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废钢渣在软土地基处理中的应用
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　　摘要：随着经济的不断发展，土地利用率越来越少，城区住宅、厂房、公路等越来越多地在软弱地基上建设。通过对软土地基土质特性的研究，分析废钢渣应用于软土地基处理中的作用机理，为废钢渣在软土地基的处理中提供依据。
　　关键词：软土地基；土质特性；废钢渣
　　1引言：近年来许多重要的工程和复杂的工业厂房在软土地基上兴建，工程实践的要求推动了软土地基处理技术的迅速发展，地基处理途径越来越多，考虑问题的思路日益新颖，老的方法不断改进完善，新的方法不断涌现，使地基处理形式从单一向多元化方向发展。在过去的几年里，随着快速发展的建筑技术和机械设备，地基处理技术取得了巨大的普及和提高[ 1]。地基处理技术主要的是提高其承载能力和控制地面沉降[2]。对具有胶凝性能的废钢渣分析，提出了一个使用废钢渣提高软弱地基承载力的地基处理技术[3]。通过本课题的研究，将废矿渣应用到软土地基处理，可以充分节省自然资源，维护城市建设环境，有利于我国的资源与环境建设，促进循环经济的发展，达到废物再利用的目的。因此，研究和利用废钢渣具有深远的意义。
　　2软土地基特性分析
　　 由于长期在各种自然动力和人为作用下，不同地区形成了不同的软弱土层。在河流或海水覆盖的较稳定区域，形成以高含水量的深厚淤泥为主；在近岸等不稳定地区则形成以淤泥和砂泥冲积层交互层为主；而人为的围海造田和城市建设，又使许多滩涂填上了新的土石层。这些土层具有高压缩性、承载力低，基本上都不能直接作为建筑物的持力层使用。有些工程因为对其特性认识不足，导致建筑物的不均匀沉降而倾斜或开裂。
　　 通常条件下，地基承载力是由地基的强度和变形两方面决定的。在强度方面，主要是保持地基的稳定性，不允许地基发生剪切破坏；在变形方面，则不允许地基产生足以影响建筑安全和正常使用的变形，要把变形限制在规范容许的范围之内。一般密实的天然地基，强度较高，沉降较小，建筑在其上的建筑物只要地基强度得到保证，一般不用验算其沉降变形。但软土地基不同，沉降变形量很大，使用时即使地基尚未产生强度破坏，其沉降可能已远远超过基础沉降的允许变形，给新建建筑物本身或周围建筑物带来严重危害。因此，在基础设计时，对软土地基不单以强度控制，还要将沉降变形作为主控制设计参数。
　　 软土的不排水剪切强度一般小于2t/m2 ，软土的强度是随着深度的增加而增大的。软土层深度10m 以内的平均十字板剪切试验强度一般0.5t/m2 。软土的透水性较差，因此土层在自重或荷载作用下达到完全固结所需时间很长。未完全固结的土在自重的作用下会继续下沉。软土受到扰动后、其絮状结构受到破坏、甚至呈流动状态，导致抗剪强度的衰减。对普通浅基础而言、软土地基的允许承载约为6―8t/m2，如果不作处理是不能承受大的建筑物的。因此，在软土地基上修建建筑物，必须重视地基的变形和稳定问题。软土地基处理的目的是要提高软弱土地基的强度、保证地基的稳定，降低软弱土的压缩性，减少基础的沉降和不均匀沉降。一般来说，压实度是改善填土水稳定性的重要因素。在地下水位以上的稍湿填土，遇水后将发生严重的湿陷反应，从而降低填土的抗剪强度。另外，对于地下水位变化较大的冲填土，在地下水位下降后其土层失去了托力，下伏土层干缩，自重下脱，将引起表士下陷，引起建筑物基础下沉。同时，在新填土和较厚淤泥区域的新建建筑物，由于对长期的自重应力和外力的估计不足，软土层的自重固结而引起的沉降和负摩阻对建筑物的破坏严重。再者，某些地陷、地基不均匀沉降、开裂现象，也是由于大量抽取地下水，使上层失去浮力，自重下落与上层土脱开，引起地表土层架空，使局部地表下陷造成建筑物倾斜或断裂。由于地理位置的影响，地下水位较高，许多地方的地下水位存在于地表下1m附近。并且由于海水等的入侵，土壤内存有大量的钾盐和镁盐，这一环境条件对混凝土具有极强的腐蚀性,如果缺乏准确的分析和评价,或者措施采取不适当,会对建筑物地基基础混凝土造成极大的破坏,大大降低建筑物的使用寿命。
