土木工程設計中結構與地基加固技術的應用研究

譚育新 華維設計集團股份有限公司

1 前言

在我國經濟和社會發展的過程中，建筑行業一直是中流砥柱，對經濟的穩步增長以及社會的穩定發展有著十分重要的作用。在建筑行業中，土木工程是建筑的核心與關鍵，其設計和施工質量會直接影響人們的財產及生命安全。因此，為了保證建筑工程質量，必須對土木工程加以重視。本文將從土木工程設計中結構與地基加固的角度，展開相關問題的分析，希望能夠為相關工作的展開提供有效參考。

2 結構與地基加固的重要性

在土木工程設計的過程中，結構與地基加固處理非常重要。

首先，其有助于保證土木工程的耐久性。在土木工程結構設計以及建設的過程中，耐久性是非常重要的指標之一，而人為因素、環境因素等都會影響到工程的耐久性，甚至還會導致整個工程無法滿足實際使用的需求。因此，對土木工程結構與地基進行加固處理是保證工程耐久性的重要手段。

其次，有利于提高建筑的抗震性能。對土木工程結構以及地基進行加固處理，能夠更好地提升整個建筑的抗震性能，以保障人們的生命和財產安全。由此可見，土木工程結構與地基加固對于建筑使用安全和壽命的重要性。

3 結構與地基加固設計的原則

3.1 完整性原則

在土木工程設計中，結構與地基加固技術的應用必須遵循完整性原則。保證整個結構的完整性、連續性能夠最大程度上發揮建筑結構的作用。因此，設計人員需要從整體角度出發，綜合分析各個結構元件，掌握其安全特性和受力特點，以此為基礎，采取適當的加固技術，進一步提升整個結構的穩定性。

3.2 合理性原則

在土木工程設計中結構與地基加固技術的應用必須遵循合理性原則。相關設計人員在采取各種加固處理方法的過程中，要保證處理方式的合理性，確保結構強度能夠滿足建筑的需求，避免由于使用錯誤加固方式而降低建筑強度。同時，要保證所使用的技術與周邊施工環境和條件良好的協調，為工程質量提供進一步的保障。

3.3 實用性原則

在結構與地基加固設計的過程中，為了有效改善其中存在的問題，降低各個節點的難度，還應當遵循實用性原則，以實際的需求為基礎展開加固處理工作，避免設計方案的華而不實徒增施工難度，要讓整個設計有理有據且實用性強。

4 土木工程結構加固技術

在土木工程結構設計的過程中，可以通過以下方式對結構進行加固，并且起到良好的加固效果。

4.1 增大截面法

增大截面法主要是指在土木工程結構中，使用相同的材料來增大構件的截面面積、截面剛度。這是一種較為傳統的加固方法，該方法不僅能夠提高被加固構件本身的承載力，同時也能夠改變其自振頻率，在一定程度上改善結構構件的性能，起到良好的加固效果。

在使用該方法加固的過程中，應了解可能會影響加固效果的各種因素，比如加固過程中的材料特性、施工工藝、結合面的構造處理等，避免上述因素的不當處理影響了加固效果。增大截面法在使用過程中有著十分明顯的優點，不僅工藝簡單，成本低廉，而且適用范圍較為廣泛。

4.2 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法（簡稱包鋼法）主要是指在結構構件、四角或兩角包以型鋼，通過型鋼對整個結構進行加固，這也是一種使用范圍十分廣泛的傳統加工方法之一。通常情況下，包鋼加固法可分為干式外包鋼法、濕式外包鋼法等形式，使用該方法可以在基本不增大構件截面尺寸的基礎上，最大程度提高其承載力、延性和剛度等。

