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浅论土的压缩性与地基沉降地基承载力是指地基土单位面积上所能承受的荷载，这是土力学的重要问题之一。由于地基土的复杂性，要准确地确定地基极限承载力也是比较复杂的问题。本章学习地基在外荷裁作用下的破坏形式，地基的临塑荷载、临界荷载与极限荷载，确定地基承载力的理论公式、地基承载力设计值的确定和影响地基承载力的因素，要求掌握地基承载力的确定与计算，并从这些计算公式中了解影响地基承载力的因素。第一节 概述地基随建筑物荷载的作用后，内部应力发生变化，表现在两方面：一种是由于地基土在建筑物荷载作用下产生压缩变形，引起基础过大的沉降量或沉降差，使上部结构倾斜，造成建筑物沉降；另一种是由于建筑物的荷载过大，超过了基础下持力层土所能承受荷载的能力而使地基产生滑动破坏。因此在设计建筑物基础时，必须满足下列条件：地基： 强度——承载力——容许承载力变形——变形量（沉降量）——容许沉降量一、几个名词1、地基承载力：指地基土单位面积上所能随荷载的能力。地基承载力问题属于地基的强度和稳定问题。2、容许承载力：指同时兼顾地基强度、稳定性和变形要求这两个条件时的承载力。它是一个变量，是和建筑物允许变形值密切联系在一起。3、地基承载力标准值：是根据野外鉴别结果确定的承载力值。包括：标贯试验、静力触探、旁压及其它原位测试得到的值。4、地基承载力基本值：是根据室内物理、力学指标平均值，查表确定的承载力值，包括载荷试验得到的值）。通常5、极限承载力：指地基即将丧失稳定性时的承载力。二、地基承载力确定的途径目前确定方法有：1．根据原位试验确定：载荷试验、标准贯入、静力触探等。每种试验都有一定的适用条件。2．根据地基承载力的理论公式确定。3．根据《建筑地基基础设计规范》确定。根据大量测试资料和建筑经验，通过统计分析，总结出各种类型的土在某种条件下的容许承载力，查表。一般：一级建筑物：载荷试验，理论公式及原位测试确定f；二级建筑物：规范查出，原位测试；尚应结合理论公式；三级建筑物：邻近建筑经验。三、确定地基承载力应考虑的因素地基承载力不仅决定于地基的性质，还受到以下影响因素的制约。1．基础形状的影响：在用极限荷载理论公式计算地基承载力时是按条形基础考虑的，对于非条形基础应考虑形状不同地基承载的影响。2．荷载倾斜与偏心的影响：在用理论公式计算地基承载力时，均是按中心受荷考虑的，但荷载的倾斜荷偏心对地基承载力是有影响的。3．覆盖层抗剪强度的影响：基底以上覆盖层抗剪强度越高，地基承载力显然越高，因而基坑开挖的大小和施工回填质量的好坏对地基承载力有影响。4．地下水的影响：地下水水位上升会降低土的承载力。5．下卧层的影响：确定地基持力层的承载力设计值，应对下卧层的影响作具体的分析和验算。6．此外还有基底倾斜和地面倾斜的影响：地基土压缩性和试验底板与实际基础尺寸比例的影响。相邻基础的影响，加荷速率的影响和地基与上部结构共同作用的影响等。在确定地基承载力时，应根据建筑物的重要性及结构特点，对上述影响因素作具体分析。第二节 地基的变形和失稳一．临塑荷载Per和极限承载力Pu现场荷载试验表明：地基从开始发生变形到失去稳定的发展过程，典型的S－P曲线可以分成顺序发生的三个阶段，即压密变形阶段（oa）、局部剪损阶段（ab）和整体剪切破坏阶段（b以后）见图8－2（见教材P275），三个阶段之间存在着两个界限荷载。