《地基处理垫层处理》PPT课件

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换土垫层法第二章 第一节垫层的作用及适用范围换填法：将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层与低洼区域的填筑。一般处理深度为2～3m。 换土垫层法处理的对象：淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、杂填土地基。换填材料：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等根据实验结果及实测资料可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。 换土垫层法施工方法：机械碾压法重锤夯实法振动压实法等 换土垫层法效果：浅层处理适用：淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理 换土垫层法垫层种类适用范围砂（沙砾、碎石）垫层多用于中小型建筑工程的滨、塘、沟等的局部处理。适用一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不宜适用湿陷性黄土地基，也不适宜大面积堆载。砂垫层不宜用于有地下水且流速快、流量大的地基处理。不宜采用粉细作垫层。素土垫层适用中、小型工程及大面积回填，湿陷性黄土地基处理。灰土或二灰土垫层适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理，也可用于膨胀土地基的处理。粉煤灰垫层用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程的大面积填筑，粉煤灰垫层在地下水位以下时，强度降低30%左右。干渣垫层地坪、堆物等工程大面积的地基处理和场地平整，铁路、道路地基等，但受酸性和碱性废水影响的地基不得用干渣作垫层。 换土垫层法作用：提高持力层的强度，将基底压力扩散到垫层以下的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱地基土的容许承载力范围内，满足强度要求；垫层置换软弱土层，可减少地基的变形量；加速软土层的排水固结。垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层作为良好的排水面，使基础下的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度；防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，可防止寒冷地区土中结冰造成的冻胀；对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，可以消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性。 第二节　换土垫层法设计要求：1）足够的厚度：置换可能受到剪切破坏的软弱土层，满足地基强度和变形的要求2）足够的宽度：防止垫层向两侧挤出增加沉降3）形成一个排水层面，以利于软土的排水固结 换土垫层法设计垫层设计的主要内容：1）确定垫层的合理厚度和宽度2）确定垫层承载力（现场试验）；验算下卧层的承载力。3）沉降计算重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，应进行地基变形计算 换土垫层法设计一、垫层厚度的确定作用于垫层底面处土的自重应力与附加应力之和应不大于下卧层的允许承载力，即Pz+Pcz≤fz（2-1）式中Pz—垫层底面处附加应力设计值（kpa）；Pcz—垫层底面处土的自重压力标准值（kpa）；fz—垫层底面处经深度修正后软弱土层的地基承载力设计值（kpa）。 垫层厚度的确定方法一：估算根据垫层的地基承载力标准值确定出基础宽度，再根据下卧层的承载力确定出垫层的厚度。先根据初步拟定的砂垫层厚度hz，再用公式（2-1）复核。通常砂垫层厚度为0.5～3.0m之间。太厚则施工困难；太薄则换土垫层的作用不显著。 方法二：应力扩散角垫层底面处的附加压力值pz条形基础：(2-3)矩形基础：(2-2)式中b——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；l——矩形基础底面的长度（m）；p——基础底面压力的设计值（kPa）；pc——基础底面处土的自重压力值（kPa）；z——基础底面下垫层的厚度（m）；θ——垫层的压力扩散角（°），可按表2-2采用。 