷載的重復(fù)作用下，有可能會(huì)產(chǎn)生液化或震陷變形。另外，在基坑開挖時(shí)，也可能會(huì)產(chǎn)生流砂或管涌。因此，對于這類地基土，往往需要進(jìn)行地基處理。

2) 特殊土地基

特殊土地基大部分帶有地區(qū)特點(diǎn)，包括濕陷性黃土、膨脹土、凍土、有機(jī)質(zhì)土和山區(qū)地基等。

(1) 濕陷性黃土。凡在上覆土的自重應(yīng)力作用下，或在上覆土自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，受水浸濕后土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加沉陷的黃土，稱為濕陷性黃土。由于黃土浸水濕陷而引起的建筑物不均勻沉降是造成黃土地區(qū)事故的主要原因，因此，當(dāng)黃土作為建筑物地基時(shí)，應(yīng)首先判別黃土是否具有濕陷性，再考慮是否需要進(jìn)行地基處理以及如何處理。

(2) 膨脹土。膨脹土是指顆粒成分主要由親水性黏土礦物組成的黏性土。它是一種吸水膨脹和失水收縮的高塑性黏土，具有較大脹縮性。當(dāng)利用膨脹土作為建筑物地基時(shí)，如果不進(jìn)行地基處理，往往會(huì)對建筑物造成危害。

(3) 季節(jié)性凍土。凍土是指氣候在負(fù)溫條件下，其中含有冰的各種土。季節(jié)性凍土是指該凍土在冬季凍結(jié)，而夏季融化的土層。多年凍土或永凍土是指凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)三年以上的土層。季節(jié)性凍土因其周期性的凍結(jié)和融化，對地基的不均勻沉降和地基的穩(wěn)定性影響較大，也需要進(jìn)行地基處理。

(4) 有機(jī)質(zhì)土和泥炭土。土中有機(jī)質(zhì)含量大于5%時(shí)稱為有機(jī)質(zhì)土，大于60%時(shí)稱為泥炭土。土中有機(jī)質(zhì)含量高，強(qiáng)度往往降低，壓縮性增大，特別是泥炭土，其含水量極高，壓縮性很大，且不均勻，一般不宜作為天然地基，需要進(jìn)行地基處理。

(5) 巖溶、土洞和山區(qū)地基。巖溶或稱“喀斯特”，它是石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、大理石、巖鹽、石膏等可溶性巖層受水的化學(xué)和機(jī)械作用而形成的溶洞、溶溝、裂隙，以及由于溶洞的頂板塌落使地表產(chǎn)生陷穴、洼地等現(xiàn)象和作用的總稱。土洞是巖溶地區(qū)上覆土層被地下水沖蝕或被地下水潛蝕所形成的洞穴。巖溶和土洞對建(構(gòu))筑物的影響很大，可能造成地面變形，地基陷落，發(fā)生水的滲漏和涌水現(xiàn)象。在巖溶地區(qū)修建建筑物時(shí)要特別重視巖溶和土洞的影響。

山區(qū)地基地質(zhì)條件比較復(fù)雜，主要表現(xiàn)在地基的不均勻性和場地的穩(wěn)定性兩方面。山區(qū)基巖表面起伏大，且可能有大塊孤石，這些因素常會(huì)導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降。另外，在山區(qū)常有可能遇到滑坡、崩塌和泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象，給建(構(gòu))筑物造成直接的或潛在的威脅。在山區(qū)修建建(構(gòu))筑物時(shí)要重視地基的穩(wěn)定性和避免過大的不均勻沉降，必要時(shí)需進(jìn)行地基處理。

8.1.2　地基處理目的

地基處理的目的是利用各種地基處理方法對地基土進(jìn)行加固，用以改良地基土的工程特性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 提高地基土的抗剪強(qiáng)度。地基的剪切破壞表現(xiàn)在：建(構(gòu))筑物的地基承載力不夠；偏心荷載及側(cè)向土壓力的作用使建(構(gòu))筑物失穩(wěn)；填土或建(構(gòu))筑物荷載使鄰近的地基土產(chǎn)生隆起；土方開挖時(shí)邊坡失穩(wěn)；基坑開挖時(shí)坑底隆起。地基的剪切破壞反映了地基土的抗剪強(qiáng)度不足，因此，為了防止剪切破壞，就需要采取一定措施以增加地基土的抗剪強(qiáng)度。

(2) 降低地基土的壓縮性。地基土的壓縮性表現(xiàn)在：建(構(gòu))筑物的沉降和差異沉降較大，填土或建(構(gòu))筑物荷載使地基產(chǎn)生固結(jié)沉降；作用于建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的負(fù)摩擦力引起建(構(gòu))筑物的沉降；大范圍地基的沉降和不均勻沉降；基坑開挖引起鄰近地面沉降；由于降水，地基產(chǎn)生固結(jié)沉降。地基的壓縮性反映在地基土的壓縮模量指標(biāo)的大小。因此，需要采取措施以提高地基土的壓縮模量，從而減少地基的沉降或不均勻沉降。

(3) 改善地基土的透水特性。地基的透水性表現(xiàn)在：堤壩等基礎(chǔ)產(chǎn)生的地基滲漏；基坑開挖工程中，因土層內(nèi)夾薄層粉砂或粉土而產(chǎn)生流砂和管涌。以上都是地下水在運(yùn)動(dòng)中所出現(xiàn)的問題。為此，必須采取措施使地基土降低透水性和減少其上的水壓力。

(4) 改善地基的動(dòng)力特性。地基的動(dòng)力特性表現(xiàn)在：地震時(shí)飽和松散粉細(xì)砂(包括部分粉土)將產(chǎn)生液化；由于交通荷載或打樁等原因，使鄰近地基產(chǎn)生振動(dòng)下沉。為此，需要采取措施防止地基液化并改善其振動(dòng)特性，以提高地基的抗震性能。

(5) 改善特殊土的不良地基特性。主要是消除或減弱黃土的濕陷性和膨脹土的脹縮特性等。

8.1.3　地基處理方法

地基處理方法可分為物理地基處理方法、化學(xué)地基處理方法以及生物地基處理方法。各種地基處理方法的原理及其適用范圍見表8-1。

表8-1　地基處理方法分類及其適用范圍

續(xù)表8-1

8.1.4　地基處理方法的選用原則

地基處理的效果能否達(dá)到預(yù)期目的，首先有賴于地基處理方案選擇是否得當(dāng)、各種加固參數(shù)設(shè)計(jì)得是否合理。地基處理方法雖然很多，但任何一種方法都不是萬能的，都有其各自的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。由于具體工程條件和要求各不相同，地質(zhì)條件和環(huán)境條件也不相同。此外，施工機(jī)械設(shè)備、所需的材料也會(huì)因提供部門的不同而產(chǎn)生很大差異。施工隊(duì)伍的技術(shù)素質(zhì)狀況、施工技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較狀況都會(huì)對地基處理的最終效果產(chǎn)生很大的影響。一般來說，在選擇確定地基處理方案以前應(yīng)充分地綜合考慮以下因素：

(1) 地質(zhì)條件。地形、地質(zhì)；成層狀態(tài)；各種土的指標(biāo)(物理、化學(xué)、力學(xué))；地下水條件。

(2) 結(jié)構(gòu)物條件。結(jié)構(gòu)物型式，規(guī)模；要求的安全度，重要性。

(3) 環(huán)境條件。①氣象條件；②噪聲、振動(dòng)情況，振動(dòng)、噪聲可能對周圍居民或設(shè)施的影響；③鄰近構(gòu)筑物情況，指鄰近的建筑物，橋臺(tái)、橋墩，地下結(jié)構(gòu)物等情況，加固過程中是否有影響，以及相應(yīng)的對策；④地下埋設(shè)物，應(yīng)查明上下水道、煤氣、電訊電纜管線的位置，以便采取相應(yīng)的對策；⑤機(jī)械作業(yè)、材料堆放的條件，加固過程中，涉及施工機(jī)械作業(yè)和大量建筑材料進(jìn)場堆放，為此，要解決道路與臨時(shí)場地等問題;⑥電力與供水條件。

(4) 材料的供給情況。盡可能地采用當(dāng)?shù)氐牟牧?，以減少運(yùn)輸費(fèi)用。

(5) 機(jī)械施工設(shè)備和機(jī)械條件。在某些地區(qū)有無所需的施工設(shè)備和施工設(shè)備的運(yùn)營狀況，操作熟練程度。這也是確定采用何種加固措施的關(guān)鍵。

(6) 工程費(fèi)用的高低。經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的高低是衡量地基處理方案選擇得是否合理的關(guān)鍵指標(biāo)，在地基處理中，一定要綜合比較能滿足加固要求的各地基處理方案，選擇技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量保證、經(jīng)濟(jì)合理的方案。

(7) 工期要求。應(yīng)保證地基加固工期不會(huì)拖延整個(gè)工程的進(jìn)展。另一方面，如地基工期縮短，也可利用這段時(shí)間，使地基加固后的強(qiáng)度得到提高。

由于各地基處理問題具有各自獨(dú)特的情況，所以在選擇和設(shè)計(jì)地基處理方案時(shí)不能簡單地依靠以往的經(jīng)驗(yàn)，也不能依靠復(fù)雜的理論計(jì)算，還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，通過現(xiàn)場試驗(yàn)、檢測并分析反饋不斷地修正設(shè)計(jì)參數(shù)。尤其是對于較為重要或缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程，在尚未施工前，應(yīng)先利用室內(nèi)外試驗(yàn)參數(shù)按一定方法設(shè)計(jì)計(jì)算，然后利用施工第一階段的觀測結(jié)果反分析基本參數(shù)，采用修正后的參數(shù)進(jìn)行第二階段的設(shè)計(jì)，之后再利用第二階段施工觀測結(jié)果的反饋參數(shù)進(jìn)行第三階段的設(shè)計(jì)。以此類推，使設(shè)計(jì)的取值比較符合現(xiàn)場實(shí)際情況。因此，地基處理方案的選擇和設(shè)計(jì)流程，大致如圖8-1所示。

圖8-1　地基處理的方案選擇、設(shè)計(jì)、監(jiān)測流程圖

8.2　物理法加固技術(shù)

物理法加固技術(shù)是指通過物理的方法達(dá)到地基加固的目的，目前物理加固的方法主要有換填法、強(qiáng)夯法、擠密法、排水固結(jié)法、加筋法等。

8.2.1　換土墊層法

當(dāng)建筑物荷重不大，基底下面軟弱土不太厚且地下水位也較低，此時(shí)可將基底下軟土層部分挖除或全部挖除，而代之以人工換土墊層作為建筑物持力土層。這種地基處理方法通常用于處理5層以下民用建筑、跨度不大的工業(yè)廠房，以及基槽開挖后用來處理基底范圍內(nèi)局部軟弱土層。

目前，常用的墊層有砂墊層、砂卵石墊層、碎石墊層、灰土或素土墊層、煤渣墊層、礦渣墊層以及用其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料做的墊層等。對于不同材料的墊層，雖然其應(yīng)力分布有所差異，但測試結(jié)果表明，其極限承載力還是比較接近的，并且不同材料墊層上建筑物的沉降特點(diǎn)也基本相似，故各種材料墊層的設(shè)計(jì)都可近似按砂墊層方法進(jìn)行。但對于濕陷性黃土、膨脹土和季節(jié)性凍土等特殊土采用換填法進(jìn)行地基處理時(shí)，因其主要目的是為了消除或部分消除地基土的濕陷性、脹縮性和凍脹性，所以在設(shè)計(jì)中所考慮解決問題的關(guān)鍵也應(yīng)有所不同。

1) 換土墊層法的原理

換土填墊層法按其原理可體現(xiàn)以下五個(gè)方面的作用：

(1) 提高淺層地基承載力。因地基中的剪切破壞從基礎(chǔ)底面開始，隨應(yīng)力的增大而向縱深發(fā)展，故以抗剪強(qiáng)度較高的砂或其他建筑材料置換基礎(chǔ)下較弱的土層，可避免地基的破壞。同時(shí)，墊層能更好地?cái)U(kuò)散附加應(yīng)力而使其底面處軟弱土層能承受相應(yīng)荷載。

(2) 減少沉降量。一般淺層地基的沉降量占總沉降量比例較大。如以密實(shí)砂或其他填筑材料代替上層軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。由于砂層或其他墊層對應(yīng)力的擴(kuò)散作用，使作用在下臥層土上的壓力較小，這樣也會(huì)相應(yīng)減少下臥層土的沉降量。

(3) 加速軟弱土層的排水固結(jié)。砂墊層和砂石墊層等墊層材料透水性強(qiáng)，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水層，使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)和提高其強(qiáng)度，避免地基發(fā)生塑性破壞。

(4) 防止凍脹。因?yàn)榇诸w粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中結(jié)凍所造成的凍脹。

(5) 消除膨脹土的脹縮作用。

上述作用中以前三種為主要作用。并且在各類工程中，墊層所起的主要作用有時(shí)也是不同的，如房屋建筑物基礎(chǔ)下的砂墊層主要起換土作用，而在路堤及土壩等工程中往往以排水固結(jié)為主要作用。

必須指出，砂墊層不宜用于處理濕陷性黃土地基，因?yàn)樯皦|層較大的透水性反而容易引起黃土的濕陷。用素土或灰土墊層處理濕陷性黃土地基可消除1～3m厚黃土的濕陷性。

2) 換填墊層法適用范圍

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，換填法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗溝、暗塘等淺層處理。具體適用范圍見表8-2。

表8-2　換填法的適用范圍

對于大面積填土，由于大范圍地面負(fù)荷影響較深，所以，地基壓縮深度深，地基沉降量大，且沉降延續(xù)時(shí)間也較長，這與換填法淺層處理地基的特點(diǎn)不同。因此，若采用大面積填土作為建筑地基，還應(yīng)符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 7—89)中的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定。

在基坑開挖后，雖然采用分層回填夯實(shí)的方法也可以處理較深的軟弱土層，但是，墊層太厚不僅施工難度增大，還常常由于地下水位高需要采取降水措施、坑壁放坡占地面積大或需要基坑支護(hù)以及施工土方量大和棄土多等因素，從而使得處理費(fèi)用增高、工期延長，因此，換填法的處理深度通常宜控制在3m以內(nèi)較為經(jīng)濟(jì)合理，但也不應(yīng)小于0.5m，因?yàn)閴|層太薄，換土墊層的作用就不顯著了。在濕陷性黃土地區(qū)或土質(zhì)較好的場地，一般坑壁的邊坡穩(wěn)定性較好，處理深度也可限制在5m以內(nèi)。

3) 墊層設(shè)計(jì)

換填法地基處理的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是確定墊層的厚度、寬度和承載力，必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行地基的變形計(jì)算。對于換土墊層，根據(jù)建筑物對地基強(qiáng)度和變形的要求，既要求墊層有足夠的厚度以置換可能剪切破壞的軟弱土層，又要求墊層有足夠的寬度以防止墊層向兩側(cè)擠出；而對于排水墊層，則主要是在基礎(chǔ)底面下設(shè)置厚度為30 cm的砂、砂石或碎石等透水性大的墊層，以形成一個(gè)排水層，從而促使軟弱土層的排水固結(jié)。

(1) 墊層厚度的確定

圖8-2　墊層設(shè)計(jì)示意圖

墊層厚度z(見圖8-2)應(yīng)根據(jù)需置換軟弱土的深度或下臥土層的承載力確定，并符合式(8-1)要求：

pz+pcz≤faz

(8-1)

式中：pz——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，墊層底面處的附加壓力值(kPa)；

pcz——墊層底面處土的自重壓力值(kPa)；

faz——墊層底面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值(kPa)。

墊層底面處的附加壓力值pz可按壓力擴(kuò)散角θ分別按以下兩式進(jìn)行簡化計(jì)算：

對于條形基礎(chǔ)

(8-2)

對于矩形基礎(chǔ)

(8-3)

式中：b——矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的寬度(m)；

l——矩形基礎(chǔ)底面的長度(m)；

pk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值(kPa)；

pc——基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值(kPa)；

z——基礎(chǔ)底面下墊層的厚度(m)；

θ——墊層的壓力擴(kuò)散角，宜通過試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)可按表8-3所示。

表8-3　壓力擴(kuò)散角θ

注：① 當(dāng)z/b<0.25時(shí)，除灰土取θ=28°外，其余材料均取θ=0°，必要時(shí)，宜由試驗(yàn)確定。

② 當(dāng)0.25<z/b<0.5時(shí)，θ值可用內(nèi)插法求得。

計(jì)算時(shí)一般先初步擬定一個(gè)墊層厚度，再用式(8-1)驗(yàn)算。如果不符合要求，則改變厚度，重新驗(yàn)算，直至滿足要求為止。墊層厚度不宜大于3m，太厚施工較困難，而太薄(<0.5m)則換墊層的作用不顯著。

(2) 墊層寬度的確定

墊層底面的寬度應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求，可按下式確定：

b′≥b+2ztanθ

(8-4)

式中：b′——墊層底面寬度(m)；

θ——壓力擴(kuò)散角，可按表8-3采用，當(dāng)z/b<0.25時(shí)，仍按表中z/b=0.25取值。

墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊不宜小于300mm，或從墊層底面兩側(cè)向上按當(dāng)?shù)亻_挖基坑經(jīng)驗(yàn)的要求放坡確定墊層頂面寬度，整片墊層的寬度可根據(jù)施工的要求適當(dāng)加寬。

(3) 墊層承載力的確定

經(jīng)換填處理后的地基，由于理論計(jì)算方法尚不夠完善，墊層的承載力宜通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定。當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，可按表8-4選用，并應(yīng)驗(yàn)算下臥層的承載力。

(4) 沉降計(jì)算

對于墊層下存在軟弱下臥層的建(構(gòu))筑物，在進(jìn)行地基變形計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮鄰近基礎(chǔ)對軟弱下臥層頂面應(yīng)力疊加的影響。當(dāng)超出原地面標(biāo)高的墊層或換填材料的重度高于天然土層重度時(shí)宜早換填，并應(yīng)考慮其附加的荷載對建(構(gòu))筑物及鄰近建(構(gòu))筑物的影響。

表8-4　各種墊層的承載力

注：① 壓實(shí)系數(shù)λc為土的控制干密度ρd與最大干密度ρdmax的比值，土的最大干密度宜采用擊實(shí)試驗(yàn)確定，碎石或卵石的最大干密度可取2.0～2.2t/m3。

② 采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，壓實(shí)系數(shù)λc宜取高值；采用重型擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，壓實(shí)系數(shù)λc可取低值。

③ 礦渣墊層的壓實(shí)指標(biāo)為最后兩遍壓實(shí)的壓陷差小于2mm。

④ 壓實(shí)系數(shù)小的墊層，承載力特征值取低值，反之取高值。

⑤ 原狀礦渣墊層取低值，分級礦渣或混合礦渣墊層取高值。

墊層地基的變形由墊層自身變形和下臥層變形組成。粗粒換填材料的墊層在滿足本節(jié)前述條件下，在施工期間墊層自身的壓縮變形已基本完成，且其值很小，墊層地基的變形可僅考慮其下臥層的變形。但對于細(xì)粒材料墊層，尤其是厚度較大的換填墊層或?qū)Τ两狄髧?yán)格的建(構(gòu))筑物，應(yīng)計(jì)算墊層自身的變形。設(shè)建筑物基礎(chǔ)沉降量為s，則：

s=sc+sp

(8-5)

式中：sc——墊層自身變量(mm)；

sp——壓縮層厚度范圍內(nèi)(自下臥層頂面，即墊層底面算起)各土層變形之和(mm)。

墊層自身變形量可按下式計(jì)算：

(8-6)

式中：p——基底壓力(kPa)；

Es——墊層壓縮模量，由靜載試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)可按表8-5取值。

α——基底壓力擴(kuò)散系數(shù)。

表8-5　墊層模量

注：壓實(shí)礦渣的E0/Es比值可按1.5～3取用。

擴(kuò)散系數(shù)α可按以下公式計(jì)算：

條形基礎(chǔ)

(8-7)

矩形基礎(chǔ)

(8-8)

下臥層的變形量可按分層總和法確定：

(8-9)

式中：ψ——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗(yàn)確定，也可按表8-6取值；

pz——墊層底面的附加應(yīng)力(kPa)；

b′——墊層底寬度(m)；

Esi(1-2)——下臥土層第i層在100～200kPa壓力作用下的壓縮模量(kPa)；

δi——第i層土平均附加應(yīng)力系數(shù)與墊層底到第i層底距離的乘積；

n——下臥層計(jì)算深度內(nèi)劃分的土層數(shù)。

表8-6　沉降量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ

注：為沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量當(dāng)量值。

，其中Ai為第i層土附加應(yīng)力系數(shù)沿土層厚度的積分值。

(5) 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

① 處理軟土或雜填土的墊層。換填法處理軟土或雜填土的主要目的是置換基底下可能被剪切破壞的軟弱土層或雜填土層，因此，墊層厚度主要取決于剪切破壞區(qū)域的大小及工程對消除剪切區(qū)深度的要求。若基底下為雜填土層，則墊層厚度取決于雜填土層的埋藏深度。對于換填后其墊層下仍存在軟弱下臥層的情況，尚應(yīng)滿足軟弱下臥土層的承載力要求及工程對地基變形的要求。對于墊層寬度的大小，則必須滿足基礎(chǔ)底面壓力擴(kuò)散的要求，并避免墊層材料因向側(cè)邊擠出而增加墊層的豎向變形。

② 處理濕陷性黃土的墊層。換填法處理濕陷性黃土的主要目的是為了消除或部分消除黃土的濕陷量。其中素土墊層一般用于4層以下的民用建筑物，而灰土墊層可用于6～7層的民用建筑物。

墊層厚度取決于工程對消除黃土濕陷量的要求。如果需全部消除濕陷量，對于非自重濕陷性黃土，應(yīng)滿足墊層底部總壓力不大于下臥黃土層沉陷量起始壓力的要求；對于自重濕陷性黃土則必須全部挖出，換填法僅適用于厚度不大的自重濕陷性黃土地基。

如果要求消除部分濕陷量，則應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性、基礎(chǔ)形式和面積、基底壓力大小以及黃土濕陷類型、等級等因素綜合考慮。一般情況下，對于非自重濕陷性黃土，當(dāng)墊層厚度等于基礎(chǔ)寬度時(shí)，可消除濕陷量80%以上；當(dāng)墊層厚度等于1.5倍基礎(chǔ)寬度時(shí)，可基本消除濕陷量；而灰土墊層的厚度宜大于1.5倍基礎(chǔ)寬度。對于自重濕陷性黃土，應(yīng)控制剩余濕陷量不大于20cm，并滿足最小處理厚度的要求，見表8-7。

表8-7　消除部分黃土濕陷量的最小處理厚度(m)

墊層寬度的大小取決于工程的要求，當(dāng)墊層寬度超出建筑物外墻基礎(chǔ)邊緣的距離至少為墊層厚度且不小于1.5m時(shí)，可消除整個(gè)建筑范圍內(nèi)部分黃土層的濕陷性，防止水從室內(nèi)外滲入地基，并保護(hù)墊層下未經(jīng)處理的濕陷性黃土不致受水浸濕。對于直接位于基礎(chǔ)下的墊層，為防止基底下的墊層向外擠出，墊層寬度應(yīng)超出基礎(chǔ)寬度至少為墊層厚度的40%，并不小于0.5m。

③ 處理膨脹土的墊層。換填法處理膨脹土的主要目的是為了消除或減少膨脹土的脹縮性能，適用于薄的膨脹土層或主要脹縮變形層不厚的情況。對于墊層厚度，應(yīng)使地基的剩余脹縮變形量控制在容許值范圍內(nèi)，如采用砂墊層，則應(yīng)滿足以下條件：A.墊層厚度應(yīng)為1～1.2倍基礎(chǔ)，墊層寬度應(yīng)為1.8～2.2倍基礎(chǔ)寬度；B.墊層密度應(yīng)不小于1.65t/m3;C.基底壓力宜選用100～200kPa；D.基槽兩邊回填區(qū)的附加壓力不應(yīng)大于0.25p (p為基底壓力)；E.當(dāng)土膨脹壓力大于250kPa時(shí)，墊層材料宜選用中、細(xì)砂；當(dāng)土膨脹壓力較小時(shí),墊層材料可采用粗砂。