第一个界限荷载（临塑荷载Per）：就是指基础下的地基中，塑性区的发展深度限制在一定范围内时的基础底面压力。当P＞Per标志压密阶段进入局部剪损阶段。第二个界限荷载（极限承载力Pu）：当地基土中由于塑性的不断扩大，而形成一个连续的滑动面时，使得基础连同地基一起滑动，这时相应的基础底面压力称为极限承载力Pu。当P＞Pu标志着地基土从局部剪损破坏阶段进入整体破坏阶段，地基丧失稳定。二．竖直荷载下地基的破坏形式在荷载作用下，建筑物由于承载能力不足而引起的破坏，通常是由于基础下持力层土的剪切破坏所造成的，而这种剪切破坏的形成一般又可分为整体剪切、局部剪切和冲剪三种。1．整体剪切破坏的特征：当基础上的荷载较小时，基础压力与沉降的关系近乎直线变化，此时属弹性变形阶段，如图中oa段。随着荷载的增大，并达到某一数值时，首先在基础边缘处的土开始出现剪切破坏，如图中a点。随着荷载的增大，剪切破坏地区也相应的扩大，此时压力与沉降关系呈曲线形状，属弹性塑性变形阶段，如图ab段。若荷载继续增大，越过b点，则处于塑性破坏阶段。2．局部剪切破坏的特征：局部剪切破坏的过程与整体剪切破坏相似，破坏也从基础边缘下开始，随着荷载增大，剪切破坏地区也相应地扩大。区别：局部剪切破坏时，其压力与沉降的关系，从一开始就呈现非线性的变化，并且当达到破坏时，均无明显地出现转折现象。对于这种情况，常取压力与沉降曲线上坡度发生显著变化的点所对应的压力，作为相应的地基承载力。3．冲剪破坏的特征：它不是在基础下出现明显的连续滑动面，而是随着荷载的增加，基础将随着土的压缩近乎垂直向下移动。当荷载继续增加并达到某数值时，基础随着土的压缩连续刺入，最后因基础侧面附近土的垂直剪切而破坏。冲剪破坏的压力与沉降关系曲线类似局部剪切破坏的情况，也不出现明显的转折现象。 
(一)大直径钻孔桩施工大直径钻孔桩施工是指成桩直径在800mm以上的钻孔桩。钻孔灌注桩施工应根据地质条件、桩径大小、入土(岩)深度和设备条件，选用适当钻具和钻孔方法，以保证顺利地钻到预计孔深，然后，清孔、下水钢筋笼、灌注水下混凝土等。其成孔和成桩工艺见图2-33所示。图2-33 水上钻孔灌注桩施工程序1—用振动器下套管;2—用抓斗挖掘，3—安装钻机，4—反循环钻进;5—丈量孔深;6—下钢筋笼;7—下入导管清孔;8—灌注混凝土，9—起拔套管，10—桩完成大直径钻孔桩的施工方法包括:回转、冲击、冲抓、螺旋钻、潜水钻、沉管成孔、钻孔扩底施工等。但不包括爆扩灌注桩、人工挖孔灌注桩的施工。泵吸反循环钻进成孔1)泵吸反循环钻进成孔具有施工效率高、桩孔质量好、成本费用低、施工安全等优点，在桩孔施工中应优先采用。2)泵吸反循环钻进工艺适用于填土层、砂土层、黏土层、淤泥层、砂层、卵砾石层和基岩钻进成孔。但填土层中的碎砖填石和卵砾石的块度不得大于钻杆内径的4/5，否则易堵塞钻头水口或管路，影响冲洗液的正常循环。施工的桩孔直径一般在600mm以上，孔深一般不超过70～80m。3)冲洗液循环系统设置应遵守下列规定:①规划布置施工现场时，应首先考虑冲洗液循环、排水、清渣系统的安设，以保证泵吸反循环作业时，冲洗液循环通畅，污水排放彻底，钻渣清除顺利;②地面循环系统一般分为自流回灌式和泵送回灌式两种(图2-34)。