在给排水工程中，无论是给水排水构筑物，还是给水排水管道，其荷载都作用于地基土上，导致地基土产生附加应力，附加应力引起地基土的沉降，沉降量取决于土的孔隙率和附加应力的大小。当沉降量在允许范围内，构筑物才能稳定安全，否则，结构的稳定性就会失去或遭到破坏。
地基在构筑物荷载作用下，不会因地基土产生的剪应力超过土的抗剪强度而导致地基和构筑物破坏的承载力称为地基容许承载力。因此，地基应同时满足容许沉降量和容许承载力的要求，如不满足时，则采取相应措施对地基土加固处理，地基处理的目的如下：
（1）改善土的剪切性能，提高抗剪强度。
（2）降低软弱土的压缩性，减少基础的沉降或不均匀沉降。
（3）改善土的透水性，起着截水、抗渗的作用。
（4）改善土的动力特性，防止砂土液化。
（5）改善特殊土的不良地基特性（主要是指消除或减少湿陷性和膨胀土的胀缩性等）。
地基处理的方法有换土垫层、碾压夯实、挤密振实、注浆液加固和排水固结等5类。各类方法及其原理与作用，参见表4.13。近二三十年来，国内外在地基处理技术方面发展很快。不同方法的具体采用，应从当地地基条件、目的要求、工程费用、施工进度、材料来源、可能达到的效果以及环境影响等方面进行综合考虑。并应通过试验和比较，采用合理、有效和经济的基础处理方案，必要时还需要在给排水构筑物整体性方面采用相应的措施。
表4.13 基础处理方法、作用和适用范围
续表
灰土的含水量应适宜，以手紧握土料成团，两指轻捏能碎为宜。灰土应拌和均匀，颜色一致，拌好后应及时铺好夯实，避免未夯实的灰土受雨淋，铺土应分层进行，每层铺土厚度参照表4.14和表4.15确定。垫层质量控制其压实系数不小于0.93～0.95。灰土打完后，应及时进行基础施工，及时回填，否则要临时遮盖，防止日晒雨淋。冬期施工时，不得采用冻土或夹有冻土的土料，并应采取防冻措施。
表4.14 砂和砂石垫层的施工方法及每层铺筑厚度、最佳含水量
表4.15 灰土最大虚铺厚度
4.3.2.1 换土垫层
换土垫层是一种直接置换地基持力层软弱土的处理方法。施工时将基底下一定深度的软弱土层挖除，分层填回砂、石、灰土等材料，并加以夯实振密。换土垫层是一种较简易的浅层地基处理方法，在各地得到广泛应用。
1.素土垫层
素土垫层一般适用于处理湿陷性黄土和杂填土地基，可消除1～3m厚黄土的湿陷性。素土垫层是先挖去基础下的部分土层或全部软弱土层，然后分层回填，分层夯实素土而成。
软土地基土的垫层厚度，应根据垫层底部软弱土层的承载力决定，其厚度不应大于3m。
素土垫层的土料，不得使用淤泥、耕土、冻土、垃圾、膨胀土以及有机物含量大于8%的土作为填料。土料含水量应控制在最佳含水量范围内，误差不得大于±2%。填料前应将基底的草皮、树根、淤泥、耕植土铲除，清除全部的软弱土层。施工时，应做好地面水或地下水的排除工作，填土应从最低部分开始进行，分层铺设、分层夯实。垫层施工完毕后，应立即进行下一道工序施工，防止晒裂、水浸。
2.砂和砂石垫层
砂和砂石垫层适用于处理在坑（槽）底有地下水或地基土的含水量较大的黏性土地基。
（1）材料要求。砂和砂石垫层所需材料，宜采用颗粒级配良好，质地坚硬的中砂、粗砂、卵石、砾石和碎石，也可采用细砂，宜掺入按设计规定数量的卵石或碎石。最大粒径不宜大于50mm。
（2）施工要点。
1）施工前应验槽，坑（槽）内无积水，边坡稳定，槽底和两侧如有孔洞应先填实；同时应将浮土清除。
2）采用人工级配的砂石材料，按级配拌和均匀，再分层铺筑，分层捣实。
3）垫层施工按表4.14选用，每铺好一层垫层，经压实系数检验合格后方可进行下一个施工工序。
