软土地基课后复习规范标准答案.doc

.\ 一 论述题 1 试论述软土地基的定义、软基的常用处理方法及其适用条件。 软土地基是指强度低,压缩量较高的软弱土层.多数含有一定的有机物质。日本高等级公路设计规范将其定义为：主要由粘土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭以及松散砂等土层构成。地下水位高,其上的填方及构造物稳定性差且发生沉降的地基。 常用处理方法及其适用条件： （1）换填法：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土土地基及暗沟、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层处理。 （2）预压法：适用于处理淤泥、淤泥质土和充填土等饱和黏性地基。 （3）碾压及夯实法：适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土、黏性土、湿陷性黄土、杂填土等地基。动力法可以有条件地处理软黏土。 （4）振冲法：适用于砂土、粉土、粉质黏土、素填土、杂填土等地基。不加填料振冲挤密适用于处理粉粒含量不大于10%的中砂、粗砂。 （5）砂石桩法：适用于挤密松散砂土、素填土和杂填土等地基。 （6）水泥粉煤灰碎石桩：适用于黏性土，粉土、黄土、砂土、素填土等地基。对于淤泥质土应通过现场试验确定其适用性。 （7）水泥搅拌法：适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。 （8）高压喷射注浆法：适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、黄土、砂土、人工填土等地基。 （9）石灰桩法：适用于处理饱和黏性土、淤泥、淤泥质土、素填土、杂填土等地基。 （10）土或灰土挤密桩法：适用于处理地下水位以上湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。 （11）柱锤冲扩法：适用于处理杂填土、素填土、粉土、粘性土、黄土等地基。对应通过现场试验确定其适用性。 （12）化学加固法：适用于砂土、粉土、黏性土和湿陷性黄土、人工填土等地基，或用于防渗堵漏。在自重湿陷性黄土场地采用碱液法应慎重。 2 试论述砂桩、振冲和强夯对不同土质的加固机理和设计方法。 砂桩加固机理： 设计方法： （1）加固范围 应根据建（构）筑物的重要性和场地条件及基础型式而定。对于一般基础，在基础外应扩大1～3排；对于可液化地基，在基础外缘扩大宽度不应小于可液化土层厚度的1/2，并不应小于5m；对于高等级公路，一般应处理至边缘外1～3m。 （2）桩位布置 对大面积满堂处理，桩位宜用等边三角形布置；对于独立或条形基础，桩位宜采用正方形、矩形等腰三角形布置；对圆形或环形基础宜用放射形布置。 （3）加固深度 加固深度应根据软弱土层的性能、厚度或工程要求按下列原则确定； ①当软土层不厚时，应穿透软土层。 ②当软土层较厚时，对按变形控制的工程，加固深度应满足砂桩复合地基变形不超过地基容许变形值并满足下卧层承载力的要求。 ③当软土层厚度较大时，对于按稳定性要求控制的工程，加固深度应不小于最危险滑动面一下2m的深度。 ④在可液化地基中，加固深度应按要求的抗震处理深度确定。 ⑤桩长不宜小于4m。 （4）桩径 根据置换率要求、成桩方法、施工机械能力等因素综合考虑确定砂桩直径。在饱和软弱粘性土中尽可能采用较大的直径。目前国内采用的桩径一般为0.3－0.8m，国外最大达2m。 （5）材料 宜使用中粗混合砂，含泥量不大于5%。在对砂桩成型没有足够约束力的软弱粘性土中，可以使用砂和角砾混合料。桩孔填料量应通过现场试验确定，估算时可按桩孔体积乘以充盈系数1.2－1.4确定。 （6）垫层 砂桩施工完毕后，地面应铺设30－50cm厚的砂垫层或砂石垫层。垫层要分层铺设，用平板振动器振实。 在地面很软不能保证施工机械正常型式和操作时，可以在砂桩施工前铺设垫层。 振冲加固机理 砂类土加固机理 振冲器在砂土中对地基土施加水平向的振动和挤压，使土体由松散变为密实或者使孔隙压力升高而液化，其主要作用就是振动密实和振动液化。 黏性土的加固机理 在黏性土地基中振冲加固的作用机理主要是通过振冲成孔，以碎石置换并振动密实，形成碎石桩体，与地基共同作用，提高地基的承载力，改善其变形性质。 设计方法： 振冲密实设计的目的与内容主要是根据设计工程对砂土地基的承载力，沉降和抗液化的要求，确定振冲后要求达到的密实度或孔隙比。然后按此要求估算振冲布置的形式，间距，深度和范围。最后通过试验检验是否满足设计的要求。 根据工程经验，使用30kW的振冲器，间距一般为1.8~2.5m，使用70kW的振冲器的间距可增大至2.5~3.5m。平面布置的方式可用正三角形或正方形。