軟土地基加固方法與支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向

李 波

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136)

1 引言

建筑物以及作用于其上的載荷通過基礎(chǔ)傳遞到地基，因此，地基對于建筑有著舉足輕重的作用。不規(guī)范處理地基會給建筑物造成危害。不均勻沉降導(dǎo)致建筑物傾斜，沉降過大等危害會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失甚至危及生命。因此，地基的質(zhì)量決定著一個工程的好壞。

軟土是指天然含水率大，壓縮性高，承載能力低的一種軟塑到流塑狀態(tài)的黏性土，如淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉土、泥炭、泥炭質(zhì)土等具有高壓縮性的飽和土。主要分布在湛江、寧波、溫州、福州、泉州、香港、澳門、溫州灣、舟山、連云港、天津塘沽、大連灣、長江中下游的上海地區(qū)、珠江下游的廣州地區(qū)等沿海地區(qū)。當(dāng)工程遇到軟土?xí)r需要進(jìn)行加固。

2 軟土地基加固方法

軟土地基加固的方法分為以下幾種：(1)換填墊層法：挖出淺層性質(zhì)不好的土，換填性質(zhì)好的中粗砂，碎石等。(2)擠密壓實法：有表層壓實夯實振動密實法、重錘夯實法、強夯法、沙樁、震沖法幾種。(3)排水固結(jié)法：砂堆載預(yù)壓法、砂井、真空預(yù)壓法、降低水位法、電滲法。(4)攪拌樁法：粉體噴射攪拌法、水泥漿攪拌法、高壓噴射注漿法。(5)灌漿膠結(jié)法：硅化法、水泥灌注法。此外還有土工格柵、土工格室加筋法，熱加固法，凍結(jié)法等。

某工程項目全長18.3 km，總投資達(dá)2.95億元，其中三分之二的路基為軟土路基，可能造成松脹、膨脹、凍脹翻漿、溶蝕及基床危害。針對這一情況，對于軟土處于路基淺部且厚度不大的路段，采取換土墊層法加固。挖除一定厚度的軟土層，用性質(zhì)較好的中粗砂或者碎石進(jìn)行分層回填，每層15～25 cm，達(dá)到最佳含水率時進(jìn)行機械碾壓或者振動夯實。黏土的粒度較小，由于電荷的作用，能將水吸附在其表面形成強結(jié)合水和弱結(jié)合水，其中弱結(jié)合水是黏土具有可塑的成因，因此當(dāng)路基中含有大部分黏土顆粒時，土中水不容易排除，大大影響了路基的承載能力和剛度，需進(jìn)行處理。中粗砂粒度較大，對水的敏感性小于黏土，而且在飽和情況下，固結(jié)時間遠(yuǎn)小于黏土，能夠較快地在荷載下完成沉降，比黏土具有更高的穩(wěn)定性。因此，用中粗砂進(jìn)行軟土地基處理效果好，而且可以就地取材，方便又經(jīng)濟。

對于飽和黏土厚度較大的區(qū)域，可以采取砂樁擠密，碎石樁擠密，混凝土樁擠密，或者粉噴樁進(jìn)行加固。樁體對飽和黏土地基起到置換作用，軟黏土地基具有顆粒細(xì)，摩擦力小，有黏聚力，透水性差，變形較大的特性，樁體打入土內(nèi)后，由于其強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周邊土體的強度，根據(jù)共同受力的原則，土體承受力小而樁體承受的力大，同時通過擠壓作用，施加于軟土路基的超靜孔隙水壓力，可以通過砂樁和碎石樁增加排水路徑排除，不僅加快了土體的排水固結(jié)速度，而且增強了土體的穩(wěn)定性，其抗剪強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不加樁土體。但砂樁和碎石樁由于強度靠樁和土共同承受，其強度低于混凝土樁。根據(jù)本工程的實際情況，選用水泥攪拌樁加固，通過優(yōu)化漿液配比，降低水泥用量，增加可泵性。添加具有防腐防侵蝕的粉煤灰，既保證了水泥樁的質(zhì)量也減少了成本。摻量如下：水泥41.6 kg/m，粉煤灰摻量22.4 kg/m，水灰比：0.54，噴漿攪拌下沉速度0.6～1.0 m/min，攪拌提升速度0.8～1.0 m/min ，送漿壓力保證0.4～0.6 MPa，采用單向深層攪拌樁機及其配套設(shè)備進(jìn)行施工，水泥攪拌樁的施工機械按照試樁工藝進(jìn)行。

