长安大学基础工程教案第六章地基处理

第一节 概 述

土木工程建设中，有时不可避免地遇到工程地质条件不良的软弱土地基，不能满足建筑物要求，需要先经过人工处理加固，再建造基础，处理后的地基称为人工地基。

地基处理的目的是针对软土地基上建造建筑物可能产生的问题，采取人工的方法改善地基土的工程性质，达到满足上部结构对地基稳定和变形的要求，这些方法主要包括提高地基土的抗剪强度，增大地基承载力，防止剪切破坏或减轻土压力；改善地基土压缩特性，减少沉降和不均匀沉降：改善其渗透性，加速固结沉降过程；改善土的动力特性防止液化，减轻振动；消除或减少特殊土的不良工程特性（如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等）。

近几十年来，大量的土木工程实践推动了软弱土地基处理技术的迅速发展，地基处理的方法多样化，地基处理的新技术、新理论不断涌现并日趋完善，地基处理已成为基础工程领域中一个较有生命力的分枝。根据地基处理方法的基本原理，基本上可以分为如表6-1所示的几类。

地基处理方法的分类 表6-1

物理处理 置换 排水 挤密 加筋 搅拌 化学处理 灌浆 热学处理 热加固 冻结 但必须指出，很多地基处理方法具有多重加固处理的功能，例如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋的多重功能；而石灰桩则具有挤密、吸水和置换等功能。地基处理的主要方法、适用范围及加固原理，参见表6-2。

地基处理的主要方法、适用范围和加固原理 表6-2

分类 方法 换土垫层法 加固原理 采用开挖后换好土回填的方法；对于厚度较小的淤泥质土层，亦可采用抛石挤淤法。地基浅层性能良好的垫层，与下卧层形成双层地基。垫层可有效地扩散基底压力，提高地基承载力和减少沉降量。 振冲置换法 利用振冲器在高压水的作用下边振、边冲，在地基中成孔，在孔内回填碎石料且振密成碎石桩。碎石桩柱体与桩间土形成复合地基，提高承载力，减少沉降量 强夯置换法 置 换 cu?20kPa的粘性土、松散粉土和人工填土、湿陷性黄土地基等 适用范围 各种浅层的软弱土地基 采用强夯时，夯坑内回填块石、碎石挤淤置换的方法，浅层软弱土层较薄的地形成碎石墩柱体，以提高地基承载力和减少沉降量。 基 一般软土地基 碎石桩法 采用沉管法或其他技术，在软土中设置砂或碎石桩柱体，置换后形成复合地基，可提高地基承载力，降低地基沉降。同时，砂、石柱体在软粘土中形成排水通道，加速固结 石灰桩法 在软弱土中成孔后，填入生石灰或其他混合料，形成竖向石灰桩柱体，通过生石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩柱体周围土体的性质，形成石灰桩复合地基，以提高地基承载力，减少沉降量 人工填土、软土地基 EPS轻填法 发泡聚苯乙烯（EPS）重度只有土的1/50?1/100，并具有较高的强度和低压缩性，用于填土料，可有效减少作用于地基的荷载，且根据需要用于地基的浅层置换 软弱土地基上的填方工程 分类 方法 加载预压法 加固原理 在预压荷载作用下，通过一定的预压时间，天然地基被压缩、固结，地基土的强度提高，压缩性降低。在达到设计要求后，卸去预压荷载，再建造上部结构，以保证适用范围 软土、粉土、杂填土、冲填土等 排 水 固 结 超载预压法 地基稳定和变形满足要求。当天然土层的渗透性较低时，为了缩短渗透固结的时间，加速固结速率，可在地基中设置竖向排水通道，如砂井、排水板等。加载预压的荷载，一般有利用建筑物自身荷载、堆载或真空预压等 基本原理同加载预压法，但预压荷载超过上部结构的荷载。一般在保证地基稳定的前提下，超载预压方法的效果更好，特别是对降低地基次固结沉降十分有效 强夯法 采用重量100?400kN的夯锤，从高处自由落下，在强烈的冲击力和振动力作用下，地基土密实，可以提高承载力，减少沉降量 松散碎石土、砂土，低饱和度粉土和粘性土，湿陷性黄土、杂填土和素填土地基 振冲密实法 振冲器的强力振动，使得饱和砂层发生液化，砂粒重新回填碎石料使得砂层挤密，达到提高地基承载力，降低沉降的目的 粘粒含量少于10%的疏淤泥质粘性土和粉土 振 密 挤 密 挤密碎（砂）石桩法 排列，孔隙率降低；同时，利用振冲器的水平振冲力，松散砂土地基 施工方法与排水中的碎（砂）石桩相同，但是，沉管过程中的排土和振动作用，将桩柱体之间土体挤密，并形成碎（砂）石桩柱体复合地基，达到提高地基承载力和减小地基沉降的目的 松散砂土、杂填土、非饱和粘性土地基、黄土地基 土、灰土桩法 采用沉管等技术，在地基中成孔，回填土或灰土形成竖向加固体，施工过程中排土和振动作用，挤密土体，并形成复合地基，提高地基承载力，减小沉降量 加筋土法 地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土地基 在土体中加入起抗拉作用的筋材，例如土工合成材料、浅层软弱土地基处理、挡金属材料等，通过筋土间作用，达到减小或抵抗土压力；土墙结构 调整基底接触应力的目的。可用于支挡结构或浅层地基处理 加 筋 锚固法 主要有土钉和土锚法，土钉加固作用依赖于土钉与其周围土间的相互作用；土锚则依赖于锚杆另一端的锚固作用，两者主要功能是减少或承受水平向作用力 边坡加固，土锚技术应用中，必须有可以锚固的土层、岩层或构筑物 各类软弱土地基、尤其是竖向加固体 复合地基法 在地基中设置小直径刚性桩、低等级混凝土桩等竖向加提高地基承载力，减少沉降量 固体，例如CFG桩、二灰混凝土桩等，形成复合地基，较深厚的软土地基 分类 方法 深层搅拌法 加固原理 利用深层搅拌机械，将固化剂（一般的无机固化剂为水适用范围 饱和软粘土地基，对于有泥、石灰、粉煤灰等）在原位与软弱土搅拌成桩柱体，机质较高的泥炭质土或化 学 固 化 灌浆或注浆法 可以形成桩柱体复合地基、格栅状或连续墙支挡结构。泥炭、含水量很高的淤泥作为复合地基，可以提高地基承载力和减少变形；作为支挡结构或防渗，可以用作基坑开挖时，重力式支挡结构，或深基坑的止水帷幕。水泥系深层搅拌法，一般有两大类方法，即喷浆搅拌法和喷粉搅拌法 有渗入灌浆、劈裂灌浆、压密灌浆以及高压注浆等多种工法，浆液的种类较多。 类软弱土地基，岩石地基基加固，建筑物纠偏等加固处理 和淤泥质土，适用性宜通过试验确定 上述表中的各类地基处理方法，均有各自的特点和作用机理，在不同的土类中产生不同的加固效果，并也存在着局限性。地基的工程地质条件是千变万化的，工程对地基的要求也是不尽相同的，材料、施工机具和施工条件等亦存在显著差别，没有哪一种方法是万能的。因此，对于每一工程必须进行综合考虑，通过方案的比选，选择一种技术可靠、经济合理、施工可行的方案，既可以是单一的地基处理方法，也可以是多种方法的综合处理。

第二节 软土地基

软土是指沿海的滨海相、三角洲相、内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的土，具有孔隙比大（一般大于1）、天然含水量高（接近或大于液限）、压缩性高（a1-2>0.5MPa-1）和强度低的特点，多数还具有高灵敏度的结构性。主要包括淤泥、淤泥质粘性土、淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等。

一．软土的成因及划分

软土按沉积环境分类主要有下列几种类型： （一）滨海沉积

1.滨海相： 常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒(粗、中、细砂)相掺杂，使其不均匀和极松软，增强了淤泥的透水性能，易于压缩固结。

2.泻湖相： 颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范围较宽阔，常形成海滨平原。在泻湖边缘，表层常有厚约0.3～2.0m的泥炭堆积。底部含有贝壳和生物残骸碎屑。

3.溺谷相： 孔隙比大、结构松软、含水量高，有时甚于泻湖相。分布范围略窄，在其边缘表层也常有泥炭沉积。

4.三角洲相： 由于河流及海潮的复杂交替作用，而使淤泥与薄层砂交错沉积，受海流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳定，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层，结构疏松软，颗粒细小。如上海地区深厚的软土层中央有无数的极薄的粉砂层，为水平渗流提供了良好条件。

（二）湖泊沉积

湖泊沉积是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理。淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，厚度一般为10m左右，最厚者可达25m。

（三）河滩沉积

主要包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情况较为复杂，成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。一般常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层，其厚度不大，一般小于l0m。

（四）沼泽沉积

分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，多以泥炭为主，且常出露于地表。下部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。

软土由于沉积年代、环境的差异，成因的不同，它们的成层情况，粒度组成，矿物成分有所差别，使工程性质有所不同。不同沉积类型的软土，有时其物理性质指标虽较相似，但工程性质并不很接近，不应借用。软土的力学性质参数宜尽可能通过现场原位测试取得。

软土的工程特性：含水量较高，孔隙比较大；抗剪强度低；压缩性较高；渗透性很小；结构性明显；流变性显著

三、软土地基的承载力、沉降和稳定性的计算

在软土地基设计计算中，由于它的工程特性常需解决地基承载力、沉降和稳定性的计算问题,故与一般地基土的计算有所区别，现分述如下。

(一) 软土地基的承载力

软土地基承载力应根据地区建筑经验，并结合下列因素综合确定：①软土成层条件、 应力历史、力学特性及排水条件；②上部结构的类型、刚度、荷载性质、大小和分布，对不均匀沉降的敏感性；③基础的类型、尺寸、埋深、刚度等；④施工方法和程序；⑤采用预压排水处理的地基，应考虑软土固结排水后强度的增长。 1．根据极限承载力理论公式确定

饱和软粘土上条形基础的极限承载力pu(kPa)按普朗特尔—雷斯诺(Prandtl—Reissner)极限荷载公式(参见土力学教材)由?＝0，q??2h确定为

pu?5.14Cu??2h （6-1） 式中：Cu—软土不排水抗剪强度，可用三轴仪、十字板剪切仪测定，也可取室内无侧限抗

压强度qu之半计算；

?2—基底以上土的重度(kN／m3)，地下水位以下为浮重度；

h—基础埋置深度(m)。当受水流冲刷时，由一般冲刷线算起。

据此，考虑矩形基础的形状修正系数及水平荷载作用时的影响系数，并考虑必要的安全系数，《公桥基规》提出软土地基容许承载力???(kPa)为

????5.14kpCu??2h （6-2）

m式中：m—安全系数1.5~2.5，软土灵敏度高且基础长宽比小者用高值；

kp—基础形状及倾斜荷载的修正系数，属半经验性质的系数，当矩形基础上作用有倾 斜荷载时

kp??1?0.2???1???b??l??0.4QblCu??? ? b—基础宽度(m)；

l—垂直于b边的基础长度(m)，当有偏心荷载时， b与l由b?与l?代替，

b'?b?2eb,l'?l?2eL eb、el分别为荷载在b方向、l方向的偏心矩；

Q—为荷载的水平分力(kN)。 2．根据土的物理性质指标确定

软土大多是饱和的，天然含水量?基本反映了土的孔隙比的大小，当饱和度Sr=l时，

e??GSr??G(G为土颗粒比重)，e为1时，相应天然含水量w约36％；e为1.5时，相应

w约55％，所以一般情况，地基承载力是与其天然含水量密切相关的，根据统计资料w与软土的容许承载力??0?关系如表6-3所示。

软土的容许承载力

天然含水量w（%） 36 100 40 90 ??0? 表6-3

50 70 55 60 65 50 75 40 45 80 ??0?(kPa) 在基础埋置深度为h(m)的软土地基修正后的容许承载力???可按下式计算：

??????0???2?h?3? （6-3）

各符号意义同前，当h<3m时，取h=3m计。

《公桥基规》认为对小桥涵软土基础???可用式(6—3)计算。

当按式(6-2)或式(6-3)计算软土修正后的容许承载力???时，必须进行地基沉降验算，保证满足基础沉降的要求。 3．按临塑荷载估算

软土地基承载力，考虑变形因素可按临塑荷载pcr公式估算，以控制沉降在一般建筑物容许范围。条形基础临塑荷载pcr (kPa)计算式为 pcr?NqrD?NcC

饱和软土?u?0,C?Cu时，Nq=1，Nc=?则

pcr?3.14Cu?rD?3.14Cu?r2h （6-4） 此式用于矩形基础（空间问题）可认为较用于条形基础（平面问题）偏于安全。我国有些地区和部门，根据该地区软土情况，采用略高于临塑荷载的临界荷载p1／4，即允许基础边缘出现塑性区范围深度不超过基础底宽的1／4。p1／4的计算详见与土力学教材。

