第8章 地基处理 - 习题

软弱地基：指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。这些地基通常具有低强度、高压缩性和低渗透性等特点，难以满足建筑物对地基承载力和变形的要求。

常见的软弱地基类型：

1. 淤泥和淤泥质土：
   • 形成：在静水或缓慢流水环境中沉积，经生物化学作用形成的粘性土
   • 特点：天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低
   • 分布：沿海、湖泊、河流等地区
2. 冲填土：
   • 形成：由水力冲填泥沙形成的土
   • 特点：颗粒组成不均匀、结构松散、压缩性高
   • 分布：沿海围垦地区、水库库区等
3. 杂填土：
   • 形成：人类活动堆填的建筑垃圾、工业废料、生活垃圾等
   • 特点：成分复杂、分布不均匀、性质不稳定
   • 分布：城市建筑工地、工业园区等
4. 饱和松散砂土：
   • 形成：松散的砂层在地下水作用下处于饱和状态
   • 特点：抗剪强度低，地震时易发生液化
   • 分布：河流冲积平原、三角洲等地区
5. 泥炭土：
   • 形成：由植物残体在缺氧条件下分解不完全形成的有机土
   • 特点：有机质含量高、压缩性极高、强度极低
   • 分布：沼泽、湿地等地区

软弱地基的工程特性：

1. 低强度：
   • 地基承载力特征值低，通常小于100kPa
   • 抗剪强度低，在荷载作用下容易发生剪切破坏
2. 高压缩性：
   • 压缩系数大，地基沉降量大
   • 沉降持续时间长，工后沉降大
3. 低渗透性：
   • 孔隙水不易排出，固结过程缓慢
   • 地基处理和加固时间长
4. 不均匀性：
   • 土层分布不均匀，物理力学性质变化大
   • 容易导致不均匀沉降
5. 高灵敏度：
   • 结构破坏后强度显著降低
   • 施工扰动会严重影响地基土的性质
6. 地震液化：
   • 饱和松散砂土在地震作用下容易发生液化
   • 液化后地基承载力丧失，造成建筑物破坏

地基处理的目的：

1. 提高地基承载力：通过各种方法增强地基土的强度，使其能够承受上部结构的荷载
2. 减少地基沉降：降低地基土的压缩性，减少建筑物的沉降量和不均匀沉降
3. 改善地基土的渗透性：加速地基土的排水固结，提高地基的稳定性
4. 增强地基的抗液化能力：防止或减轻地震时地基土的液化现象
5. 改善地基土的动力特性：减少振动对建筑物的影响
6. 消除或减少特殊土的不良特性：如消除湿陷性黄土的湿陷性、膨胀土的胀缩性等

地基处理方法的分类及适用条件：

1. 置换法：
   • 原理：挖除软弱土层，换填强度较高的材料
   • 常用方法：
     • 砂（石）垫层
     • 灰土垫层
     • 素土垫层
     • 矿渣垫层
   • 适用条件：软弱土层厚度较薄（一般小于3m），适合浅层处理
2. 排水固结法：
   • 原理：通过增加排水途径，加速地基土的排水固结
   • 常用方法：
     • 堆载预压法
     • 真空预压法
     • 真空-堆载联合预压法
     • 电渗排水法
   • 适用条件：淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和软弱粘性土地基
3. 振密、挤密法：
   • 原理：通过振动或挤密，提高地基土的密实度
   • 常用方法：
     • 强夯法
     • 振冲挤密法
     • 土（或灰土）桩挤密法
     • 砂桩挤密法
   • 适用条件：松散砂土、粉土、杂填土等地基
4. 置换及拌入法：
   • 原理：在地基中形成增强体，与天然地基形成复合地基
   • 常用方法：
     • 振冲置换法（碎石桩）
     • 水泥土搅拌桩法
     • 高压喷射注浆法
     • 石灰桩法
   • 适用条件：各种软弱地基，尤其是淤泥、淤泥质土、粘性土等地基
5. 化学加固法：
   • 原理：通过化学反应，改善地基土的物理力学性质
   • 常用方法：
     • 注浆法（水泥浆、化学浆液）
     • 硅化法
     • 碱液法
   • 适用条件：各种软弱地基，尤其是已有建筑物地基加固和防渗处理
6. 加筋法：
   • 原理：在地基中铺设加筋材料，提高地基的承载能力和稳定性
   • 常用方法：
     • 土工合成材料加筋法
     • 土锚法
     • 土钉法
   • 适用条件：软土地基、填土路基、边坡加固等
7. 热学法：
   • 原理：通过加热或冻结，改变地基土的物理力学性质
   • 常用方法：
     • 冻结法
     • 烧结法
   • 适用条件：特殊条件下的地基处理，如深基坑支护、隧道工程等
8. 其他方法：
   • 降水法：降低地下水位，提高地基土的有效应力和强度
   • 托换技术：对已有建筑物地基进行加固或改造
   • 桩基础：将荷载传递到深层好土层或岩层

