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江苏省地基基础创新技术应用与发展

476 2018-11-20 18:29:35

江苏省地基基础创新技术应用与发展

摘要:总结江苏省近年来在地基基础领域的创新发展,主要包括地基基础设计方法,工程勘察技术,桩基工程与检测技术,地下空间开发与基坑支护技术,地基处理技术等。分析表明我省地基基础技术成果丰富,其中一些原创性技术特色鲜明、影响显著。结合我国现状与发展需要,提出了我省未来地基基础的发展方向。

关键词:江苏;地基基础;创新;应用


“九层之塔,始于垒土”,地基基础技术作为各类工程建设的根本,随着土木建筑交通建设的规模和难度不断发展、地基基础技术研究和应用水平也得到了快速发展,以满足上部建筑结构和构造物的需要。江苏省作为建筑业大省,地基基础技术研究在全国也产生了重要影响,在地基基础设计理论、工程勘察、桩基工程与测试技术、地下空间开发与深基坑支护技术、地基处理技术等领域取得了大量技术创新,并在我省和国内土木工程建设中得到了推广应用。

1、按变形控制设计的地基基础设计方法

按变形控制设计的理念是相对于按承载力控制设计而发展起来的,因为工程实践中经常出现承载力满足要求而变形不能满足要求的情况,同时按变形控制设计还可以合理控制基础工程投资[1]。变形控制设计理念在建筑、道路、基坑工程等领域得到了推广应用。南京工业大学宰金珉教授根据国内外研究成果,发展了复合桩基的设计方法[2],其核心概念就是使单桩工作荷载接近或达到单桩的极限荷载,使桩基工作于塑性支承桩的状态,始终可承担相应于桩基极限承载力的荷载,真正实现摩擦型桩基础的桩土共同作用,这一设计理念在工程中得到了推广应用,并编制了《复合桩基础设计规范》(HG/T 20709—2017)。进一步地,南京工业大学又提出了可控刚度桩筏基础,该基础通过在桩顶与筏板之间设置刚度调节装置,通过刚度调节装置的设置,可实现对桩筏基础整体支承刚度的大小与分布有效控制与优化,可应用于以下情况:①桩、土变形不协调需考虑桩土共同作用;②以减小差异沉降和筏板(承台)内力为目标,需要进行变刚度调平设计;③不同支承刚度的新、旧桩基共同承担上部结构荷载;④特殊地质条件下地基支承刚度严重不均匀时;⑤上述两种或多种情况的组合。可控刚度桩筏基础已经在100余栋近300万平米的高层与超高层建筑上成功进行了应用,以编制了《刚度可控式桩筏基础设计规范》(HG/T 20710-2017)[3]。

江苏省高速公路质量水平一直处于全国领先地位,早在沪宁高速公路建设期间和拓宽过程中,各级管理部门会同东南大学、河海大学等单位开展了系统的研究,明确了按沉降控制设计的思路,全面总结了江苏省高速公路沉降变形规律和工后沉降控制办法,建立了桥头过渡段、路基段、构造物段、路基拼接的沉降控制设计方法,形成了独具特色的高速公路动态设计方法,并发展了相应的施工控制技术。

随着地下空间开发的发展,城市基坑工程面临深、大、近的复杂敏感环境,当基坑周围环境不允许产生较大变形时,基坑工程设计应按变形控制设计。随着我省城市建设和地铁工程的发展,很多基坑临近地铁,需要按照变形控制设计。结合苏州地铁、南京地铁等工程建设,研究了基于小应变理论的基坑变形控制方法,南京紫峰大夏基坑工程、德基广场基坑工程等均采用了按变形控制设计的理念。东南大学等单位结合苏州地铁基坑工程设计和施工,系统总结了不同类型基坑工程变形的特点,为按变形控制设计提供了依据,给出了相应的设计施工技术指南。