4．用原位测试方法确定

由室内试验测定土的物理力学指标(如cu等)常受土被扰动影响使结果不正确；而一般土的承载力理论公式用于软土也会有偏差，因此采用现场原位测试的方法往往能克服以上缺

点。软土地基常用的原位测试方法有：根据载荷试验、旁压试验确定地基承载力，以十字板剪切试验测定软粘土不排水抗剪强度换算地基承载力值，按标准贯入试验和静力触探结果用经验公式计算地基承载力等。 对较重要或规模较大的工程，确定软土地基承载力宜综合以上方法，结合当地软土沉积年代，成层情况，下卧层性质等考虑，并注意满足结构物对沉降和稳定的要求。 （二）软土地基的沉降计算

软土地基在荷载下沉降变形的主要部分为 固结沉降Sc，此外还包括瞬时沉降Sd与次固 结沉降Ss，如图6-1所示。软土地基的总沉降 量S为Sd、Sc、Ss之和。 1．固结沉降Sc

在荷载作用下，软土地基缓慢地排水固结 发生的沉降称为（主）固结沉降，常用的计算 方法如下。

（1）采用e—p曲线计算 Sc?e0i?e1i?hi （６-5） 图6-1 软土地基沉降的组成 ?i?11?e0in式中：e0i—未受基础荷载前，软土地基第i层土分层中点自重应力作用下稳定时的孔隙比；

e1i—受基础荷载后，软土地基第i层土分层中点自重应力与附加应力作用下稳定时的

稳定孔隙比；

?hi——土分层厚度，宜为0.5m~1.0m；

（2）采用压缩模量计算 Sc??pi?hi （6-6） ?Ei?1sin?pi—第i层土中点的附加应力;

Esi—压缩摸量,应取第i层土分层中点自重应力至自重应力与附加应力之和的压缩段

计算。

(3)采用e—logp曲线计算

软土根据先期固结压力Pc，与上覆土自重应力P0关系，天然土层的固结状态可区分为正常固结状态、超固结状态、欠固结状态。我国海滨平原，内陆平原软土大多属正常固结状态；少数上覆土层经地质剥蚀的软土及软土上的“硬壳”则属超固结状态；江、河入海口处及滨海相沉积(以及部分冲填土)则属欠固结土的。对于欠固结软土，在计算其固结沉降Sc时，必须包括在自重应力作用下继续固结所引起的那一部分沉降，若仍按正常固结的土层计算，所得结果将远小于实际沉降。下面简要介绍考虑先期固结压力的计算公式：

①正常固结、欠固结条件下

Sc???poi??pi?hi?C?lg?ci??pcii?11?e0i??n????? （６-7） ??式中：Cci—第i层土中的压缩指数，应取分层中点自重应力至自重应力与附加应力

之和的压缩段计算；

pi—第i层土分层中点的自重应力；

pci—先期固结压力，正常固结时pci=poi，欠固结时pci

②超固结条件下

a.对于应力增量?p?pc?po时， Sc??pci??poi??pi?hi????C?lg?C?lg?si?ci???pcii?11?eoi??poi??n????? （６-8） ??b. 对于应力增量?p?pc?po时， Sc??poi??pi?hi??C?lg?si??poii?11?eoi??n????? （６-9） ??式中：Csi—第i层土中的回弹指数

2．瞬时沉降Sd

瞬时沉降包括土的两种沉降，一种由地基土弹性变形引起；另一部分是由于软土渗透系数低，加荷后初期不能排水固结，因而土体产生剪切变形，此时沉降是由软土侧向剪切变形引起。前一部分可用弹性理论公式计算

(1??2)Sd??bp （6-10）

Ed式中：p—基础底面平均压力； b—矩形基础的宽度；

?—软土的泊松比，此处?＝0.5

Ed—软土的弹性模量，可用三轴仪不排水试验求；

?—沉降影响系数，与基础形状、计算点位置有关，可自土力学教材中查用。

由于工程设计中地基承载力的采用都限制塑性区的开展，因而由土体初期侧向剪切位移引起的沉降，在总的瞬时沉降中所占比例不大，目前一般不计或略作估算。

对于土体的一维变形情况，瞬时沉降是很小的，特别是当土体饱和时，由于土中水及土颗粒本身的变形可忽略不计，瞬时沉降接近于零。但是，对于土体的二维或三维变形情况，瞬时沉降在地基总沉降量中占有相当大的比例，并且与加荷方式和加荷速率有很大的关系，比如采用一次瞬时加载时产生的瞬时沉降就比采用慢速均匀加载时大得多。 有时也用Sd＝(0.2～0.3)Sc对瞬时沉降进行估算。

3．次固结沉降Ss

长期现场观测表明，在理论计算的固结 过程结束后，软土地基因土骨架的蠕动而继 续发生长期(长达数年以上)的、缓慢的压缩， 称为次固结沉降如图6-2所示。当软土较厚， 含高塑性矿物等较多时，对沉降要求严格的

建筑物不宜忽视次固结沉降Ss。 Ss可按下式计算：

Ss???t3?Cailg??t??hi （6-11） 图6-2 次固结沉降图 1?ei?12i?2?n式中：Cai—第i层土的次固结系数，可由在固结压力下试验的e-lgt曲线如图6-2示求取。

其值与粒径、矿物成分有关，一般Cai=0.005~0.03；

e2i—第i层软土在固结压力下完成排水固结时的孔隙比；

t2、t3—完成固结(固结度为100％)时间和计算次固结沉降的时间，t3>t2。

由于对软土的次固结性状仍了解不够，无论对于它的机理、变化规律、影响因素、计算方法和试验测定等都有待进一步深入探讨。

软土地基沉降量S还可以利用观察到的建筑物的若干随时间(t1、t2等)变化的沉降值Stl、St2、St一t关系等，推算该建筑物的后期沉降St及最终沉降S?。常用的推算方法是将实测的沉降一时间(St一t)曲线拟合为指数曲线、双曲线等而用数学方法推算St或S?。具体详见土力学教材。

综上所述，软土地基的沉降应为上述三种沉降之和，即S?Sd?Sc?Ss，但是由于瞬时沉降和次固结沉降的计算方法和理论还处于初步阶段，故工程上也常用将一维固结沉降计算的结果乘以一个沉降计算经验的修正系数ms计算

S?msSc （6-12）

在《公桥基规》规定：当软土压缩模量Es＝1.0～4.0MPa时，ms＝1.8~1.1，以提高其计算精度。由于软土地基沉降的复杂性，ms的取值尚待补充完善。 (三)软土地基的稳定性分析

分析软土地基上建筑物承受水平推力后，由于地基土抗剪强度低，发生基础连同部分地基土在土中剪切滑移失稳的可能性。在软土地基上桥台、挡土墙等承受侧向推力的建筑物在保证其地基承载力、沉降验算。同时，应进行稳定性的分析。对于桩基础，假定的滑动弧面可认为发生在桩底以上如图6-3所示(只有软土层很厚而桩长又很短时才发生在桩底以下，但此仅是特例)，由于在设计中考虑承台底以上全部外力均由基桩承担，所以分析时可以不计这部分外力作用于滑动弧面上的分力，只考虑承台底面到滑动弧面以上土柱重，即在图6-3中对P、M不应计入其影响，而阴形部分土的重力 应计入其影响。不属于基桩承 担的滑裂体范围内的荷载仍应

图6-3 桩基稳定性分析示意图

四、软土地基基础工程应注意的事项

软土地基的强度、变形和稳定是工程中必须全面、充分注意的问题。从目前国内的勘察、设计、施工的现状出发，在软土地基上修筑高速公路从基础工程的角度出发，应注意下列一些事项：

(一)要取得代表性很好的地质资料

软土地基上高速公路的设计与施工质量很大程度上取决于地质资料的真实性和代表性，应认真收集沿线的地形、地貌、工程地质、水文地质、气象等资料，合理地利用钻探、触探、十字板剪切等现场综合勘探测试方法，做好软土地基各层土样的物理、力学、水理性质的室内试验，并对上述各项资料进行统计与分析，选择有代表性的技术指标作为设计和施工的依据。

(二)软土地基路堤处治设计应注意的事项有： 1．软土路堤的稳定性分析 2．软土路堤的变形分析

3．软土地基处理方案的合理选择 4．观测和试验

(三)软土地区的桥涵基础设计应注意的事项 1．全面掌握相关资料合理布设桥涵

在软土地区，桥梁位置(尤其是大型桥梁)既要与路线走向协调，又要注意构造物对工程地质的要求，如果地基土层是深、厚软粘土，特别淤泥、泥炭和高灵敏度的软土，不仅设汁技术条件复杂，而且将给施工、养护、运营带来许多困难，工程造价也将增大，应力求避免，另选择软土较薄、均匀、灵敏度较小的地段可能更为有利。对于小桥涵，可优先考虑地表“硬壳”层较厚，下卧为均匀软土处，以争取采用明挖刚性扩大基础，降低造价。

在确定桥梁总长、桥台位置时，除应考虑泄洪、通航要求外，宜进一步结合桥台和引道的结构和稳定考虑。如能利用地形、地质条件，适当的布置或延长引桥，使桥台置于地基土质较好或软土较薄处，以引桥代替高路堤，减少桥台和填土高度，有利于桥台、路堤的结构和稳定。在造价、占地、养护费用、运营条件等统盘考虑后，在技术上、经济上都是合理的。

软土地基上桥梁宜采用轻型结构，减轻上部结构及墩台自重。由于地基易产生较大的不均匀沉降，一般以采用静定结构或整体性较好的结构为宜，如桥梁上部可采用钢筋混凝土空心板或箱形梁；桥台采用柱式、支撑梁轻型桥台或框架式等组合式桥台；桥墩宜用桩柱式、排架式、空心墩等。涵洞宜用钢筋混凝土管涵、整体基础钢筋混凝土盖板涵、箱涵以保证涵身刚度和整体性。

2．软土地基桥梁基础设计应注意事项

我国在软土地区的桥梁基础，常用的是刚性扩大基础(天然地基或人工地基)和桩基础，也有用沉井基础的，现结合软土地基的特点，介绍设计时应注意的几个问题。

（1）刚性扩大浅基础

在较稳定、均匀、有一定强度的软土上修筑对沉降要求不严高的矮、小桥梁，常优先采用天然地基(或配合砂砾垫层)上的刚性扩大浅基础。如软土表层有较厚的“硬壳”也可考虑利用。刚性扩大基础常因软土的局部塑性变形而使墩、台发生不均匀沉降，或由于台后填土的影响使桥台前后端沉降不均而发生后仰也是常见的工程事故，有时还同时使桥台向前滑移。因此在设计时应注意对基础受力不同的边缘(如桥台基础的前趾和后踵)沉降的验算及抗滑动、倾覆的验算。

防治措施：可采用人工地基如有针对性的布设砂砾垫层，对地基进行加载预压以减少地基的沉降量和调整沉降差，或采用深层搅拌法，以水泥土搅拌桩或粉体喷射搅拌桩加固软土地基，按复合地基理论验算地基各控制点的承载力和沉降(加固范围应包括桥头路堤地基的一部分)；采取结构措施如改用轻型桥台，埋置式桥台，必要时改用桩基础等；也有建议对小桥(如单孔跨径不超过8m，孔数不多于3孔)可将相邻墩台刚性扩大基础联合成整体，形成联合基础板，在满足地基承载力和沉降同时，可以解决桥台前倾后仰和滑移问题。但此时为避免基础板过厚，常需配置受力钢筋改为柔性基础，应先进行技术、经济方案比较，全面分析后选用(设计方法可参考第二章柔性基础简化的倒梁法及钢筋混凝土结构设计有关规定)。为了防止小桥基础向桥孔滑移，也可仅在基础间设置钢筋混凝土(或混凝土)支撑梁。软土地基上相邻墩、台间距小于5m时，应按《公桥基规》要求考虑邻近墩、台对软土地基所引起的附加竖向压应力。

