软土地基的设计及其处理方法.doc

软土地基的设计及其处理方法摘要近年来，随着我国经济持续高速发展，基础设施建设的需求也在强劲增长。各基础设施的建设量日渐增多，而其穿越软土地基区域的情况也随之增多。在此情况下，软土地基的处理方法成为了许多研究者关注的热点问题。本文针对这一问题，分析了软土的特征分布及处理目的，总结了针对中层软基和深层软基分别适用的处理方法，提出了针对不同的实际情况，工程技术员应该选择的软基处理方法也有所不同。关键词：软土地基；方法；选择目录第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外研究现状11.2.1 软土地基处理技术的研究现状11.2.2 国内外软土地基处理的施工方法11.3 主要研究内容2第二章 软土的特征分布及处理目的32.1 软土特征32.1.1 软土地基的鉴别32.1.2 软土的工程性质32.2 软土分布42.2.1 沿海地区软土地基的工程特性42.2.2 三角洲地区软土地基工程特性42.3 处理目的53.1 浅层软基处理方法63.1.1 常用方法63.1.2 方法选用63.2 中层软基处理方法63.2.1 水泥搅拌桩63.2.2 袋装砂井法73.2.3 塑料排水板73.2.4 强夯置换法73.2.5 挤密碎石桩83.3 深层软基处理方法93.3.1 水泥粉煤灰碎石桩93.3.2 预应力高强混凝土管桩103.3.3 钉形水泥土双向搅拌桩104.1 主要结论114.2 讨论与展望11参考文献12第一章 绪论1.1 引言伴随着不断提高的质量要求和日趋增加的交通荷载，对基础设施的施工质量要求越来越高。而对建筑所在区域软土地基进行工程处理，往往成为缩短建设工期、降低工程造价和确保工程质量的关键的因素之一。近年来，国内外不少研究者都将目光聚集在了软土地基的处理工作之上，相关的研究成果也是非常丰富的。在此背景下，笔者决定对软土地基的设计及其处理方法做进一步探讨。1.2 国内外研究现状1.2.1 软土地基处理技术的研究现状地基处理技术最早在欧洲的一些国家得到了发展，并取得了非常丰富的科研成果以及工程实践经验。早在二十世纪60年代中期，为了实现土体的抗拉强度的大幅提高，在工程中推广应用了土体结构的“加筋法”;为了探索如何有利于土的排水和加速固结等技术，先后开发生产了土工聚合物、砂井预压和塑料排水带;为了研究深层密实处理工艺，探索并采用增加击实功率的处理技术，开发设计了振动“水冲法”和“强夯法”等技术。伴随着工业技术的不断进步，不断制造出载重几十吨的专用地基加固起重机械;在“水冲法”的基础上，引入潜水电机技术，不断完善和发展振动水冲法，同时利用真空泵技术，发明了真空预压法;200个大气压以上空气压缩机的发明，使得“高压喷射注浆法”、“真空预压法”等地基加固技术成功用于工程实践。我国的地基处理技术发展大致可以分为两个阶段:建国时期至70年代以及70至今。联引进在第一个阶段，我国为满足新中国基本设施建设和工业建设的发展需求，年代末从前苏、吸收并发展了大量的地基处理技术，在这一时期，砂桩挤密方法、砂石垫层方法、重锤夯实方法、化学灌浆方法、石灰桩方法、堆载预压方法、灰土桩方法和挤密土桩方法、预浸水方法以及井点降水方法等地基处理技术，在国内得到了良好的发展。从70年代末开始，地基处理技术进入第二个发展阶段，同时也是我国地基处理技术不断发展和完善的一个主要阶段。