关于地基选择及处理的思考

2014-04-15龙学军

建材世界 2014年5期

龙学军

（华中师范大学基建处，武汉 430079）

随着我国工程建设领域的快速健康发展，房屋建筑的区域不断扩大，特别是城市建筑向更高层寻求空间，遇到各种各样不良地基或者特殊地基的可能性将越来越大。即使是地耐力R值较高的所谓天然地基，若用在高层建筑中，也需做人工处理，因此如何处理好各种不良地基将成为基建工程中的主要工作之一。时至当今，基础工程造价逐渐上升，尤其在高层建筑的工程总造价中它已占到了30%～50%。由于各种不同结构物对地基的要求是不相同的，各地区的天然地层情况也有较大差别，这就造成了地基处理问题的复杂性，因此如何正确选择地基处理的方法已成为日益突出的问题。处理是否恰当，不仅影响建筑物的使用和安全，而且还直接影响建设的速度和建筑物的造价。近年来我国建筑领域新技术新工艺不断涌现，产生了许多在工程实践中行之有效的、先进的地基处理方法。例如：强夯、振冲、旋喷、喷粉、深层搅拌、大直径桩等等，但是任何一种处理方法都有它的适用范围，没有一种处理方法是万能的，如何从中选出切合工程实际，既能满足使用和安全的要求，又能方便施工，且经济合理的方案来，是值得认真思考的问题。

1 必须掌握的基础资料

在考虑处理地基方案时，必须通过地质勘察摸清工程地质情况、地震情况以及建筑物对地基的要求。

在地质勘察报告中应提供的资料有：

1）在一般的工程地质报告中，应提供各土层的物理力学指标和剖面图、地下水情况和地震烈度。对一些复杂和特殊的地质，还应搞清不良地质的分布范围和深度变化情况，补充某些必要的资料和数据。

2）对软粘土及淤泥除一般的物理力学指标外（主要指e、y、w值），还需提出压缩曲线或变形模量，如考虑采用桩基时，还应要求提出土和桩基表面的摩擦系数或摩擦力的大小。

3）对杂填土需要提出它的主要成分及颗粒组成、填筑年代、所填厚度和均匀度、密实性、有无湿陷性。

4）对冲填土需要提出它的成分、冲填方法、冲填过程以及冲填完成后的排水固结条件。

5）对松散砂土必须要求确定在当地地震烈度下，在当地地下水条件下能否产生液化，施工期间能否出现流砂。

6）对山区地质应提出基岩的坡向及基岩深度变化情况，对上部土层能否产生滑坡、泥石流等要作出评价。

7）对喀斯特地区除要求查明分布情况外，还必须对其稳定性作出评价。

8）对湿陷性黄土地基必须确定它是自重湿陷还是非自重湿陷，必须提出湿陷系数、湿陷等级和湿陷起始压力值。

9）对用作防水或排水工程的地基必须要求提出各个土层的渗透系数。

10）对用作大型振动设备基础的地基和有抗震设计要求的地基，还应提出各土层的动力特性指标，包括Cx，Cz，Cy分别为地基的抗剪、抗压、抗弯刚度系数，Gd为动剪切模量，Ed为动弹性模量，Dz为阻尼比，Vp为纵波波速，Vs为横波波速。

不同的结构形式对地基的沉降要求也是不同的，地基规范中已经给出了各种不同结构形式的最大绝对沉降值和相对的不均匀沉降比值。因此在选择结构方案时，就必须考虑地基的实际情况，使所选的结构方案能适应地基本来的条件，使之相互协调以达到既能满足使用和安全的要求，又能使地基处理的费用降至最低的目的。例如为了减少不均匀沉降，可以增加建筑物的整体刚度，在结构上增加圈梁，采有片伐基础或箱形基础等。

为了消除不良地基的影响，有时可以采用结构处理的方法而不是采用地基处理的方法，例如遇到局部暗渠或小型的洞穴等，可以采用过梁跨越的方法等。

2 各类地基处理方法的原理及适用范围

正确选择地基处理方案的前提是了解国内外已有的各种地基处理方法的原理、设计方法和适用范围。目前可将常用的地基处理方法分为浅层处理法、排水固结法、强夯法、柔性桩法、刚性桩法等。

1）浅层处理法的原理是靠机械的碾压、振动和冲击能量将土层压实或用砂子、碎石等材料来置换表层的软弱土，以达到提高地基承载能力，减少建筑物沉降量的目的。这类方法适用于软弱土层厚度不大，上部荷载较小的表层加固，其加固深度一般在3m左右，其特点是可以减少建筑材料的耗用量，还可以利用工业废料作为回填料，施工方法简便，成本较低，工期较短，但是其压实深度较小，所以当表层软弱土层较厚、上部荷载量级较大、下卧层土质较差时不宜采用。具体包括表层压实法、重锤夯实法、垫层法、开挖置换法和褥垫法。（其中垫层和开挖置换法的区别在于前者一般指不开挖而做成的垫层，而后者指先开挖然后回填并夯实的垫层，除此以外并无其它区别。）

