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        軟基處理新工藝地固件法施工技術

        2021-11-08 09:43:04陳津生孫萬里楊建勛
        天津建設科技 2021年5期
        關鍵詞:工程施工

        陳津生,刁 鈺,孫萬里,楊建勛

        (1.天津鼎元軟地基科技發(fā)展股份有限公司,天津 300353;2.天津大學 建筑工程學院,天津 300072;3.天津四建建筑工程有限公司,天津 300221)

        軟弱地基處理在工程建設領域一直是值得探討的問題,傳統(tǒng)的淺層換填、水泥固化、水泥攪拌樁等處理方式存在工期長、成本高、砂土液化嚴重、機械無法進入的問題,施工難度大并且對于環(huán)境擾動比較大。

        地固件法[1]是一種采用新型土工袋處理軟弱地基的工法,于2016年正式從日本引進,是基于傳統(tǒng)土工袋進行的技術改良。本文從工法簡介、試驗研究、工程實踐等方面介紹地固件法的應用。

        1 工法簡介

        1.1 地固件介紹

        傳統(tǒng)土工袋[2]由于土體的剪切變形,在軟基之上較難維持自身形狀和抵抗自身的沉降;地固件法在內(nèi)部增加導向架(小型地固件)或中心和四角8~12條桁架帶(大型地固件),形成內(nèi)部約束,從而具有形狀保持的特點[3]。

        地固件基于傳統(tǒng)土工袋,自身材料改良為超耐候聚丙烯,在袋內(nèi)設計約束裝置,內(nèi)部填充材料為級配良好的碎石(0~40 mm)或砂土以及固體建筑廢棄料,在起吊時下方形成圓錐形凹槽并能夠保持地固件整體形狀;地固件型號分為標準型和非標準型。見圖1和表1。

        圖1 地固件構造

        表1 標準型地固件尺寸

        地固件法在日本已有近3 000成功案例,為工法的應用積累了大量寶貴的施工經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。該工法于2019年取得了日本沿海城市巖土工程關于道路通行穩(wěn)定性的認證及土木工程建筑行業(yè)的工法認證。

        1.2 應用領域

        地固件法的應用場景比較廣泛,國外工程普遍應用于軟弱地基處理、污染物填埋(核污染土的處理)及建筑地基加固[4];在國內(nèi)處于推廣階段,應用領域主要包括:臨時道路的修建;基坑開挖時機械施工的下層軟基工作面加固,堆場地基處理,抗震地基加固;抗洪搶險工程的快速應用;公路、鐵路的地基加固,對于沉降和承載力要求較高工程,參與復合工法施工;多層民用建筑基礎。

        1.3 地固件制作

        包括產(chǎn)品制作和填充材料填充作業(yè)。產(chǎn)品制作為內(nèi)部工廠提供,填充材料的作業(yè)施工依據(jù)施工場地的便利性選擇。

        地固件填充流程按照標準化施工,包括型腔的制作、地固件填充時的袋體伸展、分層填充密實、封裝閉口、垂直起吊以及安全碼放。

        1.4 施工

        地固件法施工應滿足工程設計要求,施工過程做好施工管理及質(zhì)量管理工作。具體操作[5]見圖2。

        圖2 地固件法施工操作

        1.5 施工特點

        地固件法采用半裝配式施工,相比傳統(tǒng)工藝簡單快捷,主要施工特點有如下幾方面。

        1)施工便捷化:邊填充邊鋪設,對于臨時路的修建可即鋪即用。

        2)臨時工程的環(huán)保化:對于臨時工程,作業(yè)完成后,地固件可起吊回收,對土地不造成擾動污染。

        3)經(jīng)濟化施工:對于深厚軟基處理(5 m以上),地固件法相比樁體工藝可極大縮減成本(包含工期成本)。

        4)快捷化施工:施工流程簡單,操作便捷,施工速度快。

        2 工作機理

        2.1 約束作用

        為探究深埋狀態(tài)下承載力的極限,對單個地固件進行單軸抗壓試驗。填充材料為d50=0.8 mm、內(nèi)摩擦角31.3°、級配良好的干砂及粒徑均勻(多為40 mm左右),內(nèi)摩擦角43°的碎石。

        試驗結果表明,對于標準型地固件,在上部荷載達到15 000 kN時,其承載力并未降低,地固件整體剛度隨上部荷載作用不斷增大,體現(xiàn)了地固件的約束作用;另外,在壓力荷載作用下,地固件存在顯著的應力不均勻現(xiàn)象,地固件中心處的干砂和碎石都出現(xiàn)了顆粒破碎現(xiàn)象,這也恰好證明了地固件的內(nèi)外雙重約束作用,相比于傳統(tǒng)土工袋,受力機制更加復雜,導致其內(nèi)部應力顯著不均勻。見圖3。