应根据施工场地、施工地层和设备情况，合理选择循环方式。由于自流回灌式循环系统设施简单，清渣容易，循环可靠，应优先使用;③循环系统中沉淀池、循环池、循环槽(或回灌管路和回灌泵)等的规格，应根据钻孔容积，砂石泵的型号规格来选定;循环池的容积，应不小于桩孔实际容积的2倍，以保证冲洗液正常循环。沉淀池的容积一般为4～8m3。桩孔直径小于800mm时，选用4m3;小于1200mm时，选用6m3;大于1200mm时，选用8m3。溢流池的容积不小于桩孔实际容积的2倍，以确保灌注混凝土时，冲洗液不致外溢;循环槽(或回灌管路)的断面积应是砂石泵出水管断面积的3～4倍。若用回灌泵回灌，则泵的排量应大于砂石泵的排量;循环槽(或回灌管路)的坡度不宜小于1∶100。④沉淀池和循环池等可用砖块砌制或用4～6mm钢板加工制作。⑤沉淀池应满足钻渣清除外运的方便。图2-34 泵吸反循环泵送回灌系统示意图1—砂石泵;2—钻机;3—桩孔;4—泥浆溢流槽;5—除渣设备;6—出水管;7—沉淀池;8—水龙头;9—循环池;10—转盘;11—回灌管路;12—回灌泵;13—钻杆;14—钻头;15—沉淀物4)冲洗液净化。①清水钻进时，钻渣在沉淀池内通过重力沉淀后予以清除。沉淀池应交替使用，并及时清除沉渣;②泥浆钻进时，宜使用多级振动筛和旋流除砂器或其他机械除渣装置进行除砂清渣。振动筛主要清除较大粒径的钻渣，筛板(网)规格可根据钻渣粒径的大小分级确定，旋流除砂器的有效容积，要适应砂石泵的排量，除砂器数量可根据清渣需要确定。5)钻进参数应根据不同地层情况、桩孔直径，并获得砂石泵的合理排量和经济钻速按表2-19的值加以选择。表2-19 泵吸反循环钻进推荐参数和钻速表注:①本表钻进参数以GPS15型钻机为例;砂石泵排量要考虑孔径大小和地层情况灵活选择调整，一般外环间隙冲洗液流速不宜大于10m/min，钻杆内上返流速应大于2～4m/s。②桩孔直径较大时，钻压宜选用上限，转速宜选用下限，以获得下限钻速;桩孔直径较小时，钻压宜选用上限，以获得上限钻速。正循环钻进成孔1)正循环钻进成孔适用于填土层、黏土层、淤泥层、砂土层、基岩，也可在卵砾石不大于15%，粒径小于10mm的部分砂卵砾石地层施工。施工的桩孔直径一般不宜大于800mm。2)正循环钻进成孔应采用泥浆护壁，泥浆的性能指标应符合前述规定。3)泥浆循环系统的设置应遵守下列规定:①循环系统由泥浆池、沉淀池、循环槽、废浆池、泥浆泵、泥浆搅拌设备、钻渣分离装置等组成，并应具有排水、清渣、排废浆设施和钻渣转运通道等。一般宜采用集中搅拌泥浆，集中向各钻孔输送泥浆的方式(参阅反循环成孔)。②沉淀池不宜少于2个，可串联并用，每个沉淀池的容积为4～6m3。泥浆池的容积为钻孔容积的2～5倍，一般不宜小于8～10m3。③循环槽应设1∶200的坡度，槽的断面积应能保证冲洗液正常循环而不外溢。④沉淀池、泥浆池、循环槽可用砖块砌筑和水泥砂浆砌筑牢固，不得有渗漏或倒塌。泥浆池等不能在新堆积的土层上，防止下陷开裂，漏失泥浆。4)应及时清除循环槽和沉淀池内沉淀的钻渣，必要时可配备机械钻渣分离装置。钻进砂土层或容易造浆的黏土层，应控制冲洗液相对密度和黏度变化，并可用絮沉，适时补充低相对密度、低黏度稀浆或加入适量清水，调整泥浆性能。