====== 第十七章 地基处理 ======

===== 17.1 引言 =====

地基处理是指当天然地基不能满足建（构）筑物对地基强度、变形和稳定性要求时，采用人工方法改善地基的工程性质，以达到满足使用要求的技术措施。

本章介绍常用的地基处理方法，包括换填法、预压法、强夯法和复合地基等，阐述各方法的加固机理、设计计算和施工要点。

===== 17.2 地基处理方法的分类 =====

==== 17.2.1 按加固机理分类 ====

| 分类 | 加固机理 | 常用方法 |
|-----|---------|---------|
| 置换 | 挖除软弱土，回填好土 | 换填法 |
| 压实 | 通过夯击或振动使土密实 | 强夯法、振冲密实法 |
| 排水固结 | 加速地基排水，促进固结 | 堆载预压、真空预压 |
| 胶结 | 注入胶结材料，提高强度 | 注浆法、水泥土搅拌法 |
| 加筋 | 在土中设置筋材，形成整体 | 土工合成材料、加筋土 |
| 复合地基 | 设置增强体，与桩间土共同作用 | CFG桩、碎石桩等 |

==== 17.2.2 按适用土质分类 ====

- **软粘土**：换填法、预压法、水泥土搅拌法、复合地基
- **松散砂土**：振冲法、强夯法、挤密桩
- **湿陷性黄土**：强夯法、挤密桩、换填法
- **膨胀土**：换填法、防水隔离

===== 17.3 换填法 =====

==== 17.3.1 原理与适用范围 ====

换填法（置换法）是将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖除，回填强度较高、压缩性较低的材料，并分层夯实，形成垫层。

**适用范围：**
- 软弱土层厚度不大（一般小于3m）
- 处理面积较大
- 需要快速施工
- 处理暗沟、古墓等局部软弱地基

**常用垫层材料：**
- 砂石：中粗砂、砾砂、卵石、碎石
- 粉质粘土、灰土
- 粉煤灰
- 矿渣、建筑垃圾（经处理）

==== 17.3.2 垫层设计 ====

**1. 垫层厚度确定**

垫层厚度$z$应满足下卧层承载力要求：

$$p_z + p_{cz} \leq f_{az}$$

其中：
- $p_z$为垫层底面处的附加压力
- $p_{cz}$为垫层底面处土的自重压力
- $f_{az}$为垫层底面处经深度修正后的地基承载力

附加压力$p_z$按应力扩散法计算：

条形基础：$p_z = \frac{b(p_k - p_c)}{b + 2z\tan\theta}$

矩形基础：$p_z = \frac{bl(p_k - p_c)}{(b + 2z\tan\theta)(l + 2z\tan\theta)}$

其中：$\theta$为压力扩散角

**压力扩散角取值：**

| 垫层材料 | $z/b \geq 0.25$ | $z/b \geq 0.50$ |
|---------|----------------|----------------|
| 中粗砂、砾砂、碎石 | 20° | 30° |
| 粉质粘土、粉煤灰 | 6° | 23° |
| 灰土 | 28° | 30° |

**2. 垫层宽度确定**

垫层底面宽度应满足应力扩散要求：

$$b' = b + 2z\tan\theta$$

垫层顶面宽度可从基础边缘外扩300mm。

==== 17.3.3 施工要点 ====

1. **分层铺填**：每层厚度200~300mm
2. **控制含水量**：最优含水量$w_{op} \pm 2\%$
3. **分层压实**：压实系数$\lambda_c \geq 0.97$（重要建筑）或$\geq 0.95$（一般建筑）
4. **地下水处理**：做好排水措施，严禁泡水施工

