湿陷性黄土地基处理

第一章 湿陷性黄土地基的处理

第一节 湿陷性黄土的简介

湿陷性黄土是我国一种主要的、分布较为广泛的区域性土，它主要分部于我国西部的黄土高原上。湿陷性黄土是第四纪的一种沉积物，它以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙和垂直节理，以黄色为基本色调，具有湿陷性，故称为湿陷性黄土。

随着我国改革开放和现代化建设的突飞猛进，西部大开发成为一个日益被重视的问题。在西部大开发口号的号召下，做为新世纪的岩土工程工作者，我们就不得不把建设西部做为一个重中之重。这样，我们就遇到了好多与黄土有关的问题，这其中当然也包括湿陷性黄土。据统计，我国的黄土和黄土状土分布面积为64万k㎡，其中湿陷性黄土占到黄土总面积的60％，约为38万k㎡。

黄土按其成因分为原生黄土和次生黄土。一般认为不具层理的风成黄土为原生黄土。原生黄土经过流水冲刷、搬运和重新沉积而形成次生黄土，具有层理，并含有较多的砂粒。从建筑工程角度来看，主要是根据土的物理、力学性质来评价其工程性质，对区分黄土或黄土状土的必要性不是很大，本书统称之为黄土。

第二节 湿陷性黄土地基的处理方法

1 换填垫层法

1.1 概述

在规划和设计一般工业与民用建筑时，常可按照地基土的不同

物理力学特性和上部建筑物的荷载大小，设计成各种不同形式的基础：如独立基础、条形基础等，并直接埋置在经过适当开挖而不作任何处理的天然地层上，这种地基称为天然地基。随着人们对建筑物使用要求的发展和建筑技术的进步，重型工业建筑、多层、高层以及超高层民用和公共建筑日趋增多，且建筑物的荷载越来越大，当天然地基已不能满足支承上部荷载和控制建筑物变形时，必须对地基进行加固，也就是把建筑物支承在经过人工处理的地基上，这种地基称为人工地基。人工地基从处理深度上可分为浅层处理和深层处理。一般认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。地基浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料，以下所介绍的换填垫层法就是量大面广，简单、快速和经济的处理方法。

1.2 加固原理

换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，应根据建筑体型、结构特点、荷载性质、岩土工程条件、施工机械设备及填料性质和来源等进行综合分析，进行换填垫层的设计和选择施工方法。该法是将基础底面以下一定深度范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的填料分层填充，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。

垫层可以选用的填料有砂石（包括碎石、卵石、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质）、粉

质粘土（用于湿陷性黄土的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块）、灰土（土料宜用粉质粘土，石灰用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5㎜，体积配合比宜为2：8或3：7）、粉煤灰、矿渣（指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣）、其他工业废渣（要求质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害）、土工合成材料等。

经该方法处理过的人工地基或垫层，可以把上部荷载扩散到下面的下卧层，以满足上部建筑所需要的地基承载力和减少沉降量的要求。当垫层下面有较软土层时，也可以加速软弱土层的排水固结和强度的提高。此法用于湿陷性黄土地基可以消除地基的湿陷性。

1.3 设计计算

垫层的设计不但要求满足建筑物对地基变形及稳定性的要求，而且也应符合经济合理的原则。垫层设计的主要内容是确定断面的合理厚度和宽度。

(1) 垫层厚度的确定

垫层厚度一般根据垫层底面处土的自重应力和附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的允许承载力。其表达式如下：

pzpczfaz

式中 pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）； pcz——垫层底面处土的自重压力值（kPa）；

faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）；

垫层底面处的附加压力值可按下式计算：

条形基础 pz

b(pkpc) b2ztgbl(pkpc) (b2ztg)(l2ztg) 矩形基础 pz

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）；

pk—— 相应与荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）； pc—— 基础地面处土的自重压力值（kPa）；

z —— 基础底面下垫层的厚度（m）；

—— 垫层压力扩散角（°） 宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表

1.1采用。

注：1 当z/b＜0.25，除灰土取＝28°外，其余材料均取＝0°，必要时，宜由试验确定； 2 当0.25＜z/b＜0.5时，值可内插求得。

（二） 垫层宽度的确定

垫层的宽度应满足基础地面应力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定：

b'b2ztg

式中 b'——垫层底面宽度（m）；

——压力扩散角，可按表1.1采用；当z/b＜0.25时，仍按表中当z/b＝0.25取值

整片垫层时的宽度可根据施工的要求适当加宽。

垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡。

1.4 施工工艺

垫层施工应根据不同的换填料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可用蛙式夯、柴油夯。砂石等宜用振动碾。粉煤灰宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。其施工要点如下：

（1） 垫层施工中关键是将填料加密到设计要求的密实度。

（2） 铺筑前，应先行验槽。浮土应清除，边坡必须稳定，防止塌土。

（3） 开挖基坑铺设垫层时，必须必须避免扰动软弱土层的表面，否则坑底土的结构在施工时遭到破坏后，其强度会显著降低，以致在建筑物荷重的作用下，将产生很大的附加沉降。因此，基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏基坑。

（4） 垫层底面应铺设在同一标高。

（5） 捣实垫层时，应注意不要破坏基坑底面和侧面土的强度。2 重锤表层夯实法

2.1 概述

我国于20世纪50～60年代中期,在西北、华北等地区,广泛采用重锤表层夯实法处理湿陷性黄土地基,建造了大量的工业与民用建筑物,许多工程实例说明,经重锤表层夯实处理的地基,没有发生严重湿

