土木工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)與地基加固技術(shù)的應(yīng)用研究

譚育新 華維設(shè)計集團(tuán)股份有限公司

1 前言

在我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的過程中，建筑行業(yè)一直是中流砥柱，對經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長以及社會的穩(wěn)定發(fā)展有著十分重要的作用。在建筑行業(yè)中，土木工程是建筑的核心與關(guān)鍵，其設(shè)計和施工質(zhì)量會直接影響人們的財產(chǎn)及生命安全。因此，為了保證建筑工程質(zhì)量，必須對土木工程加以重視。本文將從土木工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)與地基加固的角度，展開相關(guān)問題的分析，希望能夠為相關(guān)工作的展開提供有效參考。

2 結(jié)構(gòu)與地基加固的重要性

在土木工程設(shè)計的過程中，結(jié)構(gòu)與地基加固處理非常重要。

首先，其有助于保證土木工程的耐久性。在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計以及建設(shè)的過程中，耐久性是非常重要的指標(biāo)之一，而人為因素、環(huán)境因素等都會影響到工程的耐久性，甚至還會導(dǎo)致整個工程無法滿足實際使用的需求。因此，對土木工程結(jié)構(gòu)與地基進(jìn)行加固處理是保證工程耐久性的重要手段。

其次，有利于提高建筑的抗震性能。對土木工程結(jié)構(gòu)以及地基進(jìn)行加固處理，能夠更好地提升整個建筑的抗震性能，以保障人們的生命和財產(chǎn)安全。由此可見，土木工程結(jié)構(gòu)與地基加固對于建筑使用安全和壽命的重要性。

3 結(jié)構(gòu)與地基加固設(shè)計的原則

3.1 完整性原則

在土木工程設(shè)計中，結(jié)構(gòu)與地基加固技術(shù)的應(yīng)用必須遵循完整性原則。保證整個結(jié)構(gòu)的完整性、連續(xù)性能夠最大程度上發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)的作用。因此，設(shè)計人員需要從整體角度出發(fā)，綜合分析各個結(jié)構(gòu)元件，掌握其安全特性和受力特點，以此為基礎(chǔ)，采取適當(dāng)?shù)募庸碳夹g(shù)，進(jìn)一步提升整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 合理性原則

在土木工程設(shè)計中結(jié)構(gòu)與地基加固技術(shù)的應(yīng)用必須遵循合理性原則。相關(guān)設(shè)計人員在采取各種加固處理方法的過程中，要保證處理方式的合理性，確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足建筑的需求，避免由于使用錯誤加固方式而降低建筑強(qiáng)度。同時，要保證所使用的技術(shù)與周邊施工環(huán)境和條件良好的協(xié)調(diào)，為工程質(zhì)量提供進(jìn)一步的保障。

3.3 實用性原則

在結(jié)構(gòu)與地基加固設(shè)計的過程中，為了有效改善其中存在的問題，降低各個節(jié)點的難度，還應(yīng)當(dāng)遵循實用性原則，以實際的需求為基礎(chǔ)展開加固處理工作，避免設(shè)計方案的華而不實徒增施工難度，要讓整個設(shè)計有理有據(jù)且實用性強(qiáng)。

4 土木工程結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

在土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可以通過以下方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并且起到良好的加固效果。

4.1 增大截面法

增大截面法主要是指在土木工程結(jié)構(gòu)中，使用相同的材料來增大構(gòu)件的截面面積、截面剛度。這是一種較為傳統(tǒng)的加固方法，該方法不僅能夠提高被加固構(gòu)件本身的承載力，同時也能夠改變其自振頻率，在一定程度上改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能，起到良好的加固效果。

在使用該方法加固的過程中，應(yīng)了解可能會影響加固效果的各種因素，比如加固過程中的材料特性、施工工藝、結(jié)合面的構(gòu)造處理等，避免上述因素的不當(dāng)處理影響了加固效果。增大截面法在使用過程中有著十分明顯的優(yōu)點，不僅工藝簡單，成本低廉，而且適用范圍較為廣泛。

4.2 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法（簡稱包鋼法）主要是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)件、四角或兩角包以型鋼，通過型鋼對整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，這也是一種使用范圍十分廣泛的傳統(tǒng)加工方法之一。通常情況下，包鋼加固法可分為干式外包鋼法、濕式外包鋼法等形式，使用該方法可以在基本不增大構(gòu)件截面尺寸的基礎(chǔ)上，最大程度提高其承載力、延性和剛度等。

例如使用天然乳膠混凝土、環(huán)氧樹脂膠等材料進(jìn)行粘貼，是濕式包鋼加固中較為常見的處理方式。使用包鋼加固法進(jìn)行加固的過程中有很多優(yōu)點，其不僅支撐力較為可靠，而且施工較為簡單、勞動量較小，適用于不允許明顯擴(kuò)大原構(gòu)件截面規(guī)格的結(jié)構(gòu)中。但該方式鋼材用量較大，且不適合在無安全防護(hù)的狀態(tài)下應(yīng)用于60℃及以上的高溫環(huán)境。在選擇對結(jié)構(gòu)加固的過程中，設(shè)計人員可以參考成本以及實際應(yīng)用的價值等進(jìn)行綜合考慮。