**压实系数：**

$$\lambda_c = \frac{\rho_d}{\rho_{dmax}}$$

其中：$\rho_d$为压实后干密度，$\rho_{dmax}$为最大干密度。

==== 17.3.4 质量检验 ====

- **环刀法**：检测干密度和压实系数
- **贯入仪法**：快速检测
- **载荷试验**：重要工程应进行垫层载荷试验

===== 17.4 预压法 =====

==== 17.4.1 原理与适用范围 ====

预压法是在地基上预先施加荷载，使地基土排水固结，强度提高，压缩性降低，然后卸去预压荷载，再建造建筑物。

**加固机理：**
1. 施加预压荷载，产生超静孔隙水压力
2. 孔隙水排出，土体固结
3. 有效应力增加，强度提高
4. 沉降在预压期间完成大部分

**适用范围：**
- 饱和软粘土、淤泥、淤泥质土
- 有机质土
- 冲填土

==== 17.4.2 堆载预压 ====

**1. 预压荷载**

预压荷载应不小于设计荷载的1.0~1.2倍，或根据地基强度增长情况确定。

**2. 预压时间**

根据固结度要求确定。固结度计算公式：

$$U = 1 - \frac{8}{\pi^2}e^{-\frac{\pi^2}{4}T_v}$$

其中：$T_v = \frac{c_v t}{H^2}$为时间因数，$c_v$为竖向固结系数，$H$为最大排水距离，$t$为时间。

**3. 沉降计算**

最终沉降：$S_\infty = \frac{e_0 - e_1}{1 + e_0}H$

某时刻沉降：$S_t = U \cdot S_\infty$

==== 17.4.3 真空预压 ====

**原理：**在需要加固的软土地基表面铺设砂垫层，埋设垂直排水通道（塑料排水板或砂井），在砂垫层上铺设不透气的薄膜封闭，抽气形成负压，使孔隙水排出，土体固结。

**特点：**
- 无需大量堆载材料
- 不会引起地基失稳
- 加固均匀
- 真空度一般可达80kPa以上

**加固效果：**

$$\Delta\sigma' = p_{vac} + \gamma_{fill}h$$

其中：$p_{vac}$为真空压力，$\gamma_{fill}h$为膜上砂垫层重量。

==== 17.4.4 排水固结系统 ====

**1. 砂井**

- 直径：300~500mm
- 间距：2~3m（梅花形或正方形布置）
- 深度：穿透压缩层

**2. 塑料排水板**

- 宽度：100mm
- 厚度：3~5mm
- 等效直径：$d_p = \frac{2(b + \delta)}{\pi}$

**3. 径向固结计算**

考虑竖向和径向排水时：

$$U = 1 - (1 - U_v)(1 - U_r)$$

径向固结度：$U_r = 1 - e^{-\frac{8}{F}T_r}$

其中：$F = \frac{n^2}{n^2 - 1}\ln n - \frac{3n^2 - 1}{4n^2}$，$n = \frac{d_e}{d_w}$（井径比）

==== 17.4.5 施工与监测 ====

**监测项目：**
- 地表沉降
- 分层沉降
- 孔隙水压力
- 土压力
- 侧向位移

**卸载标准：**
- 固结度达到80%以上
- 沉降速率小于一定值
- 地基强度满足设计要求

===== 17.5 强夯法 =====

==== 17.5.1 原理与适用范围 ====

强夯法是用起重机将重锤（10~40t）起吊到高处（10~40m），自由落下，对地基进行强力夯实。

**加固机理：**
1. **动力密实**：冲击波使土体颗粒重新排列，孔隙减小
2. **动力固结**：超孔隙水压力产生和消散，土体排水固结
3. **动力置换**：形成夯坑，回填材料形成碎石墩

**适用范围：**
- 碎石土、砂土
- 低饱和度粉土与粘性土
- 湿陷性黄土
- 杂填土

==== 17.5.2 设计参数 ====

**1. 单击夯击能**

$$E = W \cdot H$$

其中：$W$为锤重(t)，$H$为落距(m)，$E$为单位面积夯击能(kN·m/m²)。

**常用夯击能等级：**

| 等级 | 单击夯击能(kN·m) | 适用土质 |
|-----|-----------------|---------|
| 低能级 | 1000~3000 | 砂土、粉土 |
| 中能级 | 3000~6000 | 一般粘性土 |
| 高能级 | 6000~12000 | 深厚软弱土 |