复合地基：是指天然地基在地基处理过程中部分土体被增强或被置换，形成由地基土和增强体共同承担荷载的人工地基。复合地基中增强体与地基土形成一个整体，共同承担上部结构传来的荷载。

常见的复合地基类型：

1. 散体材料桩复合地基：
   • 特点：桩体材料为散体颗粒，如砂、碎石等
   • 常用类型：
     • 碎石桩复合地基
     • 砂桩复合地基
     • 矿渣桩复合地基
2. 柔性桩复合地基：
   • 特点：桩体具有一定的柔性，如水泥土搅拌桩、石灰桩等
   • 常用类型：
     • 水泥土搅拌桩复合地基
     • 石灰桩复合地基
     • 灰土桩复合地基
3. 刚性桩复合地基：
   • 特点：桩体强度较高，刚度较大，如CFG桩、预制混凝土桩等
   • 常用类型：
     • CFG桩复合地基
     • 预制混凝土桩复合地基
     • 钻孔灌注桩复合地基
4. 多元复合地基：
   • 特点：由两种或两种以上不同类型的增强体组成
   • 常用类型：
     • 碎石桩-水泥土桩复合地基
     • CFG桩-水泥土桩复合地基

复合地基的工作原理：

1. 桩体作用：
   • 应力集中：由于桩体的刚度大于地基土，在荷载作用下，桩顶应力大于桩间土应力，形成应力集中现象
   • 置换作用：用强度较高的桩体材料置换软弱地基土，提高地基的整体承载力
   • 排水作用：散体材料桩（如碎石桩、砂桩）可作为排水通道，加速地基土的排水固结
2. 桩间土作用：
   • 挤密作用：施工过程中，桩体材料的挤入使桩间土得到挤密，提高桩间土的强度
   • 加筋作用：桩体的存在限制了桩间土的侧向变形，提高了桩间土的承载能力
3. 桩土共同作用：
   • 协调变形：在荷载作用下，桩体和桩间土通过褥垫层协调变形，共同承担荷载
   • 形成整体：桩体和桩间土形成一个复合体系，其承载力和变形特性优于天然地基
4. 褥垫层作用：
   • 保证桩土共同作用：通过褥垫层的变形，使桩体和桩间土能够共同承担荷载
   • 调整桩土荷载分担比：通过改变褥垫层的厚度和材料，调整桩体和桩间土的荷载分担比例
   • 减少桩顶应力集中：褥垫层可以扩散桩顶应力，减少桩顶应力集中现象

复合地基的破坏模式：

1. 刺入破坏：桩体强度较高时，桩体可能刺入褥垫层或穿过桩间土
2. 桩体剪断破坏：桩体强度不足时，桩体可能发生剪切破坏
3. 桩间土破坏：桩间土强度不足时，桩间土可能发生剪切破坏
4. 整体剪切破坏：复合地基可能发生整体剪切破坏

