加固地基，增强地基的抗震性能

常荟子

（中化二建集团公司，山西 太原 030021）

随着高层建筑的日益增多，要求地基有足够的整体强度和整体稳定性，不产生过大的和不均匀的沉降；高层建筑不仅垂直荷载大，更重要的是水平荷载也很大，特别是地震荷载，对地基要求更为严格。这就要求选取最恰当的地基处理方法改善地基条件，改善地基的动力特性，增强地基整体和局部的抗震性能。

1 加固地基改变了软弱地基原结构状态

软弱黏土颗粒间的凝聚力分为原始凝聚力和固化凝聚力。加固处理后的地基具有以下特性：

（1）从微观加固机理分析，强夯法加固过程可表示为：能量转换—液化破坏—压密固结—触变固化。巨大的冲击能在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有结构，打破了土颗粒间的连接，使土体局部发生液化并产生许多裂缝，孔隙水顺利逸出，孔隙水压力消散，土体固结。随着土的触变性能的恢复，处于密实状态的粘粒、胶粒和结晶胶结物由于粒间距离缩小，可更好地发挥它们的胶结作用。

（2）碎石桩复合地基在成孔和挤密碎石的过程中，桩周土体在水平激振力作用下，产生径向位移，使桩间土密度提高，孔隙减小，桩间土对桩身有很好的约束作用，承载力比加固前提高60%以上，挤密和振密桩间土是碎石桩复台地基承载力提高的主要因素。水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）成桩过程与碎石桩相同，但桩体置换作用明显，这主要是由桩体材料构成所决定的，其石屑可使桩体级配良好，对桩体强度起重要作用，粉煤灰既是细骨料，又有低标号水泥的作用，可使桩体具有明显的后期强度。水泥粉煤灰碎石桩是黏结强度较高的桩，桩体强度高、桩上应力集中，桩土应力比可达30多，和桩间土组成复台地基具有较高的变形模量、刚度和承载能力，抗震性能良好。石灰桩吸水、发热、膨胀，土和灰之间发生复杂的物理化学反应，桩间土受到成孔挤密、脱水挤密和胶凝作用。水化物对土颗粒产生胶结作用，使土聚集体积增大，并趋于紧密胶结作用从根本上改变土的结构，提高了土的强度，而土体的强度将随龄期的增加而增大。

（3）化学加固。用水泥浆液、黏土浆液和化学浆液通过灌注压入、高压喷射或机械搅拌，浆与软土颗粒间发生一系列物理化学反应，胶结形成具有整体性、结构新、强度较大、防水性能高和化学稳定性良好的加固土，从而提高软土地基强度和变形模量。形成与原软黏土根本不同的结构加固的地基，从本质上改变了软黏土和松砂的物理力学性质，从根本上改变了软黏土的絮凝结构和砂土的松散状态，较大幅度地提高了加固地基的抗剪强度、变形模量、整体刚度和整体稳定性，从而增强了加固地基的抗震性能。

2 地基基础的抗震加固处理方法

当地基强度不足或压缩性很大，不能满足抗震设计要求时，应对地基进行加固处理。加固处理的目的是增加地基的强度和稳定性，减少地基在地震中产生过大的变形。

2.1 换土垫层法

换土垫层法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，换填其他无侵蚀的低压缩性的散体材料，例如中（粗）砂、碎（卵）石、灰土、素土等。然后分层夯实作为地基的持力层。垫层的作用是提高持力层的承载力，并通过垫层的应力扩散作用减小垫层下天然层所受的压力，这就减少了基础的沉降量。

另外，用透水性较大的材料作垫层时，软土中的水分可部分地通过它排出去，从而加速软土的固结，工程实践证明，在合适的条件下，采用换土垫层法能有效地解决中小型工程的地基欠强问题。

2.2 重锤夯实法

此法一般适用于处理稍湿的各种黏性土、砂土、杂填土以及湿陷性黄土等。其效果是经过夯打之后，地基表面形成一层较密实的表层硬壳，从而提高地基表层的强度，对于湿陷性黄土夯打可以减少表层的湿陷性，对于杂土可以减少其不均匀性。重锤夯实的效果与夯锤重量、锤底直径、落距、锤击次数和土的含水量等有密切关系。只有合理选定参数，才能达到预期的夯实效果。在土的最优含水量的条件下，才能得到最有效的夯实效果，否则，如土的含水量太小则难以夯实，含水量太大会出现“橡皮土”等不良现象。

2.3 强夯法

强夯法又称动力固结法或冲击加密法，它既适用于可液化的饱和砂土、粉土的加固，又是一种快速加固地基的有效方法。强夯法是在前述重锤夯实法的基础上发展起来的新技术，但夯实机理却有区别。强夯法是用很大的冲击能（最大可达 800 t/m）使土中出现很大的冲击波和应力，从而产生以下作用：①土中空隙压缩；②土体局部液化后密实；③夯实点周围产生裂隙，出现良好的排水通道，孔隙水顺利逸出，土体迅速固结。经强夯加固后，地基承载力可提高3～4倍，压缩性可以降低200%～1000%，其影响深度在10 m以上。目前强夯法的有关参数主要是通过室内进行动力同结试验和现场试验性施工，以取得一系列有关数据，按照工程要求（如地基承载力、压缩性及加固深度等）确定。

