3.2　地基處理

在工程上，無論是給水排水構筑物，還是給水排水管道，其荷載都作用于地基土上，導致地基土產生附加應力。附加應力引起地基土沉降，沉降量取決于土的孔隙率和附加應力的大小。在荷載作用下，若同一高度的地基各點沉降量相同，這種沉降稱為均勻沉降；反之，稱為不均勻沉降。無論是均勻沉降，還是不均勻沉降都有一個容許范圍值，稱為極限均勻沉降量和最大不均勻沉降量。當沉降量在允許范圍內時，構筑物才能穩定安全，否則，結構就會失去穩定或遭到破壞。

地基在構筑物荷載作用下，不會因地基土產生的剪應力超過土的抗剪強度而導致地基和構筑物破壞的承載力稱為地基容許承載力。因此，地基應同時滿足容許沉降量和容許承載力的要求。若不滿足，則采取相應措施對地基土加固處理。地基處理的目的如下：

（1）改善土的剪切性能，提高抗剪強度。

（2）降低軟弱土的壓縮性，減少基礎的沉降或不均勻沉降。

（3）改善土的透水性，起著截水、防滲的作用。

（4）改善土的動力特性，防止砂土液化。

（5）改善特殊土的不良地基特性（主要是指消除或減少濕陷性和膨脹土的脹縮性等）。

地基處理的方法有換土墊層、碾壓夯實、擠密振實、排水固結和注漿液加固等五類。各類方法及其原理、作用如表3.2所示。

灰土的含水量應適宜，以手緊握土料成團，兩指輕捏能碎為宜。灰土應拌和均勻，顏色一致，拌好后應及時鋪好夯實，避免未夯實的灰土受雨淋，鋪土應分層進行，每層鋪土厚度參照表3.3、表3.4確定。墊層質量控制其壓實系數不小于0.93～0.95。

3.2.1　換土和壓實

換土墊層是一種直接置換地基持力層軟弱土的處理方法。施工時將基底下一定深度的軟弱土層挖除，分層填回砂、石、灰土等材料，并加以夯實振密。換土墊層是一種較簡易的淺層地基處理方法，在各地得到廣泛應用。

1.素土墊層

素土墊層一般適用于處理濕陷性黃土和雜填土地基，是先挖去基礎下的部分土層或全部軟弱土層，然后分層回填，分層夯實素土而成。軟土地基土的墊層厚度，應根據墊層底部軟弱土層的承載力決定，其厚度不應大于3m。

素土墊層的土料，不得使用淤泥、耕土、凍土、垃圾、膨脹土以及有機物含量大于8％的土作為填料。土料含水量應控制在最佳含水量范圍內，誤差不得超過±2％。填料前應將基底的草皮、樹根、淤泥、耕植土鏟除，清除全部的軟弱土層。施工時，應做好地面水或地下水的排除工作，填土應從最低部分開始進行，分層鋪設，分層夯實。墊層施工完畢后，應立即進行下道工序施工，防止水浸、曬裂。

2.砂和砂石墊層

砂和砂石墊層適用于處理在坑（槽）底有地下水或地基土的含水量較大的黏性土地基。

（1）材料要求

砂和砂石墊層所需材料，宜采用顆粒級配良好，質地堅硬的中砂、粗砂、礫石、卵石和碎石，也可采用細砂，宜摻入按設計規定數量的卵石或碎石。最大粒徑不宜大于50mm。

（2）施工要點

施工前應驗槽，坑（槽）內無積水，邊坡穩定，槽底和兩側如有孔洞應先填實，同時將浮土清除。采用人工級配的砂石材料，按級配拌和均勻，再分層鋪筑，分層搗實。

墊層施工按表3.2選用，每鋪好一層墊層，經壓實系數檢驗合格后方可進行上一層施工。分段施工時，接槎處應作成斜坡，每層錯開0.5～1.0m，并應充分搗實。

砂墊層和砂石墊層的底面宜鋪設在同一標高上，當深度不同時，施工應按先深后淺的順序進行，土面應挖成臺階或斜坡搭接，搭接處應注意搗實。

3.灰土墊層

灰土墊層是用石灰和黏性土拌和均勻，然后分層夯實而成，適用于一般黏性土地基加固或挖深超過15cm時或地基擾動深度小于1.0m等。該種方法施工簡單、取材方便、費用較低。

