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强排水联合夯密法加固地基技术与工艺研究
2020-12-28

一、项目简介

天津滨海旅游区临海新城项目规划占地28km2,陆域占地面积约23.5km2,其中含大量粉土和粉质黏土吹填而成的软土地基。对这种地基进行加固时,当前常用的加固方法各存在诸多不足。采用真空预压法进行加固时,需要铺设0.8m~1.0m厚黑砂工作垫层及黄砂排水垫层、打设深度为15m~20m、间距为0.9m~1.0m的塑料排水板、满载抽气至少90天。该加固方法的造价高,工期长,而且对于加固饱和粉土及粉质粘土等高渗透系数的吹填土时需采取特殊的处理措施,比如在加固区周边打设数米深黏土密封墙,进一步增加了工程造价。如采用堆载预压进行加固,则需要大量砂石堆载料,难以获得,而且不符合当前绿色环保的理念。如采用强夯法进行加固,由于地下水位较高,强夯过程中孔隙水无法快速消散,容易形成“橡皮土”,降低加固效果。

针对这些问题,采用现场试验和数值分析相结合的方法,开发了一套强排水联合夯密法加固地基技术与工艺,研究了加固过程中土性的变化,明确了工艺参数变化对软弱地基处理的影响,建立了相应加固地基时的稳定性与安全判定技术,并对该加固方法对周边设施的影响进行了研究。本课题研发的强排水联合夯密地基加固技术工期短,仅需70余天,施工简单,质量易控制,无需砂石等自然资源,符合当前绿色环保的理念,加固后地基承载力提高巨大,加固效果良好,非常适用于粉土和粉质黏土等地基的加固,具有广泛的推广价值。

本课题为中交第一航务工程局有限公司(简称一航局)科学基金项目,资金来源为一航局技术开发研究专项资金,课题完成单位为中交天津港湾工程研究院有限公司。该技术在天津滨海旅游区临海新城项目和南湾河道开挖及岸线建设项目中实施应用,和附近相同地质条件采用真空预压、堆载预压和强夯等方法进行处理的工程进行对比,采用强排水联合夯密法的加固效果更好,地基承载力更高,工期最短,成本较低,节省了大量砂、石等自然资源,低碳环保,经济效益和社会效益同样显著。强排水联合夯密地基加固技术应用面广,便于实施,具有广泛的推广价值。

二、技术特点及创新点

1.技术特点

(1)强排水联合夯密法加固地基技术在地基中打设竖向排水管,由地表水平集水管进行连接,最终由真空泵将水排入明沟。施工时可以在地基一定深度范围内形成最高80kPa左右的负压,结合机械夯密作用,强制地基中自由水排出,并且使地基收到冲击压实,最终使地基快速固结。

(2)强排水联合夯密法加固工期短,较传统真空预压法减少1~2个月;施工设备简单,无需砂层和堆载料,节省了大量自然资源;加固效果良好,加固后地基承载力可远大于真空预压法。

(3)强排水联合夯密施工过程中,通过排水系统的合理布置和排水管的选型,可以避免夯密对附近排水管的损坏,除非竖向排水管位于夯点处,否则夯密时排水管不比拔出,避免了降水管重复插拔所需时间与人工成本,而且夯密过程中附近降水管的存在和强排水作用有利于土中超孔压的消散,加快土体固结。

(4)施工中可以通过地下水位或孔压的监测,确定不同夯密遍数之间间隔时间,避免夯密时地下水位降低不到要求的深度,造成夯坑冒水,降低加固效果。

(5)强排水联合夯密法施工过程中强排水导致加固区外土体向加固区内运动,夯密作用加固区内部土体向外运动,两种作用对加固区外土体的作用可以部分抵消,减小加固过程对加固区周边环境的影响,现场试验中对加固区附近建筑物的变形监测证明了这一点。

(6)由夯密过程中土压力和孔压变化确定饱和夯击次数。夯密过程中夯点下一定深度最大土压力和孔隙水压力随着夯击次数的增加而增大,当夯击次数达到一定值时,土压力和孔压增长缓慢,直至不再增长,定义第一次出现土压力或孔压不再增长时的夯击次数为饱和夯击次数。饱和夯击次数可以通过试夯过程中采用自动采集系统测得的土压力变化曲线求得。饱和夯击次数可以作为确定每遍夯密夯击次数的重要依据,施工中夯击次数应不大于饱和夯击次数,否则夯击对土体的加固作用很小,增加施工的无用成本。

2.创新点

(1)提出强排水联合夯密地基加固技术,该技术适用于粉质粘土等较高渗透性软土地基的快速加固。

(2)研发了一套适用于强排水联合夯密法的排水系统布置方式。该排水系统可以保证强排水联合夯密法夯密过程中夯点附近竖向排水管无需拔出,节省了大量排水管插拔所需时间和人工成本,夯密过程中排水系统持续工作加快了地基中超孔压消散,加快了地基加固过程。

(3)首次提出饱和夯击次数概念,可作为确定每遍夯击次数的重要依据。饱和夯击次数可根据土压力、孔压自动采集系统所得数据进行确定。

三、推广应用情况

强排水联合夯密法加固地基技术与工艺可广泛应用于粉土、粉质黏土等软土地基的快速加固。该成果获得发明专利3项,并成功地应用于天津滨海旅游区临海新城项目和南湾河道开挖及岸线建设项目中,经济效益、环境效益和社会效益显著,具有较好的推广应用价值。

四、效益分析

该技术在天津滨海旅游区临海新城项目和南湾河道开挖及岸线建设项目中实施应用,和附近相同地质条件采用真空预压、堆载预压和强夯等方法进行处理的工程进行对比,采用强排水联合夯密法的加固效果更好,地基承载力更高,工期最短,成本较低,节省了大量砂、石等自然资源,低碳环保,经济效益和社会效益同样显著。强排水联合夯密地基加固技术应用面广,便于实施,具有广泛的推广价值。

五、评审(鉴定)、专利和获奖情况

    该项目2018年1月通过天津市科学技术评价中心鉴定(鉴字PJ(2018)第002号,科技成果登记号津20180312),研究成果总体上达到了国际先进水平。

获得3项专利:(1)一种连续强排水联合夯密软基处理技术方法 ZL 2014 1 0816937.6;(2)一种加固软土地基的新型立体排水系统 ZL 2017 2 0187419.1;(3)一种深埋管机 ZL 2014 2 0860096.4。