预压法处理地基的原理：

预压法是在建筑物建造前，在地基上施加预压荷载，使地基土提前完成大部分沉降，同时提高地基土的强度。其基本原理是利用土的排水固结特性，通过增加地基土的有效应力，加速地基土的排水固结过程。

根据太沙基一维固结理论，饱和粘性土的固结度与时间的平方根成正比，与排水距离的平方成反比。预压法通过设置排水系统（如砂井、塑料排水板等），缩短排水距离，加速地基土的固结。

预压法的类型：

1. 堆载预压法：
   • 特点：在地基上堆置土、砂、石等材料，形成预压荷载
   • 分类：
     • 等载预压：预压荷载等于设计荷载
     • 超载预压：预压荷载大于设计荷载，以加速固结和减少工后沉降
2. 真空预压法：
   • 特点：通过抽真空，降低地基中的孔隙水压力，形成负的超静孔隙水压力
   • 原理：利用大气压力作为预压荷载，无需堆载材料
3. 真空-堆载联合预压法：
   • 特点：同时采用真空预压和堆载预压的方法
   • 优点：可以施加更大的预压荷载，加速固结过程
4. 电渗排水法：
   • 特点：在地基中插入电极，通以直流电，利用电渗现象加速土中水分的排出
   • 适用：低渗透性的粘性土

预压法的适用条件：

1. 土层条件：
   • 适用于淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和软弱粘性土地基
   • 对渗透性极低的泥炭土，单独使用预压法效果可能不理想
2. 工程条件：
   • 适用于工期允许的工程
   • 适用于对沉降要求严格的建筑物
   • 堆载预压法需要有足够的堆载材料和场地
3. 环境条件：
   • 真空预压法适用于无法堆载或堆载困难的场地
   • 适用于周围环境对沉降和位移要求不严格的场地

预压法的施工要点：

1. 排水系统设计与施工：
   • 竖向排水体：砂井、塑料排水板等，需根据地基土的渗透性和厚度确定间距和深度
   • 水平排水体：砂垫层，厚度一般为0.5-1.0m，保证排水畅通
   • 施工要求：排水体应穿透软弱土层，到达相对硬层；施工时应避免扰动地基土
2. 密封系统（真空预压法）：
   • 密封膜：一般采用不透气的塑料膜，通常铺设2-3层
   • 密封沟：在场地周围开挖密封沟，将密封膜埋入沟中并回填粘性土
   • 施工要求：密封系统应确保真空度的传递和保持
3. 预压荷载施加：
   • 堆载预压：分级加载，每级加载后需观测沉降和孔隙水压力，待稳定后再加载
   • 真空预压：抽真空应连续进行，真空度应达到设计要求（一般为80kPa以上）
   • 加载速率：应控制加载速率，防止地基发生失稳破坏
4. 监测系统：
   • 沉降观测：设置沉降观测点，定期观测地表沉降
   • 孔隙水压力观测：设置孔隙水压力计，观测孔隙水压力的消散情况
   • 水平位移观测：设置位移桩，观测地基的水平位移
   • 真空度观测：真空预压法需观测膜下真空度
5. 预压时间控制：
   • 根据设计要求的固结度和沉降量确定预压时间
   • 一般要求地基的固结度达到80%以上
   • 预压时间可通过计算和现场监测确定
6. 卸载条件：
   • 当沉降速率小于设计要求（如小于1-2mm/d）
   • 地基的固结度达到设计要求
   • 孔隙水压力消散到设计允许值

解：

(1) 计算地基的最终沉降量：

分层总和法计算最终沉降量：

s = (a/(1+e₀)) × p × h

其中：

a = 0.001kPa⁻¹（压缩系数）

e₀ = 1.8（初始孔隙比）

p = 100kPa（堆载压力）

h = 10m（软弱土层厚度）

代入数值计算：

s = (0.001/(1+1.8)) × 100 × 10 = (0.001/2.8) × 1000 = 0.357m = 357mm

(2) 计算径向固结系数cᵣ：

径向固结系数cᵣ = kᵥ × Eₛ / γᵧ

其中：

kᵣ = kₕ = 1.0×10⁻⁸m/s（水平向渗透系数）

Eₛ = (1+e₀)/a = (1+1.8)/0.001 = 2800kPa（压缩模量）

γᵧ = 9.81kN/m³（水的重度）

代入数值计算：

cᵣ = 1.0×10⁻⁸ × 2800 / 9.81 ≈ 2.85×10⁻⁶ m²/s

也可以用另一种方式计算：

cᵣ = kᵣ × (1+e₀)/ (a × γᵧ)