（1）表层压实法一般常用于道路、堆场等大面积的表层加固处理。

（2）重锤夯实法适用于地下水位高于－0.8m和饱和软粘土的处理。

（3）垫层法中的填料选择应注意在地下水渗流速度较大时，不能用细砂作回填料；高温设备的设备基础下的地基不能用素土作回填料，因为素土在高温下要收缩；地下水位高时不能用遇水软化的回填料；振动荷载下能产生大量变形的回填料不能采用。

（4）褥垫法只能用于山区岩石露头且埋深不均匀地基的沉降量调整。

2）排水固结法的原理是软粘土地基在荷载作用下，土中孔隙水慢慢排出，孔隙比逐渐减小，地基发生固结变形，并产生沉降，同时随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力逐渐增大，使地基的抗剪、抗压强度逐渐升高，沉降逐渐减少。在正常情况下，这种固结变形的时间很长，为了加速固结，必须排水和增加垂直压力，从而产生了排水固结法。这类方法顾名思义是由排水和加压二个系统组成。排水系统可在天然地基中设竖向排水体（如：普通砂井、袋装砂井、塑料排水板等），以及水平向排水体（如：砂垫层），目的是缩短排水距离，加快排水速度。加压系统有堆载法、真空法、降低地下水法，目的是加速地基沉降，特别是加快施工期间的沉降以减少使用期间的沉降。

（1）排水固结法一般可用在饱和软粘土地基的加固上。

（2）降低地下水法则适用于地下水位接近地面的饱和粉细砂地基。

（3）真空预压法适用土体能在80kPa条件下固结，土层中无充足水源补给的透水夹层的饱和软弱粘土地基。真空预压法对周围建筑物的影响比较小，可是施工条件比较复杂，因而适用范围也较窄，并且由于受抽取真空条件的限制，一般地耐力R值增加不显著，仅能提高至80～90kPa，再则施工工期也较长。

（4）砂井排水法对泥炭土、有机质粘土和高塑性土因其次固结沉降占相当大部分，所以是没有明显效果的。砂井排水法若采用普通砂井，由于因施工中容易造成灌砂率不足、缩颈或砂井不连续等质量问题，而且砂井直径不能过分小，故而耗砂量较大，目前已被袋装砂井所替代，从而克服了以上缺点，而且还可机械化施工，使施工进度加快不少。

（5）堆载预压法施工虽然简单，但需大量加荷，这样荷载运输量很大，施工工期也就长。降低地下水位法不需外加荷重，且整个过程中土的剪应力不变，土体不会产生剪切破坏，但是需要设置降水装置，另一方面由于地下水位的降低可能引起邻近建筑物的附加沉降，因此采用这种方法加固地基.必须引起足够的重视。

（6）塑料排水板工艺，取消了砂子，造价更趋便宜，而效果同袋装砂井一样故而也获得了推广和大量采用。

3）强夯法的原理是利用机械夯击突然释放出来的巨大能量，使土体结构破坏。液化、强制压缩或振密，这对饱和粘性土还有排水固结压密的作用，从而使土的孔隙比减少，强度提高、变形减小，达到加固地基的目的。

强夯法的适用范围比较广，除了塑性指数Ip大于10的饱和软粘土采用这一方法需持慎重态度外（如果需要采用必须与砂井法同时采用），其它土层的加固均可采用。采用强夯法设备简单、施工方便、速度较快、加固效果显著，但是此法在施工过程中会产生较大的振动和噪音，故而在较大城市的旧厂房改扩建中采用的可能性较小，因为它需要施工场地周围15～20m以内最好没有建筑物或地下设施。

4）柔性桩法的原理是用机械的振动、压密设备，在土中成孔，然后在孔中填入砂子、石子或灰土等填料形成柔性桩，或者用旋喷、搅拌设备将水泥浆与土混合形成水泥土加固体和未加固的土共同形成复合地基，因柔性桩和水泥土加固体的刚度、强度均大于原土层，故原土中应力向柔性桩和加固体处集中，使原土应力减小，从而提高整个地基的承载力，减少沉降量。这种方法按不同的成孔机械又可分为振冲法、高压喷射注浆法、深层搅拌法等。若按不同的填料则可分为砂桩、碎石桩、土桩、灰土桩等。

（1）振冲法根据加固土的性质又分为振冲挤密法和振冲置换法，前者适用于粘粒直径小于0.005mm的含量不超过10%的砂性土和杂填土，由于有振密作用故最适用于松散砂土的加密和抗液化处理。后者适用于不排水抗剪强度大于20kPa的软弱粘性土。

