軟土地基施工方案與檢測技術研究

摘" 要：對于土質結構為軟土的區域進行建筑物建造會面臨很多困難，其中地基施工是制約工程進度的關鍵所在。該文采用基于化學處理的方法，在軟土土質結構中分3次進行摻雜，第一次摻入生石灰，第二次摻入3%的水泥，第三次摻入5%的水泥。提出基于砸釬法對軟土地基質量的檢測方法，在給出基本操作過程后進行運動學的分析，明確鐵釬砸入深度和動能、勢能的關系。配置含水量為22%和25%的2種地基化改土樣進行砸釬檢測實驗，實驗結果表明，含水量為25%的地基土質，鐵釬砸入深度會明顯高于含水量為22%的地基土質。

關鍵詞：軟土地基；施工方案；砸釬法；檢測技術；質量檢測

中圖分類號：TU447" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）12-0102-04

Abstract： There are many difficulties associated with construction in soft soil areas， among which foundation construction is key to limiting the progress of the project. In this paper， chemical treatment based methods are used to dope the soil structure of soft soil three times， first with quicklime， second with 3% cement， and third with 5%. In this paper， we propose a method based on the smash-drill method to detect the quality of soft soil foundations. After giving the basic running procedure， the kinematic analysis is performed and the relation between fragmentation depth， kinetic energy and potential energy is clarified. Two types of soil samples with 22% and 25% water content were equipped for crushing and drilling tests. Experimental results show that foundation soil with 25% water content has significantly higher penetration depth than foundation soil with 22% water content.

Keywords： soft soil foundation; construction scheme; crushing and drilling method; testing technology; quality inspection

隨著我國建筑水平的不斷提高，建筑物的高度與安全性要求也不斷提高，這就給地基施工提出更為嚴格的要求。在各種土質中，軟土土質給建筑施工帶來了較大的困難，尤其是給地基施工帶來了不便[1]。軟土土質的形成，與區域地質水文條件、氣候條件都有很大的關系。在無法改變施工地點的情況下，就要制定合理的地基施工方案，以滿足軟土土質對地基建造的要求[2]。目前，在軟土土質結構下進行原位處理，是軟土地基施工的主要方向，其處理一般有2種思路：一是改變當地的地質水文條件，如開挖泄水渠盡可能釋放軟土中的水分；二是通過化學處理，改變軟土的土質性質，使其更加適合地基施工和更能滿足建筑物的安全要求[3]。本文采用的是第二種思路即運用化學方法對軟土土質進行處理，使其性質發生改變達到地基施工標準。同時，軟土地基的施工效果能否達到預期，還需要通過檢測技術來加以確認。本文當中，采用砸釬法進行軟土地基施工效果的檢驗。

1" 基于化學處理的軟土地基施工方案

在軟土土質結構的區域進行建筑物建造，為了增加地基強度，一般有2種方法可以采用。第一種方法稱為換土法，這種方法的思想很簡單，就是用結構強度更高的土質將軟土替換掉。這種方法的實質，相當于放棄使用了原有軟土土壤，而代替使用更加堅固的土壤。這種方法面臨的主要問題是，需要大量的土壤更換、運輸和原材料成本都比較高。而且，換土法對于施工環境要求非常敏感，大部分工期都需要在晴好天氣下進行，否則代替土壤可能被二次軟化。這種對環境的過于依賴，就導致了施工進度無法得到有效保障，從而導致整個工程延期。第二種方法稱為改土法，即本文要采用的基于化學處理的方法。這種方法的核心思想是，維持原有的軟土土質不進行替換，而是摻入生石灰、水泥等材料。通過生石灰、水泥和軟土土質中水分的化學反應形成新的土質結構，新的土質結構的堅固程度，大大高于原有的軟土土質，可以滿足地基和整個建筑工程的施工要求。這種方法不僅效果明顯，而且施工時間自由，對氣候條件沒有依賴性。

改土法的施工策略又分為兩種，一種是集中改土、分散鋪設，一種是隨挖隨改、隨改隨填。集中改土策略，是將施工區的軟土土壤挖出，集中到大型攪拌設備中，摻入生石灰、水泥等進行攪拌，待攪拌均勻后再回到挖出位置進行分散鋪設。集中改土策略的優點是，土質的改變更加均勻，但其缺點也比較明顯，施工速度相對較慢。隨挖隨改策略，是沿著攪拌機的行進路線一邊挖一邊摻入生石灰、水泥，一邊挖一邊改變土質。隨挖隨改策略的優點是施工速度快、施工效率高，但缺點是局部可能存在不均勻的情況。本文選擇集中改土策略，是出于對地基建造更高質量要求的考慮。