（2）桩基础

在较深厚的软土地基，大中型桥梁常采用桩基础，它能获得较好的技术效果，如达到经济上合理，应是首选的方案。施工方法可以是打入(压入)桩、钻孔灌注桩等。要求基桩穿过软土深入硬土(基岩)层以保证足够的承载力和很小的沉降量。软土很厚需采用长的摩擦桩时，应注意桩底软土承载力和沉降的验算，必要时可对桩周软土进行压浆处理或做成扩底桩。

打入桩的桩距应较一般土质的适当加大，并注意安排好桩的施打顺序，避免已打入的邻桩被挤移或上抬，影响质量。钻孔灌注桩一般应先试桩取得施工经验，避免成孔时发生缩孔、坍孔。

软土地基桩基础设计中，应充分注意由于软土侧向移动而使基桩挠曲和受到的附加水平压力：由于软土下沉而对基桩发生的负摩阻力，现分述如下：

①地基软土侧限移动对基桩的影响。在软土上桩基础的桥台、挡墙等，由于台后填土重力的挤压，地基软土侧向移动，桩——土间产生附加水平压力，引起桩身挠曲，使桥台后仰和向河槽倾移，甚至基桩折损等事故。在深厚软土上修桥，特别是较高填土的桥台日益增多，这类事故时有发生，已引起国内外基础工程界广泛重视。

我国《公桥基规》要求桥台“基桩上部位于摩擦角小于20о的软土中时，应验算施于基桩的水平力所产生的挠曲”(国外也有提出当台后填土重超过软土屈服强度py＝3Cu时)。在此情况下，桩身所受到的附加水平力，发生的挠曲与填土高度密切相关，也与基桩穿越的各土层层厚，软土的力学性质，软土移动量及随深度的变化，基桩刚度及其两端支承条件等变化因素有关。对此问题的探讨现在还不够充分，实践中一般应用半理论半经验方法处理，更精确、全面、符合实际的应用方法尚需进一步完善。

为了避免桥台后仰前倾，可采取加强桩顶约束及平衡(或减少)土压力的措施，如采用低桩承台、埋置式桥台或台前加筑反压护道和挡墙(其地基应经处理)，也可采用刚度较大的基桩和多排桩基础(打入桩可采用部分斜桩)，对软土地基加载预压等。 ②地基软土下沉对基桩的影响 软土下沉使基桩承受到负摩阻力，将产生较大的沉降或

使桩身纵向压屈破坏，必须予以重视。基桩上负摩阻力产生原因、条件及计算等请参阅桩基础一章有关的介绍。

（3）沉井基础

在较厚较软弱土上下沉沉井，往往因下沉速度较快而发生沉井倾斜、位移等，应事先注意采取防备措施，如选用轻型沉井、平面形状采用圆形或长宽比较小的矩形、立面形状采用竖直式等，施工时尽量对称挖土控制均匀下沉并及时纠偏。 四 软土地基桥台及桥头路堤的稳定设计应注意的事项 软土地基抗剪强度低，在稍大的水平力作用下桥台和桥头路堤容易发生地基的纵向滑动 失稳，应按已介绍的方法进行验算，如稳定性不够，小桥可采用支撑梁、人工地基等，大中桥梁除将浅基改为桩基，采用人工地基、延长引桥使填土高度降低或桥台移至稳定土层上外，常用方法是采取减少台后土压力措施或在台前加筑反压护道(应注意台前过水面积的保证)，埋置式桥台也可同时放缓溜坡，反压护道（溜坡)长度、高度、坡度，以及地基加固方法等都应该经计算确定，施工时注意台前、后填土进度的配合，避免有过大的高差。

桥头路堤填土(包括桥台锥坡)横向失稳也须经过验算加以保证，需要时也应放缓坡度或 加筑反压护道。

桥头路堤填土稍高时，路堤下沉使桥台后倾是软土地区桥梁工程常发生的事故。除应对桥台基础采取前述的有针对性的结构措施及改用轻质材料填筑路堤外，一般也常对路堤的地基采取人工加固处理。

第三节 换土垫层法

在冲刷较小的软土地基上，地基的承载力和变形达不到基础设计要求，且当软土层不太厚(如不超过3m)时，可采用较经济、简便的换土垫层法进行浅层处理。即将软土部分或全部挖除，然后换填工程特性良好的材料，并予以分层压实，这种地基处理方法称为换填垫层法。垫层处治应达到增加地基持力层承载力，防止地基浅层剪切变形的目的。

换填的材料主要有砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等，应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特性。当软土层部分换填时，地基便由垫层及(软弱)下卧层组成如图6—4所示，足够厚度的垫层置换可能被剪切破坏的软土层，以使垫层底部的软弱下卧层满足承载力的要求，而达到加固地基的目的。按垫层回填材料的不同，可分别称为砂垫层、碎石垫层等。

换填垫层法设计的主要指标是垫层厚度和宽度，一般可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行设计。

一、 砂垫层的设计计算

(一)砂垫层厚度的确定

砂垫层厚度计算实质上是软弱下卧层顶面承载力的验算，计算方法有多种。 一种方法是按弹性理论的土中应力分布公式计算。即将砂垫层及下卧土层视为一均质半无限弹性体，在基底附加应力作用下，计算不同深度的各点土中附加应力并加上土的自重应 力，同时以第二章所介绍的“规范”方法计算地基土层随深度变化的容许承载力，并以此确定

砂垫层的设计厚度，如图6-4所示。也可将加固后地基视为上层坚硬、下层软弱的双层地基，用弹性力学公式计算。

另一种是我国目前常用的近似按应力扩散角进行计算的方法。即认为砂垫层以“?”角向下扩散基底附加压力，到砂垫层底面(下卧层顶面)处的土中附加压应力与土中自重应力之和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力，即：

?H????H （6-9）

式中：???H (kPa)为下卧层顶面处地基的容许承载力，可按第 章方法计算，通常只进行下卧层顶面深度修正，而压应力?H的大小与基底附加压力、垫层厚度、材料重等有关。 若考虑平面为矩形的基础，在基底平均附加应力?作用下，基底下土中附加压应力按扩散角?通过砂垫层向下扩散到软弱下卧层顶面，并假定此处产生的压应力平面呈梯形分布(图6-5)(在空间呈六面体形状分布)，根据力的平衡条件可得到：

lb??[?b?hstg??l?bhstg??则该处下卧层顶面的附加压应力σh为：

4?hstg??2]?h 3?h?lb? （6-10）

4??lb??l?b?hstg??hstg?3??式中：l—基础的长度(m)；

b—基础的宽度(m)； hs—砂垫层的厚度(m)；

?—基底处的附加应力(kPa)；

。。

?—砂垫层的压应力扩散角，一般取35～45，根据垫层材料选用。

图6-4 砂垫层及应力分布 图6-5 砂垫层应力扩散图 砂垫层底面下的下卧层同时还受到垫层及基坑回填土的重力，所以

?H??h??shs??h （6-11）

式中：?s、?—砂垫层、回填土的重度(kN／m3)，水下时按浮重度计算，

h—基坑回填土厚度(m)。

由式(6—13)、(6—14)、(6—15)可得到砂垫层所需厚hs。hs一般不宜小于lm或超过3m，垫层过薄，作用不明显，过厚需挖深坑，费工耗料，经济、技术上往往不合理。当地基土软且厚或基底压力较大时，应考虑其它加固方案。

(二)砂垫层平面尺寸的确定 砂垫层底平面尺寸应为：

L?l?2hstg?

B?b?2hstg? （6-12）

其中L、B分别为砂垫层底平面的长及宽，一般情况砂垫层顶面尺寸按此确定，以防止承受荷载后垫层向两侧软土挤动。 (三)基础最终沉降量的计算

砂垫层上基础的最终沉降量是由垫层本身的压缩量Ss与软弱下卧层的沉降量Sl所组成，其压缩量小且在施工阶段基本完成，S?Ss?Sl由于砂垫层压缩模量比较弱下卧层大得多，实际可以忽略不计。需要时Ss也可按下式求得：

Ss????H2?hs （6-17） Es式中： Es—砂垫层的压缩模量，可由实测确定，一般为12 000～24 000kPa：

???H2—砂垫层内的平均压应力。

Sl可用有关章节介绍方法计算。S的计算值应符合建筑物容许沉降量的要求，否则应加厚垫层或考虑其它加固方案。

第四节 排水固结法

饱和软粘土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙体积慢慢地减小，地基发生固结变形。同时，随着超静孔隙水压力逐渐消散， 有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长。现 以图6-6为例，可说明排水固结法使地基土密 实、强化的原理。在如图6-6a中，当土样的天

'然有效固结压力为?0。时，孔隙比为e。，在 'e—?c曲线上相应为a点，当压力增加??，

'固结终了时孔隙比减少?e，相应点为c点，曲 线abc为压缩曲线，与此同时，抗剪强度与固结 压力成比例地由a点提高到c点，说明土体在受 压固结时，与孔隙比减小产生压缩的同时，抗剪

强度也得到提高。如从c点卸除压力??，则土样 发生回弹，图6-6a中cef为卸荷回弹曲线，如从

f点再加压??，土样再压缩将沿虚线到c?，其相 图6-6 室内压缩试验说明排水固结法原理

''应的强度包线，如图6-l5b所示。从再压缩曲线fgc?可 a) e-?c曲线 b) τ-?c曲线

''看出，固结压力同样增加??而孔隙比减小值为?e，?e比?e小的多。这说明如在建筑场地上先加一个和上部结构相同的压力进行加载预压使土层固结，然后卸除荷载，再施工建筑物，可以使地基沉降减少，如进行超载预压(预压荷载大于建筑物荷载)效果将更好，但预压荷载不应大于地基土的容许承载力。

排水固结法加固软土地基是一种比较成熟、应用广泛的方法，它主要解决沉降和稳定问题

'''一、砂井堆载预压法

软粘土渗透系数很低，为了缩短加载预压后排水固结的历时，对较厚的软土层，常在地基中设置排水通道，使土中孔隙较快排出水。可在软粘土中设置一系列的竖向排水通道(砂井、袋装砂井或塑料排水板)，在软土顶层设置横向排水砂垫层如图6-7所示，借此缩短排水途程，增加排水通道，改善地基渗透性能。

（一） 砂井地基的设计

砂井地基的设计主要包括选择适当的砂井直径、间距、深度、排列方式、布置范围以及形成砂井排水系统所需的材料、砂垫层厚度等，以使地基在堆载预压过程中，在预期的时间内，达到所需要的固结度（通常定为80%）。

1．砂井的直径和间距：砂井的直径和间距 主要取决于土的固结特性和施工期的要求。从 原则上讲，为达到相同的固结度，缩短砂井间 距比增加砂井直径效果要好，即以“细而密” 为佳，不过，考虑到施工的可操作性，普通砂 井的直径为300~500mm。砂井的间距可根据地 基土的固结特征和预定时间内所要求达到的固 结度确定，间距可按为直径的6~8倍选用。

2．砂井深度：砂井深度主要根据土层 的分布、地基中的附加应力大小、施工期限

和条件及地基稳定性等因素确定。当软土不厚 图6-7 砂井堆载预压

（一般为10~20m）时，尽量要穿过软土层达到砂层；当软土过厚（超过20m）,不必打穿粘土，可根据建筑物对地基的稳定性和变形的要求确定。对以地基抗滑稳定性控制的工程，竖井深度应超过最危险滑动面2.0m以上。

3．砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或等边三角形(图6-8)，在大面积荷载作用下，认为每个砂井均起独立排水作用。为了简化计算，将每个砂井平面上的排水影响面积以等面积的圆来代替，可得一根砂井的有效排水圆柱体的直径de和砂井间距l的关系按下式考虑：