另外一些飽和軟黏土較厚的路段，還可以采用排水固結(jié)法對軟土地基加固處理，其原理是通過排除土中水來增加土體的密實度，增大土的承載極限。主要方法有真空預(yù)壓法，該法通過真空形成的壓力差，促使土中水通過管道排出。還可與堆載法聯(lián)合使用，通過堆載給土體施加了超靜孔隙水壓力，加快土體水的排除，還可以通過擠密砂樁或碎石樁結(jié)合墊層進(jìn)行排水，既加固了地基，提高承載力，又能排水，改善地基土的性質(zhì)。應(yīng)用新開發(fā)的抗液化剛性排水樁在剛性樁的側(cè)面沿豎向設(shè)置凹槽，在凹槽中設(shè)置排水管，形成豎向排水通道。這一方法的優(yōu)點是改善了碎石樁排水，而且在防止沙土液化方面效果顯著，但其強度低，僅依靠土體的禁錮作用才能產(chǎn)生強度。

土體的破壞屬于剪切破壞，因此考慮使用土工格柵形成加筋土提高路基的穩(wěn)定性和提高承載能力。

現(xiàn)代加筋土技術(shù)是利用土中摻入的纖維材料來提高強度。

加筋土的破壞有兩種，一種是筋材拉壞而使筋材和土體分離。由于筋材與土體之間的相互作用，加筋土的強度和穩(wěn)定性較無筋土有極大的提高。而提高的原因有各種不同的理論和假說。筋土之間的作用機理可以分為兩大類，一類是摩擦加筋，二是黏聚力原理，還有均值材料原理、彈塑性板層理論等。

土體在受力狀態(tài)下產(chǎn)生向下位移，因為受力不均勻或者土體剛度小，力的擴散性不如木材或者混凝土類大，導(dǎo)致不一致沉降，在荷載作用下的中心位置沉降最多，向兩邊逐漸減少，這樣就會產(chǎn)生一個反拱，會使筋材受到土體的壓力，從而使筋材產(chǎn)生軸向拉力反作用于土體，相當(dāng)于對土施加了一定的側(cè)向約束，增強了土體的剛度和整體性，使得上部傳來荷載的擴散作用明顯增強，軟弱下臥層的豎向附加應(yīng)力分布更加均勻，使得軟弱下臥層頂面的豎向位移與不加筋土體的比明顯減少，且位移分布比較均勻、平緩，降低了軟弱地基中的剪應(yīng)力水平，抑制地基塑性區(qū)的擴展，從而提高了地基承載力，減小地基沉降量，增強地基及路堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高了穩(wěn)定性和整體的剛度。

對于土質(zhì)相對較好的路基，僅僅依靠土工格柵和碎石樁等加固方法效果就可能很好。但是，對于地質(zhì)情況十分復(fù)雜的路基，效果會有限。因此可以碎石樁和土工格柵聯(lián)合使用形成樁網(wǎng)復(fù)合地基，地基既有水平方向加強，也有豎向加強。實踐表明，利用樁網(wǎng)符合地基處理，效果較好。因此，在軟土厚度較大的地方使用樁網(wǎng)復(fù)合地基能夠提高承載力，豎向變形減小且均勻，側(cè)向變形減小。

軟土地基中摻入水泥、石灰等，用噴射、攪拌等方法使之與土體充分混合和固化?；虬岩恍┠芄袒臐{液(水泥漿、水玻璃、氯化鈣等)注入到地基土中空隙，以改善地基土的物理力學(xué)性質(zhì)，達(dá)到加固土體的目的。加入化學(xué)試劑使土膠結(jié)，其強度和穩(wěn)定性大大提高，提高了地基的抗剪能力。

