CN101016740B - 多重增压快速固结密实软土地基处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程中软土地基处理技术领域，具体涉及一种沿海沿河沿江沿湖软土地基处理方法。将真空排水、振动增压密实和强夯增压密实三者相结合，首先利用振动激发出的超孔隙水正压力与真空负压力二者迭加所产生的较高的动水头递度在短时间内排出土中水快速降低土体含水量并在一定程度上密实土体；然后再进行强夯处理以进一步提高超孔隙水压力形成更高的动水头梯度进行排水和密实土体。反复进行多遍，最大限度地消除深层软土工后沉降、提高表层固结度、强度和刚度，直至达到设计要求。本发明方法与现有方法相比，具有工期短，成本低，工后沉降小，固结密实效果好等特点，可广泛用于沿海、沿河等地区各种工程的软土地基的处理。

Description

多重增压快速固结密实软土地基处理方法

技术领域

本发明属于岩土工程中软土地基处理技术领域，具体涉及一种沿海沿河沿江沿湖软土地基处理方法。

背景技术

(1)软地基处理有广阔的应用前景

随着城市可资利用土地的减少以及人们环境保护意识的增强，近年来人们在沿海、河、江边的软地基工程日益增多(例如：青岛海西湾北海船厂、深圳机场扩建、上海南汇区临港新城、上海长兴岛造船基地、唐山曹妃甸首钢搬迁工程等等都是在软基上进行建构造物的修建)。大部分软土通常含水量、压缩性很高，渗透性很差，必须经过处理才能满足使用要求，就目前土地资源紧缺及国家围海造地规划来看，这类工程日后还会大量增加，因而软地基处理有着广阔的应用前景。

(2)传统地基处理方法的不足

目前软土地基处理方法主要有排水固结法、换土垫层法、碾压及夯实法、置换及拌入法等，这些方法都有各自的适用范围，排水固结法适用于除了渗透性能极差的泥炭土外的几乎大部分软地基，主要包括堆载预压法和真空预压法。堆载预压法是指在场地临时堆填土石等，对地基处理加载预压，使地基沉降量能够提前完成，并通过地基土固结提高地基承载力，达到要求后再卸去预压荷载，该方法有三点不足：其一需要附近有大量土石方，造价比较高；其二堆载高度过大会带来边坡稳定性问题；其三工期较长。真空预压法是在拟处理地基上铺设砂垫层，并设置竖向排水通道(塑料排水板或砂井)，然后再用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层及竖向排水通道进行抽气，使薄膜下真空度降低，同时在大气压力作用下加速地基固结，达到要求后停止抽气。该方法的不足之处为：其一处理地基承载力有限，一般80kPa左右；其二工期较长。换土垫层法是将地基中的软弱土挖去，而换填为强度高、密度大的砂、碎石或灰土等。该方法比较适合局部少量的软基处理，大面积、较深的软基处理经济不合理，而且浪费工期。碾压及夯实法是采用一定的机械设备，将地基土压实，同时提高强度的一种方法。该方法的优点是施工工期短，强度提高明显，但是一般只适用于无粘性土、杂填土、非饱和粘性土等，对于含水量高、强度极低的软土不太适用。高真空出密法处理深度有限，通常超过6m则效果不太明显。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工期短、成本低、处理深度大、效果好的软土地基处理方法。

由于饱和软粘土一般含水量高、孔隙比大、渗透性能差，常规真空预压法和堆载预压法处理不仅时间长而且造价比较高；强夯法只适合于粗颗粒、高渗透性地层；高真空击密法对于粉土、砂土加固比较有效但对低渗透性土仍然无能为力，且处理深度有限；多重增压快速固结密实地基处理工法可以处理低渗透性土，处理深度也比较深，但是表层要求比较高时强度与刚度不足，而在实际中经常会遇到对表层要求比较高的工程，本发明旨在利用多重增压快速固结密实地基处理工法与强夯法各自的优点，一方面采用振动法直接提高拟处理地层中低渗透性土的超孔隙水压力，在与真空负压力双向压力(正负压力形成的动水头梯度)作用下，使处理范围内的土体发生快速固结(固结度可达40～50％)；另一方面在此增压固结的同时多遍辅以强夯处理，提高动水头梯度使土体进一步固结(固结度可达80～85％)，最终在地基承载力与工后沉降等方面满足设计要求。

