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岩土研究院

​各类地基处理技术发展简况

324 2021-04-19 13:49:40

(1)排水固结法

传统的排水固结法又称预压法,适用于淤泥质土、淤泥、冲填土等饱和黏性土地基。近二十来年该法得到了长足的发展,其主要的改进来之于荷载或附加压力形式的多样性。饱和软黏土在附加压力作用下,孔隙中水慢慢被排出,土的孔,隙比减小,随着超静孔,隙水压力消散,有效应力提高,土的强度增加。通过排水固结法处理地基可以使地基沉降在加载预压期间大部或基本完成,减少建筑物在使用期间的沉降和沉降差,也可提高地基承载力。排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的。排水系统通常有普通砂井、袋装砂井和塑料排水带等;加压系统通常有堆载预压法、真空预压法、降低地下水位法、电渗法和联合法。近十几,年来,竖向排水系统采用塑料排水带和袋装砂井较多,加压系统采用堆载预压和真空预压法较多,也有采用真空加堆载联合预压法以及利用建筑自重加载法;特别的是,利用冲击荷载及软土之上覆盖层共同作用形成残余作用力使得冲击荷载作为加压系统组成部分成为一种经济而有效的选择。

袋装砂井和塑料排水带的长细比大,井阻影响得到人们的重视。为了消除地基在使用荷载下的主固结变形,减小或消除次固结变形,可以采用超载预压。所谓超载预压就是在预压过程中采用比使用荷载大的预压荷载预压。

真空预压法一般能够取得相当于 78~92kPa 的等效荷载,为了进一步提高加固效果,可采用真空堆载联合预压法。据称,根据工程要求已 可获得相当于 130kPa 的等效荷载。

真空堆载联合预压法先后在天津、上海、福州和广州等地得到应用。对真空预压法的有效加固深度学术界看法不一,有的学者认为真正的有效深度在 6m 以内,有的则认为在某种条件下可达十多米。真空预压的有效深度需引起重视和进一步研究,而真空预压与堆载联合预压的各种压力效果如何叠加更是需要开展严肃的研究。袋装砂井也存在一个有效深度问题,有的日本学者认为袋装砂井有效深度在 15m 以内。对于超软弱地基,要注意防止地基固结过程中塑料排水带尤其是袋装砂井的折断问题;要研制柔性塑料排水带以满足 工程需要。

(2)强夯法和强夯置换法

强夯法处理地基首先由法国 Menard 技术公司于 20 世纪60 年代末采用。我国于1978年引进,交通部第一航务工程局科研所及协作单位在天津首先开展试验研究。由于该法设备简单、效果显著、经济和施工快,很快得到推广。除强夯挤密外,近 20 年来,强夯置换也得到不少应用。强夯置换和强夯挤密在加固机理上是不同的,应用范围也不相同。强夯挤密法常用来加固碎石土、砂土、低饱和度的黏性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基。对于饱和度较高的黏性土等地基,如在一定措施基础上并取得工程经验或试验证明采用强夯法有加固效果的也可采用。通常认为强夯挤密法只适用于塑性指数 I,≤10的土。对于设置有竖向排水系统的软黏土地基,是否适用强夯法处理目前尚有不同看法。对于厚度小于 6m 的软黏土层采用强夯置换法处理,边夯边填碎石等粗粒料形成深度为 3~6m,直径较大(如 2m 左右)的碎石桩体与周围土体形成复合地基,也已取得较好的加固效果。

尽管业界做出了许多的努力,强夯法至今依然没有一套普遍接受的理论和设计计算方法,还需要在实践中总结和提高。

强夯施工的主要设备包括夯锤、起重机、脱钩器或及门架等部分。工程实践表明,施工机具和工艺直接影响加固效果和经济效益。近些年来人们重视强夯机具装置的科学化、系列化和规格化的研究。

