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摘要:软土地基具有压缩性高、强度低、孔隙比较大、天然含水量较大、具有明显的结构性和流变性等特点,其承载力和稳定性都不够强,若在软土地基上直接建造建筑物,可能会引起建筑物水平位移及不均匀沉降等问题,甚至引起建筑产生裂缝,严重的甚至发生倒塌事故。因此,有必要对软土地基进行加固处理,本文简要介绍了建筑软土地基的几种加固处理措施。
关键词：软土地基；加固；处理方法
一、引言
软土一般是指在静水和缓慢流水环境中沉积，以黏粒为主并伴有微生物作用的近代沉积物。软土是一种呈软塑到流塑状态，其外观以灰色为主的细粒土，如淤泥和淤泥质土、泥炭土和沼泽土，以及其他高压缩性饱和黏性土、粉土等。其中淤泥和淤泥质土是软土的主要类型。软土地基具有压缩性高、强度低、孔隙比较大、天然含水量较大、具有明显的结构性和流变性等特点,其承载力和稳定性都不够强,若在软土地基上直接建造建筑物,可能会引起建筑物水平位移及不均匀沉降等问题,甚至引起建筑产生裂缝,严重的甚至发生倒塌事故。
软土地基的一般处理方法有：换填法、强夯法、预压法、排水固结法、水泥土搅拌法、高压注浆法、或采用桩基等方法处理。软土地基的处理目的是换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要包括：1、提高地基土体的抗剪强度，2、降低地基的压缩性，3、改善地基的透水特性，可增加地基土的透水性加快固结，也可降低其透水性或减少其含水量。
二、地基处理方法及分类
1、换填垫层法处理地基
换填法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。
按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但根据实验结构及实测资料，垫层地基的强度和变形特性基本相似，因此可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。根据施工时使用的机具不同，施工方法可分为机械碾压法、重锤夯实法、振动压实法等。这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。
换填法常用作地基的浅层处理，其主要作用包括：提高持力层的强度，并将建筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱地基土的容许承载力范围内，从而满足强度要求。垫层置换了软弱土层，从而可减少地基的变形量，加速软土层的排水固结。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可防止在寒冷地区土中结冰造成的冻胀。对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，处理的目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性等。
换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。
2、强夯法、强夯置换法处理地基
强夯法起初仅用于加固砂土和碎石土地基，经过20多年的发展和应用，它已适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基的处理。对饱和度较高的粘性土，一般方法强夯处理效果不太显著，其中尤其是用以加固淤泥和淤泥质土地基，处理效果更差，使用时应慎重对待。但近年来，对高饱和度的粉土和粘性土地基也有强夯成功的工程实例。此外，有人采用在夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料，强行夯入并排开软土，最终形成砂石桩与软土的复合地基，并称之为强夯置换（或动力置换、强夯挤淤）。
强夯法是利用强大的夯击能给地基冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压，此法对加固杂填土特别有效。
当前，应用强夯法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。总之，强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。
