土木工程施工：地基处理与加固

建筑物所有的荷载都将通过基础传给地基。因此，建筑物必须有可靠的地基和基础，以承担上部结构传下来的荷载，确保建筑物的安全和可靠。地基土质过软或过硬，不满足设计要求时，都应对地基进行处理。常用的人工地基处理方法有换土垫层、重锤表层夯实、强夯、振冲、砂桩挤密、深层搅拌、堆载预压、化学加固等方法。地基处理按照处理的范围不同分为全部地基处理与局部地基处理。所有处理方法及要求应符合《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)或《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202—2002)的要求。

2.1.1　换土法

当建筑物基础下的持力层比较软弱，不能满足上部荷载对地基的变形及承载力要求时，常采用换土垫层法来处理软弱地基。这种方法能就地取材，不需要特殊的机械设备，施工简便，既能缩短工期，又能降低造价，因此得到普遍的应用。换土垫层按其回填的材料可分为砂垫层、碎(砂)石垫层、灰土垫层等。

2.1.1.1　砂垫层和砂石地基

砂和砂石地基是将基础下面一定厚度的软弱土层挖除，然后用砂或碎石等回填，并经分层夯实至密实，作为地基的持力层，以起到提高地基承载力，减少沉降，加速软弱土层排水固结、防止冻胀和消除膨胀土的胀缩等作用。该方法具有施工工艺简单、工期短、造价低等优点，适用于处理透水性强的软弱黏性土地基，但不宜用于湿陷性黄土地基和不透水的黏性土地基的加固，以免引起地基大量下沉，降低其承载力。

砂、砂石地基垫层宜用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、卵石(碎石)或石屑，也可以采用细砂，但应掺入25%～35%的卵石或碎石。所用材料，不得含有植物残体、垃圾等有机杂物，含泥量不应超过5%，兼起排水固结作用的，含泥量不宜超过3%。碎石或卵石最大粒径不宜大于50 mm，且应分布均匀。

人工级配的砂、石材料质量、配合比应符合设计要求，按级配搅拌均匀，再铺填夯(压)实。垫层应分层铺设，分层夯(压)实，铺筑厚度与压实方法有关，常用的压实方法有平振法、插振法、水撼法、夯实法和碾压法。分层分段铺设时，接头应做成斜坡或阶梯形搭接，每层错开0.5～1.0 m。砂和砂石地基垫层的底面宜铺设在同一标高上，如深度不同时，施工应按先深后浅的程序进行。土面应挖成台阶或斜坡搭接，搭接处应夯压密实。每铺好一层垫层，经密实度检验合格后方可进行上一层施工。冬期施工时，不得采用夹有冰块的砂石作垫层，并应采取措施防止砂石内水分冻结。

砂、石等原材料质量、配合比应符合设计要求，砂、石应拌和均匀。施工过程中必须检查分层厚度、分段施工时搭接部分的压实情况、加水量、压实遍数、压实系数等。施工结束后，应检验砂石地基的承载力，取样后送实验室确定。

2.1.1.2　灰土地基

灰土地基是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，用按一定体积比配合的石灰和黏性土拌和均匀后在最优含水量情况下分层回填夯实或压实而成，适合于地下水位较低、基槽经常处于较干燥状态下的一般黏性土地基的加固。该地基具有一定的强度、水稳定性和抗渗性，施工工艺简单，取材容易，费用较低，适用于处理1～4 m厚的软弱土层、湿陷性黄土、杂填土等，还可用作结构的辅助防渗层。

灰土中的土料可采用基坑中挖出的原土或用有机质含量不大的黏性士、粉质黏土，严禁采用冻土、膨胀土和盐渍土等活动性较强的土。冬期施工时，基层土不能受冻，不得采用冻土或夹有冻土的土料。灰土中的生石灰必须在使用前1～2 d充分熟化并过筛，其粒径不得大于5 mm，不得夹有未熟化的生石灰，也不得含有过多水分。使用前土粒应先过筛，粒径不宜大于15 mm。施工前应检查原材料，如灰土的土料、石灰以及配合比、灰土拌匀程度。灰土的配合比在建筑中一般采用石灰与土的比例为2∶8或3∶7，道路施工时比例也可用1∶9的比例。