4) 換填法施工

(1) 材料選用

① 砂石。砂石墊層材料宜選用碎石、卵石、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑(粒徑小于2mm的部分不應(yīng)超過總重的45%)，應(yīng)級配良好，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)。當(dāng)使用粉細(xì)砂時(shí)，應(yīng)摻入不少于總重30%的碎石或卵石。砂石的最大粒徑不宜大于50 mm，并通過試驗(yàn)確定虛鋪厚度、振搗遍數(shù)、振搗器功率等技術(shù)參數(shù)。對濕陷性黃土地基，不得選用砂石等透水材料。

② 粉質(zhì)黏土。土料中有機(jī)質(zhì)含量不得超過5%，亦不得含有凍土或膨脹土，不得夾有磚、瓦和石塊等滲水材料。當(dāng)含有碎石時(shí)，粒徑不宜大于50 mm。

③ 灰土?；彝恋捏w積配合比宜為2∶8或3∶7。土料宜用粉質(zhì)黏土，不宜使用塊狀黏土和砂質(zhì)粉土，不得含有松軟雜質(zhì)，并應(yīng)過篩，其顆粒粒徑不得大于15mm。石灰宜用新鮮的消石灰，其顆粒粒徑不得大于5mm。

④ 粉煤灰。可用于道路、堆場和小型建筑物、構(gòu)筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.3～0.5m。粉煤灰墊層中采用摻合劑時(shí)，應(yīng)通過試驗(yàn)確定其性能及適用條件。作為建筑物墊層的粉煤灰應(yīng)符合有關(guān)放射性安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。粉煤灰墊層中的金屬構(gòu)件、管網(wǎng)宜采用適當(dāng)?shù)姆栏胧?。大量填筑粉煤灰時(shí)應(yīng)考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。

⑤ 礦渣。墊層使用的礦渣是指高爐重礦渣，可分為分級礦渣、混合礦渣及原狀礦渣。礦渣墊層主要用于堆場、道路和地坪，也可用于小型建筑物、構(gòu)筑物地基。選用礦渣的松散重度不小于11kN/m3，有機(jī)質(zhì)及含泥總量不超過5%。設(shè)計(jì)、施工前必須對選用的礦渣進(jìn)行試驗(yàn)，在確認(rèn)其性能穩(wěn)定并符合安全規(guī)定后方可使用。作為建筑物墊層的礦渣應(yīng)符合對放射性安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。易受酸、堿影響的基礎(chǔ)或地下管網(wǎng)不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時(shí)，應(yīng)考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。

⑥ 其他工業(yè)廢渣。在有可靠試驗(yàn)結(jié)果或成功工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對質(zhì)地堅(jiān)硬、性能穩(wěn)定、無腐蝕性和放射性危害的工業(yè)廢渣等均可用于填筑換填墊層。被選用工業(yè)廢渣的粒徑、級配和施工工藝等應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

⑦ 土工合成材料。由分層鋪設(shè)的土工合成材料與地基土構(gòu)成加筋墊層。所用土工合成材料的品種與性能及填料的土類應(yīng)根據(jù)工程特性和地基土條件，按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50290—1998)的要求，通過設(shè)計(jì)并進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)后確定。

作為加筋的土工合成材料應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度較高、受力時(shí)伸長率不大于4%～5%、耐久性好、抗腐蝕的土工格柵、土工格室、土工墊或土工織物等土工合成材料；墊層填料宜用碎石、角礫、礫砂、粗砂、中砂或粉質(zhì)黏土等材料。當(dāng)工程要求墊層具有排水功能時(shí)，墊層材料應(yīng)具有良好的透水性。在軟土地基上使用加筋墊層時(shí)，應(yīng)保證建筑穩(wěn)定并滿足允許變形的要求。

(2) 施工機(jī)具

墊層施工應(yīng)根據(jù)不同的換填材料選擇施工機(jī)具。素填土宜采用平碾或羊足碾；砂石等宜采用振動(dòng)碾或振動(dòng)壓實(shí)機(jī)；當(dāng)有效夯實(shí)深度內(nèi)土的飽和度小于并接近0.6時(shí)可采用重錘夯實(shí)。

(3) 含水量要求

為獲得最佳夯實(shí)效果，宜采用墊層材料的最優(yōu)含水量wop作為施工控制含水量。對于素土和灰土墊層，含水量可控制在最優(yōu)含水量wop±2%范圍內(nèi)；當(dāng)使用振動(dòng)碾壓時(shí)，可適當(dāng)放寬至最優(yōu)含水量wop的-6%～+2%范圍內(nèi)。對于砂石料墊層，當(dāng)使用平板振動(dòng)器時(shí)，含水量可取15%～20%；當(dāng)使用平碾或蛙式夯時(shí)，含水量可取8%～12%；當(dāng)使用插入式振動(dòng)器時(shí)，砂石料則宜為飽和。對于粉煤灰墊層，含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量wop±4%范圍內(nèi)。

表8-8　墊層的每層鋪填厚度及壓實(shí)遍數(shù)

(4) 分層厚度

墊層的分層鋪填厚度以及每層壓實(shí)遍數(shù)宜根據(jù)墊層材料、施工機(jī)械設(shè)備及設(shè)計(jì)要求等通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定。除接觸下臥軟土層的墊層應(yīng)根據(jù)施工機(jī)械設(shè)備和下臥層土質(zhì)條件的要求具有足夠的厚度外，一般情況下，墊層的分層鋪填厚度可取200～300mm，在不具備試驗(yàn)條件的場合，也可按表8-8選用。為保證分層壓實(shí)質(zhì)量，同時(shí)還應(yīng)控制機(jī)械碾壓速度。

(5) 質(zhì)量控制要求

墊層的質(zhì)量必須分層控制及檢驗(yàn)，并且以滿足設(shè)計(jì)要求的最小密度為控制標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量檢驗(yàn)方法主要有環(huán)刀法和貫入測定法。另外，對于墊層填筑工程竣工質(zhì)量驗(yàn)收還可用：靜載荷試驗(yàn)法、N63.5標(biāo)準(zhǔn)貫入法、N10輕便觸探法、動(dòng)測法、靜力觸探法等中的一種或幾種方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

各類墊層的質(zhì)量控制可按下列要求進(jìn)行：

① 砂石墊層。對于中砂，要求最小干密度ρd≥1.6t/m3；對于粗砂，要求最小干密度ρd≥1.7t/m3；對于碎石或卵石，最小干密度ρd應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)提高。

② 粉煤灰墊層。要求壓實(shí)系數(shù)λ≥0.90。

③ 素土墊層和灰土墊層。當(dāng)墊層厚度不大于3m時(shí)，要求壓實(shí)系數(shù)λ≥0.93；當(dāng)墊層厚度大于3m時(shí)，要求達(dá)到壓實(shí)系數(shù)λ≥0.95。

④ 干渣墊層。要求達(dá)到表面堅(jiān)實(shí)、平整、無明顯缺陷，并且壓陷差小于2mm。

圖8-3　某工程墊層設(shè)計(jì)示意圖

【例8-1】　某辦公樓一側(cè)墻基承受上部結(jié)構(gòu)荷載p=140kN/m，基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，寬度b=1.4m，埋深d=1.4m，埋深范圍內(nèi)土的容重γ為18kN/m3，基底為深厚淤泥質(zhì)軟黏土，其壓縮模量Es=4.8MPa，fak=88kPa，容重γ為17kN/m3，擬采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)中砂做墊層處理，砂壓密后的容重γ為19.5kN/m3。試進(jìn)行墊層設(shè)計(jì)。墊層的剖面見圖8-3。

【解】　(1) 墊層厚度的確定。根據(jù)工程的實(shí)際情況，先取墊層厚度z=1.8m，進(jìn)行墊層底面承載力驗(yàn)算。

墊層底面處的自重應(yīng)力為：

pcz=γ0d+γ砂z=18×1.4+19.5×1.8=60.3kPa

因?yàn)樯皦|層對基礎(chǔ)傳遞下來的荷載有很大的擴(kuò)散作用，擴(kuò)散后寬度 為

=b+2ztanθ=1.4+2×1.8tanθ

其中θ為應(yīng)力擴(kuò)散角，由z/b=1.8/1.4=1.29以及墊層材料為中粗砂查表得θ=30°，故墊層底面的附加應(yīng)力pz為

砂墊層底面的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和為

pz+pcz=30.1+60.3=90.4kPa

砂墊層底面的承載力

fz=fak+m0γ0(d-0.5)

其中，m0為承載力的基礎(chǔ)埋深修正系數(shù)，本例取m0=1.0。于是有

fz=88+1×18×(1.4-0.5)=104.2kPa

fz>pz+pcz

所以假設(shè)取z=1.8m是合理的。

(2) 墊層寬度B的確定。

=b+2ztanθ=3.478m

實(shí)際可取B=3.6m。

(3) 砂墊層承載力驗(yàn)算。在施工過程中，控制砂墊層的壓實(shí)系數(shù)λc=0.94～0.97，由表可查得fz=150～200kPa，而基底壓力p=100kPa<fz，所以砂墊層也滿足承載力要求。

(4) 沉降計(jì)算(基礎(chǔ)中心線)。

圖8-4　自重應(yīng)力與附加應(yīng)力分布圖

=3.1cm

墊層以下土層的應(yīng)力計(jì)算如圖8-4所示。

8.2.2　強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是20世紀(jì)60年代末、70年代初首先在法國發(fā)展起來的，國外稱之為動(dòng)力固結(jié)法，以區(qū)別于靜力固結(jié)法。它一般是將10～40t的重錘以10～40m的落距，對地基土施加強(qiáng)大的沖擊能，在地基土中形成沖擊波和動(dòng)應(yīng)力，使地基土壓實(shí)和振密，以加固地基土，達(dá)到提高強(qiáng)度、降低壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性的目的。

強(qiáng)夯法經(jīng)過40余年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)與民用建筑、倉庫、油罐、公路、鐵路、飛機(jī)場跑道及碼頭的地基處理中，主要適用于加固砂土和碎石土、低飽和度粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強(qiáng)夯法以其適應(yīng)性強(qiáng)、效果好、造價(jià)低、工期短等優(yōu)點(diǎn)，成為我國地基處理的一項(xiàng)重要技術(shù)。

對于飽和黏性土地基，近年來發(fā)展了強(qiáng)夯置換法，即利用夯擊能將碎石、礦渣等材料強(qiáng)力擠入地基，在地基中形成碎石墩，并與墩間土形成碎石墩復(fù)合地基，提高地基承載力和減小地基沉降。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土與軟塑-流塑的黏性土等地基上對變形要求不嚴(yán)的工程。強(qiáng)夯置換法在設(shè)計(jì)前必須通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。

1) 加固原理

土的類型不同，其強(qiáng)夯加固機(jī)理亦不相同。飽和土的強(qiáng)夯加固機(jī)理可以分為三個(gè)階段：

(1) 加載階段，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，而動(dòng)應(yīng)力往往大于孔隙水壓力，有效動(dòng)應(yīng)力使土體產(chǎn)生塑性變形，破壞土的結(jié)構(gòu)。對于砂土，迫使土的顆粒重新排列而密實(shí)。對于黏性土，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，即夯擊動(dòng)能卸去的一瞬間，動(dòng)力的總應(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，故土體中存在較大的負(fù)有效應(yīng)力，引起砂土液化。在黏性土地基中，當(dāng)最大孔隙水壓力大于最小主應(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，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，使砂土進(jìn)一步密實(shí)；在黏性土中，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。

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，降低土的壓縮性。

動(dòng)力置換是利用夯擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，強(qiáng)行將砂、碎石等擠填到飽和軟土層中，置換原飽和軟土，形成“樁柱”或密實(shí)砂石層。與此同時(shí)，未被置換的下臥飽和軟土，在動(dòng)力作用下排水固結(jié)，變得更加密實(shí)，從而使地基承載力提高，沉降減小。

2) 強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)

(1) 有效加固深度

梅納(Menard)曾提出用下列公式估算有效加固深度：

(8-10)

式中：H——有效加固深度(m)；

M——夯錘重(kN)；

h——落距(m)。

由式(8-10)估算的有效加固深度較實(shí)測值大，可采用0.34～0.8的修正系數(shù)進(jìn)行修正。但對同一類土，采用不同能量夯擊時(shí)，其修正系數(shù)并不相同，因此，對同一類土，采用一個(gè)修正系數(shù)并不能得到滿意的結(jié)果。影響有效加固深度的因素有單擊夯擊能、地基土的性質(zhì)、不同土層的厚度、埋藏順序和地下水位等，有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試夯或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。在缺少試驗(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2002)建議了其取值范圍，見表8-9。

表8-9　強(qiáng)夯法的有效加固深度

注：強(qiáng)夯法的有效加固深度應(yīng)從最初起夯面算起。

(2) 單擊夯擊能

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)需要加固的深度初步確定采用的夯擊能，然后再根據(jù)機(jī)具條件確定起重設(shè)備、夯錘尺寸，以及自動(dòng)脫鉤裝置。

起重設(shè)備可用履帶式起重機(jī)、輪胎式起重機(jī)，也可采用專門制作的三腳架和輪胎式強(qiáng)夯機(jī)。由于1000kN吊機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)能力只有200kN左右，所以當(dāng)錘重超過吊機(jī)卷揚(yáng)機(jī)能力時(shí)，不能使用單纜錘施工工藝，需要利用滑輪組，并借助脫鉤裝置來起落夯錘。

夯錘的平面一般有圓形和方形，又分氣孔式和封閉式。圓形帶有氣孔的錘較好，它可克服方形錘由于兩次夯擊落地不完全重合而造成的能量損失。氣孔宜上下貫通，孔徑可取250～300mm，它可減小起吊夯錘的吸力和夯錘著地的能量損失。錘底面積宜按土的性質(zhì)確定，對砂性土一般為3～4m2，對黏性土不宜小于6m2。錘底靜接地壓力可取25～40kPa。錘重一般為10～25t，最大夯錘已達(dá)40t，落距為8～25m。對相同的夯擊能量，常選用大落距方案，這樣能獲得較大的接地速度，將能量的大部分有效地傳到地下深處，增加深層夯實(shí)效果，減小消耗在地表土層塑性變形的能量。

自動(dòng)脫鉤裝置由工廠定型生產(chǎn)。夯錘掛在脫鉤裝置上，當(dāng)起重機(jī)將夯錘吊到既定高度時(shí)，脫鉤裝置使錘自由下落進(jìn)行夯實(shí)。

(3) 最佳夯擊能

從理論上講，在最佳夯擊能作用下，地基土中出現(xiàn)的孔隙水壓力達(dá)到土的自重壓力，這樣的夯擊能稱為最佳夯擊能。在黏性土中，由于孔隙水壓力消散緩慢，當(dāng)夯擊能逐漸增大時(shí)，孔隙水壓力相應(yīng)地疊加，因此可根據(jù)孔隙水壓力的疊加來確定最佳夯擊能。在砂性土中，孔隙水壓力增長及消散過程僅為幾分鐘，因此孔隙水壓力不能隨夯擊能增加而疊加，可根據(jù)最大孔隙水壓力增量與夯擊次數(shù)關(guān)系來確定最佳夯擊能。

夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)，可按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，并應(yīng)同時(shí)滿足下列條件：①最后兩擊的平均夯沉量不宜大于下列數(shù)值：當(dāng)單擊夯擊能小于4000kN·m時(shí)為50 mm，當(dāng)單擊夯擊能為4000～6000kN·m時(shí)為100 mm，當(dāng)單擊夯擊能大于6000kN·m時(shí)為200mm；②夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起；③不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。

也可參照夯坑周圍土體隆起的情況予以確定，就是當(dāng)夯坑的豎向壓縮量最大而周圍土體的隆起最小時(shí)的夯擊數(shù)，為該點(diǎn)的夯擊次數(shù)。夯坑周圍地面隆起量太大，說明夯擊效率降低，則夯擊次數(shù)要適當(dāng)減少。對于飽和細(xì)粒土，擊數(shù)可根據(jù)孔隙水壓力的增長和消散來決定；當(dāng)被加固的土層將發(fā)生液化時(shí)，此時(shí)的擊數(shù)即為該遍擊數(shù)，以后各遍擊數(shù)也可按此確定。

(4) 夯擊遍數(shù)

夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定。一般來說，由粗顆粒土組成的滲透性強(qiáng)的地基，夯擊遍數(shù)可少些；反之，由細(xì)顆粒土組成的滲透性弱的地基，夯擊遍數(shù)要求多些。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般可采用點(diǎn)夯2～3遍，對于滲透性較差的細(xì)顆粒土，必要時(shí)夯擊遍數(shù)可適當(dāng)增加。最后再以低能量滿夯2遍，滿夯可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接的方式。滿夯的夯實(shí)效果好，可減小建(構(gòu))筑物的沉降和不均勻沉降。

(5) 間歇時(shí)間

兩遍夯擊之間的間隔時(shí)間取決于土中超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間。但土中超靜孔隙水壓力的消散速率與土的類別、夯點(diǎn)間距等有關(guān)。有條件時(shí)最好能在試夯前埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，通過試夯確定超靜孔隙水壓力的消散時(shí)間，從而決定兩遍夯擊之間的間隔時(shí)間。當(dāng)缺少實(shí)測資料時(shí)，可根據(jù)地基土的滲透性確定；對于滲透性較差的黏性土地基，間隔時(shí)間不應(yīng)少于3～4周；對于滲透性好的地基，超孔隙水壓力消散很快，夯完一遍，第二遍可連續(xù)夯擊。

(6) 夯擊點(diǎn)布置

夯擊點(diǎn)布置是否合理與夯實(shí)效果有直接的關(guān)系。夯擊點(diǎn)位置可根據(jù)基底平面形狀，采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布置。對于某些基礎(chǔ)面積較大的建(構(gòu))筑物，為便于施工，可按等邊三角形或正方形布置夯點(diǎn)；對于辦公樓、住宅建筑等，可根據(jù)承重墻位置布置夯點(diǎn)，一般可采用等腰三角形布點(diǎn)，這樣保證了橫向承重墻以及縱墻和橫墻交接處墻基下均有夯擊點(diǎn)；對于工業(yè)廠房來說，也可按柱網(wǎng)來設(shè)置夯擊點(diǎn)。

夯擊點(diǎn)間距的確定，一般根據(jù)地基土的性質(zhì)和要求處理的深度而定。對于細(xì)顆粒土，為便于超靜孔隙水壓力的消散，夯點(diǎn)間距不宜過小。當(dāng)要求處理深度較大時(shí)，第一遍的夯點(diǎn)間距更不宜過小，以免夯擊時(shí)在淺層形成密實(shí)層而影響夯擊能往深層傳遞。此外，若各夯點(diǎn)之間的距離太小，在夯擊時(shí)上部土體易向周圍已夯成的夯坑中擠出，從而造成坑壁坍塌，夯錘歪斜或傾倒，影響夯實(shí)效果。第一遍夯擊點(diǎn)間距可取夯錘直徑的2.5～3.5倍，第二遍夯擊點(diǎn)位于第一遍夯擊點(diǎn)之間。以后各遍夯擊點(diǎn)間距可適當(dāng)減小。對加固深度較深或單擊夯擊能較大的工程，第一遍夯擊點(diǎn)間距宜適當(dāng)增大。

圖8-5　夯擊點(diǎn)布置及夯擊次序(單位：m)

圖8-5表示了兩種夯擊點(diǎn)的布置及夯擊次序。圖8-5(a)中，13個(gè)擊點(diǎn)夯一遍分三次完成。第一次夯5點(diǎn)，4．2m×4.2m正方形布置；第二次夯4點(diǎn)，4．2m×4．2m正方形布置；第三次夯4點(diǎn)，3m×3m正方形布置。三次完成后13個(gè)夯擊點(diǎn)為2．1m×2．1m正方形布置。圖8-5(b)中，9個(gè)擊點(diǎn)夯一遍分三次完成。第一次夯4點(diǎn)，6m×6m正方形布置；第二次夯1點(diǎn)，在6m×6m正方形中心；第三次夯4點(diǎn)，4．2m×4．2m正方形布置。三次完成后9個(gè)夯擊點(diǎn)為3m×3m正方形布置。

(7) 處理范圍

由于基礎(chǔ)的應(yīng)力擴(kuò)散作用，強(qiáng)夯處理范圍應(yīng)大于建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)范圍，具體放大范圍可根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型和重要性等因素考慮確定。對于一般建(構(gòu))筑物，每邊超出基礎(chǔ)外緣的寬度宜為基底下設(shè)計(jì)處理深度的1/2至2/3，并不宜小于3m。

(8) 承載力確定

強(qiáng)夯地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)時(shí)也可根據(jù)夯后原位測試和土工試驗(yàn)指標(biāo)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)有關(guān)規(guī)定確定。

3) 強(qiáng)夯法施工

強(qiáng)夯法施工是該法質(zhì)量控制的重要一環(huán)。目前，國外已出現(xiàn)了將設(shè)計(jì)和施工結(jié)合起來隨時(shí)控制的信息化施工方法。信息化施工的基本過程是：在現(xiàn)場對施工過程的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行測試，將其結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)處理，得出加固地基的定量評價(jià)，然后反饋回來對原設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，以后再按新方案進(jìn)行強(qiáng)夯施工。循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。信息化施工可以彌補(bǔ)因設(shè)計(jì)階段情況欠明，或設(shè)計(jì)人員將地基理想簡單化所帶來與實(shí)際情況不符的缺點(diǎn)。信息化施工使工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性及高效率融為一體，是我國今后強(qiáng)夯法施工的發(fā)展方向。

(1) 施工機(jī)具及設(shè)備

強(qiáng)夯法的主要施工設(shè)備包括夯錘、起重機(jī)和脫鉤裝置三部分。

① 夯錘。夯錘的重量與要加固的土層深度和落距有關(guān)，如加固深度和落距已定，可按式(8-4)確定夯錘的重量，一般采用80～400kN的錘重。夯錘底面積大小與土的類型有關(guān)，一般取3～7m2，錘底靜壓力值可取25～40kPa，對于飽和細(xì)顆粒土錘底靜壓力應(yīng)取較小值，夯錘底面形式以圓形為好，夯擊時(shí)能量損失較少。錘的底面最好對稱設(shè)置若干個(gè)與其頂面貫通的通氣孔(直徑250～300 mm)，以減小夯錘下落和提升時(shí)空氣阻力和吸力，特別是消除夯坑較深尚需繼續(xù)夯擊時(shí)的氣墊影響。夯錘材質(zhì)最好用鑄鋼，如條件所限，亦可用鋼板殼內(nèi)填混凝土。

② 起重設(shè)備。國內(nèi)外起重設(shè)備一般都采用穩(wěn)定性好、移動(dòng)方便的履帶式起重機(jī)。國外多采用大噸位的起重機(jī)，起重能力達(dá)5倍錘重，可采用單纜吊錘，夯錘下落時(shí)，鋼絲繩同夯錘一起下落，夯擊效率較高，一般每分鐘1～2擊。法國制成的186個(gè)輪胎的起重機(jī)能起吊2000kN夯錘，落距可達(dá)25m，用此強(qiáng)夯能取得滿意的效果。我國目前一般還只具備小噸位起重機(jī)施工條件，起重能力不大，故常采用脫鉤裝置，只要起重力大于1.5倍錘重，就可進(jìn)行強(qiáng)夯施工，但每夯一擊需2min～3min，國內(nèi)強(qiáng)夯施工所用錘重多為100kN，最大400kN，最大落距25m。

