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      地基注漿加固

      天津預壓地基加固

      砂井堆載預壓地基系在軟弱地基中用鋼管打孔,灌砂設置砂井作為豎向排水通道,并在砂井頂部設置砂墊層作為水平排水通道,在砂墊層上部壓載以增加土中附加應力,使土體中孔隙水較快地通過砂井和砂墊層排出,從而加速土體固結,使地基得到加固。

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             砂井堆載預壓地基


             砂井堆載預壓地基系在軟弱地基中用鋼管打孔,灌砂設置砂井作為豎向排水通道,并在砂井頂部設置砂墊層作為水平排水通道,在砂墊層上部壓載以增加土中附加應力,使土體中孔隙水較快地通過砂井和砂墊層排出,從而加速土體固結,使地基得到加固。


              1.加固機理


              一般軟粘土的結構呈蜂窩狀或絮狀,在固體顆粒周圍充滿水,當受到應力作用時,土體中孔隙水慢慢排出,孔隙體積變小而發生體積壓縮,常稱之為固結。由于粘土的孔隙率很細小,這一過程是非常緩慢的。一般粘土的滲透系數很小,為10-7~10-9cm/s,而砂的滲透系數介于10-2~10-m/s,兩者相差很大。故此當地基粘土層厚度很大時,僅采用堆載預壓而不改變粘土層的排水邊界條件,粘土層固結將十分緩慢,地基土的強度增長過慢而不能快速堆載,使預壓時間很長。當在地基內設置砂井等豎向排水體系,則可縮短排水距離,有效地加速土的固結,圖7-29為典型的砂井地基剖面。

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              2.特點及適用范圍


              砂井堆載預壓的特點是:可加速飽和軟粘土的排水固結,使沉降及早完成和穩定(下沉速度可加快2.0~2.5倍),同時可大大提高地基的抗剪強度和承載力,防止基土滑動破壞;而且,施工機具、方法簡單,就地取材,不用三材,可縮短施工期限,降低造價。


              適用于透水性低的飽和軟弱粘性土加固;用于機場跑道、油罐、冷藏庫、水池、水工結構、道路、路堤、堤壩、碼頭、岸坡等工程地基處理。對于泥炭等有機沉積地基則不適用。


              3.砂井的構造和布置


              (1)砂井的直徑和間距


               砂井的直徑和間距由粘性土層的固結特性和施工期限確定。一般情況下,砂井的直徑和間距取細而密時,其固結效果較好,常用直徑為300~400mm。井徑不宜過大或過小,過大不經濟,過小施工易造成灌砂率不足、縮頸或砂井不連續等質量問題。砂井的間距一般按經驗由井徑比n=de/dw=6~10確定(de為每個砂井的有效影響范圍的直徑;dw為砂井直徑),常用井距為砂井直徑的6~9倍,一般不應小于1.5m。


               (2)砂井長度


              砂井長度的選擇與土層分布、地基中附加應力的大小、施工期限和條件等因素有關。當軟土層不厚、底部有透水層時,砂井應盡可能穿透軟土層;如軟土層較厚,但間有砂層或砂透鏡體,砂井應盡可能打至砂層或透鏡體。當粘土層很厚,其中又無透水層時,可按地基的穩定性及建筑物變形要求處理的深度來決定。按穩定性控制的工程,如路堤、土壩、岸坡、堆料場等,砂井深度應通過穩定分析確定,砂井長度應超過最危險滑弧面的深度2m。從沉降考慮,砂井長度應穿過主要的壓縮層。砂井長度一般為10~20m。


              (3)砂井的布置和范圍


              砂井常按等邊三角形和正方形布置(圖7-30)。當砂井為等邊三角形布置時,砂井的有效排水范圍為正六邊形,而正方形排列時則為正方形,如圖7-30中虛線所示。假設每個砂井的有效影響面積為圓面積,如砂井距為l,則等效圓(有效影響范圍)的直徑de與l的關系如下:

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              由井徑比就可算出井距l。由于等邊三角形排列較正方形緊湊和有效,較常采用,但理論上兩種排列效果相同(當de相同時)。砂井的布置范圍,宜比建筑物基礎范圍稍大為佳,因為基礎以外一定范圍內地基中仍然產生由于建筑物荷載而引起的壓應力和剪應力。如能加速基礎外地基土的固結,對提高地基的穩定性和減小側向變形以及由此引起的沉降均有好處。擴大的范圍可由基礎的輪廓線向外增大約2~4m。


