大面积软基处理方法及选型分析

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  摘 要:本文介绍了国内外常见的软基处理方法,主要包括排水固结法、注浆加固法、加筋法、置换法、挤密法以及强夯法等,另外还有国外的几种方法。针对目前这么多方法,怎么选择最合适的处理方法,本文提出了采用模糊数学理论进行软土地基处理方法选型判断,为沿海大面积软基处理提供了理论支持。
  关键词:软基;处理;方法;选型;模糊数学
  Large area of soft ground treatment method and the analysis of model selection
  Zhou Yong-fei
  Construction engineering co., LTD. (shandong is yuan, shandong jinan, 250014)
  Abstract:this paper introduces the common soft ground treatment method at home and abroad, mainly including the drainage consolidation method, the grouting reinforcement method, the reinforcement method, replacement method, compaction method and dynamic compaction method, there are several methods of abroad. In so many ways, how to select the most appropriate treatment method, is proposed in this paper fuzzy mathematics theory is adopted to improve the soft soil foundation treatment method selection, soft foundation treatment provides a theoretical support for the coastal area.
  Keywords:soft soil foundation; To deal with; Methods; Selection; Fuzzy mathematics
  软基指地基中常见的软土,一般是指处于软塑或者流塑状态下的粘性土。其特点是天然含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低,并具有蠕变性、触变性等特殊的工程地质性质,工程特性较差。在软土地基上修建建筑物,如不采取有效的加固措施,就会产生不同程度的坍滑或沉陷等病害。
  1.软土地基常用处理方法
  目前, 国内常见的软土地基处理方法各种各样,包括以下几种:排水固结法、注浆加固法、加筋法、置换法、挤密法以及强夯法等。另外还有一些不常见的方法如热加固法、冻结法、爆破法等。
  (1)排水固结法
  在我国沿海地区和内陆谷地分布着大量的软基,其特点为含水量大、压缩型高、透水性差和强度低,而排水固结法则是一种有效的处理方法。
  排水固结法是指在地基中打入沙井或塑料排水板,然后在上部采用堆载预压或真空预压,使黏土中的水排出,从而提高土质的固结度及地基承载力。根据排水和加压系统的不同排水固结法具体又可分为:堆载法、砂井法、袋装砂井法、电渗法、超载预压法、真空堆载联合预压法及真空预压法等。
  堆载预压法在塑料排水板与其结合共同处理地基后,由于施工简单、工效高、费用省、对土层的扰动小、适应地基变形的性能好等优点在我国发展很快,特别在青岛前湾港的地基处理中得到广泛的应用。该方法根据土质情况分为单级加荷和多极加荷。
  真空预压法是将不透气的薄膜铺设在需要加固的软基表面的砂垫层上,借助射流泵和埋设在垫层中的管道,将膜下土体间的空气抽出,形成真空,使土体排水而压密,从而可以在短时间内达到地基强度的设计要求。
  排水固结法通常适用于处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基,对于厚的泥炭层则要慎重对待。
  (2)注浆加固法
  所谓注浆就是用压送设备将具有冲填和胶结性能的浆液材料注入地层中土颗粒的间隙、土层的界面或岩层的裂隙内,使其扩散、胶凝或固化,以增强地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行托换技术的地基处理技术。
