軟土土質(zhì)條件下地基的加固機(jī)理與仿真試驗(yàn)研究

王述海

（科爾沁右翼前旗住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，內(nèi)蒙古 興安盟 137400）

0 前言

在含水占比較高的情況下，軟土土質(zhì)一般表現(xiàn)出強(qiáng)度比價(jià)低、滲透性比較差、可壓縮性比較高等突出特征。我國(guó)軟土土質(zhì)區(qū)域又大多是經(jīng)濟(jì)富庶地區(qū)、人口稠密地區(qū)，不可避免地要進(jìn)行大量建筑施工作業(yè)。尤其是大型建筑的穩(wěn)定性和安全性，很大程度上是由地基的穩(wěn)定性決定的。在軟土土質(zhì)上建大型建筑，就必須要保證地基的穩(wěn)定性和可靠性。鑒于軟土土質(zhì)的特殊性，常規(guī)的地基建造工藝是無法滿足要求的，必須通過特殊的加固處理才能達(dá)到安全性指標(biāo)。地基的加固處理一般包括4種技術(shù)手段：1）實(shí)現(xiàn)土壤固體顆粒物質(zhì)的進(jìn)一步壓縮。2）實(shí)現(xiàn)土壤中液體水的壓縮。3）排出土層孔隙中的氣體。4）排出土層孔隙中的水分。而這4種技術(shù)手段，前兩項(xiàng)能夠?qū)崿F(xiàn)土層的加固壓縮量不足整體壓縮量的2.5‰，因此主要加固處理應(yīng)該從第三、四種技術(shù)手段著眼。對(duì)軟土土質(zhì)來說，土層孔隙中含氣量非常低，所以軟土土質(zhì)下的地基加固，關(guān)鍵在于如何有效排出土層孔隙中的水分。該文將從這一角度入手探索軟土地基的加固機(jī)理，進(jìn)而通過仿真試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 雙向施壓軟土地基加固技術(shù)及其原理

1.1 垂直方向施加壓力的地基加固原理

對(duì)軟土土質(zhì)來說，因?yàn)橥翆涌紫吨泻休^多的水，不僅會(huì)使土質(zhì)變軟，而且會(huì)導(dǎo)致地基植入后的不穩(wěn)定。一個(gè)最直觀的加固方法，就是將地基即將植入的土層壓縮、夯實(shí)，而從土壤表面在垂直方向上施加壓力，是最容易實(shí)現(xiàn)的加固手段。從垂直方向上施加壓力，對(duì)軟土土質(zhì)的地基進(jìn)行加固的原理如圖1所示。

如圖1所示，所施加的外力直接和土壤表層接觸，通過調(diào)整力度，不斷排擠土層孔隙中的水分，達(dá)到壓縮夯實(shí)土壤、加固地基的效果。圖1中平行向下的箭頭表示垂直向下的壓力。

圖1 垂直方向上施加壓力的軟土土質(zhì)地基加固原理

在加固作業(yè)處理過程中，垂直方向上的壓力一般是由沙袋、石塊、大型土方或特殊形狀的構(gòu)筑物來提供的。當(dāng)這些重物作用在土壤表面時(shí)，土壤單位面積載荷迅速變大，產(chǎn)生超靜水壓力，擠壓土層中的水分從孔隙中流出，達(dá)到排水加固的目的。

1.2 水平方向施加壓力的地基加固原理

與垂直方向上施加壓力的直觀性不同，從水平方向上施加壓力排出土層孔隙中的水分是不太容易想到的一種方法。對(duì)軟土土壤來說，土層表面相對(duì)松軟，在垂直方向上施加壓力更容易達(dá)到排出土層孔隙水分的效果。但是對(duì)表層以下、相對(duì)較深的軟土土壤來說，垂直方向上的持續(xù)壓力也無法再達(dá)到更好的排水效果。對(duì)深層土壤來說，由于黏結(jié)水膜等隔離效果的存在，水平方向上存在相對(duì)凌亂、交錯(cuò)成網(wǎng)的水連通道。如果能夠在水平方向上施加壓力并配合有效的導(dǎo)引處理，就有可能排出軟土土層中更多的水分。這就是水平方向上施加壓力的地基加固原理，如圖2所示。

圖2中，所施加的水平方向壓力作用于表層軟土以下的相對(duì)較深的深層土壤，2組平行的雙向箭頭代表了水平壓力的作用方向。在水平壓力的徑向作用下，深層軟土圖層孔隙中的水分被排出，進(jìn)而在導(dǎo)引下流到地基加固區(qū)域以外。