             (4)采用錘擊法沉樁管,管內砂子亦可用吊錘擊實,或用空氣壓縮機向管內通氣(氣壓為0.4~0.5MPa)壓實。


              (5)打砂井順序應從外圍或兩側向中間進行,如砂井間距較大可逐排進行。打砂井后基坑表層會產生松動隆起,應進行壓實。


              (6)灌砂井砂中的含水量應加以控制,對飽和水的土層,砂可采用飽和狀態;對非飽和土和雜填土,或能形成直立孔的土層,含水量可采用7%~9%。


               4.質量控制


             (1)施工前應檢查施工監測措施,沉降、孔隙水壓力等原始數據,排水設施、砂井(包括袋裝砂井)等位置。


              (2)堆載施工應檢查堆載高度、沉降速率。


              (3)施工結束后應檢查地基土的十字板剪切強度,標貫或靜壓力觸探值及要求達到的其他物理力學性能,重要建筑物地基應作承載力檢驗。


              (4)砂井堆載預壓地基質量標準如表7-30所示。

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            袋裝砂井堆載預壓地基


             袋裝砂井堆載預壓地基,是在普通砂井堆載預壓基礎上改良和發展的一種新方法。普通砂井的施工,存在著以下普遍性問題:(1)砂井成孔方法易使井周圍土擾動,使透水性減弱(即涂抹作用),或使砂井中混入較多泥砂,或難使孔壁直立;(2)砂井不連續或縮井、斷頸、錯位現象很難完全避免;(3)所用成井設備相對笨重,不便于在很軟弱地基上進行大面積施工;(4)砂井采用大截面完全為施工的需要,而從排水要求出發并不需要,造成材料大量浪費;(5)造價相對比較高。而采用袋裝砂井則基本解決了大直徑砂井堆載預壓存在的問題,使砂井的設計和施工更趨合理和科學化,是一種比較理想的豎向排水體系。


             1.特點及適用范圍


             袋裝砂井堆載預壓地基的特點是:能保證砂井的連續性,不易混入泥砂,或使透水性減弱;打設砂井設備實現了輕型化,比較適應于在軟弱地基上施工;采用小截面砂井,用砂量大為減少;施工速度快,每班能完成70根以上;工程造價降低,每1m2地基的袋裝砂井費用僅為普通砂井的50%左右。


             適用范圍同砂井堆載預壓地基。


              2.構造及布置


               (1)砂井直徑和間距


               袋裝砂井直徑根據所承擔的排水量和施工工藝要求決定,一般采用7~12cm,間距1.5~2.0m,井徑比為15~25。袋裝砂井長度,應較砂井孔長度長50cm,使能放入井孔內后可露出地面,以使埋入排水砂墊層中。


                (2)砂井布置


               可按三角形或正方形布置,由于袋裝砂井直徑小,間距小,因此加固同樣土所需打設袋裝砂井的根數較普通砂井為多,如直徑70mm袋裝砂井按1.2m正方形布置,則每1.44m2需打設一根,而直徑400mm的普通砂井,按1.6m正方形布置,每2.56m2需打設一根,前者打設的根數為后者的1.8倍。


                3.材料要求


              (1)裝砂袋


             應具有良好的透水、透氣性,一定的耐腐蝕、抗老化性能,裝砂不易漏失,并有足夠的抗拉強度,能承受袋內裝砂自重和彎曲所產生的拉力。一般多采用聚丙烯編織布或玻璃絲纖維布、黃麻片、再生布等,其技術性能見表7-31。

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             (2)砂


              用中、細砂,含泥量不大于3%。


              4.工藝及機具設備


              袋裝砂井施工工藝是先用振動、錘擊或靜壓方式把井管沉入地下,然后向井管中放入預先裝好砂料的圓柱形砂袋,最后拔起井管將砂袋充填在孔中形成砂井。亦可先將管沉入土中放入袋子(下部裝少量砂或吊重),然后依靠振動錘的振動灌滿砂,最后拔出套管。


              打設機械可采用EHZ-8型袋裝砂井打設機,一次能打設兩根砂井,其技術性能見表7-32。亦可采用各種導管式的振動打設機械,有履帶臂架式、步履臂架式、軌道門架式、吊機導架式等打設機械,其技術性能如表7-33。

      所有鋼管的內徑宜略大于砂井直徑,以減小施工過程中對地基的擾動。

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              5.施工工藝方法要點


              (1)袋裝砂井的施工程序是:定位、整理樁尖(活瓣樁尖或預制混凝土樁尖)→沉入導管、將砂袋放入導管→往管內灌水(減少砂袋與管壁的摩擦力)、拔管。


             (2)袋裝砂井在施工過程中應注意以下幾點:


              1)定位要準確,砂井要有較好的垂直度,以確保排水距離與理論計算一致;


              2)袋中裝砂宜用風干砂,不宜采用濕砂,避免干燥后,體積減小,造成袋裝砂井縮短與排水墊層不搭接等質量事故;


              3)聚丙烯編織袋,在施工時應避免太陽曝曬老化。砂袋入口處的導管口應裝設滾輪,下放砂袋要仔細,防止砂袋破損漏砂;


              4)施工中要經常檢查樁尖與導管口的密封情況,避免管內進泥過多,造成井阻,影響加固深度;


              5)確定袋裝砂井施工長度時,應考慮袋內砂體積減小、袋裝砂井在井內的彎曲、超深以及伸入水平排水墊層內的長度等因素,防止砂井全部沉入孔內,造成頂部與排水墊層不連接,影響排水效果。

          

               6.質量控制


              同砂井堆載預壓地基質量控制。


               塑料排水帶堆載預壓地墓


               塑料排水帶堆載預壓地基,是將帶狀塑料排水帶用插板機將其插入軟弱土層中,組成垂直和水平排水體系,然后在地基表面堆載預壓(或真空預壓),土中孔隙水沿塑料帶的溝槽上升溢出地面,從而加速了軟弱地基的沉降過程,使地基得到壓密加固(圖7-31)。

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             1.特點及適用范圍


              塑料排水帶堆載預壓地基的特點是:(1)板單孔過水面積大,排水暢通;(2)質量輕,強度高,耐久性好;其排水溝槽截面不易因受土壓力作用而壓縮變形;(3)用機械埋設,效率高,運輸省,管理簡單;特別用于大面積超軟弱地基土上進行機械化施工,可縮短地基加固周期;(4)加固效果與袋裝砂井相同,承載力可提高70%~,經100d,固結度可達到80%;加固費用比袋裝砂井節省10%左右。

      適用范圍與砂井堆載預壓、袋裝砂井堆載預壓相同。


             2.塑料排水帶的性能和規格


             塑料排水帶由芯帶和濾膜組成。芯帶是由聚丙烯和聚乙烯塑料加工而成兩面有間隔溝槽的帶體,土層中的固結滲流水通過濾膜滲入到溝槽內,并通過溝槽從排水墊層中排出。根據塑料排水帶的結構,要求濾網膜滲透性好,與粘土接觸后,其滲透系數不低于中粗砂,排水溝槽輸水暢通,不因受土壓力作用而減小。塑料排水帶的結構由所用材料不同,結構型式也各異,主要有圖7-32所示幾種。

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             帶芯材料:溝槽型排水帶,如圖7-32(a)、(b)、(c),多采用聚丙烯或聚乙烯塑料帶芯,聚氯乙烯制作的質較軟,延伸率大,在土壓作用下易變形,使過水截面減小。多孔型帶芯如圖7-32(d)、(e)、(f),一般用耐腐蝕的滌綸絲無紡布。


               濾膜材料:一般用耐腐蝕的滌綸襯布,滌綸布不低于60號,含膠量不小于35%,既保證滌綸布泡水后的強度滿足要求,又有較好的透水性。


             排水帶的厚度應符合表7-34要求,排水帶的性能應符合表7-35要求,國內常用塑料排水帶的類型及性能見表7-36。

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              塑料排水帶的排水性能主要取決于截面周長,而很少受其截面積的影響。塑料排水設計時,把塑料排水帶換算成相當直徑的砂井,根據兩種排水體與周圍土接觸面積相等的原理,換算直徑D??砂聪率接嬎悖?/p>


             Dp=α·2(b+δ)/π    (7-13)


             式中  b——塑料排水帶寬度(mm);


              δ——塑料排水帶厚度(mm);


              α——換算系數,考慮到塑料排水帶截面并非圓形,其滲透系數和砂井也有所不同而采取的換算系數,取α=0.75~1.0。


            3.機具設備


            主要設備為插帶機,基本上可與袋裝砂井打設機械共用,只需將圓形導管改為矩形導管。插帶機構造如圖7-33所示,每次可同時插設塑料排水帶兩根,其技術性能見表7-37。

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             亦可用國內常用打設機械,其振動打設工藝、錘擊振動力大小,可根據每次打設根數、導管截面大小、入土長度及地基均勻程度確定。對一般均勻軟粘土地基,振動錘激振力可參見表7-38選用。


