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地基处理方法应用与发展

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朱亚林习通邱瑞军郭子川侯淑鹏张锦

摘要：本文首先分析了地基处理技术的现状，将其大致分为置换垫层法，压密、固结法，增强体复合地基，注浆加固和加筋法5个大类。从技术发展和实践应用的角度详细阐述了每项技术的优缺点。然后，论述了地基處理技术发展趋势。

关键词：地基处理技术;置换垫层法;注浆加固;发展前景

中图分类号：TU472文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0096-04

Abstract： This paper first analyzed the current situation of foundation treatment technology， which could be roughly divided into five categories： replacement cushion method， compaction and consolidation method， reinforcement composite foundation， grouting reinforcement and reinforcement method. The advantages and disadvantages of each technology were elaborated from the perspective of technology development and practical application. Then， the development trend of foundation treatment technology was discussed.

Keywords： foundation treatment technology;replacement cushion method;grouting reinforcement;development prospect

1 研究背景

随着国民经济的快速发展，城市人口的不断聚集，土地资源紧张以及交通拥堵，立体化城市成为现代化城市的发展趋势[1]。建筑工程向地下空间延伸，兴建了一大批军用设施、商场、停车场、学校、油库以及娱乐场所。工程向上发展，高速公路、城市高架桥、机场的大量修建有效缓解了交通压力;高层建筑打破了土地资源的紧张局面。特殊性土（湿陷性黄土、盐渍土、软土、膨胀土）在我国分布广泛，工程中随着外界温度、湿度等物理条件的改变表现出不同的缺陷[2-3]。为了削弱各种特殊性土的不良地质特性，提高天然软弱地基的强度，并保持稳定性，就必须对地基进行处理。

新中国成立后，我国地基处理大体经历了两个阶段[4]。以20世纪70年代为节点，第一个阶段是起步应用阶段，以学习苏联为主，应用最为广泛的是垫层的浅层处理方法，如砂石垫层、灰土桩、重锤夯实。这个阶段既有成功的典范，也有照搬照抄的教训。第二个阶段是发展、应用和创新阶段。大批国外先进技术被引进，结合我国地质特征，发展了符合我国国情的地基处理和基坑支护方法体系。

2 地基处理技术

地基处理是指通过物理、化学的方法对软弱地基进行加固[5]，通过改变土的剪切特性、透水性、压缩性及动力特性等物理化学指标，以优化不良地基或特殊地基土。根据加固原理可将地基处理技术大体分为如表1所示的5类[1，5-7]。

2.1 置换垫层法

置换垫层法是挖去地表以下浅层范围内的软弱土层、湿陷性黄土等特殊性土或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，从而形成垫层的地基处理方法[8]。置换垫层依据换填材料的不同，可分为碎石垫层、灰土垫层、砂垫层、粉煤灰垫层等。由于换填垫层施工简便，因此在中小型工程浅层地基处理中应用较为广泛。对于软弱层厚度较大或者基础宽度较大时，其适用性较弱。需要注意的是，对于特殊性土应单独考虑，如湿陷性黄土垫层可以用土、灰土等材料，禁止采用矿渣、砂石等透水性材料[8-9]。

2.2 压密、固结法

压密、固结法主要包括机械压密、振冲、强夯法、预压固结、降水预压、真空预压、电渗法。研究者对其中3种进行详细分析。

2.2.1 强夯法。强夯法也称为动力固结法，由法国工程师1969年发明， 20世纪90年代被引入我国。该方法主要是将一定质量的夯锤提高到一定高度，让它从高处自由下落，给地基以冲击能和振动，提高地基承载力，同时降低压缩性。

该方法适用低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土到碎石土、砾土、素填土和杂填土等地基。刘世奇等以实际工程为研究对象，对湿陷性黄土在强夯处理前、后各项物理力学性质指标作了对比，评价了夯实效果，并分析了原因。同时，从土的含水量、夯击功能、强夯的施工工艺三方面对利用强夯法处理湿陷性黄土提出了几点建议[10]。

强夯法具有施工速度快、价格低廉、处理效果好的优点，同时也存在噪声污染、对邻近建筑物影响大等缺点。

强夯置换法是在强夯法的基础上发展而来的，在强夯形成的空间内回填块石、碎石等颗粒材料，形成墩体。该方法可以用于高饱和度粉土以及流塑～软塑的黏性土等地层。

2.2.2 振冲法。振冲法是德国工程师斯图门在1936年提出的。德国凯乐公司于次年研制出第一个振冲器，并应用于柏林某大楼砂土地基的处理。我国水利系统较早引进该方法，解决了北京官厅水库主坝坝基中细砂液化问题。

