在处理复杂深厚软土地基时,单一的强夯法、排水固结法、复合地基法等都存在地基条件与处理措施不适应、加固深度与控制效果不理想、控制稳定与沉降变形困难、可靠性与经济性矛盾等问题。为了满足工程建设的需求,需要合理、快捷地解决这些问题,需要推动业界不断创新,探索出不同措施组合的新型综合加固方法,充分考虑各种措施的优缺点,取长补短。
1.排水固结与水泥土桩复合地基组合形式
在较高填方(5~8m)深厚软土地基中,加固深度达20 m左右时,单一的排水固结法工期时间长,也难以满足填筑稳定。单独采用水泥土桩加固,难以满足深度要求。在这种条件下,可采用塑料排水带+垫层(加筋)+填土堆载预压,与(悬浮)短搅拌桩或旋喷桩联合使用,形成一种排水固结与水泥土桩复合地基的综合加固方法。断面布置形式如图1-4所示。
图1-4 水泥土桩复合地基联合排水固结加固断面
搅拌桩或旋喷桩处理基底以下的软土层(一般不大于15m),与被加固的软土共同形成水泥土复合地基,承受上部荷载。“短桩”复合地基形成“硬壳”效应,大大提高了所加固地基的强度,提高了填筑施工效率,保证了地基的稳定性以及减小了地基沉降,对工后沉降的控制以及工程的满足创造了有利条件。塑料排水带穿透沉降控制需要加固的软土层,填土堆载预压辅助排水,让地基固结加速进行。控制沉降的收敛速率,争取后续施工的时间,达到工期要求,最终控制工后沉降。这种加固方法不仅满足高填土工程的工期要求,也能满足工程的稳定性,保证工期,对工后沉降的控制也有良好的效果。
2.排水固结与高位刚性桩结构组合形式
两层或多层分布的软土地基,上层为淤泥或淤泥质土,厚度一般达20 m以上,其间还存在较厚的硬夹层,加固深度在30 m以上。针对此类复杂的深厚层软土地基,提出塑料排水带+垫层(加筋),联合刚性桩方法加固软弱地基,形成排水固结与高位刚性桩组合形式的综合加固方法,断面布置形式如图1-5所示。
此综合加固方法的优点是将填土分成上、下两部分,针对不同部分进行处理。地基采用塑料排水带穿透上部软土层,使用填土堆载预压加速上层软土排水固结,有效满足下部稳定性,在施工期内保证填土沉降能收敛稳定。在下部填土沉降基本收敛后,再在填土面上施作刚性桩,对软弱地基进行深部加固,在下部填土面构成桩网、桩筏结构,刚性桩承担上部荷载控制工后沉降。这种综合加固方法充分发挥了排水固结法加固地基对填土稳定性和沉降的作用,具有明显的经济效益。
图1-5 高位刚性桩结构联合排水固结加固断面
3.水泥土短桩与高位刚性长桩结构组合形式
在填土较高的深厚软土地区、沉降控制标准较高的工程,如化工厂区客运专线路基等工程,水泥土桩无法加固深厚软土层,仅仅采用刚性桩又不经济,可采用水泥土短桩与高位刚性长桩结构组合形式的综合加固方法,控制水泥土桩在20m内,水泥土桩置于地基中相对较硬的夹层中,断面布置形式如图1-6所示。
图1-6 高位刚性长桩结构联合排水固结加固断面
这种综合加固方法的特点与前述两种方法基本相同,都是将地基分成上、下两部分,进行不同的处理。其区别在于,水泥土搅拌桩或旋喷桩加固上层软土的加固深度在10~20m,形成水泥土短桩复合地基,承担上部填土荷载,满足下部地基稳定性,保证填筑速率,在有限的施工期内能快速收敛和高效率完成。与在地基中采用刚性柔性长短桩复合地基加固方法对比,这种综合加固方法充分发挥了水泥土短桩复合地基对填土稳定性和沉降的作用。刚性桩设置在稳定的填土面上,体现了更明显的经济优势。(www.xing528.com)
4.排水固结、水泥土短桩与高位刚性长桩结构组合形式
针对以上情况,当上部软土层大于20 m时,在对荷载的稳定性或沉降控制要求较高的情况下,水泥土短桩复合地基难以满足要求,若工期允许,在上部软土的加固土桩间设置较长的塑料排水带,通过穿透软土层加速桩底下软土层的排水固结。这就是排水固结、水泥土桩与高位刚性长桩结构组合形式的综合加固方法。