2.4 振动水冲法

振动水冲法（简称振冲法）是利用在地基中就地振制的砂石桩快速加固松软地基的方法，该方法适宜加固易于液化的砂土及黏粒含量小于10%的粉土地基。振冲法施工时是利用一个内装偏心块的钢管振冲器。通过其端部射水，同时将其垂直地灌入土中，到达指定深度后，利用偏心块的旋转使钢管振动，从而使地基加密，并在振冲器周围形成裂隙，再用砾石、矿渣、砂等粗粒料填入缝隙。对于可液化的砂土，该法的机理是以振动器为点振源，使振冲孔附近一定范围内的土体经受周期性剪应力而产生超空隙水压力，暂时处于液化状态，土颗粒得到重新排列而加密。另外，碎石桩还能起排水作用，有利于加速消散地震时砂层中产生的超孔隙水压力，进一步消除液化趋势。

2.5 深层挤密法

深层挤密法适用于需将较大范围内的土层挤密加固的情况，施工时先往土中打入桩管成孔，拔出桩管后向孔中填入砂或其他材料并捣实。其作用主要是挤密桩周围的松散土层，使桩和挤密后的土共同组成基础下的持力层，从而提高地基的强度和减小地基变形。挤密桩所用的填充材料有砾石、砂、石灰、灰土以及土等。在各种材料挤密桩中，砂桩使用得最多，它的作用除提高地基强度和减小地基变形之外，还能有效地防止松散地基在地震时可能发生的液化。

2.6 砂井预压法

此法适用于深厚的粉土层、黏土层、淤泥质黏土层、淤泥层等软弱地基的加固处理，但不适用于透水性极小的泥炭层。砂井预压法的施工步骤是：在软土层中按一定间距打好一孔孔的井，并在井孔中灌以透水性良好的砂，形成所谓的“砂井”，然后堆载预压。这可以大大改善软土层的排水条件，使土中孔隙水通过砂井，井上口的砂垫层、井下口的透水层排出，从而加速了软土层在荷载作用下的固结和强度增长，起到加固地基的作用。砂井直径一般采用200～400 ram。砂井间距取直径的8～10倍，砂井的深度应穿越地基的受力层，砂井的布置范围应扩大到基础轮廓线以外2～4 m，预压荷载最大可超出设计荷载的10%～20%。

3 加固地基提高了整体强度、刚度和稳定性

深层密实法的碎石桩复合地基、石灰桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基提高了地基的整体稳定性，碎石桩复合地基桩间土必须给予足够的径向支持力于桩体，桩必须与四周土体的变形相协调，否则会在桩体的上部产生鼓胀破坏。在实际工程中，随着桩周土侧向约束力的增大，桩的切线模量也越大，桩传递竖向荷载的能力增大，对散体桩、桩的挤密效应越显著，桩周土对桩的约束力越大，地基加固效果也就越好，因此被加固的复合地基其整体刚度也就越大，整体强度增大，其抗震性能增强。为了提高加固地基的整体稳定性，设置护桩是非常重要的保证。护桩是在基础底面范围之外布置围护桩。地基沉降变形主要由两部分组成：①土体的竖向压缩变形；②土体的侧向挤出变形。如果在基础的外围设置了护桩，护桩的作用使土体侧向挤出变形受到约束，从而减小了复合地基的变形，提高了复合地基整体承载能力及整体刚度。对于可液化地基，护桩的范围要大一些，才能取得较好的效果。在强震区，对于填土地基、湿陷性黄土、欠固结土地基，必须加设护桩，方能保证复合地基的整体稳定性，防止土体发生侧向塑性流动，提高复合地基的抗震性能。石灰桩和水泥粉煤灰碎石桩由于浆材要和桩周围的土发生复杂的物理化学反应，有部分填料会渗入到桩间土中去，与桩间土胶结成整体，使桩间土的整体性增强，于是桩和桩间土形成一个变形模量较高的复合地基，其复合地基的抗震性能被增强。

4 结束语

（1）加固的地基从本质上改变了软黏土和松砂的物理力学性能，改变了软粒土的原有絮凝结构和松砂的松散状态，较大幅度地提高了加固地基的抗剪强度变形模量和整体刚度，从而增强了加固地基的抗震性能。

（2）深层密实法可有效地改善加固地基的动力特性，增强抗震性能，特别是强夯法和振冲碎石桩法消除砂土地基液化势的可靠性高，能产生预震效应，完全防止砂土液化的发生。

（3）地基处理提高了加固地基的整体刚度、整体强度和整体稳定性，提高了复合地基土的变形模量，改善地基土变形特征，提高地基的承载能力。护桩在保证加固地基的整体稳定性和整体刚度中起着重要作用，可有效地约束加固地基土体产生侧向变形，防止土体发生侧向塑性流动。复合地基垫层。可以说，从某种意义上形成了自成抗震体系，对其下卧软土层起到减震效应，增强了整个地基的抗震性能。

（4）厚冲积层和厚软土层震害最严重。高压喷射注浆法处理深厚的软土地基具有独特的性能：一是固结体直径大、强度高、承载力高；二是处理深度大；三是对桩间土的挤密效应固体效应，这些性能是其它处理方法无法比拟的。工程实践证明：旋喷质量有保证，固结体可靠性高，组成的桩和桩间土复合地基承载力高，变形量大大减小，可增强厚冲积层和厚软土层的抗震性能。

进行地基抗震设计时，应尽量发挥天然地基的承载能力，首先考虑采用天然地基方案。其次考虑采取加强上部结构的建筑和结构措施，当仍不能满足抗震要求时，再考虑采用人工地基加固处理方案。在选择地基处理方案时，要结合当地经济条件、机具设备、技术条件、材料来源以及地基情况选用，同时还要考虑施工周期和对环境的影响（如噪声、卫生）等问题，对环境影响这一点在大中城市的施工中尤为重要。

1 龚晓南.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008

2 叶书麟、叶观宝.地基处理［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997