地基處理優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王東會，馬孝春，付 宇

(中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

1 地基處理優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著人口數(shù)量的不斷增加，為了有效緩解土地資源短缺及交通壓力等的現(xiàn)狀，快速交通和立體化城市成了現(xiàn)當(dāng)代的發(fā)展趨勢。一方面，地下軍用設(shè)施、商場、停車場、儲藏室、發(fā)電站、學(xué)校、油庫和娛樂場所等的廣泛興建創(chuàng)造了廣闊的地下活動空間;鐵路提速，高速公路、機(jī)場、碼頭、電廠等基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建有效地緩解了交通阻塞的壓力。另一方面，特殊土類(濕陷性黃土、膨脹土、紅粘土、多年凍土和鹽漬土等)的廣泛分布，使土的工程特性隨著溫度、濕度等的變化表現(xiàn)出穩(wěn)定性、物理力學(xué)性質(zhì)等的差異性。因此，為保證地基強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性等的要求，必須對軟弱土和特殊土等進(jìn)行行之有效處理[1～4]。這就需要不斷優(yōu)化地基處理技術(shù)。

隨著科技工作者的不懈努力和工程實踐的不斷驗證，我國地基處理技術(shù)不斷優(yōu)化，并已針對不同的施工環(huán)境、工程要求和功能需求，使用不同的加固體形成了系列化的地基處理技術(shù)。其中，地基處理優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展趨勢如下[2，5～11]:

(1)多種處理技術(shù)交叉、綜合應(yīng)用，如受施工環(huán)境等的限制，變換樁的直徑、長短和類型，綜合應(yīng)用各種組合式的復(fù)合地基，目前已成為了行業(yè)的主流技術(shù);

(2)加固超軟、深厚和深挖等地基，從而解決大型基礎(chǔ)過大沉降和不均勻沉降的問題，如上海金茂大廈高420.5 m，占地2.3公頃(2.3×104m2)，鉆孔灌注樁等支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用;溫州世貿(mào)中心大廈高333 m，占地3.1萬m2，采用樁長達(dá)100多米的大口徑鉆孔灌注樁;

(3)加固體自身作為排水通道，提高樁間土和樁端土的固結(jié)效率，如漿固碎石樁在千島湖和京滬高速等高等級高速公路中的應(yīng)用;

(4)建設(shè)節(jié)約和環(huán)境友好型的綜合處理技術(shù)，如以工業(yè)廢料和建筑垃圾等為原料夯擴(kuò)灰渣樁、灰土樁、水泥土樁等的發(fā)展;

(5)注重優(yōu)勢互補(bǔ)，節(jié)約工程造價，如在將沉管樁、鋼樁等插入高壓旋噴水泥土中，形成高噴插芯組合樁(簡稱JPP)，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢;

(6)不斷向?qū)嵱糜行У确较虬l(fā)展，如混凝土芯砂石樁利用超載進(jìn)行預(yù)壓，并把芯樁砂石殼作為豎向排水通道，可有效地縮短工期。

2 地基處理技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

根據(jù)文獻(xiàn)[7]和[11～19]，可大致總結(jié)出地基處理技術(shù)的優(yōu)化發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。

我國地基處理技術(shù)歷史悠久，最早應(yīng)用地基處理技術(shù)大約在3000多年以前，但是對于地基處理技術(shù)的大量應(yīng)用始于1978年以后。

土擠密樁(Earth Pile)在1934年起源于蘇聯(lián)，由阿別列夫首次提出，并成功應(yīng)用于濕陷性黃土地基的加固中。我國于20世紀(jì)50年代將其引入，并逐漸轉(zhuǎn)化為灰土擠密樁(Lime Soil Pile)。

1967年，粉體噴射攪拌樁(Dry Jet Mixing Methed簡稱DJM法)起源于瑞典，并先后傳入日本和我國，先期我國主要是將其應(yīng)用于鐵路和房屋建筑中。

碎石樁法在1835年起源于法國，后來在1938年由S·史蒂爾曼引入德國之后才得到廣泛應(yīng)用。其中，美國于50年代應(yīng)用其加固粘土和砂土地基，我國于1976年首次引入碎石樁法用于南京船體車間的軟土地基加固。

強(qiáng)夯法在1969年起源于法國，由L.Menard發(fā)明，我國于1978年引入，并逐漸將其演化為壓密強(qiáng)夯法和置換強(qiáng)夯法。中國建筑科學(xué)研究院地基所于90年代，研制出夯實水泥土樁法(Rammed Soil-cement Pile)，廣泛應(yīng)用于華北等地區(qū)。