  按灌浆机理的不同,可分为以下几类:
  1)渗入型注浆浆液渗入软土的孔隙或裂缝之中,与软土一起固结为一整体,而地基土层结构基本不受扰动和破坏。该方法适用于存在孔隙或裂缝的地基土层。
  2)劈裂灌浆在较高的灌浆压力作用下,浆液将克服地基中的初始应力和土体抗拉强度,使土体沿垂直于主应力的平面或在土体强度最弱的平面上发生劈裂,进而使渗入型注浆法不可灌入的土体可顺利实施,增大浆液扩散范围,达到软基处理目的。
  3)压密灌浆在地基中灌入较浓的浆液,浆液迫使注浆点附近土体压密而形成浆泡。随着浆泡的增大,灌浆压力也增大,从而产生较大的上抬力。压密灌浆是用浓浆液置换和挤密土体的过程。
  4)电动化学灌浆在地基中插入金属电极并通以直流电,借助电渗作用,将浆液注入土体中。或将浆液注入电渗区,通过电渗使浆液均匀扩散,以提高灌浆效果。
  注浆法适用于岩基、砂土、淤泥、淤泥质黏土、粉土和一般人工填土层等地质情况,适用范围广,加固效果显著,但其成本较高。
  (3)加筋法
  加筋法是指在地基土体中设置水平向筋体,通过土体与筋体间的摩擦作用,使筋体承受拉力,而筋间土体则承受压力及剪应力,进而使加筋土中筋体和土体都能较好发挥自己的潜能,达到提高地基稳定性、减小沉降目的的一种软基处理方法。   加筋法使用的材料可分为典型不可伸长材料(如金属、塑料条、格栅等)和典型可伸长材料(如天然或合成纤维、土工织物布等二类,从处理方法上来又可分为加筋土、土锚、锚定板,土工合成材料,树根桩等。
  加筋土是由多层水平加筋构件与填土交替铺设而成的复合体,构件主要承受土体产生的侧压力,填土则借助于加筋构件的约束而保持稳定。
  加筋法由于要求土粒能够提供较高的剪切阻力,故一般宜选用摩擦角35°,且粒径大于0.08mm的土粒不少于总量85%的土体作为加筋土。而黏性土由于其抗剪强度低(尤其是不排水抗剪强度)且不易排水,且其湿化对强度的损失极为敏感并会产生明显的蠕变效应以及土中的次生矿物易腐蚀金属等,故不宜选用。
  (4)置换法
  由于地域不同、历史成因不同、地质年代不同和上部荷载历史不同等情况而造成浅埋土层呈现极其复杂的特性,如局部性、不均匀性等,因此置换法是行之有效的一种方法。
  置换法又称换填法或换填土层法,是以优质土置换软弱土或不良土,分层碾压或夯实。该方法具体包括机械碾压、重锤夯实、平板震动、强夯挤淤以及爆破等不同原理。通常在港口工程中常用的方法有换填砂垫层、土工织物垫层法、爆破排淤填石法、抛石挤淤等。
  机械碾压法、重锤夯实法、平板震动法常用于浅层不大于3m的软基处理,对湿陷性黄土地基大于5m则不宜;强夯挤淤法适用于厚度较小的淤泥和淤泥质地基;爆破法则适用于饱和净砂、非饱和但经灌水饱和的砂、粉土和湿陷性黄土地基。
  从目前看来,仅通过置换软弱土来解决地基问题是不可能的,通常是结合其他方法如强夯法等使用。
  (5)挤密法
  挤密法是通过振密、挤密进行土质改良,使土体密实,从而达到提高抗剪强度和减小压缩性目的的一种方法。挤密法又可分为两种情况:一种是不加填料;另一种是加填料如碎石桩挤密法等。从严格意义上说,碎石桩挤密法的作用原理是置换不良的地基土来达到处理的效果的,而不是通过碎石桩使地基挤密的。所以通常挤密法也是结合其他方法一起使用的。
  挤密法加固软弱地基有其独特的优点如:加固深度大且直接作用于软弱土的部位,对不均匀天然地基适应性强,施工机具简单,不需水泥和钢材等。该方法适用于可压缩性土地基,如砂土、低饱和粉土和黏性土、湿陷性黄土、杂填土、素填土地基等。
  (6)强夯法
  强夯法又称动力固结法,是通过反复利用落锤产生的巨大夯击能(一般为600kN·m~10000kN·m),在地基中产生冲击波和动应力,对地基土进行挤密,以达到减小土的压缩性、提高土的强度、消除湿陷性黄土的湿陷性,从而提高砂土地基抗液化的能力的一种方法。主要适用于碎石土、砂土、粉土、粘土、杂填土和素填土等地基,也可用来处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基。
  为了将强夯加固地基应用于饱和粘土地基,发展了强夯置换法。其加固机理与强夯法不同,利用重锤高落差产生的高冲击能将碎石、矿渣等物理力学性能较好的材料强力挤入地基,形成一个个碎石墩。利用地基中的碎石墩与墩间土形成碎石墩复合地基,提高地基承载力和减小沉降。
  由于强夯法在工程实践中具有加固效果显著、适用土类广、设备简单、施工方便、节省劳力、施工期短、节约材料、施工费用低等优点,它在我国得到广泛的应用。
  以上只是软土地基的几种常用的加固方法。现在新的加固方法层出不穷,如热力学法、爆破法等,但任何一种方法都有它的特定适用范围,决不可能应对所有的情况。但是,若能联合使用二种或二种以上的方法,那么很多比较棘手的地基问题就能迎刃而解了。