2、工程勘察与测试技术

岩土工程勘察是地基基础设计的依据,工程规模的不断扩大和地质环境的复杂多变对我省岩土工程勘察提出了挑战。为此,我省工程勘察设计和研究单位不断总结创新,在勘察技术的规范化、技术创新和领域拓展取得了重大进展。通过总结我省几十年的工程地质研究和工程勘察成果,统计给出了我省各成因类型岩土体的工程特性指标,明确了主要岩土体的不良地质问题和处理对策及其灾害防治,特别是对地下采空区的勘察技术、地下水和水上勘察技术形成了我省特色,2016年发布的江苏省工程建设标准《岩土工程勘察规范》DGJ32/TJ208-2016就是我省岩土工程勘察研究成果的结晶[4]。

在岩土工程勘察技术方面,东南大学在国内率先开展了现代数字式多功能孔压静力触探技术研究,通过产学研结合,自主研发了数字式多功能孔压静力触探测试系统(CPTU),并开发出了地震波和电阻率等多功能测试系统,编制了分析应用软件,建立了基于CPTU测试的岩土工程设计应用体系,实现了我国静力触探测试技术的更新换代,并主编了我国第一本《孔压静力触探测试技术规程》(T/ CCES1-2017)[5],大大提高了我国岩土工程原位测试技术水平。

近年来,我省岩土工程勘察结合国家可持续发展需要和绿色发展的理念,对环境岩土工程勘察进行了探索发展。针对大量简易垃圾填埋场的整治和环境污染的治理工作,开展了垃圾填埋场的勘察和污染场地的勘察技术研究,并与2017年编制了《江苏省垃圾填埋场勘察规程》[6]有力地促进了环境岩土工程勘察的发展。目前针对污染土壤防治的国家战略,正在组织编制江苏省污染场地勘察规范。

另外结合我省大型跨江大桥、输电工程、隧道工程,我省相关单位独立或合作承担了这些大型工程的岩土工程勘察工作,开展了大量特殊工程勘察研究,保证了这些重大工程的安全建设和运营,提高了我国岩土工程勘察技术水平。

地基基础测试是保证地基基础设计安全可靠的重要环节,近年来随着现代信息技术、互联网技术的发展,在地基基础测试方面取得了快速发展,我省桩基测试基本实现了自动化检测,基坑工程监测技术也在向自动监测方向发展,一些单位建立了自动监测和预警平台,具有很好的发展前景。我省地基基础测试技术取得重要突破的是光纤监测技术,南京大学率先研究了分布式光纤监测技术【7】,并自主研发了系列光纤传感器包括应力、应变、温度、含水量传感器等,研制了系列相应的解调仪。该技术可以测试岩土体和构造物内部和表面分布式位移变形和应力变化,并可实时监测岩土体内部温度湿度的变化,已在基坑工程、桩基、隧道,边坡等工程中得到成功应用,具有广阔的推广应用前景。

3、桩基工程与检测技术

桩基础作具有承载力高、沉降变形小等特点。国内混凝土灌注桩及其后压浆技术发展迅速,已形成挤土、部分挤土和非挤土等数十种桩型和成桩工艺,最大桩长超过100m;PC桩(预应力混凝土管桩)、PHC桩(预应力高强混凝土管桩)、冲钻孔灌注桩也广泛应用[8]。我省在灌注桩后注浆技术,劲芯复合桩技术,管桩技术以及测试技术等方面得到了快速发展应用。

灌注桩后注浆技术是指在灌注桩成桩后一定时间,通过预设在桩身内的注浆导管及与之相连的桩端、桩侧处的注浆阀以压力注入水泥浆的一种施工工艺。通过桩底和桩侧后注浆可以加固桩底沉渣(虚土)和桩身泥皮,同时可以对桩底及桩侧一定范围的土体通过渗入注浆起到加固作用,这样可以提高单桩承载力,减少桩基沉降。在优化注浆工艺参数的前提下,可使单桩竖向承载力提高40%以上[8],我省高层建筑和大型桥梁桩基工程中大量采用了该技术,有效保证了高耸建筑和大型桥梁桩基质量和承载能力。