水泥漿攪拌法(Mixed-in-Pile簡稱MIP法)起源于美國，我國于70年代末對其進(jìn)行引進(jìn)研究，并在實際工程中取得了較好的應(yīng)用效果。

1970年，日本在化學(xué)注漿法的基礎(chǔ)上研制出了高壓噴射注漿法(Jet Grouting)，并注重注漿工藝與材料的創(chuàng)新。我國于1983年成功引入這一工法并應(yīng)用于工程實踐中。

水泥粉煤灰碎石樁(Cement-flyash-gravel Pile簡稱CFG樁)是在20世紀(jì)80年代末由中國建筑科學(xué)研究院地基所在碎石樁的基礎(chǔ)上開發(fā)研究的，一方面可以以工業(yè)廢棄物及建筑垃圾為原料，另一方面還可以有效地提高地基承載力，減小地基變形。并且，隨著CFG樁復(fù)合地基理論與實踐的相互促進(jìn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不僅局限于干法鉆進(jìn)上。

土工織物在1977年由Giroud和Perfetti首次提出，后來在1994年的新加坡的國際會議上首次確定了它的工程作用。我國于20世紀(jì)60年代中期，首次應(yīng)用于渠道防滲工程中。

復(fù)合地基在1962年首次提出，經(jīng)過50多年的發(fā)展形成了多種類型的樁。1990年，由黃熙齡院士主持的“復(fù)合地基”專題研討會，促進(jìn)了復(fù)合地基在我國的發(fā)展。

由上述文獻(xiàn)資料可知，我國地基處理技術(shù)大多來源于國外，起步晚。但是，地基處理技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，并結(jié)合國內(nèi)的施工條件不斷優(yōu)化，逐漸形成了中國特色的地基處理技術(shù)，其中深圳地王大廈、國家大劇院、奧運(yùn)工程、廣州中天大廈等的順利建成，充分說明了我國地基處理技術(shù)在實踐應(yīng)用中的先進(jìn)性。除此之外，隨著(JGJ 79－2012)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》、(GB 50007－2011)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、(JGJ/T 210－2010)《剛－柔性樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》、(JGJ 123－2012)《既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范》、(GB/T 50783－2012)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》、(JGJ/T213－2010)《現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》等地基處理技術(shù)相關(guān)規(guī)范的不斷完善，我國地基處理技術(shù)理論也逐步規(guī)范化和系統(tǒng)化。

3 地基處理優(yōu)化技術(shù)

地基處理技術(shù)按照加固機(jī)理的不同，大體可以分為以下4類，如表1所示[7]。由于施工環(huán)境、工程要求、建筑物的使用功能等的限制，滿足變形條件成為現(xiàn)當(dāng)代工程設(shè)計的重點[20]。因此，在使用前需了解各種地基處理技術(shù)的加固機(jī)理、施工工藝和加固優(yōu)勢等條件，結(jié)合工程特點，實時優(yōu)化，達(dá)到控制工后變形的目的。

表1 地基處理技術(shù)的分類[7]

3.1 真空預(yù)壓法

該技術(shù)于1952年由瑞典杰爾曼教授首次提出[21]，我國于1986年將其列為國家級重點推廣項目，現(xiàn)已形成一套技術(shù)理論、施工方法、檢測手段等較為成熟的地基加固技術(shù)，并在最近的規(guī)范修訂中，將“真空－堆載聯(lián)合預(yù)壓”技術(shù)增加到(JGJ79－2011)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中。在工程實踐中，廣泛應(yīng)用于公路和鐵路軟弱土等地基處理中，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。根據(jù)真空預(yù)壓技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展出真空－堆載聯(lián)合預(yù)壓、高真空擊密法、水下真空預(yù)壓、低位真空預(yù)壓、立體真空預(yù)壓、真空－注氣加固法、電滲－真空降水聯(lián)合加固、電滲－真空降水－低能量強(qiáng)夯聯(lián)合加固、劈裂真空預(yù)壓、真空降水聯(lián)合沖壓法等地基處理技術(shù)[22～26]。

該技術(shù)利用密封膜等將土體處于密封狀態(tài)，應(yīng)用水汽排除裝置使內(nèi)部土體形成真空，并利用加壓系統(tǒng)使土體有效應(yīng)力增加，達(dá)到加固的目的。其施工工藝大體分為3個階段，即:施工準(zhǔn)備階段、設(shè)備安裝階段、預(yù)壓加固階段，其施工工藝流程如圖1所示[22，27]。

圖1 真空預(yù)壓施工流程圖[22，27]

