CN1048062C - 地基水平置换加固法 - Google Patents

Abstract

地基水平置换加固法，属建筑物基础土壤改良方法，特别是改良地基持力层中有软弱土夹层或膨胀性土的基础土壤。在该基础的一侧开一个导坑，暴露出需要处理的土层，将多节等长的两端带螺扣的钢管用千斤顶逐节横向顶入土层中组成一个钢套管，在顶入长度达到设计加固范围的长度时将加固料填入钢套管中，边填料，边捣实，边拔套管，直至钢套管全部拔出。该法简单实用，不需大型设备，加固目标明确，成本低，效果好。

Description

地基水平置换加固法

本发明属于建(构)筑物地基基础土壤改良加固方法。特别涉及地基持力层中有软弱土夹层或其它不良土质(如有膨胀性的钢渣土)的加固处理方法。

建(构)筑物地基和基础竖向置换加固方法，如，砂桩、碎石桩、石灰桩、灰土桩等，已形成成熟的专门技术。但在下述地基条件下，这些方法就难于实现或根本无法采用：

(1)在已有建筑物地基持力层范围内，埋藏有软弱土夹层或膨胀性土，而其它土层较坚实(如卵石层、砂砾层等)，采用竖向置换加固法则会因遇到坚实土层而使成孔施工困难，并且很难判断欲加固软土层的埋藏深度和具体加固范围，也不容易检查加固处理效果。

(2)在房屋增层地基补强加固工程及已建房屋由于地基局部浸水或有软弱土夹层需要进行地基加固处理时，采用竖向置换加固法，难于在基底以下范围内进行置换加固，而这部分恰恰是加固处理的重点，有时为解决这一问题，不得不采用竖向穿透已有基础，用钻孔方法来实现，因而增加了工作量和施工难度，相应使加固费用和加固工期增加。此外，加固时还在一定程度上降低了原有基础的强度、刚度和完整性，故有时还需对原基础进行补强。

(3)竖向置换法往往在地面下一定深度(一般约0.5米)范围内，使土体受到扰动而变得疏软，因此在新建工程地基处理时，为使基础地基受力均匀，往往要压实或挖除这层土，再辅设其它材料的垫层，但对于已有建筑物的地基加固，则顶部疏松土层难于加固处理，因此常造成加固后的基础产生附加压密沉降，不能满足上部结构对基础沉降的要求。

(4)一些竖向置换加固法在成孔施工过程中，常伴有较大的振动，在加固呈软塑状软土层时，难于成孔，即便使用套管工艺，也难于保证避免竖向加固桩的缩颈断桩事故。

(5)竖向置换加固法一般成孔孔径较大(0.3～0.4m)，孔径太小难以保证成孔及成桩质量，对于饱和软粘土的加固，最重要的是通过加固料吸附土中的游离水，改变饱和软粘土的塑性状态，实现加固目的。因此，加固料与土颗粒接触的面积越大，则吸附游离作用完成得也越快，加固效果也越好，一般竖向置换加固法是难于达到的。

日本平成4年(1992年)4月28日公开的一项专利申请“地基改良方法及装置”(平4-128415)，其加固方法是在待处理的地基基础的一侧开挖一个导坑，使待处理的土层暴露出来，在该土层内水平钻孔，插入三重喷射管，向土层内喷射高压水、压缩空气和浆液，将土体强制拌和并固结，从而加固地基。这实际上就是将地基竖向置换加固中广泛应用的三重管旋喷加固法用于地基水平置换加固，其缺点是：

①由于该装置设备较为庞大，要用钻孔机、三重喷射管、高压泵、泥浆泵、空压机等，故需要大的施工空间，加之移动不便，不利于在狭窄空间施工；

②该装置成孔过程中，有振动，对加固土体有扰动影响；

③该工法所采用的加固料(主要是水泥浆)除向加固区域喷射外，还会沿钻杆冒浆，造成导坑集浆及导坑周围环境污染；

④高压旋喷注浆加固土体的均匀性较差(存在加固体软心现象)，不利于改善被加固土体的整体性能，因此加固效果不稳定。

本发明的目的在于克服已有技术的上述不足之处，提供一种可行的地基水平置换加固方法。在加固软弱土过程中，对土体基本无扰动和振动，可以在狭窄空间施工，不污染环境，加固土体均匀性好。

