建筑工程軟土地基加固施工技術(shù)

馬秀穎

（九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 2 210001）

0 引言

建筑工程地基上的軟土具有含水率高、 孔隙率大、力學(xué)強(qiáng)度低且易變形等特點(diǎn)，在建筑工程中由軟土組成的地基為軟土地基， 地基中的軟土層主要由軟黏性土、淤泥或雜填土等組成。 軟土地基的承載力較低且排水困難， 在受到施工擾動(dòng)后極易發(fā)生建筑工程基礎(chǔ)不均勻沉降和變形， 不利于建筑工程建設(shè)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和傾斜等。 因此，在軟土地基上進(jìn)行建筑工程建設(shè)需要加固軟土地基， 改善軟土層的力學(xué)性能和地基承載力，保障建筑工程結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定。

在目前建筑工程軟土地基的研究中， 主要集中在軟土地基的材料和力學(xué)性能、地基沉降、地基檢測(cè)技術(shù)以及地基穩(wěn)定性的理論計(jì)算和施工技術(shù)方面，通過(guò)多種角度加固軟土地基。

然而，我國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，不同地區(qū)（如沿海、山區(qū)、平原等）的地質(zhì)條件對(duì)地基加固技術(shù)都有不同的要求，需要根據(jù)建筑工程所屬地區(qū)的地質(zhì)條件、氣象條件和周邊建（構(gòu)）筑物的影響考慮地基加固技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

因此，文章針對(duì)建筑工程軟土地基加固施工技術(shù)，從軟土固結(jié)理論出發(fā)，總結(jié)分析軟土地基的類(lèi)型和加固原理，闡述不同條件下軟土地基的加固方法和施工技術(shù)的適用條件，以期為建筑工程軟土地基的加固提供參考。

1 軟土地基固結(jié)理論及加固原理

1.1 軟土固結(jié)理論

建筑工程中的天然土體一般由固-液-氣三相組成，主要成分包括礦物顆粒、孔隙水和氣體。 由于土中礦物顆粒組成的固相一般難以壓縮， 軟土的固結(jié)過(guò)程一般是在外力作用下使得土中的液相和氣相成分減少或壓密， 例如孔隙水流失和孔隙內(nèi)氣體減少等。 在對(duì)軟土進(jìn)行固結(jié)時(shí)，土體在外力的瞬間作用下，土體中的孔隙水承擔(dān)主要作用力。隨著外力的持續(xù)作用， 孔隙水滲出而承擔(dān)外力的孔壓降低，有效應(yīng)力則逐漸增大，土體在有效應(yīng)力作用下則發(fā)生變形。

太沙基固結(jié)理論是在有效應(yīng)力原理的基礎(chǔ)上提出的， 通過(guò)對(duì)土體固結(jié)過(guò)程的初始條件和邊界條件進(jìn)行假定和簡(jiǎn)化， 建立一維單向固結(jié)微分方程，通過(guò)求取微分方程的解析解獲土體固結(jié)規(guī)律。在微分方程的假定條件中， 一般認(rèn)為土體是飽和均質(zhì)的彈性材料， 土中的孔隙水和礦物顆粒不可壓縮， 孔隙水的滲流符合達(dá)西定律且只發(fā)生豎向滲流，土體只發(fā)生豎向變形。

根據(jù)以上假定條件，太沙基一維單向固結(jié)微分方程表達(dá)式如式（1）所示。

式中：u 為孔隙水壓力；Cv 為固結(jié)參數(shù)。

根據(jù)太沙基固結(jié)理論和軟土地基的實(shí)際情況，輸入土體參數(shù)后得到軟土中孔隙水壓力和軟土變形的關(guān)系式。 由于該方法對(duì)土體固結(jié)進(jìn)行了一維簡(jiǎn)化，導(dǎo)致計(jì)算的變形和實(shí)際值存在一定的誤差，但由于計(jì)算快捷、模型簡(jiǎn)單實(shí)用，目前仍被廣泛用于軟土地基加固中。

1.2 軟土地基加固類(lèi)型及原理

根據(jù)軟土固結(jié)理論可知， 土體孔隙水壓力與土體變形密切相關(guān)， 而土體的孔隙水壓力則受到土體滲透系數(shù)、 液體容重、 孔隙比等物理力學(xué)參數(shù)的影響。因此，在工程上通過(guò)改良影響土體孔隙水壓力的主要參數(shù)，從而達(dá)到軟土固結(jié)的目的。根據(jù)參數(shù)改良的方法，可將經(jīng)加固后的軟土地基歸納為兩類(lèi)：

（1）通過(guò)直接改善軟土地基中軟土體的物理力學(xué)參數(shù)， 整體性改良軟土地基的承載力和抵抗變形的能力，從而達(dá)到加固的目的。 這種加固類(lèi)型中，較為常見(jiàn)的是外摻材料（如氧化石墨烯、水泥、砂等）加固法，其原理是在原有軟土中摻入加固材料，使軟土和外摻材料形成有效的加固體， 增強(qiáng)軟土的物理力學(xué)性能。 另外是通過(guò)物理作用改善軟土物理力學(xué)性能，（孔隙率、含水率、等參數(shù)），通過(guò)上述參數(shù)的改良來(lái)影響土體的孔隙水壓力， 提高軟土抵抗變形的能力。 常用方法如真空預(yù)壓法、預(yù)壓法、電滲法等。