③ 脫鉤裝置。當(dāng)錘重超出吊機(jī)卷揚(yáng)機(jī)的能力時(shí)，就不能使用單纜錘施工工藝，此時(shí)只有利用滑輪組并借助脫鉤裝置來起落夯錘。具體操作時(shí)將夯錘掛在脫鉤裝置上，當(dāng)起重機(jī)將夯錘吊到既定高度時(shí)，利用吊機(jī)上副卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲吊起鎖卡焊合件，使錘脫落，自由下落強(qiáng)夯地基。

(2) 施工要點(diǎn)

① 平整場地。估計(jì)強(qiáng)夯后可能產(chǎn)生的平均地面變形，并以此確定地面高程，然后用推土機(jī)推平。

② 回填墊層。在平整的地基上回填砂墊層和其他墊層，其厚度一般為1.0～2.0m，并用推土機(jī)推平，來回碾壓以利于吊機(jī)作業(yè)。

③ 放夯擊點(diǎn)位置。用石灰或打小木樁的辦法放夯擊點(diǎn)的位置，其偏差不應(yīng)大于50cm。

④ 吊機(jī)就位進(jìn)行強(qiáng)夯。當(dāng)?shù)谝槐楹煌旰?，用新土或周圍的土將夯坑填平，再進(jìn)行下一遍夯擊，直至將計(jì)劃的夯擊遍數(shù)夯完為止。最后一遍為滿夯(搭夯)，其落距3～5m即可。

⑤ 做好強(qiáng)夯記錄，注意觀察施工過程。

⑥ 安全措施。當(dāng)強(qiáng)夯施工時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)，對鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害影響時(shí)，應(yīng)采取防振或隔振措施。為防止強(qiáng)夯時(shí)飛石擊人，現(xiàn)場工作人員應(yīng)戴安全帽，夯擊時(shí)所有人員應(yīng)退到安全線以外。

(3) 施工質(zhì)量檢驗(yàn)

強(qiáng)夯施工結(jié)束后應(yīng)隔一定時(shí)間方能對地基加固質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。對碎石土和砂土地基，其間隔時(shí)間可取1～2周；對低飽和度的粉土和黏性土地基可取3～4周。

質(zhì)量檢驗(yàn)可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜加觸探等原位測試方法檢測加固土的處理效果。檢測點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)根據(jù)場地復(fù)雜程度和建筑物的重要性確定。對于簡單場地上的一般建筑物，每個(gè)建筑物地基的檢驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于3處；對于復(fù)雜場地或重要建筑物地基應(yīng)增加檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)。檢驗(yàn)深度應(yīng)不小于設(shè)計(jì)處理深度。質(zhì)量檢驗(yàn)還可采用現(xiàn)場取土樣，做室內(nèi)土工試驗(yàn)方法進(jìn)行。對于一般工程應(yīng)采用兩種或兩種以上方法進(jìn)行檢驗(yàn)。對于重要工程應(yīng)增加檢驗(yàn)項(xiàng)目，也可做現(xiàn)場大壓板載荷試驗(yàn)。質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容還應(yīng)包括檢查強(qiáng)夯施工過程中的各項(xiàng)測試數(shù)據(jù)和施工記錄，凡不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)補(bǔ)夯或采取其他有效措施。

8.2.3　擠密樁加固法

擠密樁加固法系采用類似于沉管灌注樁的機(jī)械和方法，通過沖擊和振動(dòng)，在地基中形成土孔，然后填入砂(或石、石灰、灰土等材料)，并予以搗實(shí)而成直徑較大的樁，使地基土在較大的深度范圍內(nèi)得以擠密加固。因此這種樁起著擠密的作用，又稱擠密樁。按擠密時(shí)填入的材料不同，又可分為砂樁、碎石樁、石灰樁、灰土樁等。

擠密樁是屬于柔性樁加固地基的范疇，它主要靠樁管打入地基時(shí)，對土的橫向擠密作用，使土粒彼此移動(dòng)，顆粒之間互相靠緊，空隙減小，土的骨架作用隨之增強(qiáng)。所以擠密法加固地基使松軟土發(fā)生擠密固結(jié)，從而使土的壓縮性減小，抗剪強(qiáng)度提高。軟弱土被擠密后與樁體共同作用組成復(fù)合地基，共同傳遞建筑物的荷載。在黏性土地基設(shè)置砂樁后，同時(shí)也具有砂井那樣的排水固結(jié)作用。

1) 土或灰土擠密樁法

土或灰土擠密樁法是通過沉管(錘擊、振動(dòng))、沖擊(長錘、橄欖錘)或爆擴(kuò)方法成孔，使土側(cè)向擠出擠密樁周土，提高樁間土的密實(shí)度和承載力，消除濕陷性。孔中填以素土，分層擊實(shí)為土樁，填以灰土擊實(shí)為灰土樁。

土或灰土擠密樁一般用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土地基，處理深度5～15m。當(dāng)?shù)鼗梁看笥?3%及其飽和度大于0.65時(shí)，不宜選用此類方法。

土擠密樁法宜應(yīng)用于以消除土的濕陷性病害為主要目的的場合；而灰土擠密樁法則不僅如此，還可應(yīng)用于地基承載力加固或地基水穩(wěn)性提高。在有條件和有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，也可就近利用工業(yè)廢料(如粉煤灰、礦渣或其他無公害廢渣)夯填樁孔，并可摻入適量石灰或水泥作為膠結(jié)料，以提高樁體的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性。

(1) 加固機(jī)理

土樁、灰土樁擠壓成孔時(shí)，樁孔位置原有土體被強(qiáng)制側(cè)向擠壓，單個(gè)樁孔外側(cè)土擠密效果試驗(yàn)表明，孔壁附近土的干密度ρd最大，沿徑向隨著與孔壁距離的增加，依次向外，干密度逐漸減小，直至接近土的原始干密度ρ0。這一擠密影響區(qū)半徑一般為(1.5～2.0)d，d為樁孔的成孔直徑。相鄰2樁或3樁成孔擠密后，出于交界面處擠密效果的疊加作用，將使樁間土的干密度ρd進(jìn)一步增大。顯然這一疊加效果與樁距成反比。

地基土的含水量對擠密效果影響很大，類似于Proctor擊實(shí)原理，當(dāng)土的含水量接近其最優(yōu)含水量時(shí)，擠密效果最佳。此外，土的原始干密度對擠密影響區(qū)半徑和擠密效果亦有顯著影響，原始干密度較小時(shí)，擠密影響區(qū)半徑就小，擠密效果就差。

土樁擠密地基是由素土夯填的土樁和樁間擠密的土體組合而成。由于土樁與樁間土的物理力學(xué)性質(zhì)無明顯差異，在基礎(chǔ)均勻荷載作用下，土樁上的應(yīng)力σp與樁間土上的應(yīng)力σs之比，即樁土應(yīng)力比n，一般n=σp/σs≈1.0。因此，土樁擠密地基與基礎(chǔ)接觸應(yīng)力的分布和換填法中土墊層的情況類似。

灰土樁使用的灰土材料，是采用石灰和土按一定的比例(2∶8或3∶7)拌和，這種材料在化學(xué)性能上具有氣硬性和水硬性，并隨著齡期增長，土體的固化作用加強(qiáng)?；彝劣不髮儆诖嘈圆牧?，28d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu不低于500kPa?；彝翗兜淖冃文Ａ縀n隨著應(yīng)力水平的提高而減小，一般En=40～200MPa?；彝恋乃€(wěn)性可以用飽和狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度與普通狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度之比，即軟化系數(shù)來表示?；彝恋能浕禂?shù)一般約為0.7，表明灰土具有一定的水穩(wěn)定性，并且灰土在高含水量或水下仍可以硬化和發(fā)展強(qiáng)度。此外，對灰土的水穩(wěn)定性的要求較高時(shí)，還可以采用適量外摻劑如2%～4%的水泥等，可有效地提高灰土的水穩(wěn)性，以及相應(yīng)復(fù)合地基的變形和強(qiáng)度穩(wěn)定性。由于灰土樁具有一定的膠凝強(qiáng)度，其變形模量亦顯著高于樁間土10倍左右。因此，灰土樁除具有與土樁相同的擠密作用外，還有分擔(dān)荷載、降低土中應(yīng)力，以及對土的側(cè)向約束等作用。

(2) 土或灰土擠密樁設(shè)計(jì)

圖8-6　等邊三角形布樁

① 樁徑和樁距。樁可布置成等邊三角形，也可布置成正方格形，理想的形式是等邊三角形。樁的直徑宜采用300～600mm，并可根據(jù)所選用的成孔設(shè)備和成孔方法確定。樁距一般可取樁身直徑的3～5倍。如原地基的密實(shí)度較大，則可取樁距大些；反之可取小些。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可參考表8-10選擇樁距。

表8-10　樁距選擇

樁距還可用公式計(jì)算。如圖8-6所示，取樁延深1m計(jì)算，擠密前土質(zhì)量為m0，為三角形ABC面積乘以天然密度平均值 d，即：

擠密后，由于半個(gè)樁體積擠入三角形ABC內(nèi)，且密度為設(shè)計(jì)要求密度c·ρdmax，故擠密后土質(zhì)量m1應(yīng)為：

因m0=m1，即

故

(8-11)

式中:s——樁的間距(m)；

d——樁直徑(m)；

ρdmax——樁間土的最大干密度(t/m3)；

d——地基土擠密前的平均干密度(t/m3)；

c——地基土擠密后，樁間土平均壓實(shí)系數(shù)，宜取0.93。

當(dāng)采用灰土樁處理填土地基時(shí)，鑒于其干密度變異性較大，不宜按(8-11)確定樁間距s。為此，可根據(jù)擠密前的地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值fsk和擠密后復(fù)合地基要求達(dá)到的承載力標(biāo)準(zhǔn)值fspk，按下式計(jì)算：

(8-12)

式中: fpk——灰土樁的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，宜取fpk=500kPa。

② 樁布置的范圍。局部處理時(shí)，對非自濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，每邊超出基礎(chǔ)的寬度不應(yīng)小于0.25b(b為基礎(chǔ)短邊寬度)，并不應(yīng)小于0.5m，對自重濕陷性黃土地基不應(yīng)小于0.75b，并不小于1m。

整片處理宜用于Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性黃土，每邊超過建筑物外墻基礎(chǔ)外緣的寬度不宜小于處理層厚度的1/2，并不應(yīng)小于2m。

③ 樁孔內(nèi)填料。填料應(yīng)按壓實(shí)系數(shù)控制壓夯實(shí)質(zhì)量。當(dāng)用素土填時(shí)，壓實(shí)系數(shù)λc不應(yīng)小于0.97，灰與土體積比宜為2∶8或3∶7。

④ 地基承載力與變形計(jì)算。土或灰土擠密樁處理地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)通過原位測試或結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，對土擠密樁地基，不應(yīng)大于處理前的1.4倍，并不應(yīng)大于180kPa；對灰土擠密樁地基，不應(yīng)大于處理前的2倍，并不應(yīng)大于250kPa。

土或灰土擠密樁處理地基的變形計(jì)算應(yīng)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 7—89)的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。其中復(fù)合土層的壓縮模量應(yīng)通過試驗(yàn)或結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。

(3) 施工

① 成孔施工時(shí)地基土宜接近土的最優(yōu)含水量，當(dāng)含水量低于12%時(shí)，宜加水沖濕至最優(yōu)含水量。

② 向孔內(nèi)填料前，孔底必須夯實(shí)，然后用素土或灰土在最優(yōu)含水量下分層回填夯實(shí)。

③ 施工時(shí)，基礎(chǔ)底面以上應(yīng)預(yù)留0.7～1.0m的土層，待施工結(jié)束后，將其挖除或分層壓實(shí)。

(4) 質(zhì)量檢驗(yàn)

主要檢驗(yàn)樁和樁間土的干密度、承載力和施工記錄。對重要或大型工程，尚應(yīng)進(jìn)行載荷試驗(yàn)或其他原位測試。

2) 砂石樁法

砂石樁法通過沉管(錘擊、振動(dòng))擠密樁間土，沉管下端為可開口的活瓣樁尖或預(yù)制樁尖，通過樁管灌入砂石，邊拔管邊振動(dòng)(或錘擊)形成砂石樁以形成復(fù)合地基。

砂石樁適用于處理松散砂土、素填土和雜填土等地基。對在飽和黏性土地基上不以變形為主要控制條件的工程也可采用砂石樁置換處理。

(1) 工作機(jī)理

提高地基土密實(shí)度是砂石樁最傳統(tǒng)、最基本也是最重要的功能之一。這一功能主要來源于砂石樁的擠密作用和振密作用。砂石樁的擠密作用與土樁、灰土樁的工作機(jī)理相同。而振密作用則主要來源于沉管的垂直振動(dòng)和激振力，很顯然擠密作用和振密作用對松散砂土或粉土的效果十分明顯，這是因?yàn)檫@類土的結(jié)構(gòu)特征屬單粒結(jié)構(gòu)，松散而孔隙比大，粒間連接弱，且不穩(wěn)定。但對于黏性土尤其是飽和黏性土則作用不大，甚至相反，振密作用的激振力會(huì)導(dǎo)致黏土孔隙水壓力積聚而加劇對地基原有結(jié)構(gòu)的破壞。

近年來，砂石樁法開始在黏性土加固處理中得到應(yīng)用，主要基于兩個(gè)作用：一是砂石樁在軟弱黏性土中的置換作用，使得基礎(chǔ)下接觸應(yīng)力向砂石樁柱體集中，從而有效地降低了土中的應(yīng)力水平，同時(shí)置換也使得復(fù)合地基的整體強(qiáng)度提高，壓縮性降低；二是砂石樁柱體的存在提高了復(fù)合地基的排水性能，結(jié)合排水預(yù)壓法使得砂石樁法的應(yīng)用得到擴(kuò)展。

(2) 設(shè)計(jì)計(jì)算

碎石樁和砂樁的設(shè)計(jì)計(jì)算包括樁體材料的選擇，樁體直徑的大小，布樁形式、樁距、樁長的選擇，碎石樁和砂樁復(fù)合地基穩(wěn)定性驗(yàn)算及地基沉降的計(jì)算。

① 加固范圍。砂石樁擠密地基的寬度應(yīng)超出基礎(chǔ)的寬度，每邊放寬不應(yīng)少于1～3排。砂石樁用于防止砂層液化時(shí)，每邊放寬不宜小于處理深度的1/2，并不應(yīng)小于5m。當(dāng)可液化土層上覆蓋有厚度大于3m的非液化層時(shí)，每邊放寬不宜小于液化土層厚度的1/2，并不應(yīng)小于3m。

② 樁位布置。對大面積滿堂處理，樁位宜用等邊三角形布置，對獨(dú)立或條形基礎(chǔ)，樁位宜用正方形、矩形或等腰三角形布置。對于圓形或環(huán)形基礎(chǔ)(如油罐基礎(chǔ))宜用放射形布置，如圖8-7。

圖8-7　樁位布置

③ 加固深度。加固深度應(yīng)根據(jù)軟弱土層的性能、厚度或工程要求按下列原則確定：A.當(dāng)相對硬層的埋藏深度不大時(shí)，應(yīng)按相對硬層埋藏深度確定；B.當(dāng)相對硬層的埋藏深度較大時(shí)，對按變形控制的工程，加固深度應(yīng)滿足碎石樁或砂樁復(fù)合地基變形不超過建筑物地基容許變形值的要求；C.對按穩(wěn)定性控制的工程，加固深度應(yīng)不小于最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的深度；D.在可液化地基中，加固深度應(yīng)按要求的抗震處理深度確定；E.樁長不宜短于4m。

④ 樁徑。碎石樁和砂樁的直徑應(yīng)根據(jù)地基土質(zhì)情況和成樁設(shè)備等因素確定。采用30kW振沖器成樁時(shí)，碎石樁的樁徑一般為0.7～1.0m，采用沉管法成樁時(shí)，碎石和砂樁的樁徑一般為0.3～0.7m，對飽和黏性土地基宜選用較大的直徑。

⑤ 砂石樁間距。砂石樁的間距應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，但不宜大于樁徑的4倍。在有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，砂石樁間距也可按如下公式計(jì)算。

A.松散砂土地基

等邊三角形布置時(shí)

(8-13)

正方形布置時(shí)

(8-14)

e1=emax-Dr(emax-emin)

式中:s——砂石樁間距(m)；

d——砂石樁直徑(m)；

e0——地基處理前砂土的孔隙比，可按原狀土樣試驗(yàn)確定，也可通過動(dòng)力或靜力觸探等對比試驗(yàn)確定；

emax、emin——砂土最大和最小孔隙比，可按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)的有關(guān)規(guī)定確定；

e1——要求達(dá)到的孔隙比；

Dr——地基擠密后要求砂土達(dá)到的相對密實(shí)度，可取0.70～0.85。

B.黏性土地基

等邊三角形布置時(shí)

(8-15)

正方形布置時(shí)

(8-16)

其中

以上式中：Ac——1根砂石樁承擔(dān)的處理面積(m2)；

Ap——砂石樁的截面積(m2)；

m——面積置換率；

d——樁的直徑(m)；

de——等效影響圓的直徑(m)；等邊三角形布置，de=1.05s；正方形布置，de=1.13s。

⑥ 砂石樁復(fù)合地基的承載力。復(fù)合地基的承載力由樁體承載力和樁間土承載力組成，應(yīng)通過復(fù)合地基的現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定，由于地基承載力相當(dāng)于容許的基底壓力，所以，當(dāng)具有單樁和樁間土的載荷試驗(yàn)得出的承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下式計(jì)算：

fspk=mfpk+(1-m)fsk

(8-17)

式中：fspk——復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

fpk——單樁單位截面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

fsk——樁間土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

對于小型工程的黏性土地基，如無現(xiàn)場載荷試驗(yàn)資料，復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

(8-18)

(8-19)

式中：n——樁土應(yīng)力比；

σp、σs——樁和樁間土的豎向應(yīng)力；

Ep、Es——分別為樁身和樁間土的壓縮模量。

⑦ 砂石樁的填料量。樁孔內(nèi)的填料宜用礫砂、粗砂、中砂、圓礫、卵石、碎石等。填料中含泥量不得大于5%，并不宜含有大于50 mm的顆粒。

砂石樁的填料量是控制砂石樁質(zhì)量的重要指標(biāo)。砂石樁孔內(nèi)的填砂石量可按下式計(jì)算：

(8-20)

式中:S——填砂石量(以重量計(jì))；

Ap——砂石樁的截面積；

l——樁長；

ds——砂石樁砂石料的相對密度(比重)；

w——砂石料含水量。

【例8-2】　某場地為細(xì)砂地基，天然孔隙比e0=0.96，emax=1.14，emin=0.60，承載力的標(biāo)準(zhǔn)值為100kN/m2。由于不能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載要求，決定采用碎石樁加密地基，樁長7.5m，直徑d=500mm，等邊三角形布置，地基擠密后要求砂土的相對密度達(dá)到0.80。試確定樁的間距和復(fù)合地基的承載力。

【解】　(1) 求樁距

e1=emax-Dr(emax-emin)=1.14-0.80(1.14-0.60)=0.276

由式，得：

取s=1m。

(2) 求復(fù)合地基承載力

de=1.05s=1.05×1=1.05m

因無試驗(yàn)資料，故采用公式計(jì)算：

(3-1)]×100(取n=3)

=145.4kPa

8.2.4　排水固結(jié)法

排水固結(jié)法(預(yù)壓法)是在建筑物建造前，對天然地基或?qū)σ言O(shè)各種排水體(如砂井和排水墊層等)的地基施加預(yù)壓荷載(如堆載、真空預(yù)壓或聯(lián)合預(yù)壓)，使土體固結(jié)沉降基本完成或完成大部分，從而提高地基土強(qiáng)度的一種地基處理方法。根據(jù)所施加的預(yù)壓荷載不同，排水固結(jié)法可分為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法和聯(lián)合預(yù)壓法。

1) 加固原理

圖8-8　排水固結(jié)法增大地基土密度的原理

飽和軟黏土地基在荷載作用下，孔隙中的水被慢慢排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時(shí)，隨著超靜水壓力消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強(qiáng)度逐漸增長?，F(xiàn)以圖8-8為例加以說明。當(dāng)土樣的天然固結(jié)壓力為時(shí)，其孔隙比為e0，在曲線上其相應(yīng)的點(diǎn)為A點(diǎn)；當(dāng)壓力增加Δσ′，固結(jié)終了時(shí)，變?yōu)镃點(diǎn)，孔隙比減小Δe，曲線ABC稱為壓縮曲線。與此同時(shí)，抗剪強(qiáng)度與固結(jié)壓力成比例地由A點(diǎn)提高到C點(diǎn)。所以，土體在受固結(jié)壓力時(shí)，一方面孔隙比減小產(chǎn)生壓縮，另一方面抗剪強(qiáng)度也得到提高。如從C點(diǎn)卸除壓力Δσ′，則土樣發(fā)生回彈，圖中曲線)為回彈曲線，如從F點(diǎn)再加壓Δσ′，土樣發(fā)生再壓縮，沿虛線變化到C′，其相應(yīng)的強(qiáng)度包絡(luò)線如圖8-8所示。從再壓縮曲線曲線)可清楚地看出，固結(jié)壓力同樣從增加Δσ′，而孔隙比減小值為Δe′，Δe′比Δe小得多。這說明，如果在建筑物場地先加一個(gè)和上部建筑物相同的壓力進(jìn)行預(yù)壓，使土層固結(jié)(相當(dāng)于壓縮曲線上從A點(diǎn)變化到C點(diǎn))，然后卸除荷載(相當(dāng)于在回彈曲線上由C點(diǎn)變化到F點(diǎn))，再建造建筑物(相當(dāng)于在壓縮曲線上從F點(diǎn)變化到C′點(diǎn))，這樣，建筑物所引起的沉降即可大大減小。如果預(yù)壓荷載大于建筑物荷載，即所謂超載預(yù)壓，則效果更好。因?yàn)榻?jīng)過超載預(yù)壓，當(dāng)土層的固結(jié)壓力大于使用荷載下的固結(jié)壓力時(shí)，原來的正常固結(jié)黏土層將處于超固結(jié)狀態(tài)，從而使土層在使用荷載作用下的變形大為減小。

土層的排水固結(jié)效果與它的排水邊界條件有關(guān)。如圖8-9(a)所示的排水邊界條件，即土層厚度相對荷載寬度來說比較小，這時(shí)土層中的孔隙水向上下面透水層排出而使土層發(fā)生固結(jié)，稱為豎向排水固結(jié)。根據(jù)固結(jié)理論，黏性土固結(jié)所需的時(shí)間與排水距離的平方成正比，土層越厚，固結(jié)延續(xù)的時(shí)間越長。為了加速土層的固結(jié)，最有效的方法是增加土層的排水途徑，縮短排水距離。砂井、塑料排水板等豎向排水體就是為此目的而設(shè)置的，如圖8-9(b)所示。這時(shí)土層中的孔隙水主要從水平向通過砂井從豎向排出。砂井縮短了排水距離，因而大大加速了地基的固結(jié)速率(或沉降速率)，這一點(diǎn)無論從理論上還是從工程實(shí)踐上都得到了證實(shí)。

圖8-9　排水法的原理

2) 堆載預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

軟黏土地基抗剪強(qiáng)度較低，無論是直接建造建(構(gòu))筑物還是進(jìn)行堆載預(yù)壓(Preloading)往往都不可能快速加載，而必須分級逐漸加荷，待前期荷載下地基強(qiáng)度增加到足以加下一級荷載時(shí)才可加下一級荷載。具體計(jì)算步驟是首先用簡便的方法確定一個(gè)初步的加荷計(jì)劃，然后校核這一加荷計(jì)劃下地基的穩(wěn)定性和沉降。