**2. 夯击次数**

最佳夯击次数通过试夯确定，以达到：
- 最后两击平均夯沉量不大于50mm（低能级）或100mm（高能级）
- 夯坑周围地面不发生过大的隆起
- 不因夯坑过深而发生提锤困难

**3. 夯点布置**

- 间距：5~15m（根据土质和夯击能确定）
- 布置形式：正方形、梅花形、等边三角形

**4. 夯击遍数**

一般为2~4遍，遍间间歇时间根据孔隙水压力消散确定。

==== 17.5.3 强夯置换 ====

对于高饱和度软土，采用强夯置换法：夯坑内回填碎石、砂砾等粗骨料，形成碎石墩，与桩间土构成复合地基。

**置换率：**

$$m = \frac{A_p}{A} = \frac{\pi d^2/4}{A_e}$$

其中：$d$为碎石墩直径，$A_e$为单墩影响面积。

==== 17.5.4 施工要点 ====

1. **试夯**：正式施工前进行试夯，确定施工参数
2. **平整场地**：铺设垫层（厚度1~2m）
3. **控制夯击**：记录每击夯沉量
4. **间歇时间**：遍间间歇不少于7~14天
5. **防护措施**：设置隔振沟，保护周边建筑

==== 17.5.5 质量检验 ====

- **原位测试**：标贯、静力触探
- **室内试验**：取土样进行物理力学性质试验
- **载荷试验**：检验加固后的地基承载力
- **瑞利波测试**：检测加固深度和均匀性