等边三角形布置 de?23?l?1.05l （6-18）

正方形布置 de?4?l?1.128l （6-19）

4．砂井的布置范围：由于在基础以外一定的范围内仍然存在压应力和剪应力，所以砂井的布置范围应比基础范围大为好，一般由基础的轮廓线向外增加2~4m。

5．砂料：砂料宜用中、粗砂，必须保证良好

的透水性，含泥量不应超过3%，渗透系数应大于10-3cm/s。

6．砂垫层：为了使砂井有良好的排水通

道，砂井顶部应铺设砂垫层，垫层砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般为0.5 m~1 m。

（二）砂井地基的固结度的计算 砂井固结理论采取了下列的假设条件： 图6-8 砂井的平面布置及固结渗透途径

①地基土是饱和的，固结过程是土中孔隙水的排出过程；②地基表面承受连续均匀的一次施加的荷载；③地基土在该荷载作用下仅有竖向的压密变形，整个固结过程地基土渗透系数不变；④加荷开始时，所有竖向荷载全部由孔隙水承受。

采用砂井的地基固结度计算属于三维问题。在轴对称条件下的单元井固结课题，如图6-8所示。可采用Redulic－Terzaghi固结理论，其表达式为

?u?2u?2u1?u?CV2?Cr(2?) （6-20） ?tr?r?z?r式中 CV、Cr－地基的竖向和水平向固结系数（m/s2）；

r，z－距离砂井中轴线的水平距离和深度（m）。

为了求解方便，采用了分离变量原理，设u?uzur，则式（6-20）可分解成

?uz?2u ?CV2 （6-21a）

?t?z

?ur?2u1?u?Cr(2?) （6-21b） ?tr?r?r方程（6-21a）的求解，可以采用Terzaghi解答，其固结度的计算公式为 Uz?1?8?i?0?exp(?Ai2Cvt/(2L)2)Ai2 其中Ai??(2i?1) （6-22）

方程（6-21b）已由Barron(1948)根据等应变条件解出，其水平向固结度的计算公式为 Ur?1?exp(?其中

Tr?Crt2de8Tr) （6-23） Fn

n23n2?1lnn? Fn?2 n?14n2

式中 Tr—水平向固结的时间因素，无量纲； t—固结时间（s）；

L—砂井垂直长度（竖向排水距离）（m）； n—井径比n=de/dw，无量纲；

de ，dw—砂井的有效排水直径（m）和砂井直径（m）。

根据前述的分离变量原理u?uzur，则整个土层的平均超静孔隙水压力为 u?uzur 同理，对起始孔隙水压力值的平均值仍然有 u0?u0zu0r 上述两式相除后，可得到

uu0?uruzuoruoz

再根据固结度的概念，土层的平均固结度

Ut?1?uu或?1?Ut 6-24 u0u0uru0ruzu0z同理,可得竖向和径向平均固结度为

Ur?1? Uz?1?uru0r或或

?1?Ur 6-25a ?1?Uz 6-25b

uzu0z从式（6-24、或（6-25）可得

1?Ut?(1?Ur)(1?Uz)或Ut?1?(1?Ur)(1?Uz) （6-26） 上述推导得到的（6-26），即Carrillo（1942）原理。根据这一原理，以及上述Terzaghi和Barron的解答，则可计算出砂井地基的平均固结度。

为了实际应用方便，将式(6-26)中Ur与Tr、n的函数关系制成表6-4以供查用。

径向平均固结度Ur，与时间因素Tr及井径比n的关系 表6-4 n Ur 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.1 0.0098 0.0122 0.0144 0.0163 0.0180 0.0196 0.0206 0.0220 0.0230 0.0239 0.0250 0.2 0.0208 0.0260 0.0306 0.0356 0.0383 0.0416 0.0440 0.0467 0.0490 0.0507 0.0531 0.3 0.0331 0.0413 0.0490 0.0552 0.0610 0.0664 0.0700 0.0746 0.0780 0.0810 0.0848 0.4 0.0475 0.0590 0.0700 0.0790 0.0875 0.0950 0.1000 0.1070 0.1120 0.1160 0.1215 0.5 0.0642 0.0800 0.0946 0.1070 0.1182 0.1287 0.1367 0.1446 0.1518 0.1570 0.1663 0.6 0.0852 0.1065 0.1254 0.1417 0.1570 0.1705 0.1800 0.1920 0.2008 0.2080 0.2186 0.7 0.1118 0.1390 0.1648 0.1860 0.2060 0.2230 0.2360 0.2520 0.2630 0.2730 0.2860 0.8 0.1500 0.1870 0.2210 0.2490 0.2760 0.3000 0.3160 0.3380 0.3530 0.3660 0.3830 0.9 0.2140 0.2680 0.3160 0.3560 0.3950 0.4380 0.4530 0.4820 0.5050 0.5240 0.5480 例题 有一饱和软粘性土层，厚8m，其下为砂层，打穿软粘土到达砂层的砂井直径为 0.3m，平面布置为梅花形，间距l=2.4m；软粘土在150kPa均布压力下的竖向固结系数CV＝0.15mm2／s，水平向固结系数Cr＝0.29mm2／s，求一个月时的固结度。 解 竖向排水固结度Uv的计算

地基上设置砂垫层，该情况为两面排水 H＝8／2= 4 (m) TV?CV0.15?30?86400t??0.024 22H?4000?8exp(???? Uz?1??283.142Tv)?1?exp(??0.024) 243.14 =0.235

径向排水固结度Ur的计算

de?2400?1.050?2520?mm? n? Tr?2520?8.4 300Crde2t?0.29?30?86400?2520?2?0.1184

8.423?8.42?1ln?8.4???1.014?2.13?0.746?1.414 Fn?8.42?14?8.42 Ur?1?exp(?88Tn)?1?exp(??0.1184)?1?0.51?49% Fn1.414砂井地基总平均固结度 Ut?1??1?0.235??1?0.49??1?0.39?61%

不打砂井，依靠上下砂层固结排水，一个月地基固结度仅23.5%，设砂井后为61%。

以上介绍的径向排水固结理论，是假定初始孔隙水压力在砂井深度范围内为均匀分布的，即只有荷载分布面积的宽度大于砂井长度时方能满足，并认为预压荷载是一次施加的，如荷载分级施加，也应对以上固结理论予以修正，详见有关砂井设计规范和专著，此处不再赘述。

对于未打穿软粘土层的固结度计算，因边界条件不同(需考虑砂井以下软粘土层的固结 度)，不能简单套用式(6-26)，可以按下式近似计算其平均固结度：

U??Ut??1???Uz （6-27）

'式中： U—整个受压土层平均固结度；

?—砂井深度L与整个饱和软粘性土层厚度H的比值，??L； H Ut—砂井深度范围内土的固结度，按式(6-26)计算：

U?z—砂井以下土层的固结度，按单向固结理论计算，近似将砂井底面作为排水面。 砂井的施工工艺与砂桩大体相近，具体参照砂桩的施工工艺。

二、袋装砂井和塑料排水板预压法

用砂井法处理软土地基如地基土变形较大或施工质量稍差常会出现砂井被挤压截断，不 能保持砂井在软土中排水通道的畅通，影响加固效果。近年来普通在砂井的基础上，出现了

以袋装砂井和塑料排水板代替普通砂井的方法，避免了砂井不连续缺点，而且施工简便、加快了地基的固结，节约用砂，在工程中得到日益广泛的应用。 (一)袋装砂井预压法

目前国内应用的袋装砂井直径一般为70~120mm，间距为1.0m~2.0m(井径比n约取15~20)。砂袋可采用聚丙烯或聚乙烯等长链聚合物编织制成，应具有足够的抗拉强度、耐腐蚀、对人体无害等特点。装砂后砂袋的渗透系数不应小于砂的渗透系数。灌入砂袋的砂应为中、粗砂并振捣密实。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少300mm，并不得卧倒。 袋装砂井的设计理论、计算方法基本与普通砂井相同，它的施工已有相应的定型埋设机械，与普通砂井相比，优点是：施工工艺和机具简单、用砂量少；它间距较小，排水固结效率高，井径小，成孔时对软土扰动也小，有利于地基土的稳定，有利于保持其连续性。 (二)塑料排水板预压法

塑料排水板预压法是将塑料排水板用插板机插入加固的软土中，然后在地面加载预压，使土中水沿塑料板的通道逸出，经砂垫层排除，从而使地基加速固结。 塑料板排水与砂井比较具有如下优点：

1，塑料板由工厂生产，材料质地均匀可靠，排水效果稳定； 2．塑料板重量轻，便于施工操作；

3．施工机械轻便，能在超软弱地基上施工；施工速度快，工程费用便宜。

塑料排水板所用材料、制造方法不同，结构也不同，基本上分两类。一类是用单一材料制成的多孔管道的板带，表面刺有许多微孔（如图6-9）；另一类是两种材料组合而成，板芯为各种规律变形断面的芯板或乱丝、花式丝的芯板，外面包裹一层无纺土工织物滤套（如图6-10）。

塑料排水板可采用砂井加固地基的固结理 论和设计计算方法。计算时应将塑料板换算成

相当直径的砂井，根据两种排水体与周围土接 图6-9 多孔单一结构型塑料排水板 触面积相等原理进行换算，当量换算直径dP为 dp?2?b???? （6-28）

式中：b—塑料板宽度(mm)， ?—塑料板厚度(mm)，

目前应用的塑料排水板产 品成卷包装，每卷长约数百 米，用专门的插板机插入软土 地基，先在空心套管装入塑料 排水板，并将其一端与预制的 专用钢靴连接，插入地基下预

定标高处，拔出空心套管，由于 6-10 复合结构塑料排水板

土对钢靴的阻力，塑料板留在软土中，在地面将塑料板切断，即可移动插板机进行下一个循环作业。

三、天然地基堆载预压法

天然地基堆载预压法是在建筑物施工前，用与设计荷载相等(或略大)的预压荷载(如砂、 土、石等重物)堆压在天然地基上使地基软土得到压缩固结以提高其强度(也可以利用建筑物

本身的重量分级缓慢施工)，减少工后的沉降量，待地基承载力、变形达到设计预期要求后，将预压荷载撤除，在经预压的地基上修建建筑物。此方法费用较少，但工期较长。如软土层不太厚，或软土中夹有多层细、粉砂夹层渗透性能较好，不需很长时间就可获得较好预压效果时可考虑采用，否则排水固结时间很长，应用就受到限制。此法设计计算可用一维固结理论。

四、真空预压法和降水位预压法

真空预压法实质上是以大气压作为预压荷重的一种预压固结法（图6-11）。在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道(普通砂井、袋装砂井或塑料排水板)，再用不透气的封闭薄膜覆盖软土地基，使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设的吸水管道，用真空泵进行抽气，使其形成真空，当真空泵抽气时，先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐渐形成负压，使土体内部与排水通道、垫层之间形成压力差，在此压力差作用下，土体中的孔隙水不断排水，从而使土体固结。

降低水位预压法是借井点抽水降低地下水位，以增加土的自重应力， 达到预压目的。其降低地下水位原理、方法和需要设备基本与井点法基坑排水相同。地下水位降低使地基中的软弱土层承受了相当于水位下降高度水柱的重量而固结，增加了土中的有效应力。这一方法最适用于渗透性较好的砂土或粉土或在软粘土层中存在砂土层的情况，使用前应摸清土层分布及地下水位情况等。

采用各种排水固结方法加固后的地基，均应进行质量检验。检验方法

图6-11 真空预压工艺设备平面和剖面图 可采用十字板剪切试验、旁压试验、荷载试验或常规土工试验，以测定其加固效果。

第五节 挤(振)密法

在不发生冲刷或冲刷深度不大的松散土地基(包括松散中、细、粉砂土，粉土，松散细粒炉渣， 杂填土以及IL<1、孔隙比接近或大于1的含砂量较多的松软粘性土)，如其厚度较大，用砂垫层处理施工困难时，可考虑采用砂桩深层挤密法，以提高地基承载力，减少沉降量和增强抗液化能力。对于厚度大的饱和软粘土地基，由于土的渗透性小，此法加固不易将土挤密实，还会破坏土的结构强度，主要起到置换作用，加固效果不大，宜考虑采用其他加固方法如砂井预压、高压喷射、深层搅拌法等。下面介绍常用的挤密砂桩法、夯（压）实法和振动法三类。

