馮士廣，紀(jì)燕祥，尹春播，丁寧寧，趙志杰，孫宇佳，何若梅，戚 霽，侯永革，邸凱強

(河北省地礦局第二地質(zhì)大隊，河北 唐山 063000)

0 引言

眾所周知，地基與建(構(gòu))筑物的關(guān)系極為密切，建(構(gòu))筑物的安全與正常使用，地基基礎(chǔ)起著非常重要的作用。世界各國各種土建、水利、交通等類的工程事故中，因地基問題造成的工程事故的比例最大。其中軟土地基處理恰當(dāng)與否，關(guān)系到整個工程質(zhì)量、投資和進度，其重要性已越來越多的被人們所認知[1-2]。筆者通過一次性免堆載預(yù)壓技術(shù)的應(yīng)用與研究，較真空預(yù)壓有效減少了排水固結(jié)的時間，較堆載預(yù)壓節(jié)省了大量堆載材料。

1 軟土地基的特性及危害

軟(弱)土是指淤泥、淤泥質(zhì)土、充填土、雜填土或其他高壓縮性土。其中淤泥是在靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積并經(jīng)生物化學(xué)作用而形成，為天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1.5的粘性土;天然含水量大于液限而天然孔隙比<1.5、但≥1.0的粘性土或粉土稱為淤泥質(zhì)土[3]。

1.1 軟土地基的特性

軟土的性質(zhì)與地基土的成層構(gòu)造、沉積年代、成因類型有密切關(guān)系。不同年代和成因的軟土，其物理性質(zhì)指標(biāo)盡管可能相近，但作為地基，工程性質(zhì)卻可能相差很大，其基本特點總結(jié)如下[4]：

(1)含水量較高。因為軟土的成分主要是由粘土粒組和粉土粒組組成，并含少量的有機質(zhì)。粘粒的礦物以蒙脫石、高嶺石和伊利石為主，這些礦物晶粒很細，呈薄片狀，表面帶負電荷，它與周圍介質(zhì)的水和陽離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地質(zhì)環(huán)境下沉積形成各種絮狀結(jié)構(gòu)，因此這類土的含水量比較高。

(2)透水性差。軟土的滲透系數(shù)一般為1×10-8～1×10-6cm/s，所以在荷載作用下固結(jié)速度很慢。當(dāng)?shù)鼗杏袡C質(zhì)含量較大時，土中可能產(chǎn)生氣泡，堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎(chǔ)的沉降拖延很長時間才能穩(wěn)定，同樣在荷載作用下地基土的強度增長也是很緩慢的。

(3)壓縮性較高。一般正常固結(jié)的軟土層的壓縮系數(shù)為0.5～1.5 MPa-1，最大可達到4.5 MPa-1；壓縮指數(shù)為0.35～0.75。天然狀態(tài)的軟土層大多數(shù)屬于正常固結(jié)狀態(tài)，但也有部分是屬于超固結(jié)狀態(tài)，近代海岸灘涂沉積為欠固結(jié)狀態(tài)。欠固結(jié)狀態(tài)土在荷重作用下產(chǎn)生較大沉降。超固結(jié)狀態(tài)土，當(dāng)應(yīng)力未超過先期固結(jié)壓力時，地基的沉降很小。

(4)流變性強。在荷載的作用下，軟土承受剪應(yīng)力的作用產(chǎn)生緩慢的剪切變形，并可能導(dǎo)致抗剪強度的衰減，在主固結(jié)沉降完畢之后還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。

1.2 軟土地基的危害

軟土地基的危害是承載力低，變形大，特別是不均勻變形大，而且變形穩(wěn)定時間很長，達幾年甚至幾十年。往往造成建筑物沉降大且不均勻，造成建筑物開裂、傾斜等[5]。

2 常用的軟土地基處理方法及其局限性

傳統(tǒng)的軟土地基處理方法主要有根據(jù)排水固結(jié)原理而形成的真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓、聯(lián)合預(yù)壓，以及及各類樁基、復(fù)合地基等[6-7]。

2.1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是在需要加固的軟土地基表面先鋪設(shè)砂墊層，然后埋設(shè)垂直排水管道，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，使其形成真空，增加地基的有效應(yīng)力。當(dāng)抽真空時，先后在地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步形成負壓，使土體內(nèi)部與排水通道、墊層之間形成壓差。在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，從而使土體固結(jié)[8]。

真空預(yù)壓過程主要反映在以下幾個方面：

(1)薄膜上面承受等于薄膜內(nèi)外壓差的荷載。

(2)地下水位降低，相應(yīng)增加附加應(yīng)力。

(3)封閉氣泡排出，土的滲透性加大。

真空預(yù)壓是通過覆蓋于地面的密封膜下抽真空，使膜內(nèi)外形成氣壓差，使粘土層產(chǎn)生固結(jié)壓力。即是在總應(yīng)力不變的情況下，通過減小孔隙水壓力來增加有效應(yīng)力的方法。

