加固地基，增強(qiáng)地基的抗震性能

常薈子

（中化二建集團(tuán)公司，山西 太原 030021）

隨著高層建筑的日益增多，要求地基有足夠的整體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，不產(chǎn)生過大的和不均勻的沉降；高層建筑不僅垂直荷載大，更重要的是水平荷載也很大，特別是地震荷載，對地基要求更為嚴(yán)格。這就要求選取最恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸椒ǜ纳频鼗鶙l件，改善地基的動(dòng)力特性，增強(qiáng)地基整體和局部的抗震性能。

1 加固地基改變了軟弱地基原結(jié)構(gòu)狀態(tài)

軟弱黏土顆粒間的凝聚力分為原始凝聚力和固化凝聚力。加固處理后的地基具有以下特性：

（1）從微觀加固機(jī)理分析，強(qiáng)夯法加固過程可表示為：能量轉(zhuǎn)換—液化破壞—壓密固結(jié)—觸變固化。巨大的沖擊能在土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力波，破壞了土體原有結(jié)構(gòu)，打破了土顆粒間的連接，使土體局部發(fā)生液化并產(chǎn)生許多裂縫，孔隙水順利逸出，孔隙水壓力消散，土體固結(jié)。隨著土的觸變性能的恢復(fù)，處于密實(shí)狀態(tài)的粘粒、膠粒和結(jié)晶膠結(jié)物由于粒間距離縮小，可更好地發(fā)揮它們的膠結(jié)作用。

（2）碎石樁復(fù)合地基在成孔和擠密碎石的過程中，樁周土體在水平激振力作用下，產(chǎn)生徑向位移，使樁間土密度提高，孔隙減小，樁間土對樁身有很好的約束作用，承載力比加固前提高60%以上，擠密和振密樁間土是碎石樁復(fù)臺地基承載力提高的主要因素。水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）成樁過程與碎石樁相同，但樁體置換作用明顯，這主要是由樁體材料構(gòu)成所決定的，其石屑可使樁體級配良好，對樁體強(qiáng)度起重要作用，粉煤灰既是細(xì)骨料，又有低標(biāo)號水泥的作用，可使樁體具有明顯的后期強(qiáng)度。水泥粉煤灰碎石樁是黏結(jié)強(qiáng)度較高的樁，樁體強(qiáng)度高、樁上應(yīng)力集中，樁土應(yīng)力比可達(dá)30多，和樁間土組成復(fù)臺地基具有較高的變形模量、剛度和承載能力，抗震性能良好。石灰樁吸水、發(fā)熱、膨脹，土和灰之間發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，樁間土受到成孔擠密、脫水?dāng)D密和膠凝作用。水化物對土顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，使土聚集體積增大，并趨于緊密膠結(jié)作用從根本上改變土的結(jié)構(gòu)，提高了土的強(qiáng)度，而土體的強(qiáng)度將隨齡期的增加而增大。

（3）化學(xué)加固。用水泥漿液、黏土漿液和化學(xué)漿液通過灌注壓入、高壓噴射或機(jī)械攪拌，漿與軟土顆粒間發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，膠結(jié)形成具有整體性、結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度較大、防水性能高和化學(xué)穩(wěn)定性良好的加固土，從而提高軟土地基強(qiáng)度和變形模量。形成與原軟黏土根本不同的結(jié)構(gòu)加固的地基，從本質(zhì)上改變了軟黏土和松砂的物理力學(xué)性質(zhì)，從根本上改變了軟黏土的絮凝結(jié)構(gòu)和砂土的松散狀態(tài)，較大幅度地提高了加固地基的抗剪強(qiáng)度、變形模量、整體剛度和整體穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)了加固地基的抗震性能。

2 地基基礎(chǔ)的抗震加固處理方法

當(dāng)?shù)鼗鶑?qiáng)度不足或壓縮性很大，不能滿足抗震設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)對地基進(jìn)行加固處理。加固處理的目的是增加地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少地基在地震中產(chǎn)生過大的變形。

2.1 換土墊層法

換土墊層法是將基礎(chǔ)底面下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，換填其他無侵蝕的低壓縮性的散體材料，例如中（粗）砂、碎（卵）石、灰土、素土等。然后分層夯實(shí)作為地基的持力層。墊層的作用是提高持力層的承載力，并通過墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用減小墊層下天然層所受的壓力，這就減少了基礎(chǔ)的沉降量。

另外，用透水性較大的材料作墊層時(shí)，軟土中的水分可部分地通過它排出去，從而加速軟土的固結(jié)，工程實(shí)踐證明，在合適的條件下，采用換土墊層法能有效地解決中小型工程的地基欠強(qiáng)問題。