代入数值计算：

cᵣ = 1.0×10⁻⁸ × (1+1.8) / (0.001 × 9.81) = 1.0×10⁻⁸ × 2.8 / 0.00981 ≈ 2.85×10⁻⁶ m²/s

答案：(1) 地基的最终沉降量s=357mm；(2) 径向固结系数cᵣ≈2.85×10⁻⁶m²/s

解：

CFG桩复合地基承载力特征值计算公式：

fₛₚₖ = m×(Rₐ/Aₚ) + β×(1-m)×fₐk

其中：

m - 面积置换率

Rₐ - 单桩承载力特征值(kN)

Aₚ - 桩的截面积(m²)

β - 桩间土承载力折减系数

fₐk - 地基土承载力特征值(kPa)

(1) 计算桩的截面积Aₚ：

Aₚ = π×d²/4 = π×0.4²/4 = 0.1257 m²

(2) 计算面积置换率m：

正方形布置时，一根桩承担的处理面积Aₑ = s² = 1.6² = 2.56 m²

面积置换率m = Aₚ/Aₑ = 0.1257/2.56 ≈ 0.0491

(3) 计算复合地基承载力特征值fₛₚₖ：

fₛₚₖ = 0.0491×(800/0.1257) + 0.8×(1-0.0491)×100

计算第一项：0.0491×(800/0.1257) ≈ 0.0491×6364.4 ≈ 312.5 kPa

计算第二项：0.8×0.9509×100 ≈ 76.1 kPa

fₛₚₖ = 312.5 + 76.1 = 388.6 kPa

答案：复合地基的承载力特征值fₛₚₖ≈388.6kPa

解：

(1) 计算基础底面压力pₖ：

基础自重和基础上覆土重G = γ'×A×d（取γ'=20kN/m³）

A = 4×2 = 8 m²

G = 20×8×1.5 = 240 kN

基础底面压力pₖ = (F + G)/A = (500 + 240)/8 = 740/8 = 92.5 kPa

(2) 计算砂垫层的最小宽度：

砂垫层的扩散角θ，对于砂垫层，取θ=30°

砂垫层底面宽度b' = b + 2×z×tanθ

其中b为基础底面宽度的较小值，b=2m

z=2m（砂垫层厚度）

tanθ=tan30°≈0.577

代入数值计算：

b' = 2 + 2×2×0.577 = 2 + 2.308 = 4.308 m

取砂垫层宽度为4.5m

同样计算长度方向：

a' = a + 2×z×tanθ = 4 + 2×2×0.577 = 4 + 2.308 = 6.308 m

取砂垫层长度为6.5m

(3) 验算砂垫层底面压力：

砂垫层底面压力pₛ = (F + G + Gₛ)/Aₛ

其中Gₛ为砂垫层的重量

Gₛ = γₛ×Aₛ×z

Aₛ = 6.5×4.5 = 29.25 m²

Gₛ = 18×29.25×2 = 1053 kN

pₛ = (500 + 240 + 1053)/29.25 = 1793/29.25 ≈ 61.3 kPa ≤ fₐk=80 kPa

满足地基承载力要求。

(4) 验算砂垫层的承载力：

基础底面压力pₖ=92.5 kPa ≤ fₛk=150 kPa

满足砂垫层承载力要求。

答案：(1) 砂垫层的最小宽度为4.5m（宽度方向）和6.5m（长度方向）；(2) 地基承载力和砂垫层承载力均满足要求。

解：

振冲碎石桩复合地基承载力特征值计算公式：

fₛₚₖ = m×(Rₐ/Aₚ) + β×(1-m)×fₐk

其中：

m - 面积置换率

Rₐ - 单桩承载力特征值(kN)