（1）材料要求

土料中含有有機質的量不宜超過規定值，土料應過篩，粒徑不宜大于15mm。石灰應提前1～2天熱化，不含有生石灰塊和過多水分。灰土的配合比可按體積比，一般石灰：土為2∶8或3∶7。

（2）施工要點

施工前應驗槽，清除積水、淤泥，待干燥后再添灰土。

（3）碾壓與夯實

①機械碾壓法：采用壓路機、推土機、羊足碾或其他壓實機械來壓實松散土，常用于大面積填土的壓實和雜填土地基的處理。碾壓的效果主要取決于壓實機械的壓實能量和被壓實土的含水量。應根據具體的碾壓機械的壓實能量，控制碾壓土的含水量，選擇合適的鋪土厚度和碾壓遍數。最好是通過現場試驗確定，在不具備試驗的場合，可參照表3.5選用。

②重錘夯實法：利用移動式起重機懸吊夯錘至一定高度后，自由下落，夯實地基。適用于地下水位0.8m以上稍濕的黏性土、砂土、濕陷性黃土、雜填土等地基加固。

夯錘形狀宜采用截頭圓錐體，如圖3.1所示。重錘采用鋼筋混凝土塊、鑄鐵塊或鑄鋼塊，錘重一般為14.7～29.4kN，錘底直徑一般為1.13～1.15m。

起重機采用履帶式起重機，起重機的起重量應不小于1.5～3.0倍的錘重。重錘夯實施工前，應進行試夯，確定夯實制度，其內容包括錘重、夯錘底面直徑、落點形式、落距及夯擊遍數。在起重能力允許的條件下，采用較重的夯錘、底面直徑較大為宜。落距一般采用2.5～4.5m，還應使錘重與底面積的關系符合錘重在底面上的單位靜壓力1.5～2.0N/cm2。

重錘夯擊遍數應根據最后下沉量和總下沉量確定，最后下沉量是指重錘最后兩擊平均土面的沉降值，黏性土為10～20mm，砂土為5～10mm。

夯錘的落點形式及夯打順序，條形坑（槽）采用一夯換一夯順序進行。在一次循環中同一夯位應連夯兩下，下一循環的夯位，應與前一循環錯開1/2錘底直徑；非條形基坑，一般采用先周邊后中間。夯實完畢后，應檢查夯實質量，一般采用在地基上選點夯擊檢查最后下沉量，夯擊檢查點數，每一單獨基礎至少應有一點；溝槽每30m2應有一點；整片地基每100m2不得少于兩點，檢查后，如質量不合格，應進行補夯，直至合格為止。

③振動壓實法：利用振動機振動壓實淺層地基的一種方法，如圖3.2所示。

此方法適用于處理砂土地基和黏性土含量較少、透水性較好的松散雜填土地基。振動壓實機的工作原理是由電動機帶動兩個偏心塊以相同速度、相反方向轉動而產生很大的垂直振動力。這種振動機的頻率為1160～1180r/min，振幅為3.5mm，自重20t，振動力可達50～100kN，并能通過操縱機使它能前后移動或轉彎。

振動壓實效果與填土成分、振動時間等因素有關，一般來說振動時間越長效果越好，但超過一定時間后，振動引起的下沉已基本穩定，再振也不能起到進一步的壓實效果。因此，需要在施工前進行試振，以測出振動穩定下沉量與時間的關系。對于主要是由爐渣、碎砧、瓦塊等組成的建筑垃圾，其振動時間約在1min以上。對于含爐灰等細顆粒填土，振動時間約為3～5mm，有效振實深度為1.2～1.5m。

注意振動對周圍建筑物的影響。一般情況下振源離建筑物的距離不應小于3m。

3.2.2　地基加固

1.擠密樁

擠密樁加固是在承壓土層內，打入很多樁孔，在樁孔內灌入各種密實物，以擠密土層，減小土體孔隙率，增加土體強度。

擠密樁除了擠密土層加固土壤外，還起換土作用，在樁孔內以工程性質較好的土置換原來的弱土或飽和土，在含水黏土層內，砂樁還可作為排水井。擠密樁體與周圍的原土組成復合地基，共同承受荷載。