              4.施工工藝方法要點


             (1)打設塑料排水帶的導管有圓形和矩形兩種,其管靴也各異,一般采用樁尖與導管分離設置。樁尖主要作用是防止打設塑料帶時淤泥進人管內,并對塑料帶起錨固作用,避免拔出。樁尖常用形式有圓形、倒梯形和倒梯楔形三種,如圖7-34所示。

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             (2)塑料排水帶打設程序是:定位→將塑料排水帶通過導管從管下端穿出→將塑料帶與樁尖連接貼緊管下端并對準樁位→打設樁管插人塑料排水帶→拔管、剪斷塑料排水帶。工藝流程如圖7-35。

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              (3)塑料帶在施工過程中應注意以下幾點:


             1)塑料帶濾水膜在轉盤和打設過程中應避免損壞,防止淤泥進入帶芯堵塞輸水孔,影響塑料帶的排水效果;


             2)塑料帶與樁尖錨旋要牢固,防止拔管時脫離,將塑料帶拔出。打設時嚴格控制間距和深度,如塑料帶拔起超過2m以上,應進行補打;


             3)樁尖平端與導管下端要連接緊密,防止錯縫,以免在打設過程中淤泥進入導管,增加對塑料帶的阻力,或將塑料帶拔出;


              4)塑料帶需接長時,為減小帶與導管的阻力,應采用在濾水膜內平搭接的連接方法,搭接長度應在20mm以上,以保證輸水暢通和有足夠的搭接強度。


               5.質量控制


              (1)施工前應檢查施工監測措施、沉降、孔隙水壓力等原始數據,排水措施,塑料排水帶等位置。塑料排水帶必須符合表7-35質量要求。


             (2)堆載施工應檢查堆載高度、沉降速度。


            (3)施工結束后應檢查地基土的十字板剪切強度,標貫或靜力觸探值及要求達到的其他物理力學性能,重要建筑物應作承載力檢驗。


            (4)塑料排水帶堆載預壓地基和排水帶質量檢驗標準如表7-30所示。


             7-1-7-4 真空預壓地基


               真空預壓法是以大氣壓力作為預壓載荷,它是先在需加固的軟土地基表面鋪設一層透水砂墊層或砂礫層,再在其上覆蓋一層不透氣的塑料薄膜或橡膠布,四周密封好與大氣隔絕,在砂墊層內埋設滲水管道,然后與真空泵連通進行抽氣,使透水材料保持較高的真空度,在土的孔隙水中產生負的孔隙水壓力,將土中孔隙水和空氣逐漸吸出,從而使土體固結(圖7-36)。對于滲透系數小的軟粘土,為加速孔隙水的排出,也可在加固部位設置砂井、袋裝砂井或塑料板等豎向排水系統。

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              1.加固機體


            真空預壓在抽氣前,薄膜內外均承受一個大氣壓Pa的作用,抽氣后薄膜內氣壓逐漸下降,薄膜內外形成一個壓力差(稱為真空度),首先使砂墊層,其次是砂井中的氣壓降至Pv,使薄膜緊貼砂墊層,由于土體與砂墊層和砂井間的壓差,從而發生滲流,使孔隙水沿著砂井或塑料排水帶上升而流入砂墊層內,被排出塑料薄膜外;地下水在上升的同時,形成塑料帶附近的真空負壓,使土內的孔隙水壓形成壓差,促使土中的孔隙水壓力不斷下降,有效應力不斷增加,從而使土體固結,土體和砂井間的壓差,開始時為Pa-Pv,隨著抽氣時間的增長,壓差逐漸變小,最終趨向于零,此時滲流停止,土體固結完成。故真空預壓過程,實質為利用大氣壓差作預壓荷載(當膜內外真空度達到600mmHg,相當于堆載5m高的砂卵石),使土體逐漸排水固結的過程。


              同時,真空預壓使地下水位降低,相當于增加一個附加應力,抽氣前地下水離地面高h1,抽氣后地下水位降至h2,在此高差范圍內的土體從浮重度變為濕重度,使土骨架相應增加了水高h1-h2的固結壓力作用,使土體產生固結。此外,在飽和土體孔隙中含有少量的封閉氣泡,在真空壓力下封閉氣泡被排出孔隙,因而使土的滲透性加大,固結過程加速。


              2.特點及適用范圍


             真空預壓法的特點是:


             (1)不需要大量堆載,可省去加載和卸載工序,節省大量原材料、能源和運輸能力,縮短預壓時間;