本发明提出的软土地基处理方法，是将真空排水、振动增压密实和强夯增压密实三者相结合，首先利用振动激发出的超孔隙水正压力与真空负压力二者迭加所产生的较高的动水头递度在短时间内排出土中水快速降低土体含水量并在一定程度上密实土体；然后再进行强夯处理以进一步提高超孔隙水压力形成更高的动水头梯度进行排水和密实土体。反复进行多遍，最大限度地消除深层软土工后沉降、提高表层固结度、强度和刚度，直至达到设计要求。故称本发明为多重增压(真空负压、振动正压和强夯正压)快速固结密实软土地基处理方法。

本发明中，振动与真空主要在深层相结合形成压增压区，强夯与真空主要在浅层相结合形成增压区，在短时间内产生较高的动水头梯度使土体快速排水而固结，在表层形成强度和刚度较高的超固结层，同时消除深层软弱下卧层的工后沉降。

针对拟处理软土在地层中的分布情况布置真空管，本发明采用真空泵与之相连接直接强制性的排出软土中的地下水。

本发明根据拟处理地层土质土性确定振动频率、振动力和振动次数等施工参数，使需处理软土中的超孔隙水压力快速升高。根据拟处理地层土质土性确定强夯能量、强夯夯击数和强夯遍数等施工参数，使需处理软土中的超孔隙水压力快速升高。

本发明方法可以处理比较深厚的渗透性较差的软土减小其工后沉降，同时又可以使表层达到超固结状态，不仅扩大了软地基处理范围而且更好的满足工程中常常提出的对深层弱土工后沉降和表层土强度与刚度方面的设计要求。

图1和图2为本发明的具体工艺图示。具体步骤如下：

(1)根据具体土质土性及设计要求，通过计算确定真空排水参数、振动参数和强夯参数，其中真空排水参数包括真空管长度、间距、真空度、真空抽水时间和水平排水通道间距等，所用的主要设备为真空泵；振动参数包括振动点间距、振动头提升距离、振动力、振动频率和振动次数等，所用的主要设备为吊车与振动头；强夯参数包括夯击能、夯点间距、夯击遍数和每点夯击数等，所用的主要设备为强夯机；

(2)在地层中按照设计参数插入真空管(如图1所示)，真空管下端插入到拟处理地层中，露出地表的真空管头部与水平排水通道相连接，用真空泵抽真空，每根真空管相当于一个负压源，使负压向周围地层辐射，形成负压源柱区，中心负压最低达-85kPa，逐渐向周围递减；

(3)在真空管之间用吊车将振动头下入到拟处理地层处进行振动(如图2所示)，以增加该处的超孔隙水压力，每个振动头侧壁土体相当于一个正压源，约为30～50kPa，该正压源向周围地层辐射，形成正压源圆环状区，离开振动头向周围逐渐递减；

在设计要求处理深度范围内，以真空管为中心的负压区和以振动头为中心的正压区迭加并在二者之间形成较高的动水头梯度，按照达西定律，水头梯度的增加意味着土中水流速度的增加，而水流速度的增加加快了土体的固结。真空负压与振动正压二者本身对土体就都有固结作用，迭加以后加快了土体的固结速度，最终使软弱土体在短时间内(缩短到8～10天)得到快速固结；