一、挤密砂桩法

挤密砂（或砂石）桩法是用振动、冲击或打入套管等方法在地基中成孔(孔径一段为

300mm～600mm)然后向孔中填入含泥量不大于5%的中、粗砂、粉、细砂料应同时掺入25%~35%碎石或卵石，再加以夯挤密实形成土中桩体从而加固地基的方法。对松散的砂土层，砂桩的加固机理有挤密作用、排水减压作用和砂土地基预振作用，对于松软粘性土地基中，主要通过桩体的置换和排水作用加速桩间土的排水固结，并形成复合地基，提高地基的承载力和稳定性，改善地基土的力学性质。对于砂土与粘性土互层的地基及冲填土，砂桩也能起到一定的挤实加固作用。

挤密砂桩的设计如下：

（一）砂土加固范围的确定

砂桩加固的范围A(m2)必需稍大于基础的面积（图6-12） ，一般应自基础向外加大不少于0.5m或0.1b(b为基础短边 的宽度，以m计)。一般认为砂（石）桩挤密地基的宽 度应超出基础宽度，每边宽度不少于1?3排；用于防止 砂土液化时，每边放宽不宜少于处理深度的1/2，且不小 于5m；当可液化层上覆盖有厚度大于3m的非液化土层

时，每边放宽不应小于液化层厚度的1/2，并不应小于3m。

(二)所需砂桩的面积A1 图6-12 砂桩加固的平面布置 A1的大小除与加固范围A有关外，主要与土层加固后所需达到的地基容许承载力相对应的孔隙比有关。图6-13表示砂桩加固后的地基。假设砂桩加固前地基土的孔隙比为e0，砂土加固范围为A，加固后土孔隙比为e1。从加固前后的地基中取相同大小的土样(图6-13b)可见，加固前后原地基土颗粒所占体积不变，由此可得所需砂桩的面积A1（m2）

A1?e0?e1A (6-29)

1?e0

砂土：

e1 = emax― Dr (emax―emin)

emax及emin由相对密度试验确定，Dr值根据地质情况、荷载大小及施工条件选择，可采用0.7~0.85；

饱和粘性土：

e1 =ds[wp ― IL(WL―Wp)] 式中 ds─ 土粒的比重；

wL, wp ─ 土的液限和塑限；

IL─ 液性指数，粘土可取0.75，粉质

粘土取0.5。

对粉土根据试验资料e1 = 0.6~0.8，砂质粉土

图6-13 砂桩加固后的地基情况 取较低值，粘质粉土取较高值。 e1值也可根据加固后地基要求的承载力或抗

液化确定。

(三)砂桩根数

确定A1后，可根据施工设备的能力，地基的类型和地基处理的加固要求，确定砂桩的直径d(m)，目前国内实际采用的直径一般为0.3?0.6m，由此求出砂桩根数n，则砂桩根数约为：

n?4A1 （6-30） ?d2(四) 砂桩的布置及其间距

为了使挤密作用比较均匀，砂桩的可按正方形、梅花形布置或等边三角形，也可以为其他形式，如放射形等。

当布置为梅花形时，图6-14所示，

?abc为挤密前软土，面积为A，被砂桩挤密

后该面积内的松软土被挤压到阴影所示的部分。 砂桩面积A1从图6-5可知为：

?1??d2 A?3?????6?4?abc的面积 A=

???d2???=8 (6-31） ??32l （6-32） 图6-14 按梅花形布置砂桩 4将式(6-31)、(6-32)代入式(6-29)解得：

l?0.952d1?e0 （6-33）

e0?e1式中l为砂桩的间距(m)，一般为(3~5)d。

当布置为正方形时，同理可得：

l?0.887d1?e0 （6-34）

e0?e1在工程实践中，除了理论计算外，常常通过现场试验确定砂桩的间距及加固的效果。

(四)砂桩长度

如软弱土层不很厚，砂桩一般应穿透软土层，如软弱土层很厚，砂桩长度可按桩底承载力和沉降量的要求，根据地基的稳定性和变形验算确定。 （五）砂桩的灌砂量

为保证砂桩加固后地基达到设计要求的的质量，每根桩应灌入足够的砂量Q(kN)，以保证加固后土的密实度达到设计要求。则每根砂桩的灌砂量为：

Q?A1?l??式中：

??A1l?ds(1?0.01w)?w （6-35） 1?eA1—砂桩面积

l—砂桩长度

r—为加固后的孔隙比e1的砂桩内砂土重度(kN／m3)；

?w—水的重度(kN／m3)；

w—灌入砂的含水量（以百分数计）； ds─土颗粒比重。

由式(6-35)计算所得灌砂量是理论计算值，应考虑各种可能损耗，备砂量应大于此值。 砂桩用于加固粘性土时，地基承载力应按后面介绍的复合地基计算或复核，并在需要时进行沉降验算。

砂桩施工可采用振动式或锤击式成孔。振动式是靠振动机的垂直上下振动作用，把带桩靴或底盖的钢套管打入土中成孔，填入砂料振动密实成桩(一面振动一面拔出套管)；锤击式是将钢套管打入土中，其他工艺与振动式基本相同，但灌砂成桩和扩大是用内管向下冲击而成。

筑成的砂桩必须保证质量要求：砂桩必须上下连续，确保设计长度；每单位长度砂桩投砂量应保证；砂桩位置的允许偏差不大于一个砂桩直径，垂直度允许偏差不大于1.5%；加固后地基承载力可用静载试验确定，桩及桩间土的挤密质量可采用标准贯入法、动力触探法、静力触探法等进行检测。

除用砂作为挤密填料外，还可用碎石、石灰、二灰(石灰、粉煤灰)、素土等填实桩孔。石灰、二灰还有吸水膨胀及化学反应而挤密软弱土层的作用。这类桩的加固原理与设计方法与砂桩挤密法相同。

二、夯 （压） 实 法

夯（压）实法对砂土地基及含水量在一定范围内的软弱粘性土可提高其密实度和强度，减少沉降量。此法也适用于加固杂填土和黄土等。按采用夯实手段的不同可对浅层或深层土起加固作用，浅层处理的换土垫层法（第二节）需要分层压实填土，常用的压实方法是碾压法、夯实法和振动压实法。还有浅层处理的重锤夯实法和深层处理的强夯法(也称动力固结法）。

(一)重锤夯实法

重锤夯实法是运用起重机械将重锤(一般不轻于15kN)提到一定高度(3~4m)然后锤自由落下，这样重复夯击地基，使它表层(在一定深度内)夯击密实而提高强度。它适用于砂土、稍湿的粘性土，部分杂填土、湿陷性黄土等，是一种浅层的地基加固方法。

重锤的式样常为一截头圆锥体(图6-5)，重为15~30kN，锤底直径0.7m~1.5m，锤底面自重静压力约为15~25kPa，落距一般采用2.5~4.0m。

重锤夯实的有效影响深度与锤重、锤底直径、落距及地质条件有关。 国内某地经验，一般砂质土，当锤重为15kN，锤底直径1.15m，落距 3~4m时，夯击6~8遍，夯击有效深度约为1.10~1.20m，为达到预期

加固密实度和深度，应在现场进行试夯，确定需要的落距、夯击遍数等。

夯击时，土的饱和度不宜太高，地下水位应低于击实影响深度， 在此深度范围内也不应有饱和的软弱下卧层，否则会出现“橡皮土”现 象，严重影响夯实效果，含水量过低消耗夯击功能较大，还往往达不到 预期效果。一般含水量应尽量控制接近击实土的最佳含水量或控制在塑 液限之间而稍接近塑限，也可由试夯确定含水量与锤击功能的规律，以 求能用较少的夯击遍数达到预期的设计加固深度和密实度，从而指导施 工。一般夯击遍数不宜超过8~12遍，否则应考虑增加锤重、落距或调

整土层含水量。 图6-15 夯锤 重锤夯实法加固后的地基应经静载试验确定其承载力，需要时还应对软弱下卧层承载力及地基沉降进行验算。 (二)强夯法

强夯法，亦称为动力固结法，是一种将较大的重锤(一般约为80~400kN，最重达2000kN)从6~20m高处(最高达40m)自由落下，对较厚的软土层进行强力夯实的地基处理方法。

它的显著特点是夯击能量大，因此影 响深度也大。并具有工艺简单，施工速度 快、费用低、适用范围广、效果好等优点。 强夯法适用于碎石类土、砂类土、杂填 土、低饱和粉 土和粘 土、湿陷性

黄土等地基的加固，效果较好。对于高饱 和软粘土(淤泥及淤泥质土) 强夯处理 效果较差，但若结合夯坑内回填块石、碎 石或其他粗粒料，强行夯入 形成复 合地基（称为强夯置换或动力挤淤），处理 图6-11 强夯法示意图 效果较好。

强夯法虽然在实践中已被证实是一种 较好的地基处理方法，但其加固机理研究尚 待完善。目前对强夯加固机理根据土的类别 图6-16 强夯法示意图 和强夯施工工艺的不同分为三种加固机理：

（1）.动力挤密：在冲击型荷载作用下，在多孔隙、粗颗粒、非饱和土中，土颗粒相对位移，孔隙中气体被挤出，从而使得土体的孔隙减小、密实度增加、强度提高以及变形减小；（2）动力固结：在饱和的细粒土中，土体在夯击能量作用下产生孔隙水压力使土体结构被破坏，土颗粒间出现裂隙，形成排水通道，渗透性改变，随着孔隙水压力的消散土开始密实，抗剪强度、变形模量增大。在夯击过程中并伴随土中气体体积的压缩，触变的恢复，粘粒结合水向自由水转化等。图6-16为某一工地土层强夯前后强度提高的测定情况；（3）动力置换：在饱和软粘土特别是淤泥及淤泥质土中，通过强夯将碎石填充于土体中，形成复合地基，从而提高地基的承载力。

强夯法的设计如下：

(1)有效加固深度：强夯的有效加固深度 影响因素很多，有锤重、锤底面积和落距， 还有地基土性质，土层分布，地下水位以及 其他有关设计参数等。我国常采用的是根据 国外经验方式进行修正后的估算公式：

H??Mh （6-36）

式中：H—有效加固深度(m)；

M—锤重(以10kN为单位)； h—落距(m)；

α—对不同土质的修正系数，参见表6-5

图6-17

修正系数α 表6-5 土的名称 α 黄土 0.45~0.60 一般对粘性土、砂土 粉土 0.55~0.65 0.65~0.70 碎石土（不包括 块石、矿渣 块石、漂石） 0.60~0.75 0.49~0.50 0.55~0.75 人工填土 上式未反映土的物理力学性质的差别，仅作参考，应根据现场试夯或当地经验确定，缺乏资料时也可按相关规范提供的数据预估。

（2）强夯的单位夯击能：

单位夯击能指单位面积上所施加的总夯击能，它的大小应根据地基土的类别、结构类型、荷载大小和处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定。对于粗粒土可取1000~4000)KN·m／m2；对细粒土可取1500~5000kN·m／m2。夯锤底面积对砂类土一般为(3~4)m2，对粘性土不宜小于6m2。夯锤底面静压力值可取24~40kPa，强夯置换锤底静压力值可取40~200 kPa。实践证明，圆形夯锤底并设置可取250~300mm的纵向贯通孔的夯锤，地基处理的效果较好。

（3）夯击次数与遍数：

夯击次数应根据现场试夯的夯击次数和夯沉量关系曲线以及最后两击夯沉量之差并结合现场具体情况来确定。施工的合理夯击次数，应取单击夯沉量开始趋于稳定时的累计夯击次数，且这一稳定的单击夯沉量即可用作施工时收锤的控制夯沉量。但必须同时满足：

① 最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时，应不大于100mm， 当单击夯击能大于6000kN·m时不大于200mm；

