高含水量软土地基的加固新技术—高真空击密法

高含水量软土地基的加固新技术高真空击密法 楼晓明 同济大学地下建筑与工程系 徐士龙 上海港湾软地基处理有限公司，专利发明人 周国钧 原冶金部建筑研究总院 主要内容 1、前言 2、加固机理 3、设计计算的若干问题 4、应用实例1 前言“高真空击密法” ：是一种快速加固软土地基的新技术，它是通过数遍的高真空，并结合数遍合适的变能量击密，达到降低土层含水量，提高密实度、承载力，减少地基工后和差异沉降量的目的。 发展应用情况 高真空击密法原先是由施工人员在针对高含水量的水力吹填陆域地基加固过程中逐步形成的。 因为吹填陆域地基往往具有高含水量、高含泥量、面积很大的特点，传统地基处理方法，施工成本高、工期长，或施工机械进场困难，施工质量难以保证；而高真空击密法因造价低廉、施工速度快、对高含水量地基适应性强的特点，显示出了较明显的优越性。 由形成到发展已超过 5 年，该工法在沿江沿海的大面积处理松软地基工程中得到了迅速的推广应用，处理对象包括了除淤泥外的各种松软土层。处理工程涉及港口堆场、道路，机场跑道，厂区，仓库等，累计处理面积已超 1000 万平方米。 这过程中积累了一定的经验，改进了施工设备，形成了较为成熟的工法，并申请了国家专利，主要成果是施工工艺的创新与改进。 由于夯击问题的复杂性，理论落后于实践的现象依然存在。要进一步发展完善该工法，还需要更多科研、设计、施工人员的继续协作努力。 在此，作者就高真空击密工法的加固原理、特点与设计方法谈一些体会，并介绍该工法在吹填砂和粉煤灰工程中的应用实例。高真空击密工法的加固机理 高真空击密法应该是在普通强夯法基础上的改进工法，对软土地基的加固原理仍然是动力排水固结理论。 高真空击密法特点是通过多遍主动排水措施来增强动力固结效果。排水的作用原则上可用有效应力原理解释。 2.1 排水条件对多遍冲击下土的应力、强度的影响NCLA12jEB132Djp0DijAjlogu2.2 高真空击密法的加固机理 理论研究表明：多遍冲击过程中孔压消散率越高，强度增长也越明显，同时减轻了冲击荷载对土的结构破坏，大大降低了夯击过程中地基土出现“橡皮土” 的风险。 高真空击密法就是通过多遍高真空排水工序，来达到提高强夯击密效果的目的。但高真空排水不是强夯法的辅助手段，而至少是与强夯同等重要的工序。 本工法的具体工艺流程是：高真空排水击密的多遍循环。这两道工序的相互作用，有机组合，形成了高真空击密法的独特机理。 （1）夯前对高含水量饱和土先进行高真空排水，减小土的饱和度，可有效增加夯击效率，同时减小产生的超孔隙水压力。这属于主动排水，而塑料板属于被动排水，由于没有外荷载作用，无法形成水头梯度达到夯前排水的目的。 （2）排水后土体孔隙的自我压密有限而且缓慢，土层变形并不明显，要在回水以前用强夯的方法加以击密。 （3）渗透系数较小的软土，在适当夯能的作用下，土中出现的微裂缝可增加土的渗透性能，产生的超孔隙水压力能提高孔隙水渗流的水头梯度，从而进一步增加排水效果。为此，本工法提出了第二、第三遍高真空排水，甚至夯击与排水同时进行的独特排水工序。多遍高真空击密排水最终以达到降低饱和土的含水量为目标。 （4）由于第二次高真空作用，使第一遍强夯产生的超孔隙水压力快速消散，使两遍强夯间隙时间明显缩短。 （5）有效的真空排水与合适的夯击能量有机结合，才能使软土避免“ 橡皮土 ”现象，得到理想的加固效果。正是由于上述机理的作用，使强夯振动处理方法在过去不宜的一些饱和软土地基中得到了成功应用，扩大了强夯工法的使用范围。 本工法的高真空排水，与一般的单纯通过夯前集水井、井点降水，以降低一点地下水位、 “防止夯坑积水或夯击效率降低” 为目标，也有根本不同。3 设计计算的几个问题 3.1 地基承载力与沉降 应用高真空击密法的设计基本原则与常规地基基础相同，要求进行承载力、沉降计算 。 施工设计仍要参考一般强夯法。如果工期允许，先进行小区域的试验性施工，通过监测和对比检测验证根据经验和计算确定的施工方案能否满足设计要求，并为今后大面积施工优化施工参数提供依据。 （1）承载力或稳定性计算 高真空击密法对吹填砂或粉煤灰等粗颗粒土的加固效果要大于软粘土等细颗粒土，加固后浅部土层承载力较高，形成硬壳层；而下部较低，为软弱下卧层。浅部土通常即为持力层，应分别进行持力层与软弱下卧层承载力验算。 对于堆料场、油罐等基础还要对整个地基进行整体稳定性分析。 加固后的承载力对于持力层可以通过原位测试直接得到，对于软弱下卧层根据实测的强度增长推算得到。 硬壳层的作用对小面积荷载应力扩散作用明显，随着荷载面积的增大，应力扩散作用减弱。（2）沉降计算 根据使用荷载的实际分布范围，按分层总和法计算沉降；按大面积荷载计算沉降时，应考虑荷载的面积系数。对于堆场荷载，还可适当考虑一些循环荷载与恒载的区别。 工后沉降不等于计算总沉降与工前沉降之差，加固土层可按超固结土计算。加固后土层的应力状态可以间接通过处理后的场地平均沉降和物理力学指标变化评价。 