(4)当维持真空抽水与振动进行增压排水到地层中拟处理土体的含水量达到最大吸附结合水界限含水量的1-1.3倍时，撤去振动头并按照强夯设计参数(包括夯击能、夯点间距、夯击遍数和每夯击数)进行强夯，进一步升高超孔隙水压力，达到40～80kPa，在加速土体排水固结的同时密实土体，如图3所示。

强夯与振动所产生的超孔隙水压力位置不同，强夯是从地表往下递减的，强夯法在其中主要起到提高表层一定深度范围内土体中的超孔隙水压力和使表层土体更加密实的作用；

(5)交叉多遍进行步骤(2)、(3)、(4)，在地层中反复形成较高的动水头梯度，在动水头梯度的作用下不断降低土体含水量、提高固结度和强度，直至达到设计要求。

本方法与常规方法相比具有如下明显优点：

1.与真空预压法相比

1)工期短；

2)造价低；

3)无需铺设密封膜；

4)表层刚度和强度高；

5)可处理渗透性更差的软土。

2.与堆载预压法相比

1)无需填料；

2)造价低；

3)工期短。

3.与强夯法相比

1)可以处理低渗透性饱和软土；

2)工后沉降小；

3)地表与地下多重增压加载，处理深度大。

4.与高真空击密法相比

1)可以处理低渗透性饱和软土；

2)地表与地下多重增压加载，处理深度大；

3)工后沉降小；

4)达到同样指标造价低。

多重增压快速固结密实地基处理方法属于静-动力排水固结法范畴，其加固地基的微观机理如下图5所示：

采用多重增压快速固结密实法对图5中所示的拟处理地层二进行处理，处理之前地层中的总应力由有效应力和孔隙水压力组成。图5中，标出处理前的有效应力6，孔隙水压力由降水增加的有效应力7、真空抽水增加的有效应力8和处理后剩余空隙压力11组成；进行真空抽水后一部分由于降水预压，孔隙水压力转化为了有效应力7，另一部分由于真空抽水降低孔隙水压力转化为了有效应力8；进行振动法工艺施工后地层中产生了超孔隙水压力9，随着消散的发展转化成为有效应力；进行强夯法工艺施工后地层中产生了超孔隙水压力10，随着消散的发展转化成为有效应力；最后剩余的为孔隙水压力11。

以上图示说明了多重增压快速固结密实的处理效果是真空抽水、振动及强夯三者的迭加，三者减少和增加的孔隙水压力最终转化为土体的有效应力，使土体强度得到了提高。

本发明是在软土地基中设置排水通道进行强制性真空抽水的同时结合振动与强夯两种技术升高超孔隙水压力，超孔隙水正压力与真空负压力形成较高的动水头梯度进行排水使土体快速发生固结，一方面扩大了对不同性质软土的处理范围；另一方面不受地层深度的限制，可以直接作用于浅层软土(小于6m)或深层软土(超过6m)，使其在短时间内进行发生固结。本发明具有处理工期短、效果好、造价较低等优点。可广泛用于沿海、沿河等地区各种的软土地基处理。

附图说明

图1为真空负压固结

图2为振动超孔隙水压力正压固结

图3为振动真空正负压力迭加固结

图4为真空-振动-强夯三者正负压力迭加固结

图中标号：1为真空泵；2为水平排水通道；3为真空管；4为振动头；5为强夯锤；6为处理前的有效应力；7为降水增加的有效应力；8为真空抽水增加的有效应力；9为振动增加的有效应力；10为强夯增加的有效应力；11为处理后剩余的孔隙水压力。

具体实施方式

某地基处理工程需处理的软弱土厚度约10m，水平渗透系数为1×10^-7cm/s，地基承载力要求80kPa，工后沉降要求＜30cm，采用多重增压快速固结密实法处理，步骤如下：

