建筑工程中软土地基的处理方法及其工艺要点

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  【摘 要】结合工程实践,介绍软土及软土地基的定义,通过简述软土地基在建筑工程中的危害,进而对建筑施工中软土地基常用的处理方法作详细说明,提出强夯法、换土垫层法、粉体喷射搅拌法、浆灌桩(深层水泥搅拌桩和深层水泥搅拌桩)、砂垫层和砂石垫层换填等处理方法及其工艺要点。
  【关键词】建筑工程;软土地基;处理方法;工艺要点
  
  1 软土地基中的相关术语定义
  1.1 软土定义
  软土是指天然含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑到流塑状态的饱和黏土,多分布在沿海、内陆、平原、山区的湖泊河滩周边等地区,具有天然含水量高,一般液限wL值较高;天然孔隙比e>1.0。当软土由生物化学作用形成e>1.5时为淤泥,天然孔隙比1.0<e<1.5时为淤泥质土;压缩性高,压缩系数a1-2 > 0.5m2/mm;强度低,不排水抗剪强度<0.03MPa,长期强度更低;渗透系数小(K= 10-7-10-8cm/s)、固结系数小、灵敏度高、易受扰动、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。
  1.2 软土地基定义
  软土地基在学术界还没有统一定论,中国公路行业规范对软土地基定义是指强度低,压缩量较高的软弱土层,多数含有一定的有机物质。日本高等级公路设计规范将其定义为:主要由粘土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭以及松散砂等土层构成,日本在给出软土地基定义时指出:软土地基不能简单地只按地基条件确定,因填方形状及施工状况而异,有必要在充分研究填方及构造物的种类、形式、规模、地基特性的基础上,判断是否应按软土地基处理。
  在上述定义基础上,结合国内外对软土的定义,笔者认为软土地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。同时,在建筑地基的局部范围内有高压缩性土层时应按局部软弱土层考虑,施工中,宜先建重、高部分,后建轻、低部分。
  1.3 软土地基工程的性质
  主要有:(1)触变性。软土在未破坏时,具固态特征,一经扰动或破坏,即转变为稀释或其他形式的流动状态;(2)高压缩性。压缩系数大,经理论测试,大部分压缩变形垂直压力峰值约为0.1Mpa;(3)低透水性。软土的透水性很低,可认为是不透水的,因此软土排水固结需要很长时间;(4)不均匀性。软土由微细的和高分散的颗粒组成,土质不均匀,当建筑荷载不均匀时,将会使建筑物产生较大的差异沉降,造成建筑物裂缝或损坏;(5)流变性。在一定剪应力作用下,具有发生缓慢长期变形的性质,且长期强度小于瞬时强度。
  2 软土地基在实际工程中的危害
  软土地基在实际工程中,无论是从勘查设计还是从现场施工角度看,其危害均是巨大的,勘察设计不详细或不准确,导致对应该做软基处理的地段未做处理设计,可能导致工程返工及经济上的损失,严重的,还会造成施工后构建物的下沉、变形,甚至损毁。
  已知是软土地基,但是未做好软土地基处理,造成基础失稳或危及附近建筑物,或者虽然做了软土地基处理,但是措施不力,施工不当造成基础失稳,影响整体结构。另外,由于堆料不当,未按规定分层填筑,填土过快,碾压不当,均会导致基础整体受力不均而失稳。
  3 软土地基的处理的基本规定
  3.1 地基基础工程施工线,必需具备完备的地质勘查资料及项目附近管线、建筑物、构筑物和其他公共设施构造情况,必要时应作施工勘查调查以确保工程质量及邻近建筑的安全。
  3.2 施工过程中,应紧密观察软土地基变化情况,如遇异常,应停止施工,由相关单位组织勘查、设计、施工等有关单位共同分析情况,解决问题,消除质量隐患,并形成书面资料。
  4 常用软土地基处理方法
  局部软弱土层以及暗塘、暗沟等,可采用基础梁、换土、桩基或其他方法处理。当承载力或变形不能满足设计要求时,可选用下述方法,但处理后的地基承载力应通过试验确定。
  4.1 强夯法
  强夯法是指将数吨至数十吨的重锤从高处自由落下,对软土地基进行强力夯实,以提高其强度。加固后的土基,承载力会明显提高,沉降量也会降低。其原理:在强夯过程中,土体中微小气泡的体积压缩,土的孔隙减小,土体局部液化,土的结构破坏并且强度下降到最低位。随之在夯击点周围出现径向裂隙,形成树枝状的排水网络,使土体渗透性大大增加,孔隙水得以顺利溢出,加速了土体固结,继而使土基的强度得到恢复和增强。