圖2 水平方向上施加壓力的軟土土質(zhì)地基加固原理

在實(shí)際加固作業(yè)處理中，水平方向上的壓力一般通過特制的壓縮氣囊產(chǎn)生。在地基加工的軟土土壤區(qū)域中挖一些數(shù)量的深孔，將特制壓縮氣囊置于深孔中，然后對(duì)氣囊不斷加壓供氣，使氣囊向外膨脹，形成對(duì)周邊軟土土層的水平壓力，進(jìn)而達(dá)到排水、壓縮、夯實(shí)土壤以及加固地基的效果。

1.3 水平和垂直方向同時(shí)施加壓力的地基加固原理

對(duì)大部分軟土土質(zhì)的建筑施工區(qū)域來說，表層土壤和深層土壤的排水壓縮加固性能并不一致，因此該文提出一種雙向施壓的軟土土質(zhì)地基加固技術(shù)。該加固技術(shù)的基本原理是在軟土土壤的深層植入特制氣囊，通過打氣使氣囊膨脹產(chǎn)生水平壓力，進(jìn)而排出深層土壤孔隙中的水分；在軟土土壤的表層覆蓋重物，通過重物的重力產(chǎn)生垂直壓力，進(jìn)而排出表層土壤孔隙中水分。在水平和垂直2個(gè)方向上的綜合壓力效果，將實(shí)現(xiàn)更好的地基加固，為軟土土質(zhì)建筑施工提供更加有效的解決方案。雙向施壓軟土土質(zhì)地基加固技術(shù)的基本原理如圖3所示。

圖3 雙向施壓軟土土質(zhì)地基加固技術(shù)的原理

2 軟土地基理論加固深度的計(jì)算

垂直方向施加壓力的加固方法僅作用于軟土土壤的表層，因此軟土地基能夠加固的最大理論深度就取決于水平方向施加壓力能夠深入的氣囊深度。

即使在無限區(qū)域的土層，由于土層深度增加以及外加水平力的作用，土壤也會(huì)出現(xiàn)土層之間的滑移。而一旦土層滑移出現(xiàn)，土壤擠壓、水分排出、地基加固都失去了意義。因此，需要計(jì)算水平方向施加壓力的情況下，可以加固的最大理論深度。

根據(jù)土壓力理論，土壓力計(jì)算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：P為主動(dòng)土壓力數(shù)值的大小，P為被動(dòng)土壓力數(shù)值的大小，為土壤重力，為土壤黏度，為土壤深度。

公式（2）中，被動(dòng)土壓力對(duì)應(yīng)的參數(shù)為K，其計(jì)算如公式（3）所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)一般取15度，那么可以得到參數(shù)K的數(shù)值為3。同時(shí)，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，深埋于軟土土壤中的質(zhì)量最好的氣囊，可以承受大約1000 kPa的壓強(qiáng)，那么可以推算出最大理論加固深度，如公式（4）所示。

根據(jù)公式（2）～公式（4）以及現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的系列經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推算出軟土深層加固的最大理論深度為15 m左右。

3 軟土地基加固試驗(yàn)與試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該文進(jìn)行的軟土土質(zhì)條件下地基加固的原理，該文進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)室的既定條件下，無法真正地進(jìn)行地基加固操作，因此用樣土土壤模擬軟土土質(zhì)，用試驗(yàn)氣囊模擬水平加固中的真正氣囊。整個(gè)試驗(yàn)過程包括4個(gè)步驟：第一個(gè)步驟，軟土土壤的樣土調(diào)制；第二個(gè)步驟，試驗(yàn)氣囊安裝；第三個(gè)步驟，垂直壓力和水平壓力施加；第四個(gè)步驟，排水處理和數(shù)據(jù)記錄。

3.1 軟土土壤的樣土調(diào)制

根據(jù)軟土土質(zhì)的土壤特點(diǎn)，將土壤和水分按一定比例進(jìn)行調(diào)制，形成與真實(shí)軟土土質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)基本相同或接近的樣土土質(zhì)。在調(diào)制過程中，充分考慮了土壤黏性以及土層孔隙的含水量等指標(biāo)。樣土土質(zhì)固結(jié)，但松軟、黏度大，達(dá)到了試驗(yàn)要求。在調(diào)制過程中還發(fā)現(xiàn)，受到試驗(yàn)環(huán)境中土壤量少、空氣干燥等影響，樣土中的水分會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)、流失的情況。因此，配套進(jìn)行了樣土養(yǎng)護(hù)，當(dāng)測(cè)試樣土含水量低于65%時(shí)，即進(jìn)行噴淋以保持樣土與真實(shí)軟土土質(zhì)的一致性。