1.根据以上土层情况及设计要求确定真空参数：真空管长度为10.5m，间距为4m×4m，真空度开始为80kPa，真空抽水时间10天左右，水平排水通道间距为4m；振动参数：振动点间距为4m×4m，振动头提升距离10m，振动力16kN，振动频率1450r/min，振动次数为2次；所用的吊车为20T，振动功率为75kw；强夯参数：强夯机为50T，夯击能为2300kN.m，夯点为4m×4m，夯击遍数为3，每点夯击数3击。以上参数确定采用常规的计算方法。

2.插入真空管3，并与水平排水通道2连接，并与真空泵1连接，真空管3的下端插入到拟处理地层中。启动真空泵1抽真空，在地层中形成间距为4m×4m的负压源柱区，向周围辐射并递减；

3.用吊车将振动头4放到两个真空管之间中点位置进行振动施工，从地表一直振动到下面10m，并来回提升两遍，这样在每个振动头侧壁处的土体就相当于一个正压源(约30～50kPa)，该正压源向周围地层辐射，形成正压源圆环状区，离开振动头向周围逐渐递减。

4、真空负压与振动正压所形成的动水头梯度促使土体快速固结，当地层中土体的含水量达到最大吸附结合水界限含水量时，撤去振动头4并按照强夯设计参数进行强夯，进一步升高超孔隙水压力(约40～80kPa)，在加速土体排水固结的同时密实土体。

5、经过以上一遍处理后地基土的承载力已经提高了20％左右，工后沉降也已经达到50cm；

6、移去强夯设备，用吊车下入振动头4进行振动升压，再次与真空抽水配合进一步排水，使土体含水量进一步下降，使之达到最大吸附结合水界限含水量时，撤去振动头并按照强夯设计参数(夯击能、夯点间距、夯击遍数和每夯击数)进行强夯，进一步升高超孔隙水压力(约40～80kPa)，在加速土体排水固结的同时密实土体；

7、经过以上两遍处理后土体承载力达到85kPa，工后沉降约25cm，即达到了设计要求；

8、卸掉真空泵、拔除真空管，再进行最后一遍强夯整平场地。

Claims (1)

1.一种多重增压快速固结密实软土地基处理方法，其特征在于将真空排水、振动增压密实和强夯增压密实三者相结合，在地层中一遍或反复多遍形成较高动水头梯度，使土体快速固结密实，具体步骤如下：

(1)根据具体土质土性及设计要求，通过计算确定真空排水参数、振动参数和强夯参数，其中真空排水参数包括真空管长度、间距、真空度、真空抽水时间和水平排水通道间距，所用设备为真空泵；振动参数包括振动点间距、振动头提升距离、振动力、振动频率和振动次数，所用设备为吊车与振动头；强夯参数包括夯击能、夯点间距、夯击遍数和每点夯击数，所用设备为强夯机；

(2)在地层中按照设计参数插入真空管，真空管下端插入到拟处理地层中，露出地表的真空管头部与水平排水通道相连接，用真空泵抽真空，每根真空管相当于一个负压源，使负压向周围地层辐射，形成负压源柱区，中心负压最低达-85kPa，逐渐向周围递减；

(3)在真空管之间用吊车将振动头下入到拟处理地层处进行振动，以增加该处的超孔隙水压力，每个振动头侧壁土体相当于一个正压源，为30～50kPa，该正压源向周围地层辐射，形成正压源圆环状区，离开振动头向周围逐渐递减；

在设计要求处理深度范围内，以真空管为中心的负压区和以振动头为中心的正压区迭加并在二者之间形成较高的动水头梯度；

(4)当维持真空抽水与振动进行增压排水到地层中拟处理土体的含水量达到最大吸附结合水界限含水量的1-1.3倍时，撤去振动头并按照强夯设计参数进行强夯，进一步升高超孔隙水压力，达到40～80kPa，在加速土体排水固结的同时密实土体；

(5)交叉多遍进行步骤(2)、(3)、(4)，在地层中反复形成较高的动水头梯度，在动水头梯度的作用下不断降低土体含水量、提高固结度和强度，直至达到设计要求。

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