论水利工程常用地基处理方法

唐安军 刘 红

(新疆昌吉州阜康市水利局水管总站 新疆阜康 831500)

1 概述

各种水工建筑物的地基,都必须考虑上部结构、基础和地基的共同工作问题。上部结构是水工建筑物的主体;基础的作用是把上部荷载传给地基;地基承受上部荷载和基础的荷载。地基应有足够的安全度,以保证上部结构和基础的稳定性。

基础是建筑物和地基之间的连接体。基础把建筑物竖向体系传来的荷载传给地基。从平面上可见,竖向结构体系将荷载集中于点,或分布成线形,但作为最终支承机构的地基,提供的是一种分布的承载能力。

根据使用与布置的要求,上部结构的荷载可能很不均匀,如果直接加在地基上,则使某部分的受荷强度过大,导致该部分地基产生过大变形而破坏,某些部分受荷强度较小,该部分地基承载力不能充分发挥。所以需在上部结构与地基之间设置合适的基础,使上部荷载较为均匀地传给地基,并尽可能利用地基承载力。

建筑物的地基可分为两类:一类为天然地基,指地基在天然情况下便可满足变形强度的要求;另一类为人工地基,指必须进行人工处理后才能使用的地基。至于某一地基是否需要处理,则要看上部结构对地基的要求如何,以及地基土的土质及其变化而定。综合上部结构、基础与地基三方面考虑,并优先考虑使用天然地基的方案可行性。

对于地基进行人工处理或改善的概念和基本方法种类较多,目的都是按照建筑物的要求,提高地基土的强度,减少地基土的变形和防止渗透破坏。

一个合理的地基设计,应保证建筑物的变形、强度及渗流稳定性都能满足建筑物设计的各项技术要求,并且在施工方面是可行的,在工程造价上是合理的。

水利工程中常用的地基处理方法见下表,选用地基处理方法时,必须结合工程的具体条件,如地质条件、施工条件、上部结构的技术要求,经济价值等因素而定。

2 地基处理方法

2.1 置换拌入法

该方法是将基础下一定范围内的软弱土层挖除,然后分层置换填入强度和模量相对高的砂、碎石、灰土等,夯实至要求的密度,形成一个较好的持力层;或在软弱地基中的部分土层内掺入水泥、水泥砂浆,石灰等,形成加固体,与未加固部分形成复合地基,达到提高地基承载力,减少压缩沉降量的目的。以下介绍几种常用方法。

(1)换土垫层法

常用的换填料有砂、碎石、灰土、素土、煤渣、及矿渣等,研究表明虽然他们的材料不同,但极限承载力较为接近,不同材料垫层上建筑物的沉降特点也基本相似。垫层的主要作用如下:

①提高基础的承载力。地基的破坏主要为剪切破坏。因此,其承载力与基础下土层的抗剪强度有关,若用强度较大的土层代替可能产生剪切破坏的较软弱土层,可提高地基承载力。

表1 水利工程中常用的地基处理方法概况

②减少沉降量。地基浅层部分的沉降量在总的沉降量中占有较大比重,如果以较密实的材料代替上部软弱土层,就可减少大部分沉降量,同时垫层还有扩散作用,使作用在下卧层土上的压力减小,减小了下卧土层的沉降量。

③加速软弱土层的排水固结。当建筑物的不透水地基直接与软弱土层接触时,在荷载作用下,软弱地基中孔隙水被迫绕基础两侧排出,使排水距离增大,软弱土不易固结,形成较大的孔隙水压力,可能导致地基产生塑性破坏的危险。选择强度高,透水性大的材料作垫层,可作为良好的排水面加速其下软弱土层固结及基础下孔隙水压迅速消散。

④防止冻胀及消除冻胀土的胀缩作用。粗颗粒的垫层材料,由于孔隙大,不易产生毛细现象,故可防止寒冷地区中结冰产生的冻胀。同时,换填垫层后,也可消除一部分冻胀土的胀缩作用。

(2)振冲置换法(碎石桩法)

振冲置换法是指利用一个产生高能水平向振动的振冲器。在高压水流(气流)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的一根根桩体,和原来的粘性土构成复合地基。