随着建筑工业化的发展需要,预应力混凝土管桩生产、设计和施工技术得到了快速发展,总部位于我省镇江的建华建材集团对我国管桩的技术研发和设计应用起到了带头作用,在新型高强管桩研发、管桩抗震设计、管桩施工技术等方面开展了大量研究,主编了江苏省和全国规程。管桩的应用领域也从工业与民用建筑拓展到高速公路、市政工程,港口工程等,相应的设计理论和应用方法也得到发展,沪宁高速公路拓宽工程大量采用管桩作为拼接路基的加固形式,在国内率先开展了桩-桩帽-复合地基的试验研究,连盐高速公路、崇启长江大桥接线高速公路等对管桩复合地基在高速公路工程中的应用进行了进一步完善研究,形成了设计应用指南。

劲芯复合桩是我省发展起来的又一种新型桩基。它是在水泥土搅拌桩初凝前压入PHC管桩或钢管桩而形成的复合桩,因此该复合桩由芯桩和水泥土组成。水泥搅拌桩和刚性芯桩的有机结合,有效地改善了桩的荷载传递途径;桩顶荷载由芯桩传递到水泥土桩再传递到侧壁和桩端的水泥土体,有效地提高了桩的侧阻力和端阻力,从而有效地提高了复合桩的承载力,减小桩的沉降。该复合桩在我省南通、淮安、南京等地首先使用,现在全国得到了推广应用,并编制了《劲性复合桩技术规程》(JGJ/T 327-2014)[9]。劲芯复合桩技术适用范围比较广泛,有效改善了管桩抗水平荷载能力差,抗震能力弱的缺点,既拓展了管桩的应用范围,又弥补了水泥土搅拌桩承载能力低变形大的不足,在很多工程条件下可以取代灌注桩,且施工环境友好,施工速度快、造价适中,有广阔的推广应用前景。

桩基工程施工质量和承载能力是保证桩基发挥功能的关键,由于桩基工程是隐蔽工程,施工质量存在诸多不确定性,因此成桩质量检测与承载力评价是工程设计的依据。我省桩基检测技术的研究和应用始终走在全国的前列。早在1978年,东南大学唐念慈教授就在全国率先开展了桩基动力测试技术的研究,引进和发展了桩基高应变和低应变测试技术,并于1990年后在我省建立起专门的桩基动力测试基地和成套管理制度,为我国桩基工程动力测试技术的发展起到了奠基性作用。同时对静载荷试验的施工技术也开展了相应研究,堆载吨位不断刷新,目前江苏省最大静载堆载吨位达到5000吨(南京东大岩土工程勘察设计研究院),为高层建筑桩基设计提供了可靠的依据。

针对特大吨位的载荷试验难以进行的困难,东南大学于2000年发展了自平衡测试技术[10],该技术是利用预设在桩内的荷载箱,成桩后对荷载箱进行加载使其上下均发生位移,当一个方向达到极限后,就可推出该桩的极限承载力。该原理由美国西北大学OSTERBERG 教授提出,在国际上称之为O-Cell 法。东南大学对该技术进行了系统的研究,并针对工程实际进行了发展创新,编制了《建筑基桩自平衡静载试验技术规程》(JGJ/T403-2017),有力地促进了该技术的发展。目前该技术主要应用于复杂条件下大吨位的大型桩基工程承载力评价。

4、地下空间开发与基坑支护技术

随着我省经济建设的快速发展,以南京为代表的大量高层建筑地下室建设和城市地铁建设推动了地下空间开发和基坑支护工程技术的发展。如南京青奥轴线、南京内环快速路、南京新街口地下空间、南京湖南路地下空间项目等,这些大型地下空间项目大大推动了基坑工程设计、施工和监测技术的发展。我国基坑工程领域开发了一系列支护技术如水泥土重力式围护墙、土钉和复合土钉、钢板桩、灌注桩排桩(加锚杆)、SMW工法、地下连续墙、逆作法、TRD工法、SMC工法、土层锚杆、钢支撑和混凝土支撑、装配式支护结构、型钢水泥土复合搅拌桩支护结构及组合支护结构等,这些技术在我省基坑支护工程中均有应用,应用最广泛的是“钻孔灌注桩+混凝土支撑”的支护形式。作为我省基坑工程技术创新的技术主要有管桩水泥土搅拌桩结构、SMC工法和装配式支护结构等。

