建筑地基的加固方法探討

于黨輝，蘇永軍

許昌大成建設（集團）有限責任公司，河南 許昌 461000

1 排水固結法

1.1 排水固結法原理

飽和軟粘土含水量大、孔隙比大、顆粒細，因而壓縮性高、強度低、透水性差。在該地基上直接修建筑物或進行填方工程時，由于在荷載作用下會產生很大的固結沉降和沉降差，且地基土強度不夠，其承載力和穩定性也往往不能滿足工程要求，在工程實踐中，常采用排水固結法對軟粘土地基進行處理。

根據太沙基固結理論，飽和粘性土固結所需的時間和排水距離的平方成正比。為了加速土層固結，最有效的方法是增加土層排水途徑，縮短排水距離。因此常在被加固地基中置入砂井、塑料排水板等豎向排水體，使土層中孔隙水主要從水平向通過砂井和部分從豎向排出，砂井縮短了排水距離，因而大大加速了地基的固結速率。

1.2 用排水固結原理加固地基的方法

排水固結法的實施有兩個方面，一是加載預壓；另一是排水，即在地基中做排水通道，以縮短孔隙水滲流距離，加速地基土固結過程。

1.2.1 預壓方法

預壓方法有堆載法、真空法、降低地下水位法等。在實際中，可單獨使用一種方法，也可將幾種方法聯合使用。

1）堆載預壓法

堆載預壓法是工程上常用的有效方法，堆載一般用填土、砂石等散粒材料，當采用加載預壓時必須控制加載速度，制定出分級加載計劃，以防地基在預壓過程中喪失穩定性，因而所需工期較長。

2）真空預壓法

真空預壓法是在需要加固的軟粘土地基內設置砂井，然后在地面鋪設砂墊層，其上覆蓋不透氣的密封膜，使與大氣隔絕，通過埋設于砂墊層中的吸水管道，用真空裝置進行抽氣，將膜內空氣排出，因而在膜內產生一個負壓，促使孔隙水從砂井排出，達到固結的目的。

真空預壓法適用于一般軟粘土地基，但在粘土層與透水層相間的地基，抽真空時地下水會大量流入，不可能得到規定的負壓，故不宜采用此法。

3）降低地下水位法

地基土中地下水位下降，則土的自重有效應力增加，促使地基土體固結。

降低地下水位法最適宜于砂或砂性土地基，也適用于軟粘土層上存在砂或砂性土的情況。對于深厚的軟粘土層，為加速其固結，可設置砂井，并采用井點降低地下水位。但降低地下水位，可能引起鄰近建筑物基礎的附加沉降，對此必須引起足夠的重視。

1.2.2 排水方法

排水方法是在地基中置入排水體，以縮短土層排水距離。豎向排水體可用就地灌筑砂井、袋裝砂井、塑料排水板等做成。水平排水體一般由地基表面的砂墊層組成。當軟粘土層較薄，或土的滲透性較好而施工期又較長時，可僅在地表鋪設一定厚度的砂墊層，當加載后，土層中的孔隙水豎向流入砂墊層而排出。對于厚度大、透水性又很差的軟粘土，需同時用水平排水體和豎向排水體構成排水系統，使土層孔隙水由豎向排水體流入水平排水體。

一般工程應用總是綜合考慮預壓和排水兩種措施，最常用的方法是砂井預壓固結法。

也可以用類似的機具將石灰粉末與地基土進行攪拌形成石灰土樁。石灰與土進行離子交換和凝硬作用而使加固土硬化。初步研究表明當一般石灰用量（按重量計）為10%～12%以內時，石灰土強度隨石灰含量的增加而提高，對不排水抗剪強度為10kPa～15kPa的軟粘土，石灰與土攪拌后的強度通常可達原土強度的10～15倍。但石灰含量超過12%后抗剪強度不再增大。

無論是水泥土樁或石灰土樁都與四周原位土形成復合地基。故應采用復合地基理論進行分析。

深層攪拌法用于處理比較軟弱的地基，適用的土類為淤泥、淤泥質土、粉土和含水量較高且地基承載力特征值不大于120kPa的軟粘土。

1.3 排水固結法施工

1.3.1 施工

應用排水固結法加固軟粘土地基，其施工順序如下：1）鋪設水平排水墊層；2）設置豎向排水體；3）埋設觀測設備；4）實施預壓；5）檢查預壓效果；6）若不滿足設計要求，則更改設計至滿足設計要求為止。從施工角度分析，要保證排水固結法的加固效果，主要要做好3個環節，即鋪設水平排水墊層、設置豎向排水體、施加固結壓力。

1.3.2 現場觀測

在采用排水固結法加固地基時，應根據現場觀測資料分析地基在堆載預壓過程中和竣工后的固結、強度和沉降的變化，其不僅是發展理論及評價處理效果的依據，同時也可及時防止因設計和施工的不完善而引起的意外工程事故。工程上通常應進行孔隙水壓力觀測、沉降觀測、側向位移觀測等。