陷事故,轻微湿陷事故也罕见。例如: (1)河北保定某厂,地基采用重

锤表层夯实后,在使用期间,建筑物地基曾经受洪水浸泡,没有发生湿陷事故; (2)河南三门峡印染厂的漂染车间,生产大量用水,地面直接受水浸湿,该车间地基属于受水浸湿可能性大,湿陷性黄土层厚度为14m,按基础下5m计算的分级湿陷量为27. 9cm,地基采用重锤表层夯实,消除湿陷性的土层厚度为1. 75m,该车间于1965年建成投产以来,地基未发生湿陷事故,建筑物沉降最大值为5cm,一般为1～3cm,使用正常。

2.2 加固原理

重锤表层夯实是在基坑内的基础底面标高以下待夯实的天然土层上进行的。它与土垫层法相比，可少挖土方工程量，而且不需要回填，其夯实土层与土垫层的作用基本相同。

重锤表层夯实加固原理是将18～30KN的重锤提高到4～5m后自由落下，并如此重复夯打，使土的密度增大，土的物理力学性质改善，以减少或消除地基的变形。

在重锤夯实区域附近有建筑物以及正在进行砌筑工程或浇筑混凝土时，应注意防止建筑物、砌体和混凝土因受振动而产生裂缝，应采取适当的措施。

2.3 设计计算

（一）确定基坑底面以上预留土层的厚度

eeShk 1e

式中 e——在有效夯实深度内地基土夯实前的平均孔隙比；

'

e——在有效夯实深度内地基土夯实后的平均孔隙比，一般为夯实前的55～65％； h——有效夯实深度，m；

k——经验系数，一般为1.5～2.0。

（二）确定基坑底面宽度 '

采用重锤表层夯实地基时，确定基坑底面的宽度，除应考虑基底应力扩散宽度外，同时还应考虑施工特点，防止基坑底面因夯实宽度不足，使地基土产生侧向挤出而降低处理的效果。为此，基坑底面的夯实宽度可按下式确定：

Bb0.8h2C

式中 B——基坑底面的夯实宽度，m；

b——基坑底面的宽度，m；

h——有效夯实深度，一般为1.2～1.75m；

C——考虑靠近坑壁边角处不便夯打而增设的附加宽度，一般为0.1～0.15m。

（三）含水量的控制

地基土的含水量是影响夯实质量的重要因素。在最优含水量下进行夯打，土粒间的阻力较小，颗粒易于滑动，能量可以有效的向纵深方向传递，下部土层较易夯实。因此，每平方米基坑的加水量可按下式计算：

'QOP

10(1)hk

式中 Q——每平方米基坑的加水量，m3；

'——土的最优含水量，以小数计 OP

——夯实前地基土的平均天然含水量，以小数计；

——夯实前地基土的平均天然容重，KN/m3。

其它符号同前。

2.4 施工工艺

2.4.1 机械设备

重锤表层夯实的主要机械设备有重锤和起重机械（包括钢丝绳、吊钩等）。

夯锤可用金属制作或在现场用C30钢筋混凝土预制。为了使夯锤落下时保持平稳和垂直,锤的重心应尽量接近锤底,锤底面积宜为圆形。地基夯实的质量除与锤的质量、落距、锤底面积及其静压力有外,同时还与地基土的含水量关系密切。工程实践表明,含水量小于10% ,土呈坚硬状态,表层土容易夯松,深部土层不易夯实,有效夯实厚度小:土的含水量太大,夯击时呈软塑状态,容易出现“橡皮土”;处于或接近最优含水量的土,夯击时土粒间阻力较小,土颗粒易于互相挤密,夯击能量向纵深方向传递,在相应的夯击次数下,夯击总下沉量和有效夯实厚度均大。

夯锤质量、落距、锤底面积、锤底静压力等参数以及夯击次数及夯实效果均可在现场通过试夯确定，也可根据土性指标和设计所要求的有效夯实厚度确定。

起重机械根据当地条件可采用履带式起重机、打桩机、装有摩擦绞车的挖土机等。也可以采用自治桅杆式起重机或龙门架。各种起重机械的上举高度要大于所要求的落距，其中能力一般大于锤重的3倍。在大面积范围内进行夯实时，使用全回转起重夯实效果较好。

2.4.2 试夯

在重锤表层夯实正式施工前，一般应在建筑地段附近先进行试夯，以查明表层夯实的效果，选定夯锤质量、底面直径和落距，确定最后下沉量以及相应的最小夯击遍数和总下沉量。试夯点数量应根据

场地土的性质决定。若土基本均匀，试夯工作可只在一处进行，否则，应在不同地段分别进行。

3 强夯法

3.1 概述

重锤夯实是一种古老的深层加固土的方法，它可以追溯到1936年首次由普洛克提出的击实原理，1957年英格兰的道路研究室第一次将这一技术应用到土的深层压实上。直至20世纪70年代初，在法国梅纳公司的开创下，强夯法这种深层动力夯实技术才真正用于土的加固实践中。