管桩水泥土搅拌桩支护结构技术是通过多轴深层搅拌机,将水泥浆等固化剂注入土体并与土体搅拌均匀,通过连续的重叠搭接施工形成水泥土地下连续墙,在水泥土初凝前将预制混凝土管桩插入墙中,形成管桩与水泥土的复合墙体。该支护结构同时具有抵抗侧向土水压力和阻止地下水渗漏的功能。该技术在南京中大医院新大楼基坑工程中首先得到成功应用,在河西地区南大港龙园小区基坑工程中又得到了拓展应用[11],受到水泥土搅拌桩施工深度的限制,该技术适用的基坑工程深度有限,因而推广应用也受到限制。

近几年水泥土搅拌桩施工工艺在传统的工法基础上有了很大的发展,渠式切割水泥土连续墙技术(TRD工法)、双轮铣深层搅拌工法(CSM工法)、五轴水泥土搅拌桩、六轴水泥土搅拌桩等施工工艺的出现,使管桩(型钢)水泥土复合搅拌桩支护结构的使用范围更加广泛,施工效率也大幅增加。

渠式切割水泥土连续墙技术(TRD工法)[12]是将满足设计深度的附有切割链条及刀头的切割箱插入地下,在进行纵向切割横向推进成槽的同时,向地基内部注入水泥浆以达到与原状地基的充分混合搅拌,在地下形成等厚度水泥土连续墙的一种施工工艺。该工法具有适应地层广、墙体连续无接头、墙体渗透系数低等优点。该技术自日本引进后在我国得到了推广应用,现已实现装备国产化并形成了技术规范,在我省南京、苏州基坑工程中取得了成功应用。

双轮铣深层搅拌工法(SMC工法)是使用两组铣轮以水平轴向旋转搅拌方式,形成矩形槽段的改良土体的一种施工工艺。该工法的性能特点有:①具有高削掘性能,适应软土、砂土、卵砾石层、软岩等;②高搅拌性能;③高削掘精度;④施工深度可达60m;⑤转角适应性强。该工法装备引自德国,上海金泰已经实现了国产化,我省建基建设集团首先引进该设备在我省进行基坑工程支护结构施工,通过大量试验总结,形成了施工技术指南并形成了江苏省工法,现在SMC工法在我省和我国得到了推广应用[13]。

装配式地下钢结构基坑支护系列技术是以成型的预制构件为主体,通过各种技术手段在现场装配成为支护结构。与常规支护手段相比,该支护技术具有造价低、工期短、质量易于控制等特点,大幅降低了能耗,减少了建筑垃圾,有较高的社会、经济效益及环保作用。目前市场上较为成熟的装配式支护结构有:预制桩、预制地下连续墙结构、预应力鱼腹梁支撑结构等。

我省江苏东合南岩土科技股份有限公司研发了装配式地下钢结构基坑支护系列技术,主要包括组合式钢板桩、装配式钢支撑、装配式钢栈桥以及配套的基坑自动监测系统等。根据不同的基坑深度可以采用不同的钢结构形式,如采用钢板桩+H型钢形成组合钢板桩基坑支护结构(HSW工法),钢板桩可以挡土,止水;H型钢刚度大,组合结构整体刚度大。H型钢和钢板桩可以根据工程和地质特点,灵活设置长度,即钢板桩长度设置满足渗流稳定(止水帷幕深度)、整体稳定、倾覆、隆起验算需要;而H型钢长度需要满足支护结构强度和变形要求。对于深大基坑,为有效减小侧向和竖向变形,提高支护桩的承载能力,发展了预应力钢桩支护结构。基于钢板桩和H型钢桩,采用预应力锚索和钢桩一体成型,通过在桩体顶部施加预应力,将桩体所受侧向力转移到顶部竖向力,达到减少变形、提高承载力的目的。施工过程中可根据开挖情况动态调整预应力,待工程结束后预应力钢桩支护结构可以回收并循环使用。