2 灌漿法

灌漿法是用液壓或氣壓把能凝固的漿液注入有縫隙的巖土介質或物體中，以改善灌漿對象的物理力學性質，適應各類建筑工程的需要。下面主要介紹與地基處理有關的灌漿法。

2.1 灌漿的目的及應用

灌漿的主要目的有：

1）加固。提高巖土的力學強度和變形模量，增強基礎與周圍巖土介質之間的結合，提高地基承載力，減少地基壓縮變形，保證土體穩定性；

2）糾偏。使已發生不均勻沉降的建筑物恢復正常位置；

3）防滲。降低巖土滲透性，減少滲流量，提高抗滲能力；

4）堵漏。截斷巖土中滲透水流。

灌漿法適用于土木工程中的各個領域。

2.2 灌漿材料

灌漿工程中所用的漿液是由主劑（原材料）、溶劑（水或其它溶劑）及各種外加劑混合而成，通常所說的灌漿材料，是指漿液中所用的主劑。

灌漿材料常分為粒狀漿材和化學漿材兩個系統，其后再按材料的主要特點細分為不穩定粒狀漿材、穩定粒狀漿材、無機化學漿材和有機化學漿材等四類。

2.3 灌漿理論

在地基處理中，灌漿工藝的實施可有不同途徑，其灌漿機理可歸納為四類，即滲入性灌漿（或稱壓力灌漿、滲透灌漿）、劈裂灌漿、壓密灌漿和電動化學灌漿。

2.3.1 滲入性灌漿

滲入性灌漿是指在灌漿壓力作用下，漿液在不擾動和破壞地層結構的條件下滲入巖土縫隙的灌漿。漿液的滲入與水在土中滲透相似，灌漿壓力相對較低。

2.3.2 劈裂灌漿

劈裂灌漿是利用水力劈裂原理，用較大的灌漿壓力，使漿液克服地層初始應力和抗拉強度，使其沿小主應力作用的平面上發生劈裂，人為地制造或擴大巖土縫隙，以提高低透水性地基的可灌性和注漿量，從而獲得更為滿意的灌漿效果。在土層中的劈裂灌漿機理可用有效應力的庫侖—莫爾破壞準則說明。地層中由于灌漿壓力的作用，將使砂礫石土的有效應力減小。當灌漿壓力pe達到下式的條件時，將導致地層破壞：

式中h-灌漿段深度；hw-地下水位高度；K-扣除浮力的小主應力與大主應力之比。

上式所代表的破壞機理可用莫爾包線解釋。由于孔隙水壓力和灌漿壓力使有效應力逐漸減小，最終應力圓與破壞包線相接，表明地層已開始劈裂。

由劈裂灌漿的特點可知，它可應用于低透水性的巖土地層；而在不利的地質條件下，如有流動的地下水或不均勻地層情況時，可先用低強度、早膠凝的漿液灌注，再用劈裂灌漿的方法達到灌漿目的。

2.3.3 壓密灌漿

壓密灌漿是用高壓泵將稠度大的水泥漿或水泥砂漿壓入預先鉆好的孔內，濃漿在高壓下向周圍擴散，對土體起到排擠和壓密作用，形成球狀或圓柱狀的漿泡。漿泡與土有明顯的分界面。漿泡的橫截面直徑可達到1m或更大。

向外擴張的漿泡將在土體中引起復雜徑向和切向應力體系。緊靠漿泡處的土體將遭受嚴重破壞和剪切，并形成塑性區，在此區內土體的密度可能因擾動而減小；離漿泡較遠的土體則基本上發生彈性變形。實踐表明，離漿泡界面0.3m～2.0m以內的土體都能受到明顯的加密。

壓密灌漿用于加固密度較低的軟弱土有較好效果，但不適用于會進一步分解的有機質土。對受擠壓后會出現較大孔隙水壓力的飽和粘土，使用也要慎重。

壓密灌漿特別適用于調整已經建成的建筑物的不均勻沉降。高壓漿液在地基中從側向施加壓力，漿泡逐漸增大，使地基各部位按需要產生不同程度的上抬，上抬量可達10cm～30cm，其精度可控制在3mm內，從而使建筑物恢復到正常位置。壓密灌漿還可用于托換方法不能加固的筏基以下土層（即將筏基臨時打洞灌漿）；可用于減小地下管道設備與建筑物之間的不均勻沉降；當地基內有大孔隙或土洞時也可用壓密灌漿填充。

2.3.4 電動化學灌漿

如地基土的滲透系數k<10-4cm/s，只靠一般靜壓力難以使漿液注入土的孔隙，此時需用電滲的作用使漿液進入土中。電動化學灌漿是在施工時將帶孔的注漿管作為陽極，用濾水管作為陰極，將溶液由陽極壓入土中，并通以直流電（電極間電壓梯度一般采用0.3V/cm～1.0V/cm），在電滲作用下，孔隙水由陽極流向陰極，促使通電區域中土的含水量降低，并形成滲漿通路，化學漿液也隨之流入土的孔隙中，并在土中硬結。因而電動化學灌漿是在電滲排水和灌漿法的基礎上發展起來的一種加固方法。但由于電滲排水作用，可能會引起鄰近既有建筑物基礎的附加沉降，應用時應予慎重注意。

3 結論

排水固結法的應用解決地基的沉降和穩定問題，使得地基的承載力大大的得到提高，以保證地基的穩定性并且縮短了工程的工期，而與此同時，灌漿法的應用領域也日益廣泛，其繁多的漿材滿足著各類建筑工程和不同地基條件的需要，這就使建筑工程和不同地基條件的防滲加固工作的效率大大得到提高。

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