02水利地基处理垫层

第一节第一节 垫层的作用及适用范围垫层的作用及适用范围 又称换填法，是浅层处理方法一、垫层处理概念： 当软弱（缺陷）土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱（缺陷）土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱（缺陷）土层部分或全部挖去，然后换填密度大、压缩性低、强度高、水稳性好的天然或人工材料,并分层夯 (振、压)实至要求的密实度,达到改善地基应力分布、提高地基稳定性和减少地基沉降的目的，这种地基处理方法称为垫层处理,也叫换填法。二、处理对象：软土软土垫层垫层 淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、杂填土地基三、垫层材料： 砂砾土、碎（卵）石土、灰土、素土（壤土）、中砂、粗砂、矿渣等四、分类： 按回填不同材料形成的垫层(Cushion)进行分类，如砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层等。五、换填法加固机理： 换填法的加固原理是据土中附加应力分布规律，让垫层承受上部较大的应力垫层承受上部较大的应力，软弱层承担较小的应力软弱层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。六、垫层的作用：1、提高持力层的承载力 通过扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小。2、减少沉降量 一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。如条形基础，在相当于基础宽度深度范围内的沉降量约占总沉降的50%左右，如以密实砂代替软弱土层，就可减少这部分沉降。由于砂垫层或其它垫屋对应力的扩散作用，使作用在下卧层土的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。六、垫层的作用：3、加速较弱土层的排水固结 不透水基础直接与软弱上层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险，砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度。六、垫层的作用：4、防止冻胀 因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀，垫层应满足当地冻结深度的要求。5、消除膨胀土的胀缩作用七、换填法适用范围： 规范表述：适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。 课本表述：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。 分类及适用范围见表2-1。八、讨论：1、大面积填土设计按照建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）设计2、处理深度3m左右，不小于0.5m3、不同垫层可按照砂垫层设计4、换填法的“压实”与“固结”的不同本节完本节完1、查明地层土性及不良地质2、查明处理场地的地形、地质构造及物理力学性质3、查明地下水情况4、查明地下管线、障碍物等5、查明换填土料的来源、种类、规格、价格等 根据工程地质、建筑要求、材料来源等进行综合比较，提出合理的换填方案，尤其需提供换填土料的最优含水量、最大干密度、压实系数、施工机械、碾压要求、监理标准等施工参数。本节完本节完一、土的压实机理(Compaction Mechanics)：1、含水量小时2、含水量增大时，最优含水量3、含水量继续增大wopCAB二、室内击实试验(Compaction Test)： 垫层施工质量检验控制需要得到最大干密度，可通过击实试验得到。( (一一) )、击实试验、击实试验1、土料风(烘)干、搅拌均匀2、测土料含水量，按塑限估计最优含水量，依次相差2%计算每份土料需水量3、制备预定含水量的试样二、室内击实试验(Compaction Test)：( (一一) )、击实试验、击实试验4、按标准方法击实土样修整土样推出土样5、从击实后的土样中取出土测含水量、干密度6、绘出击实曲线7、求出最大干密度和最优含水量二、室内击实试验(Compaction Test)：( (二二) )、压实功能与最大干密度、最优含水量关系、压实功能与最大干密度、最优含水量关系 压实功能增大更易克服粒间吸引力，故干密度更大二、室内击实试验(Compaction Test)：( (三三) )、土性与最大干密度、最优含、土性与最大干密度、最优含水量关系水量关系 粘粒越多颗粒间引力越大，相同压实功能下，只有较大含水量下才能达到更大干密度。