近年来,南京联众建设工程技术有限公司研发出了装配式钢结构城市地下综合管廊,该技术采用波纹钢板经过防腐耐火处理,根据不同管廊结构需要进行工厂加工现场安装快速形成地下管廊结构。该技术突破了钢结构防腐防火难题,实现了地下管廊结构的全装配、高效快速施工,具有推广应用前景。

随着城市地下空间开发的需要,对既有建筑进行地下室增设是近年来出现的新课题,江苏省建筑科学研究院和东南大学等对托换法进行地下室增设技术进行了较系统的研究,并在扬州工商银行大楼得到了成功应用。

5、地基处理技术

我省地处江海交会处,软弱地基和特殊土广泛分布,且成因类型多,是我省各类工程建设面临的关键技术难题。传统的换填法、排水固结法,挤密法、复合地基法等在我省软土地基和液化地基加固中得到了广泛应用。针对这些方法应用中存在的问题,一系列地基处理创新技术得到了应用。

针对传统搅拌桩技术存在搅拌不均匀、深部强度低、处理深度有限(一般小于15 m),且价格较高环境影响大的问题,东南大学发明了排水粉喷桩、双向搅拌桩和钉形搅拌桩[14],实现了我国搅拌桩技术的根本变革。排水粉喷桩就是将粉喷桩与传统的排水固结法二种独立的方法有机地结合起来,充分利用粉喷桩施工时产生的侧向压力,变不利为有利,使之成为粉喷桩周围土体孔隙水排出的动力,通过排水固结作用,在提高粉喷桩周围土体强度的基础上更有效地提高粉喷桩复合地基的强度,形成一种全新的软土地基处理技术,该技术大大改善了粉喷桩的搅拌均匀性和喷灰顺畅性,有效提高了桩身和桩周土强度,加大了粉喷桩有效深度并减少了环境扰动影响。双向搅拌桩技术是针对我国传统搅拌桩一直采用单向搅拌工艺的固有缺陷,采用内、外嵌套同心双重钻杆,在内钻杆上设置正向旋转搅拌叶片并设置喷浆口,在外钻杆上安装反向旋转搅拌叶片,通过外钻杆上叶片反向旋转的压浆作用和正、反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土,阻断水泥浆上冒途径,把水泥浆控制在两组叶片之间,保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀,确保成桩质量,保证了深部加固效果,加固深度可达30m,现已形成了浆喷和粉喷二类双向搅拌桩技术,大量工程实践表明:采用双搅工艺施工时地面无冒浆现象、桩身强度沿深度分布均匀且较常规搅拌桩有显著提高,工效提高一倍。变截面搅拌桩技术是在双向搅拌桩基础上发展起来的桩身截面扩大的水泥土搅拌桩,采用自扩式变径搅拌头,利用土体自身压力,通过改变搅拌旋转方向,使叶片伸展形成大直径、叶片收缩变成小直径,实现自动变截面的功能。如在顶部扩大,则形成类似锚钉形状的钉形搅拌桩,或充分发挥土体本身强度,重点加固成层土体中土性最差的层位,形成变截面搅拌桩。

变截面搅拌桩根据地基竖向附加应力传递规律和复合地基承载工作机理,实现了复合地基竖向刚度优化,使复合地基应力传递与承载最优化,具有显著的经济效益。

真空预压法作为软土地基处理的一项技术在我省高速公路、市政道路围海吹填造地工程中得到了大量应用,但它有二个技术问题,一是工期太长,而是加固深度有限(<15m),因而限制了该技术的应用。针对这二个问题,东南大学创造性地发明了气压劈裂真空预压法[15],通过在传统真空预压法的基础上,增加注气系统,通过向土中注入高压空气使土体产生劈裂形成水平和竖向结合的排水网络增大土体渗透性,从而缩短抽真空时间;同时通过高压气体提高真空度向深部传递效率,通过气体向上运移促使深部气水流出地表,达到深部加固的目的。该方法在连云港、淮安、扬州等工程中得到了推广应用,在全国其它地方也得到了拓展应用。已有工程实践表明,劈裂真空预压法加固深度可达40m, 施工工期可缩短1/3 以上。