  国外软基处理比较典型有:1) 深层搅拌法、2)化学灌浆法、3)加筋土法、4)地基锚杆法、5)轻型填土法、6)土稳定性处理法、7)土工织物法。
  2.软土地基处理方法选型判断:
  虽然有这么多软土地基处理的方法和成功案例,但是各种地基处理方法都有它的适用范围、局限性和优缺点,加之工程情况复杂、工程地质千变万化,不同工程对地基的要求也不同。对每一个工程采用何种地基处理方法都应从地基条件、处理要求、工程费用以及材料、机具来源等多方面进行综合考虑,以确定合适的处理方法。在确定地基处理方法时,对几种地基处理方法进行技术、经济以及施工工期等比较。同时在确定地基处理方法时。还要注意节约能源,环境保护。
  对于软基处理方案,我们还需要进行系统性评价。软基处理方案评价中的许多因素都具有模糊性,如处理效果的好坏、对环境影响的大小等已成为人们的共识,为了处理影响软基处理方案评价中因素的模糊性,许多研究者努力地运用模糊数学理论来解决软基处理方案评价问题。王建华、李夕兵等提出将模糊优选理论运用到评价和选择地基处理方案中,利用相对优属度来选择最佳处理方案。刘国等人用模糊数学中的聚类分析方法分析几种常用软基处理方案的技术、造价、工期等指标,并对其处理方案进行模糊选择是一种比较直观的数学方法,它解决了模糊语言的归属问题。
  近年来,模糊数学理论在岩土工程中的应用日益增多。除了上述在软基处理方案评价中的应用外,还在边坡稳定性分析、基坑支护的分析与模糊决策、岩土力学与工程专家系统中广泛应用。但是,在用模糊数学来选择软基加固方案时,隶属度和样本数据的确定需要对大量的实际数据进行整理、统计,需要有较丰富经验的人员参与确定,否则动态聚类分析时可能出现“失效”或“失真”现象。
  软基处理方案选型是一个既含有定量因素,又包括定性因素的评价问题,运用传统的数学方法来建立评价模型是比较困难的,而模糊理论是对非定量问题进行分析的有效方法,且在众多的系统优化方法中,层次分析法可以将选择最优地基处理方案这一目标分成几个层次来进行研究,从而将复杂的决策问题简单化、直观化。因此,将模糊理论和层次分析法二者相结合,建立关于选择软基处理方案的多层次分析综合模糊评判模型,对非定量问题进行分析。   (1)进行软土地基处理方法评价时需要考虑的因素很多,因素多带来的问题就是权重分配很难合理,较难真实反映各因素在整体中的地位。另外,在取大舍小的运算过程中筛选掉过多的信息,致使单因素评判失去作用。因此,对模糊综合评判模型进行改进,将需考虑的所有因素按照一定关系分成不同的层次,分别进行逐层的综合评判,即建立多层次分析综合模糊评判模型。具体评判步骤如下:
  1)把因素集U按某种属性划分为s个子集:
  2)对于每一个Ui按初始模型进行综合评判,设Ui的因素重要程度模糊子集为,Ui的总的评价矩阵为Ri,得到:
  bi=Ai·Ri
  3)将每个Ui作为一个元素看待,用bi作为它的单因素评判,即U=﹛U1,U2,…Us﹜的单因素评价矩阵为:
  每个Ui作为U的一部分,可以根据它们的重要性给出权重分配:
  A′==〔a1′,a2′,…as′〕
  于是有二级的综合评判:
  B′= A′·R′
  4)计算: S=BCT
  C为等级矩阵,CT为C的转置矩阵。
  对每个方案重复1一4步骤,计算各自的综合评价系数Si。第1一3步可根据具体情况多次循环,一直到得出满意的综合评判结果,即根据综合评价系数S的大小,选出最佳方案。
  (2)软基处理方案的层次分析
  首先应该确定软土地基处理方案的必需满足的各种客观和主观要求,有如下这几方面的要求:
  1)地基承载力和变形的要求;
  2)场地条件和地基适宜性的限制;
  3)周围环境的约束;
  4)造价和工期的要求;
  5)其它方面必须符合的要求。
  然后从多种可能的方案中选出那些满足制约条件的方案,构成方案层。其次,通过对软土地基处理方案系统的研究,分析如何采用层次分析法和模糊数学对地基方案进行选型,确定出软基处理方案选型时的选择标准,如质量、造价等因素和影响这些因素的进一步的评选指标。
  选型的第一步就是要从多个可能方案中选出可行的方案。这一部分是对地基处理方案的适宜性进行分析,排除掉那些不符合客观情况与实际要求的方法,是地基方案的初步论证,具有“一票否决”的权利。由于该阶段掌握的各方面资料有限,因此相当部分的分析是建立在对场地工程地质条件判断的基础上的,属于经验或半定量的。具体方法是对可能的软土地基处理方案做以下各方面分析:
  1)方案能否满足地基处理的目标。指所选地基处理方案能否满足上层建筑对地基承载力以及变形的要求。这是对地基方案安全可靠的要求,是必须满足的,是首要的约束条件。