泥浆池、沉淀池和循环槽应定期进行清理。清出的钻渣应及时运出现场，防止钻渣废浆污染施工现场及街道。①冲洗液量可由下式计算:Q=60×10·F·V (2-1)式中:Q为冲洗液量(L/min);F为环空面积(m2);V为上返流速(m/s)，如表2-20。表2-20 冲洗液上返流速表 单位:m/s②转速。一般砂土层钻头回转速度，推荐为2～6m/s，相应转速为40～80r/min;较硬或非均质地层，钻头回转速度可适当调变。③钻压。在松散地层中，给进压力应以保证冲洗液畅通，钻渣清除及时为前提，灵活加以掌握;在基岩中钻进可通过配置加重钻铤或加重块提高钻压。钻压可按表2-16所示进行选择。潜水钻钻进成孔1)潜水钻进适用于填土层、砂土层、黏土层、淤泥层和强风化基岩。施工孔径可为4600～1200mm。潜水钻的主要设备和机具包括潜水电钻、卷扬机、电缆卷筒、水管卷筒、泥浆泵、砂石泵、方型钻杆、电缆线、进浆胶管、正反循环钻头、配电柜、给、排水设备等。潜水钻设备简单、体积小、无噪音，具有正反循环功能，适合于城市狭小场地施工。潜水钻成孔的现场布置和冲洗液循环系统设置，宜采用泵吸反循环为主的循环方式。选用泥浆作冲洗液，其性能指标同前述。2)潜水电钻、卷扬机和砂石泵的电缆均应接入配电箱，便于控制，应注意通入潜水电钻的电缆不得破损、漏电，并须指定专人负责收放电缆和进浆胶管。电缆的安全架设和收放操作，应严格遵守电气操作安全规定。3)钻进时潜水电钻产生较大的反扭矩。因此，必须将钻杆卡固在导向滚轮内以承受反扭矩，并使钻杆不旋转。4)为防止潜水电钻因钻杆折断或其他原因而掉落孔内，应在电钻上加焊吊环，系一保险钢绳并通出钻孔外吊住;还需在电钻的电缆线和进浆管上用油漆标明尺度，便于和钻杆上所标尺度相校核。5)钻进中应根据钻速和进尺情况及时放松电缆线及进浆胶管。应勤放少放，以免放得过多，造成电缆或胶管缠绕钻头而发生事故。6)潜水电钻的泵吸反循环或正循环的启动、主要操作要点、钻进参数选择、钻速控制、事故处理等可按本章第四节和第五节的有关规定执行。如果利用压缩空气作反循环，则混合器的沉没深度以不超过空压机工作压力为限。冲抓锥成孔1)冲抓锥成孔是用具有冲击功能并由锥瓣直接抓取土石的冲抓锥来钻进成孔。它的冲击作用在于使锥瓣易切入地层中，而不以击碎土石为主要目的。这种方法适用于杂填土层、黏土层、砂土层、砂卵砾石层、漂砾层等，不宜用于基岩钻进成孔。施工直径一般为700～1200mm，孔深一般在20m以内。当孔深超过20m，则因提升下落冲抓锥时间长，钻进效率降低，可改用冲击钻进成孔。2)冲抓锥成孔的主要设备和机具包括:钻架、卷扬机、冲抓锥、自挂脱机构、出渣车及泥浆搅拌机等。3)冲抓锥按操纵锥瓣开合方式不同，分:双绳冲抓锥和单绳冲抓锥。双绳冲抓锥由两根钢丝绳直接控制锥瓣开合，无须自动挂钩机构，设备安装简便，且可多次冲击再提冲抓锥，故宜优先采用。4)提升冲抓锥的钢丝绳，应选用同向捻制、纤维心、无死折迹、无断丝的，其安全系数不得小于12。5)冲抓锥与护筒中心线对正，先将冲抓锥悬空停稳，然后慢慢放入护筒内，检查处于锥中心的起重钢丝绳是否在护筒中心位置，若偏离中心位置，应调整钻塔位置，使钢丝绳居中。6)冲抓锥钻进时，可根据需要直接向孔内灌入泥浆，倒入黏土或投入泥球。