2.2 重錘夯實(shí)法

此法一般適用于處理稍濕的各種黏性土、砂土、雜填土以及濕陷性黃土等。其效果是經(jīng)過夯打之后，地基表面形成一層較密實(shí)的表層硬殼，從而提高地基表層的強(qiáng)度，對于濕陷性黃土夯打可以減少表層的濕陷性，對于雜土可以減少其不均勻性。重錘夯實(shí)的效果與夯錘重量、錘底直徑、落距、錘擊次數(shù)和土的含水量等有密切關(guān)系。只有合理選定參數(shù)，才能達(dá)到預(yù)期的夯實(shí)效果。在土的最優(yōu)含水量的條件下，才能得到最有效的夯實(shí)效果，否則，如土的含水量太小則難以夯實(shí)，含水量太大會出現(xiàn)“橡皮土”等不良現(xiàn)象。

2.3 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法或沖擊加密法，它既適用于可液化的飽和砂土、粉土的加固，又是一種快速加固地基的有效方法。強(qiáng)夯法是在前述重錘夯實(shí)法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，但夯實(shí)機(jī)理卻有區(qū)別。強(qiáng)夯法是用很大的沖擊能（最大可達(dá) 800 t/m）使土中出現(xiàn)很大的沖擊波和應(yīng)力，從而產(chǎn)生以下作用：①土中空隙壓縮；②土體局部液化后密實(shí)；③夯實(shí)點(diǎn)周圍產(chǎn)生裂隙，出現(xiàn)良好的排水通道，孔隙水順利逸出，土體迅速固結(jié)。經(jīng)強(qiáng)夯加固后，地基承載力可提高3～4倍，壓縮性可以降低200%～1000%，其影響深度在10 m以上。目前強(qiáng)夯法的有關(guān)參數(shù)主要是通過室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力同結(jié)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)性施工，以取得一系列有關(guān)數(shù)據(jù)，按照工程要求（如地基承載力、壓縮性及加固深度等）確定。

2.4 振動(dòng)水沖法

振動(dòng)水沖法（簡稱振沖法）是利用在地基中就地振制的砂石樁快速加固松軟地基的方法，該方法適宜加固易于液化的砂土及黏粒含量小于10%的粉土地基。振沖法施工時(shí)是利用一個(gè)內(nèi)裝偏心塊的鋼管振沖器。通過其端部射水，同時(shí)將其垂直地灌入土中，到達(dá)指定深度后，利用偏心塊的旋轉(zhuǎn)使鋼管振動(dòng)，從而使地基加密，并在振沖器周圍形成裂隙，再用礫石、礦渣、砂等粗粒料填入縫隙。對于可液化的砂土，該法的機(jī)理是以振動(dòng)器為點(diǎn)振源，使振沖孔附近一定范圍內(nèi)的土體經(jīng)受周期性剪應(yīng)力而產(chǎn)生超空隙水壓力，暫時(shí)處于液化狀態(tài)，土顆粒得到重新排列而加密。另外，碎石樁還能起排水作用，有利于加速消散地震時(shí)砂層中產(chǎn)生的超孔隙水壓力，進(jìn)一步消除液化趨勢。

2.5 深層擠密法

深層擠密法適用于需將較大范圍內(nèi)的土層擠密加固的情況，施工時(shí)先往土中打入樁管成孔，拔出樁管后向孔中填入砂或其他材料并搗實(shí)。其作用主要是擠密樁周圍的松散土層，使樁和擠密后的土共同組成基礎(chǔ)下的持力層，從而提高地基的強(qiáng)度和減小地基變形。擠密樁所用的填充材料有礫石、砂、石灰、灰土以及土等。在各種材料擠密樁中，砂樁使用得最多，它的作用除提高地基強(qiáng)度和減小地基變形之外，還能有效地防止松散地基在地震時(shí)可能發(fā)生的液化。

2.6 砂井預(yù)壓法

此法適用于深厚的粉土層、黏土層、淤泥質(zhì)黏土層、淤泥層等軟弱地基的加固處理，但不適用于透水性極小的泥炭層。砂井預(yù)壓法的施工步驟是：在軟土層中按一定間距打好一孔孔的井，并在井孔中灌以透水性良好的砂，形成所謂的“砂井”，然后堆載預(yù)壓。這可以大大改善軟土層的排水條件，使土中孔隙水通過砂井，井上口的砂墊層、井下口的透水層排出，從而加速了軟土層在荷載作用下的固結(jié)和強(qiáng)度增長，起到加固地基的作用。砂井直徑一般采用200～400 ram。砂井間距取直徑的8～10倍，砂井的深度應(yīng)穿越地基的受力層，砂井的布置范圍應(yīng)擴(kuò)大到基礎(chǔ)輪廓線以外2～4 m，預(yù)壓荷載最大可超出設(shè)計(jì)荷載的10%～20%。