Aₚ - 桩的截面积(m²)

β - 桩间土承载力折减系数

fₐk - 地基土承载力特征值(kPa)

(1) 计算桩的截面积Aₚ：

Aₚ = π×d²/4 = π×0.8²/4 = 0.5027 m²

(2) 计算面积置换率m：

等边三角形布置时，一根桩承担的处理面积Aₑ = (√3/4)×s²

其中s=2.4m（桩间距）

Aₑ = (√3/4)×2.4² ≈ 0.433×5.76 ≈ 2.497 m²

面积置换率m = Aₚ/Aₑ = 0.5027/2.497 ≈ 0.2013

(3) 计算复合地基承载力特征值fₛₚₖ：

fₛₚₖ = 0.2013×(600/0.5027) + 0.7×(1-0.2013)×120

计算第一项：0.2013×(600/0.5027) ≈ 0.2013×1193.6 ≈ 240.3 kPa

计算第二项：0.7×0.7987×120 ≈ 66.1 kPa

fₛₚₖ = 240.3 + 66.1 = 306.4 kPa

答案：复合地基的承载力特征值fₛₚₖ≈306.4kPa

换填法：

优点：

• 施工工艺简单，技术成熟
• 工期短，见效快
• 对场地条件要求较低
• 成本相对较低

缺点：

• 仅适用于浅层软弱地基处理
• 处理深度有限（一般小于3m）
• 需要大量换填材料
• 可能对周围环境造成影响（如取土、弃土）

适用条件：

• 软弱土层厚度较薄（一般小于3m）
• 地下水位较低或采用适当排水措施
• 有足够的换填材料来源
• 对工期要求较紧的工程

设计要点：

• 确定换填材料的种类和性能指标
• 计算换填厚度和宽度（需考虑应力扩散）
• 确定换填材料的压实标准
• 验算下卧层地基承载力

预压法：

优点：

• 能有效减少工后沉降
• 提高地基土的抗剪强度
• 对环境影响小
• 真空预压无需堆载材料

缺点：

• 预压时间长（通常需要几个月甚至更长）
• 对渗透性极低的土效果不佳
• 堆载预压需要大量堆载材料
• 真空预压密封系统要求高

适用条件：

• 淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和软弱粘性土地基
• 工期允许的工程
• 对沉降要求严格的建筑物

