CN106337430A - 一种水下复合地基加固处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水下复合地基加固处理方法，其包括如下步骤：第一步：根据水上结构物或水下边坡的水下地基处理所需达到地基承载力的要求、地基工后沉降量的要求，选择桩规格和桩间距，确定实际施工过程中水下桩的施打密度；第二步：使用挖泥船或高压水枪，除去水下待施工地基的上层浮泥或淤泥，曝露出下层淤泥质土或亚粘土；第三步：布桩，按第一步确定的桩间距及桩密度把桩送入指定位置；第四步：平整桩的面层，然后对施工后的面层进行垫褥层施工，使复合桩形成整体结构；第五步：对完成后的复合地基进行抽样检测和承载力检测。本发水下复合地基处理技术可在充分利用原状土的承载力基础上，利用复合地基处理进行补强，降低材料的消耗。

Description

一种水下复合地基加固处理方法

技术领域

本发明涉及地基加固处理技术。

背景技术

在欧美各国、日本、东南亚和我国的水工项目中，其工程地质情况都有海岸沉积、浅海沉积、湖泊沉积、河滩沉积和残积所形成的松、软土层分布。这些土层普遍存在：上层土为呈软塑与流塑态的泥炭、淤泥、淤泥质土和极松散的粉砂类土，下层土为呈可塑与软塑的淤泥质土或亚粘性土，具有一定的承载力。

在这样的地质条件下，对于修建水工结构物或进行水下边坡施工，一般会针对此类土层采用的处理方法包括：水下大开挖换填石料、水下爆破挤淤换填石料、抛石挤淤、水下排水固结、水下挤密砂(碎石)桩等地基处理方法。

1)对于采用水下大开挖换填石料的地基处理方法，既耗资巨大又费工费时，施工过程中会对周边产生影响，有可能引起周边土体的垮塌，从而产生较大的安全风险；而且受到地材的限制，施工进度往往受到影响较大。

2)对于水下爆破挤淤换填石料的地基处理方法，水下爆破施工安全风险较大，爆破产生的危害有可能引起周边的强烈震动，和1)相似受地材的影响很大。

3)对于抛石挤淤的地基处理方法，成本较高，且处理的深度范围有限和1)相似受地材的影响很大。

4)对于水下排水固结的地基处理方法，处理的深度和效果有限，且施工工期较长，存在安全隐患。

5)对于水下挤密砂(碎石)桩的地基处理方法，施工难度大，施工成本较高。

发明内容

本发明提供一种新型水下复合地基处理技术，可充分利用原状土的承载力基础上，利用复合地基处理进行补强，降低材料的消耗。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种水下复合地基加固处理方法，其包括如下步骤：

第一步：根据水上结构物或水下边坡的水下地基处理所需达到地基承载力的要求、地基工后沉降量S_设的要求，选择桩规格和桩间距，确定实际施工过程中水下桩的施打密度， 其中桩的密度按以下步骤确定：

(1)预选桩间距B、桩端截面积A_Z和桩长l，通过P_kA_c-αA_kf_oa计算获得地基加固处理所需补偿的承载力标准值R_补，

其中，

P_k为地基处理拟所需达到的地基承载力；

A_c为计算面积，为相邻桩的中心连线所围成的封闭区域的面积，相邻桩的中心连线长度即为桩间距B，

A_k为计算面积A_c减去桩端截面积A_z后的值，即A_c-A_z，

f_oa为桩间地基承载力，

α为加固后的桩间土地基承载力发挥系数，

(2)计算单桩承载力R_a，

$R_a=\frac{1}{2}\left(\mathrm{\μ}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{q}_{sik}{l}_i\right)+{\mathrm{\βA}}_z{q}_r$

