换填垫层法、预压法处理地基.pdf

第五篇 换填垫层法、 预压法 处理地基 第一章换填垫层法处理地基 第一节换填垫层设计 换填法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去， 然后分层填入强度较大的 砂、 碎石、 素土、 灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料， 并夯实 （或振实） 至要求的 密实度。 按换填材料的不同， 将垫层分为砂垫层、 碎石垫层、 素土垫层、 干渣垫层和粉煤灰 垫层等。不同材料的垫层， 其应力分布稍有差异， 但根据实验结构及实测资料， 垫层 地基的强度和变形特性基本相似， 因此可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层 的设计方法进行计算。 根据施工时使用的机具不同， 施工方法可分为机械碾压法、 重锤夯实法、 振动压 实法等。这些施工方法不但可处理分层回填土， 又可加固地基表层土。 换填法常用作地基的浅层处理， 其主要作用包括： !提高持力层的强度， 并将建 筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱地基， 使软弱地基土中所受应力减小到该软弱 地基土的容许承载力范围内， 从而满足强度要求； “垫层置换了软弱土层， 从而可减 少地基的变形量； #加速软土层的排水固结。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性 大， 软弱土层受压后， 垫层可作为良好的排水面， 使基础下面的孔隙水压力迅速消散， 加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度； $防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔 隙大， 不易产生毛细现象， 因此可防止在寒冷地区土中结冰造成的冻胀； %对湿陷性 黄土、 膨胀土等特殊土， 处理的目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、 胀缩性 等。 !“# 第一章换填垫层法处理地基 换填法适用于淤泥、 淤泥质土、 湿陷性黄土、 素填土、 杂填土地基及暗沟、 暗塘等 的浅层处理。 一、 砂石垫层设计 砂垫层的设计原则是既要有足够的厚度以置换可能受剪切破坏的软弱土层， 又 要有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出， 见图 ! “ # “ #。作为排水垫层还要求形 成一个排水层面， 以利于软土的排水固结。 图 ! “ # “ #垫层内应力分布 （一） 厚度确定 垫层厚度应根据垫层底部软弱下卧层的承载力确定， 并满足下式： !“$ !#“!$“（! “ # “ #） 式中!“ 垫层底面处的附加应力设计值 （% :. 等 物质进行水化反应， 生成水化产物， 使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块体结 构， 提高粉煤灰的强度， 降低压缩变形， 增强抗渗性和水稳定性。 粉煤灰具有良好的物理、 化学性能， 是一种良好的换填材料。其压实曲线与粘性 土相似， 具有相对较宽的最优含水量区间， 即其干密度对含水量的敏感性比粘性土 小。因此， 粉煤灰在换填施工中达到最大干密度时， 所对应的最优含水量易于控制。 %! 80 第五篇换填垫层法、 预压法处理地基 表 ! “ # “ !土的最优含水量及最大干密度参考表 土的种类 变动范围 最优含水量 （$）（质量比）最大干密度 （%:* 施工效率 （根4台班）22 %* 适用土质淤泥、 粉质粘土、 粘土、 砂土、 回填土 注： 需铺设 ）%7（9:;）$7（9:;） +)）$ （4$ ! 