强夯造成的振动、噪声等公害也应引起足够的重视,也由此受到一定的应用限制。

岩土工程

(3)振冲法

利用振动和水冲加固地基的方法叫做振冲法。振冲法由德国 S. Stcuerman 在 1939 年提出,我国应用始于 1977 年。由于大量工业民用建筑、水利和交通工程地基抗震加固的需要,该法得到迅速推广。振冲法早期用来振密松砂地基,后来也应用于黏性土地基,振冲法演变成两类;振冲密实法和振冲置换法。振冲密实法的加固原理是-一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少,另-方面依靠振冲器的水平振动力,在加回填料情况下还通过填料使砂层挤压加密。振冲置换的加固原理是利用振冲器在高压水流下边振边冲,在软弱黏性十地基中成孔,再在孔,内分批填入碎石等坚硬材料。制成—根根桩体。碎石桩体和原地基构成碎石桩复合地基。以提高基承载力。减地基沉降。振冲密实法适用于颗粒含量小于 10%的松砂地基;振冲置换法适用于不排水抗剪强度大干 20kPa 的黏性十、粉十和人工填十等地基,有时还可用来处理粉煤灰地基。

振冲法施工需要大量水,并在施工过程中排放泥浆,污染现场。为了克服这一缺点,干法振动加固地基技术得到应用。利用干法振动成孔器在软弱地基中设置碎石桩,干法振动加固地基技术主要适用于松散的非饱和黏土、杂填十和素填土,以及二级以上非自重湿陷性黄土。

另外,各地还因地制宜应用沉管干夯挤密碎石桩、干振道渣石屑桩、钢渣桩加固地基。 为了提高碎石桩桩体本身的刚度,发展了水泥粉煤灰碎石桩技术和低强度等级混凝土桩技术。这类低强度等级柔性桩形成的复合地基具有承载力提高幅度大、变形模量高的特点,是一种有发展潜力的地基处理技术。(4)石灰桩、土桩、灰土桩法

石灰加固地基的传统方法受到了国内外岩土工程工作者的重视。1989 年 3 月我国在上海召开了一次石灰加固软弱地基的专题学术讨论会。1989 年 7 月第二届全国地基处理学术讨论会上又作了进一步的交流和讨论,会上对石灰桩法加固地基技术的现状和展望作了较全面的综述和总结。

石灰桩法工艺简单,不需复杂的施工机具,应用较广泛。其加固机理包括;打桩时挤密、石灰吸水、膨胀、升温、离子交换、胶凝、碳化和置换等,但基本加固作用则可归纳为打桩挤密、桩周土脱水挤密和桩身的置换作用。从提高承载能力看。在正常情况下置换作用占的份额最大。经验与实践证明,只要填充石灰达到必要的密实度则不会出现软心现象。另外,采用粉煤灰等适宜的掺合料也有助于避免发生软心现象。桩土应力比是衡量置换作用的主要指标。要满足一般工程要求,不需追求过高的应力比。当需要提高应力比时除了要保证桩身具有较高强度外,桩还必须打穿软土层以免桩尖刺入降低应力比。

目前在实用概念上认为,若加固着眼点为石灰的吸水与膨胀作用,则必须采用新鲜生石灰且不加掺合料,最好采用细桩径小桩距。若放弃石灰熟化的吸水脱水作用(此作用提高地基承载力不超过5%)则用熟石灰亦能取得好加固效果,掺入粉煤灰可节约石灰并可达到与不掺粉煤灰相近效果,最高掺合量可达 80%~90%,此时称为二灰桩。

当被加固土的渗透系数太小时,不利于软土脱水固结,加固效果很小;若被加固土的渗透性太大,孔中充水,石灰难以密实,效果不好;工程实例中发生过浓酸碱腐蚀损坏灰土的实例。在考虑采用石灰桩法加固地基时,应注意石灰桩法的适用条件以及正确的施工方法。采用石灰桩加固地基有成功的经验,但也有些达不到预期效果。目前认为其关键问题是施工后其性能的稳定性不够好。

此外 Broms (1987 年)还指出,当用石灰桩处理软土时,如果遇有透水砂层或粉土层时则石灰的膨胀比黏土地基的固结来得快,桩体积增加将会产生软黏土地基的隆起而不是固结和含水量的减小。

砂桩法于19 世纪 30 年代起源于欧洲,20 世纪 50 年代引L入我国。起初砂桩法用干处理松散砂地基,视施工方法不同,又可分为挤密砂桩和振密砂桩。后来,也有用来加固软弱黏性土地基,通过砂桩的置换作用,形成砂桩复合地基,对其进行加载预压,也可加快地基固结。