打入深度，如砂土层不厚时，应尽量贯穿，但不宜太深，除特殊要求加密外，一般不超过8m，因为砂层本身的密实度是随深度增大的。振冲加固的范围约向基础边缘放宽不得少于5m。如用加料振冲时，所用的填料一般为粗砂，碎石和砾石等，使用30kW的振冲器时，可用粒径不大于50mm的沙砾石料，使用75kW的振冲器则可用不大于100mm粒径的沙砾石料。 振冲置换设计的内容应包括：根据设计场地地质土层的性质和工程要求来确定碎石桩的合理布置范围，直径的大小，间距，加固的深度和填料的规格等；验算或试验加固后地基的承载力，沉降与地基的稳定性。 地基处理的范围应根据设计建筑物的特点和场地条件来确定，一般在建筑物基础外围增加1~2排桩；布置形式可用方形，正三角形布置。碎石桩的间距一般为1.5~2.0m，并通过验算或试验满足设计工程荷载的要求或按复合地基所需的置换率，结合布置确定间距。加固的深度则按设计建筑物的承载力与稳定性和沉降要求来确定，当软土层的厚度不大时，应贯穿软土层。碎石桩的材料应选用坚硬的碎石，卵石或角砾等，一般粒径为20~50mm，最大不超过80mm。 地基承载力与稳定性和沉降分析与检验，常通过现场试验来确定，或者按半经验公式进行估算 强夯加固机理 强夯法对多孔隙、粗颗粒、非饱和土的加固 是基于动力密实的机理，即用冲击型动力荷载，使土体中的孔隙减小，土体变得密实，从而提高地基土强度，就是土中的气相(空气)被挤出的过程，其夯实变形主要是由于土颗粒的相对位移引起。 强夯法对饱和土的加固 是基于动力固结的机理，强夯过程中，土体有效应力的变化十分显著，且主要为垂直应力的变化。由于垂直向总应力保持不变，超孔隙水压力逐渐增长且不能迅速消散，则有效应力减小。水平拉应力使土体产生一系列的竖向裂缝，使孔隙水从裂缝中排出，从而加速土体的固结。 饱和细颗粒土经强夯后，在夯坑周围会出现径向或环向裂缝，孔隙水从这些裂缝中冒出。在强夯能量作用下，饱和土气体体积首先被压缩，孔隙水排出，超孔隙水压力减少，在强夯瞬间，会产生有效的压缩沉降。当夯击反复进行时，土颗粒相互靠拢，土颗粒表面的薄膜水受到挤压，部分薄膜水因物理—化学吸附作用使土颗粒相互联系，由此产生多余的水变为自由水流向土颗粒之间，形成一定孔隙水后从地表逸出。由于薄膜水减薄，土颗粒发生相对位移，进一步挤密，由紊乱状态进入稳定状态，孔隙大小亦达到比较均匀状态，超孔隙水压力消散，土体重新稳定，承载力提高。 设计方法： 处理范围 大于建筑物基础范围。每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，且不宜小于3m；对于有液化势态的地层，每边超出基础外缘的宽度不宜小于设计处理的深度。 夯锤和落距 单击夯击能为夯锤重M与落距h的乘积，一般说夯击时最好锤重和落距大，则单击能量大，夯击击数少，夯击遍数也相应减少，加固效果和技术经济较好。 整个加固场地的总夯击能量(即锤重落距总夯击数)除以加固面积称为单位夯击能。 夯击次数 一般通过现场单点夯试夯确定。常以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为原则。若土渗透性差，强夯使土产生较大的侧向挤出，地面隆起，继续夯击，则不能有效夯实。 通过现场试夯得到的夯击次数与夯沉量的关系曲线确定有效夯实系数，从而得到夯击次数。 夯击遍数 根据地基土的性质确定，夯击遍数一般为2~3遍，最后—遍是以低能量“搭夯”即锤印彼此搭接。对于渗透性弱的细颗粒土地基，可增加夯击遍数。 垫层铺设 垫层厚度一般为0.5—2.0m。 间歇时间 铺设的垫层不能含有粘土。两遍夯击之间应有一定的时间间隔，以利于超孔隙水压力的消散。 夯击点布置 基础面积较大的建筑物或构筑物——等边三角形或正方形 办公楼、住宅建筑——根据承重墙位置布置夯点，采用等腰三角形 工业厂房——根据柱网设置夯点 3 试论述高压喷射注浆和深层搅拌的优缺点、加固机理和设计要点。 高压喷射注浆法的优缺点： （1）适用范围较广。可用于既有建筑和新建建筑的地基加固，深基坑、地铁等工程的土层加固或防水。 （2）适用土层较多。适用范围从淤泥、淤泥质土到碎石土，均有良好的加固效果。 （3）施工简便灵活。设备较简单、轻便，机械化程度高，全套设备紧凑，体积小，机动性强，占地少，能在狭窄场地施工；操作容易，管理方便，速度快，效率高，用途广泛，成本低。 （4）可控制加固体的形状和加固范围。 （5）耐久性好，可用于永久性工程中。 （6）环保效果好。用于已有建筑物地基加固而不扰动附近土体，施工噪声低，振动小。 加固机理： （1）高压喷射流对土体的破坏作用 破坏土体的结构强度的最主要因素是喷射动压，为了取得更大的破坏力，需要增加平均流速，也就是需要增加旋喷压力，一般要求高压脉冲泵的工作压力在20MPa以上，这样就使射流象刚体一样，冲击破坏土体，使土与浆液搅拌混合，凝固成圆柱状的固结体。