②夯坑周围地基不应发生过大的隆起； ③不因夯坑过深而发生起锤困难。

各试夯点的夯击数，应使土体竖向压缩最大，而侧向位移最小为原则，一般为5~15击。 夯击遍数一般为2~3遍，最后再以低能量满夯一遍。

（4）间歇时间：对于多遍夯击，两遍夯击之间应有一定的时间间隔，主要取决于加固土层孔隙水压力的消散时间。对于渗透性较差的粘性土地基的间隔时间，应不小于3~4周，渗透性较好的地基可连续夯击。

（5）夯点布置及间距：夯点的布置一般为正方形、等边三角形或等腰三角形，处理范围应大于基础范围，宜超出1/2~2/3的处理深度，且不宜小于3m。夯间距应根据地基土的性质和要求处理的深度来确定。一般第一遍夯击点间距可取5~9m，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可与第一遍相同，也可适减小。

强夯法施工前，应先在现场进行原位试验(旁压试验、十字板试验、触探试验等)，取原状土样测定含水量、塑限液限、粒度成分等，然后在试验室进行动力固结试验或现场进行试

验性施工，以取得有关数据。为按设计要求(地基承载力、压缩性、加固影响深度等)确定施工时每一遍夯击的最佳夯击能、每一点的最佳夯击数、各夯击点间的间距以及前后两遍锤击之间的间歇时间(孔隙承压力消散时间)等提供依据。

强夯法施工过程中还应对现场地基土层进行一系列对比的观测工作，包括：地面沉降测定；孔隙水压力测定；侧向压力、振动加速度测定等。对强夯加固后效果的检验可采用原位测试的方法如现场十字板、动力触探、静力触探、荷载试验、波速试验等；也可采用室内常规试验、室内动力固结试验等。

近年来国内外有采用强夯法作为软土的置换手段，用强夯法将碎石挤入软土形成碎石垫层或间隔夯入形成碎石墩(桩)，构成复合地基，且已列相关的行业规范。

强夯法除了尚无完整的设计计算方法，施工前后及施工过程中需进行大量测试工作外，还有诸如噪声大，振动大等缺点，不宜在建筑物或人口密集处使用；加固范围较小(5000cm2)时不经济。

三、振冲法

振冲法主要的施工机具是振冲器、吊机和水泵。振冲器是一个类似插入式混凝土振捣器的机具，其外壳直径为0.2m~0.45m，长2~5m，重约20~50kN，筒内主要由一组偏心块、潜水电机和通水管三部分组成如图6-8所示。

振冲器有两个功能，一是产生水平向振动力(40～90kN)作用于周围土体；二是从端部和侧部进行射水和补给水。振动力是加固地基的主要因素，射水起协助振动力在土中使振冲器钻进成孔，并在成孔后清孔及实现护壁作用。

施工时，振冲器由吊车或卷扬机就位后(图6-9)，打开下喷水口，启动振冲器，在振动力和水冲作用下，在土层中形成孔洞，直至设计标高。然后经过清孔，用循环水带出孔中稠泥浆后，向桩孔逐段添加填料(粗砂、砾砂、碎石、卵石等)，填料粒径不宜大于80mm，碎石常用20mm~50mm，每段填料均在振冲器振动作用下振挤密实，达到要求密实度后就可以上提，重复上述操作直至地面，从而在地基中形成一根具有相当直径的密实桩体，同时孔周围一定范围的土也被挤密。孔内填料的密实度可以从振动所耗的电量来反映，通过观察电流变化来控制。不加填料的振冲法密实法仅适用于处理粘粒含量不大于10%的粗砂、中砂地基。

振冲法的显著优点是用一个较轻便的机具，将强大的水平振动(有的振冲器也附有垂直向的振动)直接递送到深度可达20m左右的软弱地基内，施工设备较简单，操作方便，施工速度快，造价较低。缺点是加固地基时要排出大量的泥浆，环境污染比较严重。

振冲法法根据其加固机理不同，可分为振冲置换和振冲密实两类（见表6-1）。 (一)对砂类土地基

振动力除直接将砂层挤压密实外，还向饱和砂土传播加速度，因此在振冲器周围一定范围内砂土产生振动液化。液化后的土颗粒在重力、上覆土压力及外添填料的挤压下重新排列变得密实，孔隙比大为减小，从而提高地基承载力及抗震能力；另一方面，依靠振冲器的重复水平振动力，在加回填料情况下，通过填料使砂层挤压加密。 (二)对粘性土地基

软粘性土透水性很低，振动力并不能使饱和土中孔隙水迅速排除而减小孔隙比，振动力主要是把添加料振密并挤压到周围粘土中去形成粗大密实的桩柱，桩柱与软粘土组成复合地基。复合地基承受荷载后，由于地基土和桩体材料的变形模量不同，故土中应力集中到桩柱上，从而使桩周软土负担的应力相应减少。与原地基相比，复合地基的承载力得到提高。

图6-18 振冲器构造示意图 图6-19 振冲施工过程

振冲法处理地基最有效的土层为砂类土和粉土，其次为粘粒含量较小的粘性土，对于粘粒含量大于30%的粘性土，则挤密效果明显降低，主要产生置换作用。

振冲桩加固砂类土的设计计算，类似于挤密砂桩的计算，即根据地基土振冲挤密前后孔隙比进行；对粘性土地基应按后面介绍的复合地基理论进行，另外也可通过现场试验取得各项参数。当缺乏资料时，可参考表6-6进行设计。

表6-6

加固方法 孔位的布置 振冲置换法 等边三角形和正方形 间距应根据荷载大小，原地基土的抗剪强度确定，可用1.5~2.5m。荷载大或原土强度低时，宜取较小间距；反之，宜取较大间距。对桩端未达孔位的间距 和桩长 到相对硬层的短桩，应取小间距。桩长的确定，当相对硬层的埋深不大时，按其深度确定，当相对硬层的埋深较大时，按地基的变形允许值确定。不宜短于4m。在可液化的地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩直径按所用的填料量计算，常为0.8~1.2m。 碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料，最大直径填料 宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗的前提下，粒径越粗，加密效果越好。 振冲密实法 等边三角形和正方形 孔位的间距视砂土的颗粒组成、密实要求、振冲器功率等而定，砂的粒径越细，密实要求越高，则间距应越小。使用30kW振冲器，间距一般为1.3~2.0m；55kw振冲器间距可采用1.4~2.5m；使用75kW大型振冲器，间距可加大到1.6~3.0m。 不宜大于80mm，对碎石常用粒径为20~50mm。 砂、中砂等硬质材料，在施工不发生困难 振冲法加固砂性土地基，宜在加固半个月后进行效果检验，粘性土地基则至少要一个月才能进行。检验方法可采用静载试验，标准贯入试验，静力触探或土工试验等方法，对加固前后进行对比。

第六节 化学固化法

化学固化法是在软土地基土中掺入水泥、石灰等，用喷射、搅拌等方法使与土体充分混合固化；或把一些能固化的化学浆液(水泥浆、水玻璃、氯化钙溶液等)注入地基土孔隙，以改善地基土的物理力学性质，达到加固目的。按加固材料的状态可分为粉体类(水泥、石灰粉末)和浆液类(水泥浆及其他化学浆液)。按施工工艺可分为低压搅拌法(粉体喷射搅拌桩、水泥浆搅拌桩)、高压喷射注浆法（高压旋喷桩等）和胶结法(灌浆法、硅化法)三类，下面分别予以介绍。

一、粉体喷射搅拌(桩)法和水泥浆搅拌(桩)法

深层搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是通过深层搅拌机械，在地基深处就地，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土固化成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体，其与桩间土组成复合地基。固化剂主要采用水泥、石灰等材料，与砂类土或粘性土搅拌均匀，在土中形成竖向加固体。它对提高软土地基承载能力，减小地基的沉降量有明显效果。

当采用的固化剂形态为浆液固化剂时，常称为水泥浆搅拌桩法，当采用粉状固化剂时，常称粉体喷射搅拌（桩）法。这两者的加固原理、设计计算方法和质量检验方法基本一致，但施工工艺有所不同。

(一) 粉体喷射搅拌法(粉喷桩法)

粉体喷射搅拌法是通过专用的施工机械，将搅拌钻头下沉到预计孔底后，用压缩空气将固化剂（生石灰或水泥粉体材料）以雾状喷入加固部位的地基土，凭借钻头和叶片旋转使粉体加固料与软土原位搅拌混合，自下而上边搅拌边喷粉，直到设计停灰标高。为保证质量，可再次将搅拌头下沉至孔底，重复搅拌。

粉体喷射搅拌法的优点是以粉体作为主要加固料，不需向地基注入水分，因此加固后地基土初期强度高，可以根据不同土的特性、含水量、设计要求合理选择加固材料及配合比，对于含水量较大的软土，加固效果更为显著；施工时不需高压设备，安全可靠，如严格遵守操作规程，可避免对周围环境产生污染、振动等不良影响。缺点是由于目前施工工艺的限制，加固深度不能过深，一般为8~15m。

粉体喷射搅拌法的加固机理因加固材料的不同而稍有不同，当采用石灰粉体喷搅加固软粘土，其原理与公路常用的石灰加固土基本相同。石灰与软土主要发生如下作用：石灰的吸水、发热、膨胀作用；离子交换作用；碳酸化作用(化学胶结反应)；火山灰作用(化学凝胶作用)以及结晶作用。这些作用使土体中水分降低，土颗粒凝聚而形成较大团粒，同时土体化学反应生成复合的水化物4CaO·Al2O3·13H2O和2CaO·Al2O3·SiO26H2O等在水中逐渐硬化，而与土颗粒粘结一起从而提高了地基土的物理力学性质。当采用水泥作为固化剂材料时其加固软粘土的原理是在加固过程中发生水泥的水解和水化反应（水泥水化成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙、及含水铁铝酸钙等化合物，在水中合空气中逐渐硬化）、粘土颗粒与水泥水化物的相互作用（水泥水化生成钙离子与土粒的钠、钾离子交换使土粒形成较大团粒的硬凝反应）和碳酸化作用（水泥水化物中游离的氢氧化钙吸收二氧化碳生成不溶于水的碳酸钙）三个过程。这些反应使土颗粒形成凝胶体和较大颗粒；颗粒间形成蜂窝状结构；生成稳定的不溶于水的结晶化合物，从而提高软土强度。

石灰、水泥粉体加固形成的桩柱的力学性质变形幅度相差较大，主要取决于软土特性、掺加料种类、质量、用量、施工条件及养护方法等。石灰用量一般为干土重的6%~15%，软土含水量以接近液限时效果较好，水泥掺入量一般为干土重5%以上(7%~15%)。粉体喷射搅拌法形成的粉喷桩直径为50cm～l00cm，加固深度可达10m~30m。石灰粉体形成的加固桩柱体抗压强度可达800kPa，压缩模量(20000~30000)kPa，水泥粉体形成的桩柱体抗压强度可达5000kPa，压缩模量100000kPa左右，地基承载力一般提高2～3倍，减少沉降量1／3~2／3。粉体喷射搅拌桩加固地基的设计具体计算可参照后面介绍的复合地基设计。桩柱长度确定原则上与砂桩相同。

粉体喷射搅拌桩施工作业顺序如图 6-20所示。

施工结束后，对加固的地基应作质 量检验，包括标准贯入试验、取芯抗压 试验、载荷试验等。桩柱体的强度、 压缩模量、搅拌的均匀性以及尺寸均应符 合设计要求。

我国粉体材料资源丰富，粉体喷射 搅拌法常用于公路、铁路、水利、市政、 港口等工程软土地基的加固，较多用于 边坡稳定及筑成地下连续墙或深基坑支护 结构。被加固软土中有机质含量不应过多，

否则效果不大。 图6-20 粉体喷射搅拌施工作业顺序

a） 搅拌机对准桩位；b）下钻；c）钻进结束 (二)水泥浆搅拌法（深搅桩法） d）提升喷射搅拌 e）提升结束

水泥浆搅拌法是用回转的搅拌叶将压入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成水泥加固体。搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成，并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备。我国生产的搅拌机现有单搅头和双搅头两种，加固深度达30m形成的桩柱体直径60cm~80cm(双搅头形成8字形桩柱体)。

水泥浆搅拌法加固原理基本和水泥粉喷搅拌桩相同，与粉体喷射搅拌法相比有其独特的优点：1.加固深度加深；2.由于将固化剂和原地基软土就地搅拌，因而最大限度利用了原土；3.搅拌时不会侧向挤土，环境效应较小；

