軟土土質條件下地基的加固機理與仿真試驗研究

王述海

（科爾沁右翼前旗住房和城鄉建設局，內蒙古 興安盟 137400）

0 前言

在含水占比較高的情況下，軟土土質一般表現出強度比價低、滲透性比較差、可壓縮性比較高等突出特征。我國軟土土質區域又大多是經濟富庶地區、人口稠密地區，不可避免地要進行大量建筑施工作業。尤其是大型建筑的穩定性和安全性，很大程度上是由地基的穩定性決定的。在軟土土質上建大型建筑，就必須要保證地基的穩定性和可靠性。鑒于軟土土質的特殊性，常規的地基建造工藝是無法滿足要求的，必須通過特殊的加固處理才能達到安全性指標。地基的加固處理一般包括4種技術手段：1）實現土壤固體顆粒物質的進一步壓縮。2）實現土壤中液體水的壓縮。3）排出土層孔隙中的氣體。4）排出土層孔隙中的水分。而這4種技術手段，前兩項能夠實現土層的加固壓縮量不足整體壓縮量的2.5‰，因此主要加固處理應該從第三、四種技術手段著眼。對軟土土質來說，土層孔隙中含氣量非常低，所以軟土土質下的地基加固，關鍵在于如何有效排出土層孔隙中的水分。該文將從這一角度入手探索軟土地基的加固機理，進而通過仿真試驗加以驗證。

1 雙向施壓軟土地基加固技術及其原理

1.1 垂直方向施加壓力的地基加固原理

對軟土土質來說，因為土層孔隙中含有較多的水，不僅會使土質變軟，而且會導致地基植入后的不穩定。一個最直觀的加固方法，就是將地基即將植入的土層壓縮、夯實，而從土壤表面在垂直方向上施加壓力，是最容易實現的加固手段。從垂直方向上施加壓力，對軟土土質的地基進行加固的原理如圖1所示。

如圖1所示，所施加的外力直接和土壤表層接觸，通過調整力度，不斷排擠土層孔隙中的水分，達到壓縮夯實土壤、加固地基的效果。圖1中平行向下的箭頭表示垂直向下的壓力。

圖1 垂直方向上施加壓力的軟土土質地基加固原理

在加固作業處理過程中，垂直方向上的壓力一般是由沙袋、石塊、大型土方或特殊形狀的構筑物來提供的。當這些重物作用在土壤表面時，土壤單位面積載荷迅速變大，產生超靜水壓力，擠壓土層中的水分從孔隙中流出，達到排水加固的目的。

1.2 水平方向施加壓力的地基加固原理

與垂直方向上施加壓力的直觀性不同，從水平方向上施加壓力排出土層孔隙中的水分是不太容易想到的一種方法。對軟土土壤來說，土層表面相對松軟，在垂直方向上施加壓力更容易達到排出土層孔隙水分的效果。但是對表層以下、相對較深的軟土土壤來說，垂直方向上的持續壓力也無法再達到更好的排水效果。對深層土壤來說，由于黏結水膜等隔離效果的存在，水平方向上存在相對凌亂、交錯成網的水連通道。如果能夠在水平方向上施加壓力并配合有效的導引處理，就有可能排出軟土土層中更多的水分。這就是水平方向上施加壓力的地基加固原理，如圖2所示。

圖2中，所施加的水平方向壓力作用于表層軟土以下的相對較深的深層土壤，2組平行的雙向箭頭代表了水平壓力的作用方向。在水平壓力的徑向作用下，深層軟土圖層孔隙中的水分被排出，進而在導引下流到地基加固區域以外。

圖2 水平方向上施加壓力的軟土土質地基加固原理

在實際加固作業處理中，水平方向上的壓力一般通過特制的壓縮氣囊產生。在地基加工的軟土土壤區域中挖一些數量的深孔，將特制壓縮氣囊置于深孔中，然后對氣囊不斷加壓供氣，使氣囊向外膨脹，形成對周邊軟土土層的水平壓力，進而達到排水、壓縮、夯實土壤以及加固地基的效果。

1.3 水平和垂直方向同時施加壓力的地基加固原理

對大部分軟土土質的建筑施工區域來說，表層土壤和深層土壤的排水壓縮加固性能并不一致，因此該文提出一種雙向施壓的軟土土質地基加固技術。該加固技術的基本原理是在軟土土壤的深層植入特制氣囊，通過打氣使氣囊膨脹產生水平壓力，進而排出深層土壤孔隙中的水分；在軟土土壤的表層覆蓋重物，通過重物的重力產生垂直壓力，進而排出表層土壤孔隙中水分。在水平和垂直2個方向上的綜合壓力效果，將實現更好的地基加固，為軟土土質建筑施工提供更加有效的解決方案。雙向施壓軟土土質地基加固技術的基本原理如圖3所示。

圖3 雙向施壓軟土土質地基加固技術的原理

2 軟土地基理論加固深度的計算

垂直方向施加壓力的加固方法僅作用于軟土土壤的表層，因此軟土地基能夠加固的最大理論深度就取決于水平方向施加壓力能夠深入的氣囊深度。

即使在無限區域的土層，由于土層深度增加以及外加水平力的作用，土壤也會出現土層之間的滑移。而一旦土層滑移出現，土壤擠壓、水分排出、地基加固都失去了意義。因此，需要計算水平方向施加壓力的情況下，可以加固的最大理論深度。

根據土壓力理論，土壓力計算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：P為主動土壓力數值的大小，P為被動土壓力數值的大小，為土壤重力，為土壤黏度，為土壤深度。