        圖3 地固件填料破碎圖像

        相比于傳統(tǒng)土工袋僅有的基布約束,地固件內(nèi)部的桁架吊帶約束增加其內(nèi)部受力機制的復雜性,荷載作用下的內(nèi)部應力出現(xiàn)不均勻。

        2.2 柔性保形

        地固件自身的材料為柔性,由于內(nèi)部填充料及桁架約束作用,使其在荷載作用下保持一定的形狀,區(qū)別于傳統(tǒng)土工袋的柔性不保形、荷載作用下易變性及混凝土構件的保形但無法自動調(diào)節(jié);在外部荷載作用下,通過自身的調(diào)節(jié)作用,自適應性地傳遞荷載;軟弱地基鋪設時,土體進入地固件下方錐形槽內(nèi),有利于進一步提高地基承載力。見圖4。

        圖4 軟弱地基上地固件受力變形

        2.3 排水成殼

        施工時,強制加壓地固件以及鋪設完成后對其振夯碾壓,下部的超孔隙水壓力會通過地固件自身的排水特性而消散,下部土體固結形成硬殼層,從而提高地基承載力。

        2.4 應力擴散

        地固件本身特性類似墊層處理軟弱地基,對上部荷載起到擴散作用,地固件自身的基布和吊帶形成的約束增加其擴散性能,擴散角度遠大于散體材料墊層的擴散角。見圖5。

        圖5 地固件擴散形式

        單層多個地固件施工,上部荷載作用范圍覆蓋地固件一半寬度時,則認為整個地固件起到擴散作用;少于一半寬度時,按照實際范圍進行計算。多層鋪設時,將上部壓力擴散寬度作為下層的荷載作用范圍,按照相同原則計算出最下層壓力擴散寬度b。

        2.5 填料耗能

        地固件內(nèi)部填充材料在上部荷載作用下,由于袋體基布和吊帶的約束,增大了顆粒之間的互相摩擦,地固件透水的特性可消減地基液化,起到排水減壓的作用。

        采用振動臺模擬振動試驗,試驗對象為地固件與混凝土,開始試驗一段時間后,地固件四周沒有溢出大量水,也并無傾斜現(xiàn)象發(fā)生;混凝土在試驗振動過程中,四周水開始溢出,混凝土被淹沒。這是由于地固件內(nèi)部的散體材料在袋體約束下的互相摩擦削弱振動能量,使得地固件具有良好的隔振和抗液化能力。見圖6。

        圖6 地固件與混凝土振動臺模型試驗

        2.6 試驗驗證

        為驗證地固件的作用效果,在深厚的淤泥質(zhì)地基上進行地固件和鋼板的加載試驗。試驗地層為深厚淤泥質(zhì)黏土,呈現(xiàn)褐灰色、流塑、厚層狀、高壓縮性、土質(zhì)不均,局部為淤泥或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、干強度高、韌性高、物理力學性質(zhì)差。地固件和等尺寸鋼板(1.5 m×1.5 m×0.1 m)鋪設于軟弱地基上,上部加載5 t荷載,監(jiān)測四角點沉降和中心點之下1、2、3 m孔壓。見圖7。

        圖7 軟弱地基上地固件與鋼板加載試驗

        荷載作用下,鋼板初始孔壓大于地固件;地固件的孔隙水壓力消散程度明顯大于鋼板,這是由于地固件的排水特性,其下方土體固結,提高地基承載力。見圖8。

        圖8 軟弱地基上地固件和鋼板加載試驗超孔隙水壓力變化

        鋼板的最大沉降為地固件的6倍且發(fā)生傾斜,差異沉降為地固件的25倍,說明地固件的柔性保形作用。見圖9。

        圖9 軟弱地基上地固件和鋼板加載試驗沉降變化

        3 工程應用

        3.1 工程概況

        場地上部擬修建拱橋,需承受施工荷載,土體含水率近60%,地基液化嚴重,施工機械無法進入現(xiàn)場,挖掘機作業(yè)時下沉過半,6 m長鋼板下沉埋沒,無法進行連續(xù)施工。見圖10。

        圖10 施工場地狀況

        3.2 地固件法施工及效果

        采取地固件法處理,按照流程進行順序施工,拱橋底部地基加固范圍約24 m×15 m,工后預載600 t荷載進行承載力檢測,最大沉降為1.9 cm,滿足工程要求。見圖11。

        圖11 沉降檢測

        4 結論

        1)地固件受內(nèi)外約束,強度高,可用于填埋工程。

        2)地固件自身既有排水及壓力擴散特性,可應用于軟弱地基處理。

        3)填充料顆粒的摩擦耗能,可應用于減震工程。

        4)與傳統(tǒng)軟弱地基處理工法相比,經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯;對于臨時道路的應用,二次回收可帶來環(huán)保性能和成本效益;對于永久基礎加固的使用處于研究推廣階段,需進一步的研討?!酢?/p>

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