3、土、灰土挤密桩法处理地基
土和灰土桩挤密法是处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等的地基加固方法，是由桩间挤密土和填夯的桩共同组成的复合地基。土和灰土桩挤密成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高。在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，且桩距越小叠加效果越显著。合理的相邻桩孔中心距约为2-3倍桩的直径。土的含水量和干密度对挤密效果影响较大。当含水量较低时，由于土呈坚硬状态，塑性小，有效挤密区变小；当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，使土体向外围移动而难以挤密，并且孔壁附近的土受到扰动使强度降低，拔管时桩孔容易出现缩颈等情况；当土的含水量接近最優含水量时，土呈塑性状态，此时的挤密效果最佳。土的干密度越大，有效挤密范围越大；反之，则有效挤密区越小，挤密效果较差。
土和灰土桩挤密法处理地基，有以下特点：
1) 土和灰土桩挤密法是横向挤密，但可同样达到所要求加密处理后的最大干密度的密度指标。
2) 与土垫层相比，无需开挖回填，因而节约了开挖和回填土方的工作量，比换填法缩短工期约一半。
3) 由于不受开挖和回填的限制，处理深度可达15m。
4) 由于填入桩孔的材料均属就地取材，因而通常比其他处理湿陷性黄土和人工填土的造价为低。
4、加筋法及土工膜防渗工程
加筋法是在土中加入条带、纤维或网格等抗拉材料，依靠它改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性的方法。加筋法的基本原理可以理解为：土的抗拉能力低，甚至为零，抗剪强度也很有限，在土体中放置了筋材，构成了土—筋材的复合体，当受外力作用时，将会产生体变，引起筋材与其周围土之间的相对位移趋势，但两种材料的界面上有摩擦阻力和咬合力，限制了土的侧向位移。
加筋土是由填土、填土中布置的一定量带状拉筋以及直立的墙面板三部分组成一个整体的复合结构，如图1所示。这种结构内部存在着墙面土压力、拉筋的拉力、填料与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力，这些力互相平衡，保证了这个复合结构的内部稳定。而且，加筋土结构还能抵抗筋尾部后面填土所产生的侧压力，即保证了加筋土挡墙的外部稳定，从而使整个复合结构稳定。
加筋土挡墙具有以下特点： 1可做成很高的垂直填土，节约大量土地资源，有巨大的经济效益； 2面板、筋带等构件可实现工厂化生产，不但质量可靠，而且能降低原材料的消耗； 3只需配备压实机械，施工易于掌握，可节省劳动力和缩短工期； 4挡土墙结构轻型，造价低； 5加筋土挡墙具有柔性结构的性能，可承受较大的地基变形，故可应用于软土地基上； 6整体性较好，具有良好的抗震性能； 7面板的型式可根据需要拼装完成，造型美观，适合于城市道路的支挡工程。
加筋土适用于山区或城市道路的挡土墙、护坡、路堤、桥台、河坝以及水工结构和工业结构等工程，此外还可用于滑坡的治理。
5、高压喷射注浆法处理地基
高压喷射注浆法20世纪60年代后期创始于日本，它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20-40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。
高压喷射注浆法所形成的固结体形状与喷射流移动方向有关。一般分为旋转喷射（简称旋喷）、定向喷射（简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷）三种型式，如图2所示。高压喷射注浆法具有以下特点：
1）适用范围较广。由于固结体的质量明显提高，它既可用于工程新建之前，又可用于竣工后的托换工程，可以不损坏建筑物的上部结构，且能使已有建筑物在施工时使用功能正常。
2) 施工简便。施工时只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm 的小孔，便可在土中喷射成直径为0.4-4m的固结体，因而施工时能贴近已有建筑物，成型灵活，既可在钻孔的全长形成柱型固结体，也可仅作其中一段。