  工艺要点:先通过试夯取得必要的施工参数,然后根据试夯数据布置夯击点(一般按方形布点)、拟定夯打遍数和每遍夯打次数,以及前后两遍夯打的间隔时间。施工机可用50 t~100t的吊机或三角架。锤重一般为10~20t,底面积3~6m2,自由落高10 m~20m,加固深度可达10 m~20m。在两遍夯打之间,应注意间隔的时间以及夯击坑的回填工作。夯打完成后,应整平地基,用较小的能量对整个场地进行一夯搭一夯的夯打。目的是夯实表面震松层及夯坑内松散回填土。若整个施工场地的地基为非匀质土并与原计划不符时,应及时采取补夯措施,务使整个场地得到同等的夯击效果。
  4.2 换土垫层法
  其基本原理是挖除浅层软弱土或不良土,分层碾压或夯实土,按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。换土垫层法可提高持力层的承载力,减少沉降量;常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程,一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑,一般处理深度为2m~3m,适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。
  4.3 粉体喷射搅拌法
  本方法是向软土地基内喷射生石灰粉、水泥粉或粉煤灰等加固材料,原位搅拌混合,通过化学反应达到改善软土力学性能的目的。
  粉体搅拌桩具有较高的刚度,抗侧向变形能力;能够有效地减少软基的压缩量,调整横断面差异沉降,并且可以承受较快的加荷速度;在路基填土过程中,不宜使用冲击力过大的压路机,可适当增加碾压遍数,尽量使处理后的基底桩问土相对固结稳定,以增加抗剪能力。粉体搅拌桩不能改善地基排水条件,但通过吸水固结可提高桩间土的结构性,同时桩顶铺垫砂层可便于地基排水,从而可适当加速桩土的固结,降低施工后沉降量。
  4.4 浆灌桩法
  利用压力将化学溶液或胶结剂通过注浆管均匀地注入士层中,固化剂和软土之间将会产生的一系列物理化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土,并将预制的浆液灌入事先钻制的基础柱体中,从而提高地基强度和增大变形模量,减小地基沉降,使其成为优质地基,浆灌桩法主要有:深层水泥搅拌桩和深层石灰搅拌桩。
  4.4.1 深层水泥搅拌桩
  深层水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土,是进行软基处理的一种有效方法。深层水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和,使软土硬结,提高地基强度。
  试桩。试桩是为寻求最佳搅拌次数、确定水泥浆的水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、下钻速度以及复搅深度等参数,以指导下一步水泥搅拌桩的大规模施工。每个标段的试桩≮5根,且必须待试桩成功后方可进行水泥搅拌桩的正式施工。试桩检验可采取7d后直接开挖取出,或至少14d后取芯,以检验水泥搅拌桩的搅拌均匀程度和水泥土强度。
  施工准备。深层搅拌桩施工场地应事先整平,清除桩位处地上、地下障碍物。场地低洼时应回填黏土,不得回填杂土。水泥搅拌桩应采用合格的32.5级普通硅酸盐袋装水泥以便于计量。水泥搅拌桩施工机械必须具备良好及稳定的性能,钻机开钻之前应由监理工程师和项目经理部组织检查验收。
  工艺要点。水泥搅拌桩开钻之前,应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象,待水排尽后方可下钻,为保证水泥搅拌桩桩体垂直度满足规范要求,在主机上悬挂一吊锤,通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。对每根成型的搅拌桩,质量检查重点是水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。水泥搅拌配合比:水灰比0.45~0.5、水泥掺量12%、每米掺灰量46~25kg、高效减水剂0.5%。水泥搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻,喷浆量应小于总量的1/2,严禁带水下钻。第一次下钻和提钻时一律采用低档操作,复搅时可提高一个档位,每根桩的正常成桩时间应≮40 min,喷浆压力0.4MPa。
  4.4.2 深层石灰搅拌桩
  深层石灰搅拌桩适用于处理塑性指标较高的软黏土地基,在相同条件下,石灰作为固化剂处理的临时加固效果比水泥好。深层石灰搅拌桩是在软土地基中将石灰和地基土进行强制搅拌混合,地基土和石灰发生化学反应,在稳定地基土的同时,提高强度的方法。这种方法具有技术简单可行且经济合理的特点,能有效地加固软弱地基,减少软土层沉降和整体工程工后沉降,提高软土层的承载力。
  材料特性。石灰应该是细磨的,在搅拌过程中,为防止桩体中石灰聚集,石灰最大粒径应<2 mm。石灰应尽量选取纯净无杂质的,石灰中氧化钙和氧化镁含量至少应为8.5%,其中氧化钙含量最好≮80%。石灰的储存期不宜超过三个月,石灰的液性指数≮70 % 。