施工顺序大致为：在深层搅拌机起吊就位后，搅拌机先沿导向架切土下沉；下沉到设计深度后开启灰浆泵将制备好的水泥浆压入地基；边喷边旋转搅拌头并按设计确定提升速度，进行提升、喷浆、搅拌作业，使软土与水泥浆搅拌均匀，提升到上面设计标高后再次控制速度将搅拌头搅拌下沉，到设计加固深度再搅拌提升出地面。为控制加固体的均匀性和加固质量，施工时应严格控制搅拌头的提升速度，并保证喷压阶段不出现断桩现象。

加固形成桩柱体强度与加固时所用水泥标号、用量、被加固土含水量等有密切关系，应在施工前通过现场试验取得有关数据，一般用425号水泥，水泥用量为加固土干容重的2%～ 15%，三个月龄期试块变形模量可达75000kPa以上，抗压强度(1500～3000)kPa以上(加固 软土含水量40%～100%)。按复合地基设计计算加固软土地基可提高承载力2～3倍以上，沉降量减少，稳定性也明显提高，而且施工方便是目前公路、铁路厚层软土地基加固常用技术措施的一种，也用于深基坑支护结构、港口码头护岸等。由于水泥浆与原地基软土搅拌结合对周围建筑物影响很小，施工无振动噪声对环境无污染，更适用于市政工程。但不适用于含有树根、石块等的软土层。

二、高压喷射注浆法

高压喷射注浆法60年代后期由日本提出的，我国在70年代开始用于桥墩、房屋等地基处理。它是利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以20MPa左右的高压将加固用浆液(一般为水泥浆)从喷嘴喷射出冲击土层，土层在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下；与浆液搅拌混合，浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。 高压喷射注浆法按喷射方向和形成固体的形状可分为旋转喷射、定向喷射和摆动喷射三种。旋转喷射时喷嘴边喷边旋转和提升，固结体呈圆柱状，称为旋喷法，主要用于加固地基；定向喷射喷嘴边喷边提升，喷射定向的固结体呈壁状；摆动喷射固结体呈扇状墙，此两方式常用于基坑防渗和边坡稳定等工程。按注浆的基本工艺可分为单管法（浆液管）、二重管法（浆液管和气管）、三重管法（浆液管、气管和水管）和多重管法（水管、气管、浆液管和抽泥浆管等）。

高压喷射注浆法适用于砂类土、粘性土、湿陷性黄土、淤泥和人工填土等多种土类，加固直径(厚度)为0.5m～1.5m，固结体抗压强度(325号水泥三个月龄期)加固软土为(5～10)MPa，加固砂类土为(10~20)MPa。对于砾石粒径过大，含腐殖质过多的土加固效 果较差；对地下水流较大，对水泥有严重腐蚀的地基土也不宜采用。 旋喷法加固地基的施工程序 如图6-21所示，图中①表示钻 机就位后先进行射水试验；②、 ③表示钻杆旋转射水下沉，直到 设计标高为止；④、⑤表示压力 图6-21 旋喷法的施工程序 升高到20MPa喷射浆液， 钻杆约以20r／min旋转，提升 速度约每喷射三圈提升25mm~ 50mm，这与喷嘴直径，加固土 体所需加固液量有关（加固液 量经试验确定）；⑥表示已旋喷 成桩，再移动钻机重新以②～⑤

程序进行加固土层。 图6-21 旋喷法施工作业顺序

旋喷桩的平面布置可根据加固需要确定，当喷嘴直径为1.5mm~1.8mm，压力为20MPa时，形成的固结桩柱体的有效直径可参考下列经验公式估算：

对于标准贯入击数N=0～5的粘性土

D?对于5≤N≤15的砂类土 D?11?N2?m? （6-37） 22001350?10N?N2?m? （6-38） 1000??此法因加固费用较高，我国只在其他加固方法效果不理想等情况下考虑选用。

三、胶结法

(一)灌浆法

灌浆法，亦称注浆法，利用压力或电化学原理通过注浆管将加固浆液注入地层中，以浆液掺入土粒间或岩石裂隙中的水分和气体，经一定时间后，浆液将松散的土体或缝隙岩体胶结成整体，形成强度大、防水防渗性能好的人工地基。 灌浆法可分为压力灌浆和电动灌浆两类。压力灌浆是常用的方法，是在各种大小压力下使水泥浆液或化学浆液挤压充填土的孔隙或岩层缝隙。电动化学灌浆是在施工中以注浆管为阳极，滤水管为阴极，通过直流电电渗作用下孔隙水由阳极流向阴极，在土中形成渗浆通道，化学浆液随之渗入孔隙而使土体结硬。 灌浆胶结法所用浆液材料有粒状浆液（纯水泥浆、水泥粘土浆和水泥砂浆等或统称为水泥基浆液）和化学浆液（环氧树脂类、甲基丙烯酸脂类和聚氨脂等）两大类。 粒状浆液中常用的水泥浆液水泥一般为400号以上的普通硅酸盐水泥，由于含有水泥颗粒属粒状浆液，故对孔隙小的土层虽在压力下也难于压进，只适用粗砂、砾砂、大裂隙岩石等孔隙直径大于0.2mm的地基加固。如获得超细水泥，则可适用于细砂等地基。水泥浆液有取材容易、价格便宜、操作方便、不污染环境等优点，是国内外常用的压力灌浆材料。 化学浆液中常用的是以水玻璃(Na2O·nSiO2)为主剂的浆液，由于它无毒、价廉，流动性好等优点，在化学浆材中应用最多，约占90%。其它还有以丙烯酰胺为主剂和以纸浆废液木质素为主剂的化学浆液，它们性能较好，粘滞度低，能注入细砂等土中。但有的价格较高，有的虽价廉源广，但有含毒的缺点，用于加固地基受到一定限制。 (二)硅化法

利用硅酸钠(水玻璃)为主剂的化学浆液加固方法称为硅化法，现将其加固机理、设计计 算、施工扼要介绍如下： 1．硅化法的加固机理

硅化法按浆液成分可分为单液法和双液法。单液法使用单一的水玻璃溶液，它较适用于渗透系数位0.1～0.2m/d的湿陷性黄土等地基的加固。此时，水玻璃较易渗透入土孔隙，与土中的钙质相互作用形成凝胶，而使土颗粒胶结成整体，其化学反应式为 Na2OnSiO2+CaSO4+mH2O→n SiO2 (m-1) H2O+Ca(OH)2+ Na2SO4

双液法常用的有水玻璃-氯化钙溶液、水玻璃-水泥浆液或水玻璃-铝酸钠溶液等，可适用于渗透系数K>2.0m／d的砂类土。以水玻璃一氯化钙溶液为例： Na2OnSiO2+CaCl2+mH2O→n SiO2 (m-1) H2O+Ca(OH)2+ 2NaCl

在土中凝成硅酸胶凝体，而使土粒胶结成一定强度的土体。无侧限抗压强度可达1500kPa以上。

对于受沥青、油脂、石油化合物等浸透的土以及地下水pH值大于9的土不宜采用硅化法加固。

2．硅化法的设计计算

加固范围及深度应根据地基承载力和要求沉降量验算确定，一般情况加固厚度不宜小于 3m，加固范围的底面不小于由基底边缘按30Ο扩散的范围。

化学浆液的浓度，水玻璃溶液自重为1.35~1.44，氯化钙为1.20~1.28，土的渗透系数高 时取高值，渗透系数低时取低值。

浆液灌注量Q(体积)可按经验公式如下估算：

Q?kvn （6-39） 式中：v—拟加固土的体积；

n—加固前土的平均孔隙率；

k—系数，粘性土、细砂k=0.3～0.5，中砂、粗砂k=0.5~0.7，砂砾k=0.7～1.0，湿

陷性黄土k=0.5~0.8。

如果用水玻璃-氯化钙浆液，两种浆液用量（体积）相同

灌注有效半径r应通过现场试验确定，它与土的渗透系数、压力值有关。一般r为0.3m~1.0m；灌注间距常用1.75r，每排间距取1.5r。 3．硅化法的施工

浆液灌注有打管入土、冲洗管、试水、注浆及拔管等工序。

注浆管用内径19mm~38mm钢管，下端约0.5m段钻有若干直径2mm~5mm的孔眼，浆 液由孔眼向外流出，用机械设备将注浆管打入土中，然后用泵压水冲洗注浆管以保证浆液能畅通灌入土中。试水即将清水压入注浆管，以了解土的渗透系数，以便调整浆液比重、确定有效灌注半径、灌注速度等。

灌浆压力不应超过该处上覆土层的压力过多(有土上荷重者除外)，一般灌注压力随深度 变化，每加深lm可增大(20～50)kPa。灌浆速度应以在浆液胶凝时间以前完成一次灌注量为 宜，可根据土的渗透系数以压力控制速度，在一般情况砂类土为(0.001～0.005)m3／min，渗透性好的选用高值，否则用低值。 灌浆宜按孔间隔进行，每孔灌浆次序与土层渗透系数变化有关，如加固土渗透系数相同， 应先上后下灌注，不同时应先灌注渗透系数大的土层：灌浆后应立即拔出注浆管并进行清洗。

在软粘土中，土的渗透性很低，压力灌注法效果极差，可采用电动硅化法代替压力灌注。但电动硅化法由于灌注范围、电压梯度、电极布置等条件限制，仅适用于较小范围的地基加固。硅化法加固地基在公路上仅用于少数已有构造物地基的加固。

第七节 土工合成材料加筋法

目前，土工合成新材料中，具有代表性的有土工格栅、土工网等及其组合产品。在近二十年中，这类材料相继在岩土工程中应用获得成功，成为建材领域中继木材、钢材和水泥之后的第四大类材料，目前已成为土工加筋法中最具代表性加筋材料，并被誉为岩土工程领域的一次“革命”。已成为岩土工程学科中的一个重要的分支。

土工合成材料总体分类具体见图6-22。

图6-22 土工合成材料分类

土工合成材料一般具有多功能，在实际应用中，往往是一种功能起主导作用，而其它功能则不同程度地发挥作用。土工合成材料的功能包括隔离、加筋、反滤、排水、防渗和防护六大类。各类土工合成材料应用中的主要功能见表6-7。

各类土工合成材料的主要功能 表6-7

功能 类型 土工织物（GT） 土工格栅（GG） 土工网（GN） 土工膜（GM） 土工垫块（GCL） 复合土工材料（GC） 隔离 P S S P 或 S 加筋 P P P 或 S 土工合成材料的功能分类 反滤 P P 或 S 排水 P P P 或 S 防渗 P P P P 或 S 防护 S P S P 或 S 注：P表示主要功能，S表示辅助功能。

一、土工合成材料的排水反滤作用

用土工合成材料带替砂石做反滤层，能起到排水反滤作用：

（一）排水作用

具有一定厚度的土工合成材料具有良好的三维透水特性，利用这一特性可以使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，也可和其他排水材料（如塑料排水扳等）共同构成排水系统或深层排水井，如图6-23所示土工合成材料埋设方法。

（二）反滤作用 在渗流出口铺设土工 合成材料作为反滤层，这和 传统的砂砾石滤层一样， 均可以提高被保护土的抗 渗强度。

多数土工合成材料在单 向渗流的情况下，紧贴在土 体中，发生细颗粒逐渐向滤 层移动，同时还有部分细颗 粒通过土工合成材料被带走， 遗留下来的是较粗的颗粒。 从而与滤层相邻一定厚度的 土层逐渐自然形成一个反滤 带和一个骨架网，阻止土粒 的继续流失，最后趋于稳定 平衡。亦即土工合成材料与 其相邻接触部分土层共同形 成了一个完整的反滤系统， 如图6-23所示。具有这种

排水作用的土工合成材料， 图6-23 土工合成材料用于排水过滤的典型实例 要求在平面方向有较大的渗透系数。

具有相同孔径尺寸的无纺土工合成材料和砂的渗透性大致相同。但土工合成材料的孔隙率比砂高得多。其密度约为砂的1/10，因而当它与砂具有相同的反滤特征时，则所需质量要比砂的少90%。此外，土工合成材料滤层的厚度为砂砾反滤层的1/100至1/1000，其所以能如此，是因为土工合成材料的结构保证了它的连续性。