3）可控制固结体形状。在施工中可调整旋喷速度和提升速度、增减喷射压力或更换喷嘴孔径改变流量，使固结体形成工程设计所需要的形状。
4）可垂直、倾斜和水平喷射。通常是在地面上进行垂直喷射注浆，但在隧道、矿山井巷工程、地下铁道等建设中，亦可采用倾斜和水平喷射注浆。
三、地基加固在工程中的应用
工程实例：
某项目为一座8m通道桥,上部结构为简支空心板,台身为钢筋混凝土薄壁台,基础为钢筋混凝土扩大基础,要求地基承载力大于176kPa。地质状况如下:从基底向下第一层4米厚的亚砂土σ=180kPa、τ= 40kPa, 第二层3m 厚的砂砾σ=240kPa、τ= 70kPa, 第三层12.7m 的卵石σ=350kPa、τ=140kPa。
该通道桥在桥台施工结束后发现基础出现不均匀沉降,此后经过不间断的监测,在梁板安装后沉降量达到最大值左幅9cm、右幅7cm,左右幅台身形成3厘米左右的高差,桥下混凝土铺砌开裂,但桥台没有出现倾斜。通过补充地质勘察资料和对整个施工过程的回顾,分析引起基础沉降的原因有两方面:一是基底以下的亚砂土和砂砾均为可压缩土层,经过计算其最大沉降值满足规范要求。二是施工基础时遭遇雨水浸泡基底强度降低没有满足设计要求,同时桥台附近有湿陷性黄土零星分布,湿陷性黄土预水湿陷变形较大也是影响因素之一。经过多方论证综合技术经济比较,考虑到沉降有可能随着桥面横载和车辆荷載的出现而继续加大,同时兼顾消除湿陷性黄土的影响,为了保证桥涵构造物结构的耐久性采用高压喷射注浆法对桥台扩大基础进行加固处理。
整个注浆过程: 施工准备—测量放样(定位) —钻孔—下注浆管—封口—配制浆液—加压注浆—封孔。
根据地基土质情况拟定管径0. 8m,根据浆液扩散范围和桩体的最小搭接长度拟定桩间距2m,布孔位置为桥台扩大基础前后各一排。计算得单根桩长6m,并要求桩尖进入砂砾层不小于0. 5m。
高压喷射注浆法是一种高效、环保、造价低、操作简便、适用广泛、承载力提高迅速的地基加固处理方法,尤其是对既有构造物的加固处理尤为明显。但在加固既有构造物的时候应注意避免产生附加变形情况的出现。
四、结论
随着科学技术的日新月异，结构物的荷载日益增大；对变形要求也越来越严，因而原来一般可被评价为良好的地基，也可能在特定条件下非进行地基处理不可。所以我们不仅要善于针对不同的地质条件、不同的结构物选定最合适的基础型式、尺寸和布置方案外，而且要善于选取最恰当的地基处理方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：软土地基；加固；处理方法
一、引言
软土一般是指在静水和缓慢流水环境中沉积，以黏粒为主并伴有微生物作用的近代沉积物。软土是一种呈软塑到流塑状态，其外观以灰色为主的细粒土，如淤泥和淤泥质土、泥炭土和沼泽土，以及其他高压缩性饱和黏性土、粉土等。其中淤泥和淤泥质土是软土的主要类型。软土地基具有压缩性高、强度低、孔隙比较大、天然含水量较大、具有明显的结构性和流变性等特点,其承载力和稳定性都不够强,若在软土地基上直接建造建筑物,可能会引起建筑物水平位移及不均匀沉降等问题,甚至引起建筑产生裂缝,严重的甚至发生倒塌事故。
软土地基的一般处理方法有：换填法、强夯法、预压法、排水固结法、水泥土搅拌法、高压注浆法、或采用桩基等方法处理。软土地基的处理目的是换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特性，主要包括：1、提高地基土体的抗剪强度，2、降低地基的压缩性，3、改善地基的透水特性，可增加地基土的透水性加快固结，也可降低其透水性或减少其含水量。
二、地基处理方法及分类
1、换填垫层法处理地基
换填法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。
按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但根据实验结构及实测资料，垫层地基的强度和变形特性基本相似，因此可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。根据施工时使用的机具不同，施工方法可分为机械碾压法、重锤夯实法、振动压实法等。这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。
