朱亞林 習(xí)通 邱瑞軍 郭子川 侯淑鵬 張錦

摘 要：本文首先分析了地基處理技術(shù)的現(xiàn)狀，將其大致分為置換墊層法，壓密、固結(jié)法，增強(qiáng)體復(fù)合地基，注漿加固和加筋法5個(gè)大類。從技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用的角度詳細(xì)闡述了每項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。然后，論述了地基處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：地基處理技術(shù);置換墊層法;注漿加固;發(fā)展前景

中圖分類號(hào)：TU472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）22-0096-04

Abstract： This paper first analyzed the current situation of foundation treatment technology， which could be roughly divided into five categories： replacement cushion method， compaction and consolidation method， reinforcement composite foundation， grouting reinforcement and reinforcement method. The advantages and disadvantages of each technology were elaborated from the perspective of technology development and practical application. Then， the development trend of foundation treatment technology was discussed.

Keywords： foundation treatment technology;replacement cushion method;grouting reinforcement;development prospect

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口的不斷聚集，土地資源緊張以及交通擁堵，立體化城市成為現(xiàn)代化城市的發(fā)展趨勢(shì)[1]。建筑工程向地下空間延伸，興建了一大批軍用設(shè)施、商場(chǎng)、停車場(chǎng)、學(xué)校、油庫以及娛樂場(chǎng)所。工程向上發(fā)展，高速公路、城市高架橋、機(jī)場(chǎng)的大量修建有效緩解了交通壓力;高層建筑打破了土地資源的緊張局面。特殊性土（濕陷性黃土、鹽漬土、軟土、膨脹土）在我國分布廣泛，工程中隨著外界溫度、濕度等物理?xiàng)l件的改變表現(xiàn)出不同的缺陷[2-3]。為了削弱各種特殊性土的不良地質(zhì)特性，提高天然軟弱地基的強(qiáng)度，并保持穩(wěn)定性，就必須對(duì)地基進(jìn)行處理。

新中國成立后，我國地基處理大體經(jīng)歷了兩個(gè)階段[4]。以20世紀(jì)70年代為節(jié)點(diǎn)，第一個(gè)階段是起步應(yīng)用階段，以學(xué)習(xí)蘇聯(lián)為主，應(yīng)用最為廣泛的是墊層的淺層處理方法，如砂石墊層、灰土樁、重錘夯實(shí)。這個(gè)階段既有成功的典范，也有照搬照抄的教訓(xùn)。第二個(gè)階段是發(fā)展、應(yīng)用和創(chuàng)新階段。大批國外先進(jìn)技術(shù)被引進(jìn)，結(jié)合我國地質(zhì)特征，發(fā)展了符合我國國情的地基處理和基坑支護(hù)方法體系。

2 地基處理技術(shù)

地基處理是指通過物理、化學(xué)的方法對(duì)軟弱地基進(jìn)行加固[5]，通過改變土的剪切特性、透水性、壓縮性及動(dòng)力特性等物理化學(xué)指標(biāo)，以優(yōu)化不良地基或特殊地基土。根據(jù)加固原理可將地基處理技術(shù)大體分為如表1所示的5類[1，5-7]。

2.1 置換墊層法

置換墊層法是挖去地表以下淺層范圍內(nèi)的軟弱土層、濕陷性黃土等特殊性土或不均勻土層，回填堅(jiān)硬、較粗粒徑的材料，并夯壓密實(shí)，從而形成墊層的地基處理方法[8]。置換墊層依據(jù)換填材料的不同，可分為碎石墊層、灰土墊層、砂墊層、粉煤灰墊層等。由于換填墊層施工簡便，因此在中小型工程淺層地基處理中應(yīng)用較為廣泛。對(duì)于軟弱層厚度較大或者基礎(chǔ)寬度較大時(shí)，其適用性較弱。需要注意的是，對(duì)于特殊性土應(yīng)單獨(dú)考慮，如濕陷性黃土墊層可以用土、灰土等材料，禁止采用礦渣、砂石等透水性材料[8-9]。

2.2 壓密、固結(jié)法

壓密、固結(jié)法主要包括機(jī)械壓密、振沖、強(qiáng)夯法、預(yù)壓固結(jié)、降水預(yù)壓、真空預(yù)壓、電滲法。研究者對(duì)其中3種進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 強(qiáng)夯法。強(qiáng)夯法也稱為動(dòng)力固結(jié)法，由法國工程師1969年發(fā)明， 20世紀(jì)90年代被引入我國。該方法主要是將一定質(zhì)量的夯錘提高到一定高度，讓它從高處自由下落，給地基以沖擊能和振動(dòng)，提高地基承載力，同時(shí)降低壓縮性。

該方法適用低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土到碎石土、礫土、素填土和雜填土等地基。劉世奇等以實(shí)際工程為研究對(duì)象，對(duì)濕陷性黃土在強(qiáng)夯處理前、后各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)作了對(duì)比，評(píng)價(jià)了夯實(shí)效果，并分析了原因。同時(shí)，從土的含水量、夯擊功能、強(qiáng)夯的施工工藝三方面對(duì)利用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土提出了幾點(diǎn)建議[10]。

強(qiáng)夯法具有施工速度快、價(jià)格低廉、處理效果好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在噪聲污染、對(duì)鄰近建筑物影響大等缺點(diǎn)。

強(qiáng)夯置換法是在強(qiáng)夯法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在強(qiáng)夯形成的空間內(nèi)回填塊石、碎石等顆粒材料，形成墩體。該方法可以用于高飽和度粉土以及流塑～軟塑的黏性土等地層。