设计要点：

• 确定预压荷载大小和加载速率
• 设计排水系统（竖向排水体间距、深度等）
• 计算预压时间和最终沉降量
• 制定监测方案（沉降、孔隙水压力、水平位移等）

强夯法：

优点：

• 处理效果显著，提高地基承载力幅度大
• 适用范围广
• 施工速度快，工期短
• 成本相对较低

缺点：

• 施工振动大，噪音高，对周围环境影响大
• 对饱和软粘土效果有限
• 设备要求高（需要大吨位夯锤）
• 施工质量控制难度大

适用条件：

• 碎石土、砂土、低饱和度的粘性土和粉土
• 湿陷性黄土、杂填土等地基
• 周围环境对振动和噪音不敏感的场地

设计要点：

• 确定强夯参数（夯锤重量、落距、夯点间距、夯击次数等）
• 划分强夯区域和夯击遍数
• 制定施工工艺和质量控制标准
• 确定检测方法和检测标准

复合地基法：

优点：

• 处理效果好，能显著提高地基承载力
• 减少地基沉降和不均匀沉降
• 适用范围广，可根据不同地质条件选择不同类型的桩
• 可用于既有建筑物地基加固

缺点：

• 施工工艺复杂，技术要求高
• 成本相对较高
• 质量控制难度大
• 可能产生环境污染（如水泥搅拌桩）

适用条件：

• 各种软弱地基（淤泥、淤泥质土、粘性土、砂土等）
• 需要提高地基承载力和减少沉降的工程
• 可根据地质条件和工程要求选择不同类型的复合地基

设计要点：

• 选择合适的桩型和桩长
• 确定桩间距和布置方式
• 计算单桩承载力特征值
• 计算复合地基承载力特征值
• 设计褥垫层（厚度、材料等）
• 制定质量检测方案

工程地质特点分析：

1. 软弱土层深厚：淤泥质土层厚度达20m，属于深厚软弱地基
2. 承载力低：地基承载力特征值仅为50kPa，远不能满足多层住宅的要求
3. 压缩性高：淤泥质土具有高压缩性，若不处理，建筑物沉降量大
4. 渗透性低：淤泥质土渗透性差，排水固结时间长
5. 位于沿海地区：可能面临地下水侵蚀、潮汐影响等问题
6. 对沉降要求严格：多层住宅对不均匀沉降敏感，容易导致墙体开裂等问题

可能的地基处理方案：

方案一：真空预压法

选择理由：

• 适用于深厚淤泥质土地基
• 无需堆载材料，施工方便，对周围环境影响小
• 能有效加速地基土的排水固结，提高地基承载力
• 可减少工后沉降，满足多层住宅的沉降要求

设计要点：

• 设置塑料排水板作为竖向排水体，间距可取0.8-1.2m，深度穿透整个淤泥质土层
• 铺设水平排水砂垫层，厚度不小于0.5m
• 设计密封系统，确保真空度达到80kPa以上
• 预压时间根据设计要求的固结度确定，一般为3-6个月
• 设置完善的监测系统，监测沉降、孔隙水压力和水平位移

方案二：水泥土搅拌桩复合地基

选择理由：

• 适用于深厚淤泥质土地基
• 能显著提高地基承载力，减少地基沉降
• 施工速度快，工期短
• 对周围环境影响较小

设计要点：

• 桩长应穿透淤泥质土层，进入相对硬层
• 桩径一般为0.5-0.7m，桩间距可取1.0-1.5m（正方形布置）
• 水泥掺入比一般为15%-20%，确保桩体强度
• 设计褥垫层，厚度一般为0.2-0.3m，材料可选用中粗砂
• 计算复合地基承载力特征值，确保满足设计要求
• 制定桩体质量检测方案，如取芯、静载试验等

方案三：CFG桩复合地基

选择理由：

• 适用于各种软弱地基，包括深厚淤泥质土地基
• 桩体强度高，复合地基承载力提高幅度大
• 沉降小，能满足多层住宅的严格要求
• 施工工艺成熟，质量控制相对容易

设计要点：

• 桩长应穿透淤泥质土层，进入相对硬层
• 桩径一般为0.4-0.6m，桩间距可取1.2-1.8m（正方形布置）
• 桩体混凝土强度等级一般为C15-C25
• 设计褥垫层，厚度一般为0.2-0.4m，材料可选用级配砂石
• 计算单桩和复合地基承载力特征值
• 进行沉降计算，确保满足设计要求
• 制定质量检测方案，包括低应变检测、静载试验等

方案四：桩基础

选择理由：

• 适用于深厚软弱地基，可将荷载传递到深层好土层
• 承载力高，沉降小
• 对不均匀沉降控制效果好
• 技术成熟，可靠性高

设计要点：

• 选择合适的桩型（如混凝土灌注桩、预制桩等）
• 确定桩长和桩径，确保桩端进入持力层
• 计算单桩承载力特征值
• 进行桩基础沉降计算
• 设计承台和桩帽
• 制定桩基础质量检测方案

推荐方案：

考虑到该场地的地质条件、工程要求和经济性，推荐采用CFG桩复合地基方案。

推荐理由：

1. CFG桩复合地基能有效提高地基承载力，满足多层住宅的要求
2. 与桩基础相比，成本较低，施工速度快
3. 与预压法相比，工期短，不需要长时间预压
4. 与水泥土搅拌桩相比，桩体强度高，复合地基承载力更高，沉降更小
5. 施工工艺成熟，质量控制相对容易
6. 能有效控制不均匀沉降，满足多层住宅对沉降的严格要求