　　 总之，根据上述软土地基的工程性质，使软土地基的基础设计和施工困难重重，以软土作为建筑物的地基是十分不利地。因此，在软土地基上建造建筑物，必须对软土地基进行处理。地基处理的目的主要是改善地基土的工程性质，达到满足建筑物对地基稳定和变形的要求，消除其不利影响。
　　3.废钢渣应用于软土地基处理中的作用机理
　　 钢渣由于其材质的特性，将其应用于软土地基处理中，有着显著的效果。钢渣及地下水之间发生了一系列的物理化学反应，这些变化对地基的加固是有利的。
　　3.1与水反应
　　 在软土地基中经过废钢渣进行处理后，钢渣中的CaO与土中水分发生化学反应，形成熟石灰：CaO
H2O → Ca（OH）2
　　 反应可吸收土中相当于生石灰质量32%的水分，使土中的含水量降低，加速土体的固结。
　　氧化钙在吸水形成熟石灰的过程的同时产生了大量的热量，每1 kg的CaO与水反应可产生1.164X106 J的热能，这不仅可以加速化学的进行，还可促使土体的水分蒸发，加速土体的固结。氧化钙与水反应生成的Ca（OH）2与原来的CaO相比，体积扩大一倍，体积膨胀对地基土产生了强大的挤压力，从而对地基土实现挤密作用，改善地基土性质。
　　3.2 离子交换作用
　　 钢渣中含有硅酸三钙、硅酸二钙等矿物，钢渣颗粒表面的矿物与地基土中的水分发生水解和水化反应，生成Ca（OH）2、CaSiO3等物质，大量的Ca2 与土颗粒相互交换吸附，加速了土体的固结。
　　3.3 水硬胶结作用
　　 从钢渣的矿物组成中可以看出：钢渣中含有水硬性胶凝结矿物β-C2S及C11A7CaF2（氟铝酸钙：11CaO?7 A12O3?CaF2）等。这些矿物具有水硬活性，遇水则发生水化反应，生成水化硅酸钙C-S-H凝剂及Ca（OH）2等，其主要反应式为：
　　2CaO?SiO2
H2O →n CaO?SiO2?H2O
（2-n）Ca（OH）2
　　 β-C2S本身虽然水化速度慢，早期强度较低，但是，由于钢渣中的β-C2S固溶引起杂质，易致使其晶体畸化，因此水化速度有所增加，到水化后期β-C2S等大量水化，胶结料的强度较高，因此钢渣具有一定的水硬活性，是一种水硬性、水稳性较强的材料。钢渣的强度形成这一过程离不开水，水是钢渣形成强度的重要因素，因此钢渣强度的增长与养护湿度有密切关系。
　　 本文通过分析废钢渣应用于软土地基处理中的作用机理和作用效果，并结合软土地基特性分析、现有的地基处理方法，综合论证废钢渣可以作为一种环保型地基改良材料应用到软土地基处理中去。
　　参考文献
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本文出自：http://www.starlunwen.net/jianzhugongchengguanl/139631.html
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公路软土地基设计与施工技术规范
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3秒自动关闭窗口带肋梁硬壳层软土地基应力分布与承载力研究--《沈阳建筑大学》2013年硕士论文
带肋梁硬壳层软土地基应力分布与承载力研究
【摘要】：沿海地区软土地基的问题制约着我国基本建设工程的发展,大量研究和工程实践表明通过人工固化处理在软土表面形成一层结构性强、整体性好的人工硬壳层,能够抑制软土地基的变形,有效改善软土层受力状态,满足低等级荷载对场地承载力要求,并具有施工工期短、工程造价低、硬壳层强度可以调控等特点。在硬壳层底部加设肋梁,克服了硬壳层固化厚度受到施工机具等限制的弊端,可进一步提高软土地基的承载力。因此,对带肋梁硬壳层软土地基的研究具有重要的理论和实际意义。
