論水利工程常用地基處理方法

唐安軍 劉 紅

(新疆昌吉州阜康市水利局水管總站 新疆阜康 831500)

1 概述

各種水工建筑物的地基,都必須考慮上部結構、基礎和地基的共同工作問題。上部結構是水工建筑物的主體;基礎的作用是把上部荷載傳給地基;地基承受上部荷載和基礎的荷載。地基應有足夠的安全度,以保證上部結構和基礎的穩(wěn)定性。

基礎是建筑物和地基之間的連接體?；A把建筑物豎向體系傳來的荷載傳給地基。從平面上可見,豎向結構體系將荷載集中于點,或分布成線形,但作為最終支承機構的地基,提供的是一種分布的承載能力。

根據(jù)使用與布置的要求,上部結構的荷載可能很不均勻,如果直接加在地基上,則使某部分的受荷強度過大,導致該部分地基產(chǎn)生過大變形而破壞,某些部分受荷強度較小,該部分地基承載力不能充分發(fā)揮。所以需在上部結構與地基之間設置合適的基礎,使上部荷載較為均勻地傳給地基,并盡可能利用地基承載力。

建筑物的地基可分為兩類:一類為天然地基,指地基在天然情況下便可滿足變形強度的要求;另一類為人工地基,指必須進行人工處理后才能使用的地基。至于某一地基是否需要處理,則要看上部結構對地基的要求如何,以及地基土的土質(zhì)及其變化而定。綜合上部結構、基礎與地基三方面考慮,并優(yōu)先考慮使用天然地基的方案可行性。

對于地基進行人工處理或改善的概念和基本方法種類較多,目的都是按照建筑物的要求,提高地基土的強度,減少地基土的變形和防止?jié)B透破壞。

一個合理的地基設計,應保證建筑物的變形、強度及滲流穩(wěn)定性都能滿足建筑物設計的各項技術要求,并且在施工方面是可行的,在工程造價上是合理的。

水利工程中常用的地基處理方法見下表,選用地基處理方法時,必須結合工程的具體條件,如地質(zhì)條件、施工條件、上部結構的技術要求,經(jīng)濟價值等因素而定。

2 地基處理方法

2.1 置換拌入法

該方法是將基礎下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖除,然后分層置換填入強度和模量相對高的砂、碎石、灰土等,夯實至要求的密度,形成一個較好的持力層;或在軟弱地基中的部分土層內(nèi)摻入水泥、水泥砂漿,石灰等,形成加固體,與未加固部分形成復合地基,達到提高地基承載力,減少壓縮沉降量的目的。以下介紹幾種常用方法。

(1)換土墊層法

常用的換填料有砂、碎石、灰土、素土、煤渣、及礦渣等,研究表明雖然他們的材料不同,但極限承載力較為接近,不同材料墊層上建筑物的沉降特點也基本相似。墊層的主要作用如下:

①提高基礎的承載力。地基的破壞主要為剪切破壞。因此,其承載力與基礎下土層的抗剪強度有關,若用強度較大的土層代替可能產(chǎn)生剪切破壞的較軟弱土層,可提高地基承載力。

表1 水利工程中常用的地基處理方法概況

②減少沉降量。地基淺層部分的沉降量在總的沉降量中占有較大比重,如果以較密實的材料代替上部軟弱土層,就可減少大部分沉降量,同時墊層還有擴散作用,使作用在下臥層土上的壓力減小,減小了下臥土層的沉降量。

③加速軟弱土層的排水固結。當建筑物的不透水地基直接與軟弱土層接觸時,在荷載作用下,軟弱地基中孔隙水被迫繞基礎兩側排出,使排水距離增大,軟弱土不易固結,形成較大的孔隙水壓力,可能導致地基產(chǎn)生塑性破壞的危險。選擇強度高,透水性大的材料作墊層,可作為良好的排水面加速其下軟弱土層固結及基礎下孔隙水壓迅速消散。

④防止凍脹及消除凍脹土的脹縮作用。粗顆粒的墊層材料,由于孔隙大,不易產(chǎn)生毛細現(xiàn)象,故可防止寒冷地區(qū)中結冰產(chǎn)生的凍脹。同時,換填墊層后,也可消除一部分凍脹土的脹縮作用。

(2)振沖置換法(碎石樁法)

振沖置換法是指利用一個產(chǎn)生高能水平向振動的振沖器。在高壓水流(氣流)下邊振邊沖,在軟弱粘性土地基中成孔,再在孔內(nèi)分批填入碎石等堅硬材料制成的一根根樁體,和原來的粘性土構成復合地基。