应力扩散角θ（度） 二、垫层宽度的确定方法一：应力扩散角法b’=b+2Ztgθ垫层顶宽超出基础>300 二、垫层宽度的确定方法二：按侧面土的承载力标准值确定 三、垫层承载力的确定现场试验确定静载试验、取土分析、标准贯入、动力触探等综合确定。 三、垫层承载力的确定不太重要、小型、轻型、沉降要求不高 四、沉降量计算比较重要的建筑物或垫层下存在软弱下卧层的建筑：验算基础的沉降量，使建筑物基础的最终沉降量小于建筑物的容许沉降量。建筑物基础沉降量等于垫层自身的变形量和软弱下卧层的变形量，即S=SC+SPSC——垫层自身变量（㎜）；SP——压缩层厚度范围内（自下卧层顶面，即垫层底面算起）S--各土层压缩变形之和（㎜）。 四、沉降量计算垫层自身变形量可按下式计算：SC=（p+αp）hs/2Es（2-9）式中p——基底压力（kpa）Es—垫层压缩模量，由静载荷试验确定，当无试验资料时，取15～25MPa。α—基底压力扩散系数。条基：α=b/(b+2hstanθ）矩形基础：α=Lb/(b+2hstanθ）(L+2hstanθ） 四、沉降量计算下卧土层的变形量按分压层总和法确定：SP=ψPzb′(2-12)式中ψ——沉降计算经验系数，按地区沉降观测资料及经验确定，也可按表2-5；Pz——垫层底面的附加应力（kPa）；b′——垫层底宽度（m）；Esi，1—2—下卧土层第i层在100-200KPa下的压缩模量（kPa）；δi,δi-1—垫层底面计算点分别到第i层和i-1层土底面的沉降系数；n——下卧层计算深度内划分的土层数。 四、沉降量计算沉降量计算经验系数ψEs(MPa)附加应力2.54.07.015.020.0Pz≥fk1.41.31.00.40.2pz≤0.75fk1.11.00.70.40.2注：Es为沉降计算深度范围内压缩模量当量值；Es=，其中Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。 素土和灰土垫层设计素土、灰土、二灰土垫层总称土垫层。适于处理1～4m厚的软弱土层。灰土垫层即通常讲的2：8或3：7灰土。垫层强度随灰量的增加而提高。二灰垫层是将石灰和粉煤灰两种材料按2：8或3：7体积比加适当水拌和均匀后分层夯实。其强度比灰土垫层高得多，常用于处理湿陷性黄土。 素土和灰土垫层设计（一）厚度确定软土地基土垫层厚度的确定与砂垫层相同。1.对非自重湿陷性黄土地基的垫层厚度应保证天然黄土层所受的压力小于其湿陷起始压力值。2.对自重湿陷性黄土地基，垫层厚度应大于非自重湿陷性黄土地基上垫层的厚度，或控制剩余湿陷量不大于20cm才能取得好的效果。 （二）宽度确定：灰土垫层宽度可取:素土垫层的宽度：（1）当垫层厚度小于2m时，宽度可取b’=b+2/3*z且b’≥b+0.6(m)当垫层厚度大于2m时，可适当放宽，且b’≥b+1.4(m)（2）每边按0.2-0.3b加宽，不得小于30cm和不得大于70cm。（3）按b’=b+2*z*tgθ计算，素土取θ=22o，灰土取θ=30o。 （三）平面处理范围素土或灰土垫层分为局部垫层和整片垫层。整片素土垫层宽度可取b’≥b+3(m)，当z>2m时，b’还可适当放宽。局部垫层:其宽度b’可按下式计算：c—考虑施工影响增加的宽度，宜200mm。整片垫层的平面处理范围，每边超出建筑物外墙基础外缘的宽度不应小于垫层厚度，并不应小于2m。 粉煤灰垫层设计1.化学性质粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝硬性，与SiO2、Al2O3等物质水化反应，生成水化产物，使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块状结构，可提高粉煤灰的强度，降低压缩变形，增强抗渗性和水稳定性。2.物理性质粉煤灰的压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，其干密度对含水量的敏感性比粘性土小，最优含水量易于控制。 粉煤灰垫层设计粉煤灰压实垫层遇水后强度降低20-30%，压缩变形量增大约10%。粉煤灰的内摩擦角、粘聚力、压缩模量、渗透系数等随粉煤灰的材质和压实密度而变化，应通过室内土工实验确定粉煤灰垫层的设计可参照砂垫层设计方法和有关的技术要求进行 粉煤灰垫层设计在确定垫层厚度时，可取其压力扩散角为22o，计算方法同砂垫层。