强夯处理技术广泛应用于碎石、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基。对于饱和度较高的黏土和淤泥 质地基通过辅以置换等措施也可以取得一定的加固效果，如形成硬壳层，可作为工业项目的厂区、道路、一般建筑物地基。关于高饱和度黏土和黏性土等地基,采用夯坑内回填块石,碎石或其它粒径材料进行强夯置换亦取得了一定效果。

强夯法具有以下特点：

（1） 处理范围广泛。

（2） 加固效果显著。

（3） 节省材料，降低工程造价。

（4） 施工速度快，工期短。

（5） 施工机具简单。

3.2 加固原理

强夯法的加固原理是利用夯锤自由落下产生的冲击波使地基密实。这种冲击引起的振动在土中以波的形式向地下传播。这种振动波可分为体波和面波两大类。体波又包括压缩波和剪切波，面波如瑞利波、乐夫波。

强夯理论认为：压缩波大部分通过液相运动，使孔隙水压力增大，同时使土粒错位，土体骨架解散，而随后的剪切波使土颗粒处于更加密实的状态。

现在一般的看法是，地基经强夯后，其强度提高过程可分为：夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密；土体液化或土体结构破坏；排水固结压密；触变恢复并伴随固结压密。

3.3 设计计算

强夯参数包括：加固深度、单点夯击能、最佳夯击能、夯击遍数、相邻两次夯击遍数的间歇时间、加固范围和夯点布置等。

（一） 加固深度

Menard提出的加固影响深度公式为

D式中 D——加固影响深度，m；

W——锤重，KN；

H——落距，m；

——系数，其值为0.5～1.0。 太原工业大学分析了16个试验资料后得出如下有效加固深度经验公式

D5.10220.0089WH0.009361E

式中 E ——单位面积夯击能，KJ。其它符号意义同上。

范维恒等总结了大家的成果后提出有效加固深度的修正公式为

D

式中 K——修正系数，其变化范围一般为0.5～0.8。比如软土取0.5，黄土为0.34～0.5。

（二） 单点夯击能

单点夯击能等于锤重乘以落距，一般根据加固土层的厚度以及选用吊机的大小。

目前，世界上最大的锤重2000KN，落距25m，其加固深度可达40m。我国所用的锤重为80～250KN，个别的达400KN，落距为8～25米。

（三）夯击遍数的确定

夯击遍数应根据地基土的性质确定，可采用点夯2～3遍，对于渗透性较差的细颗粒土，必要时夯击遍数可适当增加最后再以低能量满夯两遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。

夯点的夯击次数，应按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件：

（1） 最后两击的平均夯沉量不宜大于下列数值：当单击夯击能小于4000KN·m时为50mm；当单击夯击能为4000～6000KN·m时为100mm；当单击夯击能大于6000KN·m时为200mm。

（2） 夯坑周围地面不应发生过大的隆起。

（3） 不因夯坑过深而发生提锤困难。

（四）加固范围

有的文献记述，加固范围比加固地基的长度L和宽度B各大出

加固厚度H，即（L+H）×(B+H) .

3.4 施工工艺

强夯法的施工要点包括以下：

（一）试夯

施工前，应根据初步确定的强夯参数，在现场有代表性的场地上进行试夯，并通过测试，与夯前测试数据进行对比，检验强夯效果，以便最后确定工程采用的各项强夯参数

（二）平整场地

预先估计强夯后可能产生的平均地面变形，并以此确定夯前地面高程，然后用推土机平整。同时应认真查明强夯场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的位置及标高，尽量避开在其上进行强夯施工。

（三）铺设层或降低地下水位

遇到地表为细粒土，且地下水位高的情况，有时需要在表层铺设0.2～2m左右厚的松散性材料或人工降低地下水位，以使地表形成硬层，可以支承起重设备，确保机械通行和施工。

（四）强夯施工

其加固顺序位先深后浅，即先加固深层土，再加固中层土，最后加固表层土。根据此加固顺序，在最后一遍夯击完成后，用推土机将夯坑填平。

4 土桩及灰土桩挤密法

4.1 概述

土桩及灰土桩挤密法是利用成孔时的侧向挤压作用，使桩间土得以挤密：随后将桩孔用素土或灰土分层夯填密实，前者称为土桩挤密法，后者称为灰土桩挤密法，其共同点是对土的侧向深层挤密加固。土桩或灰土桩挤密地基均属于人工复合地基，其上部荷载由桩体和桩间挤密土共同承担。土桩和灰土桩法具有原位处理、深层挤密和以土治土的他点，用于处理厚度较大的湿陷性黄土或填土地基时，可获得显著的技术经济效益，在我国西北和华北地区已广泛应用。

土桩和灰土桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土或杂填土地基。处理深度宜为5～15m。当以消除地基土湿陷性为主要目的时，宜选用土桩法，当以提高地基的承载力为主要目的时，宜选用灰土桩法。

4.2 加固原理

在湿陷性黄土地区多采用土桩挤密法。土桩挤密地基是由素土夯填的土桩和桩间挤密土体组合而成。桩孔内夯填的土料多为就近挖运的黄土类土，其土质及夯实的标准于桩间挤密土基本一致，因此它们的物理力学性质也无明显的差异。很显然，土桩挤密法的加固作用主要是增加土的密实度，降低土中孔隙率，从而达到消除地基湿陷性和提高水稳定性的工程效果。