喷射流在终期区域，能量衰减很大，不能直接冲击土体使土颗粒剥落，但能对有效射程的边界土产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙里，使固结体与四周土紧密相依，不产生脱离现象。 （2）水泥与土的固结机理 水泥与水拌合后，首先产生铝酸三钙水化物和氢氧化钙，它们可溶于水中，但溶解度不高，很快就达到饱和，这种化学反应连续不断地进行，就析出一种胶质物体。这种胶质物体有一部分混在水中悬浮，后来就包围在水泥微粒的表面，形成一层胶凝薄膜。所生成的硅酸二钙水化物几乎不溶于水，只能以无定形体的胶质包围在水泥微粒的表层，另一部分渗入水中。由水泥各种成分所生成的胶凝膜，逐渐发展起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶粘的性质。此后，水泥各成分在不缺水、不干涸的情况下，继续不断地按上述水化程序发展、增强和扩大。 深层搅拌的优缺点： （1）由于将固化剂和原地基土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了地基土。 （2）搅拌时地基土较少产生侧向位移，对周围建筑物影响小。 （3）根据设计要求，可合理选择固化剂和配方，设计灵活。 （4）土体加固后重度不变，对软弱下卧层不产生附加沉降。 （5）可有效提高地基强度。 （6）施工时无振动，无噪音，无污染，可在市区及建筑群中施工。 （7）与钢筋混凝土桩相比，节省了大量钢材，降低了造价。 （8）根据上部结构需要，可灵活采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。 加固机理： （1）宏观机理 通过特制的施工机械，在土中形成一定直径的桩体，与桩间土形成复合地基承担基础传来的荷载，可提高地基承载力和改善地基变形特性。有时，当地基土较软弱、地基承载力和变形要求较高时，也采用壁式加固，形成纵横交错的水泥土墙，形成格栅形复合地基。甚至直接将拟加固范围内土体全部进行处理，形成块式加固实体。 （2）微观机理 ①水泥土硬化机理： 当水泥浆与土搅拌后，水泥颗粒表面的矿物很快与黏土中的水发生水解和水化反应，在颗粒间形成各种水化物。这些水化物有的继续硬化，形成水泥石骨料，有的则与周围具有一定活性的黏土颗粒发生反应。通过离子交换和团粒化作用使较小的土颗粒形成较大的土团粒；通过硬凝反应，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物，从而使土的强度提高。 ②水泥的水解和水化反应： 普通硅酸盐水泥成分主要为CaCl2、SiO2、Al2O3、Fe2O3、S2O3等，这些矿物能很快与软土中的水发生水化与水解作用生成Ca(OH)2、CaSiO3nH2O、含水铝酸钙等化合物而溶解于水，就使水泥颗粒新鲜面不断发生水解与水化而使水饱和，后来再水解的物质不能溶解则形成胶体，从而增强了软土强度。 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 ③离子交换： 软土中的Na+、K+与Ca2+进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团，从而使土体强度提高。 水泥水化后生成的凝胶离子比表面积比原水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的表面能，具有强烈的吸附活性，能使较大的土团进一步结合起来，形成坚固联结，提高了承载力。 ④硬凝反应： 水泥水化后，溶液中析出了大量Ca2+ ，部分进行离子交换外，其余部分则发生下列反应： SiO2+ Ca(OH)2+ nH2O→ CaSiO3(n+1)H2O Al2O3+ Ca(OH)2+ nH2O→ CaAl2O3(n+1)H2O 生成后的矿物硬化，增大了土的强度。 ⑤碳酸化作用： 水泥水化物中游离的Ca(OH)2能吸附水与空气中的CO2，发生下列反应： Ca(OH)2+ CO2= CaCO3↓+H2O CaCO3不溶于水，也能增大地基承载力，但速度慢。 二 设计计算题 1 某砖混结构条形基形，作用在基础顶面的竖向荷载Fk=130kN/m，土层分布：0~1.3m填土，γ=17. 5kN/m3；1.3~7.8m淤泥质土，w=47. 5%，γ=17.8kN/m3，fak=76kPa。地下水位0.8m，试设计换填垫层法处理地基。 确定垫层材料 在垫层材料方面, 采用中砂作为垫层, 最大干密度大于2.1t/m3，载力设计值按f=180kN/m2 计算( 施工时砂垫层密度控制在中密程度) , 重度取γ=19.5kN/m3。ηd 取2.0。 确定宽度 取b=0.9m 假定砂垫层厚度取0.8m 取扩散角θ=30o 满足要求，垫层宽度b′=b+2ztanθ=0.9+20.80.577=1.82m