地基處理方法應用與發展

朱亞林 習通 邱瑞軍 郭子川 侯淑鵬 張錦

摘 要：本文首先分析了地基處理技術的現狀，將其大致分為置換墊層法，壓密、固結法，增強體復合地基，注漿加固和加筋法5個大類。從技術發展和實踐應用的角度詳細闡述了每項技術的優缺點。然后，論述了地基處理技術發展趨勢。

關鍵詞：地基處理技術;置換墊層法;注漿加固;發展前景

中圖分類號：TU472文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0096-04

Abstract： This paper first analyzed the current situation of foundation treatment technology， which could be roughly divided into five categories： replacement cushion method， compaction and consolidation method， reinforcement composite foundation， grouting reinforcement and reinforcement method. The advantages and disadvantages of each technology were elaborated from the perspective of technology development and practical application. Then， the development trend of foundation treatment technology was discussed.

Keywords： foundation treatment technology;replacement cushion method;grouting reinforcement;development prospect

1 研究背景

隨著國民經濟的快速發展，城市人口的不斷聚集，土地資源緊張以及交通擁堵，立體化城市成為現代化城市的發展趨勢[1]。建筑工程向地下空間延伸，興建了一大批軍用設施、商場、停車場、學校、油庫以及娛樂場所。工程向上發展，高速公路、城市高架橋、機場的大量修建有效緩解了交通壓力;高層建筑打破了土地資源的緊張局面。特殊性土（濕陷性黃土、鹽漬土、軟土、膨脹土）在我國分布廣泛，工程中隨著外界溫度、濕度等物理條件的改變表現出不同的缺陷[2-3]。為了削弱各種特殊性土的不良地質特性，提高天然軟弱地基的強度，并保持穩定性，就必須對地基進行處理。

新中國成立后，我國地基處理大體經歷了兩個階段[4]。以20世紀70年代為節點，第一個階段是起步應用階段，以學習蘇聯為主，應用最為廣泛的是墊層的淺層處理方法，如砂石墊層、灰土樁、重錘夯實。這個階段既有成功的典范，也有照搬照抄的教訓。第二個階段是發展、應用和創新階段。大批國外先進技術被引進，結合我國地質特征，發展了符合我國國情的地基處理和基坑支護方法體系。

2 地基處理技術

地基處理是指通過物理、化學的方法對軟弱地基進行加固[5]，通過改變土的剪切特性、透水性、壓縮性及動力特性等物理化學指標，以優化不良地基或特殊地基土。根據加固原理可將地基處理技術大體分為如表1所示的5類[1，5-7]。

2.1 置換墊層法

置換墊層法是挖去地表以下淺層范圍內的軟弱土層、濕陷性黃土等特殊性土或不均勻土層，回填堅硬、較粗粒徑的材料，并夯壓密實，從而形成墊層的地基處理方法[8]。置換墊層依據換填材料的不同，可分為碎石墊層、灰土墊層、砂墊層、粉煤灰墊層等。由于換填墊層施工簡便，因此在中小型工程淺層地基處理中應用較為廣泛。對于軟弱層厚度較大或者基礎寬度較大時，其適用性較弱。需要注意的是，對于特殊性土應單獨考慮，如濕陷性黃土墊層可以用土、灰土等材料，禁止采用礦渣、砂石等透水性材料[8-9]。

2.2 壓密、固結法

壓密、固結法主要包括機械壓密、振沖、強夯法、預壓固結、降水預壓、真空預壓、電滲法。研究者對其中3種進行詳細分析。

2.2.1 強夯法。強夯法也稱為動力固結法，由法國工程師1969年發明， 20世紀90年代被引入我國。該方法主要是將一定質量的夯錘提高到一定高度，讓它從高處自由下落，給地基以沖擊能和振動，提高地基承載力，同時降低壓縮性。

該方法適用低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土到碎石土、礫土、素填土和雜填土等地基。劉世奇等以實際工程為研究對象，對濕陷性黃土在強夯處理前、后各項物理力學性質指標作了對比，評價了夯實效果，并分析了原因。同時，從土的含水量、夯擊功能、強夯的施工工藝三方面對利用強夯法處理濕陷性黃土提出了幾點建議[10]。