此外，土工合成材料放在两种不同的材料之间，或用在同一材料不同粒径之间以及地基于基础之间会起到隔离作用，不会使两者之间相互混杂，从而保持材料的整体结构和功能。

二、土工合成材料的加筋作用

当土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度。其应用范围有：土坡和堤坝，地基，挡土墙。 (一)用于加固土坡和堤坝

高强度的土工合成材料在路堤工程中有几种可能的加筋用途：

①可使边坡变陡，节省占地面积； ②防止滑动圆弧通过路堤和地基土； ③防止路堤下面发生因承载力不足而破坏； ④跨越可能的沉陷区等。

图6-24中，由于土工合成材料“包裹”作用阻止土体的变形，从而增强土体内部的强度以及土坡的稳定性。

图6-24 土工合成材料加固路堤

(二)用于加固地基

由于土工合成材料有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于地基表面，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。当地基可能产生冲切破坏时，铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地基承载力。当受集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高模量的土工合成材料受力后将产生一垂直分力，抵消部分荷载。根据国内新港筑防波堤的经验，沉入软土中的体积竟等于防波堤的原设计断面，由于软土地基的扭性流动，铺垫土周围的地基即向侧面隆起。如将土工合成材料铺没在软土地基的表面，由于其承受拉力和土的摩擦作用而增大侧向限制，阻止侧向挤出，从而减小变形和增大地基的稳定性。在沼泽地，泥炭土和软粘土上建造临时道路是土工合成材料最重要的用途之一。

利用土工合成材料在建筑物地基中加筋已开始在我国大型工程中应用。根据实测的结果和理论分析，认为土工合成材料加筋垫层的加固原理主要是：(1)增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；(2)扩散应力，由于垫层刚度增大的影响，扩大了荷载扩散的范围，使应力均匀分布；(3)约束作用，亦即约束下卧软弱土地基的侧向变形。 (三)用于加筋土挡墙 在挡土结构的土体中，每隔一定距离铺设加固作用的土工合成材料时可作为拉筋起到加筋作用。作为短期或临时性的挡墙，可只用土工合成材料包裹着土、砂来填筑，但这种包裹式墙面的形状常常是畸形的，外观难看。为此，有时采用砖面的土工合成材料加筋土挡墙，可取得令人满意的外观。对于长期使用的挡墙，往往采用混凝土面板。

土工合成材料作为拉筋时一般要求有一定的刚度，新发展的土工格栅能很好地与土相结合。与金属筋材相比，土工合成材料不会因腐蚀而失效，所以它能在桥台、挡墙，海岸和码头等支挡结构的应用中获得成功。

三、土工合成材料在应用中的问题

（一）施工方面

1．铺设土工合成材料时应注意均匀平整；在斜坡上施工时应保持一定的松紧度；在护岸工程坡面上铺设时，上坡段土工合成材料应搭接在下坡段土工合成材料之上。

2．对土工合成材料的局部地方，不要加过重的局部应力。如果用块石保护土工合成材料施工时应将块石轻轻铺放，不得在高处抛掷，块石下落的高度大于1m时，土工合成材料很可能被击破。如块石下落的情况不可避免时，应在土工合成材料上先铺砂层保护。

3．土工合成材料用于反滤层作用时，要求保证连续性，不使其出现扭曲、折皱和重叠。 4．在存放和铺设过程中，应尽量避免长时间的曝晒而使材料劣化。 5．土工合成材料的端部要先铺填，中间后填，端部锚固必须精心施工。

6．不要使推土机的刮土板损坏所铺填的土工合成材料。当土工合成材料受到损坏时，应予立即修补。

（二）连接方面

土工合成材料是按一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产，因此这些材料运到现场后必须进行连接。连接时可采用搭接、缝合、胶结或U型钉钉住等方法(图6-25)。

采用搭接法时，搭接必须保持足够的长度，一般在0.3～1.0m之间。坚固的和水平的路基一般为0.2m，软的和不平的路基则需1m。

在搭接处应尽量避免受力，以防土工合 成材料移动。搭接法施工简便，但用料 较多。

缝合法是指用移动式缝合机，将尼 龙或涤纶线面对面缝合，缝合处的强度

一般可达纤维强度的80％，缝合法节省

材料，但施工费时。 图6-25 土工合成材料的连接方法 a-搭接；b-缝合；c-用U型钉钉住

（三）材料方面

土工合成材料在使用中应防止暴晒和被污染，在当作为加筋土中的筋带使用时，应具有较高的强度，受力后变形小，能与填料产生足够的摩擦力；抗腐蚀性和抗老化性好。

第七节 土工合成材料加筋法

目前，土工合成新材料中，具有代表性的有土工格栅、土工网等及其组合产品。在近二十年中，这类材料相继在岩土工程中应用获得成功，成为建材领域中继木材、钢材和水泥之后的第四大类材料，目前已成为土工加筋法中最具代表性加筋材料，并被誉为岩土工程领域的一次“革命”。已成为岩土工程学科中的一个重要的分支。

土工合成材料总体分类具体见图6-22。

图6-22 土工合成材料分类

土工合成材料一般具有多功能，在实际应用中，往往是一种功能起主导作用，而其它功

能则不同程度地发挥作用。土工合成材料的功能包括隔离、加筋、反滤、排水、防渗和防护六大类。各类土工合成材料应用中的主要功能见表6-7。

各类土工合成材料的主要功能 表6-7

功能 类型 土工织物（GT） 土工格栅（GG） 隔离 P 加筋 P P 土工合成材料的功能分类 反滤 P 排水 P 防渗 P 防护 S

土工网（GN） 土工膜（GM） 土工垫块（GCL） 复合土工材料（GC） S S P 或 S P 或 S P 或 S P P 或 S P P P 或 S P S P 或 S 注：P表示主要功能，S表示辅助功能。

一、土工合成材料的排水反滤作用

用土工合成材料带替砂石做反滤层，能起到排水反滤作用：

（一）排水作用

具有一定厚度的土工合成材料具有良好的三维透水特性，利用这一特性可以使水经过土工合成材料的平面迅速沿水平方向排走，也可和其他排水材料（如塑料排水扳等）共同构成排水系统或深层排水井，如图6-23所示土工合成材料埋设方法。

（二）反滤作用 在渗流出口铺设土工 合成材料作为反滤层，这和 传统的砂砾石滤层一样， 均可以提高被保护土的抗 渗强度。

多数土工合成材料在单 向渗流的情况下，紧贴在土 体中，发生细颗粒逐渐向滤 层移动，同时还有部分细颗 粒通过土工合成材料被带走， 遗留下来的是较粗的颗粒。 从而与滤层相邻一定厚度的 土层逐渐自然形成一个反滤 带和一个骨架网，阻止土粒 的继续流失，最后趋于稳定 平衡。亦即土工合成材料与 其相邻接触部分土层共同形 成了一个完整的反滤系统， 如图6-23所示。具有这种

排水作用的土工合成材料， 图6-23 土工合成材料用于排水过滤的典型实例 要求在平面方向有较大的渗透系数。

具有相同孔径尺寸的无纺土工合成材料和砂的渗透性大致相同。但土工合成材料的孔隙率比砂高得多。其密度约为砂的1/10，因而当它与砂具有相同的反滤特征时，则所需质量要比砂的少90%。此外，土工合成材料滤层的厚度为砂砾反滤层的1/100至1/1000，其所以能如此，是因为土工合成材料的结构保证了它的连续性。

此外，土工合成材料放在两种不同的材料之间，或用在同一材料不同粒径之间以及地基于基础之间会起到隔离作用，不会使两者之间相互混杂，从而保持材料的整体结构和功能。

二、土工合成材料的加筋作用

当土工合成材料用作土体加筋时，其基本作用是给土体提供抗拉强度。其应用范围有：土坡和堤坝，地基，挡土墙。 (一)用于加固土坡和堤坝

高强度的土工合成材料在路堤工程中有几种可能的加筋用途：

①可使边坡变陡，节省占地面积； ②防止滑动圆弧通过路堤和地基土； ③防止路堤下面发生因承载力不足而破坏； ④跨越可能的沉陷区等。

图6-24中，由于土工合成材料“包裹”作用阻止土体的变形，从而增强土体内部的强度以及土坡的稳定性。

图6-24 土工合成材料加固路堤 (二)用于加固地基

由于土工合成材料有较高的强度和韧性等力学性能，且能紧贴于地基表面，使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中。当地基可能产生冲切破坏时，铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地基承载力。当受集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高模量的土工合成材料受力后将产生一垂直分力，抵消部分荷载。根据国内新港筑防波堤的经验，沉入软土中的体积竟等于防波堤的原设计断面，由于软土地基的扭性流动，铺垫土周围的地基即向侧面隆起。如将土工合成材料铺没在软土地基的表面，由于其承受拉力和土的摩擦作用而增大侧向限制，阻止侧向挤出，从而减小变形和增大地基的稳定性。在沼泽地，泥炭土和

软粘土上建造临时道路是土工合成材料最重要的用途之一。

利用土工合成材料在建筑物地基中加筋已开始在我国大型工程中应用。根据实测的结果和理论分析，认为土工合成材料加筋垫层的加固原理主要是：(1)增强垫层的整体性和刚度，调整不均匀沉降；(2)扩散应力，由于垫层刚度增大的影响，扩大了荷载扩散的范围，使应力均匀分布；(3)约束作用，亦即约束下卧软弱土地基的侧向变形。 (三)用于加筋土挡墙 在挡土结构的土体中，每隔一定距离铺设加固作用的土工合成材料时可作为拉筋起到加筋作用。作为短期或临时性的挡墙，可只用土工合成材料包裹着土、砂来填筑，但这种包裹式墙面的形状常常是畸形的，外观难看。为此，有时采用砖面的土工合成材料加筋土挡墙，可取得令人满意的外观。对于长期使用的挡墙，往往采用混凝土面板。

土工合成材料作为拉筋时一般要求有一定的刚度，新发展的土工格栅能很好地与土相结合。与金属筋材相比，土工合成材料不会因腐蚀而失效，所以它能在桥台、挡墙，海岸和码头等支挡结构的应用中获得成功。

三、土工合成材料在应用中的问题

（一）施工方面

1．铺设土工合成材料时应注意均匀平整；在斜坡上施工时应保持一定的松紧度；在护岸工程坡面上铺设时，上坡段土工合成材料应搭接在下坡段土工合成材料之上。

2．对土工合成材料的局部地方，不要加过重的局部应力。如果用块石保护土工合成材料施工时应将块石轻轻铺放，不得在高处抛掷，块石下落的高度大于1m时，土工合成材料很可能被击破。如块石下落的情况不可避免时，应在土工合成材料上先铺砂层保护。

3．土工合成材料用于反滤层作用时，要求保证连续性，不使其出现扭曲、折皱和重叠。 4．在存放和铺设过程中，应尽量避免长时间的曝晒而使材料劣化。 5．土工合成材料的端部要先铺填，中间后填，端部锚固必须精心施工。

6．不要使推土机的刮土板损坏所铺填的土工合成材料。当土工合成材料受到损坏时，应予立即修补。

（二）连接方面

土工合成材料是按一定规格的面积和长度在工厂进行定型生产，因此这些材料运到现场后必须进行连接。连接时可采用搭接、缝合、胶结或U型钉钉住等方法(图6-25)。

采用搭接法时，搭接必须保持足够的长度，一般在0.3～1.0m之间。坚固的和水平的路基一般为0.2m，软的和不平的路基则需1m。 在搭接处应尽量避免受力，以防土工合 成材料移动。搭接法施工简便，但用料 较多。

缝合法是指用移动式缝合机，将尼 龙或涤纶线面对面缝合，缝合处的强度

一般可达纤维强度的80％，缝合法节省

材料，但施工费时。 图6-25 土工合成材料的连接方法 a-搭接；b-缝合；c-用U型钉钉住

（三）材料方面

土工合成材料在使用中应防止暴晒和被污染，在当作为加筋土中的筋带使用时，应具有较高的强度，受力后变形小，能与填料产生足够的摩擦力；抗腐蚀性和抗老化性好。

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