式中：μ-桩周长，

q_sik-第i层土的侧阻力特征值，

l_i-第i层土中桩的长度，

β-桩端端阻力发挥系数，

q_r-桩端土的端阻力特征值，

A_z-桩端截面积

(3)计算桩的密度n，

水下复合地基所需补偿的承载力应满足下式的要求并根据下式求得复合桩的密度n：

$n\≥\frac{P_k{A}_c-{\mathrm{\αA}}_k{f}_{oa}}{R_a}$

计算结果n取值为0.9～1.0，若n值﹤0.9，则增大桩间距B以增大计算面积；若n值＞1.0，则减小间距B以减小计算面积A_c；

(4)通过验算工后沉降，对桩的布置进行校核，

(4.1)计算复合地基的复合模量：

$E_p=\frac{P_0}{f_{oa}}{E}_a$

式中E_p-复合模量，单位为Mpa，

E_a-地基土模量，单位为Mpa，

其中，

(4.2)计算总沉降量S,

计算复合地基土层的沉降量S₁，以及下卧土层的沉降量S₂，

$S_1={\mathrm{\ψ}}_{s1}\frac{P_k}{E_p}Z\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}$

式中：P_k-使用期间的附加荷载，kPa；ψ_s1-沉降计算分项系数；Z-基础底面至复合地基底层的距离；基础底面计算点至复合地基底层的平均附加应力系数，

$S_2={\mathrm{\ψ}}_{s2}{\Σ}_{i=1}^n\frac{P_k}{E_i}(Z_i{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i-Z_{i-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i-1})$

式中：E_i-复合地基下第i层土的压缩模量，MPa；ψ_s2-沉降计算分项系数；Z_i、Z_i-1-基础底面至下卧土层第i层土、第i-1层土的距离；-基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底层的平均附加应力系数，

S＝S₁+S₂

若总沉降量S大于设计要求的地基工后沉降量S_设，则增加桩端截面积A_Z或增加桩长l

若总沉降量S小于等于设计要求的地基工后沉降量S_设，则按选定的桩端截面积A_z及桩长l确定桩规格与桩间距B。

第二步：使用挖泥船或高压水枪，除去水下待施工地基的上层浮泥或淤泥，曝露出下层淤泥质土或亚粘土；

第三步：布桩，按第一步确定的桩间距B及桩密度n把桩送入指定位置；

第四步：平整桩的面层，然后对施工后的面层进行垫褥层施工，使复合桩形成整体结构；

第五步：对完成后的复合地基进行抽样检测和承载力检测。

所述第四步的垫褥层由下至上的组成为：一层土工格栅、一层土工布、45～55cm厚的砂垫层或者碎石层。

对于拟加固深度为8m以内的桩使用松木桩，对于超过8m但小于20m的使用素混凝土桩。

素混凝土桩横截面为扁长方形，在平面上横向、竖向依次间隔布置。

本发明能够把传统水工技术替代为使用本文中提出的水下加固地基处理技术，可满足重力式码头地基、防波堤地基，其极限承载力、整体稳定、允许偏差及沉降要求，使复合地基的各项指标满足设计要求和规范规定。对于水下开挖工程、高桩码头的岸坡处理工程，可以使得水下边坡稳定。且由于本发明的地基加固方法是采用“补强”的做法，大大降低 了原材料的消耗，成本低、速度较快且施工风险低，相对环境影响小，而且使用后达到的加固方法可操作调节性强，效果更加理想。

附图说明

图1桩的正方形布置示意图。

图2桩的等边三方形布置示意图。

图3水上施打复合桩示意图。

图4施工过程的简单示意图，图中从左至右顺次为施工过程的不同状态。

图5是施工后的剖面效果示意图。

图6是施工后的松木桩布桩平面示意图。

图7是施工后的砼桩布桩平面示意图。

其中数字标号指代的名称：

1-浮泥；2-垫褥层；3-软土层；4-下卧土层；5-送桩设备；6-桩。

具体实施方式

本发明的水下复合地基加固处理方法，包括如下步骤：

第一步：根据水上结构物的承载力或水下边坡处理所需达到的地基承载力的要求、地基工后沉降量的要求，以及复合地基施工的范围，先预选桩规格和桩间距，从而确定实际施工过程中水下桩的施打密度，其中桩的密度按以下步骤确定：

(1)计算获得地基加固处理所需补偿的承载力标准值R_补，

R_补＝P_kA_c-αA_kf_oa (1-1)

其中，

P_k为拟施工施加的设计荷载，

_c为相邻桩的中心连线所围成封闭区域的面积；若正方形布置(如图1所示)，则A_c＝B×B。若等边三角形布置(如图2所示)，则其中B为桩间距，即相邻桩的中心距。

f_oa为桩间地基承载力标准值，(通过查阅相关的规范或通过现场载荷试验获得)