===== 17.6 复合地基 =====

==== 17.6.1 概念与分类 ====

复合地基是由增强体（桩体）和桩间土共同承担荷载的人工地基。

**分类：**
- **按增强体材料**：碎石桩、砂桩、灰土桩、CFG桩、混凝土桩
- **按刚度**：柔性桩（散体材料桩）、半刚性桩（水泥土桩）、刚性桩（混凝土桩）
- **按成桩工艺**：振冲法、沉管法、螺旋钻孔法、喷射注浆法

==== 17.6.2 碎石桩（振冲碎石桩） ====

**原理：**利用振冲器高频振动和高压水冲，在软弱地基中成孔，填入碎石，形成碎石桩体，与桩间土构成复合地基。

**适用范围：**
- 砂土、粉土
- 杂填土
- 湿陷性黄土（消除湿陷性）

**设计计算：**

**1. 面积置换率**

$$m = \frac{d^2}{d_e^2}$$

等效影响圆直径：
- 等边三角形布置：$d_e = 1.05s$
- 正方形布置：$d_e = 1.13s$

其中：$s$为桩间距，$d$为桩直径。

**2. 复合地基承载力**

$$f_{spk} = m f_{pk} + (1 - m) f_{sk}$$

或：$f_{spk} = [1 + m(n - 1)] f_{sk}$

其中：$f_{pk}$为桩体承载力特征值，$f_{sk}$为桩间土承载力特征值，$n = f_{pk}/f_{sk}$为桩土应力比（一般2~4）。

**3. 复合地基压缩模量**

$$E_{sp} = m E_p + (1 - m) E_s$$

或：$E_{sp} = [1 + m(n - 1)] E_s$

==== 17.6.3 CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩） ====

**材料组成：**水泥、粉煤灰、碎石、砂、水

**特点：**
- 造价低（利用工业废料粉煤灰）
- 强度高（高于碎石桩）
- 无泥浆污染

**适用范围：**
- 处理深度一般不超过25m
- 适用于处理黏性土、粉土、砂土、已自重固结的素填土

**设计要点：**

- 桩径：400~600mm
- 桩间距：3~5倍桩径
- 桩长：根据承载力和变形要求确定
- 褥垫层：200~300mm厚砂石垫层

**承载力计算：**

单桩竖向承载力特征值：

$$R_a = u_p \sum_{i=1}^{n} q_{si} l_i + q_p A_p$$

复合地基承载力：

$$f_{spk} = \lambda m \frac{R_a}{A_p} + \beta(1 - m) f_{sk}$$

其中：$\lambda$为单桩承载力发挥系数（0.8~1.0），$\beta$为桩间土承载力发挥系数（0.9~1.0）。

==== 17.6.4 水泥土搅拌法 ====

**原理：**利用深层搅拌机将水泥浆或水泥粉与软土强制搅拌，使水泥与土发生物理化学反应，形成水泥土桩体。

**分类：**
- 湿法（水泥浆搅拌）：喷浆搅拌
- 干法（水泥粉搅拌）：喷粉搅拌

**适用范围：**
- 淤泥、淤泥质土
- 含水量较高且$f_{ak} < 120$kPa的粘性土

**设计参数：**

- 水泥掺入比：$a_w = \frac{\text{水泥重量}}{\text{湿土重量}} = 12\% \sim 20\%$
- 水灰比：0.45~0.55（湿法）
- 桩径：500~700mm
- 桩长：一般不超过20m

**水泥土无侧限抗压强度：**

$$q_u = (0.5 \sim 2.0) \text{MPa}$$

单桩承载力：$R_a = \eta q_u A_p$

其中：$\eta$为强度折减系数（0.20~0.33）。

==== 17.6.5 褥垫层设计 ====

复合地基顶部应设置褥垫层，其作用是：
1. 调整桩土应力比，使桩间土发挥更大作用
2. 减少基础底面的应力集中
3. 保证桩土共同承担荷载

**褥垫层材料：**中粗砂、级配砂石、碎石
**褥垫层厚度：**100~300mm

===== 17.7 地基处理方法选择 =====

==== 17.7.1 选择原则 ====

1. **技术可靠**：满足设计要求的加固效果
2. **经济合理**：造价合理，工期可控
3. **施工可行**：设备条件、场地条件允许
4. **环境友好**：对周边环境影响小

==== 17.7.2 方法选择参考 ====

| 土质条件 | 推荐方法 | 备选方法 |
|---------|---------|---------|
| 浅层软弱土(<3m) | 换填法 | 强夯法、复合地基 |
| 深厚软粘土 | 预压法 | 复合地基 |
| 松散砂土 | 振冲法、强夯法 | 挤密桩 |
| 湿陷性黄土 | 强夯法、挤密桩 | 换填法 |
| 杂填土 | 强夯法、换填法 | 复合地基 |

===== 17.8 例题 =====

**例题17.1：换填法设计**

某条形基础宽$b = 2.0m$，埋深$d = 1.0m$。基底为淤泥质土，$f_{ak} = 60$kPa。拟采用砂石垫层换填，厚$z = 2.0m$。砂石垫层重度$\gamma = 20$kN/m³，压力扩散角$\theta = 30°$。垫层底面处经深度修正后的地基承载力$f_{az} = 110$kPa。

试验算垫层厚度是否满足要求。

**解：**

基础底面压力：
$$p_k = \frac{F_k + G_k}{b} = \frac{300 + 20 \times 2 \times 1}{2} = 170 \text{kPa}$$

（假设上部荷载$F_k = 300$kN/m）

基底处土自重压力：
$$p_c = 18 \times 1 = 18 \text{kPa}$$

垫层底面附加压力：
$$p_z = \frac{b(p_k - p_c)}{b + 2z\tan\theta} = \frac{2 \times (170 - 18)}{2 + 2 \times 2 \times \tan 30°}$$
$$= \frac{304}{2 + 2.31} = \frac{304}{4.31} = 70.5 \text{kPa}$$