自1978年起，由于我国改革开放的顺利实施，国内大批工程建设项目不断修建，尤其是一批大型的现代化建筑结构的修建和超高层建筑结构的发展，我国先后引进了大量国外先进的地基处理技术，在一定层面上促进了我国地基处理技术的不断发展。1.2.2 国内外软土地基处理的施工方法国外公路处理软基的方法中，除常规的排水固结外，更多的是采用深层复合地基技术，提高软弱地基土体的强度与稳定性。许多欧洲国家，如瑞典、芬兰等，在桥头引道前的相当长路段内采用桩承法进行软基处理，使桥梁与道路之间实现平稳过渡，有的采用轻质(如粉煤灰、炉碴、陶料，质材料有膨胀性聚苯乙稀等)填筑路堤，以减少地基的附加应力。而口本学者认为，处理软土地基最经济且最有效的方法，是提前在软土地表上部逐级填筑路堤结构，通过这种提前预压的方法使软土路基不断沉降直至稳定，多条高速公路的路基采用提前几年开始预压的处理方法。近年来，我国不仅不断引进国外先进的软土地基处理技术，同时也逐步发展并完善了符合国内具体工程地质条件的软土地基处理技术。例如，我国先后引进并发展了振冲方法、高压喷射注浆方法、深层搅拌方法、强夯法、强夯置换方法、土工合成材料、EPS超轻质填料方法等多种软土地基的处理方法和技术。此前己在我国得到成功应用的多项软土地基处理技术，如排水固结方法、砂桩方法、土桩方法和灰土桩方法等技术也在不断发展和完善。1.3 主要研究内容本文研究工作如下: 1.本文首先研究了软土的工程性质以及可能给工程项目造成的不利影响。2.通过对现有软土地基处理方法的研究，主要从技术因素和经济因素两方面研究了软基处理方法的比选。第二章 软土的特征分布及处理目的2.1 软土特征2.1.1 软土地基的鉴别软土普遍定义为从软塑状态到流塑状态的一种饱和的土层。其中具体土质类型大体分为淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土、粘土、粉质粘土、粉土等。各软土的鉴别指标，详见表 2-1。表2-1 软土鉴别指标注：当天然含水量和孔隙比两个指标满足时，即可划为软土。2.1.2 软土的工程性质软土作为道路地基，它变形和稳定的时间比其它类型的土层来得长。其在自然状态下，可保持稳定，当软土受到扰动，其结构很容易遭到破坏而发生流动。因此，处理软土地基的主要工程问题被归结到了促进沉降和保持稳定性上。软土按不同的形式划分，其种类很多。但它们都具有以下几点共同的工程特征。 （1）天然含水量高，一般大于液限 WL，通常大于 30%，甚至大于 200%，相对含水量大于 1.0； （2）天然孔隙比大，e 一般大于 1.0； （3）软土饱和度 Sr高达 100%，甚至更大； （4）容重小，天然容重 =1.519 kN/m3； （5）渗透系数小，其大小范围为 10-610-8cm/s，自然沉降固结速度慢，且时间长； （6）粘粒含量高，塑性指数大，Ip=1315； （7）高压缩性，压缩系数大，压缩系数 a1-20.005 MPa-1，甚至到 a1-2=0.02 MPa-1； （8）强度指标小，具有较高的固结快剪强度指标，抗剪强度低 C0.02 MPa； （9）具备高的灵敏度，其大小范围为 210，有些情况下超过 10，其流动变形特性显著。2.2 软土分布2.2.1 沿海地区软土地基的工程特性我国沿海地区软土的成因基本上相似，大体可分为淤泥、淤泥质土、淤泥质亚粘土和淤泥混砂四类，其工程特性，见表2-2。大体情况下，除了淤泥以及淤泥质土外，大部分软土都可以作为天然的地基。表2-2 我国沿海地区软土典型类型及工程特性2.2.2 三角洲地区软土地基工程特性三角洲地区为典型的平原地貌，其地势平坦开阔，水网密布，河水受潮水顶托明显。