4）分段施工时，接槎处应作成斜坡，每层错开0.5～1.0m，并应充分捣实。
5）砂垫层和砂石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顺序进行，土面应挖成台阶或斜坡搭接，搭接处应注意捣实。
3.灰土垫层
灰土垫层是用石灰和黏性土拌和均匀，然后分层夯实而成。适用于一般黏性土地基加固或挖深超过15cm时或地基扰动深度小于1.0m等，该种方法具有施工简单、取材方便、费用较低等优点。
（1）材料要求。土料所含有机质的量不宜超过规定值，土料应过筛，粒径不宜大于15mm；石灰应提前1～2d熟化，不能含有生石灰块或水分过多；灰土的配合比一般取石灰∶土为2∶8或3∶7的体积配合比。
（2）施工要点。施工前应验槽，清除积水、淤泥，待干燥后再铺灰土。
（3）碾压与夯实。
1）机械碾压。机械碾压法采用压路机、推土机、羊足碾或其他压实机械来压实松散土，常用于大面积填土的压实和杂填土地基的处理。
碾压的效果主要取决于压实机械的压实能量和被压实土的含水量。应根据具体的碾压机械的压实能量，控制碾压土的含水量，选择合适的铺土厚度和碾压遍数。最好是通过现场试验确定，在不具备试验的场合，可参照表4.16选用。
表4.16 垫层的每层铺填厚度及压实遍数
2）重锤夯实法。重锤夯实法是利用移动式起重机悬吊夯锤至一定高度后，然后让其自由下落，重复夯实以加固地基。适用于地下水位0.8m以上稍湿的黏性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土等地基加固。
夯锤一般采用钢筋混凝土截头圆锥体，如图4.55所示。其底面直径为1.0～1.5m，质量为1.5～3.0t，落距2.5～4.5m。起重机采用履带式，起重量应不小于1.5～3.0倍的锤重。
重锤夯实施工前，应进行试夯，确定夯实内容（包括锤重、夯锤底面直径、落点型式、落距及夯击遍数等）。重锤夯击遍数应根据最后下沉量和总下沉量确定，最后下沉量是指重锤最后两击平均土面的沉降值，黏性土为10～20mm，砂土为5～10mm。夯锤的落点型式及夯打顺序，条形坑（槽）采用一夯换一夯顺序进行。在一次循环中同一夯位应连夯两下，下一循环的夯位，应与前一循环错开1/2锤底直径；非条形基坑，一般采用先周边后中间。
夯实完毕后，应检查夯实质量，一般采用在地基上选点夯击检查最后下沉量，夯击检查点数，每一单位基础至少应有一点；沟槽每30m2应有一点；整片地基每100m2不得少于两点，检查后，如质量不合格，应进行补充夯实，直至合格为止。
3）振动压实法。振动压实法是利用振动机振动压实浅层地基的一种方法，如图4.56所示。适用于处理砂土地基和黏性土含量较少、透水性较好的松散杂填土地基。
振动压实机的工作原理是由电动机带动两个偏心块以相同速度、相反方向转动而产生很大的垂直振动力。这种振动机的频率为1160～1180r/min，振幅为3.5mm，自重20kN，振动力可达50～100kN，并能通过操纵机使它能前后移动或转弯。
图4.55 钢筋混凝土夯锤（单位：mm）
图4.56 振动压实机示意图
1—操纵机构；2—弹簧减振器；3—电动机；4—振动器；5—振动机槽轮；6—减振架；7—振动夯板
振动压实效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般地说振动时间越长效果越好，但超过一定时间后，振动引起的下沉已基本稳定，再振也不能起到进一步的压实效果。因此，需要在施工前进行试振，以测出振动稳定下沉量与时间的关系。对于主要是由炉渣、碎砧、瓦块等组成的建筑垃圾，其振动时间约在1min以上。对于含炉灰等细颗粒填土，振动时间为3～5min，有效振实深度为1.2～1.5m。