5.新材料
泡沫轻质土是一种轻质高强才料,它是用水泥浆液与发泡剂产生的泡沫混合均匀,再加一些添加剂(硅质、钙质等),经自然养护形成。其中泡沫由机械化方法制成,也可由高速搅拌发泡剂水溶液生成。与一般的混凝土和纯水泥浆相比,泡沫轻质土是一种良好的建筑才料,虽然泡沫轻质土成型后里面有大量的气孔,但其具有隔热隔温性能好、轻质高强、抗震性能好、节能环保等特点。泡沫轻质土是由水泥和粉煤灰等才料按不同配比制成的,因此有不同的种类,最常见的是水泥类的泡沫轻质土。在隔热防火和高层建筑中,泡沫轻质土已经有所应用。传统的注浆才料在加固软土地基时,因为水泥浆液自重大,会产生工后二次沉降,没有在根本上解决问题。泡沫轻质土在制作时不使用粗集料,同时内部含有大量的小泡沫,因为其质轻而表现出更多的特性,使得其应用相当广泛。泡沫轻质土基本特性如图1-7所示。
地基加固的方法很多,但它们的适用范围不同,具有各自的优缺点,同一种方法在不同的工程中加固效果明显不同。各种加固方法的优缺点、适用范围对比情况如表1-1所示。
图1-7 泡沫轻质土基本特性
表1-1 各种加固方法的优缺点、适用范围对比情况
(续表)
我国的纠偏加固技术起步较晚,是从20世纪后半叶兴起的与基础工程密切相关的新技术。建(构)筑物纠偏加固技术已成为当前颇受欢迎与重视的新颖技术。一方面,它满足了社会发展进一步进行基本建设的需求,另一方面,“老年”的建筑在自然环境下,长期使用后或意外事故后,其结构功能逐渐减弱,甚至出现安全隐患,因此需要进行维修、加固。国内专家学者及工程技术人员在地基基础不均匀沉降的理论研究和工程实践方面进行了大量的探讨和研究,在既有建(构)筑物加固改造理论与技术的研究应用方面取得了显著成果。我国涌现出许多纠偏加固的新工艺、新方法和新技术,并具有一定的特色和创新性,在全国各地进行了大量的建筑物纠偏加固工程实践,挽救了大批危险建筑物,为国家避免了重大的经济损失。我国先后颁布实施了《既有建筑地基基础加固技术规范》(JGJ 123—2012)、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)、《铁路房屋增层和纠倾技术规范》(TB 10114—97),这些标准的颁布使建筑物的纠偏工程有章可循、有法可依。
国外对建筑物纠偏加固机理的研究因不同国家科技水平的不同而不同。以日本和美国为代表,政府对此重视度较高,研究水平较高,基本实现了过程的计算机分析和设计参数的统计验证。而其他国家的理论研究水平并不是很突出。另外,值得注意的是,日本和美国等发达国家在本学科的计算机应用水平较高,其科研部门和高校有很多大型分析软件和大型计算机组。然而,综合来看,国外对建筑纠偏加固的理论水平也没有形成独立的体系,但工程实践很多,纠偏方法、工艺先进,有关工程实例也较多,如举世闻名的比萨斜塔,淤泥质黏土是造成塔身倾斜的主要原因,为挽救历史名迹,专门成立了比萨斜塔国际委员会,世界各地的专家纷纷为拯救斜塔献计献策,几十个国家寄送了近千个纠偏加固方案。
多年来,国内外对地基基础沉降问题的理论研究及工程实践从未停止,研究及应用成果不断涌现,但是因为地基土的土性千变万化,建(构)筑物的基础类型多种多样,造成地基基础不均匀沉降的成因错综复杂,其处理方案必须针对具体情况研究分析,因此,既有建(构)筑物地基基础不均匀沉降在成因分析和处理方案的研究一直是土木工程学科的重要研究课题。
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