浅谈排水加固法处理饱和粘性土地基

摘要：软弱粘性土层的特点是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差，绝大数粘土均为饱和土，由于其压缩性高，在建筑物载荷作用下会产生相当大的沉降和变形，而且沉降的延续时间长，很可能影响建筑物的正常使用。由于其强度低，地基承载力和稳定性往往不能满足工程要求，因此这种地基需要采用处理措施。地基处理的目的是采取适当的对策以改善地基条件。

关键词：垫层 排水加固 处理 地基条件 饱和性粘土

中图分类号： U655 文献标识码： A

一、饱和性粘土地基处理的对策和种类

（一）地基处理的对策主要包括下述三类：

1、改善剪切特性（防止剪切破坏，防止剪切变形，减轻土压力等）。

地基的剪切破坏以及在土压力作用下的稳定性，取决于土的剪切强度。

2、改善压缩性能（防止固结沉降等）。

对于饱和粘性土地基，固结沉降和侧向流动产生的沉降对工程施工有很大影响，一般需要很多工程费用和很长的工期。

3、改善透水性（防止漏水，截水等）。

改善透水性的目的是对付由于地下水的移动出现的问题，需要研究采用何种手段使地基土变成不透水和减轻其水压力。

（二）饱和粘性土地基的处理方法

地基的处理方法包括地基土的置换和补强两种处理方式。

1、土的置换方法是将饱和粘性土换填为良性土的一种方法。这种方法对在地表附近存在有非常软的粘性土层时是最有效的方法，但当软土层很厚时，即超过3m时，工程费用就很高，不经济。采用垫层处理饱和粘性土主要是采用砂垫层、碎石垫层或者灰土垫层换填既有地基土。

2、土质改良补强方法是指用机械（力学的）、电气、化学、热等手段增加地基土密度，或使地基土固结以达到处理目的。

（1）预压法，这种方法是在场地先行加载预压，粘土地基受荷载时，随着超孔隙水压力的消失，地基便产生固结，同时，孔隙水被慢慢排出，孔隙比变小。使土中的空隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高，这种方法可以提高地基强度，且成本较低，但由于软粘土地基抗剪强度较低，使用排水固结法不能快速加载，必须分级逐渐加荷，需要的时间太长，不利提高施工进度。

（2）垂直排水法，这种方法是在厚粘土层中沿垂直方向放入透水性良好的排水竖井，以缩短排水距离，加速固结进行的方法。这个方法主要考虑到固结所需的时间和最大排水距离的平方成正比。排水材料采用砂、纸板及塑料板等。砂井通常为直径30-50cm的砂柱。但是，当地基发生变形，砂井被截断时，便不能保持砂井的连续性。

（3）降低地下水位法，是利用降低地下水位减少水压力以对付地下水产生的问题，同时又可使有效应力增大，促进地基土固结的方法。降低地下水位的方法，可采用井点法及深井法进行排水。井点法一般用于渗透系数小于5 x10-2厘米/秒的情况，可降低水位5～6米。但单纯的井点法施工工期较长。

基于这些原因，我在现场施工时与施工单位协商采用一种将采用垫层处理与排水固结处理――井点法结合在一起处理饱和粘土的方法-在此称排水加固法，这种方法既可以节省大量建筑材料，降低造价，又可以节省工期。

二、排水加固法的原理：

排水加固法的原理，在饱和粘性土地基上铺设一层碎石垫层，然后在碎石垫层上加载，空隙中的水被慢慢排出，碎石垫层被压入粘土地基中，空隙体积被填充变小，粘土与碎石结合在一起，地基被加固。土层的排水固结效果和它的排水边界条件有关。根据固结理论，粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比，土层越厚，固结延续的时间越长。为了加速土层的固结，最有效的方法是增加土层的排水途径，缩短排水距离。我采用排水加固法处理粘性土地基主要采用铺设碎石垫层和采用砂井降低地下水位两种方法来增加土的排水途径。因为碎石有足够的强度，变形模量大，稳定性好，而且碎石垫层本身还可以起到排水层的作用，并加速下部软弱土层的固结。采用砂井降低地下水位时，土层中的空隙水主要从水平向通过砂井和部分从竖向排出，砂井缩短了排水距离，因而加速了地基的固结速率（或沉降速率）。在何载作用下，土层的固结过程就是空隙水压力消散和有效应力增加的过程。如果地基内某点的总应力为σ，有效应力为σ'，空隙水压力为u，则三者有以下关系：