例如使用天然乳膠混凝土、環氧樹脂膠等材料進行粘貼，是濕式包鋼加固中較為常見的處理方式。使用包鋼加固法進行加固的過程中有很多優點，其不僅支撐力較為可靠，而且施工較為簡單、勞動量較小，適用于不允許明顯擴大原構件截面規格的結構中。但該方式鋼材用量較大，且不適合在無安全防護的狀態下應用于60℃及以上的高溫環境。在選擇對結構加固的過程中，設計人員可以參考成本以及實際應用的價值等進行綜合考慮。

4.3 體外預應力加固法

體外預應力加固法也是較為常見的一種加固方法，其主要是指使用外加的預應力鋼拉桿在結構構件的側面施加預應力，其形式可以為水平預應力拉桿，也可以為下撐式預應力拉桿，或是兩種方式結合到一起的組合式拉桿。使用預應力加固法的時候，可使用單側加固，也可以使用雙側加固，在整個施工的過程中不需要模塊，在不增大截面尺寸的基礎上提高相關構件的承載力，有效提高了構件的延性和剛度。

5 土木工程地基加固技術

5.1 換填法

換填法主要是指將地基基礎以下一定范圍內的軟弱土層挖去，然后將強度較高、壓縮性較低、沒有侵蝕性的材料進行回填，以保證地基基礎的穩固性。通常會使用性能較好的土、砂石、碎石、煤渣以及礦渣等進行回填，并且通過人工或是機械的方式對土層進行壓實，形成性能較好的人工地基。與原來的土層相比，換土墊層后所形成的地基基礎具有更高的承載力、剛度較大且變形較小等優點。通常換土墊層法主要適用于淺層的地基處理，例如常見的淤泥質土、雜填土、濕陷性黃土以及松散素填土等。墊層設計通常會根據以下四個參數來確定：墊層的厚度、寬度、承載力以及沉降。以厚度為例，墊層厚度需要根據底面處土的自重應力、附加應力之和不大于同一標高處軟弱土層的容許承載力，一般在0.5m～3m范圍內即可，若是太厚則會導致施工困難，若是太薄則換土墊層的作用不能夠有效凸顯。

5.2 EPS輕填法

EPS 輕填法主要是指利用輕質填料聚苯乙烯泡沫開展地基的加固。EPS 泡沫顆粒混合輕質土內含有大量的EPS泡沫，在使用該方法的過程中施工方法十分簡單。相關材料的拌和只需要使用普通拌和機或者挖掘機、鏟車聯合使用就可以完成，攤鋪使用平地機、挖掘機等，碾壓可使用壓路機、鏟車或者挖掘機等。由于EPS材料具有超輕性、耐壓縮、耐水性、施工便捷等優點，所以其能夠有效解決軟土地基存在的沉降問題，是加固路基的有效方式之一，目前已經在國內外得到了廣泛應用。

5.3 加載預壓法

預壓法主要是指在不良地基基礎上預先放置足夠的重物，對地基土進行預壓，使土壤固結、密實，以此有效加固地基。當地基土的密實程度達到了預壓標準后，將重物撤去，提高地基土的承載力和穩定性。

在使用該方法的過程中，預壓的堆土荷重應大于建筑物的荷重，但是不能超過地基本身的承載力。如果遇到了水量較高的黏土，需要設置砂井進行排水，以縮短預壓的時間，加速黏土固結。在該方法應用的過程中，主要包括不排水預壓、排水預壓以及聯合預壓等多種預壓種類，設計人員要根據巖土勘察的結果選擇合適的預壓方式，為地基土的穩定性及其承載力提供保障。

5.4 深層攪拌法

深層攪拌法主要是指利用水泥、深層攪拌機等在地基的深部將軟土以及固化劑進行強制拌和，使軟土能夠與固化劑之間產生一系列反應，進而凝結成一個整體，這個整體不僅有較高的強度，同時也具有良好的水穩性，能夠與天然地基結合形成復合地基，進而提高地基土的整體強度和承載力。這種方法適用于加固較深厚的淤泥質土、粉土、含水量較高的黏性土地基等。