根據樁孔內填料不同，有砂樁、土樁、灰土樁、礫石樁、混凝土樁之分。其中，砂樁的施工過程有以下幾點：

（1）一般要求

砂樁的直徑一般為220～320mm，最大可達700mm。砂樁的加固效果與樁距有關，樁距較密時，土層各處加固效果較均勻。其間距為1.8～4.0倍樁直徑。砂樁深度應達到壓縮層下限處，或壓縮層內的密實下臥層。砂樁布置宜采用梅花形。

（2）施工過程

①樁孔定位：按設計要求的位置準確確定樁位，并做上記號，其位置的允許偏差為樁直徑。

②樁機設備就位：使樁管垂直吊在樁位的上方。

③打樁：通常采用振動沉樁機將工具管沉下，灌砂，拔管即成。振動力以30～70kN為宜，砂樁施工順序應從外圍或兩側向中間進行，樁孔的垂直度偏差不應超過1.5％。

④灌砂：砂子粒徑以0.3～3mm為宜，含泥量不大于5％，還應控制砂的含水量，一般為7％～9％。砂樁成孔后，應保證樁深滿足設計要求，此時，將砂由上料斗投入工具管內，提起工具管，砂從舌門漏出，再將工具管放下，舌門關閉與砂子接觸，此時，開動振動器將砂擊實，往復進行，直至用砂填滿樁孔。每次填砂厚度應根據振動力而定，保證填砂的干密度滿足要求。

（3）樁孔灌砂量的計算

一般按下式計算：

g=πd2hr（1+w％）/4（1+e）　　　　　（3.1）

式中：g——樁孔灌砂量（kN）；

d——樁孔直徑（m）；

h——樁長（m）；

r——砂的重力密度（kN/m3）；

e——樁孔中砂擊實后孔隙比；

w——砂含水量。

也可以取樁管入土體積，實際灌砂量不得少于計算的95％，否則打灌砂。

2.振沖法

在砂土中，利用加水和振動可以使地基密實。振沖法施工的主要設備是振沖器，它類似于插入式混凝土振搗器，主要由潛水電動機、偏心塊和通水管三部分組成。振沖器由吊機就位后，同時啟動電動機和射水泵，在高頻振動和高壓水流的聯合作用下，振沖器下沉到預定深度，周圍土體在壓力水和振動作用下變密，此時地面出現一個陷口，往口內填砂一邊噴水振動，一邊填砂密實，逐段填料振密，逐段提升振沖器，直到地面，從而在地基中形成一根較大直徑的密實的碎石樁體，一般稱為振沖碎石樁。振沖器構造及施工程序如圖3.3所示。

從振沖法所起的作用來看，振沖法分為振沖置換和振沖密實兩類。振沖置換法適用于處理不排水，抗剪強度不小于20kPa的黏性土、粉土、飽和黃土和人工填土等地基。它是在地基土中制造一群以石塊、砂礫等材料組成的樁體，這些樁體與原地基土一起構成復合地基。而振動密實法適用于處理砂土、粉土等，它是利用振動和壓力水使砂層發生液化，砂粒重新排列，孔隙減少，從而提高砂層的承載力和抗液化能力。

3.注漿加固

在軟弱土層或飽和土層內，注入化學藥劑使之填塞孔隙，并發生化學反應，在顆粒間生成膠凝物質，固結土顆粒，稱為注漿加固法。

注漿加固法可以提高地基容許承載力，降低土的孔隙比，降低土的滲透性，適合修建人工防水帷幕等各種用途。

（1）漿液

漿液種類繁多，要正確選用。

①漿液要求：化學反應生成物凝膠質安全可靠，有一定耐久性和耐水性。

具體為：凝膠質對土顆粒著力良好；凝膠質有一定強度，施工配料和注入方便，化學反應速度調節可由調節配合比來實現；漿液注入后，一晝夜土的容許承載力不應小于490kPa；漿液應無毒、價廉、不污染環境。