垫层底面自重压力：
$$p_{cz} = 18 \times 1 + 20 \times 2 = 58 \text{kPa}$$

验算：
$$p_z + p_{cz} = 70.5 + 58 = 128.5 \text{kPa} > f_{az} = 110 \text{kPa}$$

不满足要求。增加垫层厚度至$z = 2.5m$：

$$p_z = \frac{304}{2 + 2 \times 2.5 \times 0.577} = \frac{304}{4.89} = 62.2 \text{kPa}$$
$$p_{cz} = 18 + 20 \times 2.5 = 68 \text{kPa}$$
$$p_z + p_{cz} = 130.2 \text{kPa}$$

需提高下卧层承载力或进一步加大垫层厚度。

**例题17.2：复合地基设计**

某建筑物采用CFG桩复合地基，桩径$d = 400$mm，正方形布置，桩间距$s = 1.2$m。单桩承载力特征值$R_a = 450$kN，桩间土承载力特征值$f_{sk} = 100$kPa。取$\lambda = 0.9$，$\beta = 0.9$。

试计算复合地基承载力特征值。

**解：**

面积置换率：
$$m = \frac{\pi d^2/4}{s^2} = \frac{3.14 \times 0.4^2/4}{1.2^2} = \frac{0.1256}{1.44} = 0.087$$

复合地基承载力：
$$f_{spk} = \lambda m \frac{R_a}{A_p} + \beta(1 - m) f_{sk}$$
$$= 0.9 \times 0.087 \times \frac{450}{0.1256} + 0.9 \times (1 - 0.087) \times 100$$
$$= 280.2 + 82.2 = 362.4 \text{kPa}$$

===== 17.9 习题 =====

**习题17.1**
某矩形基础$3m \times 4m$，采用砂石垫层换填，厚度2m。基础荷载$F_k = 2400$kN，基础及回填土平均重度$20$kN/m³，埋深1.5m。砂石垫层重度$19$kN/m³，扩散角$30°$。试计算垫层底面附加压力。

**习题17.2**
某软土地基采用堆载预压处理，土层厚10m，$c_v = 2.0 \times 10^{-3}$cm²/s，双面排水。试计算固结度达到90%所需的时间。

**习题17.3**
某工程采用振冲碎石桩处理砂土地基，桩径0.8m，等边三角形布置，桩间距2.0m。桩体承载力特征值$f_{pk} = 300$kPa，桩间土$f_{sk} = 80$kPa。试计算复合地基承载力特征值。

**习题17.4**
比较预压法和强夯法的加固机理、适用范围和施工要点。

**习题17.5**
某CFG桩复合地基，要求承载力特征值达到350kPa。已知桩间土$f_{sk} = 120$kPa，单桩$R_a = 500$kN，桩径0.5m。试确定桩间距（正方形布置）。

===== 17.10 小结 =====

本章介绍了常用的地基处理方法，主要内容概括如下：

1. **换填法**：适用于浅层软弱地基，通过挖除换填好土提高地基承载力，设计关键是确定垫层厚度和宽度。

2. **预压法**：适用于深厚软粘土，通过排水固结提高地基强度，分为堆载预压和真空预压，需配合排水系统使用。

3. **强夯法**：适用于砂土、湿陷性黄土等，利用重锤冲击能量使土体密实，效果显著，施工快速。

4. **复合地基**：通过设置增强体（碎石桩、CFG桩、水泥土桩等）与桩间土共同作用，大幅提高地基承载力，是处理软弱地基的有效方法。

5. **方法选择**：应综合考虑土质条件、加固要求、经济性、施工条件等因素，必要时可采用多种方法组合。

地基处理是岩土工程的重要分支，随着新材料、新工艺的发展，地基处理技术将不断进步，为工程建设提供更好的技术保障。

**参考文献**

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012). 北京: 中国建筑工业出版社, 2012.
[2] 龚晓南. 复合地基理论及工程应用(第2版). 北京: 中国建筑工业出版社, 2007.
[3] 叶观宝, 高彦斌. 软土地基加固技术. 北京: 机械工业出版社, 2014.