本文采用Winkler地基模型理论,利用二维有限元软件GEO-Slope SIGMA/W建立带肋梁硬壳层软土地基的力学分析模型,运用数值分析方法,主要研究了如下内容：
(1)分析带肋梁硬壳层对软土地基的作用机理,带肋梁硬壳层有利于提高软土地基承载力的关键在于封闭作用和应力扩散作用,肋梁的加设改善了软土层的受力作用；
(2)数值模拟在条形均布荷载作用下,带肋梁硬壳层与一般硬壳层软土地基中竖向附加应力分布情况,分析带肋梁硬壳层软土地基中竖向附加应力系数沿深度和水平向的变化情况,对比分析带肋梁硬壳层对软土地基竖向附加应力分布的影响；
(3)采用有限元方法分析了带肋梁硬壳层软土地基中水平附加应力沿深度和水平向的变化情况,给出了带肋梁硬壳层对软土地基中水平附加应力的影响,并得出了带肋梁硬壳层软土地基中水平附加应力的扩散范围；
(4)采用单一变量法研究了上覆硬壳层与下卧软土层的模量比和荷载宽度等相关参数对带肋梁硬壳层软土地基竖向附加应力和水平向附加应力分布规律的影响,分析了沿深度和水平向变化时,竖向附加应力系数与水平附加应力分别随模量比和荷载宽度改变的变化情况,并给出了相关参数对水平附加应力扩散范围的影响；
(5)分析了肋梁的几何参数(高度、宽度)对竖向附加应力和水平附加应力分布规律的影响,从深度变化和水平位置改变两方面分别研究了肋梁几何参数对竖向附加应力系数和水平附加应力的影响程度和范围,给出了肋梁高度与平均附加压力减小幅度成二次函数关系,肋梁宽度与平均附加压力减小幅度成线性关系；
(6)根据静力平衡原理及极限平衡条件,推导出带肋硬壳层软土地基与一般硬壳层软土地基的等效厚度公式,给出带肋梁硬壳层软土地基的近似承载力计算方法,并分析肋梁高度和肋梁宽度对带肋梁硬壳层软土地基承载能力的影响。
【关键词】：
【学位授予单位】：沈阳建筑大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：TU447【目录】：
摘要4-5Abstract5-13第一章 绪论13-21 1.1 概述13-14 1.2 硬壳层软土地基附加应力场的研究进展14-17
1.2.1 理论研究进展14-15
1.2.2 模型试验研究进展15-16
1.2.3 数值模拟研究进展16-17 1.3 硬壳层软土地基极限承载力的研究进展17-18 1.4 硬壳层软土地基临塑荷载的研究进展18-19 1.5 本文的主要研究内容19-21第二章 人工硬壳层的作用及应用21-29 2.1 概述21 2.2 软土的分布及特性21-22 2.3 上覆硬壳层的作用22-24
2.3.1 壳体效应22-23
2.3.2 封闭作用23
2.3.3 对沉降的滞后作用23
2.3.4 反压护道作用23-24 2.4 人工硬壳层的特点24 2.5 人工硬壳层的应用24-26 2.6 带肋梁硬壳层的研究26-27 2.7 本章小结27-29第三章 有限元分析模型的建立与验证29-39 3.1 概述29 3.2 有限元分析方法的基本思想29-30 3.3 Mohr-Coulomb本构模型30-33 3.4 有限元力学模型的建立33-36
3.4.1 分析模型及坐标系33-35
3.4.2 模型的计算参数35-36 3.5 模型的验证36-37 3.6 本章小结37-39第四章 带肋梁硬壳层软土地基竖向附加应力的研究39-55 4.1 概述39 4.2 竖向附加应力等值线分析39-40 4.3 竖向附加应力变化规律40-43
4.3.1 竖向附加应力随深度变化规律40-41
4.3.2 竖向附加应力沿水平向变化规律41-43 4.4 肋梁高度对竖向附加应力的影响43-46
4.4.1 竖向附加应力系数随深度变化43-44
4.4.2 竖向附加应力系数沿水平向变化44-45
4.4.3 竖向附加应力减小幅度的变化45-46 4.5 肋梁宽度对竖向附加应力的影响46-48
4.5.1 竖向附加应力系数随深度变化46-47
4.5.2 竖向附加应力系数沿水平向变化47-48
