塑料排水板与混凝土管桩联合的新型地基处理方法研究

刘怡岑（河南理工大学　万方科技学院，河南　郑州　450000）



塑料排水板与混凝土管桩联合的新型地基处理方法研究

刘怡岑
（河南理工大学万方科技学院，河南郑州450000）

通过介绍排水固结法的固结原理、组成部分及常用的排水材料，堆载预压处理公路软土地基设计及施工要求，以及复合地基加固机理和破坏模式，分别总结了水泥搅拌桩及预应力混凝土管庄在工程应用中使用条件、加固机理、设计原则及施工工艺。通过总结排水固结法与复合地基的特点，提出了组合型复合地基采用塑料排水板与混凝土管桩联合的新型地基处理方法。

塑料排水板；混凝土管桩；地基处理方法

随着国家对基础设施的投资力度加大，近几年高等级公路大量修建，使得大量的新技术、新材料应用到公路建设中。公路的地基处理同样借鉴了其他行业成熟的、大量使用的地基处理技术，使其应用于公路行业为国家建设提供技术支持。目前，公路地基处理中常用的软基处理方法有换填垫层法、预压法、强夯法和强夯置换法、振冲法、灌浆法、水泥搅拌桩、土工合成织物、深层水泥土搅拌桩、木桩、砂桩、预应力管桩、钢管桩、预制混凝土桩和灌注桩等。各种处治措施各有其优缺点，实际应用应因地制宜选用经济合理、适用当地的处治措施。现将对几种常用的处治措施从其加固机理、措施组成等方面分析论述其特点及适用性，并提出新型处理方法［1］。

1　排水固结

排水固结法地基土层本身竖向排水体，通过预压或其他方法使土体中孔隙水逐渐排除，使含水量降低故而土体会逐渐固结，是能够慢慢提高土基强度的一种有效方法。排水固结这种方法，一般是由加压、排水两种系统组成［2］。

排水固结这种方法的原理是改变地基的排水边界条件，加快孔隙水排水速度，排水系统分为3种方式：在土中打设的砂井、袋装砂井或塑料排水板等竖向排水体同地面铺设的砂石垫层构成［3］。

1.1袋装砂井

对于软土结构层厚度较大、路堤比较稳定、填土相对较高的软土路基地区，利用袋装砂井进行处理，可大大提高软土地基竖向排水，同时还能够缩短水平向排水距离，加快软土的固结和沉降速度，从而提高其强度。但是，这种施工方法的工艺流程较复杂，费用相对来说比较高，所以时长较长。袋装砂井的施工是采用土工编织布制成7～12cm直径的袋子，在里面填充砂子［4］。

1.2塑料排水板

此方法与袋装砂井基本相同，但与其相比，该方法较简单、投入的费用和劳动力都较少；其渗滤性和吸水性能都比较好，还有一定的强度、延展率，而且对土的扰动小，预压时间较长，因此在工程中应用广泛。塑料排水板与袋装砂井的作用原理相同，设计方法也基本相同，只是所用材料不同。

1.3真空预压法

在黏土层上面，首先铺设一层砂垫层，然后用薄膜密封住，用真空泵对其抽气，使地下水位降低，然后在大气压等的作用下加速路基固结。即是通过真空来进行抽气，然后在密闭软土基上形成真空的负压力，使土体颗粒之间存在的空气和自由水沿着纵向排出，使其排到上层的砂垫层中，然后经过滤后使其排到软基密封膜外部，土体固结。当然，除此之外，还可采用真空与堆载预压相结合的方法，这两种方法的结合，其原理与单独的真空预压相同，但预压时间缩短了近一半，效果更佳。

2　复合地基法

所谓复合地基，是指在软土地基中加入刚度远大于淤泥的材料制成的桩柱体，对土体进行加强或置换，如水泥黏土桩、碎石桩、砂桩等，由这些刚度大的桩柱体与原有软土组成复合地基。当复合地基上施加荷载后，这些荷载由桩柱体和桩间土共同承担，由此提高了原有地基的承载能力，达到了加固目的。

2.1加固机理

复合地基根据不同的中桩间土的性状、桩体材料、成桩工艺，复合地基的加固机理也不尽相同，综合有以下几个方面。

2.1.1置换作用。复合地基中的桩体强度一定大于桩间土的强度，当有荷载作用时，桩顶所承受的应力比桩间土所承受的应力要大，这样桩体将荷载向土层中传递，减少桩间土承担的荷载应力。

2.1.2垫层作用。复合地基相当于桩与桩间土在加固深度范围内形成复合层，其起到垫层的换土、均匀地基应力和增大应力扩散角等作用。

2.1.3挤密、振密作用。这种作用的原理是：通过振动、振捣、挤压等措施，使土体的孔隙比减小，强度反而提高等，来达到最终的目的。当然对于特殊砂土路基、软弱的黏性土路基等，还可采取重锤或强夯等措施。

此外，还有排水、减载和桩对土的约束作用等。

2.2水泥搅拌桩

水泥搅拌桩是利用施工搅拌机械把水泥等材料作为胶结物，搅拌到土体当中，由胶结物和土体发生一定的物理和化学反应，从而提高地基强度模量。根据桩体的施工方法不同，水泥搅拌桩可分为：水泥浆搅拌（浆喷桩）和粉体喷射搅拌（粉喷桩）2种。

2.2.1水泥搅拌桩加固机理。水泥加固机理是，由于水泥掺量较小，在软土的围绕下，进行水泥的水解和水化反应。所以，水泥加固软土的过程比较缓慢，强度增加较小，土中含水量也在不断变化。