3?） ) （0&$2 柱） ， 膜下真空度保持在 &%# 第五篇换填垫层法、 预压法处理地基 !“#$ % &#!()* （+,-./ % 0,-./ 柱） ， 预压荷载长期稳定在 &,()*。 经过 1$ 天的预压加固， 最大沉降量达到 1,2-， 0$ 天时加固区内 3“ 点的平均沉 降量也达到 !�-。1$ 天的预压加固使地基土的强度也得到较大的增长， 十字板 检测的结果见表 + 4 4 & 所示。可以看到尤其是表层 +- 范围内强度有了大幅度提 高， 这对提高码头岸坡及其后方的稳定性是大有益处的。稳定分析验算的结果也证 明了这一点， 方案实施后使岸坡的边坡由原先的 35“ 增大到 35#+， 承台宽度达到 $-， 其最小整体稳定安全系数也超过 3#， 满足整体稳定要求。与板桩法和 676 法 相比， 分别节省 +1 万元和 3+3$ 万元的资金， 经济效益是相当显著的。 原文将强度的实测值与理论计算值作了对比分析， 见表 + 4 4 1 所示。文中指 出实测值均大于理论分析值， 除 8 3#+ % 4 “#, 淤泥土层较大外， 其它差值都在 3,9 以内。认为采用真空排水预压法加固水下软土地基时， 其加固后的强度增长可采用 理论计算 （文中用的是有效固结压力法） 进行估算。 图 + 4 4 3“水下真空排水预压法工艺 3:袋装砂井； :砂垫层； “:滤管； $:密封膜； +:超低出膜口； 0:止回阀； !:真空抽气管； &:水下射流泵； 1:水下射流供水管； 3,:离心泵； 33:船 （方驳） 表 + 4 4 & 加固前后地基土强度的增长 土 层 名 称 加 固 前 （()*） 加 固 后 （()*） 增 长 率 （9） 淤泥 8 3#+ % 4 “#, &#!“&#,“+ 淤泥质粘土 4 “#, % 4 0#, 3$#1,$,#3,301 淤泥 4 0#, % 4 3,#, ,#3&“,#“,+, 淤泥质粘土 4 3,#, % 4 3$#, 0#1“$3#!,+ 3“+ 第二章预压法处理地基 表 ! “ # “ $ 强度实测值与计算值的比较 土层名称 自重应力 （%&） 附加应力 （%&） 强 度 参 数 !()（*） !()（%&） 固结度 “+（,） 十字板强度 （%&） 天然 !) 理论计算 “!) !) 实 测 值 淤泥 - ./! 0 “ 1 .2/234/1.!/5.#/6$./24/31.$/.#3/414/5 淤泥质粘土 “ 1 0 “ 6 1$/$31/3/5.1/5$./2.2/$5#5/2!13/525/. 淤泥 “ 6 0 “ .5 62/#61/1.!/5/524/1#5/.44/5#4/#15/1 淤泥质粘土 “ .5 0 “ .2 $./4!./5.2/5.!/53$/4#6/$1.5/$13/12./3 注：!原文为 #/.%& 估计笔误， 这里作了改正。 （三） 某杂件库地基加固 这里介绍的工程实例， 我们认为是运用真空排水预压法没有取得明显效果的一 个例子。当然看法也许与原文有差距， 这里且作为个人的见解， 供讨论。 该试验工程地点位于长江南岸， 与长江平行， 面积为 #1/!7 8 237 （52/!7#） ， 加 固区北边距离江堤只有 !57 左右 （见图 ! “ # “ .2） 。该试验区为件杂库的地基， 该地 基的地质柱状图和各层土的主要物理力学指标如图 ! “ # “ .! 所示。 图 ! “ # “ .2试验区平面位置图 原地面为耕地， 后在该地上先填土 #7 左右， 填土是分层进行并经机械碾压， 一 年多后开始打设袋装砂井， 砂井直径 3(7， 井距 ./17， 呈正方形布置， 井深 .!7。砂垫 层厚 25(7。砂井施工结束 2 个月至半年后， 开始抽真空。 #1! 第五篇换填垫层法、 预压法处理地基 图 ! “ # “ $!柱状图及各层土物理力学指标 抽气的第一天先用一台泵抽， 在抽吸的 % 个小时过程中， 砂垫层中真空度逐渐上 升， 一直到达 %!&( 柱， 之后真空度不见上升， 反而有所下降， 相对稳定在)*+&( 柱。第二天又加了一台泵联抽， 随之真空度稳步上升， 但也是在 %+ 天以后， 膜下真空 度才稳定在 ,+&( 柱以上， 之前一直在 !#+ - !.+&( 柱之间徘徊。尽管如此， 还 是超过 %+/01 的设计荷载要求， 加固中地表受到填土荷载、 真空荷载与砂垫层荷载的 共同作用， 真空荷载大约在 !,/01 - *,/01 之间。 两泵联合抽气后， 埋在土中不同高程的真空度测头测得的数据如表 ! “ # “ $+ 所 示， 表 ! “ # “ $ 也列出真空度随时间沿深度的变化情况。从这两张表的数据来看， 能否得出如下一些看法： 表 ! “ # “ $+ 真空度随时间变化过程 测头真空度测值 （&( 柱） 编号标高及位置+2$ 天$+ 天#+ 天)+ 天%+ 天!+ 天! 天 !.3 ,2+&， 砂垫层底部%+!#!.+!%4,+$,$*,4+ !)3 #2,&， 亚粘土层底!+.!$+$)%$.4未测未测 !#“ +2!&， 粉细砂层底)!4!$)+$%!$4!#+!#) !$“ *2+&， 下亚粘土层底+!.,+4+未测未测 )! 第二章预压法处理地基 表 ! “ # “ $ 真空度随时间沿深度的变化 日期 真空度测值 （%& 柱） !(（标高 ) *+,%）!-（ ) -+,%）!.（ ) #+*%）!#（ “ ,+!%）!$（ “ /+,%） /0+!+#, （$ 天）!$* /!/!0!, /0+*+0 （.$ 天）!,. /!$#($-$! /0+*+#* （-/ 天）*$/ /!$/$#$.0$ $+ 膜下真空度上升缓慢， 在 $,%#的面积上用两台泵来抽气， 直到 -, 天后真空 度才达到 *,%& 柱以上。分析产生这个情况的原因， 如果射流泵没有什么异样的 话， 那就得在密封上找答案了； #+ 埋在 ) ,+-% 高程的真空度测头其测值始终在 /!%& 柱， 这高程正好是原来 的地面， #% 多的填土刚好从这里开始， 是否这儿存在漏气的通道， 或者说真空度通过 袋装砂井向土中传播时这儿的阻力相对较大 （文中介绍填土是分层碾压的， 而填土之 下的原地表亚粘土层又是本地基各土层中密实度最大、 孔隙比最小的土） ， 所以真空 度较难在这土层中传播； .+ 埋在 ) #+*% 和 “ ,+!% 高程的两个真空度测头在不同时间的测值是地下所有 深度中量测到的最大值。 ) #+*% 高程是细砂层的顶面， 而 “ ,+!% 正好是细砂层的 底面， 两个测头的测值相差无几， 差值大部分都在 #,%& 柱以内。产生这种情形的 原因， 笔者认为是由于细砂层的渗透性好、 有利于真空度的传递， 从袋装砂井中来的 真空度受到的传递阻力比较小的缘故， 形成了 “应力集中” 现象， 其下淤泥质亚粘土层 受到真空的作用就会减弱。 从沉降观测结果可知， 第一天中心点下沉 $,%， 以后沉降速率逐渐减小， 到第 !, 天时， 共发生 .0% 的沉降； 卸荷后回弹为 (+!%， 实际最终因加固发生的沉降量 为 .$+!%， 加固中地基未发生水平位移。 这里分析一下加固效果， 加固前的 #+,(% 的填土荷重 （约为 -!123） 在打设袋装砂 井 - 4 * 个月之后， 地基固结已基本完成 （报告中计算的固结度已达到 0/5） ； 而真空 加砂垫层的荷载则应是本次加固中的荷载。粗略计算一下该荷载引起的地基沉降 量： 先计算由填土加真空再加砂垫层的荷载， 一共约为 $#,123， 大约产生 #!,% 左右 的最终沉降量 （按报告中提供的地质参数计算） ， 其中由填土引起的为 0,% 左右； 由 真空荷载与砂垫层引起的最终固结沉降量大约为 $*,%， 若考虑加固达到的固结度 仅为 (,5， 则由真空荷载加砂垫层应发生大约 $,% 左右的沉降量。