(1) 利用地基的天然地基土抗剪強(qiáng)度計(jì)算第一級容許施加的荷載p1，對飽和軟黏土可采用下列公式估算：

(8-21)

式中：K——安全系數(shù)，建議采用1.1～1.5；

cu——天然地基的不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)；

γ——基底標(biāo)高以上土的重度(kN/m3)

D——基礎(chǔ)埋深(m)。

(2) 計(jì)算第一級荷載下地基強(qiáng)度增長值。在p1荷載作用下，經(jīng)過一段時(shí)間預(yù)壓，地基強(qiáng)度會(huì)提高，提高以后的地基強(qiáng)度為cu1：

(8-22)

式中： η——考慮剪切蠕動(dòng)及其他因素的強(qiáng)度折減系數(shù)；

——p1作用下地基因固結(jié)而增長的強(qiáng)度。

(3) 計(jì)算p1作用下達(dá)到所確定固結(jié)度所需要的時(shí)間。目的在于確定第一級荷載停歇的時(shí)間，亦即第二級荷載開始施加的時(shí)間。

(4) 根據(jù)第(2)步所得到的地基強(qiáng)度cu1計(jì)算第二級所能施加的荷載p2。p2可近似地按下式估算：

(8-23)

求出在p2作用下地基固結(jié)度達(dá)70%時(shí)的強(qiáng)度以及所需要的時(shí)間，然后計(jì)算第三級所能施加的荷載，依次可計(jì)算出以后的各級荷載和停歇時(shí)間。

(5) 按以上步驟確定的加荷計(jì)劃進(jìn)行每一級荷載下地基的穩(wěn)定性驗(yàn)算。如穩(wěn)定性不滿足要求，則調(diào)整加荷計(jì)劃。

(6) 計(jì)算預(yù)壓荷載下地基的最終沉降量和預(yù)壓期間的沉降量。這一項(xiàng)計(jì)算的目的在于確定預(yù)壓荷載卸除的時(shí)間。這時(shí)地基在預(yù)壓荷載下所完成的沉降量已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，所殘余的沉降量是建(構(gòu))筑物所允許的。

3) 超載預(yù)壓

對沉降有嚴(yán)格限制的建(構(gòu))筑物，應(yīng)采用超載預(yù)壓法處理地基。經(jīng)超載預(yù)壓后，如受壓土層各點(diǎn)的有效豎向應(yīng)力大于建(構(gòu))筑物荷載引起的相應(yīng)點(diǎn)的附加總應(yīng)力，則今后在建(構(gòu))筑物荷載作用下地基土將不會(huì)再發(fā)生主固結(jié)變形，而且將減小次固結(jié)變形，并推遲次固結(jié)變形的發(fā)生。

超載預(yù)壓可縮短預(yù)壓時(shí)間，如圖8-10所示，在預(yù)壓過程中，任一時(shí)間地基的沉降量可表示為：

(8-24)

式中：st——時(shí)間t時(shí)地基的沉降量(mm)；

sd——由于剪切變形而引起的瞬時(shí)沉降(mm)；

t——t時(shí)刻地基的平均固結(jié)度；

sc——最終固結(jié)沉降(mm)；

ss——次固結(jié)沉降(mm)。

圖8-10　超載預(yù)壓消除主固結(jié)沉降

上式可用于：① 確定所需的超載壓力值ps，以保證使用(或永久)荷載pt作用下預(yù)期的總沉降量在給定的時(shí)間內(nèi)完成；② 確定在給定超載下達(dá)到預(yù)定沉降量所需要的時(shí)間。

在永久填土或建(構(gòu))筑物荷載pt作用下，地基的固結(jié)沉降采用通常的方法計(jì)算。

為了消除超載卸除后繼續(xù)發(fā)生的主固結(jié)沉降，超載應(yīng)維持到使土層中間部位的固結(jié)度Uz(t+s)達(dá)到下式要求：

(8-25)

該方法要求將超載保持到在pt作用下所有的點(diǎn)都完全固結(jié)為止，這時(shí)土層的大部分將處于超固結(jié)狀態(tài)。因此，這是一個(gè)安全度較大的方法，它所預(yù)估的ps值或超載時(shí)間都大于實(shí)際所需的值。

對于有機(jī)質(zhì)黏土、泥炭土等，次固結(jié)沉降在總沉降中占有相當(dāng)?shù)谋壤?，采用超載預(yù)壓法對減小永久荷載下的次固結(jié)沉降有一定的效果，計(jì)算原則是把pt作用下的總沉降看做主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降之和。

4) 砂井排水固結(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算

常用的豎向排水體有普通砂井、袋裝砂井和塑料排水板，三者的作用機(jī)理相同，均可采用普通砂井的設(shè)計(jì)方法。

(1) 砂井設(shè)計(jì)

砂井設(shè)計(jì)內(nèi)容包括砂井的直徑、間距、長度、布置方式和范圍等。

① 砂井的直徑和間距。砂井的直徑和間距應(yīng)根據(jù)地基土的固結(jié)特性和預(yù)定時(shí)間內(nèi)所要求達(dá)到的固結(jié)度確定。砂井的直徑不宜過大或過小，過大不經(jīng)濟(jì)，過小施工易造成灌砂率不足、縮頸或砂井不連續(xù)等質(zhì)量問題。常用的普通砂井直徑可取300～500mm，袋裝砂井直徑可取70～120mm。塑料排水板已標(biāo)準(zhǔn)化，一般相當(dāng)于直徑60～70mm。砂井的間距可按井徑比選用，井徑比(n)按下式確定：

n=de/dw

(8-26)

式中：de——砂井有效排水范圍等效圓直徑(mm)；

dw——砂井直徑(mm)。

普通砂井的間距可按n=6～8選用，塑料排水板和袋裝砂井的間距可按n=15～22選用。

② 砂井長度。砂井的長度應(yīng)根據(jù)建筑物對地基的穩(wěn)定性、變形要求和工期確定。當(dāng)壓縮土層不厚、底部有透水層時(shí)，砂井應(yīng)盡可能貫穿壓縮土層；當(dāng)壓縮土層較厚，且間有砂層或砂透鏡體時(shí)，砂井應(yīng)盡可能打至砂層或透鏡體；當(dāng)壓縮土層很厚，其中又無透水層時(shí)，可按地基的穩(wěn)定性及建筑物變形要求處理的深度來決定。按穩(wěn)定性控制的工程，如路堤、土壩、岸坡、堆料場等，砂井深度應(yīng)通過穩(wěn)定分析確定，砂井長度應(yīng)超過最危險(xiǎn)滑弧面的深度2.0m。從沉降考慮，砂井長度宜穿透主要的壓縮土層。

圖8-11　砂井平面布置圖

③ 砂井的布置和范圍。砂井常按梅花形和正方形布置(如圖8-11)。假設(shè)每個(gè)砂井的有效影響面積為圓面積，如砂井間距為l，則等效圓(有效排水范圍)的直徑de與l的關(guān)系為：梅花形時(shí)，de=1.05l；正方形時(shí)，de=1.13l。由于梅花形排列較正方形緊湊和有效，因此應(yīng)用較多。砂井的布置范圍應(yīng)稍大于建筑物基礎(chǔ)范圍，擴(kuò)大的范圍可由基礎(chǔ)輪廓線向外增大2～4m。

④ 砂墊層。在砂井頂面應(yīng)鋪設(shè)排水砂墊層，以連通各個(gè)砂井形成通暢的排水面，將水排到場地以外。砂墊層厚度不應(yīng)小于0.5m；水下施工時(shí)，砂墊層厚度一般為1.0m左右。為節(jié)省砂料，也可采用連通砂井的縱橫砂溝代替整片砂墊層，砂溝的高度一般為0.5～1.0m，砂溝寬度取砂井直徑的2倍。

(2) 地基固結(jié)度計(jì)算

① 豎向平均固結(jié)度Uz可按下式計(jì)算：

(8-27)

如果考慮逐級加荷，則時(shí)間t從加荷歷時(shí)的一半起算，如為雙面排水，H取土層厚度的一半。

② 根據(jù)Barron的解法計(jì)算徑向平均固結(jié)度Ur：

(8-28)

式中：TH——水平向固結(jié)時(shí)間因素，；

CH——水平固結(jié)系數(shù)；

KH——水平滲透系數(shù)(cm/s)；

F——與n有關(guān)的系數(shù)，；

n——井徑比，n=de/dw，一般取n為4～12。

③ 砂井的平均固結(jié)度為：

Urz=1-(1-Ur)(1-Uz)

(8-29)

【例8-3】　某工程建在飽和軟黏土地基上，砂井長H=12m，間距l(xiāng)=1.5m，梅花形布置，dw=30cm，Cv=CH=1.0×10-3cm2/s，求一次加荷3個(gè)月時(shí)砂井地基的平均固結(jié)度。

【解】　(1) 豎向固結(jié)度

×0.987=20%

(2) 水平向平均固結(jié)度

de=1.05l=1.05×150=157.5cm

=0.979

=1-0.0775=92.25%

地基的平均固結(jié)度

Urz=1-(1-Ur)(1-Uz)=1-(1-0.9225)(1-0.2)=93.8%

(3) 沉降計(jì)算

地基土的總沉降一般包括瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。瞬時(shí)沉降是在荷載作用下由土的畸變所引起，并在荷載作用下立即發(fā)生的。固結(jié)沉降是由孔隙水的排出而引起土體積減小所造成的，占總沉降的主要部分。次固結(jié)沉降則是由于超靜水壓力消散后，在恒值有效應(yīng)力作用下土骨架的徐變所致。

次固結(jié)大小和土的性質(zhì)有關(guān)。泥炭土、有機(jī)質(zhì)土或高塑性黏土的次固結(jié)沉降在總沉降中占很可觀的部分，而其他土所占比例則不大。在建(構(gòu))筑物使用年限內(nèi)，次固結(jié)沉降經(jīng)判斷可以忽略的話，則最終總沉降量可認(rèn)為是瞬時(shí)沉降量與固結(jié)沉降量之和。軟黏土的瞬時(shí)沉降sd一般按彈性理論公式計(jì)算。固結(jié)沉降sc目前工程上通常采用單向壓縮分層總和法計(jì)算，這只有當(dāng)荷載面積的寬度或直徑大于可壓縮土層或當(dāng)可壓縮土層位于兩層較堅(jiān)硬的土層之間時(shí)，單向壓縮才可能發(fā)生，否則應(yīng)對沉降計(jì)算值進(jìn)行修正以考慮三向壓縮的效應(yīng)。

① 單向壓縮固結(jié)沉降sc的計(jì)算

應(yīng)用一般單向壓縮分層總和法將地基分成若干薄層，其中第i層土的壓縮量為：

(8-30)

總壓縮量為：

(8-31)

式中：e0i——第i層土中點(diǎn)之土自重應(yīng)力所對應(yīng)的孔隙比；

e1i——第i層土中點(diǎn)之土自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和所對應(yīng)的孔隙比；

hi——第i層土厚度。

e0i和e1i從室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)所得的曲線上查得。

② 瞬時(shí)沉降sd的計(jì)算

軟黏土地基由于側(cè)向變形而引起的瞬時(shí)沉降占總沉降相當(dāng)可觀的部分，特別是在荷載比較大，加荷速率比較快的情況下，因?yàn)檫@時(shí)地基中產(chǎn)生了局部塑性區(qū)。

sd這一部分沉降量，目前系采用彈性理論公式計(jì)算，當(dāng)黏土地基厚度較大，作用于其上的圓形或矩形面積上的壓力為均布時(shí)，sd可按照下式計(jì)算：

(8-32)

式中：p——均布荷載；

b——荷載面積的直徑或?qū)挾龋?/p>

Cd——考慮荷載面積形狀和沉降計(jì)算點(diǎn)位置的系數(shù)(見表8-11)；

E、μ——土的彈性模量和泊松比。

表8-11　半無限彈性表面各種均布荷載面積上各點(diǎn)的Cd值

5) 真空預(yù)壓設(shè)計(jì)計(jì)算

真空預(yù)壓法是先在需加固的軟土地基表面鋪設(shè)一層透水砂墊層或砂礫層，再在其上覆蓋一層不透氣的塑料薄膜或橡膠布，四周密封好，與大氣隔絕，在砂墊層內(nèi)埋設(shè)滲水管道，然后與真空泵連通進(jìn)行抽氣，使透水材料保持較高的真空度，在土的孔隙水中產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力，使土中孔隙水和空氣逐漸吸出，從而使土體固結(jié)。

真空預(yù)壓法適用于飽和均質(zhì)黏性土及含薄層砂夾層的黏性土，特別適用于新吹填土、超軟地基的加固，但不適用于在加固范圍內(nèi)有足夠水源補(bǔ)給的透水土層，以及無法堆載的傾斜地面和施工場地狹窄等場合。

真空預(yù)壓在抽氣后薄膜內(nèi)氣壓逐漸下降，薄膜內(nèi)外形成一個(gè)壓力差(稱為真空度)，由于土體與砂墊層和塑料排水板間的壓差，從而發(fā)生滲流，使孔隙水沿著砂井或塑料排水板上升而流入砂墊層內(nèi)，被排出塑料薄膜外；地下水在上升的同時(shí)，形成塑料板附近的真空負(fù)壓，使土體內(nèi)的孔隙水壓形成壓差，促使土中的孔隙水壓力不斷下降，地基有效應(yīng)力不斷增加，從而使土體固結(jié)，直至加固區(qū)土體與排水體中壓差趨向于零，此時(shí)滲流停止，土體固結(jié)完成。所以真空預(yù)壓過程是在總應(yīng)力不變的條件下，孔隙水壓力降低、有效應(yīng)力增加的過程，實(shí)質(zhì)為利用大氣壓差作為預(yù)壓荷載，使土體逐漸排水固結(jié)的過程。

真空預(yù)壓法加固軟土地基同堆載預(yù)壓法一樣，完全符合有效應(yīng)力原理，只不過是負(fù)壓邊界條件的固結(jié)過程。因此，只要邊界條件與初始條件符合實(shí)際，各種固結(jié)理論(如太沙基理論、比奧理論等)和計(jì)算方法都可求解。

工程經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)表明，土體除在正、負(fù)壓作用下側(cè)向變形方向不同外，其他固結(jié)特性無明顯差異。真空預(yù)壓加固中，豎向排水體間距、排列方式、深度的確定、土體固結(jié)時(shí)間的計(jì)算，一般可采用與堆載預(yù)壓基本相同的方法進(jìn)行。

真空預(yù)壓的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括密封膜內(nèi)的真空度、加固土層要求達(dá)到的平均固結(jié)度、豎向排水體的尺寸、加固后的沉降和工藝設(shè)計(jì)等。

(1) 膜內(nèi)真空度

真空預(yù)壓效果與密封膜內(nèi)所能達(dá)到的真空度大小關(guān)系極大。根據(jù)國內(nèi)一些工程的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用合理的工藝和設(shè)備，膜內(nèi)真空度一般可維持600mmHg左右，相當(dāng)于80kPa的真空壓力，此值可作為最低膜內(nèi)設(shè)計(jì)真空度。

(2) 加固區(qū)內(nèi)要求達(dá)到的平均固結(jié)度

一般可采用80%的固結(jié)度，如工期許可，也可采用更大一些的固結(jié)度作為設(shè)計(jì)要求達(dá)到的固結(jié)度。

(3) 豎向排水體

一般采用袋裝砂井或塑料排水帶。真空預(yù)壓處理地基時(shí)，必須設(shè)置豎向排水體。因?yàn)樯熬?袋裝砂井或塑料排水帶)能將真空度從砂墊層中傳至土體，并將土體中的水抽至砂墊層然后排出。若不設(shè)置砂井，就起不到上述作用，也達(dá)不到加固的目的。豎向排水體的規(guī)格、排列方式、間距和深度的確定與砂井排水固結(jié)設(shè)計(jì)相同。

抽真空的時(shí)間與土質(zhì)條件和豎向排水體的間距密切相關(guān)。達(dá)到相同的固結(jié)度，豎向排水體的間距越小，則所需的時(shí)間越短(見表8-12)。

表8-12　袋裝砂井間距與所需時(shí)間關(guān)系表

(4) 沉降計(jì)算

先計(jì)算加固前在建筑物荷載下天然地基的沉降量，然后計(jì)算真空預(yù)壓期間所完成的沉降量，兩者之差即為預(yù)壓后在建筑物使用荷載作用下可能發(fā)生的沉降。預(yù)壓期間的沉降可根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到的固結(jié)度推算加固區(qū)所增加的平均有效應(yīng)力，從曲線上查出相應(yīng)的孔隙比進(jìn)行計(jì)算。

對于承載力要求高，沉降限制嚴(yán)的建筑，可采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法。工程實(shí)踐表明，真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的效果是可疊加的，但真空和堆載必須同時(shí)作用。

真空預(yù)壓的面積不得小于基礎(chǔ)外緣所包圍的面積，一般真空的邊緣應(yīng)比建筑基礎(chǔ)外緣超出不小于3m；另外，每塊預(yù)壓的面積應(yīng)盡可能大，根據(jù)加固要求彼此間可搭接或有一定間距。加固面積越大，加固面積與周邊長度之比也越大，氣密性就越好，真空度就越高(見表8-13)。

真空預(yù)壓的關(guān)鍵在于要有良好的氣密性，使預(yù)壓區(qū)與大氣層隔絕。當(dāng)在加固區(qū)發(fā)現(xiàn)有透氣層和透水層時(shí)，一般可在塑料薄膜周邊采用另加水泥土攪拌樁的壁式密封措施。

真空預(yù)壓法一般能取得相當(dāng)于78～92kPa的等效荷載堆載預(yù)壓法的效果。

表8-13　真空度與加固面積關(guān)系表

8.3　化學(xué)法加固技術(shù)

化學(xué)加固法指利用水泥漿液、黏土漿液或其他化學(xué)漿液，通過灌注壓入、高壓噴射或機(jī)械攪拌，使?jié){液與土顆粒膠結(jié)起來，以改善地基土的物理和力學(xué)性質(zhì)的地基處理方法。本節(jié)將分別介紹灌漿法、水泥攪拌法和高壓噴射注漿法。

8.3.1　灌漿法

1) 概述

灌漿法是指利用液壓、氣壓或電化學(xué)原理，通過注漿管把漿液均勻地注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，使土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣排出，經(jīng)人工控制一定時(shí)間后，漿液將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個(gè)整體，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能高和化學(xué)性能良好的結(jié)石體。

灌漿法的應(yīng)用范圍很廣，能夠達(dá)到很多強(qiáng)化的目的：可以防滲，增加地基土的不透水性，如防止流砂、鋼板樁滲水及改善地下工程的開挖條件；防止橋墩和邊坡護(hù)岸的沖刷；整治塌方滑坡、處理路基病害；加固、提高地基土的承載力，減少地基的沉降和不均勻沉降；進(jìn)行托換技術(shù)，既有建筑物的地基加固與糾偏等。

2) 加固原理

(1) 漿液材料

選擇的漿材品種和性能直接關(guān)系著灌漿工程的質(zhì)量和造價(jià)。灌漿工程中所用的漿液是由主劑(原材料)、溶劑(水或其他溶劑)及各種外加劑混合而成。漿液材料分類的方法很多，可以按漿液所處狀態(tài)分：真溶液、懸浮液和乳化液；按工藝性質(zhì)分：單漿液和雙漿液；按主劑性質(zhì)分：無機(jī)系和有機(jī)系等。常見的灌漿材料有水泥漿材、粉煤灰水泥漿材、硅粉水泥漿材、黏土水泥漿等。灌漿材料的選擇對漿液性質(zhì)有直接的關(guān)系，所以要根據(jù)工程實(shí)際需要選擇灌漿材料，從以下幾個(gè)方面考察漿液的性質(zhì)：材料的分散度、沉淀析水性、凝結(jié)性、熱學(xué)性、收縮性、結(jié)石強(qiáng)度、滲透性和耐久性。

選擇漿液材料有如下要求：①漿液應(yīng)是真溶液而不是懸濁液，漿液黏度低，流動(dòng)性好，能進(jìn)入細(xì)小裂隙；②漿液凝膠時(shí)間可從幾秒至幾小時(shí)范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)，并能準(zhǔn)確地控制，漿液一經(jīng)發(fā)生凝液就在瞬間完成；③漿液的穩(wěn)定性好,在常溫常壓下，長期存放不改變性質(zhì)；④漿液無毒無臭,對環(huán)境不污染，對人體無害，屬非易爆物品；⑤漿液應(yīng)對注漿設(shè)備、管路、混凝土結(jié)構(gòu)物、橡膠制品等無腐蝕性，并容易清洗；⑥漿液固化時(shí)無收縮現(xiàn)象，固化后與巖石、混凝土等有一定粘結(jié)性；⑦漿液結(jié)石體有一定抗壓和抗拉強(qiáng)度，不龜裂，抗?jié)B性能和防沖刷性能好；⑧結(jié)石體耐老化性能好，能長期耐酸、堿、鹽、生物細(xì)菌等腐蝕，且不受溫度和濕度的影響；⑨材料來源豐富，價(jià)格低廉；⑩漿液配制方便，操作容易。

(2) 灌漿理論

地基處理中，灌漿工藝所依據(jù)的理論主要可歸納為以下四類：

① 滲透灌漿。滲透灌漿是指在壓力作用下使?jié){液充填土的孔隙和巖石的裂隙，排擠出孔隙中存在的自由水和氣體，而基本上不改變原狀土的結(jié)構(gòu)和體積，所用灌漿壓力相對較小，這類灌漿一般只適用于中砂以上的砂性土和有裂隙的巖石。代表性的滲透灌漿理論有：球形擴(kuò)散理論、柱形擴(kuò)散理論和袖套管法理論。

② 劈裂灌漿。劈裂灌漿是指在壓力作用下，漿液克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，引起巖石和土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動(dòng)，使其沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，使地層中原有的裂隙或孔隙張開，形成新的裂隙或孔隙，漿液的可灌性和擴(kuò)散距離增大，而所用的灌漿壓力相對較高。

③ 擠密灌漿。擠密灌漿是指通過鉆孔在土中灌入極濃的漿液，在注漿點(diǎn)使土體擠密，在注漿管端部附近形成“漿泡”。當(dāng)漿泡的直徑較小時(shí)，灌漿壓力基本上沿著孔的徑向擴(kuò)展。隨著漿泡尺寸的逐漸增大，便產(chǎn)生較大的上抬力而使地面抬動(dòng)。

④ 電動(dòng)化學(xué)灌漿。如地基土的滲透系數(shù)比較小，只靠一般靜壓力難以使?jié){液注入土的孔隙，此時(shí)需用電滲的作用使?jié){液進(jìn)入土中。電動(dòng)化學(xué)灌漿是指在施工時(shí)將帶孔的注漿管作為陽極，用濾水管作為陰極，將溶液由陽極壓入土中，并通以直流電，在電滲作用下，孔隙水由陽極流向陰極，促使通電區(qū)域中土的含水量降低，并形成滲漿通路，化學(xué)漿液也隨之流入土的孔隙中，并在土中硬結(jié)。電動(dòng)化學(xué)灌漿是在電滲排水和灌漿法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種加固方法。但由于電滲排水作用，可能會(huì)引起鄰近既有建筑物基礎(chǔ)的附加下沉，這一情況應(yīng)予以重視。

3) 設(shè)計(jì)與計(jì)算

(1) 設(shè)計(jì)程序和內(nèi)容

灌漿設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下程序：①地質(zhì)調(diào)查：查明地基的工程地質(zhì)特性和水文地質(zhì)條件；②方案選擇：根據(jù)工程性質(zhì)、灌漿目的及地質(zhì)條件，初步選定灌漿方案；③灌漿試驗(yàn)：除進(jìn)行室內(nèi)灌漿試驗(yàn)外，對較重要的工程，還應(yīng)選擇有代表性的地段進(jìn)行現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)，以便為確定灌漿技術(shù)及灌漿施工方法提供依據(jù)；④設(shè)計(jì)和計(jì)算：確定各項(xiàng)灌漿參數(shù)和技術(shù)措施；⑤補(bǔ)充和修改設(shè)計(jì)：在施工期間和竣工后的運(yùn)用過程中，根據(jù)觀測所得的異常情況，對原設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的調(diào)整。