采用集中改土策略后，在大型攪拌設備中，對軟土土壤進行生石灰、水泥等摻入和攪拌，本文采取了3次摻入的處理。第一次摻入的是生石灰，這是因為軟土土壤在原始狀態下，土壤中的水分非常多，甚至呈現出半流半塑的狀態。在這種情況下加入生石灰，軟土土壤中的水分會被大量消耗，生成的碳酸鈣會迅速提升土壤強度。不僅如此，在生石灰和水的化學反應過程中，會釋放出大量的熱量，對軟土土質中剩余的水分有一定程度的加熱揮發作用，可以達到雙重除水的效果。第二次摻入的物質是比例為3%的水泥，這一次摻入處理可以進一步去除土壤中的水分，同時可以達到均勻砂化軟土土壤的效果。這一比例的水泥，和水反應后形成的土質非常細膩，不容易出現硬結。第三次摻入的物質是比例為5%的水泥，這是最后一步摻入處理，可以形成軟土土質的最終改變，并有一定的定型作用。

對軟土土質結構進行改變后，需要將改變的土壤回填，這時的首要工作是確定軟土土質是否已經徹底化學改變，是否已經滿足作為地基的強度要求。只有確認了化改之后的土質在各方面滿足了要求，才可以進行回填。回填時的操作也要格外細致，以250 mm為標準厚度進行單層鋪設，鋪設好一層后進行壓實處理。第一層完全壓實平整均勻后，再加入第二層250 mm厚度的化改土質，再進行壓實處理。依此類推，完成全部土質回填工作。

除了土質化改、分層回填等，軟土地基的施工方案還包括地表清理、材料準備等，具體流程如圖1所示。

2" 基于砸釬法的軟土地基質量檢驗

通過改土法完成軟土土質的化學改變處理后，對于夯實的地基土層需要進一步的檢驗才能確保其是否滿足建筑施工的需要。砸釬法是一種簡單有效、便于操作的方法，尤其對于施工周期緊張、檢測人員不能及時到達的情況特別適用。其基本原理是取一個帶有一定重量的、頭部細長尖銳的鐵釬，在地基土層以上一定高度，以自由落體的方式將鐵釬扔下，鐵釬會因自身的重力砸入土層中。根據鐵釬砸入土層的深度，即可以判斷出軟土土質結構是否得到了有效的改善，改土后的地基是否能滿足建筑施工的需求。

之所以可以采用鐵釬砸入深度來判斷地基強度，其原理是：如果土壤強度足夠，就會對砸入的鐵釬產生更大的阻力，鐵釬砸入的深度就會較淺。如果土壤強度不足，對砸入的鐵釬產生的阻力就會較小，鐵釬砸入的深度就會較深。

從運動學角度分析，砸釬法的完成需要經過2個環節：一是，鐵釬從落下到接觸地面這一段距離內的運動，這時的鐵釬滿足自由落體運動，也是勢能的一個積累階段。此時，鐵釬積累的勢能強弱，一方面與下落時距離地表的高度有關，另一方面與實驗時的空氣阻力有關。如果假定空氣阻力是固定的，那么要積累更大的勢能，就需要給鐵釬配置更大的下落高度。二是，鐵釬從接觸地面到深入地層土質內并停止運動的這一段時間，鐵釬下落階段積累的勢能完全消失，需要依靠土壤對其提供方向的阻力，這與土壤的堅固程度直接相關。

首先來看第一個環節的勢能積累。鐵釬下落過程中，在重力作用下其速度從0開始增加，并且不斷增大。作為一個具有較大形體的下落物，鐵釬上每一個點都會因為自身的速度而產生動能，而鐵釬整體的動能則是所有點的儲備動能之和，根據這個思路，鐵釬動能的計算如下

式中：mi代表了鐵釬中每一個質點的質量，vi代表了鐵釬中每一個質點的速度，Ek代表了鐵釬的總體動能。

對于鐵釬而言，可以將其近似看成一個剛體，至少其在下落過程中是基本接近剛體的。那么作為剛體的鐵釬上的每一個質點，應該具有相同的速度。這里，可以設定其質心的速度，而其余各點的速度應該與質心的速度完全相同。由此，鐵釬的總體動能計算可以表示為如下的形式

