欢迎来到『东合南岩土』官方网站!

岩土研究院

各类地基处理技术发展简况

404 2021-12-16 14:21:31

1.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年代末创用。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,近年来,强夯置换得到不少应用。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、低饱和度的粘性土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等各类地基。对于饱和度较高的粘性土等地基。如有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Ip≤10的土。对于设置有竖向排水系统的软粘土地基,是否适用强夯法处理目前尚有不同看法。对于厚度小于 6m 的软粘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,直径为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。

强夯法至今还没有一套成熟的理论和设计计算方法,还需要在实践中总结和提高。

强夯施工主要设备包括夯锤、起重机、脱钩器和门架等部分。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。近几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。

强夯置换对厚度小于 6m 的较弱土层,边夯边填碎石,形成深度3~6m,直径为2m左右的碎石桩体与周围土体形成复合地基。强夯造成的振动、噪声等公害也应引起足够的重视。

2.排水固结法

排水固结法又称预压法,适用于淤泥质土、淤泥、冲填土等饱和粘性土地基。饱和软粘土在荷载作用下。孔隙中的水慢慢被排出,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。近几年来,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。

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。近年来非理想井的固结理论得到发展,谢康和和曾国熙(1989年)为非理想井的设计提供了简易曲线和设计方法。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。宁波机场和温州机场都建筑在深厚的软粘土地基上,为满足场道对地基变形和回弹模量的严格要求,采用超载预压处理均取得良好效果。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。几年来根据工程要求已获得相当于130kPa 的等效荷载。真空-堆载联合预压法先后在天津、上海和福州等地得到应用。对真空预压法的有效加固深度学术界看法不一致,有的学者认为有效深度在 10m 以内,有的则认为可达 20m,甚至更深。真空预压的有效深度需引起重视和进一步研究。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或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。

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.Steuerman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,后来也应用于粘性土地基,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,另一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,在软弱粘性土地基中成孔,再在孔内分批填入碎石等坚硬材料,制成一根根桩体,碎石桩体和原地基构成碎石桩复合地基,以提高地基承载力,减小地基沉降。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于 20kPa 的粘性土、粉土和人工填土等地基,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粘土、杂填土和素填土,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标号混凝土桩技术。这类低标号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,交流论文 25篇。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。杭州和湖北两地挖出的工程桩桩身的抗压强度分别达到750kPa和 564kPa。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,桩还必需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和料,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的加固效果,掺入粉煤灰可节约石灰并可达到与不掺粉煤灰相近的效果,最高掺和量可达 80%~90%,此时称为二灰桩。

当被加固的渗透系数太小时不利于软土脱水固结,脱水加固效果很小;若被加固土的渗透性太大,孔中充水,石灰难予密实,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。

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粘土地基的固结来得快,桩体积增加将会产生软粘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,50年代引进我国。起初砂桩法用于处理松散砂地基,视施工方法不同,又可分为挤密砂桩和振密砂桩。后来,也有用来加固软弱粘性土地基,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。土桩和灰土桩适用于地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。在采用土桩和灰土桩加固地基时,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土地基等。为了利用城市渣土,北京地区发展了渣土桩专利技术。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。深层搅拌适用于处理淤泥、淤泥质土和含水量较高的地基及承载力标准值不大于120kPa的粘性土、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,冬季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、粘性土、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、坚硬粘性土、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。例如,1989 年曾成功地应用高压喷射注浆法处理了18层近 68m 高的威海大厦软弱地基,经观测该建筑下沉均匀。沉降量仅0.7~1.3cm。哈尔滨松花江江堤应用高压喷射注浆法修建板墙防渗工程2km多,深 25~30m,板墙面积达5.1万 m²。

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一种传统方法,它用于处理黄土、砂土以及洞穴、裂缝等均能获得很好的效果。近些年在改进浆液材料如用超细水泥和其他新掺合剂,以及灌浆对环境的污染等方面做了不少工作。

实践证明,在渗透性差的粘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(Compaction grouting)的应用,使灌浆加固粘土获得了新的生命力。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 Wamer,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提出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;另一处为浅层处理,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,所以有的部门用低标号素混凝土桩代替(即 LCC 桩)。

8.桩锤冲扩桩法

桩锤冲扩法宜用直径 50~120cm,长度 150~300cm,质量8~20t 的柱状锤进行,孔内可分多次填人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。

近些年来,不少建筑物因地基问题而出现事故,其中很多与勘测资料不足或不准确,设计、施工不当有关,值得注意。

综上所述,地基加固方法种类很多,而且还在不断发展,这里不可能对所有的地基处理方法一一加以介绍。