注意振动对周围建筑物的影响。一般情况下振源离建筑物的距离不应小于3m。
4.3.2.2 挤密桩与振冲法
1.挤密桩
挤密桩加固可采用类似沉管灌注桩的机具和工艺，通过振动或锤击沉管等方式在承压土层内打入很多桩孔，在桩孔内灌入各种密实物（砂、石灰、灰土或其他材料），以挤密土层，减小土体孔隙率，增加土体强度。
挤密桩除了挤密土层加固土壤外，还起换土作用，在桩孔内以工程性质较好的土置换原来的弱土或饱和土，在含水黏土层内，砂桩还可作为排水井。挤密桩体与周围的原土组成复合地基，共同承受荷载。
根据桩孔内填料不同，有砂桩、土桩、灰土桩、砾石桩、混凝土桩之分。
图4.57 砂桩布置示意图
A、B、C—砂桩中心位置；d—砂桩直径；L—砂桩间距
（1）砂桩的施工过程有以下几点。
1）一般要求。砂桩的直径一般为220～320mm，最大可达700mm。砂桩的加固效果与桩距有关，桩距较密时，土层各处加固效果较均匀。其间距为1.8～4.0倍桩直径。砂桩深度应达到压缩层下限处，或压缩层内的密实下卧层。砂桩布置宜采用梅花形，如图4.57所示。
2）施工过程。
a.桩孔定位。按设计要求的位置准确确定桩位，并做上记号，其位置的允许偏差为桩直径。b.桩机设备就位。使桩管垂直吊在桩位的上方，如图4.58所示。
c.打桩。通常采用振动沉桩机将工具管沉下，灌砂，拔管即成。振动力以30～70kN为宜，砂桩施工顺序应从外围或两侧向中间进行，桩孔的垂直度偏差不应超过1.5%。
d.灌砂。砂子粒径以0.3～3mm为宜，含泥量不大于5%，还应控制砂的含水量，一般为7%～9%。砂桩成孔后，应保证桩深满足设计要求。此时，将砂由上料斗投入工具管内，提起工具管，砂从舌门漏出，再将工具管放下，舌门关闭与砂子接触，此时，开动振动器将砂击实，往复进行，直至用砂填满桩孔。每次填砂厚度应根据振动力而定，保证填砂的干密度满足要求。其施工过程如图4.59所示。
3）桩孔灌砂量的计算。一般按下式计算：
图4.58 振动砂桩机(www.xing528.com)
1—桩机导架；2—减振器；3—振动锤；4—工具式桩管；5—上料斗
图4.59 砂桩施工过程
1—工具管就位；2—振动器振动，将工具管打入土中；3—工具管达到设计深度；4—投砂，拔出工具管；5—振动器打入工具管；6—再投砂，拔出工具管；7—重复操作，直到地面
式中 g——桩孔灌砂量，kN；
d——桩孔直径，m；
h——桩长，m；
γ——砂的重力密度，kN/m3；
e——桩孔中砂击实后孔隙比；
w——砂含水量。
也可以取桩管入土体积。实际灌砂量不得少于计算的95%。否则，可在原位进行复打灌砂。
（2）生石灰桩。在下沉钢管成孔后，灌入生石灰碎块或在生石灰中掺加适量的水硬性掺合料（如粉煤灰、火山灰等，约占30%），经密实后便形成了桩体。生石灰桩之所以能改善土的性质，是由于生石灰的水化膨胀挤密、放热、离子交换、胶凝反应等作用和成孔挤密、置换作用。
生石灰桩直径采用300～400mm，桩距3～3.5倍桩径，超过4倍桩径的效果常不理想。生石灰桩适用于处理地下水位以下的饱和黏性土、粉土、松散粉细砂、杂填土以及饱和黄土等地基。
2.振冲桩