土桩是一种柔性桩，不但桩孔部分夯填土要承受上部荷载，挤密后的桩间土也将分担很大一部分荷载。其主要特点是不需大挖大填，土方量少。

土（灰土）桩挤密法与夯实、碾压等竖向加密方法不同，属于

横向加密土层。施工中当套管打入地层时，管周地基土受到了较大的水平向挤密作用，使管周围一定范围内的地基土的工程物理性质得到改善，其密实度增加、压缩性降低、湿陷性全部或部分消除。

4.3 设计计算

土桩挤密法和灰土桩挤密法处理地基时的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积，并应符合下列规定：

（1） 当采用局部处理时，超出基础底面的宽度：对非自重湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基，每边不应小于基地宽度的0.25倍，并不应小于0.50m；对自重湿陷性黄土地基，每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.00m。

（2） 当采用整片处理时，超出建筑物外墙基础底面外缘所的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2m。

（一）桩孔直径

桩孔直径宜为300～450mm，并可根据所选用的成孔设备或成孔方法确定。桩孔宜按三角形布置，桩孔间的中心距离，可为桩孔直径的2.0～2.5倍，也可按下式估算：

s0.95式中 s——桩孔之间的中心距离，m；

d——桩孔直径，m； dmax——桩间土的最大干密度，t/m3；

d——地基处理前土的平均干密度，t/m3；

c——桩土经过成孔挤密后的平均挤密系数，对重要的工程不宜小于0.93，对一

般工程不应小于0.90。

（二） 桩间土的平均挤密系数c按下式确定：

d1cdmax

组。 式中 d1——在成孔挤密深度内，桩间土的平均干密度（t/m3），平均试样不应少于6

（三）桩孔数量可按下式估算：

nA

Ae

式中 n——桩孔的数量；

A——拟处理地基的面积（㎡）；

，即 AeAe——1根土或灰土挤密桩所承担的处理地基面积（㎡）

； de——1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m）

桩孔按等边三角形布置

de24； de1.0s5； 桩孔按正方形布置 de1.13s。

（四）桩孔深度

挤密桩孔深度主要取决于湿陷性黄土层的厚度、性质以及成孔机械的性能。最小不得小于3m，因为深度过小使用土桩挤密不经济。我国目前生产的成孔机械能达到的最大深度是15m，但随着我国建筑机械性能的进步和施工工艺的改善，成孔深度还可以增加。

4.4 施工工艺

挤密土桩的施工程序位桩孔定位、桩孔成型、桩孔回填夯实。

（一） 桩孔定位

桩孔定位要求偏差不超过5cm。可用小木桩或粗钢筋打入土中

20cm，拔出后在孔内浇少许石灰水即可。

（二） 桩孔成型

桩孔成型是影响挤密桩地基工程质量的技术关键，也是问题多、操作困难的一道工序。造孔的方法由沉管成孔法、爆扩成孔法和冲击挤密成孔法，本章不再赘述，详细请查看参考文献。

（三） 桩孔回填夯实

使用锤击沉管成孔法于桩孔造成之后，需将打桩机移走，并将土桩夯实机就位在桩孔上，夯实锤对准桩孔。然后将含水量适中的拌合均匀并过筛的涂料，按要求依量填入桩孔中，夯实之后土桩即筑成。 5 振冲法

5.1 概述

为捣实大坝混凝土，发明了振捣器。后来在振捣器的基础上，Steuerman构思了利用振动和压力水冲切原理的振冲器。1937年，Steuerman供职的一家名叫Johann Keller的德国施工公司首先制成了一台具有现代振冲器形式的雏形振冲器，用于处理柏林一幢建筑物的7.5米的松砂地基，结果将砂基的承载力提高了一倍，相对密度由原来的45％提高到了80％，取得了显著地加固效果。

我国应用振冲法始于1977年。由于大量工业民用建筑和水利、交通工程地基抗震加固的需要，这一方法得到了极大的推广。近年来，电力部北京勘测设计院研制了75kW大功率振冲器，1985年在四川省铜街子水电站工地用这一振冲器穿过厚度达8m的漂卵石夹砂层对下面的细砂进行振密，取得了良好的效果。随着振冲器的进一步发展，

其使用也越来越普遍，开始用于湿陷性黄土地基的处理工程中。

5.2 加固原理

振冲法作为一种简单而有效的复合式地基处理加固方法而得到广泛的应用，其原理简单来说是一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂粒重新排列，孔隙减少，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加回填料情况下还通过填料使砂层挤压加密，所以这一方法称为振冲密实法。

振冲法加固的记得主要作用机理有以下几个方面：

（1） 置换作用

振冲器借助本身的质量和强大的激振力，在高压水的配合下下沉造孔，在振冲孔内填入骨料，经振密，形成一根碎石桩，振冲碎石桩与原地基土共同作用，形成复合地基，可成倍地提高地基复合承载力，减少压缩变形量。

（2） 振密、挤密作用

对于砂性土地基，振冲施工时，松散的砂性土在强大的高频振动力和水力作用下产生液化，砂颗粒重新排列致密，若同时在孔内填入粗骨料后，以强大的水平激振力将粗骨料挤入周围土中，使桩间土得以挤密，提高了地基的抗剪强度，使地基土物理、力学性质得以改善，使地基承载力提高，压缩性降低，抗液化性能同时得以改善。