（2）通過(guò)外部作用使軟土地基局部進(jìn)行增強(qiáng)加固，或者是通過(guò)置換的方式在軟土地基內(nèi)部增設(shè)加固區(qū)， 通過(guò)外部作用使加固區(qū)和軟土區(qū)形成共同體，從而實(shí)現(xiàn)軟土地基的加固。 這種類(lèi)型的加固方法，較為常見(jiàn)的方法是樁體復(fù)合地基、強(qiáng)夯法、局部鋼筋混凝土加固等。 其原理是在軟土地基局部進(jìn)行加固，通過(guò)外部作用或增強(qiáng)體（樁）對(duì)軟土地基進(jìn)行擠壓，軟土間的相互作用、軟土與增強(qiáng)體的相互擠壓，使得軟土的孔隙率降低、孔隙水排出。

2 軟土地基加固方法及施工技術(shù)

根據(jù)上述軟土地基的加固類(lèi)型，對(duì)現(xiàn)有建筑工程軟土地基的加固方法及適用條件進(jìn)行歸納總結(jié)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 軟土地基加固方法

綜上可知，由于軟土地基的軟土性能、場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件、地基的深度和施工場(chǎng)地的周邊環(huán)境不同，軟土地基的加固方法較多，使用范圍也不一致，因此需要根據(jù)不同的施工條件選擇不同的軟土地基加固方法。 以下將對(duì)現(xiàn)有常見(jiàn)的軟土地基加固方法及其施工技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，基本原理是對(duì)軟土地基進(jìn)行抽真空處理，降低土體中的孔隙水壓力[1]。 真空預(yù)壓法基本步驟如下：

（1）在軟土地基內(nèi)部設(shè)置排水板，形成連通的排水通道。 然后，在排水通道和軟土地基上部鋪設(shè)一層砂墊層。

（2）在砂墊層上部覆蓋一層密封膜，同時(shí)在軟土地基四周布置密封溝；然后將密封膜的四周放入密封溝內(nèi)并回填，從而形成一個(gè)封閉的密封系統(tǒng)。

（3）將真空泵和排水系統(tǒng)相連抽氣，抽至真空狀態(tài)。

（4）隨著施工的進(jìn)行，砂墊層內(nèi)逐漸形成負(fù)壓，軟土地基內(nèi)部土體、排水通道和砂墊層之間產(chǎn)生壓力差，該壓力差使軟土內(nèi)部的孔隙水通過(guò)排水板逐漸排出，進(jìn)而達(dá)到土體加固的效果。

2.2 電滲加固法

電滲加固法是利用直流電場(chǎng)作用對(duì)軟土地基加固的方法， 其原理在于利用軟土中固-液-氣三相中附帶的陰陽(yáng)離子，通過(guò)電場(chǎng)作用，在電滲法的陰極，吸附陽(yáng)離子的極性水分子形成水流排出；在陽(yáng)極，土中存在負(fù)電荷礦物顆粒在電泳作用下向該方向運(yùn)動(dòng)，使陽(yáng)極附近土體的密實(shí)度和強(qiáng)度提高，電場(chǎng)在陰極和陽(yáng)級(jí)的共同作用使得土體加固。

電滲加固法施工時(shí)，首先在加固區(qū)合理布置電極，電極入土的深度根據(jù)軟土層的厚度決定。 然后在土體表面覆蓋一層塑料薄膜，防止加固區(qū)域的水分蒸發(fā)。 最后將各電極進(jìn)行串聯(lián)接到整流器上，然后通電進(jìn)行加固。 加固過(guò)程中，在軟土地基中加快抽水。

2.3 復(fù)合地基加固法

復(fù)合地基法一般是指通過(guò)采用多種加固方法對(duì)土體進(jìn)行局部增強(qiáng)，同時(shí)在內(nèi)部設(shè)置排水系統(tǒng)的排水固結(jié)方法。 該方法主要考慮到環(huán)境和場(chǎng)地的限制，采用單種方法無(wú)法適應(yīng)的情況下，另外考慮到大范圍采用樁基法的造價(jià)較高，從而采用復(fù)合地基加固法。

復(fù)合地基加固法的局部增強(qiáng)一般采用樁基法進(jìn)行加固，如水泥攪拌樁、旋噴樁、鋼筋混凝土樁等[2]。相較于傳統(tǒng)樁基法，復(fù)合地基加固法通過(guò)在局部采用樁基加固，對(duì)周邊土體產(chǎn)生擠壓作用，將土中孔隙水從排水系統(tǒng)中排出。 在復(fù)合地基法施工時(shí)，首先在軟土地基內(nèi)部設(shè)置排水系統(tǒng)，然后根據(jù)軟土層的含水率，選取特定的區(qū)域進(jìn)行以樁基法為主的局部增強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）土中的孔隙水壓力對(duì)土體變形有決定性作用，軟土地基的加固可通過(guò)改良影響土體孔隙水壓力的主要參數(shù)，從而達(dá)到軟土固結(jié)的目的。 根據(jù)參數(shù)改良的方法，可將經(jīng)加固后的軟土地基歸納為整體均勻加固和局部加固兩類(lèi)。

（2）軟土地基加固方法的選擇應(yīng)根據(jù)軟土層厚度、軟土含水率、施工工期和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮。 針對(duì)含水率高、軟土層厚度大以及飽和軟弱土層等特殊條件，建議采用真空預(yù)壓法、電滲加固法和復(fù)合地基加固法對(duì)軟土地基進(jìn)行加固。

（3）文章提出的建筑工程軟土地基加固施工技術(shù)及相關(guān)適用條件，可為類(lèi)似地區(qū)和施工環(huán)境下的建筑工程軟土地基加固提供參考。