該法主要適用于粘性土,若地基土為非飽和土時,用壓力水噴沖;若地基土為部分飽和土時,則多用壓縮空氣噴沖。在飽和的極細砂或粉土中,用此法必須保證孔內(nèi)水位高于靜止地下水位,以防止孔壁塌落。

振沖器在自重作用下,借助振動與噴水而下沉,當沉至預定深度后,便停止下孔噴水,然后提升振沖器,并打開上孔噴水。同時要及時從地面將碎石投入孔內(nèi),再次下沉振沖器,把已填入的碎石振密,并使其向四周擠開,重復前述操作過程,直至制成一根樁。

此類樁的直徑取決于基土的原有強度,用水噴還是氣噴,以及振沖歷時等要素。一般樁徑0.6m～1.0m,布置常用方格形或梅花形,孔距 1.0m～3.0m。

實踐表明振沖器對碎石樁周圍的原有粘性土振實的效果很小。主要靠碎石樁與基土共同構成一種復合地基。如果設置碎石樁上基礎為剛性的,則在地面處樁與土的下沉量是等量的,由于碎石樁的變形模量遠大于基土,所以上部荷載傳于樁的遠大于基土,因此,碎石樁可提高地基承載力。

利用振沖器加固地基的方法有兩種。其一是振密法,適用于砂土地基;另一種為振沖置換法,適用于粘性土地基。

(3)高壓噴射注漿法(旋噴法)

此法以高壓噴射直接沖擊破壞土體,使水泥漿液與土體拌和,凝固后成為拌和樁體。

施工時,用鉆機鉆孔到所需深度,然后用高壓泵沿著鉆桿壓入水泥漿。通過鉆桿底端噴嘴向周圍土體噴射漿液,同時以一定速度使鉆桿既旋轉(zhuǎn)又上升。使一定范圍的土體受到破壞,并且與漿液混合,膠結硬化成為旋噴樁。

高壓旋噴法加固地基主要用于軟弱土層,對砂類土、粘性土、黃土和淤泥均能進行加固,效果較好,該法設備簡單、輕便、施工噪音小,可用于水工建筑物或建筑物基坑支護結構的防滲止水。

(4)深層攪拌法

深層攪拌法是用于加固飽和軟粘土的技術。它是利用水泥、石灰或其他材料作為固化劑的主劑,通過特別的深層攪拌機械,在地基深處就將軟土和固化劑強制攪拌成水泥土,利用固化劑和地基土產(chǎn)生一系列物力化學反應,形成堅硬拌和樁體,與原地基土共同起復合地基作用。

軟土與水泥采用機械攪拌加固的基本原理,是由于水泥和土的物力化學反應過程。在水泥加固土中,水泥參量很小,水泥的水解和水化反應是與具有一定活性的介質(zhì)-土中進行,所以硬化速度緩慢且作用復雜。

深層攪拌法適宜加固各種成因的軟粘土,加固深度可到20m。應用此法可使基土不被擠向四周,對鄰近的現(xiàn)有建筑物影響較小,施工噪音也小。與墊層法相比可少挖土方,與旋噴法相比可減少水泥用量,與預壓法相比施工速度較快。

(5)石灰樁法

此法是在軟弱地基土中用機械成孔,填入生石灰塊壓實形成樁體,利用生石灰的吸水、膨脹、放熱作用和土與石灰的離子的交換反應,凝硬反應等作用,樁體周圍土體的物力力學性質(zhì)得以改善,石灰樁和周圍被改善的土體一起組成復合地基,達到加固地基目的。

石灰樁體施工過程中生石灰吸水發(fā)生體積膨脹,極易發(fā)生堵管現(xiàn)象。此法多采用打入、振入、壓入的灌注樁機施工。

2.2 振密擠密法

振密擠密法的原理是采用一定的手段,通過振動,擠壓使地基土體空隙比減小,強度提高,采用的方法有重錘夯實法、強夯法、振沖擠密法。

(1)重錘夯實法

此法是利用重錘自由下落時的沖擊能來夯實非飽和的表層填土及雜填土地基,使其表層形成一層較為均勻的硬殼層。施工時把重錘提升到一定高度,使錘脫鉤自由落下,如此多次反復夯實地基,取得加固效果。

若地基土為非飽和土,且其含水量能接近最優(yōu)含水量時,夯實的效果最好,反之,若土層為飽和的,且在地下水位以下時,瞬時擊實能量作用下,水分不易排出,很難將土夯實,反而變成強度降低了的“橡皮土”。