该法主要适用于粘性土,若地基土为非饱和土时,用压力水喷冲;若地基土为部分饱和土时,则多用压缩空气喷冲。在饱和的极细砂或粉土中,用此法必须保证孔内水位高于静止地下水位,以防止孔壁塌落。

振冲器在自重作用下,借助振动与喷水而下沉,当沉至预定深度后,便停止下孔喷水,然后提升振冲器,并打开上孔喷水。同时要及时从地面将碎石投入孔内,再次下沉振冲器,把已填入的碎石振密,并使其向四周挤开,重复前述操作过程,直至制成一根桩。

此类桩的直径取决于基土的原有强度,用水喷还是气喷,以及振冲历时等要素。一般桩径0.6m～1.0m,布置常用方格形或梅花形,孔距 1.0m～3.0m。

实践表明振冲器对碎石桩周围的原有粘性土振实的效果很小。主要靠碎石桩与基土共同构成一种复合地基。如果设置碎石桩上基础为刚性的,则在地面处桩与土的下沉量是等量的,由于碎石桩的变形模量远大于基土,所以上部荷载传于桩的远大于基土,因此,碎石桩可提高地基承载力。

利用振冲器加固地基的方法有两种。其一是振密法,适用于砂土地基;另一种为振冲置换法,适用于粘性土地基。

(3)高压喷射注浆法(旋喷法)

此法以高压喷射直接冲击破坏土体,使水泥浆液与土体拌和,凝固后成为拌和桩体。

施工时,用钻机钻孔到所需深度,然后用高压泵沿着钻杆压入水泥浆。通过钻杆底端喷嘴向周围土体喷射浆液,同时以一定速度使钻杆既旋转又上升。使一定范围的土体受到破坏,并且与浆液混合,胶结硬化成为旋喷桩。

高压旋喷法加固地基主要用于软弱土层,对砂类土、粘性土、黄土和淤泥均能进行加固,效果较好,该法设备简单、轻便、施工噪音小,可用于水工建筑物或建筑物基坑支护结构的防渗止水。

(4)深层搅拌法

深层搅拌法是用于加固饱和软粘土的技术。它是利用水泥、石灰或其他材料作为固化剂的主剂,通过特别的深层搅拌机械,在地基深处就将软土和固化剂强制搅拌成水泥土,利用固化剂和地基土产生一系列物力化学反应,形成坚硬拌和桩体,与原地基土共同起复合地基作用。

软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理,是由于水泥和土的物力化学反应过程。在水泥加固土中,水泥参量很小,水泥的水解和水化反应是与具有一定活性的介质-土中进行,所以硬化速度缓慢且作用复杂。

深层搅拌法适宜加固各种成因的软粘土,加固深度可到20m。应用此法可使基土不被挤向四周,对邻近的现有建筑物影响较小,施工噪音也小。与垫层法相比可少挖土方,与旋喷法相比可减少水泥用量,与预压法相比施工速度较快。

(5)石灰桩法

此法是在软弱地基土中用机械成孔,填入生石灰块压实形成桩体,利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用和土与石灰的离子的交换反应,凝硬反应等作用,桩体周围土体的物力力学性质得以改善,石灰桩和周围被改善的土体一起组成复合地基,达到加固地基目的。

石灰桩体施工过程中生石灰吸水发生体积膨胀,极易发生堵管现象。此法多采用打入、振入、压入的灌注桩机施工。

2.2 振密挤密法

振密挤密法的原理是采用一定的手段,通过振动,挤压使地基土体空隙比减小,强度提高,采用的方法有重锤夯实法、强夯法、振冲挤密法。

(1)重锤夯实法

此法是利用重锤自由下落时的冲击能来夯实非饱和的表层填土及杂填土地基,使其表层形成一层较为均匀的硬壳层。施工时把重锤提升到一定高度,使锤脱钩自由落下,如此多次反复夯实地基,取得加固效果。

若地基土为非饱和土,且其含水量能接近最优含水量时,夯实的效果最好,反之,若土层为饱和的,且在地下水位以下时,瞬时击实能量作用下,水分不易排出,很难将土夯实,反而变成强度降低了的“橡皮土”。

