土木工程地基處理(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)生地基的縱向滑動失穩(wěn)，應(yīng)按已介紹的方法進(jìn)行驗算，如穩(wěn)定性不夠，小橋可采用支撐梁、人工地基等，大中橋梁除將淺基改為樁基，采用人工地基、延長引橋使填土高度降低或橋臺移至穩(wěn)定土層上外，常用方法是采取減少臺后土壓力措施或在臺前加筑反壓護(hù)道(應(yīng)注意臺前過水面積的保證) ，埋置式橋臺也可同時放緩溜坡，反壓護(hù)道（溜坡)長度、高度、坡度，以及地基加固方法等都應(yīng)該經(jīng)計算確定，施工時注意臺前、后填土進(jìn)度的配合，避免有過大的高差。 橋頭路堤填土(包括橋臺錐坡 )橫向失穩(wěn)也須經(jīng)過驗算加以保證，需要時也應(yīng)放緩坡度或加筑反壓護(hù)道。 橋頭路堤填土稍高時，路堤下沉使橋臺后傾是軟土地區(qū)橋梁工程常發(fā)生的事故。除應(yīng)對橋臺基礎(chǔ)采取前述的有針對性的結(jié)構(gòu)措施及改用輕質(zhì)材料填筑路堤外，一般也常對路堤的地基采取人工加固處理。第三節(jié) 換土墊層法在沖刷較小的軟土地基上，地基的承載力和變形達(dá)不到基礎(chǔ)設(shè)計要求，且當(dāng)軟土層不太厚(如不超過 3m)時，可采用較經(jīng)濟(jì)、簡便的換土墊層法進(jìn)行淺層處理。即將軟土部分或全部挖除，然后換填工程特性良好的材料，并予以分層壓實，這種地基處理方法稱為換填墊層法。墊層處治應(yīng)達(dá)到增加地基持力層承載力，防止地基淺層剪切變形的目的。換填的材料主要有砂、碎石、高爐干渣和粉煤灰等，應(yīng)具有強度高、壓縮性低、穩(wěn)定性好和無侵蝕性等良好的工程特性。當(dāng)軟土層部分換填時，地基便由墊層及(軟弱)下臥層組成如圖 6—4 所示，足夠厚度的墊層置換可能被剪切破壞的軟土層，以使墊層底部的軟弱下臥層滿足承載力的要求，12 / 38而達(dá)到加固地基的目的。按墊層回填材料的不同，可分別稱為砂墊層、碎石墊層等。換填墊層法設(shè)計的主要指標(biāo)是墊層厚度和寬度，一般可將各種材料的墊層設(shè)計都近似地按砂墊層的計算方法進(jìn)行設(shè)計。一、 砂墊層的設(shè)計計算 (一) 砂墊層厚度的確定 砂墊層厚度計算實質(zhì)上是軟弱下臥層頂面承載力的驗算，計算方法有多種。 一種方法是按彈性理論的土中應(yīng)力分布公式計算。即將砂墊層及下臥土層視為一均質(zhì)半無限彈性體，在基底附加應(yīng)力作用下，計算不同深度的各點土中附加應(yīng)力并加上土的自重應(yīng)力，同時以第二章所介紹的“規(guī)范”方法計算地基土層隨深度變化的容許承載力，并以此確定砂墊層的設(shè)計厚度，如圖 64 所示。也可將加固后地基視為上層堅硬、下層軟弱的雙層地基，用彈性力學(xué)公式計算。另一種是我國目前常用的近似按應(yīng)力擴(kuò)散角進(jìn)行計算的方法。即認(rèn)為砂墊層以“ ”角向下?擴(kuò)散基底附加壓力，到砂墊層底面(下臥層頂面) 處的土中附加壓應(yīng)力與土中自重應(yīng)力之和不超過該處下臥層頂面地基深度修正后的容許承載力，即： （69）??H??式中： (kPa)為下臥層頂面處地基的容許承載力，可按第 章方法計算，通常只進(jìn)行下??H?臥層頂面深度修正，而壓應(yīng)力 的大小與基底附加壓力、墊層厚度、材料重等有關(guān)。H若考慮平面為矩形的基礎(chǔ)，在基底平均附加應(yīng)力 作用下，基底下土中附加壓應(yīng)力按擴(kuò)散角?通過砂墊層向下擴(kuò)散到軟弱下臥層頂面，并假定此處產(chǎn)生的壓應(yīng)力平面呈梯形分布(圖 65)(在空?間呈六面體形狀分布)，根據(jù)力的平衡條件可得到： ????hsss tgtbhltglb???]34[ 2???則該處下臥層頂面的附加壓應(yīng)力 σ h為： （610）?tgblssh ??????34式中：l—基礎(chǔ)的長度(m) ；b—基礎(chǔ)的寬度(m)； —砂墊層的厚度(m)；sh —基底處的附加應(yīng)力(kPa)；? —砂墊層的壓應(yīng)力擴(kuò)散角，一般取 35。 ～45 。 ，根據(jù)墊層材料選用。?13 / 38 圖 64 砂墊層及應(yīng)力分布 圖 65 砂墊層應(yīng)力擴(kuò)散圖砂墊層底面下的下臥層同時還受到墊層及基坑回填土的重力，所以 （611）hshH????