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土的加固

为适应工程需要,改善土的性质的技术措施。土体不论作为工程地基或作为工程材料还是围绕构筑物的介质,它在各种外荷载作用下呈现的反应有时不能满足建筑物或构筑物在安全、使用或功能方面的各项要求,为此必须采取措施,改变上述情况,从土这方面采取措施,用各种方法使土体的性状向有利于设计要求得到满足的方向转变,这就是土的加固的任务和目的。

为适应工程需要,改善土的性质的技术措施。土体不论作为工程地基或作为工程材料还是围绕构筑物的介质,它在各种外荷载作用下呈现的反应有时不能满足建筑物或构筑物在安全、使用或功能方面的各项要求,为此必须采取措施,改变上述情况,从土这方面采取措施,用各种方法使土体的性状向有利于设计要求得到满足的方向转变,这就是土的加固的任务和目的。例如软粘土地基在外荷作用下有可能失稳或出现过大的沉降和差异沉降,为此可用加固方法提高软粘土的强度,降低软粘土的压缩性;粉沙地基在建筑物上下游水头差作用下有可能出现流土等有害现象,或者在地震作用下有可能发生液化破坏,为此必须设法提高粉沙的抗渗透变形和抗液化的能力。

中国在土的加固方面有悠久的历史,积累了丰富的经验。早在二千年前中国就已用夯实法处理地基了;灰土、换土等方法也是很早就采用的。已有的加固方法不下数十种。按加固原理,可分为排水、振密、灌浆、拌和、吸热或加热、加筋等六类。(关于压实法见土的压实)。

排水 对饱和粘性土来说,含水量越高,土的强度越小,压缩性越大。设法使土中的水分排走一部分,就能提高土的强度,降低土的压缩性。常用的方法是预压,所谓预压,就是在拟建建筑物的地基上预先施加比设计荷载略大的预压荷载,使地基随时间的增长产生足够的固结,后将荷载卸去,再进行建筑物施工。如果要地基达到预期固结度所需的时间太长,可在地基中设置砂井,加速地基排水固结,这就是砂井预压法(图1)。作预压荷载的,除堆土外,还可用其他重物(如铁块),以及在各种贮罐中充水加压;筑围堤再在围堤所包的范围内铺防渗膜,然后灌水加压;利用锚杆和千斤顶系统加压;抽真空加压;用井点降低地下水位等方法。利用电能使土排水称为电渗法。本类方法适用于饱和软粘土、粉土、有机粘土和泥炭。

图1 砂井预压加固

振密 在各种振源产生的振动力作用下,松散砂性土的原有结构发生破坏,土粒重新排列。最后形成一个较为密实、稳定的新结构,这就是振密的原理,属于这一原理的代表性方法有振动压实法、强夯法和爆炸法。振动压实法是利用偏心转块产生的垂直或水平向反复振动力使表层或深层的砂土变密。这一振动力的作用时间较长,但能量不大,故加固的有效厚度或距离只有1~2米。振动水冲法是振动压实法中的一种。强夯法是利用起重机械将一重锤(10~200吨)提到一定高度(10~40米),然后令其自由落下,这样产生一强大的冲击力使砂土压密。爆炸法是把一些管子按一定间距插到砂层中某一规定的深度,将炸药装入管内,填塞孔口,然后按预定方式引爆,在爆炸产生的冲击波作用下砂土变密。强夯法或爆炸法中的振动力虽然作用时间很短,但能量较大,故影响深度可达10米甚至更大,本类方法适用于以砂性土为主的土层,强夯法还适用于粉砂、黄土和多孔隙的填土。

灌浆 将水泥、粘土或其他化学物组成的浆液加压注入土中,使孔隙或裂隙填塞,达到提高土的强度、减少压缩性和透水性的目的。这就是灌浆。常用的水泥灌浆、水泥粘土灌浆和粘土灌浆都属于本类。浆液除水泥、粘土、膨润土以及它们的各种混合物外,还有木质素、树脂、丙稀酰胺、尿烷等化学溶液。现在大多数采用水泥系或粉土系浆液,至于化学溶液,不是有污染问题,就是加固费用昂贵。本类方法适用于砾砂、粗砂、细砂、粉质砂土、砂质粉土、粉土等,对较细的沙和粉土只能用化学溶液。

20世纪70年代初在日本创制的旋喷法也属于本类。这一方法是先将注浆管插入土层中规定的深度,用高压脉冲泵使浆液从注浆管下端一对特制喷嘴高速射入土中,强制使土和浆液混合,同时将注浆管边旋转边提升,从而造成一根最粗可达3米直径的桩体。本法既适用于软粘土,也适用于沙土。

拌和 在土中掺加各种有机或无机掺合料,均匀拌和,以改善土的性质,这叫拌和加固。这是一种很古老的加固方法。中国在建造房屋时常用的“三合土”就是由石灰、砂、碎砖加水拌和后经浇灌夯实而成的人工垫层。常用的掺合料有水泥、石灰和沥青。沥青和砂拌和成沥青砂浆,可作为土坝、渠道等防渗护面材料。本类方法适用于各种土,但土中有机质含量不能过多。

深层就地拌和法是日本于70年代中期达到实用阶段的加固软粘土的一项新技术。中国于1980年亦已将这一方法应用于工程。深层就地拌和法,利用特制的拌和机械在地基深处将软粘土和掺合料强制拌和,形成柱状、壁状或块状加固体。本法常用的掺合料为水泥和石灰。

吸热或加热 因为冻土的强度远较未冻土的高,透水性亦较未冻土的小,故可利用这一原理制造人工冻土,这就是冻结法。冻结法大多用于地基深开挖时作临时性支挡体。制冷系统多数用液态氮或液态二氧化碳。

若将土加热至600~1000℃,土的强度和水稳性将显著增大,压缩性或膨胀性将显著降低,并且这一特性转变是永久的。焙烧法就是基于这一原理。在苏联和东欧曾成功地用焙烧法加固湿陷性黄土和处理滑坡。焙烧系统或者用燃料或者用电能。

加筋 象混凝土中放置钢筋构成钢筋混凝土那样,在土中预先埋置各种起加筋作用的物体构成所谓“复合体”,就能使土的力学性能显著提高,可以作为筋材的有钢带、竹条、人造纤维织物、砂桩或碎石桩、石灰桩等。70年代末和80年代初,碎石桩、树根桩、锚杆和土工织物是用得较多的筋材、加筋土是常用的复合体。碎石桩主要用于提高地基的承载力,减少沉降量(图2)。树根桩和锚杆主要用于防治滑坡和支挡开挖面(图3)。土工织物是一种柔性材料,主要用于堤坝建筑(图4)。加筋土主要用于构筑挡墙(图5)。本类方法适用于各种土质。

图2 碎石桩加固

图3 树根桩加固土坡

图4 用土工织物加固的堤

图5 用加筋土组成的挡墙

综观土的加固技术的发展,可以看出:①复合体的出现是加固技术的划时代发展;②对难度大的地基问题宜用几种方法进行综合处理和③重视加固方法的经济效益、能源消耗和环境保护。关于常用的压实方法见土的压实