[科普中国]-天然地基

天然地基与人工地基

天然地基：不需要对地基进行处理就可以直接放置基础的天然土层。当土层的地质状况较好，承载力较强时可以采用天然地基。

人工地基：天然土层的土质过于软弱 或不良的地质条件，需要人工加固或处理后才能修建的地基。而在地质状况不佳的条件下，如坡地、沙地或淤泥地质，或虽然土层质地较好，但上部荷载过大时，为使地基具有足够的承载能力，则要采用人工加固地基，即人工地基。

区别：天然地基是自然状态下即可满足承担基础全部荷载要求，不需要人加固的天然土层，其节约工程造价，不需要人工处理的地基。天然地基土分为四大类：岩石、碎石土、砂土、粘性土。人工地基：经过人工处理或改良的地基。当土层的地质 状况较好，承载力较强时可以采用天然地基 ；而在地质状况不佳的条件下，如坡地、沙地或淤泥地质，或虽然土层质地较好，但上部荷载过大时，为使地基具有足够的承载能力 ，则要采用人工加固地基，即人工地基。

天然地基应用天然地基因其经济、高效、环保,近年来逐渐得到重视,其应用范围也不再局限于多层建筑,小高层甚至高层建筑中都有应用。目前,对天然地基的应用,主要还是考虑均匀地基,这往往造成较大的浪费。实际上,对于目前使用最广的板(箱)式基础,要降低材料耗费就要减少截面高度和钢筋用量,这取决于控制截面(一般在柱或剪力墙边缘处)的剪力和弯矩,并最终决定于基底反力的大小与分布。因此,通过简单、有效的措施,改变基底反力的大小与分布,从而改善地基和基础的工作性状,就变得非常有意义。1

天然地基加固地基基础加固，就是因为天然地基软弱无法满足地基强度、变形等要求，那么就需要事先对地基进行处理，利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法改良地基土的工程特性，从而达到地基加固的目的。

地基处理的目的及意义主要有下面5点：

1.提高地基土的抗剪强度

地基的剪切破坏表现在：建筑物的地基承载力不够；由于偏心荷载及侧向土压力的作用使结构物失稳；由于填土或建筑物荷载，使邻近地基产生隆起；土方开挖时边坡失稳；基坑开挖时坑底隆起。地基的剪切破坏反映在地基土的抗剪强度不足，因此，为了防止剪切破坏，就需要采取一定措施以增加地基土的抗剪强度。

2.降低地基土的压缩性

地基土的压缩性表现在建筑物的沉降和差异沉降大；由于有填土或建筑物荷载，使地基产生固结沉降；作用于建筑物基础的负摩擦力引起建筑物的沉降；大范围地基的沉降和不均匀沉降；基坑开挖引起邻近地面沉降；由于降水地基产生固结沉降。地基的压缩性反映在地基土的压缩模量指标的大小。因此，需要采取措施以提高地基土的压缩模量，借以减少地基的沉降或不均匀沉降。

3.改善地基土的透水特性

地基土的透水性表现在堤坝等基础产生的地基渗漏；基坑开挖工程中，因土层内夹薄层粉砂或粉土而产生流砂和管涌。以上都是在地下水的运动中所出现的问题。为此，必须采取措施使地基土降低透水性或减少其水压力。

4.改善地基土的动力特性

地基土的动力特性表现在地震时饱和松散粉细砂(包括部分粉土)将产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，使邻近地基产生振动下沉。为此，需要采取措施防止地基液化，并改善其振动特性以提高地基的抗震性能。

5.改善特殊土的不良地基特性

主要是消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀缩性等。

具体处理方法地基处理一般有：1、换土垫层法 2、振密、挤密法 3、排水固结法 4、置换法 5、加筋法6、胶结法 7、冷、热处理法，7种方法。

1、换土垫层法

基本原理：就是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实。

分类：按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。干渣分为分级干渣、混合干渣和原状干渣；粉煤灰分为湿排灰和调湿灰。

作用：换土垫层法可提高持力层的承载力，减少沉降量；消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性；防止土的冻胀作用及改善土的抗液化性。常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。