4.3 體外預(yù)應(yīng)力加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固法也是較為常見的一種加固方法，其主要是指使用外加的預(yù)應(yīng)力鋼拉桿在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的側(cè)面施加預(yù)應(yīng)力，其形式可以為水平預(yù)應(yīng)力拉桿，也可以為下?lián)问筋A(yù)應(yīng)力拉桿，或是兩種方式結(jié)合到一起的組合式拉桿。使用預(yù)應(yīng)力加固法的時候，可使用單側(cè)加固，也可以使用雙側(cè)加固，在整個施工的過程中不需要模塊，在不增大截面尺寸的基礎(chǔ)上提高相關(guān)構(gòu)件的承載力，有效提高了構(gòu)件的延性和剛度。

5 土木工程地基加固技術(shù)

5.1 換填法

換填法主要是指將地基基礎(chǔ)以下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后將強(qiáng)度較高、壓縮性較低、沒有侵蝕性的材料進(jìn)行回填，以保證地基基礎(chǔ)的穩(wěn)固性。通常會使用性能較好的土、砂石、碎石、煤渣以及礦渣等進(jìn)行回填，并且通過人工或是機(jī)械的方式對土層進(jìn)行壓實，形成性能較好的人工地基。與原來的土層相比，換土墊層后所形成的地基基礎(chǔ)具有更高的承載力、剛度較大且變形較小等優(yōu)點。通常換土墊層法主要適用于淺層的地基處理，例如常見的淤泥質(zhì)土、雜填土、濕陷性黃土以及松散素填土等。墊層設(shè)計通常會根據(jù)以下四個參數(shù)來確定：墊層的厚度、寬度、承載力以及沉降。以厚度為例，墊層厚度需要根據(jù)底面處土的自重應(yīng)力、附加應(yīng)力之和不大于同一標(biāo)高處軟弱土層的容許承載力，一般在0.5m～3m范圍內(nèi)即可，若是太厚則會導(dǎo)致施工困難，若是太薄則換土墊層的作用不能夠有效凸顯。

5.2 EPS輕填法

EPS 輕填法主要是指利用輕質(zhì)填料聚苯乙烯泡沫開展地基的加固。EPS 泡沫顆?；旌陷p質(zhì)土內(nèi)含有大量的EPS泡沫，在使用該方法的過程中施工方法十分簡單。相關(guān)材料的拌和只需要使用普通拌和機(jī)或者挖掘機(jī)、鏟車聯(lián)合使用就可以完成，攤鋪使用平地機(jī)、挖掘機(jī)等，碾壓可使用壓路機(jī)、鏟車或者挖掘機(jī)等。由于EPS材料具有超輕性、耐壓縮、耐水性、施工便捷等優(yōu)點，所以其能夠有效解決軟土地基存在的沉降問題，是加固路基的有效方式之一，目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

5.3 加載預(yù)壓法

預(yù)壓法主要是指在不良地基基礎(chǔ)上預(yù)先放置足夠的重物，對地基土進(jìn)行預(yù)壓，使土壤固結(jié)、密實，以此有效加固地基。當(dāng)?shù)鼗恋拿軐嵆潭冗_(dá)到了預(yù)壓標(biāo)準(zhǔn)后，將重物撤去，提高地基土的承載力和穩(wěn)定性。

在使用該方法的過程中，預(yù)壓的堆土荷重應(yīng)大于建筑物的荷重，但是不能超過地基本身的承載力。如果遇到了水量較高的黏土，需要設(shè)置砂井進(jìn)行排水，以縮短預(yù)壓的時間，加速黏土固結(jié)。在該方法應(yīng)用的過程中，主要包括不排水預(yù)壓、排水預(yù)壓以及聯(lián)合預(yù)壓等多種預(yù)壓種類，設(shè)計人員要根據(jù)巖土勘察的結(jié)果選擇合適的預(yù)壓方式，為地基土的穩(wěn)定性及其承載力提供保障。

5.4 深層攪拌法

深層攪拌法主要是指利用水泥、深層攪拌機(jī)等在地基的深部將軟土以及固化劑進(jìn)行強(qiáng)制拌和，使軟土能夠與固化劑之間產(chǎn)生一系列反應(yīng)，進(jìn)而凝結(jié)成一個整體，這個整體不僅有較高的強(qiáng)度，同時也具有良好的水穩(wěn)性，能夠與天然地基結(jié)合形成復(fù)合地基，進(jìn)而提高地基土的整體強(qiáng)度和承載力。這種方法適用于加固較深厚的淤泥質(zhì)土、粉土、含水量較高的黏性土地基等。