公式（2）中，被動土壓力對應的參數為K，其計算如公式（3）所示。

在實際應用中，參數一般取15度，那么可以得到參數K的數值為3。同時，在現有技術條件下，深埋于軟土土壤中的質量最好的氣囊，可以承受大約1000 kPa的壓強，那么可以推算出最大理論加固深度，如公式（4）所示。

根據公式（2）～公式（4）以及現場施工作業的系列經驗數據，可以推算出軟土深層加固的最大理論深度為15 m左右。

3 軟土地基加固試驗與試驗結果分析

為了驗證該文進行的軟土土質條件下地基加固的原理，該文進行仿真試驗研究。在實驗室的既定條件下，無法真正地進行地基加固操作，因此用樣土土壤模擬軟土土質，用試驗氣囊模擬水平加固中的真正氣囊。整個試驗過程包括4個步驟：第一個步驟，軟土土壤的樣土調制；第二個步驟，試驗氣囊安裝；第三個步驟，垂直壓力和水平壓力施加；第四個步驟，排水處理和數據記錄。

3.1 軟土土壤的樣土調制

根據軟土土質的土壤特點，將土壤和水分按一定比例進行調制，形成與真實軟土土質關鍵參數基本相同或接近的樣土土質。在調制過程中，充分考慮了土壤黏性以及土層孔隙的含水量等指標。樣土土質固結，但松軟、黏度大，達到了試驗要求。在調制過程中還發現，受到試驗環境中土壤量少、空氣干燥等影響，樣土中的水分會出現蒸發、流失的情況。因此，配套進行了樣土養護，當測試樣土含水量低于65%時，即進行噴淋以保持樣土與真實軟土土質的一致性。

3.2 試驗氣囊安裝

受到試驗條件的限制，用于施加水平壓力的氣囊不能采用真實大小的氣囊，此處采用既定比例縮放的特制試驗氣囊，作為真實大小氣囊的替代品。試驗氣囊由橡膠材料制成，最大可承受約750 kPa的壓力。試驗氣囊在加壓充氣狀態下，呈現出標準的圓柱形。隨著充氣量不斷加大，試驗氣囊最大直徑可以達到10 cm，試驗氣囊最大高度可以達到40cm。在試驗箱體內，共安放9個試驗氣囊，如圖4所示。從圖4中可以看出，軟土土壤試驗箱體內，共安放了9個試驗氣囊，這9個試驗氣囊在箱體空間內均勻放置，以達到均勻施加水平壓力、排出土壤水分的效果。試驗中，每個氣囊有通氣管與充氣加壓裝置相連。

圖4 試驗中的氣囊配置

3.3 施加垂直壓力和水平壓力

為了施加水平方向上的壓力，通過安裝好的9個氣囊充氣加壓即可，這樣可以模擬真實情況下的深層土壤的土層孔隙排水效果。為了施加垂直方向上的壓力，在試驗中，在土壤表層上覆蓋50 cm厚的方形沙箱，形狀正好與試驗箱體的內腔大小一致。這樣，就同時模擬了水平方向施壓和垂直方向施壓的效果。

3.4 排水處理和數據記錄

在表層沙箱和深層試驗氣囊的綜合作用下，試驗箱體內的軟土土壤同時受到了水平壓力和垂直壓力的雙重作用，土壤中土層孔隙中的水分會被排出。為了有效引導這些水流出箱體，分別在箱體側面配置3個排水管，效果如圖5所示。

為了直觀地比較雙向施壓排水法的效果，分別采取只采用垂直方向壓力、只采用水平方向壓力的排水加固方法作為該文方法的參照，并記錄試驗數據，結果見表1。從表1中的數據可以看出，該方法對軟土土質的排水效果最好，同一時刻下排水量明顯多于其他兩種方法。只在垂直方向上施加壓力的排水方法，在第5個采樣時刻后，排水量趨于飽和，這是軟土上方逐漸被壓實的結果。相比較來說，水平方向上壓力的排水方法，排水效果會更持久一些。

表1 3種方法排水量的試驗記錄

在試驗過程中，按照時間和參數的調整記錄試驗數據。相關結果證實了該文雙向施壓加固方法的有效性，可以用于軟土土壤區域建筑施工的技術轉化。在實際中應用該文的研究成果，要注意以下3個細節：1）整個地基加固區域要比實際硬件區域擴大30%以上，以保證建筑地基夯入后周邊土質的穩定性。2）排水區域的水平方向施壓氣囊排布，可以按照圖5中的結果成比例縮放，保證良好的排水效果。3）排水處理要保證足夠的排水周期，充分去除軟土土質中的水分，使土質具有更好的穩定性。

圖5 試驗中的排水處理

4 結論

我國軟土土質的土壤大多分布在經濟富庶、人口稠密的地區，如何在這些地區完成大型建筑施工工作成為建筑行業的一個難題。為此，該文以軟土土質為研究對象提出了在軟土條件下進行地基加固處理的技術方法，該方法在土壤表層執行垂直加壓排水的處理、在土壤深層執行水平加壓排水的處理，通過雙向加壓達到更好的軟土土質排水。在理論分析之后，該文進一步分析了實際情況下的軟土土壤地基加固最大理論深度，進行試驗。試驗中，在軟土土壤箱體內配置了9個試驗氣囊以提供水平壓力，在試驗箱體頂部放置沙箱以提供垂直壓力，再在試驗箱體側壁配置3個排水管，以達到土層孔隙水分的有效排出的效果。試驗過程和試驗結果，證實了該文的雙向施壓排水法的有效性，可以用于軟土土質條件下的地基加固處理。