A_k为计算面积减去单桩的桩端截面积A_Z，即A_c-A_z。

α为加固后的桩间土地基承载力发挥系数，可查阅相关的规范或通过现场载荷试验获得。

(2)计算单桩承载力R_a，

$R_a=\frac{1}{2}\left(\mathrm{\μ}{\Σ}_{i=1}^n{q}_{sik}{l}_i\right)+{\mathrm{\βA}}_z{q}_r---(2-1)$

式中：μ-桩周长，

q_sik-第i层土的侧阻力特征值，

l_i-第i层土中桩的长度，

β-桩端端阻力发挥系数，

q_r-桩端土的端阻力特征值，

A_z-桩端截面积，若桩为圆形，则(d为桩的直径)；若桩为方形，则b×l，(b为桩短边，l为桩长边)。

(3)计算复合桩的施打密度n，

水下复合地基所需补偿的承载力应满足下式的要求并根据下式求得复合桩的施打密度n：

$n=\frac{P_k{A}_c-{\mathrm{\αA}}_k{f}_{oa}}{R_a}---(3-1)$

式中参数见上文所述。计算结果n处于0.9～1.0之间。若n值小于0.9，则增大间距B；若n值大于1.0，则减小间距B。

(4)通过验算工后沉降，对桩的布置进行校核。

(4.1)计算复合地基的复合模量：

$E_p=\frac{P_0}{f_{oa}}{E}_a---(4-1)$

式中E_p-复合模量，单位为Mpa；

E_a-地基土模量，单位为Mpa，根据查阅相关资料或者通过现场取样后室内试验获得。

$P_0=\frac{R_a+{\mathrm{\αA}}_k{f}_{oa}}{A_c}---(4-2)$

由式(4-2)计算出P₀值。

(4.2)计算总沉降量。

在地基加固后，使用过程中发生两部分沉降，一部分是通过本处理方法加固的土层，在外部荷载作用下的沉降值S₁；另一部分是此土层以下的土层，在外部荷载作用下的沉降值S₂。两者的和，即为总沉降量S。

$S_1={\mathrm{\ψ}}_{s1}\frac{P_k}{E_p}Z\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}---(4-3)$

式中：P_k-使用期间的附加荷载，kPa；ψ_s1-沉降计算分项系数；Z-基础底面至复合地基底层的距离；-基础底面计算点至复合地基底层的平均附加应力系数。

$S_2={\mathrm{\ψ}}_{s2}{\Σ}_{i=1}^n\frac{P_k}{E_i}(Z_i{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i-Z_{i-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i-1})---(4-4)$

式中：E_i-复合地基下第i层土的压缩模量，MPa；ψ_s2-沉降计算分项系数；Z_i、Z_i-1-基础底面至下卧土层第i层土、第i-1层土的距离；-基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底层的平均附加应力系数。

S＝S₁+S₂ (4-5)

由式(4-5)计算总沉降量S，若总沉降量S大于设计要求的地基工后沉降量，则增加桩端截面积或增加桩长，

若总沉降量S小于等于设计要求的地基工后沉降量，则按选定的桩端截面积及桩长确定桩规格与桩间距。

第二步：使用挖泥船或高压水枪，除去上层浮泥或淤泥，曝露出下层淤泥质土或亚粘土。

第三步：布桩，使用水上送桩器，把截面为直径为300mm以内的松木桩(砼管桩)或者截面面积小于500cm²的素混凝土桩，插入下层土中。布桩的密度，按第一步所确定的密度；桩的规格按第一步所确定的规格；所排列的形式，可以采用方形、三角形等排列。

对于素混凝土桩可根据施工的要求，加工成扁长方形，平面上横竖间隔布置，可更好的适应上部不同荷载的作用。

可以有针对性的长、短结合，使得复合地基的承载力和抵抗沉降变形得到最佳的发挥。本发明是属于土木工程地基与基础的水下处理技术，特别涉及的是一种水下复合地基处理方法。其主要处理的对象是水下沉积的饱和软弱粘性土或淤泥质土,其含水量一般大于40％、孔隙比大于1.0、压缩系数大于0.5、饱和度大于95％、其强度不高但有一定的承载力，厚度为5m～20m范围的软土。对于拟加固深度为8m以内的可以使用松木桩，对于超过8m但小于20m的可以使用素混凝土桩。