2.2.2水泥搅拌桩的施工工艺。水泥搅拌桩是目前高速公路软基处理中用得较多的处理措施，其施工方法主要有粉体喷射搅拌法和水泥浆搅拌法。前一种方法是利用水泥、石灰等材料作为固结的固化剂，通过搅拌钻机，按照一定的时间和一定的量让其从钻头喷嘴喷出，就地将软土这种土类和固化剂进行强制搅拌。利用这两种物质，让其产生一系列的物理化学反应，让软土结构和水泥柱体结成一种复合地基，这种软土结构要求具有一定的整体性和水稳性。所谓浆液搅拌法，首先就是要把水泥、外掺剂按照计算好的定量的配比倒入搅拌池中，水灰比一般取为1.0∶0.4～1.0∶0.5，然后经过充分拌和，利用灰浆挤压泵将浆液从搅拌头喷嘴挤入软土中，再进行充分的搅拌。这两种方法的机理、计算几乎相同，只是第二种方法所用设备比第一种更简单，因为第二种方法没有灰罐和粉体发送设备，却多出来个挤压泵。

2.3预应力混凝土管桩

截至目前，我国仍旧处在基础设施建设高潮期，通过这些年的发展，对地基的处理技术也提出了更多更高的要求。当然在公路当中，对于地基的处理亦是如此。近年来，预应力混凝土管桩这种软土地基处理方法，在公路工程行业中逐渐被使用。这种管桩属于弱挤土桩，所以其对周围的自然环境和周边的建筑影响都比较小，目前各行业中都在广泛使用。

预应力混凝土管桩的机理如下：当对管桩顶部施加荷载后，桩身外侧摩阻力会首先发挥作用，其次是桩端阻力，但是如果作用于桩身的荷载逐渐增大，当达到一定程度，桩外侧摩阻力会发挥殆尽而丧失作用，这时作用于桩身上的荷载如果还在继续加大，管桩就会沉降，这时所增加的荷载则由桩身的端阻力提供平衡。但是，由于桩身的面积一般都比较小，所以在桩端易出现应力集中等现象。随着作用的荷载进一步加大，达到一定程度后，土体就会出现破坏，向外侧挤出，管桩桩身刺入土体中，桩身端部沉降急剧增大，达到破坏状态。因此，管桩承受的荷载是由外侧摩阻力和桩身端阻力共同承担的。

3　组合型复合地基提出

针对软土层较厚的地区，特别是我国长三角、珠三角及沿海一带，普遍存在着深厚的软土层，采用不同的方法处理较厚的软土层，有着不同的特点。

根据其特点可知，如果在高速公路建设过程中，遇到土质较差的路基，采用单一的处理方法，不能得到满意的工程处理效果。随着软土地基处治技术的理论发展和工程实践的普及，道路工作者对其进行了一定的研究并得到一定的研究成果。章定文、刘松玉等人研究了粉喷桩和排水板组成复合地基的固结特性，成果表明排水板的排水效应、粉喷桩的应力集中效应以及桩土间荷载转移形成的孔压梯度，三者均能加速地基的固结，减少工后沉降；叶观宝和徐超通过研究了组合型复合地基排水固结特性和强度增长规律，发现桩的作用在于提高地基强度和稳定性，减少总沉降和侧向位移，排水板则能够加快地基同结速率，及时提高地基强度，控制工后沉降，都得到很好的处置效果。

本文提出的组合型复合地基采用塑料排水板与混凝土管桩联合的新型地基处理方法，示意图如图1所示。

该方法最大的优点：水泥桩和排水塑料管构成了组合型复合地基，把混凝土桩和排水固结法联合起来，在土层一定深度范围内，利用混凝土桩与桩间土共同组成的复合地基，提高了复合地基的强度与承载力，从而有效减小了软土地基总沉降量，使得能满足工程要求；在土层中设置塑料排水排，为排水提供了通道，可以缩短排水时间，加快了软土层的排水固结，提高了复合层稳定性，地

基土强度逐步提高，地基稳定性得到保证。

图1　组合型复合地基示意图

4　结语

①本文详细介绍了排水固结法的固结原理、组成部分及常用的排水材料，堆载预压处理公路软土地基设计及施工要求。

②介绍了复合地基加固机理和破坏模式，分别总结了水泥搅拌桩及预应力混凝土管庄在工程应用中使用条件、加固机理、及施工工艺。

③通过总结了排水固结法与复合地基的特点，提出了组合型复合地基采用塑料排水板与混凝土管桩联合的新型地基处理方法。

［1］康旭元.地基处理技术的发展与现状［J］.山西建筑，2005（1）：74-75.

［2］JTG D30-2004.公路路基设计规范［S］.

［3］刘孝江.水泥搅拌桩和塑料排水板联合处理软基的试验研究和工程应用［D］.南京：南京林业大学，2005.

［4］陈向阳.高速公路软基处理方案智能评价与优化方法研究［D］.武汉：武汉理工大学，2008.

Research on New Ground Treatment Method of Plastic Drainage Plate and Concrete Pipe Pile

Liu Yicen
（Wanfang College of Science&Technology Henan，Zhengzhou Henan 450000）

By introducing drainage consolidation the consolidation principle，component and common drainage materials，surcharge preloading in treatment of highway soft soil foundation design and construction requirements，and introducing the reinforcement mechanism and the failure modes of the composite foundation，this paper summarized the cement mixing pile and prestressed concrete pipe Zhuang in engineering application conditions of use，the reinforcement mechanism，design principles and construction technology.By summarizing the characteristics of drainage consolidation method and composite foundation，a new type of foundation treatment method was proposed，which was combined with plastic drainage plate and concrete pipe pile.

plastic drainage board；concrete pipe pile；foundation treatment method

TU473.1

A

1003-5168（2016）04-0101-03

2016-03-08

刘怡岑（1994-），女，本科在读，研究方向：土木工程道路桥梁。