設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括以下方面：①灌漿標(biāo)準(zhǔn)：通過灌漿要求達(dá)到的效果和質(zhì)量指標(biāo)；②施工范圍：包括灌漿深度、長度和寬度；③灌漿材料：包括漿材種類和漿液配方；④漿液影響半徑：指漿液在設(shè)計(jì)壓力下所能達(dá)到的有效擴(kuò)散距離；⑤鉆孔布置：根據(jù)漿液影響半徑和灌漿體設(shè)計(jì)厚度，確定合理的孔距、排距、孔數(shù)和排數(shù)；⑥灌漿壓力：規(guī)定不同地區(qū)和不同深度的允許最大灌漿壓力；⑦ 灌漿效果評估：用各種方法和手段檢測灌漿效果。

(2) 灌漿方案的選擇

① 灌漿目的如為提高地基強(qiáng)度和變形模量，一般可選用以水泥為基本材料的水泥漿、水泥砂漿和水泥水玻璃漿，或采用高強(qiáng)度化學(xué)漿材。

② 灌漿目的如為防滲堵漏時(shí)，可采用黏土水泥漿、黏土水玻璃漿、水泥粉煤灰混合物，以及無機(jī)試劑為固化劑的硅酸鹽漿液等。

③ 在裂隙巖層中灌漿一般采用純水泥漿或在水泥漿中摻入少量膨潤土，在砂礫石層中或在溶洞中采用黏土水泥漿，在砂層中一般只采用化學(xué)漿液，在黃土中采用單液硅化法或堿液法。

④ 對孔隙較大的砂礫石層或裂隙巖層中采用滲入性注漿法，在砂層灌注粒狀漿材宜采用水力劈裂法；在黏性土層中采用水力劈裂法或電動(dòng)硅化法，糾偏建筑物的不均勻沉降則采用擠密灌漿法。

有時(shí)在考慮漿材選用上，還需要考慮漿材對人體的危害或?qū)Νh(huán)境的污染問題。

(3) 灌漿標(biāo)準(zhǔn)

所謂灌漿標(biāo)準(zhǔn)，是指設(shè)計(jì)者要求地基灌漿后應(yīng)達(dá)到的質(zhì)量指標(biāo)。所用灌漿標(biāo)準(zhǔn)的高低，關(guān)系到工程量、進(jìn)度、造價(jià)和建筑物的安全。灌漿目的和要求不同，很難規(guī)定一個(gè)比較具體和統(tǒng)一的準(zhǔn)則，只能根據(jù)具體情況做出具體的規(guī)定。下面僅提出幾點(diǎn)與確定灌漿標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的原則和方法。

① 防滲標(biāo)準(zhǔn)。防滲標(biāo)準(zhǔn)是指滲透性的大小。防滲標(biāo)準(zhǔn)越高，表明灌漿后地基的滲透性越低，灌漿質(zhì)量也就越好。這不僅體現(xiàn)在地基滲水量的減少，而且因?yàn)闈B透性越小，地下水在介質(zhì)中的流速越低，地基上發(fā)生管涌破壞的可能性就越小。

② 強(qiáng)度和變形標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)灌漿的目的、強(qiáng)度和變形的標(biāo)準(zhǔn)隨工程的具體要求而不同。如：A.為了增加嫁接樁的承載力，主要應(yīng)沿樁的周邊溜漿，以提高樁側(cè)界面間的黏聚力，對支承樁則在樁底灌漿以提高樁端土的抗壓強(qiáng)度和變形模量；B.為了減少壩基礎(chǔ)的不均勻變形，僅需在壩基下游基礎(chǔ)受壓部位進(jìn)行固結(jié)灌漿，以提高地基土的變形模量，而無需在整個(gè)壩基灌漿；C.對振動(dòng)基礎(chǔ)，有時(shí)灌漿目的只是為了改變地基的自然頻率以清除共振條件，因而不一定需用強(qiáng)度較高的漿材；D.為了減小擋土墻的土壓力，則應(yīng)在墻背至滑動(dòng)面附近的土體中灌漿，以提高地基土的重度和滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度。

③ 施工控制標(biāo)準(zhǔn)。灌漿后的質(zhì)量指標(biāo)只能在施工結(jié)束后通過現(xiàn)場檢測來確定。有些灌漿工程甚至不能進(jìn)行現(xiàn)場檢測，因此必須制定一個(gè)保證獲得最佳灌漿效果的施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

A.在正常情況下注入理論耗漿量Q為：

Q=V·n·m

(8-33)

式中：V——設(shè)計(jì)灌漿體積；

n——土的孔隙率；

m——無效注漿量。

B.按耗漿量降低率進(jìn)行控制。由于灌漿是按逐漸加密原則進(jìn)行的，孔段耗漿量也隨加密次序的增加而逐漸減少。若起始孔距布置正確，則第二次序的耗漿量將比第一次序大為減少，這是灌漿取得成功的標(biāo)志。

(4) 漿材及配方設(shè)計(jì)原則

① 對滲入性灌漿工藝，漿液必須能滲入土的孔隙，即所用漿液必須是可灌的。這是一項(xiàng)最基本的要求，不滿足它就談不上灌漿。若采用劈裂灌漿工藝，則漿液不是向天然孔隙，而是向被較高灌漿壓力擴(kuò)大了的孔隙滲入，因而對可灌性要求就不如滲入性灌漿嚴(yán)格。

② 一般情況下漿液應(yīng)具有良好的流動(dòng)性和流動(dòng)性維持能力，以便在不太高的灌漿壓力下獲得盡可能大的擴(kuò)散距離。但在某些地質(zhì)條件下，例如地下水的流速較快和土的孔隙尺寸較大的，往往要采用流動(dòng)性較小和觸變性較大的漿液，以免漿液擴(kuò)散至不必要的距離和防止地下水對漿液的稀釋及沖刷。

③ 漿液的析水性要小，穩(wěn)定性要高，以防在灌漿過程中或灌漿結(jié)束后發(fā)生顆粒沉淀和分離，并導(dǎo)致漿液的可泵性、可灌性和灌漿體的均勻性大大降低。

④ 對防滲灌漿而言，要求漿液結(jié)石具有較高的不透水性和抗?jié)B穩(wěn)定性，若灌漿目的是加固地基，則結(jié)石應(yīng)具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較小的變形性。與永久性灌漿工程相比，臨時(shí)性工程所述要求較低。

⑤ 制備漿液所用原材料及凝固體都不應(yīng)具有毒性或毒性盡可能小，以免傷害皮膚，刺激神經(jīng)和污染環(huán)境。某些堿性物質(zhì)雖然沒有毒性，但若流失在地下水中，也會(huì)造成環(huán)境污染，故應(yīng)盡量避免這種現(xiàn)象。

⑥ 有時(shí)漿液尚應(yīng)具有某些特殊的性質(zhì)，如膨脹性、高親水性、高抗凍性和低溫固化性等，以適應(yīng)特殊環(huán)境和專門工程的需要。

⑦ 不論何種灌漿工程，所用原材料都應(yīng)就近取材，從而降低造價(jià)。

⑧ 關(guān)于漿液的凝結(jié)時(shí)間，要注意以下幾個(gè)問題：漿液的凝結(jié)時(shí)間變幅較大，如化學(xué)漿液的凝結(jié)時(shí)間可在幾秒鐘到幾小時(shí)之間調(diào)整，水泥漿一般為3～4h，動(dòng)土水泥漿則更慢，可根據(jù)灌漿土層的體積、滲透性、孔隙尺寸和孔隙率、漿液的流變性和地下水流速等實(shí)際情況決定?？偟膩碚f，漿液的凝結(jié)時(shí)間應(yīng)足夠長，以便計(jì)劃注漿量能滲入到預(yù)定的影響半徑內(nèi)，當(dāng)在地下水中灌漿時(shí)，除應(yīng)控制注漿速率以防漿液被過分稀釋或被沖走外，還應(yīng)設(shè)法使?jié){液能在灌注過程中凝結(jié)；混凝土與水泥灰漿有初凝和終凝之分，但漿液的凝結(jié)時(shí)間并無嚴(yán)格的定義。許多試驗(yàn)室都是根據(jù)自己擬定的方法研究漿液的凝結(jié)時(shí)間，由于標(biāo)準(zhǔn)不一，難以進(jìn)行比較。

(5) 漿液擴(kuò)散半徑的確定

漿液擴(kuò)散半徑r是一個(gè)重要參數(shù)，它對灌漿工程量及造價(jià)具有重要的影響，如果選用的r值不符合實(shí)際情況，還將降低灌漿效果甚至導(dǎo)致灌漿失敗。r值可按第二節(jié)中的理論公式估算，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較復(fù)雜或計(jì)算參數(shù)不易選準(zhǔn)時(shí)，就應(yīng)通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)來確定。

(6) 孔位布置

灌漿孔的布置是根據(jù)漿液的注漿有效范圍，且應(yīng)相互重疊，使被加固土體在平面和深度范圍內(nèi)連成一個(gè)整體的原則決定的。

① 單排孔的布置。如圖8-12所示，灌漿體的厚度為：

(8-34)

若灌漿體的設(shè)計(jì)厚度為T，則灌漿孔距為

(8-35)

圖8-12　單排孔布置

圖8-13　無效面積計(jì)算圖

設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)以下幾種情況：A.當(dāng)l值接近零時(shí)，b值仍不能滿足設(shè)計(jì)厚度時(shí)，應(yīng)考慮采用多排灌漿孔；B.雖單排孔能滿足設(shè)計(jì)要求，但若孔距太小，鉆孔數(shù)太多，就應(yīng)進(jìn)行雙排孔的方案比較；C.設(shè)T為設(shè)計(jì)帷幕厚度，h為弓形高，L為弓長，如圖8-13，則每個(gè)灌漿孔的無效面積為：

(8-36)

漿液的浪費(fèi)量為：

m=Sn·n

(8-37)

式中:n——土的孔隙率。

圖8-14　雙排孔最優(yōu)設(shè)計(jì)布孔方案

② 多排孔的布置。多排孔設(shè)計(jì)的基本原則是要充分發(fā)揮灌漿孔的潛力，以獲得最大的灌漿體厚度，不允許出現(xiàn)兩排孔間搭接不緊密的情況，也不要求搭接過多而出現(xiàn)浪費(fèi)。圖8-14為雙排孔正好緊密搭接的最優(yōu)設(shè)計(jì)布孔方案?？梢酝茖?dǎo)出最優(yōu)排距Rm和最大灌漿有效厚度Bm的計(jì)算式：

(8-38)

奇數(shù)排：

(8-39)

偶數(shù)排：

(8-40)

式中：n——灌漿孔排數(shù)。

(7) 灌漿壓力

由于漿液的擴(kuò)散能力與灌漿壓力的大小密切相關(guān)，有不少人傾向于采用較高的灌漿壓力，在保證灌漿質(zhì)量的前提下，使鉆孔數(shù)盡可能減少。高的灌漿壓力還能使一些微細(xì)孔隙張開，有助于提高可灌性。當(dāng)孔隙中被某種軟弱材料填充時(shí)，高灌漿壓力能在充填物中造成劈裂注漿，使軟弱材料的密實(shí)度、強(qiáng)度和不透水性等得到改善。此外，高灌漿壓力還有助于擠出漿液中的多余水分，使?jié){液結(jié)石的強(qiáng)度提高。但是，當(dāng)灌漿壓力超過地層的壓重和強(qiáng)度時(shí)，有可能導(dǎo)致地基及其上部結(jié)構(gòu)的破壞。因此，一般都以不使地層結(jié)構(gòu)破壞或僅發(fā)生局部的和少量的破壞，作為確定地基允許灌漿壓力的基本原則。容許灌漿壓力值與一系列因素有關(guān)，如地層土的密度、強(qiáng)度和初始應(yīng)力，鉆孔深度、位置及灌漿次序等因素有關(guān)，而這些因素又難以準(zhǔn)確地預(yù)知，因而宜通過現(xiàn)場灌漿試驗(yàn)來確定。

(8) 灌漿量

灌漿用量的體積應(yīng)為土的孔隙體積。但在灌漿過程中，漿液并不可能完全充滿土的孔腺體積，而土中水分亦占據(jù)孔隙的部分體積。所以，在計(jì)算漿液用量時(shí)，通常應(yīng)乘以小于1的灌注系數(shù)，但考慮到漿液容易流到設(shè)計(jì)范圍以外，所以灌注所需的漿液總用量Q可參照下式計(jì)算：

Q=K·V·n·1000

(8-41)

式中：Q——漿液總用量(L)；

V——注漿對象的土量(m3)；

n——土的孔隙率；

K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)：軟土、黏性土、細(xì)砂為0.3～0.5；中砂、細(xì)砂為0.5～0.7；礫砂為0.7～1.0；濕陷性黃土為0.5～0.8。

(9) 注漿順序

注漿順序必須采用適合于地基條件、現(xiàn)場環(huán)境及注漿目的的方法進(jìn)行，一般不宜采用自注漿地帶某一端單向推進(jìn)壓注方式，應(yīng)按跳孔間隔注漿方式進(jìn)行，以防止串漿，提高注漿孔內(nèi)漿液的強(qiáng)度與時(shí)俱增的約束性。對有地下動(dòng)水流的特殊情況，應(yīng)考慮漿液在動(dòng)水流下的遷移效應(yīng)，從水頭高的一端開始注漿。對加固滲透系數(shù)相同的土層，首先應(yīng)完成最上層封頂注漿，然后再按由下而上的原則進(jìn)行注漿，以防漿液上冒。如土層的滲透系數(shù)隨深度而增大，則應(yīng)自下而上進(jìn)行注漿。注漿時(shí)應(yīng)采用先外圍后內(nèi)部的注漿順序，若注漿范圍以外有邊界約束條件(能阻擋漿液流動(dòng)的障礙物)時(shí)，也可采用自內(nèi)側(cè)開始順次往外側(cè)的注漿方法。

8.3.2　水泥攪拌法

1) 概述

水泥土攪拌法是用于加固飽和黏性土地基的一種新方法。它是利用水泥(或石灰》等材料作為固化劑，通過特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體)強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和變形模量。根據(jù)施工方法的不同，水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌(國內(nèi)稱深層攪拌法)和粉體噴射攪拌兩種，前者是用水泥漿和地基土攪拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土攪拌。

水泥土攪拌法相比較其他處理方法而言有很多優(yōu)點(diǎn)：能夠最大限度地利用原土；攪拌不會(huì)使地基土側(cè)向擠出，所以對周圍原有建筑物的影響很小；可以根據(jù)不同地基土及工程設(shè)計(jì)要求，合理選擇固化劑及其配方，設(shè)計(jì)比較靈活；施工時(shí)無振動(dòng)、無噪普、無污染，可在市區(qū)內(nèi)和密集建筑群中進(jìn)行施工；土體加固后重度基本不變，對軟弱下臥層不致產(chǎn)生附加沉降；與鋼筋混凝土樁基相比，節(jié)省了大量的鋼材，并降低了造價(jià)；根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，可靈活地采用柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等加固型式。

2) 加固原理

(1) 加固機(jī)理

水泥攪拌樁的基本原理是基于水泥加固土的物理化學(xué)反應(yīng)過程，首先將固化劑灌入需處理的軟土地層內(nèi)，并在灌注過程中上下攪拌均勻，使水泥與土發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成水泥水化物并形成凝膠體，將土顆?；蛐⊥翀F(tuán)凝結(jié)在一起形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體，從而形成水泥骨架作用，同時(shí)，水泥在水化過程中生成的鈣離子與土顆粒表面的鈉離子進(jìn)行離子交換作用，生成穩(wěn)定的鈣離子，從而進(jìn)一步提高土體的強(qiáng)度，達(dá)到提高其復(fù)合地基承載力的目的。水泥與軟土拌合后，將發(fā)生如下物理化學(xué)反應(yīng)：

① 水泥的水解水化反應(yīng)。減少了軟土中的含水量，增加土粒間的粘結(jié)，水泥與土拌合后，水泥中的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁四鈣等礦物與土中水發(fā)生水解反應(yīng)，在水中形成各種硅、鐵、鋁質(zhì)的水溶膠，土中的CaSO4大量吸水，水解后形成針狀結(jié)晶體。

② 離子交換與團(tuán)粒作用。水泥水解后，溶液中的Ca2+含量增加，與土粒發(fā)生陽離子交換作用，等當(dāng)量置換出K+ 、Na+，形成軟土大的土團(tuán)粒和水泥土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，使水泥土的強(qiáng)度大為提高。

③ 硬凝反應(yīng)。陽離子交換后，過剩的Ca2+在堿性環(huán)境中與、Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水穩(wěn)性的結(jié)晶水化物，增大了水泥土的強(qiáng)度。

④ 碳化反應(yīng)。水泥土中的Ca(OH)2與土中或水中CO2化合生成不溶于水的CaCO3，增加了水泥土的強(qiáng)度。

水泥與地基土拌合后經(jīng)上述的化學(xué)反應(yīng)形成堅(jiān)硬樁體，同時(shí)樁間土也有少量的改善，從而構(gòu)成樁與土復(fù)合地基，提高地基承載力，減少了地基的沉降。

(2) 水泥攪拌樁的加固土物理力學(xué)特性

根據(jù)冶金研究院、天津市勘察院、鐵四院及鐵三院的試驗(yàn)研究，水泥加固土的主要物理力學(xué)特性如下：

① 物理性質(zhì)

重度：由于拌入土中的固化材料與孔隙中水的重度相差不大，攪拌中還產(chǎn)生部分土的擠出和隆起，且固化后固化材料本身存在孔隙，因此，在飽和的軟土中加固土體的重度與天然土的飽和重度很接近，試驗(yàn)說明固化體重度僅增加3%～5%。但在非飽和的大孔隙土中，固化體的重度將較天然土的重度增加量要大一些，見表8-14。此外，固化料摻合量大時(shí)，固化體重度增加幅度也大。

含水量：水泥加固土含水量略低于原土的含水量，約減少3%～7%，對粉噴樁而言，干粉狀水泥的加入使土的塑性狀態(tài)隨之變化，摻入比為7%～15%時(shí)，其塑性狀態(tài)降低一個(gè)等級，即由流塑變?yōu)檐浰?，軟塑變?yōu)榭伤艿?；?dāng)摻入比大于15%時(shí)，塑性狀態(tài)可以降低1～2個(gè)等級。

② 化學(xué)性質(zhì)

A.土的種類對水泥土強(qiáng)度的影響。不同成因軟土對水泥的強(qiáng)度有較大的影響。

B.水泥摻入比對水泥土qu的影響。不同成因的不同類別地基土的不同水泥摻入比與水泥加固土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系：qu隨土的水泥摻入比的增大而增大，當(dāng)摻入比小于5%時(shí)，水泥土水化反應(yīng)很弱，水泥土的強(qiáng)度比原狀土增長較小，水泥摻入比宜大于10%，地基土的不同水泥土的強(qiáng)度隨水泥摻入比的增加速率也不同，粉土的增長速度最大，淤泥質(zhì)土最小。

C.水泥標(biāo)號對水泥土的qu的影響。試驗(yàn)表明，水泥標(biāo)號越高，水泥的早期強(qiáng)度增長速率越快，當(dāng)水泥摻入比相同時(shí)，水泥標(biāo)號每提高100號，水泥土的無側(cè)阻抗壓強(qiáng)度提高15%～30%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以用325#水泥代替現(xiàn)在較常用的425#水泥作為加固材料，以加大水泥用量，更有利于水泥摻入的均勻性。

D.齡期的影響。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，天津地區(qū)水泥加固土一般有以下關(guān)系：

qu(7)=(0.6～0.7)qu(28)=(0.4～0.47)qu(90)

qu(28)=(0.7～0.75)qu(90)；qu(90)=(0.9～0.95)qu(180)

E.土中含水量的影響。在固化劑種類和摻入量相同的情況下，漿液噴攪時(shí)，土的天然含水量越低，加固土的強(qiáng)度就越高。由于土的種類及固化劑性質(zhì)不盡相同，同時(shí)水泥摻入量也不相同。有的試驗(yàn)說明，水泥摻入量比較大時(shí)，強(qiáng)度隨含水量增大而顯著減少，當(dāng)摻入比為32%時(shí)，土中含水量每減少10%，強(qiáng)度可增加66%。對粉噴樁，土中含水量對水泥土強(qiáng)度的影響不同于漿液攪拌，當(dāng)土中含水量過低時(shí)，水泥水化不充分，水泥土強(qiáng)度反而降低。

F.施工工藝的影響。水泥土體強(qiáng)度在其他條件相同時(shí)，還與施工工藝有關(guān)。如同一種土中，固化劑摻入量相同，采用復(fù)攪的辦法可明顯提高樁體強(qiáng)度。

在含水量很小的松散填土中，攪拌時(shí)塊狀土不能破碎，造成樁體松散，采用注水后上下多次預(yù)攪，即可保證樁體強(qiáng)度。

在黏性很大的土中，可能出現(xiàn)攪拌頭上形成土團(tuán)，隨攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌不均，復(fù)攪也不能奏效，只有改變攪拌頭的形式才是有效途徑。

3) 設(shè)計(jì)與計(jì)算

(1) 水泥土樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算

① 單樁豎向承載力計(jì)算

單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算，取其中較小值。

(8-42)

=qsUpL+αApqp

(8-43)

式中:fcuk——與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長為70.7mm或50mm的立方體)的90d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值；

η——強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.3～0.5；

Up——樁周邊長；

L——樁長；

qp——樁端天然地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 7—89)第三章第二節(jié)的有關(guān)規(guī)定確定；

qs——樁周土平均容許摩阻力如表8-14；

α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6。

表8-14　攪拌樁樁周土的容許摩阻力

式(8-42)中的加固土強(qiáng)度折減系數(shù)η是一個(gè)和工程經(jīng)驗(yàn)以及擬建物性質(zhì)密切相關(guān)的參數(shù)。工程經(jīng)驗(yàn)包括施工隊(duì)伍素質(zhì)、施工質(zhì)量、室內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)與實(shí)際加固強(qiáng)度比值以及對實(shí)際工程處理效果等的掌握情況。擬建工程性質(zhì)包括擬建工程的工程地質(zhì)條件、上部結(jié)構(gòu)對地基的要求以及工程的重要性等，目前在設(shè)計(jì)中一般取η=0.35～0.50。如果施工隊(duì)伍素質(zhì)較好，施工質(zhì)量很高，現(xiàn)場實(shí)際施工的攪拌樁加固強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果接近，以往實(shí)際工程處理效果優(yōu)良，且工程地質(zhì)條件簡單，工程對地基沉降要求又不高時(shí)，可取高值，反之取低值。

式(8-43)中樁端土承載力折減系數(shù)α取值與施工時(shí)樁底部施工質(zhì)量有關(guān)，特別是當(dāng)樁端為較硬土層、樁較短時(shí)，取高值。如果樁底施工質(zhì)量不好，攪拌樁沒能真正支承在硬土層上，樁端地基承載力不能充分發(fā)揮，或樁較長時(shí)，取低值，目前設(shè)計(jì)中常取α=0.5。

為使單柱承載力的設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使樁體強(qiáng)度與承載力相協(xié)調(diào)，即：

ηfcukAp≥qsUpL+αApqp

(8-44)

單樁承載力應(yīng)通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)加以驗(yàn)證，或先施工試樁，據(jù)以確定單樁承載力，當(dāng)樁體強(qiáng)度小于500kPa時(shí)，單樁承載力應(yīng)通過現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定。式(8-44)表明當(dāng)樁長超過一定長度，控制單樁承載力的主要指標(biāo)為樁體強(qiáng)度，所以可采取有效方法提高樁體強(qiáng)度來提高攪拌樁豎向承載力，如加大上部噴灰量、樁體加芯技術(shù)等。