2.2.2 振沖法。振沖法是德國工程師斯圖門在1936年提出的。德國凱樂公司于次年研制出第一個(gè)振沖器，并應(yīng)用于柏林某大樓砂土地基的處理。我國水利系統(tǒng)較早引進(jìn)該方法，解決了北京官廳水庫主壩壩基中細(xì)砂液化問題。

振沖法主要適用于砂土、粉質(zhì)黏土、粉土和雜填土等軟弱地基的處理。當(dāng)處理不排水抗剪強(qiáng)度小于20 kPa的飽和黏性土和飽和黃土地基時(shí)，應(yīng)在施工前通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。因?yàn)槿绻麡吨芡翉?qiáng)度過低，當(dāng)其不排水抗剪強(qiáng)度小于20 kPa時(shí)，將導(dǎo)致土的側(cè)向約束力始終不能平衡由于填料擠入孔壁產(chǎn)生的作用力。對(duì)處理中、粗砂質(zhì)地基時(shí)，因地基土中的砂粒能自行填充孔隙，故可采用原地振沖對(duì)地基土進(jìn)行加密處理。因此，當(dāng)中、粗砂地基的黏粒含量≤10%時(shí)，可運(yùn)用不加填料的振沖法進(jìn)行地基加密處理。振沖加密的原理實(shí)質(zhì)是振動(dòng)加密以及振動(dòng)液化[8]。

2.5 加筋法

加筋法主要包括加筋土墊層、土釘支護(hù)、柔性樁復(fù)合地基、剛性樁復(fù)合地基、樹根樁法/土工合成材料加筋法。研究者主要就土工合成材料加筋法進(jìn)行討論。

近年來，隨著土工合成材料的發(fā)展逐步成熟，其也被引入地基處理、基礎(chǔ)工程領(lǐng)域。將土工柵格、土工格室等材料設(shè)置在褥墊層中，與樁基組成復(fù)合地基，控制施工后沉降[19]。土工材料與加筋碎石樁等散體材料聯(lián)合使用，有效地提高了散體樁的側(cè)向抗力[7]。但是，在使用中也存在一些問題，如土工聚合物在日光作用下會(huì)發(fā)生分解作用。在有覆蓋物的情況下或者埋在土中會(huì)降慢分解速度。通過添加一定量的炭黑和各種抗老化劑可以起到阻止分解的作用。此外，其蠕變性較大?，F(xiàn)在大部分學(xué)者認(rèn)為，蠕變強(qiáng)度是斷裂強(qiáng)度的30%左右[8]。

包承綱通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了新的綜合性加筋機(jī)制[20]。將加固機(jī)制分為作用在接觸面上的直接加筋和加筋材料對(duì)周圍土體影響的間接加固作用。

2.6 地基處理方式的選擇原則

地基處理方法多種多樣，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，沒有一種方法是萬能的。一般來說，在選擇方案時(shí)大體應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

①地質(zhì)條件。主要是地形、地層狀態(tài)、地下水條件、土的各項(xiàng)物理、力學(xué)指標(biāo)。

②結(jié)構(gòu)物條件。主要是指建（構(gòu)）筑物的形式、規(guī)模、對(duì)沉降的要求。

③環(huán)境條件。主要是周圍環(huán)境是否存在煤氣、通信管道等地下埋設(shè)物、相鄰建筑物情況及機(jī)械工作過程中是否對(duì)周圍有振動(dòng)、噪聲影響。

④機(jī)械施工設(shè)備和機(jī)械條件。在有些地區(qū)有無所需的施工設(shè)備和施工設(shè)備的運(yùn)營狀況成為采用何種加固措施的決定因素。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 樁網(wǎng)復(fù)合地基

在地基處理中，樁、鋼筋網(wǎng)片及樁間土共同形成了“樁-網(wǎng)-土”的協(xié)調(diào)變形，其共同承擔(dān)荷載。其中樁和樁間土增強(qiáng)地基的豎向承載能力，鋼筋網(wǎng)則起到均勻應(yīng)力、加固邊坡及增強(qiáng)地基土水平抗拉能力的作用[14，21]。

楊明輝的研究認(rèn)為，柱網(wǎng)間距增大時(shí)，單根樁所承擔(dān)的荷載有所增大，樁體承載能力得到有效發(fā)揮。

3.2 微生物加固

微生物礦物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，某些天然微生物在新陳代謝過程中可以產(chǎn)生礦物晶體。其中，尤以碳酸鈣分布最為廣泛、性質(zhì)穩(wěn)定?？茖W(xué)家為其提供鈣離子及營養(yǎng)源，快速析出具有膠結(jié)作用的碳酸鈣晶體，這一成礦作用成為微生物誘導(dǎo)方解石沉積（簡稱MICP）技術(shù)[21，23]。相比其他化學(xué)注漿技術(shù)，微生物加固具有綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。眾多學(xué)者、工程師從強(qiáng)度、剛度、滲透性和耐久性對(duì)其加固效果進(jìn)行了探討和研究。澳大利亞Whiffin 博士第一個(gè)使用微生物加固松散砂土顆粒，并討論加固強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)。DeJong對(duì)膠結(jié)砂柱進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不排水剪切強(qiáng)度提高，并且表現(xiàn)出應(yīng)力軟化的特點(diǎn)。

4 結(jié)論與展望

我國在土木工程建設(shè)領(lǐng)域尤其是地基處理方面機(jī)械施工程度有待提高。隨著我國綜合國力的提高，地基處理機(jī)械正朝著自動(dòng)化、信息化發(fā)展。不僅要重視從國外引進(jìn)先進(jìn)的，更要重視自主研發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械設(shè)備。

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