倒入黏土后，将锥瓣收拢的冲抓锥放入孔内，冲挤黏土使之与松散的孔壁胶结，然后提起冲抓锥张开锥瓣进行冲抓钻进。冲击钻成孔1)冲击钻成孔适用于杂填土层、黏土层、卵砾石层、漂砾石层和风化基岩。在含有较大卵。砾石层、漂砾层中施工，成孔效率较高。冲击钻施工的桩孔直径一般为600～1200mm。最大可达3000mm左右。冲击成孔的主要设备和机具包括:冲击式钻机、冲击钻头、抽砂筒等。常用冲击钻头有一字形和十字形;抽砂筒有碗形阀门，单扇活门多种形式，可根据施工需要合理选择钻机类型和钻头形式。2)冲击成孔使用高相对密度、高黏度的泥浆护壁和浮渣，也可直接向孔内投入黏土或泥环护壁。3)抽砂筒捞渣应遵守下列规定。①抽砂简直径应为桩孔直径的70%～50%;②开孔阶段，孔深不足3～4m时，不宜捞渣，应尽量使钻渣挤入孔壁;③每钻进5～0m应捞渣一次，每次捞渣4～6筒为宜。当卵石、漂石层小时进尺小于5cm，在松散地层，小于15cm时，应及时捞渣，以减少钻头的重复破碎现象;④每次捞渣后，应及时向孔内补充泥浆或黏土，保持孔内水位高于地下水位5～0m。螺旋钻成孔1)长螺旋钻适用于地下水位以上的填土层、黏土层，砂砾石层等干作业成孔。施工桩孔直径一般为300～600mm。成孔效率高，施工现场没有泥浆污染，在适合条件下，宜优先采用。2)螺旋钻成孔的设备机具主要包括:导向架、卷扬机、螺旋钻杆、动力机、出土器、钻头等。螺旋钻分长螺杆和短螺杆，钻头的形式有:尖底式、平底式、耙式、筒式等，应根据不同地层和施工条件，选用不同形式的钻头和钻杆。3)钻进时应遵守下列规定。①开钻前应纵横调平钻机，安装导向套。②开孔时或穿过硬土层分界处时，应慢速回转，控制进尺不宜过快，并保持钻杆垂直。③钻进时应保持钻具工作平稳，尽量减少螺杆晃动，防止钻孔超径或偏斜。④钻进速度应根据孔底阻力大小(电流值变化)，及时调整并保持均匀给进，不得忽大忽小造成机具损坏。⑤钻进过程中，随时清理孔中积土。遇到孔内渗水、塌孔、缩径等异常情况时，应将钻具从孔内提出，然后会同有关部门研究处理。⑥采用长螺旋钻具钻进至要求深度时，一般应在原处空转清土，然后停止回转，提升钻具。如孔底虚土超过允许厚度，应使用掏土工具掏出或用夯实工具夯实清底。⑦采用短螺旋钻具钻进时，每次钻进深度应与螺旋长度大致相同。⑧遇较大的卵、砾石、探头石、发生卡钻、夹钻时，不得强行钻进或提升，防止蹩断螺杆。应缓慢回转，上下活动，以解除卡、夹钻事故。沉管成孔1)沉管成孔是以锤击或振动冲击将带有桩尖的钢管，沉入地层形成桩孔，施工中没有渣土排出和废水污染。适用于填土层、黏土层、砂土层、砂层。沉管的直径一般为φ300～600mm，采用“复打”后，桩径可增加30%左右。沉管的主要设备机具包括:卷扬机、动力设备、钻塔、冲锤或振动锤、钢管、锤垫和桩尖等。2)桩尖有混凝土预制桩尖和活瓣桩尖两种:预制桩尖的混凝土标号不得低于300号，桩尖的尺寸和配筋布置应符合设计要求，桩尖埋设时应与设计位置相符合，钢管应垂直套入桩尖，并保持两轴一致;活瓣桩尖与钢管连接应牢靠，活瓣转动应灵活，合拢时间隙小;磨损过多时应及时更换。3)沉管受力应均匀，锤击或振动力须通过钢管中心，防止偏心受力、损坏桩尖、钢管偏斜。4)沉管过程中，地下水有可能进管内时，应在管内灌入5m左右的封底混凝土再沉管。