（2）高压喷射注浆法除卵石不适用外，一般土质均可采用，由于此法可加固任何一层土，并且加固土体的形状很灵活，如可形成桩、板、墙等等，故适用于深基坑开挖和防水工程中做防水帷幕，又由于此法施工操作面小，凿一个10cm左右的洞，喷嘴能进去，就可做出大直径的桩来，故特别适用于旧建筑物基础的加固。

（3）深层搅拌法和高压喷射注浆法相似，但深层搅拌法更适用于饱和软粘土的加固，包括新吹填的超软土，沼泽地带的泥炭土，沉积的粉土和淤泥质土。土桩和灰土桩适用于处理地下水位以上、深度在5～15m以内的湿陷性黄土或人工填土地基。

（4）土桩主要用于消除黄土的的湿陷性，灰土桩主要用于提高人工填土地基的承载力，对于地下水位以下或含水量超过25%的土层不宜采用。砂桩适用于地下水位以下松散砂土的加固和抗液化，在软弱粘性土中可提高地基承载能力，但是对减少沉降量效果不显著，只能起砂井的加速固结作用。碎石桩适用范围同振冲置换法。

柔性桩法一般造价比刚性桩便宜且节省钢材、水泥，但是高压喷射注浆法和深层搅拌法除外。土桩和灰土桩与换土垫层法相比，工期约可缩短一半，土方约可减少80%，劳动力可节约60%～80%，完成总沉降的时间也可缩短一半左右。振冲法在施工中有大量的污水排出，易污染环境。高压喷射注浆法适合于深层地基的加固，特别是在加固某一层软弱地基和旧建筑物基础加固中，有时是不能用其它方法代替的，但此法水泥用量较大，且冒浆损失可达20%～30%，但加固体强度并不太高，泥浆和空压机噪声对周围环境有一定污染。深层搅拌法的特点和高压喷射注浆法相似，但没有空压机噪声。用石灰粉作固化剂，对含水量高的软土尤为显著，施工中无振动，无污染，对周围环境及建筑物也无不良影响。

5）刚性桩法的原理是用钢桩、预制或现浇的钢筋混凝土或砼桩借助桩表面与土壤的摩擦力和桩端地基的支承力，将基底的荷载穿过软弱土层，直接传至土质好的土层上。在打桩过程中桩端土层不断受到压缩便形成一弹性核，这样就大大提高了桩端地基的承载能力，又因荷载避开了软弱土层使沉降量大大减少，从而满足了使用要求。由于刚性桩本身的强度远远超过桩间土的强度，所以一般不考虑承台下桩间土的承载力，特别在湿陷性黄土地区更为有利。这类方法按不同的成桩条件，可以分为预制桩、灌注桩以及爆破桩。

刚性桩法可适用在软弱地基上建造荷载大、沉降要求严格的建筑物，也可适用在处理黄土地基、砂土液化、复土层厚度不一，引起不均匀沉降；对沉降和沉降速率有严格要求的精密设备基础或在使用过程中对允许振幅需要控制的功力设备基础也大量地采用了桩基；随着高层建筑的兴起，采用桩基处理地基也是常见的一种处理方式。刚性桩桩端不能落在软弱土层上，否则就会增大软粘土层的沉降或者降低它的承载力。地基下卧层如有砂层，碎石层时，采用预制桩就很困难，应考虑采用钻孔灌注桩；对土层不易成型的软土、砂土、碎石等不宜采用爆破桩。刚性桩应用范围很广，且有成熟的设计和施工经验，故较安全可靠。但是打桩时有振动和噪声，影响邻近建筑物和周围环境，而且造价较高，尤其是预制桩，为了降低施工造价，从预制桩发展到灌注桩，但是灌注桩的施工质量不如预制桩那样有保证，它会出现桩端残留土、浇灌砼时会发生塌方、颈缩等质量事故，从而影响桩的质量，前些时出现的钻孔注浆成桩法，是将砼在高压状态下从桩底灌至桩顶，从而克服了以上缺陷。钻孔、挖孔、冲孔灌注桩，因桩孔底土层没有挤密，所以桩端的承载力小于预制桩，为了克服这一缺点，因此发展了沉管灌注桩，使桩端的土层和预制桩一样受压形成弹性核，提高桩端地基的承载能力，但是这样又产生了振动与噪声。这类桩在地下水位以下的软粘土中施工时，为了保证孔壁不塌方，需采用泥浆护壁，施工时有大量泥浆排出污染环境。在进行爆破桩施工时，则应特别注意炸药、雷管的保管和人身安全等问题，因此大城市一般不允许采用爆破桩。