灰土施工时，应搅拌均匀，颜色一致，并应适当控制其含水量。灰土拌好后及时铺筑夯实，要求随拌随用。灰土分段施工时，注意灰土接缝位置，不得在墙角、柱墩及承重窗间墙下接缝，上下相邻两层灰土的接缝间距不得小于0.5 m，接缝处的灰土应充分夯实。当灰土垫层地基高度不同时，应做成阶梯形，每阶宽度不少于0.5 m。灰土不得隔日夯打，夯实后的灰土3 d内不得受水浸泡，应及时进行基础施工和回填土，否则要做临时遮盖，防止日晒雨淋。

施工过程中应检查分层铺设厚度、分段施工时上下两层的搭接长度、灰土含水量、夯压遍数等。每层施工结束后检查灰土地基的压实系数λc，一般为0.93～0.95。铺土应分层进行，每层铺土厚度和遍数根据夯实方法确定，一般夯打(或碾压)不少于4遍。

2.1.2　夯实法

夯实地基是反复将夯锤提升到高处使其自由落下，给地基以冲击和振动的能量，将地基土密实处理的地基。根据施工工艺不同分为重锤夯实地基和强夯地基，强夯的锤击与落距要远大于重锤夯实地基。

2.1.2.1　重锤夯实法

重锤夯实法是将重15～32 kN的夯锤提升到2.5～4.5 m的高度，使其脱钩后自由落下，反复击实地基，达到加固效果。该法施工简便，费用较低;但布点较密，夯击次数多，施工期相对较长，同时夯击能量小，孔隙水难以消散，加固深度有限。该法适用于处理地下水位低于重锤夯实法有效加固的深度的黏性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土地基的加固，不适于饱和软黏土或地下水位以下的黏性土。重锤夯实的效果与锤重、锤底直径、落距、夯击遍数和土的含水量有关。打夯遍数取6～10遍。

起重机械可采用履带式起重机、打桩机等。当采用自动脱钩时，起重量应大于夯锤重量的1.5倍。夯锤形状宜采用截头圆锥体，可用强度不低于C20的钢筋混凝土制作。锤底直径1.0～1.5 m，锤底面单位静压力宜为15～20 kPa。

施工前应在现场进行试夯，选定夯锤重量、底面直径和落距，以便确定最后下沉量及相应的夯击遍数和总下沉量。最后下沉量系指最后二击平均每击土面的夯沉量，对黏性土和湿陷性黄土取10～20 mm，对砂土取5～10 mm。

基坑(槽)底面的标高不同时，应按先深后浅的顺序逐层夯实。夯实前基坑(槽)底面应高出设计标高，预留土层的厚度可为试夯时的总下沉量再加50～100 mm。基坑(槽)的夯实范围应大于基础底面，每边应比设计宽度加宽0.3 m以上，以便于底面边角夯打密实。

在大面积基坑或条形基槽内夯打时，应按顺序满夯进行施工。在一次循环中同一夯位应连夯两击，下一循环的夯位，应与前一循环错开1/2锤底直径，落锤应平稳，夯位应准确。在独立柱基基坑内夯击时，可采用先周边后中间的跳夯法进行。

2.1.2.2　强夯法

强夯是用起重机械将100～600 kN重锤吊起从6～30 m高处自由落下，对地基反复进行强力夯实的地基处理方法。该方法处理地基的有效加固深度为3～15.5 m。

强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和填土等地基。地基经强夯加固后，承载能力提高2～5倍，压缩性可降低200%～1000%。这种施工方法具有施工简单、速度快、节省材料、效果好等特点。但由于振动和噪声很大，对周围建筑物和其他设施有影响，在城市中心不宜采用，必要时应采取挖防振沟(沟深要超过建筑物基础深)等防振、隔振措施。

强夯法主要设备包括夯锤、起重设备、脱钩装置等。夯锤用铸钢或铸铁制作，也可采用钢板外壳内浇筑钢筋混凝土制作。夯锤底面有方形和圆形两种，圆形夯锤不易旋转，定位方便，稳定性和重合性好，应用较广。锤的底面积大小取决于表层土质，砂土和碎石类土一般为3～4 m2，黏性土或淤泥质土不宜小于6 m2。夯锤中宜设置1～4个直径250～300 mm上下贯通的排气孔，以利于排出空气和减小夯击时的空气阻力和坑底吸力。

强夯技术参数包括锤重、落距、单位夯击能、夯击遍数、夯击点布置、两遍间隔时间、加固范围和影响深度等。施工前，一般应在施工现场进行试夯，以取得合适的技术参数。锤重与落距是影响夯击能和加固深度的重要因素。强夯的单位夯击能应根据基土类别、结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑。按国内施工经验选用不超过3000 kN·m的夯击能较为经济。夯击点布置应根据基础的形式和加固要求而定，可采用成行布置或正方形、梅花形网格排列。夯点间距取决于基础布置、加固深度和土质等条件。每夯击一遍完成后，应测量场地平均下沉量，然后用土将夯坑填平，再进行下一遍夯击。最后一遍的场地平均下沉量必须符合要求。强夯后，基坑应及时修整，浇筑混凝土垫层。