（3） 排水减压作用

振冲法加固软土地基时向振冲孔内填碎石或卵石等渗透性良好的粗骨料，在地基土中形成良好的人工竖向排水减压通道，一方面地

基受荷后可加快地基土排水固结作用，另一方面可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高，从而有效防止砂性土地基在地震作用时产生液化。

（4） 砂基预震效应

在振冲法施工时，振动器以强大的激振力和高频振动喷水沉入地基途中，使地基土在得到振密和挤密的同时获得强烈的预震，预震作用能显著地增强砂土地基的抗液化能力。

5.3 设计计算

（一）一般原则

砂层经用填料造桩挤密后，桩的承载能力比桩间砂土大，但因桩间砂土经振冲挤密后承载力也有很大的提高，常常桩间砂土本身已能满足设计要求的容许承载力。对有抗震要求的松砂地基，要根据砂的颗粒组成、起始密实程度、地下水位、建筑物的抗震设防烈度，计算振冲处理深度、布孔形式、间距合挤密标准。

（二）适用土质

本法主要适用于砂类土，从粉细砂到含砾粗砂，只要小于0.005mm的粘粒含量不超过10％，都可以得到显著的挤密效果；若粘粒含量大于30％，则挤密效果明显降低。

（三）处理范围

砂基振冲的范围如果没有抗液化要求，一般不超出或稍超出基底覆盖面积；但在地震区有抗液化要求，应在基础底面外缘每边放宽不小于5m。

（四）孔位布置和间距

振冲孔位布置常用等边三角形和正方形两种。其间距视砂土的颗粒组成、密实要求、振冲功率而定。当设计大面积砂层挤密处理时，振冲孔间距也可用于下式估算：

d

式中 d——振冲孔间距（m）；

——系数，正方形布置为1，等边三角形布置为1.075；

Vp——单位桩长的平均填料量，一般为0.3～0.5㎡；

V——原地基为达到规定密实度单位体积所需的的填料量。

5.4 施工工艺

（一）施工机具

主要机具实振冲器、操作振冲器的吊机和水泵。振冲器的主要原理是利用电机旋转一组偏心块产生一定频率和振幅的水平向振动。压力通过空心竖轴从振冲器下端喷口喷出。

（二）施工前的现场试验

现场试验的目的一方面是确定正是施工时采用的施工参数，如振冲孔间距、造孔制桩时间、控制电流、填料量等；另一方面是摸清处理效果，为加固设计提供可靠的依据。在试验中，很重要的两个问题是选择控制电流值和确定振冲孔间距。对大面积振冲施工的情况，应尽可能采用较高的控制电流和较大的间距，以减少孔数，加速施工进度。

6 桩基础

湿陷性黄土地区采用桩基础的目的，是将桩穿过湿陷性黄土层，

落在其下坚实的非湿陷性土层中，以便安全支承从上部结构传来的荷载，如一旦地基受水浸湿，就可以完全避免湿陷的危害。按施工方法桩可以分为打入、钻孔和爆扩几种，下面分别叙述。

6.1 打入预制桩

钢筋混凝土预制桩造价较高，但它的施工机械化程度高、施工速度快、承载力高，所以近几年在一些重要的工程中采用的较多。在湿陷性黄土层较厚或地下水位较高而建筑物的荷载又较大的情况下使用预制桩是特别合适的。

预制混凝土桩为国内使用最多的一种桩型，常用截面有普通混凝土方桩和预应力混凝土管桩两种。尤其是方型桩，生产制作运输堆放都比较方便。有的地区采用三角形截面的空心桩，此桩具有材料耗量的、重量轻、界面周边惯性矩较大的特点。打桩方法有锤击法和振动法等。

6.2 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是高层建筑常用的一种基础形式，它将上部结构的荷载传递至深层稳定的土层或岩层上去，以减少建筑物的不均匀沉降。它能适用于不同的场地和多种地层的施工，在工业与民用建筑及道路桥梁工程中得到普遍的应用。

钻孔灌注桩具有施工工艺和机具设备的多样性，但各种工艺和机具设备同样要受到施工场地的环境、地质条件的约束。工程实际中，时常出现因勘查未详细查明建筑场地岩土工程条件，设计选择不合适的持力层和施工中选择不合理的施工工艺、不合适的灌注混凝土方

法、工作人员素质参差不齐、责任心不强而造成的质量问题。

钻孔灌注桩为非挤土桩。根据成孔工艺可分为取土钻孔灌注桩、冲击钻孔灌注桩、泥浆循环护壁钻孔灌注桩。

6.3 爆扩桩基础

爆扩桩是先用钻机或大直径洛阳铲掏孔（也可用炸药爆扩）形成桩孔，然后在孔底安放炸药包，浇入部分混凝土，将炸药引爆后在桩底形成扩大头空腔，继续浇灌桩身混凝土而成为爆扩桩。爆扩桩施工方便，不需要复杂机具，土方量很少。由于桩段面积扩大，其承载能力可以比一般灌注桩提高1～2倍。

在湿陷性黄土地区采用爆扩桩与其他地区不同的是，应考虑桩基在受水浸湿后成在理的变化。在天然状态下，爆扩桩承载力是由桩周土的摩擦力和桩底扩大头下土的承载力两部分所组成，一般情况下 ，其承载力都较高。但地基受水浸湿后，摩擦力大部分消失；在自重湿陷性黄土地基上，还可以产生负摩擦力，因此在湿陷性黄土地区，决定爆扩桩承载力时，不应将桩周土的摩擦力考虑在内。