  工艺要点。工作场地表层硬壳很薄时,需先铺填砂、砾石垫层,以便机械在场内顺利移动和施钻;配置钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等;通过原位测试及室内试验取得地基土、灰土的物理力学及化学指标,选取最佳含灰量作为设计掺灰量;确定设置搅拌范围,选择桩长、截面及根数。搅拌桩的排列一般呈等边三角形,也可四方形布置,桩径为0.5m~1.5m,桩距约1m。空压机的压力不需要很高,风量不宜过大,钻机及桅杆安装在载体上,在地面上进行操作,要满足耐压力要求。在施工现场要设置石灰池,石灰粉要遮盖,一是防止飞粉污染,二是防止遇雨水产生化学反应,溅伤皮肤及眼睛,施工人员要配戴防护眼镜。钻头提升距地面30cm~50cm 应停止喷粉,以防溢出地面。
  4.5 砂垫层和砂石垫层换填法
  砂垫层和砂石垫层是使用夯(压)实的砂或石垫层替换基础下部一定厚度的软土层,以提高基础下地基强度、承载力,减少沉降量,加速软土层的排水固结,目前使用较为广泛。
  材料特性。砂垫层和砂石垫层所用材料,宜采用级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、碎(卵)石、石屑或其他工业废粒料。在缺少中、粗砂和砾砂地区,也可采用细砂,但亦同时掺入一定数量的碎石或卵石,其掺量按设计规定(含石量≯50 %)。所用砂石材料,不得含有草根、垃圾等有机杂质。用作排水固结地基的材料,含泥量宜≯30%,碎石和卵石最大粒径宜≯50mm。
  工艺要点。施工前应验槽,先将浮土清除,基槽(坑)的边坡必须稳定,草地和两侧如有孔洞、沟、井等应加以填实。在地下水位高于基槽(坑)地面施工时,应采取排水或降低地下水的措施,使基槽(坑)处无积水状态。人工级配的砂、石材料,应按级配拌合均匀,再行铺填捣实。砂垫层和砂石垫层的底面宜铺设在同一标高上,如深度不同时,施工应按先深后浅的程序进行。土面应挖成台阶或斜坡搭接,搭接处应注意捣实。分段施工时,接头处应作成斜坡,每层错开0.5m~1m,并应充分捣实。采用碎石垫层时,为防止基坑底面的表层软土发生局部破坏,应在基坑底部及四侧先铺一层砂,然后再铺碎石垫层。垫层应分层铺垫,分层夯(压)实。夯实法适用木夯或机械夯,一夯压半夯,全面夯实,每层铺设厚度为150mm~200mm,施工时最优含水量为8%~12%。此法较适用于砂石垫层。
  5 新型软土地基处理方法
  除以上传统软土地基处理方法,结合现代工程工艺,现简述如下两种新方法:
  5.1 现浇薄壁筒桩
  现浇薄壁筒桩是近年来新发明的一种新型桩型,它是利用一种压入式成孔器,通过成孔、灌注、振动、拔管一次成桩。它具有经济高效、承载力高、稳定性好、抵抗软基础不均匀沉降强、不污染环境、缩短工期等特点。筒桩采用薄壳混凝土结构,承载力高,属刚性桩。它主要作用是将路基的荷载大部分由筒桩传递到深处。随后,再通过土工格栅将上部路基荷载均匀传递给桩土复合地基。当桩问土通过土工格栅与桩身发生紧密作用时,外荷载开始由桩身承担,此时的桩问土沉降就基本逐步达到稳定,从而提高了地基强度,减少路基的沉降。另一项重要作用是群桩的侧向水平总体效应,它能明显阻止路基软土的水平方向位移,从而大大增加路基的稳定性。
  5.2 “Y”形桩
  “Y”形灌注桩,又称异型桩,是建立在圆柱形沉管灌注桩技术之上的新型桩基施工技术,它继承了沉管灌注桩的特点,发挥了变截面桩的优势,从而可以充分利用材料特性,降低工程成本。由于异型桩的桩身带有突起的三条侧棱及桩帽的特殊结构,使其具有比普通圆管桩更大的侧表面积,因此,它不仅秉承了一般沉管桩的优点和特点,而且在消耗等量混凝土的情况下,异型桩承载力比一般沉管桩可提高20%~25%,同等条件下,还可节约成本,在施工中,“Y”型沉管灌注桩也无需专用打桩设施,只需将模具更换成“Y”形钢模即可。其施工规范和验收标准均可借鉴原有的沉管灌注桩,即垂直打人软土地基,达到设计深度后,灌注混凝土并小幅度间隙振动,拔出桩模后,在地下就会留下一个“Y”形的砼桩。
  6 结语
  在施工中遇到软弱地基时,应进行必要的补充勘探工作,提高沉降计算的精度和设计的合理性。只要设计和施工措施得当,就可以保基础工程的稳定和使用效果。软土地基的设计与施工方案,应结合地质条件、材料供应、投资环境、工期要求和环境保护等因素,因地制宜、就地取材、分期修建、综合处治的原则进行充分论证,使设计和施工方案达到技术上先进、经济上合理。软土地基的处理方法很多,总之,软土地基处理的目的是增加地基稳定性,减少施工后的不均匀沉陷,所以施工的技术人员必须意识到软土地基的危害性,严格按照技术规程及施工规范操作,同时做好施工组织和施工质量控制,在确保结构安全的前提下,保证施工便捷且经济合理。
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