堆载预压法加固地基

2017-07-19张进才

科技与创新 2017年13期

关键词：垫层软土孔隙

张进才

（中冶天工集团有限公司，天津 300000）

堆载预压法加固地基

张进才

（中冶天工集团有限公司，天津 300000）

处理软土地基的方法很多，对于大面积的深厚淤泥质土、淤泥和冲填土，在持续荷载的作用下，其体积会有明显的压缩，强度也会明显增大。这种情况特别适合使用预压法。简要总结了堆载预压法加固地基的加固原理，说明了现场施工的情况，以供与同行交流，为日后相关工作的顺利进行提供参考。

堆载预压法；软土地基；地基沉降；地基强度

1 目的、任务和使用范围

堆载预压法是在建（构）筑物等工程未建前，预先向软土地基施加荷载，使地基达到预期固结，然后进行工程建造，使其在正常使用过程中地基沉降和地基强度均能满足要求。堆载预压法的主要任务是消降地基的部分沉降变形，缩短地基的固结周期，提高地基的强度和稳定性，从而达到加固地基的目的。堆载预压法多用于处理软土，比如淤泥、淤泥质黏性土和冲填土等饱和黏性土。

2 堆载预压法的加固原理

堆载预压法是以土料、砂料、石料或建（构）筑物自重等为堆载，对软土地基进行一定时间的预压，软土中产生超静孔隙水压力，并随时间逐渐消散，使软土中的有效应力不断增强，地基土得到排水固结、沉降，从而在一定程度上提高地基土的强度。

3 堆载预压法现场施工

堆载预压法现场施工的大致流程如图1所示。

图1 堆载预压法现场施工流程

3.1 铺设水平排水砂垫层

排水砂垫层对砂料有具体的要求：砂料的干密度ρd应大于1.5 g/cm3；砂料的渗透系数K应大于1×10-2cm/s；砂料宜选用中粗砂，其黏粒含量ρc不宜大于3%；砂料中可混有少量粒径小于50 mm的砾石，砂垫层厚度不应小于500 mm。

当地表比较干硬时，可以采用大型机械摊铺法；当地表土比较软时，可用小翻斗车或人力车摊铺；当地表土很软时，可先在地面铺设荆芭或土工布等，然后采用大型机械摊铺法或人力车摊铺法。

3.2 排水竖井施工

3．2．1 塑料排水带（板）

塑料排水带（板）的性能指标必须符合设计要求，其性能和规格在《塑料排水板质量检验标准》（JTJ/T—T 257—96）中有明确的规定。在施工现场，应妥善保管塑料排水带（板），防止其被阳光照射，以防其破损或被污染。破损或受到污染的塑料排水带（板）不得应用于工程中。

塑料排水带（板）的施工方法有振动法、静压法，振动法适用于各类地层，静压法在穿透硬夹层时应考虑其适用性。施工机械有履带式和走轨式，走轨式适用于各种场地，履带式在地表比较干硬时使用。

塑料排水带（板）施工所用套管应采用菱形断面或出口段为扁矩形的断面，不应全长都采用圆形断面，以保证插入地基土中的带子平直、不扭曲。

塑料排水带（板）需接长时，应采用滤膜内芯带平搭接的连接方法，搭接长度宜大于200 mm。

塑料排水带（板）施工目前有较成熟的施工工艺，具体可参考《塑料排水板施工规程》（JTJ/T 256—96）。

塑料排水带（板）施工完成并通过验收后，应清理孔口套管带出的软土，并用砂料将孔填实，板头埋入砂垫层内100～200 mm。

3．2．2 袋装砂井

为了减少对周围土的扰动，袋装砂井施工所用套管直径宜略大于砂井直径。袋装砂井一般选用聚丙烯编织袋制作，砂料要求与砂垫层相同，施工机械与塑料排水带（板）相同。灌砂时，宜使用干砂，确保砂袋顶端进入砂垫层，砂袋埋入砂垫层的长度不应小于500 mm。