4.5.3 竖向附加应力减小幅度的变化48 4.6 模量比对竖向附加应力的影响48-51
4.6.1 竖向附加应力系数随深度变化49
4.6.2 竖向附加应力系数沿水平向变化49-50
4.6.3 竖向附加应力减小幅度的变化50-51 4.7 荷载宽度对竖向附加应力的影响51-53
4.7.1 竖向附加应力系数随深度变化51-52
4.7.2 竖向附加应力系数沿水平向变化52
4.7.3 竖向附加应力减小幅度的变化52-53 4.8 本章小结53-55第五章 带肋梁硬壳层软土地基水平附加应力的研究55-65 5.1 概述55 5.2 水平附加应力等值线分析55-56 5.3 水平附加应力沿水平向变化规律56-58 5.4 带肋梁硬壳层参数对水平附加应力影响58-63
5.4.1 肋梁高度对水平附加应力的影响59-60
5.4.2 肋梁宽度对水平附加应力的影响60-61
5.4.3 模量比对水平附加应力的影响61-62
5.4.4 荷载宽度对水平附加应力的影响62-63 5.5 本章小结63-65第六章 带肋梁硬壳层软土地基承载力的研究65-73 6.1 概述65 6.2 等效厚度的推导65-66 6.3 带肋梁硬壳层软土地基极限承载力区间确定66-68 6.4 肋梁几何参数对地基承载力影响68-71
6.4.1 肋梁高度对地基承载力影响68-69
6.4.2 肋梁宽度对地基承载力影响69-71 6.5 本章小结71-73第七章 结论73-75 7.1 结论73-74 7.2 展望74-75参考文献75-79作者简介79作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文79-81致谢81
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吴祖德（建设工程施工图设计审查中心）摘&&要&在城市道路设计中，遇深厚的软土地基（淤泥质低液限粘土），传统处理方法采用水泥土搅拌桩复合地基处理，如改用人造硬壳层的方法来处理软土地基，具有良好的扩散作用，封闭作用，反压护道作用及减少沉降与滞后作用等特性，在技术上是可行的。同时在经济上相对其他常用处理方法有比较大的优势，不仅施工速度更快，能缩短工期，而且造价相对较低，具有良好的经济效益。本文通过设计计算进行分析验证。关键词&人造硬壳层&软土地基&设计分析&0&前言路基是道路工程的重要组成部分，是路面的基础，路基质量的好坏，将直接影响到路面的使用质量，特别是在软土上建造高等级道路时，软土地基的处理就显得尤为重要。长江三角洲水网密布，在软土地基区域修建道路时，经常发现硬壳层缺失的现象，一般常用水泥土搅拌桩加固软土地基，国内已有近20多年应用于水电、水利、工业与民用建筑、铁路、公路、市政等各个领域。江苏省属长江三角洲冲积平原，水泥土搅拌桩已成为加固软土的手段之一。近些年，提出了人造硬壳层处理软土地基的方法，并在一些工程中得到成功运用。1&人造硬壳层的构造1.1&硬壳层定义及作用硬壳层是一个相对于软土的概念提出的。并没有具体的物理、力学指标。大量研究表明，硬壳层的存在，使该层承担了更多的荷载，从而减小了软弱下护层所承担的荷载比例，有助于提高路堤地基的承载力，并具有扩散应力、减少不均匀沉降、减少地基沉降量及增加固结度的作用。1.2&人造硬壳层的应用在一些软土地基上根本不存在硬壳层，或由于路基标高等原因不得不把硬壳层挖除，重新构造硬壳层。相对于天然的硬壳层，人造硬壳层厚度较薄，强度相对较高。一般采用石灰土的压实度大于等于93%的条件下，具有比较强的无侧限抗压强度，可以达到板体效果。人造硬壳层中夹设钢塑土工格栅，利用土工格栅的高强度韧性，使之与土基组成一个整体，可限制土基侧向变形，防止骨料下陷，分散垂直荷载，也可以产生一种板体效应，减少不均匀沉降。当软土层有硬壳层存在时，只要硬壳层有一定的厚度，并能使上部结构传递到下卧软土层的荷载在其承载力范围内，就可以满足设计要求，沉降变形就可以限制在允许范围内。