三、现场压实控制：( (一一) )、击实试验与现场压实的差别、击实试验与现场压实的差别1、有无侧向约束2、土料颗粒级配等差别三、现场压实控制：( (二二) )、现场控制参数、现场控制参数1、压实系数：即压实度，c= d/dmax2、施工含水量：最优含水量/2%3、碾压遍数：达到设计的压实度时的碾压遍数本节完一、砂一、砂( (砂石、碎石砂石、碎石) )垫层垫层(Sand Cushion(Sand Cushion) )设计：设计： 对砂垫层的设计，既要求有对砂垫层的设计，既要求有足够的厚度足够的厚度以置换可能以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度足够的宽度以防止以防止砂垫层向两侧挤出。砂垫层向两侧挤出。 设计时需要确定垫层的设计时需要确定垫层的厚度、宽度、承载力厚度、宽度、承载力和和沉降沉降量。量。一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定1、基本要求： 满足承载力和变形要求2、计算公式： 当下卧土层的承载力确定时，应满足下式(2-1):pz-垫层垫层底面处的底面处的附加压力值附加压力值pcz垫层垫层底面处土的底面处土的自重压力自重压力faz经深度修正后经深度修正后垫层垫层底面处软弱下卧层的底面处软弱下卧层的地基承载力地基承载力zzazcppfPzPcz一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求求pz：a. 垫层垫层底面处的底面处的附加压力值附加压力值pz可按压力扩散角法进行简化计算可按压力扩散角法进行简化计算:()2kczb pppbztg()(2)(2)kczbl pppbztglztg条形基础条形基础(2-2)矩形基础矩形基础(2-3)b回填土回填土其中：其中：b、l 矩形基础地面的宽和长一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求求pz：b. pk为为基础基础底面的底面的平均压力平均压力，为上部结构荷载为上部结构荷载(地表面以上地表面以上)和基础底面以上基础及土的自重：和基础底面以上基础及土的自重：b回填土回填土AbdFpGkFdd- 为基础埋深为基础埋深GG-为基础及基础上土的平均有为基础及基础上土的平均有效容重效容重(即：有地下水应扣浮力即：有地下水应扣浮力)一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求求pz：c. pc为为基础基础底面处原地基土底面处原地基土的的自重压力自重压力(若有若有地下水地下水则水则水下用浮容重下用浮容重)：b回填土回填土21ddpcd-为地下水以上原地基土湿容重为地下水以上原地基土湿容重d1d2-为地下水以下原地基土浮容重为地下水以下原地基土浮容重一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求求pz：d. 可以看出，式可以看出，式(2-2)(2-3)中的中的pk -pc的实际上为考虑了的实际上为考虑了土回弹后的基底净压力。土回弹后的基底净压力。pz 为净压力扩散后在垫层底面形成的附加应力为净压力扩散后在垫层底面形成的附加应力b回填土回填土dd1d2pk -pcpz一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求求pz：e. 垫层的压力扩散角垫层的压力扩散角取值取值b回填土回填土一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(2)求求pcz：垫层底面处土的自重压力值：垫层底面处土的自重压力值：按按原地基处土原地基处土的自重压力计算，的自重压力计算，地下水位以下采用地下水位以下采用浮容重浮容重。b回填土回填土dd1d2zz1z2.2211zzppccz一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (一一) )、砂垫层厚度的确定、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(3)求求faz： 地基承载力的修正见地基承载力的修正见建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007-2002一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (二二) )、砂垫层宽度的确定、砂垫层宽度的确定1、垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定： 2、 取值： 当z/b0.25时，仍按表中 z/b0.25取值。3、整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。4、垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。