可见现场加固 实际发生的沉降量偏小。 究其原因， 可能问题是出在距地面 .+!% 深， 标高为 ) #+*% 4 “ ,+!%， 厚度为 .+$%的粉细砂层上， 是这层的隔断密封未处理好造成的。这里地下水位高达 ) -.! 第五篇换填垫层法、 预压法处理地基 !“#!$， 且与长江相通， 该层也与长江水相连， 打设的袋装砂井把该层与砂垫层连通； 抽真空时， 砂垫层中形成的真空度很大一部分消耗在该粉细砂层中， 砂层中的水被源 源不断地抽至地表， 造成出水量很大， 据测定大约为 %$&(， 但沉降量却很小。砂井 传递的真空度在不同深度的值很小， 现场量测的 ) #“*$、 ) +“,$、 ) ,“*$ 和 - !“,$ 高程的负超静孔隙水压力值最终分别为 ./01、 +“*/01、 #,“%/01 和 #“%/01， 可见形成 的有效应力亦很小， 这就不可能产生较大的沉降量。有趣的是， 以上面的有效应力值 去估算地基发生的沉降量， 大约亦在 % 2 &3$ 之间。从这里也可看出本次加固因强透 水层 （距地表近、 厚度大且与江水相连） 未进行密封处理， 是造成加固效果不很理想的 根本原因。 第四节施工质量控制与检验 一、 施工质量控制 （一） 加载预压法 水平排水垫层施工时， 应避免对软土表层的过大扰动， 以免造成砂和淤泥混合， 影响垫层的排水效果。另外， 在铺设砂垫层前， 应清除干净砂井顶面的淤泥或其他杂 质， 以利砂井排水。 袋中砂宜用干砂， 不宜采用潮湿砂， 以免袋内砂干燥后， 体积减少， 造成袋装砂井 缩短与排水垫层不搭接。砂料含泥量要小， 这对于小断面的砂井尤为重要， 因为直径 小， 长细比大的砂井， 井阻效应较为显著， 含泥量要求小于 &4。 袋装砂井施工时， 所用钢管直径宜略大于砂井直径， 以减小施工过程中对地基土 的扰动。袋装砂井或塑料排水带施工时， 平面井偏差应不大于井径， 垂直度偏差宜小 于 #“*4。拔管后带上砂袋或塑料排水带的长度不宜超过 *,$。 塑料带滤水膜在转盘和打设过程中应避免损坏， 防止淤泥进入带芯堵塞输水孔 而影响塑料带的排水效果。塑料带与桩尖的连接要牢固， 避免提管时脱开将塑料带 拔出。桩尖平端与导管靴配合要适当， 避免错缝， 防止淤泥在打设过程中进入导管， 增大对塑料带的阻力， 甚至将塑料带拔出。塑料带需接长时， 为减少带与导管阻力， 应采用滤水膜内平搭接的连接方式。为保证输水畅通并有足够的搭接强度， 搭接长 度宜大于 %,$。 对加载预压工程， 不能急于求成， 应根据设计要求分级逐渐加载。在加载过程中 *&* 第二章预压法处理地基 应每天进行竖向变形、 边桩位移及孔隙水压力等项目的观测， 根据观测资料严格控制 加载速率， 竖向变形不应超过 !“#$%， 边桩水平位移不应超过 &#$%。从沉降角度 来分析， 地基的沉降不仅仅是固结沉降， 由于侧向变形也产生一部分沉降， 特别是当 荷载大时， 若不注意加载速率的控制， 地基内产生局部塑性区而因侧向变形引起沉 降， 从而增大总沉降量。 （二） 真空预压法 真空预压法施工过程中， 真空滤管的距离要适当使真空度分布均匀， 滤管渗透系 数大于 ! !“( )*#$+； 泵及膜内真空度保持在 ,“-./。地面总沉降规律应符合一般加 载预压时的沉降规律， 如发现异常， 应及时采取措施， 以免影响最终加固效果。因此， 必须做好真空度、 地面沉降量、 深层沉降、 水平位移、 孔隙水压力和地下水位的现场测 试工作。 二、 施工质量检验 !0 施工前应检查施工监测措施， 沉降、 孔隙水压力等原始数据， 排水设施， 砂井 （包括袋装砂井） 、 塑料排水带等位置。塑料排水带必须符合质