3.2 試驗(yàn)氣囊安裝

受到試驗(yàn)條件的限制，用于施加水平壓力的氣囊不能采用真實(shí)大小的氣囊，此處采用既定比例縮放的特制試驗(yàn)氣囊，作為真實(shí)大小氣囊的替代品。試驗(yàn)氣囊由橡膠材料制成，最大可承受約750 kPa的壓力。試驗(yàn)氣囊在加壓充氣狀態(tài)下，呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形。隨著充氣量不斷加大，試驗(yàn)氣囊最大直徑可以達(dá)到10 cm，試驗(yàn)氣囊最大高度可以達(dá)到40cm。在試驗(yàn)箱體內(nèi)，共安放9個(gè)試驗(yàn)氣囊，如圖4所示。從圖4中可以看出，軟土土壤試驗(yàn)箱體內(nèi)，共安放了9個(gè)試驗(yàn)氣囊，這9個(gè)試驗(yàn)氣囊在箱體空間內(nèi)均勻放置，以達(dá)到均勻施加水平壓力、排出土壤水分的效果。試驗(yàn)中，每個(gè)氣囊有通氣管與充氣加壓裝置相連。

圖4 試驗(yàn)中的氣囊配置

3.3 施加垂直壓力和水平壓力

為了施加水平方向上的壓力，通過安裝好的9個(gè)氣囊充氣加壓即可，這樣可以模擬真實(shí)情況下的深層土壤的土層孔隙排水效果。為了施加垂直方向上的壓力，在試驗(yàn)中，在土壤表層上覆蓋50 cm厚的方形沙箱，形狀正好與試驗(yàn)箱體的內(nèi)腔大小一致。這樣，就同時(shí)模擬了水平方向施壓和垂直方向施壓的效果。

3.4 排水處理和數(shù)據(jù)記錄

在表層沙箱和深層試驗(yàn)氣囊的綜合作用下，試驗(yàn)箱體內(nèi)的軟土土壤同時(shí)受到了水平壓力和垂直壓力的雙重作用，土壤中土層孔隙中的水分會(huì)被排出。為了有效引導(dǎo)這些水流出箱體，分別在箱體側(cè)面配置3個(gè)排水管，效果如圖5所示。

為了直觀地比較雙向施壓排水法的效果，分別采取只采用垂直方向壓力、只采用水平方向壓力的排水加固方法作為該文方法的參照，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，該方法對(duì)軟土土質(zhì)的排水效果最好，同一時(shí)刻下排水量明顯多于其他兩種方法。只在垂直方向上施加壓力的排水方法，在第5個(gè)采樣時(shí)刻后，排水量趨于飽和，這是軟土上方逐漸被壓實(shí)的結(jié)果。相比較來說，水平方向上壓力的排水方法，排水效果會(huì)更持久一些。

表1 3種方法排水量的試驗(yàn)記錄

在試驗(yàn)過程中，按照時(shí)間和參數(shù)的調(diào)整記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。相關(guān)結(jié)果證實(shí)了該文雙向施壓加固方法的有效性，可以用于軟土土壤區(qū)域建筑施工的技術(shù)轉(zhuǎn)化。在實(shí)際中應(yīng)用該文的研究成果，要注意以下3個(gè)細(xì)節(jié)：1）整個(gè)地基加固區(qū)域要比實(shí)際硬件區(qū)域擴(kuò)大30%以上，以保證建筑地基夯入后周邊土質(zhì)的穩(wěn)定性。2）排水區(qū)域的水平方向施壓氣囊排布，可以按照?qǐng)D5中的結(jié)果成比例縮放，保證良好的排水效果。3）排水處理要保證足夠的排水周期，充分去除軟土土質(zhì)中的水分，使土質(zhì)具有更好的穩(wěn)定性。

圖5 試驗(yàn)中的排水處理

4 結(jié)論

我國(guó)軟土土質(zhì)的土壤大多分布在經(jīng)濟(jì)富庶、人口稠密的地區(qū)，如何在這些地區(qū)完成大型建筑施工工作成為建筑行業(yè)的一個(gè)難題。為此，該文以軟土土質(zhì)為研究對(duì)象提出了在軟土條件下進(jìn)行地基加固處理的技術(shù)方法，該方法在土壤表層執(zhí)行垂直加壓排水的處理、在土壤深層執(zhí)行水平加壓排水的處理，通過雙向加壓達(dá)到更好的軟土土質(zhì)排水。在理論分析之后，該文進(jìn)一步分析了實(shí)際情況下的軟土土壤地基加固最大理論深度，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，在軟土土壤箱體內(nèi)配置了9個(gè)試驗(yàn)氣囊以提供水平壓力，在試驗(yàn)箱體頂部放置沙箱以提供垂直壓力，再在試驗(yàn)箱體側(cè)壁配置3個(gè)排水管，以達(dá)到土層孔隙水分的有效排出的效果。試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了該文的雙向施壓排水法的有效性，可以用于軟土土質(zhì)條件下的地基加固處理。