土桩和灰土桩法在我国西北和华北地区得到广泛应用。十桩和灰十桩适用干地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。

在采用十桩和灰十桩加固地基时。近几年来重视工业废料的利用,如采用石灰和粉煤灰二灰桩处理粉煤灰地基和杂填十地基等。为了利用城市渣十,北京地区发展了渣十桩专利技术。它不但消除了渣土对环境的污染,而且为地基处理提供了廉价的原材料。在挤密桩施工中,除了打管挤密、爆扩挤密和冲击锥挤密外,还发展了采用橄榄锤锤击挤密成桩法,该法具有设备简单、施工方便和不需三材等优点。

(5)深层搅拌法和高压喷射注浆法

深层搅拌法是通过特制机械沿深度将固化剂与地基土强制搅拌就地成桩加固地基的方法,当固化剂(水泥或石灰) 为粉体时又称粉体喷射搅拌法。深层搅拌适用干处理淤泥、淤泥质土和含水量较高的地基及承载力标准值不大于 120kPa 的黏性土、粉土等软土地基。当处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时宜通过试验确定其适用性,冬期施工应注意负温对处理效果的影响。

深层搅拌法目前在国外特别是日本和美国应用很广,国内近些年发展较快,在房屋地基加固、开挖工程代替板桩支护、铁路软基加固等方面,有大量的工程实践,对整套技术已有一定经验。在机械设备上虽然分别由原冶金工业部建筑研究总院和交通部规划设计研究院、天津机械化施工公司和交通部第一航务工程局科研所、浙江大学岩土工程研究所等单位研制成了双搅拌轴中心管输浆及单轴搅拌叶片输浆的浆体深层搅拌专用机械,铁四院和上海探矿机械厂研制成深层粉喷搅拌专用机械,但与国外同类型机械相比还有一定的差距。深层搅拌法可以根据工程需要做块状、格子状、壁状和圆柱状等形状的加强体,同时具有施工中无振动、无噪声、无地面隆起、不排污、对相邻建筑不会产生有害的影响等优点,该法较受工程界欢迎。深层搅拌桩地基的设计可按复合地基考虑。许多工程实测资料表明,在正确设计和施工的情况下,深层搅拌法处理的地基沉降较小。

高压喷射注浆法是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度,以高压喷射流使固化浆液与土体混合、凝固硬化加固地基土体的方法。它适用于淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。当土中含有较多的大粒径块石、坚硬黏性土、大量植物根茎或有过多的有机质时,应根据现场试验结果确定其适用程度。遇地下水流速过大和已涌水的工程应慎重使用。注浆形式分旋喷、定喷和摆喷,施工分单管法、二重管法及三重管法。

高压喷射注浆法用于处理新建和原有建筑的地基处理的作为深基挡土结构、坑底加固、防止管涌与隆起、处理隧道坍方和修建地下防水帷幕等都有很多工程实例。

为适应隧道、地下工程及深基开挖等施工的需要,水平高压喷射及灌浆加固技术在意大利、日本和联邦德国得到较快的发展。意大利 Radio 公司还开发了可同时在钻进中检测地层土质、机器控制和自动调节设计浆量并收集反馈信息的机械,国内也很重视并已进行过一些探索性试验。

(6)灌浆法和化学处理

灌浆法是沿用至今的—种传统方法,它用干处理黄十、砂十以及洞穴、裂缝等均能获得很好的效果。近些年在改进浆液材料方面如采用超细水泥和其他新掺合剂,以及改善灌浆对环境的污染等方面做了不少工作。