重錘夯實的效果與錘重、錘底直徑、落距、遍數(shù),夯實土的種類及其含水量有關,合理選取以上參數(shù)才能取得較好的夯實效果。

(2)強夯法

該法是用特別重的錘(常為80kN～300kN)和高落距(常為8m～20m),對地基表面進行強夯。對于非飽和土,該法的作用基本與重錘夯實法相同,但效果要好的多,但對飽和土二者有本質(zhì)的不同。強夯是用很大的沖擊功,對基土產(chǎn)生很大的沖擊波及動應力,改變土的結構及應力狀態(tài),引起土層液化,然后使土變密,從而提高土的強度,降低其壓縮性,滲透性,以及改善土的抗振動液化性。

強夯法對于加密飽和砂土的效果最為顯著,而對于飽和軟弱粘土則較差。強夯與重夯的區(qū)別不僅只是錘重大,落距高,機理不同,強夯可以夯實飽和土。對于非飽和土,也因沖擊能大,可以側向壓密,擠密加固范圍大而可將夯點距離拉大。

強夯法的優(yōu)點是效果顯著,設備簡單,施工方便,適用范圍廣且經(jīng)濟等。但缺點是施工時噪音大,振動的沖擊能波及周圍建筑物及夯擊時地下水排出,使其受到一定限制。

(3)振密法

與前述振沖置換法不同,振密法主要用于加固砂層。原理是一方面靠振沖器的強力振動使飽和砂層發(fā)生液化,砂顆粒重新排列,孔隙減少;另一方面依靠振沖器的水平振動力,使砂層進一步擠密。

在振沖器的重復水平及側向擠壓作用下,砂土的原有疏松結構逐漸遭到破壞,土粒重新排列,從而變?yōu)檩^密實的結構。如果是飽和松砂,則振動使砂土發(fā)生液化而變密,用此種方法可使砂土體積較少10%左右。

研究發(fā)現(xiàn),土體變密與振動的加速度有一定關系,加速度為0.5g時,砂土結構開始破壞;加速度為1.0g～1.5g時,土體變?yōu)榱黧w狀態(tài),超過 3g時,發(fā)生剪脹,不但不變密反而變松。

對粉土或含粉粒較多的粉質(zhì)砂,振密法的效果很差,可用砂樁或碎石樁法處理。

砂體的滲透系數(shù)對擠密效果和灌入速度有影響,若滲透系數(shù)小于10-3cm/s時,不宜用振密法;若透系數(shù)大于1cm/s時,施工時會由于大量跑水,導致灌入速率十分緩慢。

2.3 排水固結法

排水固結法的原理是軟粘土地基在荷載作用下,土中孔隙水緩慢排出,孔隙比減少,地基發(fā)生固結變形,同時隨超靜水壓力逐漸消散,土中有效應力增大,地基土強度逐漸增長。

排水固結法常用于解決軟粘土的沉降和穩(wěn)定問題,可以使地基的沉降在加荷預壓期內(nèi)基本完成或大部分完成,使建筑物在使用期間不致產(chǎn)生過大的沉降和沉降差,同時可增強地基土的抗剪強度,提高地基土的承載力和穩(wěn)定性。為加速土層固結,最有效的方法是設置排水,縮短排水距離,工程上常用砂井和塑料排水帶。

排水固結法由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成,按加壓系統(tǒng)得不同,可分為堆載預壓法、真空預壓法等。前者是在地基中形成超靜水壓力下固結排水,稱為正壓固結,后者在負超靜水壓力下排水固結,稱為負壓固結。

(1)堆載預壓法

該法適用于軟弱的正常固結或輕度超固結的粉土,粘土或有機質(zhì)土等地基。在建造建筑物之前,在建筑場地上堆放土料或塊石等預壓荷載(地質(zhì)條件適宜的也可降低地下水位的辦法來加荷)以使地基加固,等固結已達到要求后,卸除預壓荷載,修建建筑物。

(2)砂井法

為了加速預壓地基的加固,縮短預壓工期,常在地基中埋設排水砂井,使土中水既能在鉛直向,也能沿水平輻射向流動,流入排水砂井流出。

從前常在排水井鉆孔后填入砂土而成砂井,近年來已用塑料芯板外包濾水纖維布制成,也有用細長的纖維布袋裝砂埋入鉆孔制成砂井,施工較方便。

(3)真空預壓法

真空預壓法利用大氣壓力作為預壓荷載,如果條件允許也可在場地埋設井點系統(tǒng)來降低地下水位,一方面可加速排水,另一方面使土的自重增大,起到預壓作用。

該法是在土體中總應力保持不變的條件下,通過孔隙壓力逐漸降低而使總應力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應力的方法。堆載預壓法是增加總應力,同時使孔隙水壓力增大,再逐步消散,從而使有效應力增加的方法,由于壓差的作用而使孔隙水排出,從而土體加固,它們的加固效果是相同的。