式中： 、 —砂墊層、回填土的重度(kN／m 3)，水下時按浮重度計算，s? h—基坑回填土厚度(m)。由式(6—13) 、(6 —14)、(6—15)可得到砂墊層所需厚 hs。h s 一般不宜小于 lm 或超過 3m，墊層過薄，作用不明顯，過厚需挖深坑，費工耗料，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上往往不合理。當(dāng)?shù)鼗淋浨液窕蚧讐毫^大時，應(yīng)考慮其它加固方案。(二)砂墊層平面尺寸的確定 砂墊層底平面尺寸應(yīng)為： ?tghlLs2?? （612）bBs其中 L、B 分別為砂墊層底平面的長及寬，一般情況砂墊層頂面尺寸按此確定，以防止承受荷載后墊層向兩側(cè)軟土擠動。 (三) 基礎(chǔ)最終沉降量的計算 砂墊層上基礎(chǔ)的最終沉降量是由墊層本身的壓縮量 Ss 與軟弱下臥層的沉降量 Sl 所組成，由于砂墊層壓縮模量比較弱下臥層大得多，其壓縮量小且在施工階段基本完成，實際lsS??可以忽略不計。需要時 Ss 也可按下式求得： （617）sHsEh???2?式中： Es—砂墊層的壓縮模量，可由實測確定，一般為 12 000～24 000kPa： —砂墊層內(nèi)的平均壓應(yīng)力。 2H??Sl 可用有關(guān)章節(jié)介紹方法計算。S 的計算值應(yīng)符合建筑物容許沉降量的要求，否則應(yīng)加厚墊層或考慮其它加固方案。14 / 38第四節(jié) 排水固結(jié)法飽和軟粘土地基在荷載作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙體積慢慢地減小，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時，隨著超靜孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長。現(xiàn)以圖 66 為例，可說明排水固結(jié)法使地基土密實、強化的原理。在如圖 66a 中，當(dāng)土樣的天然有效固結(jié)壓力為 。時，孔隙比為 e。 ，在39。0?e— 曲線上相應(yīng)為 a 點，當(dāng)壓力增加 ，39。c 39。??固結(jié)終了時孔隙比減少 ，相應(yīng)點為 c 點，曲e線 為壓縮曲線，與此同時，抗剪強度與固結(jié)ab壓力成比例地由 a 點提高到 c 點，說明土體在受壓固結(jié)時，與孔隙比減小產(chǎn)生壓縮的同時，抗剪強度也得到提高。如從 c 點卸除壓力 ，則土樣39。??發(fā)生回彈，圖 66a 中 cef 為卸荷回彈曲線，如從f 點再加壓 ，土樣再壓縮將沿虛線到 c‘，其相 圖 66 室內(nèi)壓縮試驗說明排水固結(jié)法原理39。??應(yīng)的強度包線，如圖 6l5b 所示。從再壓縮曲線 fgc‘可 a) e 曲線 b) τ 曲線39。c?39。c看出，固結(jié)壓力同樣增加 而孔隙比減小值為 ， 比 小的多。這說明如在建筑場地上39。 39。e?39。e先加一個和上部結(jié)構(gòu)相同的壓力進(jìn)行加載預(yù)壓使土層固結(jié)，然后卸除荷載，再施工建筑物，可以使地基沉降減少，如進(jìn)行超載預(yù)壓(預(yù)壓荷載大于建筑物荷載) 效果將更好，但預(yù)壓荷載不應(yīng)大于地基土的容許承載力。排水固結(jié)法加固軟土地基是一種比較成熟、應(yīng)用廣泛的方法，它主要解決沉降和穩(wěn)定問題一、砂井堆載預(yù)壓法軟粘土滲透系數(shù)很低，為了縮短加載預(yù)壓后排水固結(jié)的歷時，對較厚的軟土層，常在地基中設(shè)置排水通道，使土中孔隙較快排出水。可在軟粘土中設(shè)置一系列的豎向排水通道(砂井、袋裝砂井或塑料排水板)，在軟土頂層設(shè)置橫向排水砂墊層如圖 67 所示，借此縮短排水途程，增加排水通道，改善地基滲透性能。（一） 砂井地基的設(shè)計砂井地基的設(shè)計主要包括選擇適當(dāng)?shù)纳熬睆健㈤g距、深度、排列方式、布置范圍以及形成砂井排水系統(tǒng)所需的材料、砂墊層厚度等，以使地基在堆載預(yù)壓過程中，在預(yù)期的時間內(nèi)，達(dá)到所需要的固結(jié)度（通常定為 80%） 。1．砂井的直徑和間距：砂井的直徑和間距主要取決于土的固結(jié)特性和施工期的要求。從原則上講，為達(dá)到相同的固結(jié)度，縮短砂井間距比增加砂井直徑效果要好，即以“細(xì)而密”為佳，不過，考慮到施工的可操作性，普通砂井的直徑為 300~500mm。