重锤夯实的效果与锤重、锤底直径、落距、遍数,夯实土的种类及其含水量有关,合理选取以上参数才能取得较好的夯实效果。

(2)强夯法

该法是用特别重的锤(常为80kN～300kN)和高落距(常为8m～20m),对地基表面进行强夯。对于非饱和土,该法的作用基本与重锤夯实法相同,但效果要好的多,但对饱和土二者有本质的不同。强夯是用很大的冲击功,对基土产生很大的冲击波及动应力,改变土的结构及应力状态,引起土层液化,然后使土变密,从而提高土的强度,降低其压缩性,渗透性,以及改善土的抗振动液化性。

强夯法对于加密饱和砂土的效果最为显著,而对于饱和软弱粘土则较差。强夯与重夯的区别不仅只是锤重大,落距高,机理不同,强夯可以夯实饱和土。对于非饱和土,也因冲击能大,可以侧向压密,挤密加固范围大而可将夯点距离拉大。

强夯法的优点是效果显著,设备简单,施工方便,适用范围广且经济等。但缺点是施工时噪音大,振动的冲击能波及周围建筑物及夯击时地下水排出,使其受到一定限制。

(3)振密法

与前述振冲置换法不同,振密法主要用于加固砂层。原理是一方面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,使砂层进一步挤密。

在振冲器的重复水平及侧向挤压作用下,砂土的原有疏松结构逐渐遭到破坏,土粒重新排列,从而变为较密实的结构。如果是饱和松砂,则振动使砂土发生液化而变密,用此种方法可使砂土体积较少10%左右。

研究发现,土体变密与振动的加速度有一定关系,加速度为0.5g时,砂土结构开始破坏;加速度为1.0g～1.5g时,土体变为流体状态,超过 3g时,发生剪胀,不但不变密反而变松。

对粉土或含粉粒较多的粉质砂,振密法的效果很差,可用砂桩或碎石桩法处理。

砂体的渗透系数对挤密效果和灌入速度有影响,若渗透系数小于10-3cm/s时,不宜用振密法;若透系数大于1cm/s时,施工时会由于大量跑水,导致灌入速率十分缓慢。

2.3 排水固结法

排水固结法的原理是软粘土地基在荷载作用下,土中孔隙水缓慢排出,孔隙比减少,地基发生固结变形,同时随超静水压力逐渐消散,土中有效应力增大,地基土强度逐渐增长。

排水固结法常用于解决软粘土的沉降和稳定问题,可以使地基的沉降在加荷预压期内基本完成或大部分完成,使建筑物在使用期间不致产生过大的沉降和沉降差,同时可增强地基土的抗剪强度,提高地基土的承载力和稳定性。为加速土层固结,最有效的方法是设置排水,缩短排水距离,工程上常用砂井和塑料排水带。

排水固结法由排水系统和加压系统组成,按加压系统得不同,可分为堆载预压法、真空预压法等。前者是在地基中形成超静水压力下固结排水,称为正压固结,后者在负超静水压力下排水固结,称为负压固结。

(1)堆载预压法

该法适用于软弱的正常固结或轻度超固结的粉土,粘土或有机质土等地基。在建造建筑物之前,在建筑场地上堆放土料或块石等预压荷载(地质条件适宜的也可降低地下水位的办法来加荷)以使地基加固,等固结已达到要求后,卸除预压荷载,修建建筑物。

(2)砂井法

为了加速预压地基的加固,缩短预压工期,常在地基中埋设排水砂井,使土中水既能在铅直向,也能沿水平辐射向流动,流入排水砂井流出。

从前常在排水井钻孔后填入砂土而成砂井,近年来已用塑料芯板外包滤水纤维布制成,也有用细长的纤维布袋装砂埋入钻孔制成砂井,施工较方便。

(3)真空预压法

真空预压法利用大气压力作为预压荷载,如果条件允许也可在场地埋设井点系统来降低地下水位,一方面可加速排水,另一方面使土的自重增大,起到预压作用。

该法是在土体中总应力保持不变的条件下,通过孔隙压力逐渐降低而使总应力逐渐转化为有效应力的方法。堆载预压法是增加总应力,同时使孔隙水压力增大,再逐步消散,从而使有效应力增加的方法,由于压差的作用而使孔隙水排出,从而土体加固,它们的加固效果是相同的。