σ=σ'-u

在排水加固法中，用碎石等外加荷载对地基进行预压加固，是通过增加总压力σ并使空隙水压力消散以及碎石对空隙进行填充来增加有效应力σ'的方法；而降低地下水位是在总应力σ不变的情况下，通过减少空隙水压力来增加有效应力的方法。排水加固法的设计，实质上在于合理安排排水系统，铺设碎石垫层与加压系统的关系，使地基在受压过程中排水，加固，不断增加强度以满足加荷条件下地基稳定性要求，并加速地基的固结沉降， 缩短预压时间，在设计之前，应进行详细的勘探和土工试验，以取得必要的设计资料。具体包括以下几方面：

1、 土层条件，通过适量的钻孔绘制出土层剖面图；采取足够数量的试样以确定土的种类和厚度；土的成层程度；透水层的位置；地下水位的深度。

2、 粘性土的抗剪强度及随深度的变化。

3、 所用碎石垫层的粒径及含泥量。

三、采用排水加固法的具体施工步骤：

第一步：设置砂井采用井点法降低地基土中的地下水位。我们采用轻型井点法降低地下水位，施工过程为：在基坑每隔一定距离进行钻孔，埋下直径为38～50毫米的井点管，埋好后，井点管周围填以砂砾作过滤层，上用粘土填封，以防漏气，井点管下部为滤管，这就使基坑范围内的地下水降至坑底以下，既保证旱地工作条件，又消除坑底下地基土发生“漏砂”的可能，这样可降低水深约5～6米。

在这步施工中，应注意以下几个问题：

（1）井点定位要准确，砂井垂直度要好。

（2）砂料含泥量要少，一般含泥量要求少于3%。

（3）袋中砂要用风干砂，不应用潮湿砂。

（4）施工中要检查桩尖与导管口的密封情况，避免导管内进泥过多，影响出水速度。

第二步：在地基上铺设碎石垫层，并进行加压处理，使其排水加固并趋于稳定。经过井点法降低地下水位后，地基土中的大部分水已被排走，空隙水压力减少很多，减少并去除剩下的空隙水可以通过碎石加压并填充的方法来完成。施工方法是：选择粒径为5～40mm、含泥量不大于5%的自然级配碎石铺设在地基上，厚度为30厘米，用重60～100kN压路机在地基上碾压，直至将碎石压入地基中，排除碾压过程中从土层中流出的水，测量并记录土层下沉量。继续这道工序，直到压路机压实地基土层后，土层下沉量不大于1.0～2.0厘米时，停止工作。这道工序需要注意的是：

（1）必须将碎石平铺均匀，表层均匀受力，以防止地基产生不均匀沉降。

下面我以一工程实例介绍如何在施工中使用排水加固法，青岛金世纪实业有限公司铁路专用线工程位于山东省即墨市内，它的轨道衡位于排水沟上，地基土质很差，地下水位埋深0.50～1.30米地下水埋藏类型为第四系空隙潜水，一般在讯前处于低位，讯后处于高位，年内变化幅度为1.0米左右。施工期间为2008年6月，正处于高位，地下水量较大。经钻探揭露，勘区地基土在钻探深度范围内共分6层，自上而下分述如下：

①为粉质粘土，黄褐色，软塑-硬塑，具小空隙，含铁锰氧化物，粉粒含量较高，沟底有20厘米淤泥。该层取土样1件，标准贯入试验3次，其主要物理力学性质指标值为：w：22.8%；ρ：2.04g/cm3； e0：0.625；Ip：9.9；IL：0.49；α1-2：0.12MPa-1；Es：13.54MPa；N=5.0击。地基承载力σ0=100kPa。

该层厚1.20-2.30米。

②为粉土，褐黄色，软塑，饱和，含有较多粘粒，手振析水，局部夹有粉质粘土薄层。取土样一件，标准灌入试验3次，其主要物理力学性质指标值为：w：24.8%；ρ：2.0g/cm3； e0：0.685；Ip：9.1；IL：0.62；α1-2：0.09MPa-1；Es：18.72MPa；N=10.7击。地基承载力σ0=100kPa。