如：粘性土受取土扰动的影响较小，其物理指标的变化能说明一定问题，根据确认的e 可以反算出处理后土层中增加的有效应力，=e/a=Ese/(1+ e0)。（3） 高真空击密法与其它地基处理方法的组合 加固前的地基承载与沉降，如果与设计要求相比差距很大，根据经验，很难单纯通过高真空击密法达到设计要求，可利用工程条件经济地结合其它地基处理方法，如充水预压、堆载预压和真空预压。 如果：利用高真空击密法解决稳定性问题，而工后沉降问题借助预压解决； 如果：利用高真空击密解决稳定性问题还有差距，后期堆载要控制加载速度。 3.2 施工参数的设计问题 通过对加固前的地基承载力与沉降验算，并与设计要求比较。可大致明确地基承载力的提高幅度和工前要完成的沉降目标。根据加固目标确定施工参数是个难点，这是由于夯击对土层影响很复杂的因素决定的。 目前主要结合经验确定，一些主要经验如下：高真空排水 井点密度、深度，真空时间、真空度等施工参数与土层的分布、渗透系数、含水量有关。渗透系数差异较大的区域和土层，真空管系统布置要区别对待；为此如果勘察报告中的钻孔间距过大，现场工程师必须先进行详探划区。必要时结合现场排水效果及时进行调整。 为使施工区域在含水量调整后不受外围地下水的影响，需要设“外围封管”；边拔管边强夯，拔管区域在 24 小时内必须夯完。击密 击密主要有两种方式，一是锤击击密，即通常的强夯法，二是振动击密，主要由大功率、大能量的冲击、振动碾压设备最后实施。 夯击能量，包含单击能量大小、夯点击数，遍数；夯击能量大小与加固要求，土层分布情况及排水情况有关。主要根据经验估算、并结合现场试验调整。 如果通过检测发现局部区域加固效果较差或局部区域需要达到更高的承载力要求，可通过增加高真空击密遍数来达到设计要求。4 工程应用实例 4.1 吹填砂及淤泥质土加固施工实例（1）土层分布常熟兴华港表层吹填粉细砂，层厚为 13m；第二层粘土及粉质粘土，平均层厚 12m；第三层为淤泥及淤泥质土，该层分布较不均匀，层厚变化较大，层厚在 06m 之间变化，夹有粉砂层，属高压缩性的软土；第四层为粉细砂，该层一般呈中密状，是较好的持力层，再往下为淤泥质土与砂土互层。 （2）施工工艺 小区试验时 第一遍高真空强排水时间为 1015 天，真空管点间距3.54.0m；第一遍锤击能量控制在 3000kNm 左右，夯距7.07.0m 正方形布置，每点击数 8 击。 第二遍高真空强排水，强排水方案基本类同第一遍，高真空时间 812 天，然后进行第二遍锤击，夯击点间距为 3.5m，梅花形布置，夯击能量 1800 kNm，每点 6 击。 第三遍“高真空击密法 ”，采用真空管控制浅层土的含水量，真空管点间距 3m，排距 12m，然后用大功率调频，调幅振动压路机，击振密实土体。 击密能量有先重后轻的特点主要加固效果试验区加固前后静力触探对比大面积加固前后静载试验对比 -60-40-2000 15030 45060p /kPas /m 加 固 前加 固 后加固后的标贯击数68108024N63.5(击 )13大面积加固前后比较Ps(Ma)4.1201240682局部加固效果较差区域重新加固前后12.06124804.0024Ps(Ma)8加固后回弹模量测试0.681p(kPa)1604.2、吹填粉煤灰及淤泥质土加固实例 （1）吹填粉煤灰的处理方法选择 原则上用于软粘土的一些地基处理方法，均可用于吹填粉煤灰的处理，已有多个实例报道。采用水泥搅拌桩，碎石桩等复合地基方法一般造价较高，强夯法则对地基的初始表层强度有一定要求。 交通部三航局科研所叶伯荣等，为降低加固成本，对镇海港区的吹填粉煤灰进行了 5 种加固方法的比较，这 5 种方法分别是振动碾压，简易排水，重锤夯实，堆载预压，自然固结；其中除了堆载预压法造价较高外，其它方法加固成本均较低。从加固效果看，振动碾压加固深度浅；简易排水和自然固结由于外力作用小，地基性状不可能有大的改变；堆载预压的效果取决于堆载强度，在经济可承受的范围内，地基加固效果有限；用落距 6m，6.2 吨重的锤夯击三遍的重锤夯实最好，其承载力可达 180kPa，而且施工费用相对较低。 对于本工程场地，吹填粉煤灰沉积时间最早只有 3 个月，初始强度低，人行走也有下陷的危险，施工机械更无法通行；大部分为边吹填、边施工，初始强度为零。如果采用复合地基法，重锤夯实法或强夯法，必须要有较厚的砂石垫层，从海上吹砂被禁止，用毛片石又影响到后续的打桩或插塑料排水板的施工，而且费用高。因此尝试采用专利技术高真空击密工法。（2）试验过程 进行第一次高真空排水，井管间距 3.5m5.0m，同时对粉煤灰进行预处理，以便施工机械行走，逐步使表层煤灰较为密实，实测沉降量累计 380mm。 第二遍的高真空，第一遍点夯能量为 1150kNm，击数 13 击，实测点夯后的累计沉降为 525mm。 第三遍高真空，第二遍点夯，单击能量提高至 1800kNm，实测累计沉降 663mm。进行最后的满夯，累计沉降 730mm。 主要测试完成后，又增加一遍高真空击密，击密能量为2400kNm，主要想尝试进一步加大加固效果的可行性。 由于加固对象初始强度很低，加固过程中的击密能量符