爆扩桩基础的设计包括该桩的设置深度、桩身和扩大头的直径以及桩位的布置。在湿陷性黄土地区，爆扩桩的成孔方法有药管法和药眼法两种。

7 砂石桩法

7.1 概述

碎石桩、砂桩和砂石桩总称为砂石桩，它是指利用振动或冲击形式，在软弱的地基成孔后，填入砂、砾石、卵石、碎石等材料并将

其挤入土中，形成较大直径的砂石体而构成的密实桩体。砂石桩最早于1835年有法国工程师设计，用于在海湾沉积软土上建造兵工厂的地基工程中。在此后很长时间内由于缺乏先进的施工工艺和施工设备，没有较适用的设计方法而发展缓慢。二战后，此方法在苏联得到广泛应用并取得较大成就。初期，砂石桩填料主要为砂、石，施工方法采用冲孔填砂捣实法，以后发展了振动水冲施工法，本世纪50年代后期出现了振动式和锤击式施工方法。1958年日本开始采用振动重复压拔管施工方法，这一方法的采用，使砂石桩地基处理技术发展到一个新的水平，使施工质量、施工效率和处理深度都有显著提高。

7.2 加固原理

砂石桩可用于处理松散砂土、粉土、粘性土、素填土及杂填土地基，该方法处理可液化地基是很有效的。其工作机理主要靠桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密实度增大，从而使地基的承载力提高，压缩性降低。因软弱的地基土的渗透性较小，灵敏度较大，成桩过程中产生的超孔隙水压力不能迅速消散，挤密效果较差，而且因扰动而破坏了土的天然结构，降低了土的抗剪强度。根据国外的经验，在软弱粘性土中形成砂石桩复合地基后，再对其进行加载预压，以提高地基强度和整体稳定性，并减少工后沉降。国内的实践也表明，如不进行预压，砂石桩施工后的地基在荷载作用下仍有较大的沉降变形，对沉降要求较严格的建筑物难以满足要求。因此，采用砂石桩处理饱和软弱粘性土地基应根据工程对象区别对待，通过现场试验来确定地基处理方法。地基土的土质不同，对砂石桩的作用原理也不尽相

同。在松散砂土和粉土地基中，其主要作用有挤密作用、振密作用及抗液化作用；而对于粘性土地基，其作用是置换作用和排水作用。

7.3 设计计算

该方法的设计内容包括以下：

（1） 桩的平面布置。可采用三角形或正方形。

（2） 桩直径的大小。一般可采用300～800mm。

（3） 砂石桩的间距。对粉土和砂土地基，不宜大于砂石桩直径的4.5倍；对粘性土地基不宜大于砂石桩直径的3倍。

（4） 砂石桩的长度。取决于需加固处理的软土层的厚度，通常根据地基的稳定和变形验算确定。

（5） 砂石桩处理范围应大于基底范围，处理宽度宜在基础外缘扩大1～3排桩。

（6） 砂石桩孔内填料量应通过现场试验确定，估算时可按设计桩孔体积乘以充盈系数确定。

（7） 桩体材料可用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑等硬质材料，含泥量不得大于5％，最大粒径不宜大于50mm。

（8） 砂石顶部宜铺设一层厚度为300～500mm的砂石垫层。

（9） 砂石桩复合地基的承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定。

（10） 砂石桩处理地基的变形时，应按规范中的规定进行计算。

7.4 施工

砂石桩机包括桩基架、桩管及桩尖、提升设备、挤密装置、上料设备及监测装置等部分。施工前应在现场进行成桩试验，以此检验设计要求和确定施工工艺及施工控制要求，包括砂石量、提升速度、挤压时间等。

以挤密桩为主的砂石桩施工时，应间隔进行，并宜由外侧向中间推进。对粘性土地基，砂石桩主要起置换作用，为了保证设计的置换率，宜从中间向外围或隔排施工。在既有建筑附近施工时，为了减少对临近既有建筑物的振动影响，应背离建筑物方向进行。 8 水泥土搅拌法

8.1 概述

我国地域广大，有各种成因的软土层，其分布范围广、土层厚度大。这类软土的特点是含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、渗透性差、沉降稳定时间长。近年来根据工业布局和城市发展规划，经常需要在软土地基上进行建筑施工。由于软土地基不良的建筑性能，因此需要进行人工加固。软土就地加固是基于最大限度的利用原土，经过适当的改性后做为地基，以承受相应的外力。

8.2 加固原理

水泥土搅拌法是利用水泥、石灰等材料做为固化剂，用过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和土之间所产生的一系列物理化学反应，时软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，进而提高地基土强度和增大变形模量。

在软土地基中搅拌掺入各类固化剂，使软土固化，是一种通用的地基加固方法。常用的固化剂有：

（1） 水泥类：普通硅酸盐水泥、矿渣水泥；

（2） 石灰类：生石灰、消石灰；

（3） 沥青类：地沥青、沥青乳剂；

（4） 化学材料类：水玻璃、氯化钙、尿素树脂、丙烯酸盐等。 水泥土搅拌法的基本原理是是基于水泥土的物理化学反应过程。它与混凝土的硬化机理不同，混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料中进行水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固土中，由于水泥的掺量很小，水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质土的围绕下进行，所以硬化速度缓慢且作用复杂，因此，水泥土的强度增长较混凝土缓慢。

