软基加固施工方法及监测和检测

软基加固施工方法及监测和检测讲课提纲在河、海、湖上及其边缘、甚至陆域内地施工时，都可能遇上软弱地基（简称软基）。该地基代表性的土层主要是淤泥和淤质粘土。这类土层的特点是含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力小，不但无法在其上直接进行建筑，也是建筑灾害的主要危险源。因此，在进行构筑物的施工前，必须对该软基进行处理、加固。一、简单了解工程地质及土力学的基本知识1、土的三相结构任何土从微观上讲，都是由空气、水和固体颗粒所组成的。这里的水是广义的，包含了自由水、孔隙水、吸附水等，固相颗粒则指砂、石、土及其它矿物质。土的性状主要由水和固相颗粒的各自含量多少决定。如水多土少，则土的含水量大，性状软弱，成为淤泥或淤质粘土；反之土多水少，则土的含水量小，性状较硬或坚硬，形成粘土或粉土；2、土的分类：土的分类比较严格，也分得很细，全部都按一定的指标划分，大体可分为四大类：即碎石土、砂土、粉土、粘性土和淤泥性土。碎石土：粒径大于2mm的颗粒含量超过总质量的50%的土称为碎石土。其中根据粒组含量和形状又可分：2mm以上含量＞50%的为园砾和角砾、20mm以上含量＞50%的为卵石和碎石、200mm以上含量＞50%的为漂石和块石等；（定名时应根据粒径由大到小以最先符合者确定）砂土：粒径大于2mm的颗粒含量不足50%、而大于0.075㎜的颗粒含量大于50%的土称为砂土。根据粒组含量又可分砾砂（2mm以上的颗粒含量＞25%－50％）、粗砂（0.5㎜以上的颗粒含量＞50%），中砂（0.25㎜以上的颗粒含量＞50%）、细沙（0.075㎜以上的颗粒含量＞85%）、粉砂（0.075㎜＞以上的颗粒含量50%）等；粉土：粒径大于0.075的颗粒含量≤总质量的50％，且塑性指数Ip≤10的土称为粉土。按粘粒含量Mc的多少（％）又可分为砂质粉土（3≤Mc＜10）和粘质粉土（10≤Mc＜15）。粘性土：塑性指数Ip＞10的土称为粘性土。根据塑性指数大小又可分：粉1质粘土（10＜Ip≤17)和粘土（Ip＞17）。，淤泥性土：在静水或缓水中沉积而成，含水率大于液限、孔隙比大于1.5的粘性土称淤泥，孔隙比小于1.5而大于1.0的又称为淤质粘土，当含水率超过85%时又称流泥，超过150%时称浮泥。颜色不是辨别淤泥的主要依据。3、土力学的基本公式荷载P=孔隙水压力μ＋有效应力F（即固相颗粒接触应力）在恒载情况下，当孔隙水压力减少时，则有效应力增加；反之当孔隙水压力增大时则有效应力减小（这种现象较少见，只在降低水位法处理软基时可能出现）；如果孔隙水压力不消散（即不增不减），则有效应力也不增减；当我们加大荷载，孔隙水没有通道消散而孔隙水压力一昧增大，达到一定程度即大于土体的抗剪强度时则土体发生剪切破坏而滑坡，从而发生质量事故。所以利用这一原理，打设塑料排水板，建立排水通道，当加载预压时，让孔隙水有通道排出，孔隙水压力得以消散、减小，有效应力相应增加，从而达到提高承载力的加固目的。4、土工布的种类土工布是一个广义的总称，根据其形态和制作方法可分成几类多种。其主要原料是土工合成材料－高分子聚合物。目前常用、常叫的有以下四种：由片条状(丙纶)薄膜经编织机编织而成的编织土工布，由(涤纶或丙纶丝)经织机织成的机织土工布，有用(维纶或锦纶)不同的工艺和机械设备加工（非织造）而成的无纺土工布,以及把以上两种或三种原布复合在一起的复合土工布、加筋编织而成的筋编复合土工布和防渗用的防渗土工布（一夹一、二夹一、三夹一等）。二、软基加固方法种类目前，国内外的软基加固方法很多，而且发展很快，有许多的创新和发明。现就国内常用的，比较成熟的一些加固方法简单归为5类（分类方法较多，各有各的分法）：1、换填法：（利用土、石、砂、矿渣等材料）置换法（如深圳机场一跑道）、挤淤置换法（如中心区海堤）、垫层法（如各区道闸）等；2、排水固结法：主要有堆载预压法（如西部沿江新城ⅠⅥ区、蛇口港）、真空预压法（妈2湾港、珠海横琴岛开发）、降低水位法，以及它们的联合方法（如大铲湾、港珠澳大桥）等；3、挤密桩法：挤密砂桩、挤密碎石桩、挤密石灰桩（粉煤灰、矿渣）等形成复合地基；4硬化法：深层搅拌法、水泥搅拌桩、水泥旋喷桩、水泥粉喷桩、化学注浆法等；5加固桩法：木桩、钢管桩、PHC桩等。