软土地基处理方法探讨

软土地基处理方法探讨

刘宜江，高晰

刘宜江，高晰

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳550081）

[摘要]随着我国工业与民用建筑业的飞速发展，因软土地基引发的工程事故频频发生，已引起各方高度关注。目前国内针对软土地基采用的地基处理方法有很多种，《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012[1]中涉及的内容都是原则性的规定，不利于设计者把握，本文通过对各种地基处理的加固机理进行分析，疏理出它们之间的共性和差异，使设计者能清楚地掌握各种地基处理方法的特性，选择更加安全可靠、经济合理的方案。

[关键词]软土地基；复合地基；地基加固；

0引言

随着我国工业与民用建筑业的飞速发展，可利用的建筑用地越来越少，加之国家的土地保护政策日趋严格，致使工程建设场地选址越来越多的面临软土地基的问题，近些年因软土地基引发的工程事故频频发生，因此，选择合理的地基处理方案，对软土地基的处理效果、建筑物的安全和控制工程投资都是十分重要的，设计必须高度重视。虽然目前国内采用的地基处理方法有很多种，《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012[1]（以下简称《处理规范》）中对常用的地基处理方法也有相关的规定，但《处理规范》中涉及的内容都是原则性的规定，不利于设计者把握。本文希望通过对各种地基处理的加固机理进行分析，疏理出它们之间的共性和差异，使设计者能清楚地掌握各种地基处理方法的特性，选择更经济合理、处理效果最佳的方案。

1软土地基的分类

软土是指软弱粘性土（淤泥、淤泥质土）、冲填土、饱和粉细砂、杂填土、新近回填土及其他高压缩性土的总称，这类土的承载力低、压缩性高、地基变形大，不经处理不宜作为建筑物的地基。

淤泥、淤泥质土和冲填土一般处于饱和状态，含有机质，天然孔隙比大于1（淤泥的天然孔隙比大于1.5），表现为土的抗剪强度很低、压缩性高（压缩模量一般为2.5~3.5MPa）。

杂填土是由建筑垃圾、工业垃圾和生活垃圾组成，其成分复杂、性质也不相同，一般是疏松不均匀的，地基承载力和压缩模量差异较大。

饱和粉细砂及部分粉土，在地震作用下可能产生液化而丧失承载能力。

新近回填土属于欠固结土，其自身的沉降变形尚未完成，沉降变形较大。

2软土地基的加固原理

软土地基处理的目的是要提高地基的强度和减小土的压缩性，由于软弱土种类较多，其工程性质差别很大，因此对其加固处理的要求和方法也各不相同。

2.1复合地基的概念

《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012[1]（以下简称《处理规范》）提出了近二十种软土地基的处理方法，但就其加固原理而言可分为两大类：一类是对地基进行整体加固处理，使地基强度普遍得到提高，经处理后的地基比较均匀，如换填垫层法，预压法（堆载或真空预压）、强夯法等。另一类是在软土中增加填料形成桩体，在软土中形成若干的竖向增强体，使软土地基得到加固，桩体（竖向增强体）的强度较高，桩周围的土体则保持原有的强度或有一定强度的提高，处理后的效果在平面范围内是不均匀的，荷载由桩体和地基土共同承担，形成桩—土共同工作的复合地基，鉴于柔性桩复合地基层在基础下与天然地基有相似的应力扩散作用，因此柔性桩复合地基的加固范围应考虑基地应力的扩散，《处理规范》规定柔性桩复合地基的加固范围每边宽出基础的尺寸为复合地基层厚的，相当于满足基底应力的扩散角为25o~33o。

2.2桩体在复合地基中的作用

2.2.1桩体作用

复合地基是许多独立桩体与桩间土共同工作。在刚性基础下，桩体和桩间土沉降相等，由于桩体的刚度比周围土体大，在刚性基础底面发生等量变形时，地基中应力将重新分配，桩体产生应力集中而桩间土应力降低，即桩体承担着较大比例的荷载。因而复合地基的承载力和整体刚度高于原地基，沉降量有所减少。复合地基中的桩体，也称竖向增强体。

2.2.2挤密作用

砂桩、碎石桩、土桩、石灰桩等在施工过程中由于振动、挤压、排土等原因，可对桩间土起到一定的挤密作用。另外，石灰桩、粉体喷射搅拌桩的生石灰、水泥粉具有吸水、发热和膨胀作用，对桩周土也有一定的挤密作用。

2.2.3加速排水固结

由于砂桩、碎石桩具有良好的透水性，是地基中的排水通道，可以有效地缩短排水距离，加速桩间土的排水固结，使复合地基承载力提高。此外，水泥土类桩在某种程度上也可加速地基固结。

2.2.4加筋作用

各种复合地基处理除可提高地基的承载力和整体刚度外，复合地基中的桩体还有加筋作用，可提高土体的抗剪强度，增加土体的抗滑能力。

2.3复合地基的破坏模式[3]

