关于复合地基处理技术的应用现状及发展趋势探讨

2020-09-28郭兴峰

绿色环保建材 2020年10期

郭兴峰刘鹏李亮

1.杨凌职业技术学院；2.神木市农村公路管理站

1 引言

20世纪中期，国外学者首次提出了“复合地基”一说，而最初被提出时，“复合地基”一词常用来表示采用碎石桩方法来处理天然地基，后来又渐渐的拓展为采用桩体加固技术来处理天然地基。之后，随着世界经济进入了繁荣期，无论是工程实践方面还是理论研究方面，地基处理技术[1-3]都得到了较快的发展，而“复合地基”一词也有了更为广义的概念，但是却始终没有一个统一的认识。而到了20 世纪80、90年代，国内学者也陆续展开了对“复合地基”的研究，并对“复合地基”的基础理论进行了初步的探索，为地基基础方面的工程实践提供了较为有力的理论支撑。自进入21世纪以来，关于“复合地基”的工程实践和理论研究更是有了长足的发展，而且工程界和学术界对“复合地基”一词也初步有了较为统一的认识：即从狭义角度来说除了水泥土桩和砂石桩复合地基之外，其他的地基处理形式都不属于“复合地基”；但从广义角度而言凡是在工作时各类桩与桩间土是一起承受荷载的，都可以归属于“复合地基”。基于此，本文则从广义的角度对复合地基处理技术的工程效用、应用现状、发展趋势进行了探讨，以期为工程实践提供一些参考或者指导性建议。

2 复合地基的破坏形式及工程效用

2.1 复合地基的破坏形式

所谓广义的“复合地基”，指的是在处理天然地基时，通过对一部分天然地基土体进行添加或置换加筋材料，使得其地基承载力得到增强的地基处理方式。其地基承载力增强方式主要分为水平向增强方式和竖直向增强方式（详见图1）。

图1 地基承载力增强方式

这两种增强体的地基破坏模式存在很大的区别，其中竖向增强体（工程界一般称之为桩）的破坏形式有：鼓胀破坏（即桩体承受荷载时其周围的土体围压相对较小致使桩体发生鼓胀）、刺入破坏（即桩体刚度过大而地基土的承载力相对过低致使桩体承受荷载后直接下沉）、桩体剪切破坏（即桩体强度较低而地基土的承载力相对较大致使桩体承受荷载时直接发生破坏）、滑动剪切破坏（上层地基土为柔性基础而下层地基土为刚性基础，致使地基承受荷载时沿着滑动面发生破坏）；而水平向增强体的破坏形式有：承载破坏形式（主要是地基承载力不足所导致）、滑弧破坏形式（主要是土工织物的延伸率大而抗拉强度低所导致）、薄层挤出破坏形式（主要是薄层土的强度低所导致）、加筋体绷断破坏形式（主要是加筋体的强度低、延伸率小而刚度大所导致）。

2.2 复合地基的工程效用

复合地基在工程中的效用涉及多个方面，且不同的复合地基处理技术其效用也不尽相同，但无论哪种复合地基处理技术，都可以起到加强地基承载力，降低地基沉降量的作用。总体而言，其工程效用主要是集中在以下几个方面。

2.2.1 桩体的刚度效用

以竖直向增强体而言，桩体的刚度通常比天然土体的刚度大，在承受荷载时便会产生应力集中，便会使得桩体承担的荷载较多，相应地周围土体承担的荷载就较小，从而可以降低地基沉降量。而且桩体的刚度越大，这种效用就会变得越为明显。

2.2.2 桩体的振密和挤密效用

无论是砂桩、石灰桩还是灰土挤密桩，在施工时都不可避免地会发生振动、排土等状况，尤其是采用沉管挤密或者振冲挤密时，这种情况直接增强了桩间土体的密实度，提高了地基土的力学性能。而生石灰桩的吸水膨胀和发热效应也能产生一定程度的挤密效果。

2.2.3 桩土复合的垫层效用

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一旦桩体与土体发生结合了以后，便能够在加固范围内形成复合体并产生换填土效应，从而有益于应力的扩散。这种情况实质上就相当于是在基础下设计了垫层，使得荷载能够相对均匀地分布开来。如果桩体未贯穿软弱土层，这种效用就会变得更加明显了。

2.2.4 加速地基土排水固结的效用

一些桩体材料诸如碎石桩、砂桩中的粗粒土等，本身透水性较好，在对地基进行处理时就容易形成排水通道。而地基土在承受荷载时所产生的超孔隙水压力就会促使地基土中的水通过这些排水通道排出来，从而缩短了地基土的排水固结时间，间接的增强了地基土的抗剪强度。

2.2.5 加筋作用的效用

复合地基加固区（天然地基土体+增强体）的形成，一方面加强了地基的承载力，另一方面提高了地基的稳定性。加固区是承担荷载的主要区域，而增强体的存在使得整个加固区地基的抗剪强度有了相应地提高。其中水平向增强体的加筋作用相对来说更为明显一些。

另外，还应当予以强调的是复合地基处理技术的效用与地基土的类别、复合地基形式、施工的方法和工序等方面都存在一定的关系，如果在工程上应用并分析时还应当结合工程经验和施工现场的实际情况进行多方面综合考量，尽量选择较为合适的地基处理方法。