5)应严格控制最后一阵冲击的贯入度或最后两个两分钟振动的贯入速度，其值应遵守设计要求，或根据试桩和当地长期的施工经验确定。采用“复打”时，应清除管外的泥、砂，前后两次沉管轴线应重合。复打施工必须在第一次灌注的混凝土初凝之前进行完毕(包括第二次灌注混凝土)。振动沉管时，应采用收紧钢丝绳加压或配重加压，以提高沉管效率。钻孔扩底成孔1)钻孔扩底是桩孔施工到预定深度时，撑开钻头的扩孔刀刃使之旋转切削地层扩大孔底。钻孔扩底成孔适宜于较硬实的砂土层、黏土层和砂卵砾石层，淤泥层不宜扩底。2)钻孔扩底应遵守下列规定:①钻进速度不宜大于500mm/min。②钻进至设计标高后，应保持空转不进尺，逐渐撑开扩刀，切土扩底。应注意观察动力设备运转情况，随时调节扩孔刀片切削土量，防止出现超负荷现象。扩底完毕应继续空转几圈，才能收拢扩刀。③必须在扩刀完全收拢后，才能提升钻具。钻具提出孔口前，应将孔口积土清除干净。④桩孔扩底完毕，应清除孔底虚土或沉渣。⑤水下扩孔必须采用泥浆护壁，并适当提高泥浆的黏度和相对密度。(二)三层管旋喷施工分别使用输送水、气、浆三种介质的三重注浆管。在以高压泵产生20MPa左右的高压水喷射流的周围，环绕一股7MPa左右的圆筒状气流，进行高压水喷射流和气流同轴喷射冲切土体，形成较大的空隙。再由泥浆泵注入压力为2～5MPa的浆液填充，当喷嘴作旋转和提升运动，最后便在土中凝固为直径较大的圆柱状固结体。三重管旋喷注浆施工见图2-35所示。图2-35 三重管旋喷注浆示意图喷射成桩时，开始先送高压水，再送水泥浆和压缩空气，在一般情况下，压缩空气晚送30s。在桩底部边旋转边喷射1min后，再进行边旋转、边提升、边喷射。(三)标贯作业标贯作业即标准贯入试验。试验设备组成标准贯入试验设备由标准贯入器(图2-36)、触探杆、穿心锤组成。贯入器外径为51mm，内径35mm，长500mm，端部为管靴;穿心锤为5kg，自由落距76cm;触探杆一般采用外径为42mm的钻杆。图2-36 标准贯入器(单位:mm)1—贯入器靴;2—由两个半圆形管合成的贯入器身;3—出水孔;4—贯入器头;5—触探杆试验要点1)与钻探配合进行，先钻进到需要进行标准贯入试验的土层，清孔后换用标准贯入器，并测量深度尺寸。2)将贯入器打入试验土层中，先打入15cm不计击数(称为预打)，继续贯入土中30cm，记录其锤击数，此数即为标准贯入击数N5。若砂层比较密实，贯入30cm的锤击数超过50击时，也可选记小于30cm的锤击数，并按下式换算成贯入30cm的锤击数。地勘钻探工：初级工、中级工、高级工式中:n为所选取的任意贯入量的锤击数;△S为对应锤击数n的贯入量(cm)。3)拔出贯入器，将贯入器中土样取出进行土样描述，然后换以钻探工具继续钻进至下一试验深度，再重复以上操作。一般可每隔5～1m进行一次试验。4)在不能保持孔壁稳定时，可下套管保护孔壁。5)当触探杆长度大于3m时，锤击数N5应按下式进行触探杆长度校正:N5=α·N (2-3)式中:N5为标准贯入试验锤击数;α为触探数，可按表2-21确定;N为实测贯入30cm的锤击数。表2-21 触探杆长度校正系数α指标应用根据锤击数N5确定砂土和黏性土的容许承载力(表2-22)和砂土的密度(表2-23)。表2-22 土的容许承载力表2-23 砂土的密度