為了保證質量，在材料配合比設計的過程中，固化劑可以選用水泥，摻入量為被加固土重量的8%～16%范圍內，配合比水泥∶砂漿為1∶1～2 為宜。該方法在應用過程中有著一定的優勢，加固過程中無振動、無噪聲、無污染、工期短、造價低廉，對相鄰建筑所產生的影響較小。同時，該方法可以建筑物的要求做成相應的加固形狀，十分便捷。

5.5 注漿法

注漿法也是較為常見的地基加固方式之一。注漿加固的方法主要是指通過造孔將漿液注入地基的圍巖中，依靠壓力使其能夠向裂隙擴散，進而讓巖體形成一個加固帶——注漿帷幕，這樣可以有效提高巖體的強度和整體性。該方法通過下堵、上封、中間滲透等多種方式展開施工，其機理包括填充注漿、滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿等多種方式，達到良好的加固效果。

利用注漿法對地基加固有著非常明顯的優勢，其不僅工藝較為簡單、操作便捷，同時其加固效果也較好，對于松散圍巖地基的維修有著重要的作用，特別是對圍巖破壞嚴重的地基來說，其加固效果更加明顯。

5.6 強夯法

強夯法也可以稱之為動力固結法，其主要是指使用強夯機對地基土實施強力夯實，在短時間內提高地基土的承載力，形成較為均勻且密實的地基，是較為常見且加固效果較好的方式之一。在使用該方法的過程中，對于單位夯擊的能量應根據地基土的類型、結構荷載大小，以及處理深度等進行綜合考慮后再確定；對于夯點的夯擊次數設計需要根據試夯次數與夯沉量關系曲線確定；夯擊的遍數需根據地基土的性質進行具體確定，通常為2～3 遍為宜，最后以低能量夯擊一遍，達到良好的加固效果；夯擊的范圍需要大于地基基礎的范圍，大于處理深度的1/2～2/3，且不小于3m。使用該方法實施地基加固的過程中，具有工期短、加固效果好、造價成本相對較低等優點，通常適用于碎石土、砂土、濕陷性黃土、雜填土、低飽和度粉土等地基中，見圖1。

6 應用實例

某項目為車站綜合樓，根據勘察資料現實，該地層情況自上而下為素填土（包括大量煤屑、磚塊、少量爐渣和垃圾等，成松散狀）、棱角狀角礫與森灰色沖積再生土、深灰色頁巖與強風化巖石等。擬采用鉆孔灌注樁，持力層為頁巖層，靜載檢測結果顯示，部分承載力無法達到設計的標準和要求，需要對地基予以加固處理。根據編制依據以及工程的實際情況，選擇注漿加固的方式對地基土施實加固處理。

由于本工程存在著軟弱土層且上部存在少量砂礫層，所以選擇由下至上分段式注漿方式展開加固工作，使用了水泥漿等靜壓滲透注漿法，形成相互穿插的脈狀結石體。

在注漿參數設計的過程中，注漿壓力的確定是綜合考慮了覆蓋土壓、漿液種類以及地質條件等多種因素后，確定注漿壓力為0.4MPa～1.0MPa；注漿順序使用了先外圍、后內部的方式；漿液材料為純水泥漿，將水灰比設計為1∶1；在注漿量上，經過計算每延1m 注漿量為0.8m3；注漿孔的布置使用了梅花型布置方式，間距設計為1.2m～1.5m 范圍內，注漿流量設計為10L/min～15L/min；注漿花管使用了Ф25mm鍍鋅鋼管。整個加固方案流程設計為：選擇注漿設備→成孔→花管制作以及安放→注漿→清洗。

7 結束語

綜上所述，在土木工程設計的過程中，結構及地基的加固對于提升整個土木工程的質量、穩固性和安全性有著重要的作用。因此，設計人員在遵循相關設計原則的基礎上，對結構、地基等部位采取合適的方式進行有效加固，掌握更多應用效果較好的加固方式和方法，進而合理選擇加固方式，為整個工程的穩固性提供有效保障。