换填法常用作地基的浅层处理，其主要作用包括：提高持力层的强度，并将建筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱地基土的容许承载力范围内，从而满足强度要求。垫层置换了软弱土层，从而可减少地基的变形量，加速软土层的排水固结。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可防止在寒冷地区土中结冰造成的冻胀。对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，处理的目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性等。
换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。
2、强夯法、强夯置换法处理地基
强夯法起初仅用于加固砂土和碎石土地基，经过20多年的发展和应用，它已适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基的处理。对饱和度较高的粘性土，一般方法强夯处理效果不太显著，其中尤其是用以加固淤泥和淤泥质土地基，处理效果更差，使用时应慎重对待。但近年来，对高饱和度的粉土和粘性土地基也有强夯成功的工程实例。此外，有人采用在夯坑内回填块石、碎石或其它粗颗粒材料，强行夯入并排开软土，最终形成砂石桩与软土的复合地基，并称之为强夯置换（或动力置换、强夯挤淤）。
强夯法是利用强大的夯击能给地基冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压，此法对加固杂填土特别有效。
当前，应用强夯法处理的工程范围极为广泛，有工业与民用建筑、仓库、油罐、储仓、公路和铁路路基、飞机场跑道及码头等。总之，强夯法在某种程度上比机械的、化学的和其它力学的加固方法更为广泛和有效。
3、土、灰土挤密桩法处理地基
土和灰土桩挤密法是处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等的地基加固方法，是由桩间挤密土和填夯的桩共同组成的复合地基。土和灰土桩挤密成孔时，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高。在相邻桩孔挤密区交界处挤密效果相互叠加，且桩距越小叠加效果越显著。合理的相邻桩孔中心距约为2-3倍桩的直径。土的含水量和干密度对挤密效果影响较大。当含水量较低时，由于土呈坚硬状态，塑性小，有效挤密区变小；当含水量过高时，由于挤压引起超孔隙水压力，使土体向外围移动而难以挤密，并且孔壁附近的土受到扰动使强度降低，拔管时桩孔容易出现缩颈等情况；当土的含水量接近最優含水量时，土呈塑性状态，此时的挤密效果最佳。土的干密度越大，有效挤密范围越大；反之，则有效挤密区越小，挤密效果较差。
土和灰土桩挤密法处理地基，有以下特点：
1) 土和灰土桩挤密法是横向挤密，但可同样达到所要求加密处理后的最大干密度的密度指标。
2) 与土垫层相比，无需开挖回填，因而节约了开挖和回填土方的工作量，比换填法缩短工期约一半。
3) 由于不受开挖和回填的限制，处理深度可达15m。
4) 由于填入桩孔的材料均属就地取材，因而通常比其他处理湿陷性黄土和人工填土的造价为低。
4、加筋法及土工膜防渗工程
加筋法是在土中加入条带、纤维或网格等抗拉材料，依靠它改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性的方法。加筋法的基本原理可以理解为：土的抗拉能力低，甚至为零，抗剪强度也很有限，在土体中放置了筋材，构成了土—筋材的复合体，当受外力作用时，将会产生体变，引起筋材与其周围土之间的相对位移趋势，但两种材料的界面上有摩擦阻力和咬合力，限制了土的侧向位移。
加筋土是由填土、填土中布置的一定量带状拉筋以及直立的墙面板三部分组成一个整体的复合结构，如图1所示。这种结构内部存在着墙面土压力、拉筋的拉力、填料与拉筋间的摩擦力等相互作用的内力，这些力互相平衡，保证了这个复合结构的内部稳定。而且，加筋土结构还能抵抗筋尾部后面填土所产生的侧压力，即保证了加筋土挡墙的外部稳定，从而使整个复合结构稳定。