ztgbb2一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (三三) )、砂垫层承载力的确定、砂垫层承载力的确定1、垫层的承载力决定于填筑料的性质、施工机具能量大小及施工质量的优劣等，宜通过现场试验确定。 2、垫层的承载力尚必须对软弱下卧层的承载力验算后再确定。3、垫层的承载力也可通过取土分析、标贯实验、动力触探等实验资料综合分析确定。4、无试验资料时可参见表24。一、砂(砂石、碎石)垫层(Sand Cushion)设计：( (四四) )、沉降计算、沉降计算1、原则： 建筑物基础沉降总量S=垫层变形Sc+下卧土层变形Sp2、垫层： 粗颗粒垫层一般可忽略变形，需计算时方法：szckcEzpppS2)(Es-垫层压缩模量3、下卧土层： 土力学分层总和法，建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007-GB50007-20022002二、砂(砂石、碎石)垫层施工：( (一一) )、砂、砂( (砂石、碎石砂石、碎石) )料料 要求级配良好，质地坚硬，有机质、泥等的限制( (二二) )、施工参数、施工参数 最大干密度、最优含水量、压实系数c、现场碾压干密度 二、砂(砂石、碎石)垫层施工： ( (三三) )、施工要点、施工要点1、施工方法： 按密实方法分类，施工机械包括：机械碾压法和平板振动法。(1)机械碾压法： 常用于基坑面积大、开挖土方量大的工程。 平碾、羊角碾、振动碾振动压路机振动压路机18T自行式振动压路机自行式振动压路机 18T拖式振动5边凸块压路机振动平胎碾砾石羊足碾粘性土或粉土二、砂(砂石、碎石)垫层施工： ( (三三) )、施工要点、施工要点1、施工方法：(2)平板振动法： 用来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好松散杂填土等地基。二、砂(砂石、碎石)垫层施工： ( (三三) )、施工要点、施工要点2、砂石料宜采用振动碾压密实3、垫层底部存在软硬不均部位时，应先清理、再砂石回填密实，合格后再进行上层施工。4、严禁扰动下卧软土5、垫层底部尽量在同一标高，若不同应合理连接6、垫层应分层铺筑、碾压，参数现场试验定7、填筑材料应拌和均匀8、注意排水、降水、边坡稳定三、砂(砂石、碎石)垫层质量检验： 检验方法：环刀法、贯入测定法1、环刀法：测定干密度2、贯入法：钢筋贯入深度3、检验点数量：参考规范 4、竣工质量验收：载荷试验、标贯、触探等。本节完一、粉煤灰垫层(Flyash Cushion)适用范围： 适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程大面积填筑。（废料资源化） 按粉煤灰排放系统不同可分为干排灰、湿排灰、调湿灰；按含钙量不同可分为高钙灰、低钙灰。我国大多为水排低钙灰。 按照土工规范粉煤灰属于：砂质粉土二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(一)自重轻： 轻型击实后干密度0.921.35t/m3(二)击实性能好： 击实曲线峰值段比天然土具有相对较宽的最优含水量区间。4%，施工质量易保证。(三)抗剪强度： 固结不排水剪：c=530kPa，=23300。二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(四)压缩性： 压实系数为0.90.95时，Es=820MPa，为低压缩性(五)承载力： 压实系数为0.90.95时的浸水垫层，承载力特征值可采用120150kPa。(六)渗透性： 颗粒类似砂质粉土，渗透系数10-310-5cm/s。随着时间增加，因为火山灰反应使得垫层强度增加、渗透系数减小，后期形成一个相对隔水层。二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(七)抗液化性： 因火山灰反应，强度增长，颗粒形成具有胶凝能力的化合物，实验证明不会发生液化。(八)对环境的影响： 粉煤灰中微量有害元素会对环境造成一定程度的影响，建设时需充分论证，并采取相应的工程措施。三、粉煤灰垫层的设计和施工：1、设计方法同砂石垫层。2、施工时分层压实。3、运输需含水量1525%。4、施工压实参数可依据轻型击实实验得到。5、填筑应分层铺筑与碾压，设置排水、泄水沟。6、虚铺厚度和碾压遍数需实验确定。7、铺设方式：人工和机铺。三、粉煤灰垫层的设计和施工：8、当天铺筑、当天碾压。9、控制碾压含水量为最优含水量4%。10、施工气温大于0，防冻胀。11、施工时防尘。12、施工质量检验可采用环刀法、钢筋贯入法。13、施工质量验收可采用载荷板试验等。本节完一、矿渣(Cinder)及矿渣垫层适用范围：1、矿渣： 也称高炉重矿渣或干渣，是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成。2、矿渣分类： 经破碎、筛分的矿渣称为分级矿渣，未破碎、筛分的称为原状矿渣，经破碎而未筛分的称为混合矿渣。一、矿渣(Cinder)及矿渣垫层适用范围：3、矿渣垫层及适用： 矿渣取代天然砂石等作为垫层，是废物利用，资源化。 