该层厚2.20-2.30米。

③粘土，灰黄-微棕黄色，软塑，具高塑性，粘粒含量高，有铁锰氧化物及铁锰结核。结构较紧密。取土样一件，标准灌入试验2次，其主要物理力学性质指标值为：w：38.8%；ρ：1.83g/cm3； e0：1.093；Ip：25.2；IL：0.60；C：28.3kpa；φ；9.3度；α1-2：0.48MPa-1；Es：4.36MPa；N=6.4击。地基承载力σ0=100kPa。

该层厚1.30米左右。

④粘土：灰-深灰色，硬塑。混有碎贝壳，含铁锰氧化物。局部夹有粉质粘土薄层。取土样一件，标准灌入试验1次，其主要物理力学性质指标值为：w：34.7%；ρ：1.88g/cm3； e0：0.978；Ip：26.4；IL：0.48；C：22kpa；φ；6.0度；α1-2：0.50MPa-1；Es：3.96MPa；N=7.0击。地基承载力σ0=100kPa。

该层厚1.30-1.70米。

⑤为粉质粘土，浅灰色，软塑，具小空隙，含粉粒多，有碎贝壳，夹深灰色粉质粘土

薄层。该层底部见有0.70米厚中砂。该层取土样1件，标准贯入试验2次，其主要物理力学性质指标值为：w：25.5%；ρ：2.00g/cm3； e0：0.694；Ip：8.8；IL：0.57；α1-2：0.16MPa-1；Es：10.59MPa；N=7.7击。地基承载力σ0=130kPa。

该层厚2.20-2.60米。

⑥为粉质粘土，灰黄色，软塑，含粉粒多，局部夹有粉土透镜体，有灰色泥质条纹。该层取土样2件，标准贯入试验4次，其主要物理力学性质指标值为：w：22%；ρ：2.05g/cm3； e0：0.61；Ip：10.7；IL：0.55；α1-2：0.22MPa-1；Es：7.52MPa；N=5.4击。地基承载力 σ0=150kPa。

该层各孔均未揭穿，最大揭露厚度5.60米。

由于轨道衡基底应力达到σ=145kPa。整个专用线施工工期为2个月，该专用线包括2.2公里线路，450米挡土墙，400米整体道床，8000平方米硬面，而轨道衡工程在施工的前期工程中，不能用很长时间。所以我决定采用排水加固法进行轨道衡处地基处理。

具体施工步骤：

第一步：降低地下水位，作80x9.5（轨道衡长75米，基础宽4.5米）的基坑，在其坑每隔2.5米进行钻孔，埋下直径为50mm的井点管，埋好后，按照轻型井点法的要求在井点管周围填以砂砾作过滤层，上用粘土填封。做好这些工作后，启动水泵，抽水5天后，出水几乎停止，撤下各井点，停止抽水工作。

第二步：将80x9.5的基坑平均分为20x9.5的四部分，先在第一部分均匀铺设30cm厚5-40mm的自然级配碎石垫层，用60kN压路机碾压地基，直至将碎石垫层压入地基土中。然后在第二、三、四部分地基上重复铺碎石、用压路机碾压的工作。当在四部分上完成第一次碾压后，则进行第二轮的铺碎石、用压路机碾压的工作。如此工作3天后，土层下沉为1.5cm，则停止该项工作。

该工程在地基土处理中只用8天时间，用碎石4750立方，处理地基土5.6米深，只用到单纯用垫层处理地基所用碎石的四分之一，工期更是大大节省。经过这两道工序，地基土的承载力可达到150～200kPa，且受力沉降均匀，可以满足轨道衡基础对地基的强度要求。经过地基处理，山东金世纪物流中心有限公司铁路专用线自开通六年来，地基基础很稳定，没有出现整体或局部下沉现象，这说明这种处理饱和粘性土地基的方法是非常有效的。

四、结论

排水加固法可以有效的加固地基，并且节约工期，首先是因为在施工中采用井点法降低地下水位，排出地基土中的大部分空隙水，使土发生排水固结，增加了土的有效应力；其次是因为在地基土中不断铺设碎石垫层，用外力（压路机）将碎石垫层与既有地基土融为一体，碎石与既有土地基结合在一起形成复合地基，增大了地基强度，增大稳定性，而且加入碎石后增大了地基土的孔隙，排水更流畅，并加速下部软弱土层的固结。

排水加固法不对地基土作大量的换填工作，又起到加固地基土的作用，满足建筑物对地基承载力的要求，既缩短工期，又没有造成很大的工程费用，是施工中处理饱和粘性土非常有效的方法。