摘 要:本文从CFG桩、水泥搅拌桩、振冲碎石桩以及水泥桩等复合地基形式论述了多种复合地基在软弱地基处理中的应用机理及适用条件。
在软弱地基处理中多采用复合地基处理方法以保证地基强度和承载力,采用不同的复合地基其加固机理和效果均不相同。软弱地基土体按照挤密和振密效果可分为挤密效果好的土体、可挤密土及不可挤密土,所采用的复合地基多为散体桩(如碎石桩)、低粘接强度桩(如搅拌水泥土桩、石灰桩)、中等粘接强度桩(夯实水泥土桩)和高粘接强度桩(如CFG桩)等,文章对多种复合地基进行机理及其适用性等方面进行了论述。
1CFG桩复合地基工作机理及适用性[1]
CFG桩复合地基由桩体、桩间土和褥垫层几部分构成,桩体和其基础通过褥垫层与基础相联系,其中褥垫层是该工艺的核心部位,褥垫层将上部传来的基底压力通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土以实现二者共同受力,同时周围土体受到桩体的挤密而提高其强度及承载力,而桩周围土体的侧应力的增加而改善了其受力性能,二者共同作用形成复合地基受力整体来共同承担上部基础荷载。该工艺主要适用于对黏性土、粉土、砂土及已经自重固结的素填土等土体,对于淤泥质土体则应根据现场试验来确定其适用性,该种工艺属于刚性复合地基,具有承载力提高幅度大、地基变形小等优点而适用于条形基础、独立基础、箱型及筏板基础等多种基础。
该种工艺所具备的优点为不仅可大幅度提高地基承载力,且因其沉降变形小、使用范围广、造价低以及施工方便等优点而具备明显的社会和经济效益;但结合大量工程实践其工后一段时间内承载力和沉降不能得到保证,因此在设计及施工中从安全角度考虑应对复合地基承载力进行折减,折减系数一般控制在0.8左右。
2水泥搅拌复合地基
2.1 加固机理
水泥搅拌桩是通过桩体和桩间土构成的复合地基来共同受力,复合地基中部分土体被增强或置换,由基体和增强体共同承担承载力,并辅以桩顶及桩间土上一定厚度的褥垫层来共同分担上部荷载,在荷载作用下桩体承受较多,因此随时间推移桩体发生一定量的沉降,因而部分荷载转移至周围土体,致使桩承担的荷载随时间增加而减少,而土体所承担的荷载随时间增加而增加,同时由于桩的模量远超过土体模量,因此桩间土表面变形远大于桩顶变形,桩体则向褥垫层刺入,褥垫层始终与桩间土保持接触而桩间土始终参与工作以充分发挥桩间土的承载力,因此该种复合地基具有调整荷载向桩体转移的作用,并可提高地基承载力及增大复合土层的符合模量,减小地基形变[2]。
2.2 施工原理及使用范围
水泥土搅拌法是以水泥作为固化剂,通过特制搅拌机械就地将软土和固化剂进行强制搅拌,实现软土硬结成为具有一定整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土桩的复合地基,来提高地基承载力并减少工后沉降,并可防止饱和砂土和粉土液化的趋势,该类桩体主要适用于加固饱和的粘性土和粉土地基,并具有最大限度的利用原土的特点,其施工过程中环保无污染、加固形式灵活且造价低廉,该工艺根据固化剂的掺入状态及施工方法不同可分为水泥浆液搅拌法和粉体喷射搅拌法,在施工中应充分理解设计意图,紧扣施工要点以确保施工质量及处理效果。
3振冲碎石桩技术原理及加固机理
3.1 技术原理
振冲碎石桩是利用一种可产生水平向振动的管状设备在高压水流下边振边冲以在软土层内成孔,之后在孔内分批填入碎石或卵石等形成桩体,由桩体和原土层形成复合地基来提高地基承载力并降低地基压缩性。桩体承载力和沉降量在很大程度上取决于周围软土对碎石桩的约束作用,若周围土体过于软弱则对桩体的约束小。振冲桩同时可具有置换及挤密作用,置换作用主要适用于粘性土,而在砂土内采用振冲桩则其挤密作用远超过置换作用,当桩体穿越软土层达到硬层时则桩体可起到应力集中作用,若桩体未达到硬层则桩体起应力扩散和均布作用[3]。
3.2 加固机理
施工中是通过振动沉管来迫使基础土体向四周挤出,在填充碎石料后经过挤密和振密而形成桩体,桩体的应力分担作用碎石桩体是离散体,其与桩间土形成复合地基,该地基在刚性基础作用下产生的变形符合变形协调条件,且用碎石桩加固过的地基较原地基的压缩模量会有大幅度增加,其在荷载作用下可通过桩体承受较大应力而体现碎石桩体的应力分担作用。同时由于桩体内具有较大的孔隙和良好的渗透性而可起到排水作用;若施工地基属于可液化砂土或粉土,则由于碎石桩体的排水作用可抑制地基土体内孔隙水压力增长;同时振动挤密和固结作用可增大桩间土的密实度以提高地基土的抗剪强度,消除地基土液化的可能性。
4水泥粉喷桩机理及适用范围
4.1 水泥粉喷桩的作用机理
水泥桩粉喷桩是利用粉喷机械成孔,运用粉体喷射搅拌原理将压缩空气将水泥或石灰粉等粉体输送至桩头,并以雾状喷入加固到地基土层,同时借钻头的叶片旋转进行搅拌,以实现充分混合最终形成桩体以加固地基。施工后的水泥桩可通过水泥与水的水解水化学反应极其和土体间的离子交换、团粒化作用、凝硬作用以及碳酸化作用等化学作用来改善土壤的天然属性,从而提高土壤的承载力;施工过程中由于有压缩空气从施工钻头部位喷出,其可在软土内产生超孔隙水压,而后期超孔压的消散必将伴随着土体的排水固结;同时施工中钻具可产生对周围土体的振动密实作用,且软土振动易液化,并在振动后其强度将有所增加;钻具在切削后在钻进和复搅拌提升过程中,带有一定倾角的双螺旋叶片钻头将土体产生压力。该种复合地基中桩体实际起到加筋置换作用,桩体所受荷载从上至下,在字桩身向桩间土扩散过程中,桩的变形决定于桩体自身形变及桩间土的相对位移,而桩间土的相对位移则决定于基础下土体的固结变形。
4.2 粉喷桩的优点及适用范围
由于粉喷桩桩身强度不高,因此其可与桩间土共同作用形成复合地基,同时由于粉喷桩的置换率高于刚性桩,因而具有良好的防渗效果而更适用于水利工程;该种工艺自身特点决定其施工速度快,可远远超过普通混凝土桩机的施工进度,且其造价较低;该工艺除不适用于极少数土层外,在一般的软弱土层内均适用,具有非常广泛的使用范围。
5结语
采用复合地基处理软弱土地基既可充分发挥天然地基的承载能力,可有效提高地基的承载力,并可减少周围建筑物的沉降量及桩体的工后沉降,该种工艺同桩基相比具有造价低廉、施工方便、工期短等优点,但不同的复合地基适用于不同的软土地基,因此在选用复合地基时应结合区域内地基土的组成及力学性质等实际情况采用合理的形式以保证工程质量,并可取得良好的经济和社会效益。
参考文献
[1] 陈淑贤.公路养护与管理[M]．人民交通出版社,2006.
[2] 龚晓南.复合地基理论及工程应用[M]．北京:中国建筑工业出版社,2002．
[3] 闫明礼,张东刚．CFG桩复合地基技术及工程实践[M]．北京:中国水利水电出版社,2006．