2.3.1柔性桩、半刚性桩与刚性桩

根据桩体材料、强度和承载力的不同，复合地基中的桩（竖向增强体）分为四个类型：

第一类：散体材料桩，如振冲桩、砂石桩、强夯置换墩。

第二类：桩身为低粘结强度材料的桩，如石灰桩、水泥搅拌桩。

第三类：桩身为中等粘结强度材料的桩，如夯实土水泥桩。

第四类：桩身为高粘结强度材料的桩，如水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）。

第一类桩由于桩身是散体材料，桩身强度和承载力低，桩体在复合地基中分担的荷载比例不大，需要桩间土的侧向约束，称这类桩为柔性桩（或散体材料桩）。

对于第二、三类桩，虽然桩身强度、承载力比桩间土高，但高得有限，桩体仍然需要桩间土的侧向约束，桩在复合地基中分担的荷载要比散体材料桩高，称这类桩为半刚性桩，半刚性桩在复合地基中分担荷载的比例与桩身强度、桩体长度、桩间土的性质等因素有关。

第四类为高粘结强度桩，由于桩身强度、刚度、承载力比桩间土高得多，桩在复合地基中分担大部分荷载，如CFG桩，通过调整水泥的用量及配比，桩体强度在C5~C25之间，当桩体强度低时，为半刚性桩，当桩体强度高时（C20~C25），相当于刚性桩。

2.3.2复合地基的破坏模式分类

复合地基的破坏模式可分为以下四种：刺入破坏，膨胀破坏，整体剪切破坏和滑动破坏，如图1所示：

图1复合地基破坏模式

第一种：刺入破坏如图1中a所示，在桩体刚度较大，地基土强度较低的情况下，较易发生桩体刺入破坏。桩体发生刺入破坏后，不能承担荷载，进而引起桩间土发生破坏，导致复合地基全面破坏。刚性桩复合地基较易发生此类破坏。

第二种：膨胀破坏如图1中b所示，在荷载作用下，桩间土不能提供足够的围压来阻止发生过大的侧向变形，从而产生桩体膨胀破坏，并引起复合地基全面破坏。散体材料桩复合地基往往发生膨胀破坏，在一定条件下，柔性桩复合地基都可能产生此类形式的破坏。

第三种：整体剪切破坏如图1中c所示，复合地基在荷载作用下，将出现图1中c所示的塑性区，在滑动面上桩和土体均发生剪切破坏。散体材料桩复合地基较易发生整体剪切破坏，柔性桩复合地基在一定条件下也可能发生此类破坏。

第四种：滑动破坏如图1中d所示，在荷载作用下，复合地基沿某一滑动面产生滑动破坏。在滑动面上，桩体和桩间土均发生剪切破坏。各种复合地基都可能发生这类形式的破坏。

复合地基的破坏形式，与复合地基中桩身强度、土层条件、荷载形式及上部结构的形式有关，试验表明，对于桩长大于4倍桩径的桩，一般不发生刺入破坏，绝大多数桩体在上部发生膨胀破坏，因此，目前的分析方法都以这种模式为基础。

3柔性桩复合地基

3.1柔性桩复合地基的加固原理

柔性桩的桩体材料为无胶结的散体材料，如砂石桩、碎石桩、灰土桩及置换强夯墩、孔内深层强夯等，由于桩体的刚度较差，桩体承载力低，在桩顶应力重分布的过程中，往往发生膨胀破坏而卸荷，桩间土负担荷载的份额较多，桩土应力比很小，因此可以认为主要是通过桩体对软土的置换和挤密作用来提高软土地基的承载力和减少变形。如图2所示,为柔性桩下主要受力层的应力分布图。

图2柔性桩下的主要受力区

图中可以看出复合地基的应力分布类似于天然地基的应力分布，地基中的主要受力层也与天然地基相似。由于柔性桩不会发生刺入破坏，复合土层起应力扩散的作用，对下卧层的软土不会产生应力集中，因此对于软土层很厚的地基，桩体可以不穿过软土层，而是在上部主要受力层范围形成复合地基。基础的沉降分为复合地基层和下卧软土层的变形量之和。如图3所示：

图3复合地基与下卧层示意图

3.2柔性桩复合地基承载力特征值估算

复合地基的承载力应由复合地基静载荷试验确定，但在施工前，设计应根据地勘资料，对复合地基承载力及变形提出要求，确定试验性施工参数，待试验试完成后，采用载荷试验及原位检测来验证地基处理的效果是否满足设计要求，以确定场地对该工法的适应性，因此复合地基承载力和变形的估算是设计必须的步骤。