本发明提供的地基水平置换加固法，其步骤包括在欲加固地基的基础一侧开挖一个导坑(独立基础可一次开挖，条形基础可分段开挖)，使需要处理的土层暴露出来，将多节两端带螺扣的钢管逐节连接并用千斤顶逐节横向顶入加固土层中，即连接一节顶入一节，直至顶入长度达到设计加固范围的长度，组成一个钢套管，然后将加固料填入钢套管中，边填料，边捣实，边拔套管，直至钢管全部拔出，至此完成一根加固桩的施工。之后，根据设计需要，在同一加固土层以至其它加固土层，采用同样方法施工，完成其余加固桩，经检验加固质量合格后，回填夯实导坑。

本工法的加固原理是使土体一方面受到钢套管的挤压作用，另一方面受到加固料径向膨胀对加固土体的进一步挤压和加固料对加固土体中游离水的吸附及自身的硬化固结作用，从而实现改变软粘土的塑性状态，形成水平状复合地基，达到加固改良地基的目的。

为了正确地实施本发明方法，并取得良好的效果，下面的说明进一步提供了优化的方案：

为了使加固桩准确定位，可以在需要加固的土层的标高处装设桩位板，它可以是一块开有若干圆孔的钢板，这些圆孔(即加固桩位或桩位孔)应大于钢套管，其孔距与桩距相当，桩位板既可以使加固桩定位，又可以对导坑起支护作用。

导坑距已有基础的安全距离L应满足L＞B/2(B为基础宽度，下同)，导坑宽度W＝E+nSp(E为千斤顶的外形长度，Sp为钢套管节长，n为钢套管调节系数，n＞1)。

加固桩的直径、数量同被加固土层的厚度、土质及加固后土体强度要求等是相互关联的，需要反复试算后确定。如果单纯从有利于加固料同软弱夹层土的接触，改善加固效果出发，应采纳加固桩为小直径、密间距方式为宜；但如果软弱土层为灵敏度较高，呈软流塑状态土层时，桩径和桩距过小，反而会使土体多次受到扰动，另外，土中形成的过高超孔隙水压会导致土体的流失，严重时会影响成桩效果。所以，一般说来，桩的直径d＝50～200mm，控制桩的总截面积Fp与加固土层截面积Fs之比(Fp/Fs)＜0.25。

加固桩至少一排，若加固土层较厚，可布置成二排或二排以上，排距b可取b＝1.5～2.0d；可采用梅花形或其它形式布桩，同排加固桩的间距a以a＝2～3d较为合理，基础范围以外的加固保护区P可取P＞B/4。

如果欲处理土层是膨胀性土、钢渣回填土等，则是先用专用机具掏去厚度为H的土层，再用本法填筑置换材料，其置换厚度为H， $H=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_n}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{\ϵ}}}\×h_n$ 式中，

ε_n，h_n—分别为欲处理土层的膨胀率和厚度；

Δε＝|ε₂-ε₁|

ε₂，ε₁分别为置换材料压密前后的孔隙率。

这样，置换材料在置换层以下厚度的地基土的膨胀力作用下，压密变形量S大于或等于地基膨胀的变形量Sn，从而消除了地基土的膨胀力对基础及上部结构的危害。

加固料和置换料应根据不同土质来选择，如加固软弱土夹层，为提高土的强度，可采用生石灰为主的加固料；如处理膨胀性土层，则采用非膨胀性的砂类土或粘性土作为置换材料。

为便于填料和捣实方便，加固料或置换料均装入直径小于钢套管的纸袋或编织袋中，袋长与钢套管节长匹配。

本发明方法处理后的“复合地基”，用褥垫法原理计算承载力。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)对软土加固效果好，加固后的土体强度可提高2～4倍；对膨胀性土经过加固处理后，可消除膨胀对基础及上部结构带来的危害。

(2)方法简单，工效高，不需要打桩机、工程钻机等大型机械设备，不扰动土体，可大大降低加固成本。

(3)无振动、无污染，加固施工场地占用小(可在室内狭窄空间施工)，适用范围广，除适用于已有建筑物地基软弱土夹层加固外，也可用于建(构)筑物改造扩建、建(构)筑物倾斜纠偏等地基加固。