以上各种方法各有其优缺点，也各有其适应条件，在选择时要综合考虑、比选优选。目前在深圳地区用得最多的是堆载预压法、真空预压法、挤密碎石桩、水泥搅拌桩、PHC桩。三、西部沿江新城加固方案1、西部沿江新城区块的划分西部沿江新城分西海堤内和西海堤外两大区块，目前施工的是西海堤内的一期，西海堤外划为二期，日后再施工。一期共分成6个区，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ区，Ⅱ、Ⅴ区去年三月份已经开始施工，目前进展还算顺利，已经完成了将近一半以上的工程；Ⅰ、Ⅵ区已经招标，当前正在做临建及施工准备工作；Ⅳ区正准备招标，估计上半年可完成招标；Ⅲ区最小，拟划出去由地铁施工和管理（见幻灯片1）。2、西部沿江新城的加固方案目前，在西部沿江新城的软基处理方案中，主要有两种施工工法：一种是先进行填土，后进行软基处理，简称“后处理”工法，如目前的Ⅱ、Ⅴ区；另一种是先进行软基处理，后进行堆土预压，简称“前处理”工法，如即将施工的Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ区。这两种工法除部分施工工序有所颠倒外，施工工艺没有本质的区别。根据目前Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ区的设计，“前处理”的施工流程为：抽干塘水——铺竹筏——铺经编土工布——做砂围堰——铺1.5m厚砂垫层——打塑料排水板——埋设监测仪器——做盲沟集水井——做0.5m厚工作垫层——堆土预压（约5.5m厚、12kPa荷载）——满载（12kPa）预压——卸载弃土进行土地整备（见幻灯片2）；而“后处理”的Ⅱ、Ⅴ区，目前及将来的施工流程预估为：抽干塘水——铺竹笆——铺复合土工布——做砂围堰——做施工便道——填土整平（以上工序已完成、见幻灯片3）——铺普通土工布（亦可取消）——铺0.5m厚砂垫层——打塑料排水板3——做盲沟集水井——埋设监测仪器——堆土预压或联合真空预压（12kPa荷载）——满载（12kPa）预压——卸载弃土进行土地整备。不难看出，“前处理”与“后处理”工法，除“前处理”需做工作垫层与“后处理”需做施工便道略有不同外，其它工序基本一样，只是先后顺序有些颠倒罢了。致以第Ⅲ区，按目前地铁公司的施工情况，其前期的施工工序是：做施工便道埋——埋设少量监测仪器——填土整平。而后续的工序与Ⅱ、Ⅴ区以后的施工基本相同。这样，相对于目前正在施工或准备招标的各区，Ⅲ区就省了铺竹笆、铺土工布（或仅铺便宜的普通土工布）的工序，减少了砂垫层和预压填土的厚度；但增加了打塑料排水板和埋设监测仪器的深度。由于上级要求的交工时间紧迫，该区的挤淤十分严重，故后期处理不排除采用“挤密砂桩法”方案。3、利弊对比（以Ⅲ区为例）（1）Ⅲ区若“前处理”的好处和弊端好处是：1）按软基处理的程序和规律进行，填土速度较快，工期相对较短，挤淤、滑坡的现象相对较少，风险的可控性较好；2）荷载均匀、预压充分，所处理的地层工后沉降差异不大，承载力比较一致；3）砂垫层以下的土层相对较薄，插纸板和埋设仪器的深度相对较浅，这项成本有较大的减少。弊端是：1）砂垫层厚度相对较大（1.5m），砂垫层的铺设有一定难度，生产效率相对较低；2）需要铺设经编土工布，并做0.5m的工作垫层，此项费用不小；3）需要较大数量的预压土，在土源不充裕的情况下，施工周期可能拉长。（2）Ⅲ区若“后处理”的好处和弊端好处是：1）仅需铺设0.5m的砂垫层，土工布可铺可不铺，即便要铺，也只需铺一般（价钱便宜）的无纺土工布；特别是省了竹筏，该项费用不小；2）前期需做施工便道，但无需做工作垫层，可直接在砂垫层上堆土预压；3）所需预压土方相对较少，后期施工周期可能缩短，费用有所降低。弊端是：1）因前期未作软基处理，便道和填土施工都较困难，进度受制。