  2)方案对场地与地基条件的适宜性分析。分析各种地基处理方案的施工工艺与拟建场地的场地与地基条件是否相宜是非常重要的,也是第一轮的选择中主要要做的工作。这里主要包括以下几个方面内容:
  1)根据地下水位的高低、地基土的类别和工程性质,结合各种地基处理方法的适用范围、工作原理、施工机械与工艺和以往的经验,判断采用的处理方案是否适用。如深层搅拌法应用于粘性土地基时,要求其承载力不大于120kPa,对于过高承载力的地基土进行搅拌,机械的搅拌效果就会很差且不经济。
  2)场地条件是否满足施工对工作面的要求。因为在市区内的工程,周围往往己经有各种建筑了,建筑空间是有限的,不一定能满足各种方案对工作面以及运输的要求。
  3)地基处理方案是否为环境条件允许。因为近年来我国对环境保护越来越重视,对那些污染环境、有噪声的施工方法要求不用或采取必要的措施减轻污染与噪音。
  4)是否满足其它的限制性条件。如:当地是否有采取该地基处理方案所需要的机械设备、材料。当然这些条件并不是非满足不可的,如果不具备的话,也可以从外地运回,但是这样就会导致成本的增加。
  5)对于造价和工期的要求。经过以上的分析之后,就要看预估的造价和工期是否能为业主所接受。
  通过以上几个方面的分析,如果满足要求的话就可以作为备选方案进行下一步比较。因此,地基处理方案的适宜性对地基处理方案选型具有很重要的意义。应尽可能多地征求意见,集思广益,对工程的地质情况以及方案作细致的分析研究,避免由于专业知识的局限性而产生重大的失误。
  进行软土地基处理方案选型就是要对备选方案进行技术经济比较。按照层次分析法要进行以下的一些工作:
  1)确定问题要达到的总目标。本文所要达到的总目标就是对在软弱地基上拟建工程的地基处理方案进行优化,得出比其它方案更适合的方案,使其符合安全可靠、经济适用以及环境保护的要求。
  2)根据问题的性质以及要达到的目标,将问题分解为不同的组成因素,并按照因素间的相互关联以及隶属关系,将因素按不同的层次聚集组合,形成层次分析模型。
  3)进行次一级层次对其隶属的上一级层次的相对重要权值的确定,然后将系统决策分析归结为最低层,即方案层(或措施层)相对最高层即目标层的相对重要性权值的确定、即相对优劣次序的排列问题。
  最后得出的方案是相对于总目标的优劣,即为最合理的方案。
  (3)层次的确定
  选择软土地基处理方案时需要考虑的因素很多,必须要了解对地基方案产生作用和影响的那些因素,以及它们对地基方案所产生的影响程度。如果都采用的话不是一件容易的事情,难免会造成某种程度的重复和缺漏。因此就要分析因素间的并列关系与从属关系,从而明确其因素树结构,将一些性质相同的因素归并到一起,以求能大致体现出方案的特性,减少不必要的重复,避免遗漏。软基处理方案多层次分析综合模糊评判模型的建立在进行方案评价时,经济合理性和技术可行性是必不可少的两大因素,因此将二者列入第一层次。另外,随着社会经济的发展和生活水平的提高,人们越来越注重对环境的保护,故将工程对周围环境的影响也列入第一层次。
  经过对各类影响因素的分析研究,最终将地基方案优化的影响因素确定为:技术可行性、经济合理性和环境影响三个方面。
  1)技术可行性:技术可行性包括考虑软土地基处理方案对当地工程水文地质条件的适应性及现今的理论计算和设计方法是否成熟、当地的经验是否丰富、施工和质量技术监测水平对技术要求的保障程度等。确保工程质量满足工程建筑对地基的要求是首要前提,对于一个地基方案最基本的要求是要满足上层建筑对地基的承载力和变形的要求,即安全与可靠性的要求。
  其中,工程水文地质条件主要是考虑软土性质、软土厚度以及软土的走向及埋深;施工条件主要考虑施工复杂程度、施工设备及施工人员素质。
  2)经济合理性:经济合理性是可行性研究的核心。随着经济的发展,投资效益的观念深入人心,现在国家以及业主们都非常重视工程造价。投资额越高,业主最终所获得利润就会越低,就会造成经济上的浪费。在软土地基处理方案的评价中,经济合理性主要从造价、工期和材料供应这些因素来考虑。
  3)环境影响:由于施工会对周围环境产生影响,如噪音、地基的变化、地下水位的变化、排出的泥水或使用的化学药剂对地下水的污染等,所以在选择施工方法和处理方法时必须全面考虑。在满足不影响周围居民正常生活,不会引起周围建筑的地基的过分不良反应基本要求的前提下,尽量选择那些噪声低、振动小,无污染,几乎不引起周围地基不良反应的方案,这样可以达到环境保护的目的。
  综合以上影响软土地基处理因素的从属关系的分析,划分了如图9-1的软土地基处理方案选型因素层次,即采用三个层次的模糊综合评判模型。
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