该区软土层中一般含有较薄的粉细砂层。绝大部分的地方只含有一层软土，个别地方含有两层软土。软土深度平均值为 46 m，一些地区深度可达 15 m，地基底部为软岩质，属于第三系红色岩系。其工程特性如下： 含水量较高。淤泥和淤泥质土的平均天然含水量分别为 76%和 48%，还有可以达到100%以上。土体一般为流塑状。 孔隙比大。淤泥质土的天然孔隙比为 1.25，淤泥天然孔隙比为 1.80，少数大于 2.0。 压缩性高。淤泥的压缩系数为 1.34 MPa-1，淤泥质土的压缩系数为 0.73 MPa-1，均属于高压缩性土。 凝聚力小。淤泥的快剪凝聚力平均值为 9.1 kPa，淤泥质土的快剪凝聚力平均值为12.4 kPa，因此土体剪切变形能力差，容易造成路堤失稳。 固结系数小。固结系数一般在 410-3cm2/s 左右，所需固结时间长，影响施工工期。2.3 处理目的软土地基处理需要满足要求是沉降和稳定。首先是处理地基发生沉降的问题，当建筑物设计使用年限内的工后沉降不符合要求时，要对路基沉降进行必要的处理。其次是处理地基稳定性问题，稳定性要求一般表现在：一是能够控制剪切变形，防止地基因为路堤荷载的作用而发生隆起或流动；二是能够促进地基强度增长；三是通过置换部分地基或调整路堤形状(如设置反压护道)，来增加地基土的抗滑能力。第三章 工程软土地基处理方法3.1 浅层软基处理方法3.1.1 常用方法浅层软基处理方法适用于地基承载力不足的浅层软土路段，以及低填、浅挖路段，为满足路面结构及路基对地基的强度要求，而对浅层软土加以处理。常用的处置方法有换填法、浅层加固法、抛石挤淤法，其中换填法和抛石挤淤法合称置换法。3.1.2 方法选用（1）当地基浅层软土深度小于 3.0 m 的路段，其软基处理方法可优先采用排水垫层结合换填法或浅层加固法；排水垫层厚度取值范围为 3080 cm，一般情况下其设计者为 50 cm，材料应该选用透水性能良好的沙砾或碎石；排水垫层铺设的范围可以延伸到路堤坡脚以外50 cm100 cm；（2）当路基填土高度小于 2.0 m 及浅挖路段的软土地基，可采用排水垫层结合浅层加固法；排水垫层厚度取值范围为 3080 cm，一般取值 50 cm，宜选用透水性能良好的沙砾或碎石，铺设范围为路堤坡脚外延伸 50 cm100 cm；（3）当路基填土高度较高，浅层软土深度小于等于 3.0 m 的软土路段可采用全部换填的浅层处理；（4）对于湖塘、滩地及常年积水的洼地，表层无硬壳层，软土呈流塑状、层厚较薄时，可采用抛石挤淤法。抛石宜采用中微风化硬质岩，小于 30 cm 粒径含量不宜大于 20%。3.2 中层软基处理方法中层软基处理是相对于浅层软基处理而言的，其处置深度范围一般为3一15 m。中层软基处理方法适用于软土地基相对较厚的路段，在较深的软土地基中，处置效果具备一定的优势。目前由于科技的迅猛发展，适用于中层软基处理的方法有很多，下面选取五种较为常用的方法进行简要介绍，这五种中层软基处理方法分别为水泥搅拌桩、袋装砂井法、塑料排水板、强夯置换法、挤密碎石桩。3.2.1 水泥搅拌桩（1） 该方法适用处置的软土地基，通过十字板剪切试验后，其抗剪强度宜不小于10 kPa，且路基填土高度不大于7 m的路段。（2）该方法处理的软基深度一般不大于15 m。当处理的软基路段靠近有较高环保要求的路段时，如城区或村镇，使用之前必须采用相配套的环保手段。（3）该方法按照水泥固化剂的固液态可分为粉喷法和湿喷法。