适用范围：常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑。一般处理深度为2～3m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土、素填土和杂填土。

注：垫层只解决承载力问题而无助于减少沉降。

2、振密、挤密法

原理：是采用一定的手段，通过振动、挤压使地基土体孔隙比减小，强度提高，达到地基处理的目的。

1）表层压实法 采用人工或机械夯实、机械碾压或振动对填土、湿陷性黄土、松散无粘性土等软弱或原来比较疏松表层土进行压实。也可采用分层回填压实加固。

适用范围：适用于含水量接近于最佳含水量的浅层疏松粘性土；松散砂性土；湿陷性黄土及杂填土等。

2）重锤夯实法 利用重锤自由下落时的冲击能来夯击浅层土，使其表面形成一层较为均匀的硬壳层。

适用范围：适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土及湿陷性黄土。

3) 强夯法 利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性、消除土的湿陷性、胀缩性和液化性。

适用范围：适用于碎石土、砂土、素填土、杂填土、低饱和度的粉土与粘性土及湿陷性黄土。

4)振冲挤密法 振冲挤密法一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，颗粒重新排列，孔隙比减少；另一方面依靠振冲器的水平振动力，形成垂直孔洞，在其中加入回填料，使砂层挤压密实。

适用范围：适用于砂性土和小于0.005mm的粘粒含量低于10%的粘性土。

5)土(或灰土、粉煤灰加石灰)桩法 是利用打入钢套管(或振动沉管、炸药爆破)在地基中成孔，通过”挤”压作用，使地基土得到“加密”，然后在孔中分层填入素土(或灰土、粉煤灰加石灰)后夯实而成土桩(或灰土桩、二灰桩)。

适用范围：适用于处理地下水位以上湿陷性黄土、新近堆积黄土、素填土和杂填土。

6)砂桩 在松散砂土或人工填土中设置砂桩，能对周围土体或产生挤密作用，或同时产生振密作用。可以显着提高地基强度，改善地基的整体稳定性，并减少地基沉降量。

适用范围：适用于处理松砂地基和杂填土地基。

7)夯实水泥土桩 利用沉管、冲击、人工洛阳铲、螺旋钻等方法成孔，回填水泥和土的拌和料，分层夯实形成坚硬的水泥土柱体，并挤密桩间土，通过褥垫层与原地基土形成复合地基。

适用范围：适用于处理地下水位以上的粉土、素填土、杂填土、粘性土和淤泥质土等地基。

8)爆破法 这个用的不多，原理是利用爆破产生振动使土体产生液化和变形，从而获得较大密实度，用以提高地基承载力和减小沉降。

适用范围：适用于饱和净砂，非饱和但经灌水饱和的砂、粉土和湿陷性黄土。

3、排水固结法

基本原理：就是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。

排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水可以利用天然土层本身的透水性，尤其是软土地区多夹砂薄层的特点，也可设置砂井、袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体。加压主要是地面堆载法、真空预压法和井点降水法。为加固软弱的粘土，在一定条件下，采用电渗排水井点也是合理而有效的。

(1)堆载预压法 在建造建筑物以前，通过临时堆填土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。

一般临时的预压堆载等于建筑物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于建筑物荷载，称为超载预压。

为了加速堆载预压地基固结速度，常可与砂井法或塑料排水带法等同时应用。如粘土层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法。适用于软粘土地基。

(2)砂井法(包括袋装砂井、塑料排水带等) 在软粘土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度增长。砂井法通常辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。

适用范围：适用于透水性低的软弱粘性土，但对于泥炭土等有机质沉积物不适用。

(3)真空预压法 在粘土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层及砂井抽气，使地下水位降低，同时在大气压力作用下加速地基固结。

适用范围：适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。

(4)真空-堆载联合预压法 当真空预压达不到要求的预压荷载时，可与堆载预压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压荷载可叠加计算。