真空預(yù)壓利用大氣壓力作為荷載，各方向均有壓力，相當(dāng)于三維固結(jié)排水，可一次加壓，但由于大氣壓力有限(100 kPa左右)，真空預(yù)壓處理后地基承載力特征值僅能達到80 kPa左右[9]。

2.2 堆載預(yù)壓法

堆載預(yù)壓法[10]是利用地表堆載作為預(yù)壓荷載實現(xiàn)軟土的排水固結(jié)。通過堆載預(yù)壓，使土體中的孔隙水產(chǎn)生超空隙壓力，在水力差作用下孔隙水沿排水板(砂井、砂袋)排出地表，土層逐漸固結(jié)，地基發(fā)生沉降，同時土體強度逐步提高[11]。

(1)機理:在軟基通過填土堆載預(yù)壓，使地基土壓密、沉降、固結(jié)，從而提高地基強度，減少建筑物建成后的沉降量。

(2)特點及適用范圍:堆載預(yù)壓法對各類軟弱地基均有效;使用材料和機具簡單，施工操作方便。但堆載預(yù)壓需要一定的時間，適合工期要求不緊的項目。對于深厚的飽和軟土，排水固結(jié)所需要的時間很長，同時需要大量的堆載材料，在使用上會受限。

(3)方式:進行預(yù)壓的荷載超過設(shè)計工程的荷載，稱為超載預(yù)壓；預(yù)壓荷載等于工程荷載，稱為堆載預(yù)壓[12]。

堆載預(yù)壓主要為垂向壓力，由于軟土強度較小，為防止軟土剪切破壞(側(cè)向擠出)需分級加載，待前一級荷載達到一定固結(jié)度，承載力有所提高后，才能加載下一級，為達到承載力要求往往需要3～4級加載。因此工期長，且需大量堆載物，應(yīng)用受到一定限制。

各類樁基復(fù)合地基則需大量建筑材料及人員、設(shè)備，費用較高。

3 一次性免堆載預(yù)壓技術(shù)研究

3.1 原理

根據(jù)三維排水固結(jié)原理及樁體自身側(cè)阻力(抗拔力)，實現(xiàn)飽和軟土在無外來荷載條件下的一次性快速加載、排水、固結(jié)，提高地基土抗剪強度、降低壓縮性、改善透水性及動力特征。

3.2 三維固結(jié)筒的結(jié)構(gòu)及特性

三維固結(jié)筒是實現(xiàn)一次性免堆載預(yù)壓的關(guān)鍵構(gòu)件，主要由：內(nèi)排水筒、外筒、反力梁、承壓板、千斤頂及筒間排水管等組成。具體結(jié)構(gòu)見圖1，實物見圖2。

1-高壓氣泵；2-排水管；3-進氣管；4-反力梁；5-千斤頂；6-承壓板；7-法蘭盤(與振搗器連接)；8-銷體；9-原狀土體；10-排水內(nèi)筒；11-外筒；12-活瓣體；13-噴漿口；14-砂礫石排水材料

圖1三維固結(jié)筒體結(jié)構(gòu)
Fig.1Structure of3-D consolidating cylinder

圖2 三維固結(jié)筒體實物Fig.2 3-D consolidating cylinder

內(nèi)排水筒由?820 mm橋式濾水管組成，孔隙率>15%，外包2層規(guī)格為100～120目的無紡?fù)凉げ?；外桶?1000 mm×8 mm的鋼管組成。筒體頂部設(shè)置了反力梁及加壓板，反力梁與筒體相連，利用筒體與周圍土體摩阻力通過千斤頂承壓板對內(nèi)筒中土體進行加壓(也可利用沉管時振搗錘輔助加壓)。

在千斤頂及振搗錘的壓力下筒內(nèi)土體實現(xiàn)排水固結(jié)。由于筒體側(cè)向約束、下部土體以及上部加壓蓋的限制，筒內(nèi)土體形成三維壓力，大大提高了土體抗剪強度，可實現(xiàn)對土體的一次加載(不必分級加載)，減少了固結(jié)排水時間。內(nèi)、外筒間隙充填輕型排水材料并設(shè)置了排水管，排水管與外部空氣泵連接可以保證土體中滲出的水順利排出地表，增加土體有效重度，也使下部土體荷載相對加大。

內(nèi)排水筒直徑820 mm，徑向排水半徑410 mm,內(nèi)外筒間隙構(gòu)成排水邊界，與傳統(tǒng)排水板、砂井等排水體相比，排水距離大大減小，排水邊界成倍增加?？蓸O大地提高排水效率，減少排水固結(jié)時間，大大縮短工期。利用筒體摩阻力(或振搗力)作為反力，大大減少了堆載所用材料。工程成本相對降低。