真空预压法不需要堆载、省略了加载和卸载工序,缩短了预压时间。所用的设备和施工工艺比较简单,便于大面积施工,同时适用于无法堆载的倾斜地面和施工场地狭窄的地基处理。

为了保证地基在较短预压时间内达到效果,一般采用真空预压和竖向排水体联合使用的方法。真空预压可以和预压堆载法联合进行地基加固,两种方法可叠加。

2.4 反压法

反压台一般用在堤坝工程中,以改善地基的稳定性和渗流条件。

2.5 土工合成材料在地基加固中的应用

土工合成材料是一大类新型建筑材料,该材料具有质量轻、柔性大、强度高、耐腐蚀等特性;生产能够工厂化、成本低、运输和施工方便。

主要作用有以下:

(1)过滤作用:水和气可自由通过土工织物,但是土颗粒却能被截流或有效控制,可用来代替砂砾料来作为反滤层;

(2)加筋作用:使土中应力和应变重新分布,增加其强度和稳定性;

(3)排水作用:流体允许沿着织物平面和垂直织物平面排出,用于地下或坝内排水;

(4)隔离作用:把两种不同粒径的或性质的材料隔开;

(5)防护作用:防止坡面在渗流或波浪力作用下的坍塌、淘刷和失稳;

(6)防渗作用:阻止水、气或有害物质的渗流,用于水池、渠道防渗;

对于具体工程来说,土工合成材料常常同时发挥几种作用,所以使材料用到适当部位,使材料性能得到充分利用。

3 地基处理方法的应用-水泥土换填法

水泥土换填法,常应用在放水涵洞地基处理中,适用地基为细粒土,以防接触冲刷。因水泥土本身为细粒混合土,水泥掺入后提高了土体抗剪强度及抗渗性。换填厚度根据上部结构荷载、及基土允许承载力确定。

在阜康市小泉水库除险加固工程中,放水涵洞地基原状土揭露深度15.1m,岩性主要为低液限粉土、低液限粘土和粉土质砂。

低液限粘土:黄褐色,干燥,硬塑,厚度 0.7m～1.0m,天然密度1.7g/cm3。天然含水量9.6%。该层分布于表层,不宜做为持力层。

低液限粉土:土黄色,干燥,密实,硬塑,埋深0.7m～1.0m。厚度10m,天然密度1.63g/cm3。天然含水量4.2%。液限23.3%,塑限15.6%。压缩模量(Es)为3.8MPa。

粉土质砂:土黄色,干燥,密实,埋深 10.7m,厚度较大,勘探深度内(15.1m)未揭穿。在该层进行标准贯入试验,锤击数N为34～37击。地基承载力建议值120KPa。

放水涵洞的处理方法采用换填水泥土,闸室为竖井,外部尺寸5.1×2.9m,闸高3.79m。设计采用水泥土换填基础。

水泥:土(重量比)=1︰9,换填后水泥土设计承载力≥200kPa,容重≥17kN/m3,渗透系数≤1.0×10-5cm/s。施工后满足设计指标。

通过施工总结,采用大开挖水泥土换填后,基土较为均匀,质量能控制保证,作为开挖深度不大,重要建筑物的基础处理采用水泥土换基可满足相关要求。

4 结语

在近十几年中,又发展了很多类型复合地基,如灰土桩、水泥土换填、水泥粉煤灰碎石土桩等。

这些桩材与桩间土之间应力、应变关系相差很大,基底的桩材应力状态与桩间土应力状态又相互影响,所以在设计中,合理考虑桩土应力比是影响复合地基承载力的重要因素。

设计中应考虑在加荷初期提高桩间土的应力水平,降低桩土应力比,使桩与桩间土更好的共同工作,会提高复合地基的承载力,减少沉降量。

在荷载作用下垫层通过其材料(砂、碎石)的流动补偿,产生桩尖刺入,调整了桩、土应力分配和复合地基的变形,使基础-垫层-复合地基共同作用,有利于桩、土整体强度的发挥。