砂井的間距可根據(jù)地15 / 38基土的固結(jié)特征和預(yù)定時間內(nèi)所要求達(dá)到的固結(jié)度確定，間距可按為直徑的 6~8 倍選用。2．砂井深度：砂井深度主要根據(jù)土層的分布、地基中的附加應(yīng)力大小、施工期限和條件及地基穩(wěn)定性等因素確定。當(dāng)軟土不厚 圖 67 砂井堆載預(yù)壓（一般為 10~20m）時，盡量要穿過軟土層達(dá)到砂層；當(dāng)軟土過厚（超過 20m）,不必打穿粘土，可根據(jù)建筑物對地基的穩(wěn)定性和變形的要求確定。對以地基抗滑穩(wěn)定性控制的工程，豎井深度應(yīng)超過最危險滑動面 以上。3．砂井排列：砂井的平面布置可采取正方形或等邊三角形(圖 68)，在大面積荷載作用下，認(rèn)為每個砂井均起獨立排水作用。為了簡化計算，將每個砂井平面上的排水影響面積以等面積的圓來代替，可得一根砂井的有效排水圓柱體的直徑 de 和砂井間距 l 的關(guān)系按下式考慮：等邊三角形布置 （618）??正方形布置 （619）4．砂井的布置范圍：由于在基礎(chǔ)以外一定的范圍內(nèi)仍然存在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，所以砂井的布置范圍應(yīng)比基礎(chǔ)范圍大為好，一般由基礎(chǔ)的輪廓線向外增加2~4m。 5．砂料：砂料宜用中、粗砂，必須保證良好的透水性，含泥量不應(yīng)超過 3%，滲透系數(shù)應(yīng)大于 103cm/s。 6．砂墊層：為了使砂井有良好的排水通道，砂井頂部應(yīng)鋪設(shè)砂墊層，墊層砂料粒度和砂井砂料相同，厚度一般為 m~1 m。 （二）砂井地基的固結(jié)度的計算 砂井固結(jié)理論采取了下列的假設(shè)條件：圖 68 砂井的平面布置及固結(jié)滲透途徑①地基土是飽和的，固結(jié)過程是土中孔隙水的排出過程；②地基表面承受連續(xù)均勻的一次施加的荷載；③地基土在該荷載作用下僅有豎向的壓密變形，整個固結(jié)過程地基土滲透系數(shù)不變；④加荷開始時，所有豎向荷載全部由孔隙水承受。采用砂井的地基固結(jié)度計算屬于三維問題。在軸對稱條件下的單元井固結(jié)課題，如圖 68 所示。可采用 Redulic－Terzaghi 固結(jié)理論，其表達(dá)式為 （620）)1(22rurCzutV????式中 CV、C r－地基的豎向和水平向固結(jié)系數(shù)（m/s 2） ； r，z－距離砂井中軸線的水平距離和深度（m ） 。為了求解方便，采用了分離變量原理，設(shè) ，則式（620）可分解成rzu? （621a）2zuCtVz?? （621b ）)1(rtur??16 / 38方程（621a ）的求解，可以采用 Terzaghi 解答，其固結(jié)度的計算公式為 其中 （622）????02)/(exp(81iivzALtCU )12(??iAi?方程（621b）已由 Barron(1948)根據(jù)等應(yīng)變條件解出，其水平向固結(jié)度的計算公式為 （623）)8exp(1nrrFT?其中 2erdtC? 22413ln1Fn?式中 Tr—水平向固結(jié)的時間因素，無量綱； t—固結(jié)時間（s） ； L—砂井垂直長度（豎向排水距離） （m ） ； n—井徑比 n=de/dw，無量綱；de ，d w—砂井的有效排水直徑（m ）和砂井直徑（m） 。 根據(jù)前述的分離變量原理 ，則整個土層的平均超靜孔隙水壓力為rzu? rzu同理，對起始孔隙水壓力值的平均值仍然有 rz00?上述兩式相除后，可得到 ozru0再根據(jù)固結(jié)度的概念，土層的平均固結(jié)度 或 62401Ut??tU??1同理,可得豎向和徑向平均固結(jié)度為 或 625arru01??rr??1 或 625bzzUzzU從式（62或（625）可得 或 （626）)1(1zrt ??? )1(zrt U??上述推導(dǎo)得到的（626） ，即 Carrillo（1942）原理。根據(jù)這一原理，以及上述 Terzaghi 和Barron 的解答，則可計算出砂井地基的平均固結(jié)度。為了實際應(yīng)用方便，將式(626)中 Ur 與 Tr、n 的函數(shù)關(guān)系制成表 64 以供查用。 徑向平均固結(jié)度 Ur，與時間因素 Tr 及井徑比 n 的關(guān)系 表 64n Ur 4 5