硬壳层本身具有相对较大的密实度，而且有一定的刚度，因此它可以分担荷载产生的一部分剪力。此时的硬壳层已具有了类似于梁的作用，它可以承担部分的弯矩、剪力并抵抗变形。这种类似于梁的作用可称为硬壳层的“硬壳效应”。“硬壳效应”的存在有可能使传到下卧软土层的单位面积荷载低于按传统扩散方法计算出来的单位荷载，且分布更加均匀，这就相当于提高了整个地基的承载能力。2&实例计算某道路路面宽25m，“人造硬壳层”的设计结构如下［1］：40cm 10%石灰土（压实度≥95%）40cm&8%石灰土（压实度≥95%）40cm&水泥石灰稳定土（4:30:100）（0～20cm压实度≥90%；20～40cm压实度≥93%）30cm 6%石灰土（压实度≥87%）&软弱地基土其中再夹设两层钢塑土工格栅，提高“人造硬壳层”的整体刚度，使路基具有良好的无侧限抗压强度，并且也可以抵抗弯矩，从而将应力分散在整个路基底部，使下卧层的受力均匀，压强减少，从而达到提升路基整体强度，减少沉降的目的。路面结构按常州市主干路2结构：4cm SMA-13C5cm AC-20C7cm AC-25C36cm 水泥稳定碎石20cm&&10%石灰土E0=34MPa（注：由于路面结构直接筑于“人造硬壳层”上面，故原设计土基回弹模量E0=34MPa，已不适用，要根据硬壳层顶面的回弹模量值来重新计算，现计算路基工作区深度及活载下土中应力值暂不改动路面结构）&2.1&路基工作区深度及活荷载在路面结构层、人造硬壳层、土基中的应力分布& & 表3&&&&用BISAR&3.0&软件计算的层状体系100KN荷载应力值2.2&对以上计算结果进行分析比较1）图1与图2比较：由于图2把图1的硬壳层中的水泥石灰稳定土（4：30：100），回弹模量800MPa，换成6%石灰土，回弹模量300MPa。路基工作区深度由路床顶面下-95cm，变成-89.2cm，减少了工作区深度6.3cm，荷载应力线收歛速度差不多（实际施工可采用图2的结构形式）；2）图2与图4比较：由于硬壳层的回弹模量比原土基E0=34MPa大很多，在工作区以上部分，荷载应力比原土基的应力大，也可看出硬的土层会受到的应力大。工作区以下部分，荷载应力比原土基的应力小，约为50%。基本上在硬壳层以下的土基中，荷载应力值很小，可以忽略不计。有硬壳层时，工作区深度为-89.2cm，无硬壳层时为-90cm，小0.8cm，基本相同（由于硬壳层的存在，使传到硬壳层以下的土基中的应力值很小，可以忽略不计）；3）人造硬壳层厚1.50m，就可以使标准轴载100KN的路基工作区包含在内，荷载应力几乎不再传到软弱土基中去；4）后轴轴重140KN时，情况基本同100KN，路基工作区深度有硬壳层时为路床下101.03cm，没有硬壳层时为117cm，有硬壳层时减少了15.97cm。2.3&有人造硬壳层路基的沉降量计算按理正软土路堤、堤坝设计软件使用说明书认为，加筋路堤对沉降计算无直接影响，加筋路堤影响稳定验算，主要影响路堤部分的抗剪验算。本次计算没有采用Winkler&弹性地基板的控制微分方程数值解法，采用常规的计算方法，应该讲是属偏于安全的。本文计算方法中，荷载应力的分布，路基工作区深度计算，采用层状体系理论，就已经考虑了硬壳层的结构强度因素。2.3.1&路堤式时的沉降量路堤高度按路面结构厚度+硬壳层厚度，总计2.22m。土基全部为淤泥质粉质粘土，地基承载力为70KPa，重度为18.2KN/m3,快剪C&15.6KPa，快剪φ3.3度，固结快剪4.0度，压缩模量为：E↓0-50=1.9MPa,&E↓50-100=2.4MPa,&E↓100-200=3.2MPa,&E↓200-400=5.4MPa。当在按具体路段、具体地质条件、具体路堤高度，均应进行验算，本计算仅为举例。如具体路段不能满足要求时，需采用其他方法，如进行堆载预压处理，减少工后沉降，满足规范要求。也可采用水泥土搅拌桩处理或其他的处理方法，来满足工程要求。2.3.2&路塹式时的沉降量按路堤式计算时的相同土基，全部为相同的淤泥质粉质粘土，采用同济启明星软件计算：按路面设计标高，填挖高度为0m，地下水位埋深为0.5m。