3 支護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向

雖然支護(hù)技術(shù)在近些年有了較快的發(fā)展，但對位置較深，地應(yīng)力較大，地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)的支護(hù)仍是施工中的難題，所以我們需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上研究出行之有效的支護(hù)方法。

3.1 理論完善

需進(jìn)一步完善軟巖的支護(hù)理論，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有了一些解析和經(jīng)驗理論，但這些理論還停留在初步的計算和模擬上，還不能完全精確地描述軟巖支護(hù)的效果。所以，有必要在圍巖支護(hù)理論進(jìn)一步完善軟巖的支護(hù)理論，分別描述不同的支護(hù)形式下的變形，根據(jù)不同的地質(zhì)和現(xiàn)場情況選取合適的支護(hù)方法。目前大多基于經(jīng)驗和工程對比，產(chǎn)生很大支護(hù)冗余，造成材料浪費，間接地增加了工程投資和減慢了施工進(jìn)度。

3.2 設(shè)備研發(fā)

軟巖支護(hù)依靠支護(hù)機械的發(fā)展。常用支護(hù)技術(shù)影響施工進(jìn)度的主要因素有兩方面：一是噴射混凝土的速度及效果；二是錨桿機打眼及安裝速度?；炷羾娚錂C分為粉噴，潮噴，濕噴三類，實際施工中常用濕噴機，相比之前的設(shè)備，不僅減少了噴射的反彈，節(jié)約了材料，同時避免了污染更多的環(huán)境。在以后的設(shè)計施工中，應(yīng)更傾向于設(shè)備組裝化，輕型化，多功能化方向發(fā)展。

3.3 支護(hù)材料研發(fā)

由于支護(hù)施工是一項長時間的工程，所以要求支護(hù)材料的強度必須具有一定的長久性、穩(wěn)定性，但支護(hù)材料長期在巖體中受到空氣、水、水中化學(xué)物質(zhì)的腐蝕時強度會逐漸降低。在施工中采用有抗腐蝕性的材料——玻璃鋼，但是情況不是很理想?？垢g和支護(hù)強度是矛盾的兩個方面，采用抗腐蝕性材料的時支護(hù)強度減小，支護(hù)剛度卻增大了，不能滿足應(yīng)力較大處的支護(hù)要求，因此對支護(hù)材料有了更高的要求。

3.4 支護(hù)后監(jiān)測

工程支護(hù)是一個長期過程，對于支護(hù)體在施工后乃至運營試用期間的必要的受力情況還了解不足，監(jiān)測很少。提前預(yù)測不但可以保障工程的安全，還可類比優(yōu)化支護(hù)施工，既滿足支護(hù)要求又滿足經(jīng)濟要求。以錨桿為例，井下錨桿支護(hù)后，要進(jìn)行綜合監(jiān)測，來驗證初始設(shè)計的合理性和可靠性，并為修正初始設(shè)計提供依據(jù)。目前錨桿支護(hù)的綜合監(jiān)測內(nèi)容有：采用十字布點法監(jiān)測表面位移，采用頂板離層指示儀測試頂板巖層錨固范圍內(nèi)外位移值，錨桿測力計測量錨桿錨固端部和全長的工作阻力。日常監(jiān)測的內(nèi)容有：錨桿錨固力抽檢、頂板離層、錨桿預(yù)緊力矩檢測。但在日常生產(chǎn)中，一些必要的監(jiān)測工作沒有發(fā)揮應(yīng)有作用。因此，應(yīng)在大力宣傳的基礎(chǔ)上，進(jìn)行強制約束，進(jìn)一步加強上述方面的監(jiān)測工作，以保證安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

根據(jù)軟土孔隙率高，含水量大，在荷載作用下極易產(chǎn)生破壞的特征，可結(jié)合工程的要求、地質(zhì)情況、周圍環(huán)境科學(xué)合理選擇軟土地基加固的方法。在本項目施工中，根據(jù)工程實際情況，進(jìn)行了高壓噴射水泥漿處理，并在漿液中加入粉煤灰進(jìn)行調(diào)配，增加了漿液的可泵性，在滿足質(zhì)量要求后，減少了水泥用量，節(jié)約了工程成本。