承载力应通过现场试验确定。当无试验资料时，可参考以下数据：(1)人工压实（夯实）:压实系数:0.9;干密度:9KN/m3时，承载力达120-150KPa。(2)当压实系数:0.95及干密度:9.5KN/m3时，承载力可达200-300KPa。但应进行下卧层强度验算。 第三节垫层施工土由固体颗粒、水、空气组成。土中固、液、气三相组成的比例反映干湿、密实程度，对评价土的工程性质有重要意义，是垫层压实参数选择的依据。一、土的压实机理要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度。对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。1.最优含水量：在干密度—含水量曲线上干密度的峰值即为最大干密度，与之对应的含水量即为最优含水量。 第三节垫层施工2.干密度—含水量曲线的物理意义⑴当粘性土的含水量较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的干密度较小；⑵当土的含水量增加时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间引力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤密，压实效果提高，土的干密度也随之提高；⑶当土中含水量增大到一定程度后，孔隙中开始出现自由水，结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间引力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实效果反而下降，土的干密度随之减少。 第三节垫层施工 第三节垫层施工二、土的压实参数1.压实系数λcρd——现场土的实际控制干密度；ρdmax——土的最大干密度。 第三节垫层施工无资料时：pw——水的密度（kN/m3）η——经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土取0.97；ds——土颗粒的相对密度（土的比重）；ωop——土的最优含水量（%），可按当地经验或取ωp+2（ωp为塑限），粉土取14～18%。 第三节垫层施工2.含水量施工含水量应尽量接近最优含水量。3.铺填厚度及压实遍数应通过现场试验确定。采用不同的施工机械，要选择与之相应的参数。 第三节垫层施工三、填筑要求要求：分层填筑、分层压实同层：分段填筑，上下层相错＞1000边坡应宽填：需修整：宽填0.2m，不需修整：宽填0.5m。注意：a.分层应接近水平b.各种土不得混杂使用c.透水性小的土应铺在透水性大的土之上 第三节垫层施工四、压实方法：机械碾压法重锤夯实法振动压实法 第三节垫层施工机械碾压法采用各种压实机械，如压路机、羊足碾、推土机或其他压实机械来压实地基土的一种压实方法，常用于大面积填土的压实、杂填土地基处理、道路工程及基坑面积较大的换土垫层的分层压实。施工时先按设计挖掉要处理的软弱土层，把基础底部土碾压密实后，再分层填土，逐层压密。压实效果取决于被压实土料的含水量和压实机械的能量。 第三节垫层施工机械式振动压路机 第三节垫层施工羊足碾、蛙式打夯机 蛙式打夯机 第三节垫层施工重锤夯实法：重锤夯实法是用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。施工顺序：重锤夯实宜一夯挨一夯顺序进行。在独立柱基基坑内，宜按先外后里的顺序夯击。同一基坑底面标高不同时，应按先深后浅的顺序逐层夯实。 第三节垫层施工重锤夯实法：重锤夯实一般适用地下水位距地表0.8m以上非饱和的粘土、砂土、杂填土和分层填土，用以提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于消除或减少湿陷性黄土的表层湿陷性，但在有效夯实深度内存在软弱土时，或当夯击振动对邻近建筑物或设备有影响时，不得采用。 第三节垫层施工重锤夯实机具设备：1、重锤夯实机具设备：夯锤形状宜采用圆台型，可用>C20钢筋砼，底部填充废铁并设置钢底板以降低重心。锤重≥15kN，底面静压力15～20kpa。2、起吊设备：应采用带有摩擦式卷筒的起重机或其他起重设备。吊车起吊能力>3倍锤重。脱钩夯锤>1.5倍锤重。落距一般控制在2.5～4.5m之间。 第三节垫层施工钢筋混凝土夯锤 第三节垫层施工夯击参数：重锤夯实的最优含水量应通过试验确定。夯实的影响深度与锤重、锤底直径、落距以及土质条件等因素有关。