水泥土搅拌法中水泥与土的相互作用主要有以下几个方面：

（1） 水泥的水解和水化反应。

（2） 粘土颗粒与水泥水化物的作用。包括离子交换和团粒化作用、凝结反应。

（3） 碳化作用。

水泥土搅拌桩一般用于增加软土地基的承载力，减少沉降量。《建筑地基处理技术规范》中规定如下：

（1）水泥土搅拌法分为深层搅拌法和粉体喷搅法。水泥土搅拌桩适用于正常固结的淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土地基等。当地基土的天然含水量小于

30％、大于70％或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。

（2） 水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数大于25的粘土，地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区，必须通过现场试验确定其适用性。

（3） 水泥土搅拌法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基；基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕；大体积水泥稳定土等。加固体形状可分为柱状、壁状、格删状或块状等。

8.3 设计计算

水泥土搅拌法的设计内容包括以下几个方面：

（一）加固形式的选择

竖向承载搅拌桩的平面布置可根据建筑物的上部结构特点及对地基承载力和变形的要求，采用柱状、壁状、块状等加固形式。

（二）桩长选择

桩长应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，水泥土搅拌桩应尽可能穿透软弱土层，到达承载力相对较高的持力层，尽量避免在深厚软土层中采用“悬浮”桩型。一般情况下，湿法的加固深度不宜大于20m，干法的加固深度不宜大于15m，桩径不宜小于500mm。

（三）单桩竖向承载力特征值计算

初步设计时可按下式估算

RaUpqsiliaqpAp

i1n

RafcuAp

式中 fcu——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；

——桩身强度折减系数，干法取0.20～0.30，湿法取0.25～0.33；

； Up——桩的周长（m）

n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征系数；

li——桩长范围内第i层土的厚度；

； qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）

a——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6。

（四）复合地基承载力特征值的确定

初步设计时可按下式估算

fspkmRa(1m)fsk Ap

式中 fspk——复合地基承载力特征值（kPa）；

m——面积置换率；

； Ra——单桩竖向承载力特征值（kN）

Ap——桩的截面积；

——桩间土承载力折减系数；

，可取天然地基承载力特征值。 fsk——处理后的桩间土承载力特征值（kPa）

（五）下卧层地基的验算

可按下式验算

ffspkA1GsAsfsk(AA1)

A1f

式中 f——假想实体基础底面压力（kPa）；

； A1——假想实体基础底面面积（㎡）

A——地基处理面积（㎡）；

G——假想实体基础自重（KN）；

； As——假想实体基础侧表面积（㎡）

； s——作用在假想实体基础侧壁上的平均摩阻力特征值（kPa）

； fsk——假想实体基础边缘软弱土的承载力（kPa）

。 f——假想实体基础持力层经修改后的地基承载力（kPa）

（六）沉降计算

水泥土搅拌桩复合地基变形的计算，包括搅拌桩群体的压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形之和。

SS1S2

S1(PP0)l 2E0

其中 PfspkAfsk(AA1)

A1

P0fpl

E0mEP(1m)ES

式中 P——桩群顶面的平均压力（kPa）；

； Pa）0——桩群底面土的附加应力（kP

； E0——桩群体的变形模量（kPa）

l——水泥土搅拌桩桩长（m）；

； EP——水泥土搅拌桩的变形模量（kPa）

； ES——桩土间的变形模量（kPa）

； p——桩群底面以上土的加权重度（kN/m3）

A——地基处理面积。

8.4 施工工艺

8.4.1 湿法施工

（一）搅拌机械

国内目前的水泥浆搅拌机有中心管喷浆方式何叶片喷浆方式两种

（二）施工流程

（1）定位。 （2）预搅下沉。

（3）配置水泥浆。 （4）提升喷浆搅拌。

（5）重复上、下搅拌。 （6）清洗。

（7）移位。

8.4.2 干法

（一）搅拌机械

由步履式移位钻机何粉体发送器组成。

（二）施工流程

（1）放样定位。 （2）移动钻机，准确对孔。

（3）利用支腿油缸调平钻机。

（4）启动电机，逐级加速，正转预搅下沉。

（5）粉体材料及掺合料。 （6）提升喷粉搅拌。

（7）重复搅拌。

9 高压喷射注浆加固法

9.1 概述

高压喷射注浆加固法是当今现代工业提供了大功率高压泵、钻机和硬质合金喷嘴等先进设备后，由水力采煤和高压水射流技术应用到

土木工程中来的新的土体加固法。

高压喷射注浆法又称旋喷法。其原理是利用钻机吧带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层预定的位置后，用高压泵将水泥浆液通过喷嘴水平射入土中，借助射流的压力将土层切割破坏，水泥浆液把泥浆置换地表，同时钻具依一定的速度向上旋转提升，使水泥浆与土体充分搅拌混合，凝固后形成具有一定强度的圆柱桩体或墙体，使地基得到加固，提高地基的承载力。