為了保證質(zhì)量，在材料配合比設(shè)計的過程中，固化劑可以選用水泥，摻入量為被加固土重量的8%～16%范圍內(nèi)，配合比水泥∶砂漿為1∶1～2 為宜。該方法在應(yīng)用過程中有著一定的優(yōu)勢，加固過程中無振動、無噪聲、無污染、工期短、造價低廉，對相鄰建筑所產(chǎn)生的影響較小。同時，該方法可以建筑物的要求做成相應(yīng)的加固形狀，十分便捷。

5.5 注漿法

注漿法也是較為常見的地基加固方式之一。注漿加固的方法主要是指通過造孔將漿液注入地基的圍巖中，依靠壓力使其能夠向裂隙擴(kuò)散，進(jìn)而讓巖體形成一個加固帶——注漿帷幕，這樣可以有效提高巖體的強(qiáng)度和整體性。該方法通過下堵、上封、中間滲透等多種方式展開施工，其機(jī)理包括填充注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿等多種方式，達(dá)到良好的加固效果。

利用注漿法對地基加固有著非常明顯的優(yōu)勢，其不僅工藝較為簡單、操作便捷，同時其加固效果也較好，對于松散圍巖地基的維修有著重要的作用，特別是對圍巖破壞嚴(yán)重的地基來說，其加固效果更加明顯。

5.6 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法也可以稱之為動力固結(jié)法，其主要是指使用強(qiáng)夯機(jī)對地基土實施強(qiáng)力夯實，在短時間內(nèi)提高地基土的承載力，形成較為均勻且密實的地基，是較為常見且加固效果較好的方式之一。在使用該方法的過程中，對于單位夯擊的能量應(yīng)根據(jù)地基土的類型、結(jié)構(gòu)荷載大小，以及處理深度等進(jìn)行綜合考慮后再確定；對于夯點的夯擊次數(shù)設(shè)計需要根據(jù)試夯次數(shù)與夯沉量關(guān)系曲線確定；夯擊的遍數(shù)需根據(jù)地基土的性質(zhì)進(jìn)行具體確定，通常為2～3 遍為宜，最后以低能量夯擊一遍，達(dá)到良好的加固效果；夯擊的范圍需要大于地基基礎(chǔ)的范圍，大于處理深度的1/2～2/3，且不小于3m。使用該方法實施地基加固的過程中，具有工期短、加固效果好、造價成本相對較低等優(yōu)點，通常適用于碎石土、砂土、濕陷性黃土、雜填土、低飽和度粉土等地基中，見圖1。

6 應(yīng)用實例

某項目為車站綜合樓，根據(jù)勘察資料現(xiàn)實，該地層情況自上而下為素填土（包括大量煤屑、磚塊、少量爐渣和垃圾等，成松散狀）、棱角狀角礫與森灰色沖積再生土、深灰色頁巖與強(qiáng)風(fēng)化巖石等。擬采用鉆孔灌注樁，持力層為頁巖層，靜載檢測結(jié)果顯示，部分承載力無法達(dá)到設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和要求，需要對地基予以加固處理。根據(jù)編制依據(jù)以及工程的實際情況，選擇注漿加固的方式對地基土施實加固處理。

由于本工程存在著軟弱土層且上部存在少量砂礫層，所以選擇由下至上分段式注漿方式展開加固工作，使用了水泥漿等靜壓滲透注漿法，形成相互穿插的脈狀結(jié)石體。

在注漿參數(shù)設(shè)計的過程中，注漿壓力的確定是綜合考慮了覆蓋土壓、漿液種類以及地質(zhì)條件等多種因素后，確定注漿壓力為0.4MPa～1.0MPa；注漿順序使用了先外圍、后內(nèi)部的方式；漿液材料為純水泥漿，將水灰比設(shè)計為1∶1；在注漿量上，經(jīng)過計算每延1m 注漿量為0.8m3；注漿孔的布置使用了梅花型布置方式，間距設(shè)計為1.2m～1.5m 范圍內(nèi)，注漿流量設(shè)計為10L/min～15L/min；注漿花管使用了Ф25mm鍍鋅鋼管。整個加固方案流程設(shè)計為：選擇注漿設(shè)備→成孔→花管制作以及安放→注漿→清洗。

7 結(jié)束語

綜上所述，在土木工程設(shè)計的過程中，結(jié)構(gòu)及地基的加固對于提升整個土木工程的質(zhì)量、穩(wěn)固性和安全性有著重要的作用。因此，設(shè)計人員在遵循相關(guān)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)、地基等部位采取合適的方式進(jìn)行有效加固，掌握更多應(yīng)用效果較好的加固方式和方法，進(jìn)而合理選擇加固方式，為整個工程的穩(wěn)固性提供有效保障。