对于湿或稍湿，密度为稍密到中密状态的建筑垃圾杂填土，夯实时如采用15kN的锤，底面直径为1.15m，落距为3～4m，其有效夯实深度约为1.1～1.2m（相当于锤径）。施工夯击遍数的确定：一般试夯约6～10遍，施工时可适当增加1～2遍。 第三节垫层施工夯击参数：停夯标准：再增加夯击能量或夯击次数，土的密度不再增加，有时甚至会降低。因此，应进行现场试验，确定符合夯击密实度要求的最少夯击次数、最后下沉量（最后两击的平均下沉量），总的下沉量及有效夯实深度等。对于粘性土及湿陷性黄土，最后下沉量不应大于10～20㎜，砂性土不应超过5～10㎜。以此作为控制停夯的标准。 第三节垫层施工夯击参数：预留土层厚度：试夯时总下沉量加50—100㎜，或△S=hk△S——开挖时预留夯实土厚度，e、e‘——有效夯实深度范围内，夯实前后土的平均天然孔隙比（由试夯确定）；h——有效夯实深度（㎝）；k——经验系数，一般取为1.6～2.0。分层夯实时，每层土的虚铺厚度应试夯确定，一般相当于锤直径，试夯层数不宜少于2层。 第三节垫层施工施工要点：1）施工前应试夯。面积不小于10m×10m。2）夯前应检查土的含水量；加水：应待水全部渗入土中一昼夜后方可夯击。减水：铺撒吸水材料（如生石灰、干土等）换土或其它有效措施处理。3）周边作好排水措施，防止坑内灌水。4）夯实范围>基础底面，每边超出0.5m；5）宜按一夯挨一夯顺序进行；标高不一致时，先深后浅、逐层夯击； 第三节垫层施工振动压实法：振动压实法是利用各种振动压实机，将松散土振压密实。适用于处理无粘性土或粘粒含量少，透水性较好的松散杂填土以及矿渣、碎石、砾石、砾砂、砂砾石等地基。 第三节垫层施工振动压实法：工作原理:由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动而产生很大的垂直振动力振动压实机械:振动压实机（2T，振动力98KN）插入式振动器平板式振动器 第三节垫层施工振动压实机示意图 手扶振动压路机 (内燃)振动平板夯 YZ2型振动压路机 振动式平板系列夯实机 第三节垫层施工压实效果：一般杂填土振实后，地基承载力特征值可达100～120kPa。振动压实效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，继续振动不能起到进一步压实作用。振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间，其振实的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其均匀性及影响深度。 各种压实机械铺土厚度及压实遍数 垫层的每层铺填厚度及压实遍数 第三节垫层施工四、压实方法选择：素填土宜用平碾和羊足碾，砂石等宜用振动碾和振动压实机和水撼法，当有效夯实深度内土的饱和度小于或接近0.6时，可采用重锤夯实。机械碾压速度应控制在下述范围内：平碾为2km/h；羊足碾3km/h；振动碾2km/h；振动压实机0.5km/h。 第三节垫层施工五、各种垫层施工：一)砂石垫层施工二)素土和灰土垫层施工三)粉煤灰垫层施工 第三节垫层施工一)砂石垫层施工垫层材料级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石或碎石等，不均匀系数d60/d10＞5，最好为d60/d10＞10，不得含有草根、垃圾等杂物，且含泥量不应超过5%。使用粉细砂时，应掺入25-30%的碎石或卵石，最大粒径不宜大于5cm。碾压或夯、振动时不超过8cm。湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。 第三节垫层施工一)砂石垫层施工施工参数选择下卧层是高灵敏度的软土时，铺设第一层时不能采用振动能量大的机具扰动下卧层。一般情况下，砂及砂石垫层首先用振动法，更能有效地使砂和砂石密实。按室内击实试验确定设计要求的γd和λc无数据：中砂16KN/m3,粗砂17KN/m3，碎石、卵石20-22KN/m3。 砂和砂石垫层每层铺筑厚度及最优含水量振捣方法每层铺筑最优含水量（%）平振法厚度（㎜）15—20%插振法200—250饱和水撼法振捣器饱和夯实法插入深度8—12碾压法2508—12注：水撼法即每铺一层料后即注水，并用四齿钢叉插入摇撼捣实。 