在砂土中，利用加水和振动可以使地基密实。振冲法就是根据这个原理而发展起来的一种方法。振冲法施工的主要设备是振冲器，如图4.60所示。它类似于插入式混凝土振捣器，由潜水电动机、偏心块和通水管3部分组成。振冲器由吊机就位后，同时启动电动机和射水泵，在高频振动和高压水流的联合作用下，振冲器下沉到预定深度，周围土体在压力水和振动作用下变密，此时地面出现一个陷口，往口内填砂一边喷水振动，一边填砂密实，逐段填料振密，逐段提升振冲器，直到地面，从而在地基中形成一根较大直径的密实的碎石桩体，一般称为振冲碎石桩。
图4.60 振冲法施工顺序图
从振冲法所起的作用来看，振冲法分为振冲置换和振冲密实两类。振冲置换法适用于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的黏性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基。它是在地基土中制造一群以石块、砂砾等材料组成的桩体，这些桩体与原地基土一起构成复合地基。而振动密实法适用于处理砂土、粉土等，它是利用振动和压力水使砂层发生液化，砂粒重新排列，孔隙减少，从而提高砂层的承载力和抗液化能力。
4.3.2.3 浆液加固
浆液加固法是指利用水泥浆液、黏土浆液或其他化学浆液，采用压力灌入、高压喷射或深层搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理力学性质的地基处理方法。
浆液加固法可以提高地基容许承载力，降低土的孔隙比，降低土的渗透性，适合修建人工防水帷幕等各种用途，如图4.61所示。
图4.61 注浆加固的各种用途
1.浆液
（1）浆液要求。化学反应生成物凝胶质安全可靠，有一定耐久性和耐水性。
1）凝胶质对土颗粒着力良好。
2）凝胶质有一定强度，施工配料和注入方便，化学反应速度调节可由调节配合比来实现。
3）浆液注入后，一昼夜土的容许承载力不应小于490kPa。
4）浆液应无毒、价廉、不污染环境。
（2）浆液种类。
1）水泥类浆液。水泥类浆液就是用不同种水泥配制水泥浆，水泥浆液可加固裂隙、岩石、砾石、粗砂及部分中砂，一般加固颗粒粒径范围为0.4～1.0mm，水泥固结时间较长，当地下水流速超过100m/d时，不宜采用水泥浆加固。
水泥浆的水灰比，根据需要加固强度、土颗粒粒径和级配、渗透系数、注入压力、注管直径和布置间距等因素，结合现场试验确定，一般为1∶1～1.5∶1。为了提高水泥的凝固速度，改善可注性，提高土体早强强度，可掺入适量的早强剂、悬浮剂和填料等附加剂。水泥浆液均为碱性，不宜用于强酸性土层。
水泥类浆液能形成强度较高、渗透性较小的结石体。它取材容易、配方简单、价格便宜、不污染环境，是国内外常用的浆液。
2）水玻璃类浆液。水玻璃是最古老的一种注浆材料，具有价格低廉、渗入性较高和无毒性等优点。在水玻璃溶液中加进氯化钙、磷酸、铝酸钠等制成复合剂，可适应不同土质加固的需要。
对于不含盐类的砂砾、砂土、轻亚黏土等，可用水玻璃加氯化钙双液加固。对于粉砂土，可用水玻璃加磷酸溶液双液加固。也可以将水泥浆渗入水玻璃液作为速凝剂制成悬浊液。
3）聚氨酯注浆分水溶性聚氨酯和非水溶性聚氨酯两类。注浆工程一般使用非水溶性聚氨酯，其黏度低，可灌性好，浆液遇水即反应成含水凝胶，故而可用于动水堵漏。其操作简便，不污染环境，耐久性亦好。非水溶性聚氨酯一般把主剂合成聚氨酯的低聚物（预聚体），使用前把预聚体和外掺剂配方配成浆液。
4）丙烯酰胺类浆液，亦称MG-646化学浆液，它是以有机化合物丙烯酰胺为主剂，配合其他外加剂，以水溶液状态灌入地层中，发生聚合反应，形成有弹性、不溶于水的聚合体，是一种性能优良和用途广泛的注浆材料。但该浆液具有一定毒性，它对神经系统有毒，且对空气和地下水有污染作用。