② 復(fù)合地基承載力計(jì)算

水泥土復(fù)合地基承載力的計(jì)算，采用樁土分擔(dān)荷載比的原理，按下式計(jì)算：

(8-45)

式中:fsp——復(fù)合地基的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

fk——樁間土天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

m——面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土為軟土?xí)r可取0.5～1.0，當(dāng)樁端土為硬土?xí)r可取0.1～0.4，當(dāng)不考慮樁間軟土作用時(shí)可取零。

其實(shí)，樁身強(qiáng)度對β也有影響。例如樁端是硬土，但樁身強(qiáng)度很低，樁身壓縮變形很大，這時(shí)樁間土可承受較大荷載，β也可取大值，這樣較為經(jīng)濟(jì)?？傊瑯堕g土承載力折減系數(shù)的確定，是各種復(fù)合地基所遇到的一個(gè)復(fù)雜問題，上述規(guī)范提出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際工程中通過原型或大荷載試驗(yàn)來測定是切合實(shí)際的，在重要的或規(guī)模很大的工程中應(yīng)進(jìn)行樁土分擔(dān)比測試。

上述式中的天然地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值的取值概念較模糊，從經(jīng)濟(jì)和安全角度綜合考慮，建議按如下取值：一般而言，任何復(fù)合地基的樁間土的承載力不低于天然地基土的承載力。從安全儲(chǔ)備上考慮，水泥土樁的土的承載力用天然地基土的承載力替代是適宜的，如主要加固區(qū)在基底，則取該層土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值；如在基底一定深度以下，則取加固段內(nèi)該層土以上承載力的加權(quán)平均值。

(2) 水泥土復(fù)合地基的變形計(jì)算

水泥土復(fù)合地基的變形由復(fù)合土層的變形和樁端以下土層變形兩部分組成。由于缺少系統(tǒng)的變形場測試資料，大多采用材料力學(xué)的推論或土力學(xué)的經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算。

① 復(fù)合土層的變形計(jì)算

群樁體的壓縮變形S1可按下式計(jì)算：

(8-46)

式中:po——群樁體頂面處的平均壓力；

poz——群樁體底面處的附加壓力；

L——實(shí)際樁長；

Eps——復(fù)合土層壓縮模量；

Eps=mEp+(1-m)Es

(8-47)

其中：Ep——攪拌樁的壓縮模量，可取(100～200fcuk)；

Es——樁間土的壓縮模量。

大量的攪拌樁設(shè)計(jì)計(jì)算及實(shí)測結(jié)果表明，樁體的壓縮變形量僅在10～30mm之間變化。因此，當(dāng)荷載大、樁較長或樁體強(qiáng)度小時(shí)，取大值；反之，當(dāng)荷載小、樁較短或樁身強(qiáng)度高時(shí)，可取小值。

② 樁端以下土層的變形計(jì)算

將復(fù)合土層看作一層土，下部為若干層土，用分層總和法計(jì)算復(fù)合土層下影響深度內(nèi)各層土的變形。具體按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。在深厚的超軟土中，當(dāng)置換率較大時(shí)，如前述，復(fù)合土體呈現(xiàn)深基效應(yīng)，此時(shí)，按剛性樁群樁樁底沉降計(jì)算方法較為穩(wěn)妥。

8.3.3　高壓噴射注漿法

1) 概述

高壓噴射注漿法是用高壓水泥漿通過鉆桿由水平方向的噴嘴噴出，形成噴射流，以此切割土體并與土拌合形成水泥土加固體的地基處理方法。利用鉆機(jī)將帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層預(yù)定深度后，以 20～40MPa 壓力把漿液或水從噴嘴中噴射出來，形成噴射流沖擊破壞土層。當(dāng)能量大、速度快、脈動(dòng)狀的射流動(dòng)壓大于土層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土顆粒便從土層中剝落下來。一部分細(xì)顆粒隨漿液或水冒出地面，其余土粒在射流的沖擊力、離心力和重力等的作用下與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后，便在土層中形成一個(gè)固結(jié)體。高壓噴射注漿法所形成的固結(jié)體的形態(tài)與高壓噴射流的作用方向、移動(dòng)軌跡和持續(xù)噴射時(shí)間有密切關(guān)系。一般分為旋轉(zhuǎn)噴射(旋噴)、定向噴射(定噴)和擺動(dòng)噴射(擺噴)三種。

高壓噴射注漿法主要適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、流塑、軟塑或可塑黏性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。對土中含有較多的大粒徑塊石、植物根莖或過多的有機(jī)質(zhì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定其適用范圍，對地下水流速度大、漿液無法凝固、永久凍土及對水泥有嚴(yán)重腐蝕性的地基不宜采用。其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 適用范圍廣。由于固結(jié)體的質(zhì)量明顯提高，它既可用于工程新建之前，又可用于竣工后的托換工程，可以不損壞建筑物的上部結(jié)構(gòu)，且能使已有建(構(gòu))筑物在施工時(shí)不影響使用功能。

(2) 施工簡便。施工時(shí)只需在土層中鉆一個(gè)孔徑為50mm 或 300mm的小孔，便可在土中噴射成直徑為0.4～4.0m 的固結(jié)體，因而施工時(shí)能貼近已有建(構(gòu))筑物，成型靈活，既可在鉆孔的全長范圍形成柱型固結(jié)體，也可僅作其中一段。

(3) 可控制固結(jié)體形狀。在施工中可調(diào)整旋噴速度和提升速度，增減噴射壓力或更換噴嘴孔徑改變流量，使固結(jié)體形成工程設(shè)計(jì)所需要的形狀。

(4) 可垂直、傾斜和水平噴射。通常是在地面上進(jìn)行垂直噴射注漿，但在隧道、礦山井巷工程、地下鐵道等建設(shè)中亦可采用傾斜和水平噴射注漿。處理深度已達(dá)30m以上。

(5) 耐久性較好。由于能得到穩(wěn)定的加固效果并有較好的耐久性，所以可用于永久性工程。

(6) 料源廣闊。漿液以水泥為主體。在地下水流速快或含有腐蝕性元素、土的含水量大或固結(jié)體強(qiáng)度要求高的情況下，則可在水泥中摻入適量的外加劑，以達(dá)到速凝、高強(qiáng)、抗凍、耐蝕和漿液不沉淀等效果。

(7) 設(shè)備簡單。高壓噴射注漿全套設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，占地少，能在狹窄和低矮的空間施工。

2) 加固機(jī)理

(1) 高壓噴射流對土體的破壞作用

破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的最主要因素是噴射動(dòng)壓，根據(jù)動(dòng)量定律，在空氣中噴射時(shí)的破壞力為：

(8-48)

式中：P——破壞力[(kg·m)/s2]；

ρ——密度(kg/m3)；

vm——噴射流的平均速度(m/s)；

A——噴嘴截面積(m2)。

亦即破壞力對于某一密度的液體而言，是與該射流的流量、流速的乘積成正比。而流量又為噴嘴截面積與流速的乘積。所以在一定的噴嘴面積的條件下，為了獲得更大的破壞力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋噴壓力。一般要求高壓脈沖泵的工作壓力在20MPa 以上，這樣就使射流像剛體一樣沖擊破壞土體，使土與漿液攪拌混合，凝固成圓柱狀的固結(jié)體。

噴射流在終期區(qū)域，能量衰減很大，不能直接沖擊土體使土顆粒剝落，但能對有效射程的邊界土產(chǎn)生擠壓力，對四周土有壓密作用，并使部分漿液進(jìn)入土粒之間的空隙里，使固結(jié)體與四周土緊密相依，不產(chǎn)生脫離現(xiàn)象。

(2) 水(漿)、氣同軸噴射流對土的破壞作用

單射流雖然具有巨大的能量，但由于壓力在土中急劇衰減，因此破壞土的有效射程較短，致使旋噴固結(jié)體的直徑較小。

圖8-15　噴射流軸上動(dòng)水壓力與距離的關(guān)系

當(dāng)在噴嘴出口的高壓水噴射流的周圍加上圓筒狀空氣射流，進(jìn)行水、氣同軸噴射時(shí)，空氣流使水或漿的高壓噴射流從破壞的土體上將土粒迅速吹散，使高壓噴射流的噴射破壞條件得到改善，阻力大大減少，能量消耗降低，因而增大了高壓噴射流的破壞能力，形成旋噴固結(jié)體的直徑較大。圖8-15為不同類噴射流中動(dòng)水壓力與距離的關(guān)系，表明高速空氣具有防止高速水射流動(dòng)壓急劇衰減作用。

旋噴時(shí)，高壓噴射流在地基中將土體切削破壞。其加固范圍就是噴射距離加上滲透部分或壓縮部分的長度為半徑的圓柱體。一部分細(xì)小的土粒被噴射的漿液所置換，隨著液流被帶到地面上(俗稱冒漿)，其余的土粒與漿液攪拌混合。在噴射動(dòng)壓力、離心力和重力的共同作用下，在橫斷面上土粒按質(zhì)量大小有規(guī)律地排列起來，小顆粒在中部居多，大顆粒多數(shù)在外側(cè)或邊緣部分，形成了漿液主體攪拌混合、壓縮和滲透等部分，經(jīng)過一定時(shí)間便凝固成強(qiáng)度較高且滲透系數(shù)較小的固結(jié)體。隨著土質(zhì)的不同，橫斷面結(jié)構(gòu)也多少有些不同。由于旋噴體不是等顆粒的單體結(jié)構(gòu)，固結(jié)質(zhì)量也不均勻，通常是中心部分強(qiáng)度低，邊緣部分強(qiáng)度高。

定噴時(shí)，高壓噴射注漿的噴嘴不旋轉(zhuǎn)，只作水平的固定方向噴射，并逐漸向上提升，便在土中沖成一條溝槽，并把漿液灌進(jìn)槽中，最后形成一個(gè)板狀固結(jié)體。固結(jié)體在砂性土中有一部分滲透層，而在黏性土中卻無這一部分滲透層。

在大礫石層中進(jìn)行高壓噴射注漿時(shí)，因射流不能將大礫石破碎和移位，只能繞行前進(jìn)并充填其空隙。其機(jī)理接近于靜壓灌漿理論中的滲透灌漿機(jī)理。

在腐殖土中進(jìn)行高壓噴射注漿時(shí)，固結(jié)體的形狀及其性質(zhì)受植物纖維粗細(xì)長短、含水量高低及土顆粒多少影響很大。在含細(xì)短纖維不太多的腐殖土中噴射注漿時(shí)，纖維的影響很小，成樁機(jī)理與在黏性土中相同。在含粗長纖維不太多的腐殖土中噴射注漿時(shí)，射流仍能穿過纖維之間的空隙而形成預(yù)定形狀的固結(jié)體；但在粗長纖維密集部位，射流受嚴(yán)重阻礙導(dǎo)致破壞力大為降低，固結(jié)體難以形成預(yù)定形狀且強(qiáng)度受到顯著的影響。

(3) 水泥與土的固結(jié)機(jī)理

水泥和水拌合后，首先產(chǎn)生鋁酸三鈣水化物和氫氧化鈣，它們可溶于水中，但溶解度不高，很快就達(dá)到飽和，這種化學(xué)反應(yīng)連續(xù)不斷地進(jìn)行，就析出一種膠質(zhì)物。這種膠質(zhì)物體有一部分混在水中懸浮，后來就包圍在水泥微粒的表面，形成一層膠凝薄膜。所生成的硅酸二鈣水化物幾乎不溶于水，只能以無定形體的膠質(zhì)包圍在水泥微粒的表層，另一部分滲入水中。由水泥各種成分所生成的膠凝膜，逐漸發(fā)展起來成為膠凝體，此時(shí)表現(xiàn)為水泥的初凝狀態(tài)，開始有膠粘的性質(zhì)。此后，水泥各成分在不缺水、不干涸的情況下繼續(xù)不斷地按上述水化程序發(fā)展、增強(qiáng)和擴(kuò)大，從而產(chǎn)生下列現(xiàn)象：①膠凝體增大并吸收水分，使凝固加速，結(jié)合更密；②由于微晶(結(jié)核晶)的產(chǎn)生進(jìn)而生出結(jié)晶體，結(jié)晶體與膠凝體相互包圍滲透并達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，這就是硬化的開始；③水化作用繼續(xù)滲入到水泥微粒內(nèi)部，使未水化部分再參加以上的化學(xué)反應(yīng)，直到完全沒有水分以及膠質(zhì)凝固和結(jié)晶充盈為止，但無論水化時(shí)間持續(xù)多久，很難將水泥微粒內(nèi)核全部水化完，所以水化過程是一個(gè)長久的過程。

3) 設(shè)計(jì)與計(jì)算

(1) 室內(nèi)配方與現(xiàn)場噴射試驗(yàn)

為了解噴射注漿固結(jié)體的性質(zhì)和漿液的合理配方，必須取現(xiàn)場各層土樣，在室內(nèi)按不同的含水量和配合比進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選出最合理的漿液配方。

對規(guī)模較大及較重要的工程，設(shè)計(jì)完成之后，要在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)，查明噴射固結(jié)體的直徑和強(qiáng)度，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性和安全度。

(2) 設(shè)計(jì)程序

高壓噴射注漿的設(shè)計(jì)程序如圖8-16所示。

圖8-16　高壓噴射注漿的設(shè)計(jì)程序

(3)固結(jié)體尺寸

① 固結(jié)體尺寸主要取決于下列因素：A．土的類別及其密實(shí)程度；B．高壓噴射注漿方法(注漿管的類型)；C．噴射技術(shù)參數(shù)(包括噴射壓力與流量，噴嘴直徑與個(gè)數(shù)，壓縮空氣的壓力、流量與噴嘴間隙，注漿管的提升速度與旋轉(zhuǎn)速度)。

② 在無試驗(yàn)資料的情況下，對小型的或不太重要的工程，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用。

③ 對于大型的或重要的工程，應(yīng)通過現(xiàn)場噴射試驗(yàn)后開挖或鉆孔采樣確定。

(4) 固結(jié)體強(qiáng)度

① 固結(jié)體強(qiáng)度主要取決于下列因素：土質(zhì)；噴射材料及水灰比；注漿管的類型和提升速度；單位時(shí)間的注漿量。

② 固結(jié)體強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)定按28d強(qiáng)度計(jì)算。試驗(yàn)證明，在黏性土中，由于水泥水化物與黏土礦物繼續(xù)發(fā)生作用，故28d后的強(qiáng)度將會(huì)繼續(xù)增長，這種強(qiáng)度的增長可作為安全儲(chǔ)備。

③ 注漿材料為水泥時(shí)，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的初步設(shè)定可參考表 8-15。

④ 對于大型的重要的工程，應(yīng)通過現(xiàn)場噴射試驗(yàn)后采樣測試來確定固結(jié)體的強(qiáng)度和滲透性等性質(zhì)。

表8-15　固結(jié)體抗壓強(qiáng)度

(5)承載力計(jì)算

豎向承載旋噴樁復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)，可按下式估算：

(8-49)

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值(kPa)；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值(kN);

Ap——樁的截面積(m2);

β——樁間土承載力折減系數(shù)，可根據(jù)試驗(yàn)或類似土質(zhì)條件工程經(jīng)驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可取0～0.5，承載力較低時(shí)取低值;

fsk——處理后樁間土承載力特征值(kPa)。

單樁豎向承載力特征值可通過現(xiàn)場單樁載荷試驗(yàn)確定。也可按以下兩式估算，取其中較小值：

Ra=ηfcuAp

(8-50)

(8-51)

式中：fcu——與旋噴樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊(邊長為70.7mm 的立方體)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下 28d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)；

η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，可取 0.33；

n——樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

li——樁周第i層土的厚度(m)；

qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)有關(guān)規(guī)定或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值(kPa)，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)有關(guān)規(guī)定或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

(6) 地基變形計(jì)算

旋噴樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算應(yīng)為樁長范圍內(nèi)復(fù)合土層以及下臥土層變形值之和，計(jì)算時(shí)應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。其中復(fù)合土層的壓縮模量可按下式確定：

(8-52)

式中：Esp——旋噴樁復(fù)合土層壓縮模量(kPa)；

Es——樁間土的壓縮模量，可用天然地基土的壓縮模量代替(kPa)；

Ae——加固單元面積(m2)；

Ap——旋噴樁截面積(m2)；

Ep——樁體的壓縮模量，可采用測定混凝土割線模量的方法確定(kPa)。

由于旋噴樁迄今積累的沉降觀測及分析資料很少，因此，復(fù)合地基變形計(jì)算的模式均以土力學(xué)和混凝土材料性質(zhì)的有關(guān)理論為基礎(chǔ)。

(7) 防滲堵水設(shè)計(jì)

防滲堵水工程設(shè)計(jì)時(shí)，最好按雙排或三排布孔形成帷幕，見圖8-17?？拙酁?nbsp;1.73R0(R0為旋噴樁設(shè)計(jì)半徑)，排距為1.5R0時(shí)最經(jīng)濟(jì)。

圖8-17　布孔孔距和旋噴注漿固結(jié)體交聯(lián)圖

定噴和擺噴是一種常用的防滲堵水的方法，由于噴射出的板墻薄而長，不但成本較旋噴低，而且整體連續(xù)性也很好。

(8) 漿量計(jì)算

漿量計(jì)算有兩種方法，即體積法和噴量法，取其大者作為設(shè)計(jì)噴射漿量。

① 體積法

(8-53)

② 噴量法

以單位時(shí)間噴射的漿量及噴射持續(xù)時(shí)間計(jì)算出漿量，計(jì)算公式為：

(8-54)

式中：Q——需要用的漿量(m3)；

De——旋噴體直徑(m)；

D0——注漿管直徑(m)；

K1——填充率(0.75～0.9)；

h1——旋噴長度(m)；

K2——未旋噴范圍土的填充率(0.5～0.75)；

h2——未旋噴長度(m)；

β——損失系數(shù)(0.1～0.2)；

v——提升速度(m/min)；

H——噴射長度(m)；

q——單位時(shí)間噴漿量(m3/min)。

根據(jù)計(jì)算所需的噴漿量和設(shè)計(jì)的水灰比，即可確定水泥的使用數(shù)量。

(9) 漿液材料與配方

根據(jù)噴射工藝要求，漿液應(yīng)具備以下特性：

① 良好的可噴性。目前，國內(nèi)基本上采用以水泥漿為主劑，摻入少量外加劑的噴射方法。水灰比一般采用1∶1到1.5∶1就能保證較好的噴射效果。漿液的可噴性可用流動(dòng)度或黏度來評定。

② 足夠的穩(wěn)定性。漿液的穩(wěn)定性好壞直接影響到固結(jié)體質(zhì)量。以水泥漿液為例，其穩(wěn)定性好系指漿液在初凝前析水率小，水泥的沉降速度慢、分散性好以及漿液混合后經(jīng)高壓噴射而不改變其物理化學(xué)性質(zhì)。摻入少量外加劑能明顯地提高漿液的穩(wěn)定性。常用的外加劑有膨潤土、純堿、三乙醇胺等。漿液的穩(wěn)定性可用漿液的析水率來評定。

③ 氣泡少。若漿液帶有大量的氣泡，則固結(jié)體硬化后就會(huì)有許多氣孔，從而降低噴射固結(jié)體的密度，導(dǎo)致固結(jié)體強(qiáng)度及抗?jié)B性能降低。為了盡量減少漿液氣泡，應(yīng)選擇非加氣型的外加劑，不能采用起泡劑，比較理想的外加劑是代號為NNO的外加劑。

④ 調(diào)劑漿液的膠凝時(shí)間。膠凝時(shí)間是指從漿液開始配制起，到土體混合后逐漸失去其流動(dòng)性為止的這段時(shí)間。膠凝時(shí)間由漿液的配方、外加劑的摻量、水灰比和外界溫度確定。一般從幾分鐘到幾小時(shí)，可根據(jù)施工工藝及注漿設(shè)備來選擇合適的膠凝時(shí)間。

⑤ 良好的力學(xué)性能。影響抗壓強(qiáng)度的因素很多，如材料的品種、漿液的濃度、配比和外加劑等。

⑥ 無毒、無臭。漿液對環(huán)境不污染及對人體無害，凝膠體為不溶和非易燃、易爆物。漿液對注漿設(shè)備、管路無腐蝕性并容易清洗。

⑦ 結(jié)石率高。固化后的固結(jié)體有一定粘結(jié)性，能牢固地與土粒相粘結(jié)。要求固結(jié)體耐久性好，能長期耐酸、堿、鹽及生物細(xì)菌等腐蝕，并且不受溫度、濕度的變化而變化。

8.3.4　水泥攪拌樁地基處理設(shè)計(jì)

1) 建筑條件

某七層框架結(jié)構(gòu)建筑物，采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深d=1.9m,基礎(chǔ)寬度b=3.8m。采用深層攪拌樁處理地基，要求處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk=150kPa，取樁身水泥土強(qiáng)度fcu=1.8MPa，基底平均壓力p0=164.4kPa，地下水位0.9m。

2) 土質(zhì)條件

表8-16　各土層土質(zhì)參數(shù)表

3) 設(shè)計(jì)計(jì)算

(1) 確定復(fù)合地基承載力特征值fsp

基礎(chǔ)地面以上土的加權(quán)平均重度

基礎(chǔ)埋深承載力修正系數(shù)ηd=1.0

(2) 確定樁徑d,樁長l，褥墊層厚度d′

取褥墊層厚度d′=300mm，樁徑d=500mm，樁長l=10.0m，樁端落在土層⑤上。

(3) 確定單樁承載力Ra

① 按Ra=ηfcuAp確定

查表，水泥土攪拌樁(濕法)樁身強(qiáng)度折減系數(shù)η=0.25～0.33，取η=0.30，則Ra=0.30×3600×3.14×0.252=212kN。

② 按樁端、樁側(cè)摩阻力計(jì)算,由公式確定

A.確定總樁側(cè)阻力值Rs

土層③：黏土IL=0.53，可塑狀態(tài)黏土 qs=12～18kPa，取qs=15kPa

Rs=upqsl=2×3.14×0.25×15×10=235.5kN

B.確定總樁端阻力值Rp

取樁端阻力折減系數(shù)α=0.5

Rp=αqpAp=0.5×110×3.14×0.252=10.8kN

Ra=Rs+Rp=235.5+10.8=246.3kN

C.確定Ra

所以按Ra=212.0kN進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖8-18　水泥土攪拌樁樁位布置平面圖(1∶100)

(4) 確定樁土面積置換率m

取樁間土承載力折減系數(shù)β=0.3

由公式

可得:

=0.114

按m=0.12布樁。

(5) 樁位布置

樁距=1.3,條形基礎(chǔ)沿長度方向每1.3m需要布樁數(shù)量。

4) 持力層承載力驗(yàn)算

將基礎(chǔ)和樁端范圍內(nèi)的攪拌樁和樁間土視為由復(fù)合土層組成的假想的實(shí)體基礎(chǔ)。

攪拌樁樁體的壓縮模量Ep=(100～200)fcu。

取　Esp=mEp+(1-m)Es=0.12×180×3.6+(1-0.12)×4.73=81.1MPa

則　Es1/Es2=Esp/Es2=81.1/10.7=7.6，h/b=3.1/3.8=0.8

查表,確定地基壓力擴(kuò)散角θ=25°。

基礎(chǔ)底面處土的自重應(yīng)力

樁端處的附加壓力值

樁端以上土的自重壓力值

(17.7-10)×3.7+(19.1-10)×5.4+(19.2-10)×0.9=114.1kPa

樁端以上土的平均重度

樁端處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值

fz　=fak+ηdγ0(d-0.5)=100+1.0×9.35×(1.4+0.8+3.7+5.4+0.9-0.5)