第四步：平整桩的面层，然后对施工后的面层进行垫褥层施工，使复合桩形成整体结构；垫褥层由下至上的组成为：一层土工格栅、一层土工布、50cm厚的砂垫层或者碎石层。

第五步：对完成后的复合地基进行抽样检测和承载力检测。

应用案例

某水下安装沉箱项目，该项目要求：设计荷载P_k为130kPa，工后沉降小于25cm。根据地质揭露的情况来看自上而下为：淤泥、淤泥质土、亚粘土(含砂)、黄褐色亚粘土。其物理力学性能参数见下表1所示。

表1

从表中的参数来看，土层2较厚，但承载力较小，且压缩模量交小，不适于直接用于地基。若全部挖去，量很大，不经济且会产生二次污染。于是采用本文中的方法进行处理。

第一步，暂定复合桩的间距1m正方形布置，复合桩为正方形素混凝土桩，桩的边长为200mm。

(1)拟安放沉箱在土层2上，则地基需要补充的强度为P_kA_c-αA_kf_oa，其中，

P_k＝130kPa，

桩间距B取1m，即A_C＝1m²，

α取0.7，

A_K＝A_C-A_Z,A_Z＝0.2*0.2＝0.04m²，A_K＝1-0.04＝0.96m²，

f_oa为桩间地基承载力标准值50kPa，

P_kA_c-αA_kf_oa＝130*1-0.7*0.96*50＝96.4kPa。

(2)单桩的承载力为由于土层4的强度较好，拟采用其为复合桩的承载地层，则桩长设为12.5m。R_a＝0.5*0.8*(14*11.5+24*1.0)+0.7*0.04*300＝82.4kPa。

(3)计算桩的密度n，n＝96.4/82.4＝1.16＞1.0，因此需要减小桩间距B的值。

重新调整桩间距B为0.92m，计算后可知地基需要补充的强度P_kA_c-αA_kf_oa为81.8kPa。

调整后的n＝81.8/82.4＝0.99，处于0.9～1.0范围之内。说明单桩的承载力能较好的补充地基不足的承载力，则确定桩间的间距为0.92m。

(4)校核工后沉降是否复合设计要求。

式中的参数，E_a＝(3.2*11.5+1*38.3)/(11.5+1)＝6MPa，E_p＝130.7*6/50＝12.7MPa。

加固的土层，在外部荷载作用下的沉降值由于缺少试验和经验，取ψ_s1＝1.0，S₁＝1.0*130*(4*12.5*0.5*(0.1685+0.1639))/6＝85.3mm。(由规范中查到)

此土层以下的土层，在外部荷载作用下的沉降值由于缺少试验和经验，取ψ_s2＝1.0，沉降计算至基岩面，S₂＝1*130*4*(0.5*(0.0967+0.1))/60.4＝0.9mm。

因此，计算得到的总沉降量为86.2mm，满足要求中的小于250mm。

最后确定，采用素混凝土桩，桩的边长为200mm，桩长为12.5m，桩的布置形式为间距为0.92m的正方形布设。

第二步：使用挖泥船或高压水枪，除去上层浮泥或淤泥，曝露出下层淤泥质土或亚粘土。

第三步：布桩，使用水上送桩器，把素混凝土桩插入土层2中。

第四步：平整桩的面层，然后对施工后的面层进行垫褥层施工，使复合桩形成整体结构；垫褥层由下至上的组成为：一层土工格栅、一层土工布、50cm厚的砂垫层或者碎石层。

第五步：对完成后的复合地基进行抽样检测和承载力检测。

第六步：完成此项水下复合地基加固处理。

本发明在布桩过程中，还可以采用针对性的长、短结合的方式，如图7所示。长的桩能将荷载向地基深处传递减小压缩土层的变形，从而减少地基的沉降，短桩主要是能加固桩间土从而增加桩体的摩擦阻力，长桩、短桩的联合设置提高地基浅层的承载力，通过长桩和短桩的间作设置，形成良好的复合地基。这样不仅减低了工程造价，还能充分利用桩间土的承载力，并有效的控制沉降。

