高含水量軟土地基的加固新技術(shù)—高真空擊密法

1、高含水量軟土地基的加固新技術(shù)高真空擊密法 樓曉明 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 徐士龍 上海港灣軟地基處理有限公司，專利發(fā)明人 周國鈞 原冶金部建筑研究總院 主要內(nèi)容 1、前言 2、加固機(jī)理 3、設(shè)計(jì)計(jì)算的若干問題 4、應(yīng)用實(shí)例1前言“高真空擊密法”： 是一種快速加固軟土地基的新技術(shù)，它是通過數(shù)遍的高真空，并結(jié)合數(shù)遍合適的變能量擊密，達(dá)到降低土層含水量，提高密實(shí)度、承載力，減少地基工后和差異沉降量的目的。 發(fā)展應(yīng)用情況 高真空擊密法原先是由施工人員在針對高含水量的水力吹填陸域地基加固過程中逐步形成的。 因?yàn)榇堤铌懹虻鼗哂懈吆?、高含泥量、面積很大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)地基處理方法，施工成本高、工期長

2、，或施工機(jī)械進(jìn)場困難，施工質(zhì)量難以保證；而高真空擊密法因造價(jià)低廉、施工速度快、對高含水量地基適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，顯示出了較明顯的優(yōu)越性。 由形成到發(fā)展已超過5年，該工法在沿江沿海的大面積處理松軟地基工程中得到了迅速的推廣應(yīng)用，處理對象包括了除淤泥外的各種松軟土層。處理工程涉及港口堆場、道路，機(jī)場跑道，廠區(qū)，倉庫等，累計(jì)處理面積已超1000萬平方米。 這過程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)了施工設(shè)備，形成了較為成熟的工法，并申請了國家專利，主要成果是施工工藝的創(chuàng)新與改進(jìn)。 由于夯擊問題的復(fù)雜性，理論落后于實(shí)踐的現(xiàn)象依然存在。要進(jìn)一步發(fā)展完善該工法，還需要更多科研、設(shè)計(jì)、施工人員的繼續(xù)協(xié)作努力。 在此，作者就

3、高真空擊密工法的加固原理、特點(diǎn)與設(shè)計(jì)方法談一些體會(huì)，并介紹該工法在吹填砂和粉煤灰工程中的應(yīng)用實(shí)例。高真空擊密工法的加固機(jī)理 高真空擊密法應(yīng)該是在普通強(qiáng)夯法基礎(chǔ)上的改進(jìn)工法，對軟土地基的加固原理仍然是動(dòng)力排水固結(jié)理論。 高真空擊密法特點(diǎn)是通過多遍主動(dòng)排水措施來增強(qiáng)動(dòng)力固結(jié)效果。排水的作用原則上可用有效應(yīng)力原理解釋。 2.1 排水條件對多遍沖擊下土的應(yīng)力、強(qiáng)度的影響2.2高真空擊密法的加固機(jī)理 理論研究表明：多遍沖擊過程中孔壓消散率越高，強(qiáng)度增長也越明顯，同時(shí)減輕了沖擊荷載對土的結(jié)構(gòu)破壞，大大降低了夯擊過程中地基土出現(xiàn)“橡皮土”的風(fēng)險(xiǎn)。 高真空擊密法就是通過多遍高真空排水工序，來達(dá)到提高強(qiáng)夯擊密效

4、果的目的。但高真空排水不是強(qiáng)夯法的輔助手段，而至少是與強(qiáng)夯同等重要的工序。 本工法的具體工藝流程是：高真空排水擊密的多遍循環(huán)。這兩道工序的相互作用，有機(jī)組合，形成了高真空擊密法的獨(dú)特機(jī)理。 （1）夯前對高含水量飽和土先進(jìn)行高真空排水，減小土的飽和度，可有效增加夯擊效率，同時(shí)減小產(chǎn)生的超孔隙水壓力。這屬于主動(dòng)排水，而塑料板屬于被動(dòng)排水，由于沒有外荷載作用，無法形成水頭梯度達(dá)到夯前排水的目的。 （2）排水后土體孔隙的自我壓密有限而且緩慢，土層變形并不明顯，要在回水以前用強(qiáng)夯的方法加以擊密。 （3）滲透系數(shù)較小的軟土，在適當(dāng)夯能的作用下，土中出現(xiàn)的微裂縫可增加土的滲透性能，產(chǎn)生的超孔隙水壓力能提高孔