适用于中、小型建筑工程，尤其适用于地坪和堆场等工程大面积地基处理和场地平整。二、矿渣垫层的工程特性：1、稳定性： 需注意其硅酸盐分解、石灰分解和铁锰分解。2、松散密度： 矿渣的强度可用松散密度指标表示，分级矿渣要求松散密度不小于1.1t/m3。3、变形模量： 变形模量可达3570MPa4、矿渣力学特点： 压密实时荷载与变形具有直线变形体特性，压实不佳时会有显著变形。设计时应了解矿渣成份、级配、密度、场地条件、施工机械条件，以确定合理设计参数。三、矿渣垫层的设计和施工要点：1、按砂石垫层设计2、垫层承载力和变形模量宜通过现场试验确定3、矿渣垫层材料根据工程情况选用4、矿渣垫层材料的基本要求： 稳定性合格、松散密度不小于1.1t/m3、泥土和有机质含量应小于5%5、采用分层压实法6、垫层质量检验要求本节完本节完一、素土垫层(Plain Soil Cushion)和灰土垫层 (Lime Soil Cushion)及适用范围：1 1、素土垫层：、素土垫层： 指土中不掺入其他成分以改变土性的垫层。2 2、灰土垫层：、灰土垫层： 石灰和土按照一定比例掺合形成的垫层，常用石灰和土的体积比为2:8或3:7。一、素土垫层一、素土垫层(Plain Soil Cushion)和灰土垫层和灰土垫层 (Lime Soil Cushion)及适用范围：及适用范围：3 3、适用范围：、适用范围： 素土垫层和灰土垫层常用来处理湿陷性黄土，处理素土垫层和灰土垫层常用来处理湿陷性黄土，处理深度深度13m。当只需处理湿陷性时，宜采用素土垫层；。当只需处理湿陷性时，宜采用素土垫层；当还需要提高承载力和水稳性时，宜采用灰土垫层。当还需要提高承载力和水稳性时，宜采用灰土垫层。4 4、分类：、分类： 可分为可分为局部垫层局部垫层和和整片垫层整片垫层。局部垫层局部垫层一般处理矩一般处理矩形和条形基础，超出基础底边的形和条形基础，超出基础底边的宽度不小于其厚度一宽度不小于其厚度一半半；整片垫层整片垫层超出基础底边超出基础底边外缘不小于外缘不小于2m。二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：1 1、局部垫层的平面范围：、局部垫层的平面范围： 每边超出基础底边宽度按公式计算，并不小于前述每边超出基础底边宽度按公式计算，并不小于前述规定规定（不小于其厚度一半）（不小于其厚度一半）；2 2、整片垫层：、整片垫层： 整片垫层超出基础底边整片垫层超出基础底边外缘不小于外缘不小于2m。3 3、垫层的承载力：、垫层的承载力： 易现场易现场载荷试验载荷试验得到。参考值：得到。参考值：素土垫层不超过素土垫层不超过180kPa，灰土垫层不超过，灰土垫层不超过250kPa。二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：4 4、土料要求：、土料要求： 素土有机质少于素土有机质少于5%；不含冻土、膨胀土、砖石块，；不含冻土、膨胀土、砖石块，碎石粒径不大于碎石粒径不大于5cm。 灰土的石灰和土的体积比宜为灰土的石灰和土的体积比宜为2:8或或3:7。土料粘性。土料粘性土或土或Ip4的粉土，不含软土、粒径小于的粉土，不含软土、粒径小于15mm。石灰新。石灰新鲜，粒径小于鲜，粒径小于5mm。5 5、垫层施工：、垫层施工： 分层施工，灰土夯实后分层施工，灰土夯实后3day内不得浸水。内不得浸水。二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：6 6、质量检验：、质量检验： 取样深度：每层取样深度：每层2/3深度处；深度处； 干密度测定：环刀法、钢筋贯入法；干密度测定：环刀法、钢筋贯入法； 取样数量：参考规范取样数量：参考规范本节完本节完一、粉质粘土垫层： 粘土及粉土难以夯实，应掺入不少于30%的砂石。二、石屑垫层： 石料场废弃物，性质接近砂，注意含泥及含粉量。三、工业废料垫层： 矿渣、煤矸石等，需作现场试验确定参数。四、加筋垫层： 土工合成材料等。五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)：1、材料： 聚苯乙烯板即为泡沫苯乙烯，添加发泡剂。2、特性：（1）超轻质性：重度0.20.4KN/m3，为土的1/1001/50（2）耐抗压性：5%应变抗压强度100350kPa，变形模量2.511.5MPa。（3）摩擦性：与砂、砂浆等间摩擦系数（4）直立性：侧向变形小，桥台、挡墙后填土压力小五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)：2、特性：（5）耐水性：水很难渗入（6）化学特性：70下强度和变形特性不会改变；阻燃性EPS；抗酸、碱、盐、动植物油的浸蚀；但易溶于芳香族、卤族、酮、脂等类碳氢化合物。（7）施工方便：质轻、易切割加工，可模性好。五、聚苯乙烯板块(Expanded Polystyrene Sheet)：3、应用： 可作路堤材料（两侧用土包裹，见教材），已应用到公路、铁路、机场、港口、市政园林景观的路堤、回填、垫层等。