对于含水率在30%50%之间的软土地基处理一般采用湿喷法，而当含水率大于 50%时，大多采用粉喷法；（4）一般情况下，湿喷法采用的是单向搅拌施工工艺，为了提高搅拌效果，有条件时应采用双向搅拌施工工艺。3.2.2 袋装砂井法（1）由于缩短砂井间距更容易使土体固结，且效果会比通过增加井径的方法更好，因此，一般贯彻“细而密”的原则，即袋装砂井平面布置时采用小间距小直径，一般直径取值范围为712 cm，间距取值范围为1.02.0 m；（2）砂袋由聚丙烯材料制成，砂袋装砂后的渗透系数应大于等于砂的渗透系数；（3）砂一般选用渗水率较高的中、粗砂，渗透系数不应小于510-3cm/s，其中粒径大于0.5 mm的砂宜占砂总重的50%以上，且砂的含泥量不应大于3%。袋装砂井法的工艺流程：排除地表水整平原地面铺设下砂垫层测试放样机具定位打入套管沉入砂袋拔出套管机具移位埋砂袋头铺设上层砂垫层3.2.3 塑料排水板（1）一般用于处理深度大于5 m的软土地基，但其灵敏度不应大于5，其处置深度一般不宜超过30 m；（2）当采用真空预压处理时，宜选用15 cm宽的大通水量塑料排水板，且为了保证施工质量，应选用可测深式塑料排水板；（3）该方法所采用的施工机械主要是插板机，塑料排水板施工中使用的插板机种类较多，且使用性能各不相同。其可分为挖掘机改装的插板机、履带式插板机、门式轨道插板机等。应视软基处理项目实地情况，结合机械自身各方面特点，来考虑选用施工机械，可以多种形式并用。塑料排水板法施工工艺流程如图3-2所示：图3-2 塑料排水板法施工工艺流程图3.2.4 强夯置换法（1）一般认为对于含水量大于60%、孔隙比大于1.5、粒径小于0.005 mm粘粒占30%以上的饱和软粘土不宜采用强夯法；（2）若采用强夯法直接处置饱和粘性土地基，特别针对是淤泥和淤泥质土，其处理效果不显著。但可以利用夯锤的强大夯击能冲开软土，形成坑洞，在坑洞中填入级配好的块石、碎石等粗骨料而形成置换桩墩，与置换墩间软土形成承载力高的复合地基，该方法即为强夯置换法。该方法可以克服利用强夯法直接进行软土地基处置的不足；（3）强夯置换法的有效加固深度应根据现场试夯试验确定，夯击能和土层性质是决定有效加固深度的两个关键因素，一般能够处理的软基深度范围为510 m。强夯置换法的施工工艺流程如图3-3所示：图3-3 强夯置换法施工工艺流程图3.2.5 挤密碎石桩（1）挤密碎石桩主要发挥其挤密作用，适合使用于砂土、粉土、素填土等软土地基，对饱和粘性土地基主要是置换和排水固结作用；（2）碎石桩桩体中应填充反滤性好的粗颗粒料(碎石、砾石、卵石)，以确保形成渗透性好的竖向排水降压通道，加快土体固结沉降；（3）在大面积施工挤密碎石桩前，要先进行挤密成桩试验，试验数量一般为7-9根，以保证施工质量能达到设计要求。挤密碎石桩的施工方法有2种，分别为振动成桩法、锤击成桩法。其中锤击成桩法又可以分为单管法和双管法。振动成桩法、单管法和双管法的施工工艺流程分别如图3-4、图3-5、图3-6所示。图3-4 振动成桩法施工工艺流程图图3-5 单管法施工工艺流程图图3-6 双管法施工工艺流程图3.3 深层软基处理方法深层软土地基处理是相对于浅层、中层软土地基处理而言的，其处置深度一般大于15m。深层软土地基处理方法适合使用于软土地基厚度大的路段，在深软土地基中，处置效果具备一定的优势。随着科技手段的不断丰富，不断有新的软土地基处理方法被应用于深层软土地基处理中，下面选取三种较为常用的方法进行简述，这三种深层软土地基处理方法分别为CFG桩、PHC管桩、钉形水泥土双向搅拌桩。