3 加固地基提高了整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性

深層密實(shí)法的碎石樁復(fù)合地基、石灰樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基提高了地基的整體穩(wěn)定性，碎石樁復(fù)合地基樁間土必須給予足夠的徑向支持力于樁體，樁必須與四周土體的變形相協(xié)調(diào)，否則會在樁體的上部產(chǎn)生鼓脹破壞。在實(shí)際工程中，隨著樁周土側(cè)向約束力的增大，樁的切線模量也越大，樁傳遞豎向荷載的能力增大，對散體樁、樁的擠密效應(yīng)越顯著，樁周土對樁的約束力越大，地基加固效果也就越好，因此被加固的復(fù)合地基其整體剛度也就越大，整體強(qiáng)度增大，其抗震性能增強(qiáng)。為了提高加固地基的整體穩(wěn)定性，設(shè)置護(hù)樁是非常重要的保證。護(hù)樁是在基礎(chǔ)底面范圍之外布置圍護(hù)樁。地基沉降變形主要由兩部分組成：①土體的豎向壓縮變形；②土體的側(cè)向擠出變形。如果在基礎(chǔ)的外圍設(shè)置了護(hù)樁，護(hù)樁的作用使土體側(cè)向擠出變形受到約束，從而減小了復(fù)合地基的變形，提高了復(fù)合地基整體承載能力及整體剛度。對于可液化地基，護(hù)樁的范圍要大一些，才能取得較好的效果。在強(qiáng)震區(qū)，對于填土地基、濕陷性黃土、欠固結(jié)土地基，必須加設(shè)護(hù)樁，方能保證復(fù)合地基的整體穩(wěn)定性，防止土體發(fā)生側(cè)向塑性流動(dòng)，提高復(fù)合地基的抗震性能。石灰樁和水泥粉煤灰碎石樁由于漿材要和樁周圍的土發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，有部分填料會滲入到樁間土中去，與樁間土膠結(jié)成整體，使樁間土的整體性增強(qiáng)，于是樁和樁間土形成一個(gè)變形模量較高的復(fù)合地基，其復(fù)合地基的抗震性能被增強(qiáng)。

4 結(jié)束語

（1）加固的地基從本質(zhì)上改變了軟黏土和松砂的物理力學(xué)性能，改變了軟粒土的原有絮凝結(jié)構(gòu)和松砂的松散狀態(tài)，較大幅度地提高了加固地基的抗剪強(qiáng)度變形模量和整體剛度，從而增強(qiáng)了加固地基的抗震性能。

（2）深層密實(shí)法可有效地改善加固地基的動(dòng)力特性，增強(qiáng)抗震性能，特別是強(qiáng)夯法和振沖碎石樁法消除砂土地基液化勢的可靠性高，能產(chǎn)生預(yù)震效應(yīng)，完全防止砂土液化的發(fā)生。

（3）地基處理提高了加固地基的整體剛度、整體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，提高了復(fù)合地基土的變形模量，改善地基土變形特征，提高地基的承載能力。護(hù)樁在保證加固地基的整體穩(wěn)定性和整體剛度中起著重要作用，可有效地約束加固地基土體產(chǎn)生側(cè)向變形，防止土體發(fā)生側(cè)向塑性流動(dòng)。復(fù)合地基墊層?？梢哉f，從某種意義上形成了自成抗震體系，對其下臥軟土層起到減震效應(yīng)，增強(qiáng)了整個(gè)地基的抗震性能。

（4）厚沖積層和厚軟土層震害最嚴(yán)重。高壓噴射注漿法處理深厚的軟土地基具有獨(dú)特的性能：一是固結(jié)體直徑大、強(qiáng)度高、承載力高；二是處理深度大；三是對樁間土的擠密效應(yīng)固體效應(yīng)，這些性能是其它處理方法無法比擬的。工程實(shí)踐證明：旋噴質(zhì)量有保證，固結(jié)體可靠性高，組成的樁和樁間土復(fù)合地基承載力高，變形量大大減小，可增強(qiáng)厚沖積層和厚軟土層的抗震性能。

進(jìn)行地基抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量發(fā)揮天然地基的承載能力，首先考慮采用天然地基方案。其次考慮采取加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的建筑和結(jié)構(gòu)措施，當(dāng)仍不能滿足抗震要求時(shí)，再考慮采用人工地基加固處理方案。在選擇地基處理方案時(shí)，要結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件、機(jī)具設(shè)備、技術(shù)條件、材料來源以及地基情況選用，同時(shí)還要考慮施工周期和對環(huán)境的影響（如噪聲、衛(wèi)生）等問題，對環(huán)境影響這一點(diǎn)在大中城市的施工中尤為重要。

1 龔曉南.地基處理手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008

2 葉書麟、葉觀寶.地基處理［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997