              (2)真空法所產生的負壓使地基土的孔隙水加速排出,可縮短固結時間;同時由于孔隙水排出,滲流速度的增大,地下水位降低,由滲流力和降低水位引起的附加應力也隨之增大,提高了加固效果;且負壓可通過管路送到任何場地,適應性強;


              (3)孔隙滲流水的流向及滲流力引起的附加應力均指向被加固土體,土體在加固過程中的側向變形很小,真空預壓可一次加足,地基不會發生剪切破壞而引起地基失穩,可有效縮短總的排水固結時間;


              (4)適用于超軟粘性土以及邊坡、碼頭、岸邊等地基穩定性要求較高的工程地基加固,土愈軟,加固效果愈明顯;


               (5)所用設備和施工工藝比較簡單,無需大量的大型設備,便于大面積使用;


               (6)無噪聲、無振動、無污染,可作到文明施工;


               (7)技術經濟效果顯著,根據國內在天津新港區的大面積實踐,當真空度達到600mmHg,經60d抽氣,不少井區土的固結度都達到80%以上,地面沉降達57cm,同時能耗降低1/3,工期縮短2/3,比一般堆載預壓降低造價1/3。


              真空預壓法適于飽和均質粘性土及含薄層砂夾層的粘性土,特別適于新淤填土、超軟土地基的加固。但不適于在加固范圍內有足夠的水源補給的透水土層,以及無法堆載的傾斜地面和施工場地狹窄的工程進行地基處理。


               3.機具設備


              真空預壓主要設備為真空泵,一般宜用射流真空泵,它由射流箱及離心泵所組成。射流箱規格為φ48mm,效率應大于96kPa,離心泵型號為3BA-9、φ50mm,每個加固區宜設兩臺泵為宜(每臺射流真空泵的控制面積為1000m2)。配套設備有集水罐、真空濾水管、真空管、止回閥、閥門、真空表、聚氯乙烯塑料薄膜等。濾水管采用鋼管或塑料管材,應能承受足夠的壓力而不變形。濾水孔一般采用φ8~10mm,間距5cm,梅花形布置,管上纏繞3mm鐵絲,間距5cm,外包尼龍窗紗布一層,最外面再包一層滲透性好的編織布或土工纖維或棕皮即成。


              4.工藝流程


               真空預壓法為保證在較短的時間內達到加固效果,一般與豎向排水井聯合使用,其工藝布置及流程如圖7-37和圖7-38。

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              5.施工工藝方法要點


              (1)真空預壓法豎向排水系統設置同砂井(或袋裝砂井、塑料排水帶)堆載預壓法。應先整平場地,設置排水通道,在軟基表面鋪設砂墊層或在土層中再加設砂井(或埋設袋裝砂井、塑料排水帶),再設置抽真空裝置及膜內外管道。


               (2)砂墊層中水平分布濾管的埋設,一般宜采用條形或魚刺形(圖7-39),鋪設距離要適當,使真空度分布均勻,管上部應覆蓋100~200mm厚的砂層。

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             (3)砂墊層上密封薄膜,一般采用2~3層聚氯乙烯薄膜,應按先后順序同時鋪設,并在加固區四周,在離基坑線外緣2m開挖深0.8~0.9m的溝槽,將薄膜的周邊放入溝槽內,用粘土或粉質粘土回填壓實,要求氣密性好,密封不漏氣,或采用板樁覆水封閉(圖7-40),而以膜上全面覆水較好,既密封好又減緩薄膜的老化。

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             (4)當面積較大,宜分區預壓,區與區間隔距離以2~6m為佳。


             (5)做好真空度、地面沉降量、深層沉降、水平位移、孔隙水壓力和地下水位的現場測試工作,掌握變化情況,作為檢驗和評價預壓效果的依據。并隨時分析,如發現異常,應及時采取措施,以免影響最終加固效果。


            (6)真空預壓結束后,應清除砂槽和腐殖土層,避免在地基內形成水平滲水暗道。


              6.質量控制


             (1)施工前應檢查施工監測措施、沉降、孔隙水壓力等原始數據,排水設施,砂井(包括袋裝砂井)或塑料排水帶等位置及真空分布管的距離等。


               (2)施工中應檢查密封膜的密封性能,真空表讀數等。泵及膜內真空度應達到96kPa和73kPa以上的技術要求。


              (3)施工結束后應檢查地基土的十字板剪切強度,標貫或靜力觸探值及要求達到的其他物理力學性能,重要建筑物地基應進行承載力檢驗。


              (4)真空預壓地基的質量標準如表7-30所示。


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