本发明包括但并不限于上述实施例及附图所示的内容，其它一切与本发明的技术方案具有相同实质性内容的产品结构均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种水下复合地基加固处理方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步：根据水上结构物或水下边坡的水下地基处理所需达到地基承载力的要求、地基工后沉降量S_设的要求，选择桩规格和桩间距，确定实际施工过程中水下桩的施打密度，其中桩的密度按以下步骤确定：

(1)预选桩间距B、桩端截面积A_z和桩长l，通过P_kA_c-αA_kf_oa计算获得地基加固处理所需补偿的承载力标准值R_补，

其中，

P_k为地基处理拟所需达到的地基承载力；

A_c为计算面积，为相邻桩的中心连线所围成的封闭区域的面积，相邻桩的中心连线长度即为桩间距B，

A_k为计算面积A_c减去桩端截面积A_z后的值，即A_c-A_z，

f_oa为桩间地基承载力，

α为加固后的桩间土地基承载力发挥系数，

(2)计算单桩承载力R_a，

$R_a=\frac{1}{2}\left(\mathrm{\μ}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{q}_{sik}{l}_i\right)+{\mathrm{\βA}}_z{q}_r$

式中：μ-桩周长，

q_sik-第i层土的侧阻力特征值，

l_i-第i层土中桩的长度，

β-桩端端阻力发挥系数，

q_r-桩端土的端阻力特征值，

A_z-桩端截面积

(3)计算桩的密度n，

水下复合地基所需补偿的承载力应满足下式的要求并根据下式求得复合桩的密度n：

$n\≥\frac{P_k{A}_c-{\mathrm{\αA}}_k{f}_{oa}}{R_a}$

计算结果n取值为0.9～1.0的范围，若n值﹤0.9，则增大桩间距B以增大计算面积A_c；若n值＞1.0，则减小间距B以减小计算面积A_c；

(4)通过验算工后沉降，对桩的布置进行校核，

(4.1)计算复合地基的复合模量：

$E_p=\frac{P_0}{f_{oa}}{E}_a$

式中E_p-复合模量，单位为Mpa，

E_a-地基土模量，单位为Mpa，

其中，

(4.2)计算总沉降量S,

计算复合地基土层的沉降量S₁，以及下卧土层的沉降量S₂，

$S_1={\mathrm{\ψ}}_{s1}\frac{P_k}{E_p}Z\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}$

式中：P_k-使用期间的附加荷载，kPa；ψ_s1-沉降计算分项系数；Z-基础底面至复合地基底层的距离；-基础底面计算点至复合地基底层的平均附加应力系数，

$S_2={\mathrm{\ψ}}_{s2}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\frac{P_k}{E_i}(Z_i{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_i-Z_{i-1}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}_{i-1})$

式中：E_i-复合地基下第i层土的压缩模量，MPa；ψ_s2-沉降计算分项系数；Z_i、Z_i-1-基础底面至下卧土层第i层土、第i-1层土的距离；-基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底层的平均附加应力系数，

S＝S₁+S₂

若总沉降量S大于设计要求的地基工后沉降量S_设，则增加桩端截面积A_Z或增加桩长l

若总沉降量S小于等于设计要求的地基工后沉降量S_设，则按选定的桩端截面积A_z及桩长l确定桩规格与桩间距B；

第二步：使用挖泥船或高压水枪，除去水下待施工地基的上层浮泥或淤泥，曝露出下层淤泥质土或亚粘土；

第三步：布桩，按第一步确定的桩间距B及桩密度n把桩送入指定位置；

第四步：平整桩的面层，然后对施工后的面层进行垫褥层施工，使复合桩形成整体结构；

第五步：对完成后的复合地基进行抽样检测和承载力检测。

2.根据权利要求1所述的水下复合地基加固处理方法，其特征在于：所述第四步的垫褥层由下至上的组成为：一层土工格栅、一层土工布、45～55cm厚的砂垫层或者碎石层。

3.根据权利要求1所述的水下复合地基加固处理方法，其特征在于：对于拟加固深度为8m以内的桩使用松木桩，对于超过8m但小于20m的使用素混凝土桩。

4.根据权利要求3所述的水下复合地基加固处理方法，其特征在于：素混凝土桩横截面为扁长方形，在平面上横向、竖向依次间隔布置。