=209.4kPa

所以pz+pcz=51.8+114.1=165.9kPa<fz=209.4kPa

因此,樁端持力層承載力滿足要求。

5) 沉降計(jì)算

水泥土攪拌樁復(fù)合地基的變形由復(fù)合土層的變形s1和樁端以下未加固土層的變形s2兩部分組成,即s=s1+s2。

(1) 復(fù)合土層的變形s1計(jì)算

在加固區(qū)底面的附加壓力pzl作用下，下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算的應(yīng)力擴(kuò)散法中，復(fù)合土層頂面的附加壓力值pz=p0-pc=164.4-13.4=151kPa

因此

(2) 樁端以下未加固土層的變形s2計(jì)算

依《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)第5.3.7條規(guī)定，地基變形計(jì)算深度Zn=b(2.5-0.4lnb)=3.8×(2.5-0.4×ln3.8)=7.47m。

計(jì)算至土層⑤底部，則Zn=13.1m,滿足要求。

取沉降計(jì)算系數(shù)ψs=0.7，由Zn/b=13.1/3.8=3.4

查得附加應(yīng)力α=0.116

則

因此水泥土攪拌樁復(fù)合地基的總沉降s=s1+s2=2.0+4.2=6.2mm

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)，表5.3.4規(guī)定地基變形允許值[s]=0.002l=0.002×7200=14.4>s=6.2mm，其中l(wèi)為相鄰柱基的中心距離，本工程l=7.2m。所以，復(fù)合地基變形計(jì)算符合要求。

8.4　特殊條件下地基處理技術(shù)

8.4.1　冷凍法處理

冷凍法地基處理即在地面上打設(shè)一定數(shù)目的凍結(jié)孔并下放凍結(jié)管，利用冷凍機(jī)將一定配比的鹽水溶液降溫，然后通過鹽水泵將低溫送入凍結(jié)管內(nèi)，流動(dòng)的低溫鹽水將地?zé)釒С龅孛?，再?jīng)過冷凍機(jī)組進(jìn)入凍結(jié)管內(nèi)，如此不斷循環(huán)進(jìn)行熱交換便會(huì)形成以凍結(jié)管為中心的凍土圓柱，凍土圓柱不斷擴(kuò)展直至與相鄰凍結(jié)圓柱搭接，最終受凍土體就成為具有一定強(qiáng)度和厚度的凍土墻或凍土帷幕，達(dá)到土體加固的目的。

1) 冷凍法的技術(shù)難點(diǎn)

土體凍結(jié)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，土體融化時(shí)會(huì)出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。其原因是水結(jié)冰時(shí)體積要增大9%，并有水遷移現(xiàn)象。但像砂土這樣的凍水地層，一般不會(huì)出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。凍脹現(xiàn)象出現(xiàn)在黏性土質(zhì)的凍結(jié)過程中。凍結(jié)過程中土體的孔隙率和含水量的變化會(huì)導(dǎo)致土體滲透性變化。這種變化可能會(huì)造成地基土層的不均勻沉降，引起結(jié)構(gòu)物的破壞。城市區(qū)域高層建筑林立，地面設(shè)施眾多，地下管線密布。因此，凍脹、融沉引起地表移動(dòng)造成的環(huán)境影響問題關(guān)系重大，應(yīng)予以嚴(yán)格控制。

2) 冷凍法的社會(huì)效益

冷凍法不受地表場地及深度限制，且不污染環(huán)境，為城市地下建設(shè)，特別是繁華市區(qū)內(nèi)工程建設(shè)提供了新的施工方法。而且其工藝先進(jìn)，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，文明施工程度高，在我國大力發(fā)展城市建設(shè)之際，冷凍法施工技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。該技術(shù)得到一致好評，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，具有較高的推廣、研究和運(yùn)用價(jià)值。

8.4.2　建筑物糾偏技術(shù)

在建筑工程中，某些建筑物經(jīng)常不可避免地建在承載力低、土層厚度變化大的較軟弱地基上，或因地基局部浸水濕陷，或因建筑物荷載偏心等因素，往往造成建筑物或工業(yè)設(shè)備基礎(chǔ)過大的沉降或不均勻沉降。此外，對大面積堆料的廠房，還會(huì)引起樁基礎(chǔ)傾斜和吊車卡軌等現(xiàn)象。通常的處理方法有加大基礎(chǔ)、加固地基、鑿開基礎(chǔ)矯正柱子、基礎(chǔ)加壓、基礎(chǔ)減壓等方法。近年來，我國在基礎(chǔ)糾偏工程中創(chuàng)造出一些新的方法，實(shí)踐證明，方法簡便、效果良好。以下簡要介紹頂樁掏土法和排土糾偏法。

1) 建筑物傾斜的主要原因

導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生過大不均勻沉降的主要原因如下：

(1) 對建筑場地工程地質(zhì)情況了解不全面。產(chǎn)生建筑物傾斜過大的工程事故多數(shù)是設(shè)計(jì)人員對建筑物地質(zhì)情況了解不全面造成的。例如，巖土工程勘察報(bào)告未能提供古河道、古井、古墓等的存在，以及未能準(zhǔn)確提供軟弱土層分布情況。而這大多數(shù)是由客觀原因造成的，勘察孔分布密度未能滿足地基土層變形情況要求，但這也有的是巖土工程勘察不合格造成的。

(2) 設(shè)計(jì)方面的原因。除了對地基土層情況不明造成設(shè)計(jì)不到位，也存在設(shè)計(jì)人員對非均質(zhì)地基上建筑物地基設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足造成的工程事故。對地基土層分布不均勻，特別是存在古河道以及建筑物上部荷載分布不均勻等情況，設(shè)計(jì)人員未作特殊處理是產(chǎn)生不均勻沉降的主要原因。有的設(shè)計(jì)人員對軟土地基上的建筑物設(shè)計(jì)只重視地基承載力的驗(yàn)算，不重視或忽略控制沉降，這也是造成工程質(zhì)量事故的原因。

(3) 施工方面的原因。有些建筑物產(chǎn)生過大變形傾斜是施工質(zhì)量未能滿足要求造成的。近年來，施工質(zhì)量方面原因造成工程事故的比例有增多的趨勢。

建筑物糾偏是一項(xiàng)技術(shù)難度較大的工作，需要對已有建筑物的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基，以及相鄰建筑物做詳細(xì)的了解，需要巖土工程、結(jié)構(gòu)工程以及工程施工的知識(shí)，需要巖土工程和結(jié)構(gòu)工程等專業(yè)技術(shù)人員的合作。糾偏技術(shù)人員應(yīng)該具有較強(qiáng)的綜合分析能力。建筑物糾偏過程中應(yīng)力和位移的調(diào)整過程，不能過于求成，只能慢慢進(jìn)行。因?yàn)榧m偏過大也有可能造成建筑物另一側(cè)的傾斜，對建筑物的整體有影響。

糾偏過程是為移動(dòng)的調(diào)整過程，糾偏工作計(jì)劃往往根據(jù)建筑物傾斜變化的情況不斷調(diào)整，因此現(xiàn)場監(jiān)測具有非常重要的意義?，F(xiàn)場監(jiān)測成果不僅利于對前段糾偏效果進(jìn)行分析，而且可為下階段糾偏工作提供依據(jù)。精密水準(zhǔn)測量是重要的監(jiān)測手段，如需要還可進(jìn)行建筑物傾斜度測量、地基土水平位移以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力測量等。

2) 考慮建筑物糾偏的條件

當(dāng)建筑物發(fā)生以下情況時(shí)，一般考慮糾偏：①傾斜已造成建筑物結(jié)構(gòu)性損壞或者明顯影響建筑物的功能；②傾斜已經(jīng)超過國家或地方頒布的危房標(biāo)準(zhǔn)值；③傾斜已經(jīng)明顯地影響人們的心理和情緒。

如果建筑物的地基變形在持續(xù)發(fā)展，則需要同時(shí)考慮地基加固，阻止建筑物的繼續(xù)沉降。應(yīng)該根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)形式和功能要求、地基與基礎(chǔ)的情況、環(huán)境和施工條件選擇合適的糾偏方法。一般有頂樁掏土法、排土糾偏法以及綜合處理等糾偏方式。

3) 糾偏工作的一般程序

①搜集有關(guān)資料，包括建筑物的設(shè)計(jì)和施工文件、工程地質(zhì)資料、建筑物的沉降、傾斜和裂縫觀測資料等;②分析建筑物傾斜的原因、危害程度、發(fā)展趨勢，確定對建筑物實(shí)施糾偏的必要性和可行性;③確定合適的糾偏方法和糾偏目標(biāo);④制定詳細(xì)的糾偏方案，要求安全可靠、技術(shù)可行、不影響環(huán)境、總費(fèi)用較低，糾偏方案中應(yīng)該明確規(guī)定監(jiān)測的內(nèi)容和要求;⑤組織糾偏施工。在糾偏前應(yīng)對糾偏建筑物及周圍環(huán)境做一次認(rèn)真的觀測并做好記錄，一方面用作糾偏施工控制的參考，另一方面，一旦發(fā)生糾紛，可作為法律依據(jù);⑥做好糾偏結(jié)束以后的善后工作，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行定期監(jiān)測，觀測糾偏的效果和穩(wěn)定性，如有變化，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

4) 糾偏工作的要點(diǎn)

①確定糾偏目標(biāo);②控制糾偏速率;③考慮微調(diào)過程;④把握監(jiān)測工作頻率;⑤做好防護(hù)工作;⑥ 防止建筑物回傾;⑦選用專業(yè)施工隊(duì)伍。

5) 建筑物糾偏的方法

傾斜建筑物的糾偏方法主要分為兩大類：一類對沉降少的一側(cè)促沉；另一類對沉降多的一側(cè)頂升。促沉糾偏又可分為掏土促沉、加載促沉、降低地下水位促沉、濕陷性黃土地基浸水促沉、砍樁促沉和應(yīng)力釋放促沉等；頂升糾偏又可分為機(jī)械頂升、灌漿頂升等。常用的糾偏方法及其特點(diǎn)見表8-17。

表8-17　常用的糾偏方法分類

續(xù)表8-17

(1) 頂樁掏土法

該法是將錨桿靜壓樁和水平向掏土技術(shù)相結(jié)合。其工作原理是先在建筑物基礎(chǔ)沉降多的一側(cè)壓樁，并立即將樁與基礎(chǔ)錨固在一起，迅速制止建筑物的下沉，然后在沉降少的一側(cè)基底下掏土，以減少基底受力面積，增加基底壓力，從而增大該處土中應(yīng)力，使建筑物緩慢而又均勻地下沉，產(chǎn)生回傾，必要時(shí)可在掏土一側(cè)設(shè)置少量保護(hù)樁，以提高回傾的穩(wěn)定性，最后達(dá)到糾偏矯正的目的。而施工過程中必須加強(qiáng)建筑物沉降和裂紋的觀測。

(2) 排土糾偏法

排土糾偏法的形式有多種，現(xiàn)在介紹以下幾種：

① 抽砂糾偏法。為了糾正建筑物在使用期間可能出現(xiàn)的不均勻沉降，在建筑物基底頂先做一層0.7～1m厚的砂墊層，在預(yù)估沉降量較小的部位，每隔一定距離預(yù)留砂孔一個(gè)。當(dāng)建筑物出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，可在沉降量較小的部位，用鐵管在預(yù)留孔中取出一定數(shù)量的砂體，從而使建筑物強(qiáng)迫下沉，達(dá)到沉降均勻的目的。

當(dāng)建筑物出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)，可在沉降量較小的部位，用鐵管在預(yù)留孔中取出一定數(shù)量的砂體，若取砂孔四周的砂體未能在自重下擠出孔洞，則應(yīng)在砂孔中沖水，促使孔周圍的砂體下陷，從而使建筑物強(qiáng)迫下沉，達(dá)到沉降均勻的目的。

施工中要嚴(yán)格控制取出砂的體積和取砂孔沖水以強(qiáng)迫基礎(chǔ)的下沉?xí)r，可單排沖水，每孔的沖水量不宜過多，水壓不宜過大，一般以取砂孔能自行被砂填滿為限。取砂的深度也不宜過大，至少應(yīng)小于墊層厚度的10cm，以免擾動(dòng)砂墊層下面的地基土。為謹(jǐn)慎計(jì)，取砂可分階段進(jìn)行，每階段沉降為2cm,待下沉穩(wěn)定后再進(jìn)行階段的取砂。

② 鉆孔取土糾偏法。軟黏土地基上的建筑物發(fā)生傾斜時(shí)，用鉆孔取土法糾正能收到良好的效果。

軟黏土的特性是強(qiáng)度低而變形大，如果控制加荷速率，可以使地基逐步固結(jié)而提高承載力和減小變形量。如果加荷速率過大，有可能使地基土進(jìn)入不排水狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的塑性變形使基底土側(cè)向擠出。這不但增大了地基變形，有時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)地基剪切破壞。鉆孔取土糾偏法就是利用軟土中應(yīng)力變化后產(chǎn)生側(cè)向擠出這個(gè)特性來調(diào)整變形和糾偏傾斜。

當(dāng)基礎(chǔ)一側(cè)出現(xiàn)較大沉降而傾斜時(shí)，就在沉降小的一側(cè)基礎(chǔ)周圍鉆孔，孔位距基礎(chǔ)邊緣30cm左右，鉆孔中心距約10cm,鉆孔深度達(dá)到軟黏土層。為了防止連續(xù)鉆孔后可能使鉆孔被擠塌以及便于鉆孔的操作，在基礎(chǔ)底面以上設(shè)內(nèi)徑76mm、長約1m的套管。鉆好孔后再在孔中掏土，使此側(cè)軟土地基有可能產(chǎn)生側(cè)向擠出而產(chǎn)生較大的下沉，達(dá)到糾偏的目的。

為了加速傾斜的調(diào)整過程，還可在基礎(chǔ)下沉較小一側(cè)的基礎(chǔ)上逐級增加偏心荷載，使該處地基中附加應(yīng)力增大，加速軟黏土的側(cè)向變形和擠出，以達(dá)到糾偏的目的。

當(dāng)黏性土地基上的建筑物發(fā)生傾斜時(shí)，用鉆孔取土法糾正能收到良好的效果。其方法是利用軟土中應(yīng)力變化后將產(chǎn)生側(cè)向擠出這一特征來調(diào)整變形和糾正傾斜。

當(dāng)基礎(chǔ)一側(cè)出現(xiàn)較大沉降而傾斜時(shí)，在沉降小的一側(cè)基礎(chǔ)周圍鉆孔，然后再在孔中掏土，使此側(cè)軟土地基土有可能產(chǎn)生側(cè)向擠出而產(chǎn)生較大下沉，達(dá)到糾偏的目的。

為了加速傾斜的調(diào)整過程，還可在基礎(chǔ)下沉較小一側(cè)的基礎(chǔ)上逐級增加偏心荷載，該處地基中附加應(yīng)力增大，加速軟黏土的側(cè)向變形和擠出。

③ 調(diào)整上部糾偏法。調(diào)整上部糾偏法是指當(dāng)原有結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)很不合理而造成傾斜，通過對上部結(jié)構(gòu)采取某些結(jié)構(gòu)措施，使其受力狀態(tài)得到改善，傳到地基中的附加應(yīng)力分布均勻，建筑物沉降反向調(diào)整，從而達(dá)到糾偏目的的方法。

圖8-19　外筑加固法示意圖

圖8-20　新老砌體的一種連接方法

有人把建筑物外側(cè)砌筑附加結(jié)構(gòu)或者增設(shè)支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整法稱為外筑加固法(見圖8-19)，要求外筑部分有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，新老砌體間有可靠的連接，充分估計(jì)新老基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的沉降差異，并采取一定的預(yù)防措施。圖8-20是新老砌體的一種連接方式，支撐系統(tǒng)必須與房屋的鋼筋混凝土梁柱有可靠的連接。

8.4.3　托換技術(shù)

托換法指為了解決對原有建筑物的地基需要處理、基礎(chǔ)需要加固或改建的問題，以及對原有建筑物基礎(chǔ)下需要修建地下工程以及鄰近建造新工程而影響到原有建筑物的安全問題的技術(shù)總稱。

在進(jìn)行托換施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)測和竣工后的沉降觀測，并做好施工記錄。

按照托換工程的目的，托換技術(shù)可分為以下三類：

(1) 補(bǔ)救性托換。例如，原有建筑物基礎(chǔ)下地基不滿足地基承載力和變形要求時(shí)，需將原有基礎(chǔ)加深至比較好的持力層上；若較好的土層埋藏較深，地下水位高等原因，也可采用擴(kuò)大原有基礎(chǔ)底面積以減小基底壓力，或地基進(jìn)行加固，提高其承載力，減少地基變形等均屬補(bǔ)救性托換。在房屋增層工程上，也常采用這種托換技術(shù)。我國在20世紀(jì)50年代和60年代間，各地建造的住宅基本上是三層至四層，目前這些建筑物的上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)絕大多數(shù)仍然完好無損。為了節(jié)約用地和減小基建投資并達(dá)到改善居住條件的目的，許多城市采用了舊房加層改造方法，使二三層房屋增至四五層，國外也有增至七八層的，圖8-21及圖8-22就是這種托換形式。

(2) 預(yù)防性托換。例如，原有建筑物的地基已經(jīng)滿足承載力和變形的要求，但由于原有建筑鄰近地段要修建較深的新建建筑物基礎(chǔ)，包括深基坑的開挖和隧道穿越已有建筑物等，因而需將原有建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行加固，或?qū)ζ涞鼗M(jìn)行加固，有時(shí)在已有建筑物基礎(chǔ)側(cè)面修筑比較深的板墻、網(wǎng)狀機(jī)構(gòu)樹樁或地下連續(xù)墻等，用以維護(hù)建筑物的地基和基礎(chǔ)不受到撓動(dòng)與破壞，故又稱側(cè)向托換。

圖8-21　補(bǔ)救性托換(基礎(chǔ)加深)

圖8-22　補(bǔ)救性托換(基礎(chǔ)加寬)

(3) 維持性托換。在某些情況下，就考慮到以后基礎(chǔ)可能出現(xiàn)差異沉降，在設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)留將來需要頂升基礎(chǔ)安放千斤頂所需的凈空等。例如，目前國內(nèi)在軟黏土地基上建造油罐時(shí)，就常在環(huán)形基礎(chǔ)中預(yù)留以后可埋設(shè)千斤頂?shù)膬艨?，即屬這種托換方式。

托換技術(shù)的起源可追溯到古代，但是直到20世紀(jì)30年代，興建美國紐約市的地下鐵道時(shí)才得到迅速發(fā)展。近年來，世界上大型和深埋的結(jié)構(gòu)物和地下鐵道的大量施工，尤其是古建筑物還需要進(jìn)行改建、加層和加大使用荷載時(shí)，都需要采用托換技術(shù)，因而托換技術(shù)也有了飛躍的發(fā)展。尤其是德國，自20世紀(jì)40年代后期，在許多城市的擴(kuò)建和改造技術(shù)，如基礎(chǔ)加壓糾偏法、錨桿靜壓法、基礎(chǔ)減壓和增加剛度法都有很大的創(chuàng)新特色。

托換技術(shù)是一種建筑技術(shù)難度較大、費(fèi)用較高、責(zé)任心強(qiáng)的特殊施工方法，因?yàn)樗赡芪＜吧拓?cái)產(chǎn)的安全，并需要應(yīng)用各種地基處理技術(shù)，同時(shí)需要善于巧妙和靈活地綜合選用這些技術(shù)。

1) 樁式托換

樁式托換用于軟弱黏性土、松散砂土、飽和黃土、素填土和雜填土等地基。

樁式托換可分為坑式靜壓樁托換、錨桿靜壓樁托換、灌注樁托換和樹根樁托換等。

(1) 坑式靜壓樁托換

坑式靜壓樁托換適用于對條形基礎(chǔ)的托換加固。其樁身直徑為15～25cm的預(yù)制鋼筋混凝土方樁。每節(jié)樁長由托換坑的凈高和千斤頂形成確定。

施工時(shí)先貼近托換加固建筑物的外側(cè)或內(nèi)側(cè)開挖一個(gè)豎坑，并在基礎(chǔ)底面下開挖一個(gè)橫向?qū)Э印Ｔ趯?dǎo)坑內(nèi)放入第一節(jié)樁，并安置千斤頂及測力傳感器，驅(qū)動(dòng)千斤頂壓樁。每壓入一節(jié)后，采用硫黃膠泥進(jìn)行接樁。到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，拆除千斤頂。對鋼管樁，根據(jù)工程要求可在管內(nèi)填入混凝土，并用混凝土將柱與原有基礎(chǔ)澆筑成整體。

(2) 錨桿靜壓樁托換

錨桿式靜壓樁的工作原理是利用建筑物自重，先在基礎(chǔ)上埋設(shè)錨桿，借助錨桿反力，通過反力架用千斤頂預(yù)制好的樁逐節(jié)經(jīng)基礎(chǔ)開槽出來的樁孔壓入至設(shè)計(jì)土層。當(dāng)樁壓力達(dá)到1.5倍的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，將樁與基礎(chǔ)用微膨脹混凝土封住，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，該樁便能承受上部結(jié)構(gòu)荷載，并能阻止建筑物的不均勻沉降。

錨桿式靜壓樁的優(yōu)點(diǎn)是施工時(shí)無振動(dòng)、無噪音、設(shè)備簡單、質(zhì)量輕、造價(jià)低、操作方便、移動(dòng)靈活等，可在場地和空間狹窄的條件下施工。

錨桿式靜壓樁托換法適用于既有建筑物和新建建筑物的地基處理和基礎(chǔ)加固。錨桿式靜壓樁托換時(shí)采用C30的200mm×200mm或300mm×300mm預(yù)制鋼筋混凝土樁，每節(jié)長1～3m。壓樁時(shí)，千斤頂所產(chǎn)生的反力通過埋在基礎(chǔ)上的錨桿和反力架傳遞給基礎(chǔ)。當(dāng)需要對樁施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)在不卸載條件下立即將樁與基礎(chǔ)錨固，在封樁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能拆除壓力架和千斤頂。當(dāng)不需要對樁施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，在達(dá)到設(shè)計(jì)深度和壓樁力后，即可拆除樁架，并進(jìn)行封樁處理。

錨桿式靜壓樁施工的次序和注意事項(xiàng)：

① 樁位孔和錨桿孔的開鑿?？锥床灰诉^大，但最好是下大上小，利于基礎(chǔ)受沖減，不宜將全部孔鑿壓完后再壓樁，而是采用流水作業(yè)以保證托換過程中地基基礎(chǔ)有足夠的安全度。

② 安裝錨桿靜壓樁反力裝置?？拱五^桿是用環(huán)氧砂漿做粘結(jié)劑，將錨桿埋設(shè)在已鉆好孔的鋼筋混凝土基礎(chǔ)中，錨桿埋深是10倍的錨桿直徑。錨桿可用光面直桿，端部加焊鋼筋箍，也可用螺旋錨桿，以抗拔錨桿為支柱，安裝反力架、電動(dòng)葫蘆、千斤頂?shù)葔簶对O(shè)備。

③ 壓樁和接樁。壓樁施工應(yīng)對稱進(jìn)行，以防止基礎(chǔ)受力不均勻。壓樁不宜中途停止，若停歇時(shí)間過長，會(huì)使樁圈一定范圍內(nèi)重塑區(qū)內(nèi)原增大的孔隙水壓力逐漸消散，土的抗剪強(qiáng)度逐漸增高，從而增大樁的側(cè)向阻力。

④ 樁與基礎(chǔ)錨固。當(dāng)壓樁力達(dá)到1.5倍設(shè)計(jì)承載力后，在不卸荷的條件下，立即將樁與基礎(chǔ)用強(qiáng)度等級為C30的微膨脹早強(qiáng)混凝土灌在一起，不使樁因卸載而有回彈的余地，并促使樁下及樁周一定范圍的土中形成預(yù)壓力泡，可使基礎(chǔ)有微量回彈，從而減小基底壓力，減少了地基沉降。工程實(shí)踐證明，凡施加預(yù)加應(yīng)力的樁基礎(chǔ)幾乎沒有沉降。