技術(shù)中使用加壓系統(tǒng)、塑料排水系統(tǒng)和抽真空所形成的的壓力差進(jìn)行加固，預(yù)壓過程中不產(chǎn)生剪應(yīng)力，無需控制加載速率，達(dá)到加速土體的固結(jié)速度，縮短工期，降低工程造價的目的;真空管連接接頭的發(fā)明還可以有效避免沙粒阻塞的現(xiàn)象，并且，真空預(yù)壓加固區(qū)地下水位測試裝置的發(fā)明使測試方便、快捷，測試結(jié)果更加真實、可靠;除此之外，將塑料排水板插入土體中作為排水通道和加筋體，可以隨時間自動腐蝕，降低對土體的損害，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，加固效果好[22，27，28]。

研究方向[29]:(1)真空預(yù)壓加固深度的影響因素及其計算理論;(2)降水的影響范圍及邊界土體的變形特征;(3)土體強(qiáng)度隨加固過程的變化規(guī)律;(4)工后沉降的檢測技術(shù)。

3.2 砂石墊層法

該技術(shù)主要用于地基處理深度在5 m范圍內(nèi)的軟土地基中，應(yīng)用范圍較小，但可結(jié)合筏板基礎(chǔ)、填石擠土、預(yù)壓等技術(shù)用于建筑物、公路等的基礎(chǔ)加固中，例如滬寧高速公路路基加固中超過1/3的長度應(yīng)用該種技術(shù)[9，30，31]。其施工工藝如表 2[32]，施工工藝流程如圖2所示。

表2 砂土墊層法施工工藝表[32]

圖2 砂土墊層法施工流程圖

地基表層的軟弱土體被強(qiáng)度較高的砂石等材料置換后，可降低基礎(chǔ)附加應(yīng)力，提高地基承載力，減少沉降;砂石墊層的透水性好，并結(jié)合分層碾壓所形成的多層地基，可加速地基固結(jié)，有效縮短工期，降低工程造價，還可消除寒冷地區(qū)地基的凍脹性和濕陷性黃土地區(qū)地基的濕陷性[32～34]。但是，砂石墊層作為一種散體材料，只能承受一定壓力和剪力，不能承受彎矩和拉力，這就限制了砂石墊層抵抗基礎(chǔ)水平位移和不均勻沉降的能力，因此可以與土工織物結(jié)合，形成加筋土墊層。該地基處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于加固油罐、高速公路、鐵路、市政工程等軟土地基。

今后研究方向[35]:(1)土工織物的強(qiáng)度、變形特性、影響范圍及其與土作用的表面特性;(2)土工織物與土接觸面的作用特性;(3)土工織物加筋墊層的穩(wěn)定安全系數(shù)及其抵抗豎向抗變形能力的計算方法。

3.3 復(fù)合注漿技術(shù)

復(fù)合注漿技術(shù)是利用高壓旋噴技術(shù)噴射的高壓水或漿射流破壞土體的固有結(jié)構(gòu)，并利用漿液置換土體中的細(xì)小顆粒，然后，利用靜壓注漿漿液起到滲透、劈裂和擠密的作用。漿體材料的粘結(jié)強(qiáng)度可以提高土體的抗拉、抗剪強(qiáng)度，從而達(dá)到地基加固的目的[36～38]。其施工工藝流程大體可分為[39]:(1)注漿前的準(zhǔn)備工作，包括鉆孔施工和搭建注漿設(shè)備;(2)注漿，先進(jìn)行高壓旋噴注漿，后進(jìn)行靜壓注漿，其中兩種注漿技術(shù)各自的施工工藝、工程應(yīng)用見表3;(3)封孔。

表3 靜壓注漿法與高壓旋噴注漿法的施工工藝和工程應(yīng)用領(lǐng)域[39]

復(fù)合注漿技術(shù)作為一種新型的注漿技術(shù)，將靜壓注漿技術(shù)和高壓旋噴注漿技術(shù)時序結(jié)合而形成的，充分發(fā)揮了2種注漿技術(shù)的優(yōu)點，有效地提高了加固效果，并且注漿材料、施工設(shè)備和技術(shù)、監(jiān)測和檢測手段等方面都得到了發(fā)展[39]。目前隨著漿液種類的不斷增多[40，41]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于已建建筑物的地基加固、樁基加固、深基坑加固、溶洞等復(fù)雜地質(zhì)條件下的地基補(bǔ)強(qiáng)、成礦巷道加固等巖土工程中，可有效減小土體的振動液化[42]，應(yīng)用范圍廣;施工時噪聲和孔徑小、漿液無污染，對周圍環(huán)境影響小，施工方便、快捷;還可以根據(jù)注漿方位的調(diào)整，控制樁體形狀和強(qiáng)度，成樁質(zhì)量好。