4半刚性桩复合地基

4.1半刚性桩复合地基的加固原理

4.1.1半刚性桩的复合地基的应力传递

半刚性桩包括CFG桩、夯实水泥桩、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩和石灰桩，这类桩因桩体含有固化剂材料（水泥、石灰），桩体强度比桩间土高得多，桩土应力比也比散体材料桩大，随着桩体中固化剂材料比例的增加，桩体的强度增大，桩土应力比进一步增大，如CFG桩，当桩身强度达到C20时已接近刚性桩，桩间土几乎不承担荷载，荷载基本由桩体承担，桩体传递附加应力，桩间土只传递自重应力，这和柔性桩复合地基由复合土层整体传递应力有本质区别。如图6所示

图5刚性与半刚性地基的主要受力区[3]

4.1.2半刚性桩的复合地基的破坏模式

从图中看出，半刚性桩复合地基的附加应力区在桩端下，会在桩端引起应力集中，破坏模式一般也是以刺入破坏为主，但由于各种半刚性桩所用的桩体材料不同，或同种桩的桩身因材料配比不同，桩身强度相差较大，桩土应力比相差也很大，为发挥桩体传递大部分荷载的功能，避免在桩端软土层中引起刺入破坏导致复合地基失效，所以，半刚性桩复合地基中的桩体一般都要求穿透软土层，选择承载力较高的土层作为桩端持力层，这一点对桩身强度较高的CFG桩更重要。

4.1.3半刚性桩的复合地基的处理范围

半刚性桩复合地基以桩体分担主要荷载，因此桩体一般只布置在基础底板面积范围内，但对于上部结构承受水平荷载为主的建筑物、高耸建筑物、液化土层地基及软土承载力特征值fs<70KPa时，应在基础外增加1~2排护桩，以保证其稳定性。

4.2半刚性桩复合地基的承载力特征值估算

半刚性桩复合地基中，因桩身强度、土质条件不同导致各种桩的桩土应力比相差大，同类型桩也会因为桩身强度不同桩土应力比变化幅度大，应力比值和柔性桩相比更难确定，但半刚性桩不是桩基，无论桩和桩间土分担的份额各占多少，仍然要依靠桩体和桩间土共同承担荷载，这是复合地基的概念,因此，《处理规范》采用了面积比法估算半刚性桩的承载力。

5复合地基的检测

5.1复合地基静载荷试验

静载荷试验是确定复合地基承载力特征值最准确的方法，复合地基在大面积施工前，必须先进行试验性施工，根据设计要求，选择场地内相对不利的区域进行试验性施工，并进行载荷试验，以确定设计方案对场地的适应性和加固效果（承载力和变形是否满足要求）。设计应重视检测单位提供的载荷试验方案，选择合理的承压板面积，使试验结果能反映复合地基的受力情况，又便于实施，过大的加载量试验对承力架的要求高，检测费用高（静载试验检测按每吨加载量收费）。

5.2桩间土密实度检查

采用原位取样，标贯或动力触探等手段，判定桩间土的密实性和加固后的效果。

5.3加固厚度（桩、墩长度）的检测

一般采用超声波法。

6复合地基的设计要点

地基处理方案比选：根据场地土质情况，上部结构对复合地基的承载力和变形要求，选取多种方案进行比较，选择对场地土质适应性较好、具有施工质量保证的工法和能就地取材、经济合理的地基处理方案。

注意置换率和桩长：柔性桩复合地基的置换率较高，一般为0.25~0.45，桩长较短，半刚性桩复合地基的置换率较低，一般为0.15~0.3（CFG桩为0.05~0.15），桩长较长。桩长即加固的厚度，因此必须满足软弱下卧层承载力验算和复合地基的变形要求。

注意半刚性桩复合地基的负摩阻：由于半刚性桩复合地基的单桩承载力由桩侧阻力和桩端阻力提供，所以在新近填土较厚的欠固结土场地，负摩阻的不利影响必须考虑。

上部结构措施：复合地基因其无法避免的不均匀性和离散性，使它有别于天然地基。当场地的土质差异大时，用同种工法施工其加固效果也存在较大差异、会产生不均匀沉降。因此对上部结构应采取必要的加强措施，对场地土质复杂的复合地基上的建筑物、沉降敏感的建筑物和适应地基变形能力差的建筑物应特别注意。

对于承受水平荷载为主及位于倾斜面上的复合地基，应特别注意复合地基的整体滑移。

注意地表水的排泄：为避免因受水浸泡承载力降低引发工程事故，设计中应注意地表排水，采取防护措施，如加大散水坡的宽度，设置排水沟，必要时设置灰土隔水层等措施。

施工过程控制：对于复杂场地，设计除关注载荷试验结果外，还应关注施工过程，应特别注意施工工艺，施工参数及施工方的自检数据，对加固效果达不到设计要求的及时修改施工参数，避免大面积不合格造成二次加固困难。

沉降观测：复合地基上的建筑物（构筑物）应加强沉降观测，适当增加沉降观测点。沉降观测应从施工上部结构开始进行。

参考文献

[1]JGJ79-2012建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[2]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[3]国振喜曲昭嘉建筑地基基础设计手册[M].北京：机械工业出版社，2008-1.