(3) 灌注樁托換

對于具有沉樁設(shè)備所需凈空條件的既有建筑物的托換加固，可采用灌注樁托換。

各種灌注樁的試用條件宜按下述固定進(jìn)行：①螺旋鉆孔灌注樁適用于均質(zhì)黏性土地基和地下水位較低的地質(zhì)條件；②潛水鉆孔灌注樁適用于黏性土、淤泥和砂土地基；③人工挖孔灌注樁適用于地下水位以上或透水性小的地層，當(dāng)孔壁不能直立時(shí)，應(yīng)加設(shè)磚砌護(hù)壁或混凝土護(hù)壁防塌孔。

灌注樁施工完畢后，應(yīng)在樁頂用現(xiàn)澆梁等支撐建筑物的柱或墻。

(4) 樹根樁托換

樹根樁是一種小直徑就地灌注的鋼筋混凝土樁。由于成樁方向可豎可斜，猶如在基礎(chǔ)下生出若干樹根而得名。樹根樁適用于既有建筑物的修復(fù)和加層，古建筑整修、地下鐵道穿越、橋梁工程等各類地基處理和基礎(chǔ)加固，以及增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定等。

樹根樁穿過既有建筑物基礎(chǔ)時(shí)，將主鋼筋和樹根樁主筋焊接，并應(yīng)將基礎(chǔ)頂面上的混凝土鑿毛，澆筑一層大于原基礎(chǔ)強(qiáng)度的混凝土。采用斜向樹根樁時(shí)，應(yīng)采取防止鋼筋籠端部插入孔壁土體中的措施。

(5) 壓入樁托換

① 頂承靜壓樁。頂承靜壓樁是利用建筑物上部結(jié)構(gòu)自重作支撐反力，采用普通千斤頂，將樁分節(jié)壓入土中。施工時(shí)基礎(chǔ)一側(cè)開挖導(dǎo)坑，導(dǎo)坑逐步擴(kuò)展到基礎(chǔ)下面，再在基礎(chǔ)底面挖開一個(gè)缺口，在缺口中垂直放進(jìn)第一節(jié)帶樁尖的鋼管，樁頂放一塊鋼板，鋼板上安裝液壓千斤頂，千斤頂上裝壓力傳感器，傳感器上墊鋼板頂住基礎(chǔ)，用千斤頂加壓使樁壓入土中，接樁用電焊，從壓力傳感器上可觀測到樁貫入到設(shè)計(jì)圖層時(shí)的阻力，當(dāng)樁所承受的荷載已超過設(shè)計(jì)單樁承載力150%時(shí)就可停止加荷。在按設(shè)計(jì)需要進(jìn)行壓樁托換的其他部位，先后將樁壓入設(shè)計(jì)土層。在認(rèn)為危險(xiǎn)已經(jīng)排除的情況下，交錯(cuò)取出千斤頂，并向管內(nèi)澆灌混凝土，壓實(shí)后再將基礎(chǔ)上所挖缺口填平，并在基礎(chǔ)下支模澆筑混凝土，使樁和基礎(chǔ)澆筑成整體，如圖8-23所示。

圖8-23　頂承靜壓樁示意圖

圖8-24　預(yù)試樁托換示意圖

② 預(yù)試樁托換。預(yù)試樁托換和頂承式靜壓樁托換的施工方法基本相同，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)樁管至頂進(jìn)深度后，用兩個(gè)并排設(shè)置的千斤頂放在基礎(chǔ)底和鋼管頂之間，兩個(gè)千斤頂之間要有足夠的空間，以便將來安放楔緊的工字鋼樁。用千斤頂對樁頂加荷至設(shè)計(jì)荷載的150%為止，在荷載保持不變的情況下，1小時(shí)內(nèi)樁的沉降不再增加時(shí)即認(rèn)為已下沉穩(wěn)定。然后，取一段工字型鋼豎放在兩個(gè)千斤頂之間，再用錘打緊鋼楔。經(jīng)驗(yàn)證明，只要轉(zhuǎn)移約10%的荷載，就可有效地對樁進(jìn)行預(yù)壓，從而阻止了千斤頂預(yù)壓后樁的回彈，然后取出千斤頂，采用干填法或在壓力不大的條件下將混凝土灌注到基礎(chǔ)底面。將樁頂和工字型鋼用混凝土包起來，施工即告完成。這種楔固方法使用作用在樁頂上的全部荷載阻止樁體回彈和隨后的沉降。這是此法比頂承式靜壓樁的優(yōu)越之處。預(yù)試樁托換是1917年美國在紐約修建地下鐵道時(shí)發(fā)明的，它適用于地下水位較高的地質(zhì)條件，不適于在填石地基及有障礙的地基中壓樁，如圖8-24所示。

③ 自承式靜壓樁。自承式靜壓樁是利用靜壓機(jī)械加配重作為反力，通過油壓系統(tǒng)，將預(yù)制樁分節(jié)壓入土中，樁身接頭采用硫黃砂漿連接。

2) 灌注托換法

灌漿托換是利用氣壓或液壓將各種無機(jī)或有機(jī)化學(xué)漿液注入土中，使地基土固化，起到提高地基土的強(qiáng)度、消除濕陷性或防滲堵漏作用的一種加固方法。在各類土木工程中進(jìn)行砂漿處理已有百余年歷史。

灌漿材料有粒狀漿材如水泥漿、黏土漿等，以及化學(xué)漿材如硅酸鈉、氫氧化鈉、環(huán)氧樹脂等。灌漿托換屬于原位處理，施工較為簡便，能快速硬化，加固體強(qiáng)度高，一般情況下可以實(shí)現(xiàn)不停產(chǎn)加固。但是，灌漿托換因漿材價(jià)格多數(shù)較高，通常僅限于淺層加固處理，加固深度常為3～5m。當(dāng)加固深度超過5m時(shí)往往是不經(jīng)濟(jì)的，應(yīng)與其他托換方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后再?zèng)Q定是否采用。如圖8-25所示。

圖8-25　灌注樁托換

灌注樁托換的施工過程是：①成孔，成孔一般采用螺旋鉆孔樁、潛水鉆鉆孔、沉管后再挖出管中的土的方法以及人工挖孔等；②清除孔內(nèi)沉渣；③在孔內(nèi)下鋼筋籠；④灌注混凝土；⑤樁身混凝土達(dá)到齡期后，將樁頂不密實(shí)的混凝土鑿除，再與承臺(tái)或者托梁連接，承臺(tái)或托梁即可支承被托換的上部結(jié)構(gòu)，其荷載的傳遞是靠楔或千斤頂來轉(zhuǎn)移的。

建筑工程中用于基礎(chǔ)托換的灌漿法主要有硅化加固法、水泥硅化法、堿液加固法。

(1) 硅化加固法

硅化加固法始于1887年，是一種比較古老的灌漿工藝。它是利用帶有孔眼的注漿管將硅酸鈉溶液與氯化鈣溶液分別輪換注入土中，使土體固化的一種化學(xué)加固法。采用雙液硅化時(shí)，應(yīng)根據(jù)地下水流速按下列規(guī)定灌注：①當(dāng)?shù)叵滤餍∮?m/d時(shí)，先向每個(gè)加固層中自上而下灌注水玻璃，然后自下而上灌注氯化鈣溶液；②當(dāng)?shù)叵滤餍∮?m/d時(shí)，輪流將水玻璃和氯化鈣溶液注入加固層中；③當(dāng)?shù)叵滤鞔笥?m/d時(shí)，首先在所選定的深度內(nèi)將水玻璃和氯化鈣同時(shí)灌入，以減少地下水流速，然后再輪流將水玻璃和氯化鈣溶液分別注入。

灌注厚度一般不大于0.5m，一次灌注不能完成者進(jìn)行多層灌注，層次的厚度與工程要求和地基土的空隙大小有關(guān)，同時(shí)受注漿管長度的限制，灌注前應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

注漿壓力一般與處理深度處的覆蓋壓力、建筑物的荷載、漿液黏度、灌注速度和灌漿量等因素有關(guān)。注漿過程中壓力是變化的，起始壓力小，最終壓力高。

(2) 水泥硅化法

水泥硅化法是將水玻璃與水泥分別配成兩種漿液，按照一定比例用兩臺(tái)泵或一臺(tái)雙缸獨(dú)立分開的泵將兩種漿液同時(shí)注入土中。這種漿液不僅具備水泥漿的優(yōu)點(diǎn)，而且還兼有某些化學(xué)漿液的優(yōu)點(diǎn)，例如凝結(jié)時(shí)間快、可灌性高等，可以準(zhǔn)確控制凝結(jié)時(shí)間。

(3) 堿液加固法

已有的化學(xué)加固方法都是將化學(xué)溶液灌入土中后，由溶液本身析出膠凝物質(zhì)將分散的土顆粒膠結(jié)而使土得到加固，例如上述硅化加固法及其他高分子有機(jī)溶液加固都是這種原理。但是，堿液加固的原理不同于上述方法，它本身并不能析出任何膠凝物質(zhì)，而是使土顆粒表面活化，然后再接觸彼此膠結(jié)成整體，從而提高土的強(qiáng)度。

堿液在常溫下加固反應(yīng)緩慢，一般加固3天土體才能獲得強(qiáng)度，溫度越高，早期土體強(qiáng)度越大，因此堿液加固土體強(qiáng)度的分布是不均勻的。在注漿管下端漿液出口處，由于漿液溫度高，受熱時(shí)間長，因而土體強(qiáng)度高，從上到下，由近至遠(yuǎn)，漿液溫度逐漸降低，土體強(qiáng)度也隨之降低。當(dāng)細(xì)顆粒含量較多時(shí)，由于土顆粒的比表面積大，化學(xué)反應(yīng)可充分發(fā)生，則加固土體強(qiáng)度相應(yīng)較高。經(jīng)堿液加固處理后，土體水穩(wěn)定性大大改善，濕陷性可完全消除，壓縮性也相應(yīng)降低。

3) 綜合托換

由于城市建設(shè)的發(fā)展，除各類建筑物不斷增加外，地下鐵道、地下商場、大型通風(fēng)管溝以及電纜地溝等構(gòu)筑物也日趨增多，而且往往穿越部分原有建筑，有時(shí)還會(huì)穿越一些重要的有歷史價(jià)值的建筑物。為使這些建筑物相鄰地下工程施工期間能正常使用或者盡量減少損壞，就需要對原有建筑物基礎(chǔ)進(jìn)行托換。在一個(gè)建筑物的托換過程中，往往需要多種方法進(jìn)行綜合使用，這就無論在規(guī)模上還是在技術(shù)難度上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般托換工程。尤其在地下修建地下鐵道時(shí)，為了防止對相鄰建筑物及交通的影響，其托換技術(shù)往往具有大型、綜合的特點(diǎn)。

8.4.4　建筑物移位技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國各大城市的地下工程活動(dòng)日益增多，各種城市地下工程活動(dòng)會(huì)使建筑物基礎(chǔ)、道路路基和路面、立體交通樞紐各類地下管線等市政設(shè)施產(chǎn)生各種位移，如建筑物的沉降和不均勻沉降、建筑物的水平位移等，這些移位不同程度地影響甚至危害了建筑物的使用功能和安全。建筑物產(chǎn)生各種移位有如下幾個(gè)方面的原因：①各種建筑物的基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)和施工方面有缺陷或不完善。建筑物的設(shè)計(jì)偏重于非對稱的美學(xué)藝術(shù)，造成建筑物的不勻稱；上部結(jié)構(gòu)對地基施加的荷載作用不均勻，甚至差異較大；結(jié)構(gòu)重心與荷載中心偏離；沉降縫布置欠妥等因素造成建筑物傾斜。②地基勘察和勘探點(diǎn)布置不全面或者勘探點(diǎn)深度不夠。對大型高層建筑有的僅做了建筑物本身的地基勘察，未做區(qū)域性地質(zhì)調(diào)查，地下情況不明就提出地質(zhì)勘察報(bào)告。③地基內(nèi)土層不均勻，填土層厚薄或松密不一；設(shè)計(jì)人員對各層巖土的類型、結(jié)構(gòu)、厚度、坡度未加分析研究就采用一些不合理的勘察參數(shù)，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；有的擬建場地內(nèi)有未勘察明細(xì)的溝谷等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，造成先天性缺陷。

從力學(xué)角度看，使建筑物產(chǎn)生各種移位的主要原因包括：①土體的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化；②土體的含水量和孔隙比的變化；③土體顆粒骨架的黏彈性變形，即土的流失；④土體的結(jié)構(gòu)破壞；⑤土體的化學(xué)成分變化等。

1) 地下機(jī)構(gòu)移位控制的方法

地下構(gòu)筑物移位的控制技術(shù)包括構(gòu)筑物的地基加固、糾傾及遷移等。當(dāng)建筑物沉降或沉降差過大，影響構(gòu)筑物正常使用時(shí)，有時(shí)在進(jìn)行加固后尚需進(jìn)行移位控制。具體來說就是要對構(gòu)筑物的糾傾和頂升。所謂糾傾是將偏斜的建筑物糾正，糾傾的途徑有兩種：一種途徑是將沉降小的部位促沉，使沉降均勻而將建筑物的偏斜糾正；另一途徑是沉降大的部位頂升，將建筑物糾偏糾正。頂升法有時(shí)也用于雖無不均勻沉降但沉降量過大的建筑物，通過頂升使之提高到一定高度。促沉糾傾有兩類：一類是通過加載來使地基變形達(dá)到促沉糾傾的目的；另一類是通過掏土來調(diào)整地基土的變形達(dá)到促沉糾傾的目的。掏土有的直接在建筑物沉降較少一側(cè)的基礎(chǔ)下掏土；有的在建筑物沉降較少一側(cè)的外側(cè)地基中掏土。另外，移位控制技術(shù)還包括國內(nèi)近來發(fā)展起來的CCG注漿法等。

(1) 注漿法移位控制技術(shù)

注漿技術(shù)是巖土工程學(xué)的一個(gè)分支，屬于地基處理的范疇，是由經(jīng)驗(yàn)方法逐步完善成為一門具有一定理論體系的技術(shù)，到現(xiàn)在已有200年的歷史。注漿技術(shù)大致經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段，由原始黏土漿液注漿、初級水泥漿液注漿、中級化學(xué)注漿發(fā)展到今天的注漿階段。

注漿的分類較多，根據(jù)注漿施工時(shí)間、注漿材料、工藝流程、受注對象等標(biāo)準(zhǔn)有多種分類方法。根據(jù)漿液在巖土層中的運(yùn)動(dòng)形式和漿液對注漿對象的作用方式可以分為以下幾種類型。

① 充填或裂隙注漿。巖石裂隙、節(jié)理和斷層的防滲注漿；或者洞穴、構(gòu)造斷裂帶、隧道襯砌壁后注漿；或者采空區(qū)注漿、回填土的孔隙填充注漿等屬于此類。土層填充注漿一般注漿深度不大，靜壓注漿即可；巖層裂隙、采空區(qū)注漿一般注漿深度大，壓力也較高。

② 滲透注漿。滲透注漿是在不足以破壞土體結(jié)構(gòu)的壓力下，把漿液注入粒狀土的孔隙中，從而取代和排除其中的空氣和水。漿液一般是均勻地?cái)U(kuò)散到土顆粒間的孔隙內(nèi)，將土粒膠結(jié)起來，以達(dá)到增強(qiáng)土體強(qiáng)度和防滲能力的目的。

③ 壓密注漿。壓密注漿通常是指土體的壓密注漿，可以適用于中細(xì)砂和能夠充分排水的黏土。壓密注漿是指漿液在壓力的作用下，通過鉆孔擠密土體，以達(dá)到加固的目的。由于漿液材料的不同，漿液體在土層中的膨脹會(huì)以不同的形狀出現(xiàn)。對于像砂漿、細(xì)石混凝土等一些極稠的注漿材料，漿液的顆粒較大，漿液在土體中只能形成球狀或者圓柱狀的漿泡，漿液體的主要運(yùn)動(dòng)形式就是球狀和圓柱狀膨脹，漿液對土體的作用方式也以徑向擠密土體為主。

(2) CCG注漿法移位控制和加固原理

CCG注漿施工過程中漿泡向外擴(kuò)張將在土體中形成非常復(fù)雜的徑向和切向應(yīng)力場。緊靠漿泡的土體中形成塑性區(qū)，離開漿泡區(qū)域中的土體基本上發(fā)生彈性變形。CCG注漿加固原理主要有以下兩個(gè)方面。

① 由于CCG注漿漿液很稠，漿液注入土層中的設(shè)計(jì)位置后形成一個(gè)泡狀整體均勻地向周圍擴(kuò)大，從而擠密周圍的土體，使土體強(qiáng)度有一定程度的提高。

② 樁體作用。通過注漿管的提升或下降，CCG注漿可以在土體中形成一個(gè)柱狀注漿體，注漿體可作為豎向增強(qiáng)體與周圍的土體形成復(fù)合地基。注漿體的剛度比樁間土的剛度大，在荷載作用下，為保持注漿體和漿間土之間的變形協(xié)調(diào)，在注漿體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使注漿體承擔(dān)較大比例的荷載，并通過注漿體將荷載傳遞給較深的土層，同時(shí)樁間土體承擔(dān)的荷載減小。這樣復(fù)合地基承載力較原天然地基承載力有所提高，地基沉降量減小。

CCG注漿在上述兩方面的綜合作用下達(dá)到加固地基、提高地基承載力的目的。

(3) CCG注漿對移位和加固效果的影響因素

① 土的性質(zhì)。通常黏性土比砂性土難以擠密，CCG注漿最適宜于砂性土，對飽和的黏性土的擠密效果并不是十分理想。黏性土體中若采用較好的排水措施也可以采用CCG注漿法。若排水不暢，將在土體中引起較高的孔隙水壓力，因此宜采用較低的注漿速率。

② 上覆土壓力。如果上覆土比較薄，待加固的土層中的土自重應(yīng)力較小，若注漿的速率和注漿壓力較大，上覆土層將會(huì)產(chǎn)生較大的隆起。

③ 注漿壓力和注漿速率。過大的注漿壓力和注漿速率將會(huì)導(dǎo)致上覆土層的過分隆起。最大的注漿壓力的確定還應(yīng)考慮鄰近建筑物的敏感程度。

④ 注漿量。注漿量的不均勻分布將會(huì)導(dǎo)致被加固的土層的加固程度不均勻。注漿漿液的體積通常占被加固土體體積的4%～20%。

⑤ 注漿方式和注漿點(diǎn)的順序。注漿方式主要有兩種，即由上而下的方式和由下而上的方式，通常按由下而上的方式注漿要經(jīng)濟(jì)得多。注漿點(diǎn)順序的合理安排會(huì)明顯影響土體的加固效果，通常采用跳注方式進(jìn)行注漿。

(4) 靜壓樁法移位控制技術(shù)

靜壓樁施工由于其噪聲小、無泥漿污染、沉樁速度快等優(yōu)點(diǎn)在東南沿海軟土地基城市建設(shè)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際工程中，靜壓樁機(jī)可以用于基礎(chǔ)工程，也可作為基坑圍護(hù)樁。但作為移位控制中的應(yīng)用，靜壓樁通常與錨桿結(jié)合在一起形成一種樁基施工工藝，稱為錨桿靜壓樁。其基本原理是利用錨桿樁將上部結(jié)構(gòu)部分荷載通過樁身和樁尖傳入地基較深較好的持力層，達(dá)到控制移位，或者減輕基礎(chǔ)持力層的負(fù)載，從而控制建筑物過大沉降及不均勻沉降的目的。

(5) 掏土法移位控制技術(shù)

掏土法也是對建筑物進(jìn)行移位控制的有效技術(shù)之一。掏土法移位控制技術(shù)是指掏土、鉆孔取土、穿孔取土糾傾等方法的技術(shù)總稱。它屬于迫降糾傾，已有30多年的應(yīng)用歷史，其基本原理是進(jìn)行有控制的地基應(yīng)力釋放，在建筑物傾斜相反的一側(cè)，根據(jù)工程地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)挖空取土，造成地基側(cè)應(yīng)力解除，使基底反力重新分布，從而調(diào)整建筑物的沉降差異，達(dá)到控制建筑物移位，實(shí)現(xiàn)扶正、糾偏的目的。

(6) 濕陷性黃土地基上人工注水方法移位控制技術(shù)

人工注水法移位控制技術(shù)的基本原理是利用濕陷性黃土地基遇水后在一定壓力作用下發(fā)生較大沉陷的特征，在傾斜房屋基礎(chǔ)較小的一側(cè)，用人工控制水量將水注入地基內(nèi)，使基礎(chǔ)發(fā)生沉陷，達(dá)到控制房屋豎向移位，從而實(shí)現(xiàn)房屋糾偏的目的。

思考題與習(xí)題

1.簡述地基處理的對象和目的。

2.何謂軟弱地基？它有何特征？其特征指標(biāo)和成因是什么？

3.換填墊層法的原理是什么？如何確定墊層的厚度和寬度？為什么厚度太薄(<0.5m)和太厚(>3.0m)都不合適？寬度太小可能會(huì)出現(xiàn)什么問題？

4.何謂強(qiáng)夯法？試述其加固原理。

5.砂石樁的作用原理是什么？

6.試述排水固結(jié)法的加固原理與應(yīng)用條件。

7.在砂井固結(jié)理論中，何謂豎向排水固結(jié)度、徑向排水固結(jié)度和總固結(jié)度？

8.闡述CCG注漿法移位控制和加固原理。

9.闡述靜壓樁法移位控制技術(shù)。

10.闡述掏土法移位控制技術(shù)。

11.闡述濕陷性黃土地基上人工注水方法移位控制技術(shù)。

12.闡述冷凍法的技術(shù)難點(diǎn)。

13.闡述托換技術(shù)的種類及其要點(diǎn)。

14.試述真空預(yù)壓法的加固原理。

15.某單獨(dú)基礎(chǔ)底面邊長為1.8m，埋深0.5m，所受軸心荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fk=500kN。基底以上為填土，重度γ=18.0kN/m3；其下為淤泥質(zhì)土，其承載力特征值fak=80kPa。若在基礎(chǔ)下用重度為γ=20.0kN/m3的粗砂做厚度為1.0m的砂墊層，試驗(yàn)算砂墊層厚度是否滿足要求，并確定砂墊層的底面尺寸。

16.某磚混結(jié)構(gòu)的辦公樓，承重墻傳至基礎(chǔ)頂面的荷載N=200kN/m，地表為1.5m厚的雜填土，γ=16kN/m3，γsat=17kN/m3；下面為淤泥層，含水量w=48%，γsat=19kN/m3，地下水位距地表深1.2m。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的墊層。

17.某海港工程為軟黏土地基，Cv=CH=1.5×10-3cm2/s，采用砂井堆載預(yù)壓法加固，砂井長L=16m，dw=30cm，間距l(xiāng)=1.5m，梅花形布置。求一次加荷2個(gè)月時(shí)砂井地基的平均固結(jié)度。

18.某松砂地基，地下水位與地面平，采用砂樁或振沖樁加固，砂樁直徑dc=0.6m，該地基土的ds=2.7，γ=17.5kN/m3，emax=0.95，emin=0.6，要求處理后能抗地震的相對密實(shí)度Dr=0.8，求砂樁的間距。

19.某場地為細(xì)砂地基，天然孔隙比e=0.95，emax=1.12，emin=0.60?；A(chǔ)埋深1.0m，有效覆蓋壓力18kPa。決定使用砂樁加密地基。砂樁長8.0m，直徑d0=500mm，間距s=1.5m，正三角形排列。試計(jì)算加密后的相對密度，并查表估算地基承載力。