塑料排水带（板）和袋装砂井施工时，宜配置能检测其深度的设备，平面井距偏差不应大于井径，垂直度偏差不应大于1.5%，深度不得小于设计要求。

3．2．3 普通砂井

普通砂井的灌砂量应按照井孔的体积和砂在中密状态时的干密度计算，实际灌砂量不得小于计算值的95%.普通砂井的砂料要求与砂垫层相同，一般采用振动沉管机成井。

3．2．4 施工沉降

施工沉降是指在排水竖井施工过程中地面发生的沉降，可通过实际施工前后的场地高程求得，应计入预压沉降量。

3.3 埋置监测设备

这里的监测设备主要是指排水竖井施工完成后所需埋置的设备，不包括施工过程中埋置的（比如监测竖井深度的设备）设备。

3．3．1 沉降标

沉降标根据场地大小和建（构）筑物的基础形状，按照方格网或辐射状布置，方格网每500～800 m21个。堆载预压宜在堆载中央处、堆载坡顶处、堆载坡脚处布点，布点数一般不少于5个。在距场地边界处1 m到1～1.5倍处理深度影响范围内，宜布置不少于2条沉降断面，每条断面上不宜少于3个点。场地内、外监测点宜成断面布设。标盘置于砂垫层下软土面上，标杆能随堆载高度加长，并用套管保护。

试验区内的监测点一般采用接杆式观测标，观测标可选用（600×600×14）mm3钢板做底板（称“标盘”），底板中央焊接1根长1.0 m、Φ30～40 mm的钢管（称“标杆”），顶部接观测标。安装杆盘时，需保证其水平，并与标杆铅直，随着分级加荷的增加，逐步接杆进行观测，接杆直至堆载顶部。为了方便计算，接杆宜选1 m等长。

试验区外可用（400×400×10）mm3的钢板做标盘，底板中央焊接1根长60 cm、Φ20～30 mm的钢管或Φ20 mm的钢筋。杆盘需保证水平，并与标杆铅直，设置标杆时，需露出地表5～10 cm作为观测用。

3．3．2 地面边桩位移标

埋置在场地外侧对称轴线上不同距离处，宜在处理区边界外1.0～1.5倍处理深度的影响范围内布置不少于2条侧向位移断面，每条断面上布置不少于3个点，边界外1 m处需布点，宜与沉降观测点布置在相邻位置。一般情况下，可用木桩或预制加筋混凝土桩，桩尺寸为（200×200×1 000）m3，观测标点固定于桩顶。埋设方式可采用钻孔击入埋标法，钻孔可选用Φ130 mm钻具，钻深0.8 m，然后将桩插入孔内，用吊锤击桩入土中，但是，地表上需留有100 mm左右的余量，以便观测。桩设置到位后，需夯实桩周边的土体，以确保桩埋设的稳定性。

3．3．3 分层沉降环

分层沉降环宜布置在试验场区中央处、场区中央至预压边界中间地带、预压边界处，每个场地1～2组，每组不宜少于3个点，垂直向布置，沿土层1.5～3.0 m布置一点。分土层设置时，每层不应少于1个点，布设深度一般大于处理深度3～6 m。堆载层可不设点。所有观测点要布置在较小的范围内，（一般2 m见方或各点间距不大于50 cm），以便于观测接近同一铅垂线上的各层土的沉降情况。

分层沉降观测标志一般由内管和保护管组成，内管的上端应加工成半球状，下端与标盘焊接，用钻机打孔将标盘埋入预定深度。外面埋1个保护管，但不得压碰内管标志，在保护管下端外面还要埋1个50 cm的套管。为了避免保护管下沉影响内标，在保护管将标盘压入预定深度后，将保护管抬高，使其距离标盘30～50 cm，然后在保护管内灌砂填实。

3．3．4 深层水平位移管

施工时，宜在场区边界外1.0～1.5倍处理深度的影响范围内布置不少于1条深层土体侧向位移断面，观测点不宜少于3个，宜与其他监测项目监测点布置在相邻位置，边界外1 m处需布点。土体侧向位置观测深度应大于地基处理深度10 m，宜采用Φ108 mm钻具成孔，钻孔应垂直，下套管护孔，成孔后应用清水洗孔至孔内无稠浆，钻孔深度应比安装深度深，每隔10 m深0.5 m。钻孔应有原始记录，包括分层、深度和土性描述。

测斜管安装埋设采用的是逐根连接法，最下节管底套上配套，底盖固定密封，放入孔内；将上节按照槽口方向插入下节接头内，必须保证插到管子端平面相接后再固定。如果在安装过程中遇到管子上浮的情况，可以向管内注清水。测斜管安装到位后，注意将管内壁上两对凹槽的任何一对调整至垂直于量测的方向，套上配套顶盖。

另外，管外与钻孔间用中粗砂填实，或用水泥与黏土拌和材料注浆。以砂为填料时，回填速度不宜过快，一边填，一边轻摇管子，直到填实。一个测斜孔的测斜管应为一个厂家的产品，以免接口导槽对不起来。在此要注意，测斜管内不得混入水泥浆和杂物。安装完成后，测斜管全长的垂直倾斜偏差应小于2°。