強夯法具有施工速度快、價格低廉、處理效果好的優點，同時也存在噪聲污染、對鄰近建筑物影響大等缺點。

強夯置換法是在強夯法的基礎上發展而來的，在強夯形成的空間內回填塊石、碎石等顆粒材料，形成墩體。該方法可以用于高飽和度粉土以及流塑～軟塑的黏性土等地層。

2.2.2 振沖法。振沖法是德國工程師斯圖門在1936年提出的。德國凱樂公司于次年研制出第一個振沖器，并應用于柏林某大樓砂土地基的處理。我國水利系統較早引進該方法，解決了北京官廳水庫主壩壩基中細砂液化問題。

振沖法主要適用于砂土、粉質黏土、粉土和雜填土等軟弱地基的處理。當處理不排水抗剪強度小于20 kPa的飽和黏性土和飽和黃土地基時，應在施工前通過現場試驗確定其適用性。因為如果樁周土強度過低，當其不排水抗剪強度小于20 kPa時，將導致土的側向約束力始終不能平衡由于填料擠入孔壁產生的作用力。對處理中、粗砂質地基時，因地基土中的砂粒能自行填充孔隙，故可采用原地振沖對地基土進行加密處理。因此，當中、粗砂地基的黏粒含量≤10%時，可運用不加填料的振沖法進行地基加密處理。振沖加密的原理實質是振動加密以及振動液化[8]。

2.5 加筋法

加筋法主要包括加筋土墊層、土釘支護、柔性樁復合地基、剛性樁復合地基、樹根樁法/土工合成材料加筋法。研究者主要就土工合成材料加筋法進行討論。

近年來，隨著土工合成材料的發展逐步成熟，其也被引入地基處理、基礎工程領域。將土工柵格、土工格室等材料設置在褥墊層中，與樁基組成復合地基，控制施工后沉降[19]。土工材料與加筋碎石樁等散體材料聯合使用，有效地提高了散體樁的側向抗力[7]。但是，在使用中也存在一些問題，如土工聚合物在日光作用下會發生分解作用。在有覆蓋物的情況下或者埋在土中會降慢分解速度。通過添加一定量的炭黑和各種抗老化劑可以起到阻止分解的作用。此外，其蠕變性較大。現在大部分學者認為，蠕變強度是斷裂強度的30%左右[8]。

包承綱通過室內試驗和現場試驗提出了新的綜合性加筋機制[20]。將加固機制分為作用在接觸面上的直接加筋和加筋材料對周圍土體影響的間接加固作用。

2.6 地基處理方式的選擇原則

地基處理方法多種多樣，每種方法都有其優缺點和適用范圍，沒有一種方法是萬能的。一般來說，在選擇方案時大體應考慮以下幾點。

①地質條件。主要是地形、地層狀態、地下水條件、土的各項物理、力學指標。

②結構物條件。主要是指建（構）筑物的形式、規模、對沉降的要求。

③環境條件。主要是周圍環境是否存在煤氣、通信管道等地下埋設物、相鄰建筑物情況及機械工作過程中是否對周圍有振動、噪聲影響。

④機械施工設備和機械條件。在有些地區有無所需的施工設備和施工設備的運營狀況成為采用何種加固措施的決定因素。

3 發展趨勢

3.1 樁網復合地基

在地基處理中，樁、鋼筋網片及樁間土共同形成了“樁-網-土”的協調變形，其共同承擔荷載。其中樁和樁間土增強地基的豎向承載能力，鋼筋網則起到均勻應力、加固邊坡及增強地基土水平抗拉能力的作用[14，21]。

楊明輝的研究認為，柱網間距增大時，單根樁所承擔的荷載有所增大，樁體承載能力得到有效發揮。

3.2 微生物加固

微生物礦物學家發現，某些天然微生物在新陳代謝過程中可以產生礦物晶體。其中，尤以碳酸鈣分布最為廣泛、性質穩定。科學家為其提供鈣離子及營養源，快速析出具有膠結作用的碳酸鈣晶體，這一成礦作用成為微生物誘導方解石沉積（簡稱MICP）技術[21，23]。相比其他化學注漿技術，微生物加固具有綠色環保的優點。眾多學者、工程師從強度、剛度、滲透性和耐久性對其加固效果進行了探討和研究。澳大利亞Whiffin 博士第一個使用微生物加固松散砂土顆粒，并討論加固強度等力學參數。DeJong對膠結砂柱進行了三軸試驗，發現不排水剪切強度提高，并且表現出應力軟化的特點。

4 結論與展望

我國在土木工程建設領域尤其是地基處理方面機械施工程度有待提高。隨著我國綜合國力的提高，地基處理機械正朝著自動化、信息化發展。不僅要重視從國外引進先進的，更要重視自主研發具有知識產權的機械設備。

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