加筋土挡墙具有以下特点： 1可做成很高的垂直填土，节约大量土地资源，有巨大的经济效益； 2面板、筋带等构件可实现工厂化生产，不但质量可靠，而且能降低原材料的消耗； 3只需配备压实机械，施工易于掌握，可节省劳动力和缩短工期； 4挡土墙结构轻型，造价低； 5加筋土挡墙具有柔性结构的性能，可承受较大的地基变形，故可应用于软土地基上； 6整体性较好，具有良好的抗震性能； 7面板的型式可根据需要拼装完成，造型美观，适合于城市道路的支挡工程。
加筋土适用于山区或城市道路的挡土墙、护坡、路堤、桥台、河坝以及水工结构和工业结构等工程，此外还可用于滑坡的治理。
5、高压喷射注浆法处理地基
高压喷射注浆法20世纪60年代后期创始于日本，它是利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，以高压设备使浆液或水成为20-40MPa的高压射流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体，同时钻杆以一定速度渐渐向上提升，将浆液与土粒强制搅拌混合，浆液凝固后，在土中形成一个固结体。
高压喷射注浆法所形成的固结体形状与喷射流移动方向有关。一般分为旋转喷射（简称旋喷）、定向喷射（简称定喷）和摆动喷射（简称摆喷）三种型式，如图2所示。高压喷射注浆法具有以下特点：
1）适用范围较广。由于固结体的质量明显提高，它既可用于工程新建之前，又可用于竣工后的托换工程，可以不损坏建筑物的上部结构，且能使已有建筑物在施工时使用功能正常。
2) 施工简便。施工时只需在土层中钻一个孔径为50mm或300mm 的小孔，便可在土中喷射成直径为0.4-4m的固结体，因而施工时能贴近已有建筑物，成型灵活，既可在钻孔的全长形成柱型固结体，也可仅作其中一段。
3）可控制固结体形状。在施工中可调整旋喷速度和提升速度、增减喷射压力或更换喷嘴孔径改变流量，使固结体形成工程设计所需要的形状。
4）可垂直、倾斜和水平喷射。通常是在地面上进行垂直喷射注浆，但在隧道、矿山井巷工程、地下铁道等建设中，亦可采用倾斜和水平喷射注浆。
三、地基加固在工程中的应用
工程实例：
某项目为一座8m通道桥,上部结构为简支空心板,台身为钢筋混凝土薄壁台,基础为钢筋混凝土扩大基础,要求地基承载力大于176kPa。地质状况如下:从基底向下第一层4米厚的亚砂土σ=180kPa、τ= 40kPa, 第二层3m 厚的砂砾σ=240kPa、τ= 70kPa, 第三层12.7m 的卵石σ=350kPa、τ=140kPa。
该通道桥在桥台施工结束后发现基础出现不均匀沉降,此后经过不间断的监测,在梁板安装后沉降量达到最大值左幅9cm、右幅7cm,左右幅台身形成3厘米左右的高差,桥下混凝土铺砌开裂,但桥台没有出现倾斜。通过补充地质勘察资料和对整个施工过程的回顾,分析引起基础沉降的原因有两方面:一是基底以下的亚砂土和砂砾均为可压缩土层,经过计算其最大沉降值满足规范要求。二是施工基础时遭遇雨水浸泡基底强度降低没有满足设计要求,同时桥台附近有湿陷性黄土零星分布,湿陷性黄土预水湿陷变形较大也是影响因素之一。经过多方论证综合技术经济比较,考虑到沉降有可能随着桥面横载和车辆荷載的出现而继续加大,同时兼顾消除湿陷性黄土的影响,为了保证桥涵构造物结构的耐久性采用高压喷射注浆法对桥台扩大基础进行加固处理。
整个注浆过程: 施工准备—测量放样(定位) —钻孔—下注浆管—封口—配制浆液—加压注浆—封孔。
根据地基土质情况拟定管径0. 8m,根据浆液扩散范围和桩体的最小搭接长度拟定桩间距2m,布孔位置为桥台扩大基础前后各一排。计算得单根桩长6m,并要求桩尖进入砂砾层不小于0. 5m。
高压喷射注浆法是一种高效、环保、造价低、操作简便、适用广泛、承载力提高迅速的地基加固处理方法,尤其是对既有构造物的加固处理尤为明显。但在加固既有构造物的时候应注意避免产生附加变形情况的出现。
四、结论
随着科学技术的日新月异，结构物的荷载日益增大；对变形要求也越来越严，因而原来一般可被评价为良好的地基，也可能在特定条件下非进行地基处理不可。所以我们不仅要善于针对不同的地质条件、不同的结构物选定最合适的基础型式、尺寸和布置方案外，而且要善于选取最恰当的地基处理方法。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。