5、隙水滲流的水頭梯度，從而進(jìn)一步增加排水效果。為此，本工法提出了第二、第三遍高真空排水，甚至夯擊與排水同時(shí)進(jìn)行的獨(dú)特排水工序。多遍高真空擊密排水最終以達(dá)到降低飽和土的含水量為目標(biāo)。 （4）由于第二次高真空作用，使第一遍強(qiáng)夯產(chǎn)生的超孔隙水壓力快速消散，使兩遍強(qiáng)夯間隙時(shí)間明顯縮短。 （5）有效的真空排水與合適的夯擊能量有機(jī)結(jié)合，才能使軟土避免“橡皮土”現(xiàn)象，得到理想的加固效果。正是由于上述機(jī)理的作用，使強(qiáng)夯振動(dòng)處理方法在過去不宜的一些飽和軟土地基中得到了成功應(yīng)用，擴(kuò)大了強(qiáng)夯工法的使用范圍。 本工法的高真空排水，與一般的單純通過夯前集水井、井點(diǎn)降水，以降低一點(diǎn)地下水位、“防止夯坑積水或夯擊效率降低”為

6、目標(biāo)，也有根本不同。3 設(shè)計(jì)計(jì)算的幾個(gè)問題 3.1地基承載力與沉降 應(yīng)用高真空擊密法的設(shè)計(jì)基本原則與常規(guī)地基基礎(chǔ)相同，要求進(jìn)行承載力、沉降計(jì)算 。 施工設(shè)計(jì)仍要參考一般強(qiáng)夯法。如果工期允許，先進(jìn)行小區(qū)域的試驗(yàn)性施工，通過監(jiān)測和對比檢測驗(yàn)證根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算確定的施工方案能否滿足設(shè)計(jì)要求，并為今后大面積施工優(yōu)化施工參數(shù)提供依據(jù)。 （1）承載力或穩(wěn)定性計(jì)算 高真空擊密法對吹填砂或粉煤灰等粗顆粒土的加固效果要大于軟粘土等細(xì)顆粒土，加固后淺部土層承載力較高，形成硬殼層；而下部較低，為軟弱下臥層。淺部土通常即為持力層，應(yīng)分別進(jìn)行持力層與軟弱下臥層承載力驗(yàn)算。 對于堆料場、油罐等基礎(chǔ)還要對整個(gè)地基進(jìn)行整體穩(wěn)定

7、性分析。 加固后的承載力對于持力層可以通過原位測試直接得到，對于軟弱下臥層根據(jù)實(shí)測的強(qiáng)度增長推算得到。 硬殼層的作用對小面積荷載應(yīng)力擴(kuò)散作用明顯，隨著荷載面積的增大，應(yīng)力擴(kuò)散作用減弱。（2）沉降計(jì)算 根據(jù)使用荷載的實(shí)際分布范圍，按分層總和法計(jì)算沉降；按大面積荷載計(jì)算沉降時(shí)，應(yīng)考慮荷載的面積系數(shù)。對于堆場荷載，還可適當(dāng)考慮一些循環(huán)荷載與恒載的區(qū)別。 工后沉降不等于計(jì)算總沉降與工前沉降之差，加固土層可按超固結(jié)土計(jì)算。加固后土層的應(yīng)力狀態(tài)可以間接通過處理后的場地平均沉降和物理力學(xué)指標(biāo)變化評價(jià)。 如：粘性土受取土擾動(dòng)的影響較小，其物理指標(biāo)的變化能說明一定問題，根據(jù)確認(rèn)的e可以反算出處理后土層中增加的有

8、效應(yīng)力，s=e/a=Ese/(1+e0)。（3） 高真空擊密法與其它地基處理方法的組合 加固前的地基承載與沉降，如果與設(shè)計(jì)要求相比差距很大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，很難單純通過高真空擊密法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可利用工程條件經(jīng)濟(jì)地結(jié)合其它地基處理方法，如充水預(yù)壓、堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓。 如果：利用高真空擊密法解決穩(wěn)定性問題，而工后沉降問題借助預(yù)壓解決； 如果：利用高真空擊密解決穩(wěn)定性問題還有差距，后期堆載要控制加載速度。 3.2施工參數(shù)的設(shè)計(jì)問題 通過對加固前的地基承載力與沉降驗(yàn)算，并與設(shè)計(jì)要求比較?？纱笾旅鞔_地基承載力的提高幅度和工前要完成的沉降目標(biāo)。根據(jù)加固目標(biāo)確定施工參數(shù)是個(gè)難點(diǎn)，這是由于夯擊對土層影響很復(fù)雜的

9、因素決定的。 目前主要結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定，一些主要經(jīng)驗(yàn)如下：高真空排水 井點(diǎn)密度、深度，真空時(shí)間、真空度等施工參數(shù)與土層的分布、滲透系數(shù)、含水量有關(guān)。滲透系數(shù)差異較大的區(qū)域和土層，真空管系統(tǒng)布置要區(qū)別對待；為此如果勘察報(bào)告中的鉆孔間距過大，現(xiàn)場工程師必須先進(jìn)行詳探劃區(qū)。必要時(shí)結(jié)合現(xiàn)場排水效果及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。 為使施工區(qū)域在含水量調(diào)整后不受外圍地下水的影響，需要設(shè)“外圍封管”；邊拔管邊強(qiáng)夯，拔管區(qū)域在24小時(shí)內(nèi)必須夯完。擊密 擊密主要有兩種方式，一是錘擊擊密，即通常的強(qiáng)夯法，二是振動(dòng)擊密，主要由大功率、大能量的沖擊、振動(dòng)碾壓設(shè)備最后實(shí)施。 夯擊能量，包含單擊能量大小、夯點(diǎn)擊數(shù)，遍數(shù)；夯擊能量大小與加固要