②漿液種類：

·水泥類漿掖：就是用不同種水泥配制水泥漿，水泥漿液可加固裂隙、巖石、礫石、粗砂及部分中砂，一般加固顆粒粒徑范圍為0.4～1.0mm，水泥固結時間較長，當地下水流速超過100m/d時，不宜采用水泥漿加固。為了提高水泥的凝固速度，改善可注性，提高土體早強強度，可摻入適量的早強劑、懸浮劑和填料等附加劑。水泥漿液均為堿性，不宜用于強酸性土層。

·水玻璃類漿液：在水玻璃溶液中加進氯化鈣、磷酸、鋁酸鈉等制成復合劑，可適應不同土質加固的需要。對于不含鹽類的砂礫、砂土、輕亞黏土等，可用水玻璃加氯化鈣雙液加固。對于粉砂土，可用水玻璃加磷酸溶液雙液加固，也可以將水泥漿滲入水玻璃液作為速凝劑制成懸濁液。水灰比愈小，水玻璃濃度愈低，其固結時間愈短。水泥強度等級愈高，水灰比愈小，其固結后強度就愈高。

·聚氨酯注漿：分水溶性聚氨酯和非水溶性聚氯酯兩類。注漿工程一般使用非水溶性聚氨酯，其黏度低，可灌性好，漿液遇水即反應成含水凝膠，故而可用于動水堵漏。其操作簡便，不污染環境，耐久性亦好。非水溶性聚氨酯一般把主劑合成聚氯酯的低聚物（預聚體），使用前把預聚體和外摻劑配方配成漿液。

·丙烯酰胺類漿液：亦稱MG-646化學漿液，它是以有機化合物丙烯酰胺為主劑，配合其他外加劑，以水溶液狀態灌入地層中，發生聚合反應，形成具有彈性的不溶于水的聚合體，這是一種性能優良和用途廣泛的注漿材料。但該漿液具有一定毒性，它對神經系統有毒，且對空氣和地下水有污染作用。

·鉻木素類溶液：鉻木素類溶液是由亞硫酸鹽紙漿液和重鉻酸鈉按一定的比例配制而成，適用于加固細砂和部分粉砂，加固土顆粒粒徑0.04～10mm，固結時間在幾十秒至幾十分之間，固結體強度可達到980kPa。鉻木素類液凝膠的化學穩定性較好，不溶于水、弱酸和弱堿，抗滲性也好，價格低，但是漿液有毒，應注意安全施工。鉻木素漿液為強酸性，不宜采用于強堿性土層。

（2）施工方法

通常采用的方法是旋噴法和注漿法，無論采用哪種方法，必須使漿液均勻分布在需要加固的土層中。

①旋噴法：利用鉆機鉆孔到預定深度，然后，用高壓泵將漿液通過鉆桿端頭的特殊噴嘴，以高壓水平噴入土層，噴嘴在噴漿液時，一面緩慢旋轉，一面徐徐提升，借高壓漿液水平射流不斷切削土層并與切削下來的土充分攪拌混合，在有效射程內，形成圓柱狀凝固體。其施工工藝如圖3.4所示。旋噴法采用單管法、二重管法、三重管法。

②注漿法：用內徑20～50mm，壁厚不小于5mm的鋼管制成，包括管尖、有孔管和無孔管三部分。

管尖是一個25°～30°的圓錐體，尾部帶有絲扣；有孔管，一般長0.4～1.0m，孔眼呈梅花狀布置，每米長度內應有孔眼60～80個，孔眼直徑為1～3mm，管壁外包扎濾網；無孔管，每節長度1.5～2.0m，兩端有絲扣，可根據需要接長。

注漿管有效加固半徑，一般根據現場試驗確定，其經驗數據如表3.6所示。

③深層攪拌法：通過深層攪拌機將水泥生石灰或其他化學物質（稱固化劑）與軟土顆粒相結合而硬結成具有足夠強度水穩性以及整體性的加固土。它改變了軟土的性質，并滿足強度和變形要求。在攪拌固化后，地基中形成柱狀、墻狀、格子狀或塊狀的加固體，與地基構成復合地基。常用機械和施工程序如圖3.5、圖3.6所示。