真空預壓法不需要堆載、省略了加載和卸載工序,縮短了預壓時間。所用的設備和施工工藝比較簡單,便于大面積施工,同時適用于無法堆載的傾斜地面和施工場地狹窄的地基處理。

為了保證地基在較短預壓時間內(nèi)達到效果,一般采用真空預壓和豎向排水體聯(lián)合使用的方法。真空預壓可以和預壓堆載法聯(lián)合進行地基加固,兩種方法可疊加。

2.4 反壓法

反壓臺一般用在堤壩工程中,以改善地基的穩(wěn)定性和滲流條件。

2.5 土工合成材料在地基加固中的應用

土工合成材料是一大類新型建筑材料,該材料具有質(zhì)量輕、柔性大、強度高、耐腐蝕等特性;生產(chǎn)能夠工廠化、成本低、運輸和施工方便。

主要作用有以下:

(1)過濾作用:水和氣可自由通過土工織物,但是土顆粒卻能被截流或有效控制,可用來代替砂礫料來作為反濾層;

(2)加筋作用:使土中應力和應變重新分布,增加其強度和穩(wěn)定性;

(3)排水作用:流體允許沿著織物平面和垂直織物平面排出,用于地下或壩內(nèi)排水;

(4)隔離作用:把兩種不同粒徑的或性質(zhì)的材料隔開;

(5)防護作用:防止坡面在滲流或波浪力作用下的坍塌、淘刷和失穩(wěn);

(6)防滲作用:阻止水、氣或有害物質(zhì)的滲流,用于水池、渠道防滲;

對于具體工程來說,土工合成材料常常同時發(fā)揮幾種作用,所以使材料用到適當部位,使材料性能得到充分利用。

3 地基處理方法的應用-水泥土換填法

水泥土換填法,常應用在放水涵洞地基處理中,適用地基為細粒土,以防接觸沖刷。因水泥土本身為細?；旌贤?水泥摻入后提高了土體抗剪強度及抗?jié)B性。換填厚度根據(jù)上部結構荷載、及基土允許承載力確定。

在阜康市小泉水庫除險加固工程中,放水涵洞地基原狀土揭露深度15.1m,巖性主要為低液限粉土、低液限粘土和粉土質(zhì)砂。

低液限粘土:黃褐色,干燥,硬塑,厚度 0.7m～1.0m,天然密度1.7g/cm3。天然含水量9.6%。該層分布于表層,不宜做為持力層。

低液限粉土:土黃色,干燥,密實,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%。壓縮模量(Es)為3.8MPa。

粉土質(zhì)砂:土黃色,干燥,密實,埋深 10.7m,厚度較大,勘探深度內(nèi)(15.1m)未揭穿。在該層進行標準貫入試驗,錘擊數(shù)N為34～37擊。地基承載力建議值120KPa。

放水涵洞的處理方法采用換填水泥土,閘室為豎井,外部尺寸5.1×2.9m,閘高3.79m。設計采用水泥土換填基礎。

水泥:土(重量比)=1︰9,換填后水泥土設計承載力≥200kPa,容重≥17kN/m3,滲透系數(shù)≤1.0×10-5cm/s。施工后滿足設計指標。

通過施工總結,采用大開挖水泥土換填后,基土較為均勻,質(zhì)量能控制保證,作為開挖深度不大,重要建筑物的基礎處理采用水泥土換基可滿足相關要求。

4 結語

在近十幾年中,又發(fā)展了很多類型復合地基,如灰土樁、水泥土換填、水泥粉煤灰碎石土樁等。

這些樁材與樁間土之間應力、應變關系相差很大,基底的樁材應力狀態(tài)與樁間土應力狀態(tài)又相互影響,所以在設計中,合理考慮樁土應力比是影響復合地基承載力的重要因素。

設計中應考慮在加荷初期提高樁間土的應力水平,降低樁土應力比,使樁與樁間土更好的共同工作,會提高復合地基的承載力,減少沉降量。

在荷載作用下墊層通過其材料(砂、碎石)的流動補償,產(chǎn)生樁尖刺入,調(diào)整了樁、土應力分配和復合地基的變形,使基礎-墊層-復合地基共同作用,有利于樁、土整體強度的發(fā)揮。