進(jìn)一步研究方向[43，44]:(1)為了便于隨時監(jiān)測和檢測注漿的加固效果，需進(jìn)一步研究施工控制技術(shù)的信息化和現(xiàn)場監(jiān)測和檢測技術(shù);(2)為了提高復(fù)合注漿的防滲效果，注重設(shè)計優(yōu)化和加強(qiáng)理論研究;(3)為了更好地了解水泥土的強(qiáng)度特性，注重水泥土的試驗和理論研究。

3.4 現(xiàn)澆混凝土大直徑管樁(Cast-in-Place Concrete Large-Diameter Pipe Pile簡稱PCC樁)

該工法是由劉漢龍教授等人研制的一種適用于軟弱土等地基處理的新型復(fù)合地基處理技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于沿海、內(nèi)地等軟土地基中的港口、高速公路、鐵路、市政道路等大面積地基處理中，并出版了相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[45～47]。

該工法是利用相應(yīng)樁機(jī)(如圖3)提供的振動力將活瓣樁靴保護(hù)下的特定空心圓柱樁體沉入設(shè)計深度，并在腔體內(nèi)澆筑混凝土，分段振動拔樁而形成的大直徑管樁，成樁后結(jié)合土工織物形成復(fù)合地基。

圖3 PCC樁樁機(jī)

在振動力的作用下，一方面可以振搗被灌入的混凝土，另一方面還可以擠密樁間土，達(dá)到提高成樁質(zhì)量和地基加固的目的。并可利用室內(nèi)試驗和樁身彎矩與塑性滑移線的位置關(guān)系，探討單樁極限承載力和水平極限承載力[45，47，48]。其施工工藝如圖 4 所示[49]。

圖4 PCC樁施工流程圖[42]

在相同截面面積的條件下，圓筒形樁較圓柱形樁有較大的外徑，因此可以充分發(fā)揮樁身的摩擦力，提高復(fù)合地基承載力，充分吸收了剛性樁和柔性樁的優(yōu)點，工程造價低[50]。而且由于樁間土可挖除，可以實現(xiàn)人工監(jiān)測與檢測的目的，打破了美國樁基設(shè)計規(guī)范的檢測手段[51]，并可有效避免動測法、鉆探取心試驗和標(biāo)貫試驗等檢測法的弊端，其成樁示意圖見圖5。

研究方向[45]:(1)調(diào)整樁基高度，打破25 m沉樁深度的限制;(2)改善振動裝置，減小施工對周圍環(huán)境的影響。

圖5 PCC樁成樁示意圖

4 結(jié)語與展望

(1)幾十年來，我國地基處理技術(shù)注重創(chuàng)新、不斷優(yōu)化，許多技術(shù)在現(xiàn)當(dāng)代工程中得到了廣泛應(yīng)用，并達(dá)到了控制工后沉降的目的，逐漸形成了高水平的、具有中國特色的工法;但理論落后于實踐的現(xiàn)狀需正視。

(2)以真空預(yù)壓法為核心優(yōu)化出了多種地基處理技術(shù)，同時相應(yīng)施工設(shè)備的研制及改進(jìn)，也促進(jìn)了真空預(yù)壓法的應(yīng)用效果;但是真空預(yù)壓法的加固機(jī)理、計算方法、檢測手段等方面還需要進(jìn)一步研究。

(3)加筋材料的各向異性，在散體材料地基處理技術(shù)中的應(yīng)用，可提高加固體的剛度，有效控制地基基礎(chǔ)的水平位移和不均勻沉降。但是加筋體的強(qiáng)度、變形特性、加固范圍及其與被加固材料接觸面間的接觸特性等方面需要進(jìn)一步研究。

(4)靜壓注漿與高壓旋噴注漿法的有機(jī)結(jié)合，拓寬了注漿法的應(yīng)用領(lǐng)域，但是該技術(shù)的設(shè)計理論、試驗方法、監(jiān)測手段等方面需要改進(jìn)。

(5)地基加固中，注重多種地基處理技術(shù)的交叉、綜合應(yīng)用，復(fù)合地基處理技術(shù)已成為地基加固中的主流技術(shù)，但是這些加固技術(shù)的加固機(jī)理、施工設(shè)備、設(shè)計方法及不同處理技術(shù)下的加固區(qū)的差異沉降的控制等方面，仍需進(jìn)一步研究。

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致謝:在本論文的撰寫過程中，劉漢龍教授提供了一些現(xiàn)場施工的圖片，在此表示衷心的感謝!