3．3．5 孔隙水压力计

孔隙水压力计宜布置在试验场区中央处、场区中央至预压边界中间地带、预压边界处，一般不少于3个点，并宜与场地其他监测项目的监测点布置在相邻的位置。对于场地外，在处理深度的影响范围内，可根据需要选择布点，每个场地1～2组，沿软土1.5～3.0 m垂直布置1个孔隙水压力计。分土层布设时，每层不应少于1个孔隙水压力计，布置深度一般以大于处理深度3～6 m。在布置时，宜一孔一计，如果一孔多计，计间距应大于1 m，并应做好探头之间的隔水密封，并按《孔隙水压力测试规程》（CECS 55：93）规定实施。

孔隙水压力观测一般宜选用振弦式孔隙水压力传感器和振弦式频率测定仪，测读精度为±1 Hz。孔隙水压力传感器量程应根据埋设深度、变化幅值、大气降水等确定，以免超出量程范围，或是量程过大影响测量精度。

《孔隙水压力测试规程》（CECS 55：93）规定，上限值应大于静水压力值与预估的超孔隙水压力值之和，一般宜为100～200 kPa。当测量深度大于20 m时，上限可为400～600 kPa。

原则上要求成孔孔径应与传感器的直径相同，一般则采用Φ91 mm或Φ108 mm钻具成孔，如果采用泥浆护壁工艺，钻孔完成后需用清水洗孔，直至泥浆全部清除方可。

孔隙水压力传感器的安装与埋设均需在水中作业，滤水石不得与大气接触，一旦接触，应重新排气。孔隙水压力传感器的埋设方法一般有以下2种：①压入法。这种方法适用于软土，直接压入埋设深度。如果在操作过程中遇到困难，可先成孔至埋设深度以上1 m处，再压入土中，上部用黏土球封孔。②钻孔埋设法。钻机成孔至埋设深度，然后在孔内填入少许纯净砂，将传感器送入埋设位置，在周围填入部分纯净砂，然后用黏土球封孔。

封孔时，应使用干黏土球，Ip≥17，封孔应从传感器一直封至孔口。如果在同一钻孔中埋设多个探头，则需封至下一个传感器埋设的深度。

孔隙水压力计导线长度应根据传感器的埋设和堆载高度，或铺设到观测位置的距离来确定，并要留有足够的余量。

3.4 挖设排水沟、盲沟和集水井

排水沟挖于场地外，深度应大于预估沉降量0.5 m以上。盲沟根据地势灵活布置，将水排至排水沟或集水井即可。排水沟应揭穿砂垫层进入地表一定深度，并全部用碎石填至与砂垫层相平。

排水有困难时，可设Φ300～400 mm的集水井，集水井应揭穿砂垫层进入地表一定深度，井底和井周应用碎石填至与砂垫层相平，滤水管随堆载而增高，用潜水泵排水。

3.5 堆载、监测

3．5．1 堆载

堆载时常使用自卸汽车、推土机和装载机。当地表土质比较软时，第一级荷载可用轻型机器或人力堆载。对于堤坝、罐体等，也可用其自身荷载或充水作为预压堆载。

3．5．2 监测

在加载过程中，应每天观测一次，遇异常情况，观测次数应加密。待所有情况都正常后，可3 d观测1次，并严格控制加载速度，防止地基发生剪切破坏或产生过大的塑性变形。当满足下列要求时，才可继续加载，即：①对于竖井地基，最大竖向变形量每天不应超过15 mm；对于天然地基，最大竖向变形量每天不应超过10 mm；边桩水平位移每天不应超过5 mm。②目前，对孔隙水压力的控制尚缺少经验。一般情况下，以实测孔隙水压力值与堆载量值的比值小于50%～60%为标准。③满载稳定后，计算固结度、抗剪强度是否满足设计要求。④在预压区内进行原位十字板剪切试验或取原状土样进行室内试验，以确定地基土强度的增长和预压进程。软土地基的失稳通常经历从局部剪切破坏到整体剪切破坏的过程，这个过程要有数天时间。因此，相关工作人员要综合分析孔隙水压力、竖向变形、边桩水平位移等观测资料，密切注意它们的发展趋势。对于铺设土工织物的堆载预压工程，要注意破坏的突发性。

3.6 卸载

卸载终止预压的条件是，有关指标满足设计和规范的要求，卸载应分级进行，并做好对各项指标的监测工作。