适用范围：适用于软粘土地基。

(5)降低地下水位法 通过降低地下水位使土体中的孔隙水压力减小，从而增大有效应力，促进地基固结。

适用范围：适用于地下水位接近地面而开挖深度不大的工程，特别适用于饱和粉、细砂地基。

(6)电渗排水法 在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。

适用范围：适用于饱和软粘土地基。

4、置换法

原理：其原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。

置换法又分为：

(1)振冲置换法(或称碎石桩法) 碎石桩法是利用一种单向或双向振动的冲头，边喷高压水流边下沉成孔，然后边填入碎石边振实，形成碎石桩。桩体和原来的粘性土构成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。

适用范围：适用于地基土的不排水抗剪强度大于20kPa的淤泥、淤泥质土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基。对不排水抗剪强度小于20kPa的软土地基，采用碎石桩时须慎重。

(2)石灰桩法 在软弱地基中用机械成孔，填入作为固化剂的生石灰并压实形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及土与石灰的物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，同时桩与土形成复合地基，达到地基加固的目的。

适用范围：适用于软弱粘性土地基。

(3)强夯置换法 对厚度小于6m的软弱土层，边夯边填碎石，形成深度3～6m、直径为2m左右的碎石柱体，与周围土体形成复合地基。

适用范围：适用于软粘土。

(4)水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩) 是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的一种具有一定粘结强度的桩。桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基。

适用范围：适用于填土、饱和及非饱和粘性土、砂土、粉土等地基。

(5)柱锤冲扩法 柱锤冲扩法是利用直径为200～600mm、长度为2～6m、质量为1～6t的柱状锤冲扩成孔，填入碎砖三合土等材料，夯实成桩，桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基。

适用范围：适用于处理杂填土、粉土、粘性土、粘性素填土、黄土等地基。

(6)EPS超轻质料填土法 发泡聚苯乙烯(EPS)的重度只有土的1/50～1/100，并具有较好的强度和压缩性能， 用于填土料，可有效减少作用在地基上的荷载，需要时也可置换部分地基土，以达到更好的效果。

适用范围：适用于软弱地基上的填方工程。

5、加筋法

原理： 就是通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等提高地基承载力、减小沉降、或维持建筑物稳定。

(1)土工合成材料 利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。

适用范围：适用于砂土、粘性土和软土，或用作反滤、排水和隔离材料。

(2)加筋土 把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体，用以提高土体的稳定性。

适用范围：适用于人工填土的路堤和挡墙结构。

(3)土层锚杆 土层锚杆是依赖于土层与锚固体之间的粘结强度来提供承载力的，它使用在一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程结构，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、高耸结构抗倾复等。

适用范围：适用于一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程。

(4)土钉 土钉技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土共同作用，用以弥补土体自身强度的不足。不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉和抗剪强度低的弱点，显着提高了整体稳定性。

适用范围：适用于开挖支护和天然边坡的加固。

(5)树根桩法 在地基中沿不同方向，设置直径为75～250mm的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用以挡土，稳定边坡。

适用范围： 适用于软弱粘性土和杂填土地基。

6、胶结法

原理：就是在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。

(1)注浆法 其原理是用压力泵把水泥或其它化学浆液注入土体，以达到提高地基承载力、减小沉降、防渗、堵漏等目的。

适用范围：适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可加固暗浜和使用在托换工程中。

(2)高压喷射注浆法 将带有特殊喷嘴的注浆管，通过钻孔置入要处理土层的预定深度，然后将水泥浆液以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体；若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。可以提高地基承载力、减少沉降、防止砂土液化、管涌和基坑隆起。

适用范围：适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。

(3)水泥土搅拌法 利用水泥、石灰或其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(水泥或石灰的浆液或粉体)强制搅拌，形成坚硬的拌和拄体，与原地层共同形成复合地基。

适用范围：适用于淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土地基。

7、冷、热处理法 主要有冻结法、烧结法2种

(1)冻结法 通过人工冷却，使地基温度低到孔隙水的冰点以下，使之冷却，从而具有理想的截水性能和较高的承载力。

适用范围：适用于饱和的砂土或软粘土地层中的临时措施。

(2)烧结法 通过渗入压缩的热空气和燃烧物，并依靠热传导，而将细颗粒土加热到100℃以上，从而增加土的强度，减小变形。

适用范围：适用于非饱和粘性土、粉土和湿陷性黄土。