液化地基在我省广泛分布,特别是徐州、宿迁地区,液化地基处理是我省工程建设经常面临的技术问题,常规处理方法主要采用强夯法或碎石桩方法,前者加固对环境振动影响大,处理深度有限(<10m),后者需要添加大量碎石造价高。针对这些问题,发明了共振法[16]。该技术根据土层在共振频率激发下产生密实的原理,将一根中间开孔的扁平状杆件在固定于其上的振动器作用下以振动方式沉入土中,通过在沉杆过程中的垂直振动使沉杆周围土产生剧烈的振动,然后调整振动器的频率直到形成一个土-振动杆系统的共振系统,达到最佳的振动密实效果,实现液化地基加固的目的。该技术在宿迁公路和民用建筑工程中得到了成功应用,具有效果好、工期快、加固深度大、造价低、环境友好等优点。

河海大学针对刚性桩应用的发展,研发了大直径薄壁管桩[17],在软土地基处理工程中得到了应用,并编制了《现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程》JGJ/T213-2010。

另外,我省徐州地区普遍存在采空区,中国矿业大学等单位对采空区注浆处理技术进行了较系统的研究,保证了该地区建筑和交通设施建设的顺利进行和运营安全。

6、结语

上述分析表明,我省地基基础技术在过去的研究过程中已经取得了大量成果,在国内有较大的影响,一些技术是具有特色的原创性成果,为保证我省各类土木工程建设顺利实施和高标准运营奠定了基础。随着国家城市地下空间开发和可持续发展战略的需要,我省广大地基基础工作者面临新的机遇和挑战。传统地基与岩土工程专业领域需要进一步提升,并需要与其他专业领域相互融合、集成和借鉴,相关专业包括:结构工程、工程地质、水文地质、测试与仪器、信息工程、材料工程、环境保护、施工技术、施工机械等,岩土工程勘察设计人员综合素质和知识面的提高才能适应新的市场需要;绿色工程与可持续发展理念要求土木工程与环境进一步结合,土壤污染治理与生态修复使得环境岩土工程日趋重要;勘察与设计的融会贯通、规范与创新的协同催生岩土工程体制的变革,如何改革我国目前勘察设计体制激励技术创新是需要广大土木工程工作者共同探索的课题。



参考文献:

[1] 龚晓南,杨仲轩.岩土工程变形控制设计理论与实践 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018.

[2] 宰金珉. 复合桩基设计的新方法 [M]. 中国土木工程学会第七届土力学及基础工程学术会议. 西安. 1994: 5.

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[4] 江苏省住房和城乡建设厅. DGJ32/TJ208-2016 岩土工程勘察规范 [S]. 南京:江苏凤凰科学技术出版社. 2016.

[5] 中国土木工程学会. T/CCES1-2017 孔压静力触探测试技术规程 [S]. 北京:中国建筑工业出版社. 2017.

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[12] 王卫东. 超深等厚度水泥土搅拌墙技术与工程应用实例 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017.

[13] 沈国勤, 林坚, 刘松玉. 双轮铣水泥土搅拌墙(SMC)施工技术研究与工程应用[R].江苏:东南大学, 2015

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[17] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ/T213-2010 现浇混凝土大直径管桩复合地基技术规程 [S]. 北京:中国建筑工业出版社. 2010.


刘松玉教授

作者简介:

刘松玉,东南大学特聘教授、博士生导师。现任东南大学岩土工程重点学科首席带头人,江苏省高校优秀科技创新团队带头人,东南大学未来地下空间研究院常务副院长,东南大学城市地下空间研究中心主任,江苏省城市地下空间与环境安全重点实验室主任。美国土木工程师学会(ASCE)会员,美国交通运输研究会(TRB)岩土工程测试委员会委员,中国土木工程学会土力学与岩土工程分会副理事长、中国建筑学会地基基础分会副理事长、中国公路学会地质与岩土分会副理事长等。