振冲法主要适用于砂土、粉质黏土、粉土和杂填土等软弱地基的处理。当处理不排水抗剪强度小于20 kPa的饱和黏性土和饱和黄土地基时，应在施工前通过现场试验确定其适用性。因为如果桩周土强度过低，当其不排水抗剪强度小于20 kPa时，将导致土的侧向约束力始终不能平衡由于填料挤入孔壁产生的作用力。对处理中、粗砂质地基时，因地基土中的砂粒能自行填充孔隙，故可采用原地振冲对地基土进行加密处理。因此，当中、粗砂地基的黏粒含量≤10%时，可运用不加填料的振冲法进行地基加密处理。振冲加密的原理实质是振动加密以及振动液化[8]。

2.5 加筋法

加筋法主要包括加筋土垫层、土钉支护、柔性桩复合地基、刚性桩复合地基、树根桩法/土工合成材料加筋法。研究者主要就土工合成材料加筋法进行讨论。

近年来，随着土工合成材料的发展逐步成熟，其也被引入地基处理、基础工程领域。将土工栅格、土工格室等材料设置在褥垫层中，与桩基组成复合地基，控制施工后沉降[19]。土工材料与加筋碎石桩等散体材料联合使用，有效地提高了散体桩的侧向抗力[7]。但是，在使用中也存在一些问题，如土工聚合物在日光作用下会发生分解作用。在有覆盖物的情况下或者埋在土中会降慢分解速度。通过添加一定量的炭黑和各种抗老化剂可以起到阻止分解的作用。此外，其蠕变性较大。现在大部分学者认为，蠕变强度是断裂强度的30%左右[8]。

包承纲通过室内试验和现场试验提出了新的综合性加筋机制[20]。将加固机制分为作用在接触面上的直接加筋和加筋材料对周围土体影响的间接加固作用。

2.6 地基处理方式的选择原则

地基处理方法多种多样，每种方法都有其优缺点和适用范围，没有一种方法是万能的。一般来说，在选择方案时大体应考虑以下几点。

①地质条件。主要是地形、地层状态、地下水条件、土的各项物理、力学指标。

②结构物条件。主要是指建（构）筑物的形式、规模、对沉降的要求。

③环境条件。主要是周围环境是否存在煤气、通信管道等地下埋设物、相邻建筑物情况及机械工作过程中是否对周围有振动、噪声影响。

④机械施工设备和机械条件。在有些地区有无所需的施工设备和施工设备的运营状况成为采用何种加固措施的决定因素。

3 发展趋势

3.1 桩网复合地基

在地基处理中，桩、钢筋网片及桩间土共同形成了“桩-网-土”的协调变形，其共同承担荷载。其中桩和桩间土增强地基的竖向承载能力，钢筋网则起到均匀应力、加固边坡及增强地基土水平抗拉能力的作用[14，21]。

杨明辉的研究认为，柱网间距增大时，单根桩所承担的荷载有所增大，桩体承载能力得到有效发挥。

3.2 微生物加固

微生物矿物学家发现，某些天然微生物在新陈代谢过程中可以产生矿物晶体。其中，尤以碳酸钙分布最为广泛、性质稳定。科学家为其提供钙离子及营养源，快速析出具有胶结作用的碳酸钙晶体，这一成矿作用成为微生物诱导方解石沉积（简称MICP）技术[21，23]。相比其他化学注浆技术，微生物加固具有绿色环保的优点。众多学者、工程师从强度、刚度、渗透性和耐久性对其加固效果进行了探討和研究。澳大利亚Whiffin 博士第一个使用微生物加固松散砂土颗粒，并讨论加固强度等力学参数。DeJong对胶结砂柱进行了三轴试验，发现不排水剪切强度提高，并且表现出应力软化的特点。

4 结论与展望

我国在土木工程建设领域尤其是地基处理方面机械施工程度有待提高。随着我国综合国力的提高，地基处理机械正朝着自动化、信息化发展。不仅要重视从国外引进先进的，更要重视自主研发具有知识产权的机械设备。

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