地基处理方案设计：

一、场地条件分析：

• 地基为杂填土，厚度约4m
• 下卧层为粉质粘土
• 拟建造三层办公楼，柱底荷载F=600kN
• 基础埋深d=1.5m

二、地基处理方法选择：

考虑到杂填土厚度为4m，属于浅层软弱地基，可选择以下处理方法：

1. 换填法：挖除杂填土，换填砂垫层或灰土垫层
2. 强夯法：对杂填土进行强夯处理，提高其密实度和承载力
3. 挤密桩法：采用土桩或灰土桩挤密杂填土

综合考虑，推荐采用换填法处理地基。理由如下：

• 杂填土厚度适中（4m），换填法技术成熟，施工简单
• 换填后地基承载力和变形性能可靠
• 工期短，质量容易控制
• 成本相对较低

三、换填法设计计算：

1. 换填材料选择：采用级配良好的中砂或粗砂，压实系数不小于0.95

2. 换填厚度确定：

换填厚度z=4m，与杂填土厚度相同

3. 基础底面尺寸计算：

假设采用独立基础，基础尺寸为b×b

基础自重和基础上覆土重G = γ'×b²×d（取γ'=20kN/m³）

基底压力pₖ = (F + G)/b² ≤ fₛk

其中fₛk为砂垫层的承载力特征值，取fₛk=200kPa

代入数值计算：

(600 + 20×b²×1.5)/b² ≤ 200

600/b² + 30 ≤ 200

600/b² ≤ 170

b² ≥ 600/170 ≈ 3.53

b ≥ 1.88m，取b=2.0m

4. 换填宽度计算：

砂垫层的扩散角θ，对于砂垫层，取θ=30°

换填底面宽度b' = b + 2×z×tanθ

b' = 2.0 + 2×4×tan30° ≈ 2.0 + 4.62 ≈ 6.62m，取b'=7.0m

5. 下卧层地基承载力验算：

砂垫层底面压力p_z = (F + G + Gₛ)/Aₛ

其中Gₛ为砂垫层的重量

Gₛ = γₛ×Aₛ×z

Aₛ = 7.0×7.0 = 49 m²

Gₛ = 18×49×4 = 3528 kN

G = 20×4×1.5 = 120 kN

p_z = (600 + 120 + 3528)/49 = 4248/49 ≈ 86.7 kPa

下卧层顶面附加压力p₀ = p_z - γ₀×(d + z)

其中γ₀为加权平均重度，取γ₀=18kN/m³

p₀ = 86.7 - 18×(1.5 + 4) = 86.7 - 99 = -12.3 kPa < 0

下卧层地基承载力满足要求。

四、施工要点：

1. 施工准备：

• 平整场地，清除地表杂物
• 做好排水系统，防止施工期间场地积水
• 测量放线，确定换填范围

2. 换填材料质量控制：

• 砂料应级配良好，含泥量不大于5%
• 不得含有有机质、垃圾等杂物
• 进场材料应进行检验

3. 分层回填与压实：

• 分层厚度一般为200-300mm
• 采用机械压实（如振动压路机、平板振动器等）
• 每层压实后应进行压实系数检测，确保不小于0.95
• 压实顺序应从两侧向中间进行，注意边缘压实质量