10、求，土層分布情況及排水情況有關(guān)。主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算、并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整。 如果通過檢測發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域加固效果較差或局部區(qū)域需要達(dá)到更高的承載力要求，可通過增加高真空擊密遍數(shù)來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4 工程應(yīng)用實(shí)例 4.1吹填砂及淤泥質(zhì)土加固施工實(shí)例（1）土層分布 常熟興華港表層吹填粉細(xì)砂，層厚為13m；第二層粘土及粉質(zhì)粘土，平均層厚12m；第三層為淤泥及淤泥質(zhì)土，該層分布較不均勻，層厚變化較大，層厚在06m之間變化，夾有粉砂層，屬高壓縮性的軟土；第四層為粉細(xì)砂，該層一般呈中密狀，是較好的持力層，再往下為淤泥質(zhì)土與砂土互層。 （2）施工工藝 小區(qū)試驗(yàn)時(shí) 第一遍高真空強(qiáng)排水時(shí)間為1015天，真空管點(diǎn)間距3.5

11、´4.0m；第一遍錘擊能量控制在3000kN×m左右，夯距7.0´7.0m正方形布置，每點(diǎn)擊數(shù)8擊。 第二遍高真空強(qiáng)排水，強(qiáng)排水方案基本類同第一遍，高真空時(shí)間812天，然后進(jìn)行第二遍錘擊，夯擊點(diǎn)間距為3.5m，梅花形布置，夯擊能量1800 kN×m，每點(diǎn)6擊。 第三遍“高真空擊密法”，采用真空管控制淺層土的含水量，真空管點(diǎn)間距3m，排距12m，然后用大功率調(diào)頻，調(diào)幅振動(dòng)壓路機(jī)，擊振密實(shí)土體。 擊密能量有先重后輕的特點(diǎn)主要加固效果試驗(yàn)區(qū)加固前后靜力觸探對比大面積加固前后靜載試驗(yàn)對比加固后的標(biāo)貫擊數(shù)大面積加固前后比較局部加固效果較差區(qū)域重新加固前后加固后回彈

12、模量測試4.2、吹填粉煤灰及淤泥質(zhì)土加固實(shí)例 （1）吹填粉煤灰的處理方法選擇 原則上用于軟粘土的一些地基處理方法，均可用于吹填粉煤灰的處理，已有多個(gè)實(shí)例報(bào)道。采用水泥攪拌樁，碎石樁等復(fù)合地基方法一般造價(jià)較高，強(qiáng)夯法則對地基的初始表層強(qiáng)度有一定要求。 交通部三航局科研所葉伯榮等，為降低加固成本，對鎮(zhèn)海港區(qū)的吹填粉煤灰進(jìn)行了5種加固方法的比較，這5種方法分別是振動(dòng)碾壓，簡易排水，重錘夯實(shí)，堆載預(yù)壓，自然固結(jié)；其中除了堆載預(yù)壓法造價(jià)較高外，其它方法加固成本均較低。從加固效果看，振動(dòng)碾壓加固深度淺；簡易排水和自然固結(jié)由于外力作用小，地基性狀不可能有大的改變；堆載預(yù)壓的效果取決于堆載強(qiáng)度，在經(jīng)濟(jì)可承受的

13、范圍內(nèi)，地基加固效果有限；用落距6m，6.2噸重的錘夯擊三遍的重錘夯實(shí)最好，其承載力可達(dá)180kPa，而且施工費(fèi)用相對較低。 對于本工程場地，吹填粉煤灰沉積時(shí)間最早只有3個(gè)月，初始強(qiáng)度低，人行走也有下陷的危險(xiǎn)，施工機(jī)械更無法通行；大部分為邊吹填、邊施工，初始強(qiáng)度為零。如果采用復(fù)合地基法，重錘夯實(shí)法或強(qiáng)夯法，必須要有較厚的砂石墊層，從海上吹砂被禁止，用毛片石又影響到后續(xù)的打樁或插塑料排水板的施工，而且費(fèi)用高。因此嘗試采用專利技術(shù)高真空擊密工法。（2）試驗(yàn)過程 進(jìn)行第一次高真空排水，井管間距3.5m´5.0m，同時(shí)對粉煤灰進(jìn)行預(yù)處理，以便施工機(jī)械行走，逐步使表層煤灰較為密實(shí)，實(shí)測沉降量累計(jì)380mm。 第二遍的高真空，第一遍點(diǎn)夯能量為1150kN×m，擊數(shù)13擊，實(shí)測點(diǎn)夯后的累計(jì)沉降為525mm。 第三遍高真空，第二遍點(diǎn)夯，單擊能量提高至1800kN×m，實(shí)測累計(jì)沉降