水玻璃水泥浆也是一种用途广泛、使用效果良好的注浆材料。
5）铬木素类溶液。铬木素类溶液是由亚硫酸盐纸浆液和重铬酸钠按一定的比例配制而成，适用于加固细砂和部分粉砂，加固土颗粒粒径0.04～10mm，固结时间在几十秒至几十分之间固结体强度可达到980kPa。
铬木素类液凝胶的化学稳定性较好，不溶于水、弱酸和弱碱，抗渗性也好，价格低，但是浆液有毒，应注意安全施工。铬木素浆液为强酸性，不宜采用于强碱性土层。
2.施工方法
通常采用的方法是旋喷法和注浆法，无论采用哪种方法，必须使浆液均匀分布在需要加固的土层中。
（1）旋喷法。旋喷法是利用钻机钻孔到预定深度。然后用高压泵将浆液通过钻杆端头的特殊喷嘴，以高压水平喷入土层，喷嘴在喷浆液时，一面缓慢旋转，一面徐徐提升，借高压浆液水平射流不断切削土层并与切削下来的土充分搅拌混合，在有效射程内，形成圆柱状凝固体，继而形成桩体，这种桩称为旋喷桩。旋喷法施工工艺如图4.62所示。
图4.62 旋喷法施工工艺示意图
旋喷法采用单管法、二重管法、三重管法，各有特点，可根据工程需要和土质条件选用。常用机具、设备参数见表4.17。
表4.17 旋喷法主要机具和参数
续表
旋喷法施工要点如下：
1）钻机定位要准确，保持垂直，倾斜度不得大于1.5%。检查各设备运转是否正常。
2）单管法、二重管法可用旋喷管水射冲孔或用锤击振动等使喷管到达设计深度，然后再进行旋喷；三重管法须先由钻机钻孔，然后将三重管插至孔底，进行旋喷。
3）旋喷开始时，先送高压水，再送浆液和压缩空气。在桩底部边旋转边喷射1min后，当达到预定的喷射压力及喷浆量后，再逐渐提升喷射管。旋喷中冒浆量应控制在10%～25%之间。
4）相互两桩旋喷间隔时间不小于48h，两桩间距应不小于1～2m。
5）检查旋喷桩的质量和承载力。
旋喷法适用于砂土、黏性土、人工填土和湿陷性黄土等土层。其表现的主要作用是：旋喷桩与桩间土组成复合地基，作为连续防渗墙，防止储水池、板状体或地下室渗漏；制止流砂以及用于地基事后补强等。
（2）注浆法。注浆管用内径20～50mm，壁厚不小于5mm的钢管制成，包括管尖、有孔管和无孔管3部分组成。
1）管尖。是一个25°～30°的圆锥体，尾部带有丝扣。
2）有孔管。一般长为0.4～1.0m，孔眼呈梅花状布置，每米长度内应有孔眼60～80个，孔眼直径为1～3mm，管壁外包扎滤网。
3）无孔管。每节长度1.5～2.0m，两端有丝扣，可根据需要接长。
注浆管有效加固半径，一般根据现场试验确定，其经验数据参见表4.18。
表4.18 有效加固半径
（3）深层搅拌法。深层搅拌法是通过深层搅拌机将水泥、生石灰或其他化学物质（固化剂）与软土颗粒相结合而硬结成具有足够强度、水稳性以及整体性的加固土。它改变了软土的性质，并满足强度和变形要求。在搅拌、固化后，地基中形成柱状、墙状、格子状或块状的加固体，与地基构成复合地基。
使用的固化剂状态不同，施工方法也不同，把粉状物质（水泥粉、磨细的干生石灰粉）用压缩空气经喷嘴与土混合，称为“干法”；把液状物质（一定水灰比的水泥浆液、水玻璃等）经专用压力或注浆设备与土混合，称为“湿法”。其中干法对于含水量高的饱和软黏土地基最为适合。
深层搅拌法施工工序如图4.63所示。
图4.63 深层搅拌法施工程序示意图
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