4. 施工监测：

• 监测回填土的含水量，控制在最优含水量附近
• 监测压实厚度和压实遍数
• 及时进行压实质量检测

5. 质量检验：

• 采用环刀法或灌砂法检测压实系数
• 每个分层抽样检验数量应符合规范要求
• 压实系数不小于0.95

6. 注意事项：

• 施工期间应保护好周围环境，防止扬尘污染
• 雨天施工应采取防雨措施，防止砂垫层被雨水浸泡
• 冬季施工应注意防冻，必要时采取保温措施

地基处理方案设计：

一、场地条件分析：

• 地基为饱和松散砂层，厚度8m
• 地下水位埋深1m
• 抗震设防烈度为8度
• 拟建造单层工业厂房，对抗液化能力要求高

二、地基处理方法选择：

考虑到饱和松散砂层在地震作用下容易液化，且厚度较大，可选择以下处理方法：

1. 振冲挤密法：通过振动和挤密，提高砂层的密实度，增强抗液化能力
2. 强夯法：通过强夯加固，提高砂层的密实度和抗液化能力
3. 挤密碎石桩法：形成复合地基，提高地基承载力和抗液化能力

综合考虑，推荐采用振冲挤密法处理地基。理由如下：

• 振冲挤密法特别适用于处理松散砂土地基，可有效提高砂层的密实度
• 能显著增强地基的抗液化能力，满足8度抗震设防要求
• 施工速度快，工期短
• 成本相对较低
• 技术成熟，质量控制相对容易

三、振冲挤密法设计计算：

1. 设计参数确定：

• 处理深度：穿透整个松散砂层，取8m
• 桩径：d=0.7m
• 桩间距：等边三角形布置，s=2.0m
• 填料：采用级配良好的碎石，粒径20-50mm

2. 加固范围：

加固范围应超出基础边缘一定距离，一般为处理深度的1/2至2/3，且不小于3m

3. 面积置换率计算：

等边三角形布置时，一根桩承担的处理面积Aₑ = (√3/4)×s²

Aₑ = (√3/4)×2.0² ≈ 0.433×4 = 1.732 m²

桩的截面积Aₚ = π×d²/4 = π×0.7²/4 ≈ 0.385 m²

面积置换率m = Aₚ/Aₑ = 0.385/1.732 ≈ 0.222

4. 复合地基承载力特征值计算：

fₛₚₖ = m×fₚₖ + β×(1-m)×fₐk

其中：

fₚₖ为桩体承载力特征值，取500kPa

β为桩间土承载力折减系数，取0.8

fₐk为天然地基承载力特征值，取100kPa

fₛₚₖ = 0.222×500 + 0.8×(1-0.222)×100 = 111 + 62.2 = 173.2 kPa

5. 抗液化效果评价：

振冲挤密后，砂层的相对密实度应达到0.75以上，标准贯入试验锤击数应满足抗震要求

四、施工要点：

1. 施工准备：

• 平整场地，清除地表杂物
• 做好排水系统，降低地下水位（如需要）
• 测量放线，确定桩位
• 检查振冲设备性能

2. 振冲施工工艺：

• 造孔：启动振冲器，使其振动下沉到设计深度
• 清孔：造孔完成后，提高振冲器，进行清孔
• 填料加密：从孔底开始，分层填入碎石，每层填料厚度约0.5m，用振冲器振密
• 控制参数：
  • 密实电流：根据地质条件和桩径确定，一般为50-100A
  • 留振时间：每段填料留振时间一般为30-60s
  • 填料量：根据设计要求控制每米填料量

3. 施工顺序：

• 宜从中间向外围进行，或由一边向另一边进行
• 相邻桩施工间隔时间不宜小于24h

4. 施工监测：

• 监测振冲器的电流、留振时间和填料量
• 监测孔位偏差和孔深
• 记录施工过程中的异常情况

5. 质量检验：

• 施工过程检验：检查施工记录，包括密实电流、留振时间、填料量等
• 竣工验收检验：
  • 标准贯入试验：检验加固后砂层的密实度
  • 载荷试验：检验复合地基承载力
  • 动力触探试验：检验桩体和桩间土的密实度
• 检验数量：每个单体工程检验点数量不应少于3点，且不宜少于总桩数的0.5%

6. 注意事项：

• 施工过程中应注意保护周围建筑物和地下管线，控制振动影响
• 填料应连续供应，确保施工质量
• 雨天施工应采取防雨措施，防止场地积水
• 冬季施工应注意防冻，必要时采取保温措施