3.3.1 水泥粉煤灰碎石桩（1）对于主骨料碎石粒径，其取值范围一般为525 mm；水泥一般采用普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5；粉煤灰一般采用级或级袋装粉煤灰，当粉煤灰来源困难时，可以选用砂代替；石屑粒径取值范围宜为2.510 mm，混合料中石屑率宜控制在0.250.33； （2）当采用长螺旋钻孔泵压混合料施工时，混合料坍落度一般为160200 mm；（3）当桩径为0.5 m时，混合料宜参照C15混凝土配比；当桩径为0.4 m时，混合料宜参照C20混凝土配比。CFG桩常用的施工工艺，主要有振动沉管灌注成桩法和长螺旋钻孔泵压混合料成桩法两种。其施工工艺流程分别如图3-7和图3-8所示。图3-7 振动沉管灌注成桩法施工工艺流程图3-8 长螺旋钻孔泵压混合料成桩法施工工艺流程3.3.2 预应力高强混凝土管桩（1）一般PHC管桩的标准节断长度为10 m，直径大小范围为3001 000 mm，要求混凝土强度等级不应小于C80；（2）适用于抗震设防烈度不大于9度的地区；（3）当软基中存在孤石、地下障碍物多、有坚硬的夹层但不能作为持力层等情况时，该方法不适用；（4）选择该方法进行软基处理施工时，静压法适合于市区施工中使用，锤击法适合于对噪音污染要求较小的地区中使用。进行PHC管桩沉桩施工，主要方法有静压法、锤击法、引孔法、钻孔植桩法等，目前我国主要采用静压法和锤击法。其施工工艺流程分别如图3-9和3-10所示。图3-9 锤击法沉桩施工工艺流程图3-10 静压法沉桩施工工艺流程3.3.3 钉形水泥土双向搅拌桩（1）该方法适用于处理粉土、淤泥、淤泥质土、软粘土以及无流动地下水的松散砂土等地基；（2）该方法适用于处置泥炭土、有机质土以及塑性指数 Ip25 的粘性土，当含有腐蚀性地下水时，必须在现场进行试验，确定其是否可以使用；（3）桩长应根据具体变形要求确定，桩体应穿透软土层到达设计持力层。处理深度不宜超过 25 m。钉形水泥土双向搅拌桩施工工艺流程如图3-11所示。图3-11 钉形水泥土双向搅拌桩施工工艺流程第四章 结论与展望4.1 主要结论由于建筑物软基处理方法的多样性，要求工程技术人员在选择处理方案应具备较好的专业知识和经验，对各种软基处理方法要有一定的知识积累；建筑物软土地基处理方案选择同时也是一个系统决策的过程，它涉及到的影响因素很多，每个影响因素都有其自身的重要性，全凭工程人员的经验判断，往往很难满足方案择优的要求。本研究通过对常用的、成熟的软基处理方法进行归纳，主要得到以下结论：（1）按照能够处置的软基深度来划分各种软基处理方法，并进行归纳汇总，初步形成具有一定参考依据的软基处理方法总库，能够提高工程技术人员进行软基处理方案初选的效率，使软基处理方案初选更直观可靠。（2）就目前工程中软基处理的实例来看，能够用于对软土地基进行处理的方法是非常多的，针对中层软基和深层软基，均有相应的处理方法能够加以改善。其中针对中层软基的处理方法主要有水泥搅拌桩、袋装砂井法、强夯置换法、挤密碎石桩等；针对深层软基的处理方法主要有水泥粉煤灰碎石桩、预应力高强混凝土管桩、钉形水泥土双向搅拌桩等。这些方法各有各的特点和适用范围，并不能说某一种方法是最优的，而是在不同的实际情况下其适合的处理方法也有所不同，工程技术人员应该对此引起注意。参考文献1 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