式中：mi代表了鐵釬中每一個質點的質量，vi代表了鐵釬中每一個質點的速度，Ek代表了鐵釬的總體動能，vc代表了鐵釬質心的速度。

又因為鐵釬是金屬材料的，金屬材料的密度都比較均勻，因此各個質點的質量可以看作相等，由此可以得出最終的鋼釬動能表達式，如下

式中：mi代表了鐵釬中每一個質點的質量，vi代表了鐵釬中每一個質點的速度，Ek代表了鐵釬的總體動能，vc代表了鐵釬質心的速度，m代表了鐵釬的總體質量。

鐵釬的動能是由自由落體的高度所帶來的勢能大小所決定的，因此鐵釬動能和勢能之間的關系如下

式中：Ek代表了鐵釬的總體動能，vc代表了鐵釬質心的速度，m代表了鐵釬的總體質量，g代表動力加速度常數，h代表自由落體的高度，Eh代表了鐵釬的總體勢能。

再來看第二個環節，鐵釬進入地基土層后會繼續受到重力的作用，同時會受到地基土層對其施加的阻力。重力作用是垂直向下，而地基土層的阻力是垂直向上，二者正好方向相反。從做功的角度看，地基土層的阻力所做的功，應該完全抵消鐵釬進入土層后重力所做的功，并且要抵消鐵釬進入土層之前所積累的勢能。這樣，就有如下的關系

W=？撞F×s=mg（h+s），" " " " " （5）

式中：W代表了地基土層施加的阻力對鐵釬所做的功，F代表了地基土層施加的阻力大小，s代表了鐵釬進入土層后又深入的距離，m代表了鐵釬的總體質量，g代表動力加速度常數，h代表自由落體的高度。

3" 軟土地基質量的檢測實驗

檢測實驗的主要目的，是運用砸釬法進行軟土地基質量的檢測，并判斷出不同含水量的軟土土質結構和鐵釬砸入深度的關系。為了實現對全土樣的測量，此處用模擬實驗代替現場實驗。

首先，選取軟土土質試樣，然后運用本文提出的3次摻入的化學處理方法，分別摻入生石灰、3%水泥和5%水泥，進行土質改樣。其后，運用壓實法形成軟土化改后的地基試樣。

其次，按照第一步的操作流程，分別得到含水量為22%和25%的2種土樣，這2種土樣也成為砸釬法的實驗土樣。

再次，針對含水量為22%的土樣進行砸釬法實驗，鐵釬深入地基土層的深度和下落時間的關系見表1。

為了便于直觀地對比不同時刻鐵釬砸入土層的深度，將表1中的數據繪制成曲線形式如圖2所示。

表1" 含水量為22%的地基土樣的砸釬法實驗結果

從圖2中的曲線可以看出，隨著下落時間的不斷增加，鐵釬砸入土層的深度也不斷增加。但是，隨著地基土層阻力的持續作用，鐵釬砸入土層的深度增加幅度也不斷減小。

最后，針對含水量為25%的土樣進行砸釬法實驗，鐵釬深入地基土層的深度和下落時間的關系見表2。

為了便于直觀地對比不同時刻鐵釬砸入土層的深度，將表2中的數據繪制成曲線形式如圖3所示。

從圖3中的曲線可以看出，隨著下落時間的不斷增加，鐵釬砸入土層的深度也不斷增加。但是，隨著地基土層阻力的持續作用，鐵釬砸入土層的深度增加幅度也不斷減小。

綜合比較上述2組實驗結果，含水量為25%的地基土樣被鐵釬砸入的深度，明顯高于含水量22%的地基土樣。這表明，含水量高的土質確實會導致土質結構不夠堅固，鐵釬砸入深度會更高。

4" 結束語

軟土土質區域的建筑物建造，地基施工是重要的技術難題。只有改善軟土土質結構，進行加固處理，才能形成具有更高安全性的地基。本文采用基于化學處理的方法，在軟土土質結構中分三次進行摻雜，并提出了基于砸釬法對軟土地基質量的檢測方法，在給出基本操作過程后進行了運動學分析，明確了鐵釬砸入深度和動能、勢能的關系。配置了含水量為22%和25%的2種地基化改土樣進行砸釬檢測實驗，實驗結果表明：隨著下落時間的增加，鐵釬砸入深度的增加幅度會逐步減小直至停止。含水量高的地基土質，鐵釬砸入深度會明顯增加。

參考文獻：

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