(4)加固目标明确，施工过程中，对软弱土挤密及置换加固料的填充压密情况直观明确，加固处理质量易于控制和检验。

(5)试验证实，由置换料形成的圆柱体，其径向膨胀率是轴向膨胀率的4～6倍。竖向置换以轴向为主要使用方向；而水平置换法则以径向为主要使用方向。显然，在使用同等置换材料条件下，水平置换效果更佳。

(6)地基水平置换加固法由于布孔灵活，加固材料选择余地大，施工中对欲加固土体无扰动，因此加固土体均匀性好。

下面结合附图和实施例，详细说明本发明的方法：

图1欲加固地基基础的剖面图

图2欲加固地基基础的平面图

图3加固桩的布置图

图4桩位板示意图

图5处理膨胀性土层的置换厚度示意图

实施例：(图1、2)某车间独立桩基基础1长A＝4.0m，宽B＝3.1m，基底以下的土质为洪积卵石层，其中有一呈凸镜产状的淤积软塑状粘土夹层，在桩基基础1一侧距基底距离L＝1.6m(＞B/2＝1.5m)处开挖导坑2，该导坑宽W＝E+nSp＝0.6+1.5×0.6＝1.5m，开挖导坑后，暴露出上述软土夹层3，其厚度为0.9m，埋深距基底1.2m，为加固这一软土层，在其加固设计标高处设桩位板6及挡板8(图4)；在导坑内安设外形长为E＝0.6m的YL-60型双作用千斤顶和手动千斤项4，将直径为159mm的普通钢管(每节长Sp＝0.6m)逐节连接并通过桩位板孔7横向顶入软土夹层3，组成钢套管5，为防止钢套管顶入过程中，土进入钢套管内部，需要在第一节套管头部做成可单向开启的活瓣或类似的预制混凝土桩头，待其第一节钢管头部达到基础另一侧B/4加固范围，即达到加固区的外缘时，将加固料逐袋填入钢套管5中，并用直径40mm钢管以管箍连接组成的捣实器捣实(要求捣实后的容重达15.3KN/m³，相对密度达90％)，边填料，边捣实，边拔套管，直至钢套管5全部拔出后，一根加固桩的施工即告完成，其余的水平加固桩施工方法类同，施工顺序宜采用隔孔、隔排方法。

本例中加固桩直径为d＝200mm，加固桩设计为2～3排，排距b＝350mm，呈梅花形布置(图3)，同一排加固桩的间距a＝450mm。

本例中的加固料用水泥、生石灰、中砂按1∶3∶5的体积比组成并装入直径为155mm，长300mm的纸袋中。

根据设计计算，本例要求加固后的复合地基承载力达350KPa，经实测检验结果达到419KPa，比加固前提高3倍。回填并夯实导坑，完成加固。

Claims (6)

1.地基水平置换加固法，属于建筑物基础土壤的改良方法，其步骤包括：在欲处理的地基基础的一侧开挖一个导坑(2)，使需要处理的土层(3)暴露出来，沿水平方向向该土层中填充加固料，其特征是将多节等长的两端带螺扣的钢管用千斤顶(4)逐节横向顶入土层中组成一个钢套管(5)，在顶入长度达到设计加固范围的长度时将加固料填入钢套管中，边填料，边捣实，边拔套管，直至钢套管全部拔出，至此完成一根加固桩的施工；之后，根据设计需要，再在同一加固土层以至其它加固土层，以同样方法成桩，最后经抽检加固质量合格后，回填夯实导坑。

2.根据权利要求1所说的方法，其特征是在需要加固的土层的标高处加设桩位板(6)，再按桩位施工。

3.根据权利要求1或2所说的方法，其特征是导坑(2)距基础(1)的距离L＞B/2，导坑宽度W＝E+nSp，其中，B为基础宽度，E为千斤顶的外形长度，Sp为钢套管节长，n为钢套管调节系数，n＞1。

4.根据权利要求3所说的方法，其特征是加固桩的直径d＝50～200mm，加固桩总截面积Fp与土层截面积Fs之比小于0.25，加固桩至少一排，也可布置成二排或二排以上，排距b＝1.5～2.0d，同一排加固桩距a＝2～3d。

5.根据权利要求4所说的方法，其特征是基础(1)以外加固保护区边缘距同侧基础边缘的距离为P，P＞B/4。

6.根据权利要求1所说的方法，，其特征是钢套管(5)是由直径为50～200mm的普通钢管连接而成的，捣实加固料用直径为40mm钢管制成的捣实器。

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