实践证明,在渗透性差的黏土地基中灌浆液难以有效地灌入,加固效果常不理想。新的压密灌浆法的应用,使灌浆加固黏十获得了新的生命力。压密灌浆与一般灌浆法不同之处是采用的浆液稠度大,灌浆压力高,浆液通过挤压形成浆泡,或填充裂隙使土体强化。这种方法始于 20 世纪 50 年代,之后不断得到完善(Brown 和 Warner,1969 年),近些年受到重视。美国和法国已有很多工程实例,在第十二届国际土力学会上法国学者发表了三篇论文讨论了这种灌浆方法的适用条件和工程实例。国内在石油勘探方面与采油方面大量应用这种方法作为压裂岩扩大采油量的有效手段。在铁路上用以加固黄土和软土地基的试验取得了效果。早在 20 世纪 70 年代铁路上曾用类似的方法加固桥基;一处由于软土深度大加固后虽初期有效,但长期却未能解决下沉的问题;另—处为浅层处理,因发生地面隆起影响了加固的效果。可见应用这种方法还必须考虑其适用条件。

(7)水泥粉煤灰碎石桩法

水泥粉煤灰碎石桩 (CFG桩)是在碎石桩基础上加进—些石屑、粉煤灰和少量水泥,加水拌合,用振动沉管打桩机或长螺旋钻管内泵压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。

当前由于城市环境治理,大城市烟囱烧煤大量减少,一般改烧天然气。所以粉煤灰产量减少,价格上涨,粉煤灰价格接近水泥的价格,所以有的部门用低强度素混凝土桩代替(即LCG桩)。

(8)桩锤冲扩桩法

桩锤冲扩桩法宜用直径 50~120cm,长度 150~300cm,质量 8~20t 的柱状锤进行,孔内可分多次填入碎砖和碎石或生石灰,边冲击边将填料挤入孔,内,复打冲击成孔和桩,加固机理有; 在成孔及成桩过程对原土的动力挤密作用、动力固结冲扩充填置换作用、当填生石灰时的水化和胶凝作用等。(9)静动力排水固结法

静动力排水固结法是近些年来发展起来的一种软土地基处理新技术,它利用强夯法(动力固结法)的夯击机具与排水固结法中排水体系针对包括高含水量的软黏十地基进行处理。本书著者与冯遗兴等人最早在深圳、珠海、惠州、海南等地针对不同的建构筑物的软土地基进行了大量的工程实践及监测测试,取得了成功,积累了丰富的经验。此后,该法获得逐步推广应用,包括上海某空军机场大面积淤泥质软土地基的处理、广州南沙泰山石化仓储区大面积厚淤泥软基处理、湛江某基地淤泥软基处理等;技术及施工机具也获得改进,例如组合式高效减振锤的发明。该法的称谓历经动力固结法、动力排水固结法等,反映了该法特点的逐渐形成过程。

在"静动力排水固结法"称谓中,"排水" 是为表明相应的夯击方法与传统的 "动力固结——即强夯"的区别,而"静(静力)"则反映了该法中表面静力(静覆盖力)对于软土处理不可缺少的基本组成。该法将静(覆盖)力、动力荷载及其后效力与快速排水体系进行有机结合对软土地基进行加固;同时强调通过信息化施工,进行施工质量的过程控制、处理平面或空间内的点控制 (便于减小差异沉降),以确保达到或超过技术、经济与工期等要求。特别需要指出的是,此方法绝不是传统强夯法与传统排水固结法技术手段的简单相加,而是扬长避短、有机的科学结合。其具有以下特点∶

①冲击力大小可控性强、加卸载方便;对于淤泥地基,在设置合适的人工排水体系与一定厚度覆盖扩散土层(诸如回填土层)共同协作下,通过不断调整及循序渐进的加载方式,给予不同处理阶段的地基土以合适的固结压力,大大加速软基排水固结;

②人工竖向排水体周围水柱的形成以及冲击瞬间水柱不可压缩性使得荷载可深度传递(在工程实测中已得到验证);

③一定冲击力作用下弱结合水可转化为自由水使得排水能力强(而工程量级的静力则不可能);

④冲击荷载在静覆盖层下可使得软土地基中产生可持续一定时间的残余作用力;⑤地表新填土一次加固到位,其加固效果远超出其他地基处理方法需采用的分层碾压等方法的效果。

这些特点的巧妙结合与科学运用(诸如能量施加的大小与时机、排水体系设置的适应性、静力覆盖土层厚度、其他施工关键参数的掌握等),使得该法具有质量好、造价低,、工期短的综合优势。

综上所述,地基加固方法种类很多,而且还在不断发展,这里仅对部分常用的地基处理方法作简要介绍。