3 复合地基处理技术的应用现状

复合地基处理技术尚属于岩土工程领域中一门不成熟的学科，其目的主要是为了对天然地基的承载力、稳定性进行改善，包括提高地基土的动力特性、优化地基土的透水特性、加强地基土的抗剪强度、提升地基土的压缩模量等几个方面。目前，复合地基处理技术的应用较为广泛，不仅在高层建筑、公路铁路、市政建设，甚至在机场、堤坝等方面都有一定的应用，其中常见的几种复合地基处理技术有以下几类形式：

3.1 碎石桩复合地基处理技术

碎石桩复合地基处理技术应用在非饱和土和砂性土地基时存在较大的优势，不仅地基承载力得以大幅度提高，且沉降量也相对较小。其中按照施工方法又可以划分为沉管、强夯、袋装、振冲、干振、桩锤冲孔等几种不同的碎石桩复合地基处理技术。不过应当注意的是，由于碎石桩复合地基的桩体是以散体材料为主，其复合地基的承载力大小主要与不排水条件下天然地基土的抗剪强度大小有关。如果不排水条件下天然地基土的抗剪强度较低其效果会大打折扣，则便不适宜采用碎石桩复合地基处理技术。

3.2 灰土桩复合地基处理技术

灰土桩复合地基处理技术指的是将石灰与土拌和后，通过挤土或非挤土方式在地基中成孔，并分层回填予以夯实的成桩方法，以起到加固天然地基土的作用。其成孔方法有沉管、冲击、爆扩三种挤土方式和挖孔、钻孔两种非挤土方式，通常可用于处理素填土、杂填土、湿陷性黄土等天然地基土，处理深度一般不超过15m，且不适宜处理位于地下水位以下天然地基土。不过随着科学技术的发展，其处理深度也逐步有所提升，但经济性和工效都比较一般，以至于实用性相对较差，在工程中应用时需要统筹考虑。

3.3 石灰桩复合地基处理技术

石灰桩复合地基处理技术即采用人工（洛阳铲）或者机械（沉管）在天然地基中成孔，然后将生石灰灌入孔中压实并采用黏土进行封口的成桩技术。采用石灰桩进行地基处理时应当注意的应随灌随伴，不宜拌和过早或者过晚；另外，天然地基的含水率对石灰桩复合地基的处理效果也具有较大的影响。据相关研究表明，拌和过早或者过晚、含水率过高或者过低其地基处理效果都不理想。因此，如果施工时缺乏同类工程经验，还应当通过试验进行测试，然后再确定是否采用石灰桩复合地基处理技术。

3.4 水泥土桩复合地基处理技术

水泥土桩复合地基处理技术即采用特制的搅拌桩机，将水泥浆液或水泥粉体喷射入天然地基土中，然后拌和均匀，如果按照施工方法的不同则可分为深层搅拌法、旋喷法、夯实法等几种类型。其中深层搅拌法又有喷浆（水泥浆液）和喷粉（水泥粉体）之分，通常来说喷浆比喷粉的均匀性相对好一些，但在处理含水量较高的天然地基土时采用喷粉深层搅拌法具有良好的效果；旋喷法又有单管双管和三管法之分，适用于处理软黏土地基；夯实法适用处理于地下水位以上的天然地基土，采用夯实法处理地基时可掺入石灰或粉煤灰。

3.5 混凝土桩复合地基处理技术

混凝土桩复合地基处理技术又有素混凝土、钢筋混凝土之分，素混凝土桩其实是一种低强度桩，其应用范围较广，可以处理的地基深度较深，经济效益也相对低廉；而钢筋混凝土桩属于高强度桩，可以处理的地基深度也较深，但经济效益也相对较高。另外，无果按照承载性质又可分为摩擦桩、端承桩，通常在理论计算时端承桩的桩间土不考虑承担荷载，而摩擦桩的桩间土可以考虑荷载。而按照施工方法则有预制桩、灌注桩、挖孔桩之分，混凝土桩的截面形式种类较多，不过工程上常见的主要是圆形截面形式。

4 复合地基处理技术的发展趋势

近年来，复合地基处理技术的工程应用发展迅速，主要反映在以下几个方面。

4.1 对各类复合地基处理技术[4]的优缺点和适用性的认识逐步提升

一方面是因为积累的施工经验越来越多，一方面是因为室内外的试验条件也越来越好，使得岩土领域逐步对各类复合地基处理技术的适用性和优缺点有了更进一步地认识，工程应用时能够结合工程实际，通过借鉴同类工程、开展试验研究，来科学合理的选择复合地基处理技术。

4.2 各类机械设备和施工工艺的进步

一些新的复合地基处理技术，往往在机械设备没有达到条件之前，也只能停留在探索阶段而无法推广实施。而近年来随着科学技术的发展，国内在机械设备和施工工艺都已经有了较为不错的发展，这直接为复合地基处理技术的发展提供了更多的可能性。

4.3 各类新型工程材料的研发

由于新材料产业发展迅速，间接带动了工程界对新型材料研发和工业废料的利用，典型的桩体有水泥粉煤灰碎石桩（即CFG 桩），不仅节约能源，还具备良好的经济效益。还有新型建材BY 灌浆料，不仅可用于港口、码头、轨道等安装工程的灌浆，还可用于补强各类混凝土结构。这无疑为复合地基处理新技术的发展提供了有力的条件。