硬壳层底面附加应力=硬壳层基底自重应力24.45KPa-原软土层在硬壳层基底标高的自重应力17.3KPa=7.16KPa，最终计算沉降量S=0.424m，压缩层厚度为基底下23.88m,完全满足工程要求。3&结束语3.1对硬壳层内的受力分析：硬壳层的最小厚度一般定为1.5m，硬壳层可以是天然的，也可以是人造的，人造的比天然的硬壳层强度高。（1）一般由计算应控制路基工作区深度处在硬壳层范围之内，可以忽略汽车荷载传递到软弱土基中去的应力。另外，当汽车荷载和硬壳层自重所引起的软土层表层应力小于软土的前期固结的压力时，即可认为硬壳层下的软土是稳定的。如有某工地计算，前期固结的压力的最小值为0.04MPa，试算可知，当硬壳层厚度为1.5m时，13t最大轴重汽车引起的σ↓max=0.01MPa，&&硬壳层自重引起的应力σ=150×1.9kg/㎝3=0.0285MPa，合计σx=0.0385MPa，小于前期固结压力。（2）从水平剪应力分析，当硬壳层厚度为1.5m时，汽车荷载所引起的软土表层最大抗剪强度为0.014MPa，也小于硬壳层的最小抗剪强度0.015MPa。3.2&人造硬壳层的良好经济效益［2］：如对于150m×36m的路基，采用水泥土搅拌桩，设计桩长应该穿透淤泥层，这里取15m，桩径设计为1250px，桩距1.2m，造价144.73万元，工期约为20天；而采用水泥浅层固化构造“人工硬壳层”工艺，造价为58.5万元，工期为10天，每处理1000㎡的软土地基，采用水泥掺拌工艺大约可以节约10～15万元，工期节约一半，由此带来的经济效益是显而易见的。&觉得有用的朋友，下载学习吧。
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吴老师的又一力作，非常感谢吴老师的分享！
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点评 &&wuzude&&发表于&&1楼 &&&&吴祖德（建设工程施工图设计审查中心）摘&&要&在城市道路设计中，遇深厚的软土地基（淤泥质低液限粘土），传统处理方法采用水泥土搅拌桩...很有用 果断收了
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吴老师的又一力作，非常感谢吴老师的分享！
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首先，这帖子非常棒，另外，有两个疑问请教吴老：1、采用硬壳层处理软土地基，对软基本身的要求（种类、回弹模量、路床下深度等）有何要求？2、为什么压缩层厚度选择23m，而不是其他？层底附加应力/自重应力为什么是14.645%？
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&&&&鼓励交流。积极参与。
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点评 &&djdq181&&发表于&&6楼 &&&&首先，这帖子非常棒，另外，有两个疑问请教吴老：1、采用硬壳层处理软土地基，对软基本身的要求（种类、回弹模量、路床下深度等）有何要求？2、为什么压...1.对软基本身要求在一定强度范围内，要经验算的结果能符合设计要求。那种塘泥肯定是不能用的； 2.压缩层厚度是由设计规定要求确定的，现要求计算到层底附加应/自重应力为15%的深度地方。本次标出是计算到14.645%的地方，符合15%的要求，计算的压缩层厚度是23m。
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谢谢&& 受教了&& 我们这边现在用土工布轻质材料桩处理也算构筑硬壳层
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