9.2 加固原理

该方法加固地基通常分为两个阶段。第一阶段为成孔阶段，即采用普通的钻机预成孔或者驱动密封良好的喷射管和带有一个或两个横向喷嘴的特制喷射头进行成孔。成孔时采用钻机或振动的方法，使喷射头达到预定深度。第二阶段为喷射加固阶段，即用高压水泥浆或其他硬化剂，以通常为15MPa以上的压力，通过喷射管由喷射头上的直径为2mm的横向喷嘴向土中喷射。与此同时，钻机一边旋转，一边向上提升。由于高压细喷射流有强大的切削能力，因此喷射的水泥浆一边切削四周土体，一边与之搅拌混合，形成圆柱状的水泥与土混合的加固体。

《建筑地基处理技术规范》明确指出该方法的使用范围，它可以适用于处理淤泥，淤泥质土，流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等地基。

当土中含有较多的大粒径块石、大量的植物根茎或有较高的有机质时，以及地下水流速过大和已涌水工程，应根据现场试验结果确定

其适用性。

高压喷射注浆法可用于既有建筑和新建建筑地基加固，深基坑、地铁等工程的土层加固或防水。

高压喷射注浆法分旋喷、定喷和摆喷三种类型。根据工程需要和土质条件，可分为采用单管法、双管法和三管法。加固体形状可分为柱状、壁状、条状和块状。

由于黄土地基不均匀沉降引起建筑物的开裂、倾斜，使用该方法在基础下加固地基，提高地基承载力，阻止建筑物沉降和开裂，还能纠正由于地基不均匀沉降引起的建筑物的倾斜。具有施工灵活，设备可以进入房间，不用开挖，速度快，见效明显的优点。

该方法加固地基的主要优点如下：

（1） 受土层、土的粒度、土的密度、硬化剂粘性、硬化剂硬化时间的影响较小，可广泛用于淤泥、软弱粘性土、砂土甚至砂卵石等多种。

（2） 可采用价格便宜的水泥做为主要的硬化剂，加固体的强度较高，根据土质不同，加固体的强度可为500～10000kPa。

（3） 可以有计划的在预定的范围内注入必要的浆液，形成一定间距的桩，或连成一片桩或薄的帷幕墙；加固深度可自由调节，连续或分段均可。

（4） 采用相应的钻机，不仅可以形成垂直的桩，也可以形成水平的或倾斜的桩。

（5）可以作为施工中的临时措施，也可以作为永久建筑物的地

基加固，尤其是在对已有建筑物地基补强和开挖基坑中需要对坑底加固，侧壁挡水，对临近地铁及旧建筑物需要加以保护时，这种方法能发挥其特殊作用。

9.3 设计计算

（一）高压喷射注浆形成的加固体强度和范围，应通过现场试验确定。当无现场试验资料时，亦可参照相似土质条件的工程经验。

（二）竖向承载高压喷射桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定。初步计算时，可按规范中的公式估算。

（三）单桩竖向承载力特征值可通过现场试验确定。初步设计时可按下式计算

RaUpqsiliaqpAp

i1n

RafcuAp

各符号意义同前。

（四）竖向承载旋喷桩复合地基宜在基础和桩顶之间设置褥垫层。褥垫层的厚度可选为200～300mm，材料可选为中砂、粗砂、级配砂等，最大粒径不宜大于30mm。

（五）竖向承载旋喷桩的平面布置可根据上部结构和其基础特点确定。独立基础下一般不少于4根。

（六）旋喷桩用于深基坑做连续墙时，相邻搭接不宜小于300mm，并要符合设计要求和国家现行规定。

（七）旋喷桩做截水墙时，根据设计要求做相嵌的2～3排桩，钻孔垂直度应达到设计要求。

9.4 施工工艺

其施工工序包括准备工作、射水试验、打管、配浆、注浆和冲洗等。

高压喷射注浆的加固效果，不仅受施工工艺和设备的影响，还受浆材的影响。

（一）对浆液的要求

（1） 较好的流动性。 （2） 较低的析水性。

（3） 较少的起泡性。 （4） 浆液胶凝时间可控制等。

（二）浆材的种类

目前国内外应用到的高压喷射注浆中的浆材种类较多，概括起来可分为两大类，即硅酸盐类型浆液和有机化学原料类型浆液。

（三）各类浆材的比较

以硅酸钠为主剂的浆材胶凝速度较快，有的甚至瞬时胶凝，目前还难以用于高压喷射注浆。

以有机化学原料为主剂的浆材，虽然其粘度低，稠度小，有利于注浆，但我国目前这类材料较少，且成本高，所以其应用受到了限制。

以水泥浆为主剂的浆液料源丰富，价格低廉，注浆工艺、设备简单。在掺入少量化学外加剂后，浆液胶凝时间可以控制，浆液稳定性好、稠度低、可灌性好、固结强度高。因此，以水泥浆为主剂的浆材是我国目前在高压喷射注浆中广泛采用的基本浆材。

参考文献

[1] 建筑地基处理技术规范（JGJ79－2002，J220－2002）

[2] 湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025－2004）

[3] 朱沈阳，邢心魁，等. 湿陷性土地区人工地基工程，西安：西北大学出版社，2005

[4] 裴章勤，等. 湿陷性黄土地基处理，北京：中国铁道出版社，1992

[5] 钱鸿缙，等. 湿陷性黄土地基，北京：中国建筑工业出版社，1987

[6] 龚晓南，等. 地基处理手册（第二版），北京：中国建筑工业出版社，2000