3.3 施工過程(見圖3)

圖3 施工過程Fig.3 Construction process

(1)首先進行場地平整，確保施工設(shè)備能夠順利進場施工。

(2)根據(jù)提供的坐標(biāo)點及樁位坐標(biāo)利用全站儀或GPS進行鉆孔定位。

(3)設(shè)備到達鉆孔位置并使三維固結(jié)筒與鉆孔位置重合。

(4)利用振搗錘或沖擊設(shè)備使三維固結(jié)筒下沉至設(shè)計深度。

(5)將三維固結(jié)筒體作為反力裝置(或振搗錘)，利用千斤頂對筒體內(nèi)土體進行預(yù)壓，同時在內(nèi)外筒間隙進行排水作業(yè)，實現(xiàn)軟土的排水固結(jié)。

(6)利用振搗錘拔出固結(jié)筒，打開底部活瓣，將砂礫石排水材料留于土中。

3.4 研究意義

一次性免堆載預(yù)壓技術(shù)的研究應(yīng)用國內(nèi)外尚未見到報道。本次試驗應(yīng)用的一次性免堆載預(yù)壓技術(shù)，利用土體在三維壓力條件下可一次性加壓(無需分級)排水固結(jié)及筒體自身側(cè)阻力實現(xiàn)快速加壓，無需外來堆載體。較傳統(tǒng)真空預(yù)壓可縮短工期，較堆載預(yù)壓可減少外來堆載物。

4 工程應(yīng)用

試驗場區(qū)位于唐山市曹妃甸工業(yè)園區(qū)濱海道北側(cè)，和韻路東側(cè)。場地交通便利。

4.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本場地巖土工程勘察報告，場區(qū)主要由軟弱的粉質(zhì)粘土及砂土層構(gòu)成。各土層分布及性質(zhì)見表1[13-15]。地下穩(wěn)定水位標(biāo)高2.60 m，即埋深1.30 m。

表1 土層分布及其性質(zhì)Table 1 Soil stratification and characterization

4.2 試驗前后土壤對比

本次試驗以120型振動機為動力，進行固結(jié)筒體的沉入、起拔。筒體與振搗錘采用法蘭盤連接，沉入土中深度6 m(至③層粉砂)，千斤頂采用50 t(500 kN)液壓千斤頂，一次加載至500 kN。試驗過程見圖4。由于工期較緊，預(yù)壓時間僅24 h，預(yù)壓前后土層對比見表2。

圖4 一次性免堆載試驗現(xiàn)場Fig.4 Once-for-all surcharge-free preloading test site

S1鉆孔為天然地基土體，S2鉆孔為一次性免堆載預(yù)壓試驗后土體。通過試驗對比，一次性免堆載預(yù)壓后樣品的天然含水率ω、孔隙比e、液性指數(shù)IP均有不同幅度的降低，內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c、標(biāo)貫基數(shù)有所提高。通過預(yù)壓，軟土層的土工試驗指標(biāo)有所改善，工程地質(zhì)性質(zhì)得到了提高。

5 解析分析

假設(shè)均以徑向排水為主，固結(jié)度最后均達到95%以上，且不考慮井阻和涂抹的影響，計算如下[2]：

根據(jù)：

得：

情況一：采用B型塑料排水板，正三角形排列，間距1.0 m，達到固結(jié)度時所需時間為t1；

情況二：采用一次性免堆載預(yù)壓試驗方法，計算時簡化成塑料排水板，如圖5所示。

圖5 簡化塑料排水板示意Fig.5 Schematic of simplified draining plastics plank

即相當(dāng)于正方形排列，間距0.57 m，達到固結(jié)度時所需時間為t2。

情況一：

情況二：

即：

通過對比計算可以得到，一次性免堆載預(yù)壓技術(shù)可大大縮減軟土固結(jié)時間,較傳統(tǒng)排水板、砂井提高效率10倍以上。

6 結(jié)論

一次性免堆載預(yù)壓是利用土體在三維壓力條件下一次性加壓(無需分級)排水固結(jié)，利用筒體自身側(cè)阻力實現(xiàn)快速加壓，環(huán)狀排水可減少固結(jié)時間，無需外來堆載物。

施工中利用大功率振搗器做為三維固結(jié)筒的沉入與起拔動力，遇到較硬(密實)地層存在下沉與起拔困難的問題。利用外筒摩阻力(或振搗力)作為預(yù)壓反力，也存在作用力隨深度遞減等問題。

據(jù)筆者所知，本試驗尚無應(yīng)用先例，試驗應(yīng)用中不免存在各樣問題，需在實踐中不斷改進提高，也希望起到拋磚引玉的作用，對廣大同仁有所啟發(fā)，共同探討。