第三节垫层施工施工要点：⑴施工机具宜采用振动碾和振动压实机，压实参数由现场试验确定；⑵不同施工机具应采用不同的最优含水量；⑶如存在不良地质现象，应先进行清理，然后再施工垫层；⑷施工过程中严禁扰动垫层下卧的淤泥和淤泥质土等软弱土层；⑸砂石垫层的底面宜铺设在同一标高上；⑹当地下水位高于基坑底面时，应采取排降水措施 第三节垫层施工质量检验：分层进行；每压实一层，即应检验其平均压实系数，达到设计要求后，方可继续铺上一层。（1）环刀取样法（2）贯入测定法 第三节垫层施工（1）环刀取样法用容积不小于200㎝3的环刀压入垫层中的每层深度处取样，测其干密度，以不小于砂料在中密状态时的干密度为合格。环刀取样点的数目，对大基坑每50～100㎡应不少于1点；对基槽每10～20m应不少于1点；每个单独柱基应不少于1个点。 第三节垫层施工（2）贯入测定法先将垫层表面的砂刮掉30㎜，再用贯入仪、钢筋或钢叉等以贯入度的大小来定性地检验砂垫层的质量，以不大于通过相关试验确定的贯入度为合格。钢筋贯入法：用φ20㎜，长1.25m的钢筋，垂直举离砂垫层表面70㎜时自由下落，测其贯入深度。钢叉贯入法：所用钢叉同水撼法，于50㎜高处自由落下，测其贯入深度。 第三节垫层施工垫层测试点：测试点数量因各地土条件和经验不同而取值范围不同。贯入法：检验点间距应小于4m，大基坑每50～100㎡应不少于1个点，或每100㎡不少于2个点；对基槽每10～20m应不少于1个点，每施工段布2个点，每个单独柱基应不少于1个点。管道基础下，每50m布一个点，每施工段布2个点。重锤夯实：按试夯检查施工质量记录，总夯沉量不少于试夯总夯沉量的90%为合格。 第三节垫层施工二)素土和灰土垫层施工材料要求：素土：采用基槽中挖出的粘性土并过筛，粒径≤15mm，碎石≤50mm，有机质<5%。灰土：新鲜消石灰，过筛，粒径≤5mm，土料粒径≤15㎜，宜用不含松软杂质的粘性土及塑性指数Ip＞4的粉土。禁用：淤泥、耕土、冻土、膨胀土以及有机质含量超过5%的土。配合比：石灰：土料=2﹕8或3﹕7（体积比），石灰活性物含量在8%左右为佳。 第三节垫层施工二灰垫层：采用石灰、粉煤灰按适当比例加水拌合，然后分层夯实的垫层称二灰垫层。特点：最优含水量比灰土大，干土重度比灰土小，但其强度却比灰土垫层高。 第三节垫层施工施工要点1、用平碾、羊足碾、轻型夯实机及6-10t压路机。灰土最大虚铺厚度200-250mm。2、灰土含水量16%左右。3、分段施工垫层时，不得在柱基、墙角以及承重窗间墙下接缝。上下两层土的接缝距离不小于0.5m。接缝处的土层应夯实。4、灰土应拌合均匀，及时铺填夯实，不得隔日夯打。夯实后的土层，三天内不得受水浸泡。 第三节垫层施工（三）粉煤灰垫层的施工材料要求：粉煤灰不得含垃圾、有机质等杂物。粉煤灰运输时含水量宜适中，过多会滴水，过少会扬尘。施工时含水量应为ωop±4%范围内。 第三节垫层施工施工要点1、应预先进行击实试验，确定其γdmax和ωop，以此作为施工和验收的控制指标。2、在软土地基上填筑时，应先铺约20㎝厚的中、粗砂或高炉干渣，以免下卧软土层表受到扰动，同时有利于下卧的软土层的排水固结，并可切断毛细水上升。3、在地下水位以下施工时应采取排、降水措施，不得在饱和或浸水状态下施工，更不要采取水沉法施工。4、其它可参照砂石垫层的相关内容。 第四节垫层施工验收垫层施工中：逐层检验垫层施工时分层检验方法及数量垫层名称质量检验方法检验数量砂（沙砾、碎石）垫层环刀法贯入测定法同前素土和灰土垫层环刀法贯入测定法轻便触探柱坑：10%，不少于5个，沟槽1处/10㎡，不少于5处，接搓：不少于5个，不足5处时，逐个查。粉煤灰垫层环刀法钢筋贯入法小型工程20—30㎡布1个测点。大、中型工程100—400㎡布1组3个测点。小型工程5—10㎡布1个测点，大、中型工程20—50㎡布1个测点。矿渣垫层同砂垫层同砂垫层 第四节垫层施工验收竣工验收：1、静载荷试验：根据垫层静载荷试验实测资料，确定垫层的承载力和变形模量。2、静力触探试验：根据现场静力触探试验的贯入阻力曲线资料，确定垫层的承载力、压缩模量和碾压的密实状态。3、N63.5的标准贯入试验：由标准贯入试验的贯入锤击数，换算出垫层的承载力及其密实状态。试验时，先清钻孔，把标准贯入器放入孔底，然后用重量N（63.5Kg）的锤，从76cm的高度自由下落将贯入器击入土中30cm，记录N。 第四节垫层施工验收4、N10的轻便触探试验：用轻便触探试验锤击数，确定垫层的承载力、变形模量和垫层的密实度。5、中型或重型以及超重型动力触探试验：根据动力触探试验的锤击数，确定垫层的承载力、变形膜量和垫层的密实度。6、现场取样作物理、化学性试验：检验垫层竣工的密实度，估算垫层的承载力及压缩模量。中、小型工程不需全部采用，对于大型或重点工程项目应进行全面的检查验收。