通常夯击点间距为夯锤直径的3倍，一般为5～9 m。夯击遍数应根据地基土的性质确定，一般填土、砂土为1～3遍;黏土为2～5遍，前2～3遍“间夯”，最后再以低能量“满夯”1遍。

相邻两遍夯击之间的间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消散时间。强夯处理范围应大于建筑物基础范围。每边超出基础边缘的宽度宜为设计加固深度的1/3～1/2，并不宜小于3 m。

雨期施工，夯击坑内或夯击过的场地有积水时，必须及时排除;冬期施工，首先应将冻土击碎，然后再按各点规定的夯击数施工。

施工结束后，检查被夯地基的强度或进行荷载试验。检查点数:每一独立基础至少有1点，基槽每20 m有1点，整片地基50～100 m取1点。强夯后的土体强度随间歇时间的增加而增加，检验强夯效果的测试工作宜在强夯之后1～4周进行，一般为2周。

2.1.3　挤密桩施工法

2.1.3.1　灰土桩复合地基

灰土桩复合地基是利用锤击将钢管打入土中，侧向挤密土层形成桩孔，将管拔出后，在桩孔中分层回填2∶8或3∶7灰土并夯实而成，与桩间土共同组成复合地基以承受上部荷载。它适用于处理地下水位以上、天然含水量12%～25%、厚度5～15 m的素填土、杂填土、湿陷性黄土以及含水率较大的软弱地基等，将土挤密或消除湿陷性，其效果是显著的，处理后地基承载力可以提高一倍以上，同时具有节省大量土方、降低造价70%～80%、施工简便等优点。(https://www.xing528.com)

桩身直径一般为300～600 mm，深度为5～15 m，平面布置多呈等边三角形、正方形或梅花形等排列方法。每边超出建筑物外墙基础边缘的宽度不应小于处理土层厚度的1/ 2，并不应小于2.0 m，如图2.1所示。

施工前应在现场进行成孔、夯填工艺和挤密效果试验，以确定分层填料厚度、夯击次数和夯实后干密度等要求。灰土的土料和石灰质量要求及配制工艺要求同灰土垫层。桩的成孔方法可根据现有机具条件选用沉管(振动或锤击)法、爆扩法、冲击法或洛阳铲成孔法等。

图2.1　灰土桩及灰土垫层布置

1－灰土挤密桩;2－桩的有效挤密范围;3－灰土垫层
d－桩径;S－桩距(2.5～3.5d);b－基础短边宽度

桩的施工顺序应先外排后里排，同排内应间隔一两个孔进行，以免因振动挤压造成相邻孔产生缩孔或塌孔。成孔达到要求深度后，应立即夯填灰土，填孔前应先清底夯实、夯平。夯击次数不少于8次。

桩孔内灰土应分层回填夯实，每层回填厚度为250～400 mm，夯实可用人工或简易机械进行。一般落锤高度不小于2 m，每层夯实不少于10锤。施打时，逐层下料，逐层夯实。桩顶施工标高应高出设计标高约150 mm，挖土时将高出部分铲除。

施工前应对土及灰土的质量、桩孔位置做检查。施工中应对桩孔直径、桩孔深度、夯击次数、填料的含水量等做检查。施工结束后应对成桩的质量做检查。灰土挤密桩夯填的质量采用随机抽样检查。抽样检查的数量，应不少于桩孔数的2%，同时每台班至少应抽查1根。

2.1.3.2　砂石桩复合地基

砂桩和砂石桩统称砂石挤密桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石、砂或砂石挤压入土孔中，形成密实砂石增强体的复合地基。它适用于挤密松散砂土、素填土和杂填土等地基。

桩填料可用天然级配的中砂、粗砂、砂砾、圆砾、角砾、卵石或碎石等，粒径不宜大于50 mm，含泥量不大于5%。构造上要求砂石桩直径一般为300 mm，最大可达500～800 mm，桩距应通过现场试验确定，不宜大于砂石桩直径的4倍，一般为1.8～4.0倍桩径，桩深度应达到压缩层下限处。砂石桩平面布置宜采用正三角形或正方形。