堆土时挤淤严4重，致使淤泥厚薄不均，推土时其挤力巨大，对周围构筑物特别是河堤有较大威胁；2）前期的施工便道和填土成分较杂，土层较厚，给后期的插板带来一定困难，也增加了插板和钻探的深度；3）由于淤泥厚薄不均，造成预压荷载及处理效果不一，工后差异沉降及承载力变化可能较大。4、成本分析鉴于本工程外部制约条件较多，土源情况比较复杂，工期也较难预计，故两种工法的综合技术经济效益难于比较。但仅从直接增、减的工程量费用（参照Ⅰ、Ⅵ区的综合单价）粗略计算，Ⅲ区“后处理”工法比“前处理”工法，大概可节省费用1049万元。四、堆载预压法1、基本原理：堆载预压法是目前西部沿江新城所使用的加固方法。其基本原理是：首先在软基上建立水平向排水通道（即砂垫层和盲沟、集水井）和垂直向排水通道（即沙井或排水板），然后在其上堆填荷载（水、砂、石、泥土、钢铁、水泥块等），在压力作用下，软土中的孔隙水沿着垂直向排水通道上升至水平向排水通道的砂垫层中，而后流入盲沟和集水井，再利用潜水泵把水抽走。在孔隙水消散的同时，土颗粒互相靠紧密实，地层沉降，承载力增加，当预压时间足够、达到设计要求后即可卸载，进行土地整备。不难看出，堆载预压法很像民间的压豆腐，其原理基本一样。2、优缺点堆载预压法是比较古老、传统和成熟的软基加固方法。因其操作简单、施工方便、技术难度不大，目前仍广泛采用，只要堆载材料来源没有问题，则它适合任何地区和地层。而且看得到、摸得着，只要施工工艺不失误，其质量是比较可靠的。但也不是毫无缺点，在堆载材料缺乏的情况下难于实施，在一些特殊地域如海上、湖上也难于实施。特别是其施工周期较长、成本相对较高，是其致命的缺陷。因西部沿江新城有其特殊性，故均采用此方法。3、施工顺序（以Ⅰ区为例）抽排塘水晾晒——铺竹筏、土工布——做围堰——做砂垫层——打纸板——埋设监测仪器——做盲沟、集水井——做工作垫层——填土堆载——恒载预压、观测——卸载。5五、围堰的结构与施工Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ区的围堰结构大致相同（见幻灯片4），围堰的作用主要有四点：一是保护河堤，二是防洪，三是作为堆料的边坡，四是作为前期的运输通道。围堰底部是竹筏和土工布，其作用是增加淤泥的承载力、增大淤泥的抗剪强度；接上来是砂被，其作用一是进一步提高承载力，以便插板机在其上施插塑料排水板，二是作为水平向的排水通道，排泄由排水板引上来的孔隙水；再上来是通常袋，其与砂被在结构和做法上没有什么区别，只是不打排水板，是覆盖在砂被上的一层保护纸板头的大砂袋；中间一段是大砂袋和堤心砂、以及碾压土层，其是作堤材料，无特殊的功能要求；最上层是泥结碎石，其是一层简易的路面层，作为泥头车的行驶路面。另外，为了保护土工布不老化及便于碾压土层的施工，在袋装砂表面还要覆盖一层无纺土工布。施工顺序是从下而上逐层施工，完工一层验收一层，在下一层未验收时，不准覆盖和施工上一层。各层的材料及质量验收要求施工设计中都有明确的要求。具体是1、竹筏施工的关键竹片厚≥1㎝、宽3－5㎝，竹片紧靠，不留缝隙，搭接20㎝，连接牢固。2、土工布施工的关键M603泥量小于3%点。4纸板的型号规格（HTB-2)及完好性（禁用再生板）、插板间距1m、插杆倾斜度（1.5%）、搭接长度20㎝、插位偏差±5㎝、插板深度（最关键）、回带补插（最关键）。任何一项疏忽都将影响到预压的时间和效果。65、碾压土层的关键土料一般为粘土或粉土，分层填筑和碾压，每层压实后约30㎝厚，压实度要求不小于90%。填筑过程中应密切注意最佳含水量，含水量过大易起绉、裂缝、弹簧，过小土质松散，压不实。6、泥结碎石的关键要求土料一定选粘性好的粘土、石料应是坚硬的2-4粒度的碎石、土石比为1：3-5，重型压路机碾压3-5遍。七、堆载场地的施工堆载预压从下至上一般分为三部分：垂直向排水通道、水平向排水通道、预压荷载（见幻灯片6）。1、垂直向排水通道：其作用主要有三：一是缩短土中孔隙水的排水距离；二是把土层中的孔隙水引到地面上来；三是对软土进行加筋补强。垂直向排水通道的材料：目前最普遍的就是塑料排水板，根据地层情况也有采用砂桩、碎石桩、煤渣桩等透水性较好、又能成桩的材料。因排水板的费用低、作用好、施工简便、效率很高，故能采用的