常用的人工加固地基的方法主要有压实法、换土法和桩基法。
1.压实法
压实法是采用重锤、压路机、振动压实机等压实机械对地基土层进行压实加固以提高其承载力的方法。其基本原理是通过减小土颗粒间的孔隙,把细土粒压入大颗粒间的孔隙中去,并及时排去孔隙中的空气,从而增加土的密实度,减少土的压缩性,达到提高地基承载力的目的,如图8-2所示。
图8-2 压实法加固地基
压实法加固地基的优点是不需要增加额外的建筑材料,对提高地基承载力成效较大。压实法常用于处理由建筑垃圾或工业废料组成的杂填土地基,以及地下水位以上的黏土、砂类土和湿陷性黄土等。
在建筑物施工开挖基坑后,为了使土层表面平整并改善直接支承基础的持力层表面松软的状况,常采用轻便工具,如木人、石硪、蛙式打夯机等,对原土进行夯打压实,有时还会在面层铺上50~150mm厚的碎石或砾石进行夯打,将表面浮土挤紧。这种压实方法的目的主要是对土的表面进行压实处理,其有效压实深度约为200mm,一般用来作为保证地基质量的措施,不能提高地基的承载力。
2.换土法
当地基持力层比较软弱,或当部分地基有一定厚度的软弱土层,如淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基,这种地基土质无法通过压实达到提高承载力的目的,这时可将软弱土层的部分或全部挖去,然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等,并夯至密实,这种方法称为换土法,如图8-3所示。
图8-3 换土法加固地基
换土法处理地基的特点是能够充分利用地方材料,节约钢材、木材、水泥等。换土法能减少基础沉降量,调整基础间的不均匀沉降,提高地基强度和稳定性,减小基础埋置深度。但由于砂或砂石属松散材料,主要由基坑侧壁的约束而起人工地基作用。因此,在建造之后,不宜在基础的四周挖沟打井。
3.桩基法
当建筑物荷载很大或建筑物很高而地基土层较弱,采用浅埋基础不能满足地基承载力的要求,这时建筑物可以采用桩基,即通过柱形的桩穿过深达十几米、甚至几十米的软弱土层,直接支承在坚硬的岩层上,这种桩称为端承桩或柱桩;当软弱土层很厚,坚硬土层离基础底面很远时,桩借土的挤实、利用土与桩的表面摩擦力来支承建筑荷载,这种桩称为摩擦桩或挤实桩。如图8-4所示为摩擦桩与端承桩的示意图。(www.xing528.com)
图8-4 摩擦桩与端承桩示意图
桩基具有承载力高、沉降量小而均匀等特点,能承受竖向荷载、水平荷载、上拔力及由机器产生的振动和各种动荷载的作用。但是,当地基上部为坚实土层、下部为软弱土层时,不宜采用桩基。
桩基主要采用混凝土桩和钢筋混凝土桩。按施工方法的不同,钢筋混凝土桩分为预制桩、灌注桩和爆扩桩三类。预制桩通常在构件厂或施工现场预制,然后用打桩机打入地基土层中。桩的断面一般为边长200~350mm的正方形,桩长不超过12m。预制桩质量易于保证,不受地基其他条件影响(如地下水等),但造价高,钢材用量大,打桩时有较大噪声,影响周围环境。
灌注桩是直接在所设计的桩位上开孔(圆形),然后在孔内加放钢筋骨架,再浇筑混凝土而成。灌注桩根据桩头形状不同,又可分为有扩大头和无扩大头两类,如图8-5所示。有扩大头的承载力较高,扩大头可以通过爆扩成型,也可以通过机械扩大成型。与钢筋混凝土预制桩比较,灌注桩有施工快、施工占地面积小、造价低等优点,近年来发展较快。爆扩桩是用机械或爆扩等方法成孔,现已较少采用。
图8-5 桩的端头形式
(a)用于预制桩;(b)用于预制桩或灌注桩;(c)用于灌注桩
桩基由承台和桩柱两部分组成。承台是在桩柱顶现浇的钢筋混凝土梁或板,上部支承墙的为承台梁,上部支承柱的为承台板,承台的厚度一般不小于300mm,由结构计算确定,桩顶嵌入承台的深度不宜小于100mm。
桩柱断面形式有方形、圆柱形及管形等,如图8-6所示。桩身顶部应伸入承台板或承台梁不小于50mm,并通过桩身内的钢筋伸入承台板(梁)以增强承台板(梁)与桩身的联系,以使建筑物的基础能够通过承台板(梁)传递荷载,使基础与桩身共同起作用。由于桩与基础的紧密连接,所以也常称为桩基础。
图8-6 桩柱断面形式
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