打砂石桩时因挤土效应地基表面会产生松动或隆起，在基底标高以上宜预留1.0～2. 0 m的土层，待砂石桩施工完后再将预留土层挖至设计标高，以消除表面松土。如坑底仍不够密实，可再辅以人工夯实或机械压实。

砂石桩的施工顺序，应从外围或两侧向中间进行。如砂石桩间距较大，亦可逐排进行。以挤密作用为主的砂石桩同一排应间隔跳打。

砂石桩的施工可采用振动成桩法或锤击成桩法两种施工方法。施工前应进行成桩挤密试验，桩数宜为7～9根。砂石桩应控制填砂石量。砂桩的灌砂量应按桩孔的体积和砂在中密状态时的干土密度计算，一般取2倍桩管入土体积。砂石桩实际灌砂石量，不得少于计算的95%。如发现砂石量不够或砂石桩中断等情况，可在原位进行复打灌砂石。

施工前应检查砂、砂石料的含泥量及有机质含量、样桩的位置等。施工中检查每根砂石桩(砂桩)的桩位、灌砂石(砂)量、标高垂直度等。施工结束后，检查被加固地基的挤密效果，并进行荷载试验。桩身及桩与桩之间土的挤密质量，可采用标准贯入、静力触探或动力触探等方法检测，以不小于设计要求的数值为合格。

2.1.3.3　水泥粉煤灰碎石桩复合地基

水泥粉煤灰碎石桩复合地基(cement fly ash－gravel pile composite foundation)简称CFG。它是在用长螺旋钻机钻孔或沉管桩机成孔后，将水泥、粉煤灰及碎石等混合料加水搅拌，泵压或经下料斗投入孔内，形成密实的桩体。它适用于多层和高层建筑如砂土、粉土，松散填土、粉质黏土、黏土、淤泥质土等软弱地基的处理。

图2.2　水泥粉煤灰碎石桩工艺流程

(a)打入桩管;(b)、(c)灌水泥粉煤灰碎石振动拔管;(d)成桩
1－桩管;2－水泥粉煤灰碎石

桩径根据振动沉桩机的管径大小而定，一般为350～400 mm。桩长根据需挤密加固深度而定，一般为6～12 m。

桩机就位须平整、稳固，沉管与地面保持垂直，垂直偏差不大于1%;如带预制混凝土桩靴，需埋入地面以下约300 mm。打桩顺序宜采用隔排隔桩跳打，间隔时间不应少于7 d。

施工程序为:桩机就位→沉管至设计深度→停振下料→振动捣实后拔管→留振10 s→振动拔管、复打，参见图2.2。

在沉管过程中用料斗向桩管内投料，待沉管至设计标高后须尽快投料，直至与钢管上部投料口平齐，边振动边拔管，拔管速度控制在1.2～1.5 m/min，每提升1.5～2.0 m，留振20 s。混凝土坍落度一般不超过200 mm。桩体经7d达到一定强度后，方可进行基槽开挖。

施工前应对水泥、粉煤灰、砂及碎石等原材料进行检验。施工结束后应对桩顶标高、桩位、桩体强度和完整性以及褥垫层的质量做检查。

2.1.4　深层密实法

2.1.4.1　深层搅拌法

深层搅拌法是采用深层搅拌机在地基深部将软土和固化剂充分拌和，利用固化剂和软土发生一系列物理、化学反应，使之凝结成具有整体性、水稳定性好和较高强度的水泥加固体，与天然地基形成复合地基。

深层搅拌法加固工艺合理，技术可靠，施工中无振动、无噪声，对环境无污染，对土层无侧向挤压，对邻近建筑影响很小，同时施工期较短，造价较低，效益显著。该法适于加固较深、较厚的淤泥、淤泥质土、粉土和承载力不大于0.12 MPa的饱和黏土和软黏土，沼泽地带的泥炭土等地基。土类加固后多用于墙下条形基础、大面积堆料厂房下的地基;在深基开挖时用于防止坑壁及边坡塌滑、坑底隆起等，以及做地下防渗墙等工程。

机具设备包括深层搅拌机、水泥制配系统、起重机、导向设备及提升速度控制设备等。固化剂可用石灰粉、水泥粉、水泥浆或水泥砂浆。

深层搅拌法平面可根据上部结构对变形的要求，采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式。

深层搅拌法施工程序为:深层搅拌机定位→预搅下沉→制配水泥浆→喷浆搅拌提升→重复上、下搅拌→关机清洗→移至下一根桩位。施工工艺流程如图2.3所示。