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07

2016

-

05

地基處理技術在我國的發展

作者:龔曉南?龔曉南,土木工程學專家,中國工程院院士,現任浙江大學土木工程學系教授、博導。1967年清華大學工業與民用建筑專業畢業,1984年獲浙江大學巖土工程專業博士學位,是我國自己培養的第一位巖土工程博士。長期從事土力學及基礎工程理論研究和工程實踐,主要研究方向:地基處理及復合地基、基坑工程、基礎工程施工環境效應及對策、既有建筑物地基加固與糾傾和土工計算機分析。創建了廣義復合地基理論,促進形成

作者:龔曉南

 

龔曉南,土木工程學專家,中國工程院院士,現任浙江大學土木工程學系教授、博導。1967 年清華大學工業與民用建筑專業畢業,1984 年獲浙江大學巖土工程專業博士學位,是我國自己培養的第一位巖土工程博士。長期從事土力學及基礎工程理論研究和工程實踐,主要研究方向:地基處理及復合地基、基坑工程、基礎工程施工環境效應及對策、既有建筑物地基加固與糾傾和土工計算機分析。創建了廣義復合地基理論,促進形成復合地基工程應用體系。

 

引言

        地基處理技術在我國的應用可以追溯到很久以前,灰土墊層在我國的最早應用年代難以考證。隨著土木工程的發展,地基處理技術也在不斷發展。工程建設的需要促進了地基處理技術的不斷發展。土木工程功能化,交通高速化,城市建設立體化,綜合改善人居環境已成為現代土木工程的特征。1984年中國土木工程學會土力學及基礎工程學會為了適應工程建設對地基處理技術發展的要求,在浙江大學成立地基處理學術委員會。20多年來,我國地基處理技術發展很快,在紀念中國土木工程學會土力學及基礎工程分會成立五十周年之際,如何展望地基處理技術在我國的發展,如何進一步提高我國地基處理技術水平,是人們關心和重視的問題。本文分簡要回顧、常用地基處理方法分類、學會主要工作、發展中應注意的問題、發展展望幾個方面談談個人意見,拋磚引玉,不當之處,請同行指正。

 

簡要回顧

        1給出幾種地基處理方法在我國應用的最早年份。從表中可以看出大部分地基處理技術是改革開放后發展或引進的。為了適應工程建設發展的需要,高壓噴射注漿法、振沖法、強夯法、深層攪拌法、土工合成材料、強夯置換法、EPS超輕質填料法等許多地基處理技術從國外引進,并在實踐中發展;許多已經在我國得到應用的地基處理技術,如排水固結法、土樁和灰土樁法、砂樁法等也得到不斷發展、提高;近二十多年在工程實踐中還發展了許多新的地基處理技術,如真空預壓法、錨桿靜壓樁法、孔內夯擴碎石樁法、低強度樁復合地基法、剛性樁復合地基法等。近二十多年來,我國地基處理技術發展很快,主要反映在下述三個方面:

 

1部分地基處理方法在我國應用最早年份

地基處理方法

年份

普通砂井法

50年代

真空預壓法

1980

袋裝砂井法

70年代

塑料排水帶法

1981

砂樁法

50年代

土樁法

50年代中

灰土樁

60年代中

振沖法

1977

強夯法

1978

高壓噴射注漿法

1972

漿液深層攪拌法

1977

粉體深層攪拌法

1983

土工合成材料

70年代末

強夯置換法

1988

EPS超輕質填料法

1995

低強度樁復合地基法

1990

剛性樁復合地基法

1981

錨桿靜壓樁法

1982

掏土糾傾法

60年代初

頂升糾傾法

1986

樹根樁法

1981

沉管碎石樁法

1987

石灰樁法

1953

 

1)地基處理技術水平提高和普及

        地基處理技術水平的提高和普及在我國發展都很快。地基處理技術水平提高反映在下述幾個方面:為了滿足土木工程建設對地基處理的要求,我國引進和發展了多種地基處理新技術。在引進處理方法的同時,也引進了新的處理機械,新的處理材料和新的施工工藝。到目前為止,可以說,國外有的地基處理方法,我國基本上都有。各地還因地制宜地發展了許多適合我國國情的地基處理技術,取得了良好的經濟效益和社會效益,如低強度樁復合地基技術和孔內夯擴技術等;我國在地基綜合處理能力方面提高很快。如在澳門機場建設中,綜合應用了換填法、排水固結法、振沖擠密法和碾壓法等多種處理技術;地基處理技術水平提高還反映在各種地基處理方法施工工藝不斷完善,施工能力不斷提高。

        近些年來,地基處理技術不斷普及越來越多的土木工程技術人員了解和掌握了各種地基處理技術、地基處理設計方法、施工工藝、檢測手段,并在實踐中應用。與土木工程有關的高等院校、科研單位積極開展地基處理技術的研究、開發、推廣和應用。從事地基處理的專業施工隊伍不斷增多。地基問題處理得恰當與否、關系到整個工程質量、投資和進度,其重要性已越來越多的被人們所認識。通過工程實踐,人們對各種地基處理方法的優缺點有了進一步了解,選用合理的地基處理方法方面減少了盲目性。多數單位能夠根據工程實際情況,因地制宜,選用技術先進、經濟合理的地基處理方案,并能注意綜合應用各種地基處理技術,使方案選用更為合理。

        由于工程實踐需求的推動,地基處理領域的著作和刊物的出版,各種形式的學術討論會、地基處理技術培訓班的舉行,促進了地基處理技術的普及,也促進了地基處理技術的不斷提高。

2)地基處理隊伍不斷擴大

        地基處理技術發展還反映在地基處理隊伍的不斷擴大。從事地基處理施工的專業隊伍不斷增加,很多土建施工單位也從事地基處理施工。除施工隊伍外,從事地基處理機械生產的企業發展也很快。在地基處理施工機械方面,與國外的差距在逐步減小,并研制了許多新產品。從科研、設計、施工、檢測幾個環節的專業技術隊伍已經形成,并發展壯大。

3)地基處理理論的發展

        我國地基處理發展還反映在理論上的進步。探討加固機理、改進施工機械和施工工藝、發展檢驗手段,提高處理效果,改進設計方法,每一種地基處理方法都在上述幾個方面取得不少進展。以排水固結法為例,在豎向排水通道設置方面從普通砂井、到袋裝砂井、到塑料排水帶的應用,材料和施工工藝發展都很快;在理論方面,考慮井阻的砂井固結理論,超載預壓對消除次固結變形的作用、真空預壓固結理論、真空聯合堆載預壓加固理論,以及對塑料排水帶的有效加固深度等方面研究取得了不少的進展。除了針對各種地基處理方法的理論研究得到發展外,對一般規律的研究也取得不少成果,如:復合地基理論、地基處理方法選用的人工智能輔助決策系統、地基處理方法選用多因素分析法等。特別是復合地基理論發展更快。復合地基概念從狹義復合地基發展到廣義復合地基,形成了較系統的廣義復合地基理論。對復合地基進行了合理的分類,研究了各類復合地基的形成條件,工作性狀,研究了基礎剛度對復合地基性狀的影響。發展了按沉降控制復合地基設計和復合地基優化設計思路。復合地基理論的發展有效地推動了復合地基技術的工程應用,也有效促進了地基處理水平的提高。

        總之,地基處理技術在我國得到廣泛的普及、地基處理水平得到不斷提高。地基處理技術已得到土木工程界的各個部門,如勘察、設計、施工、監理、教學、科研和管理部門的關心和重視。地基處理技術的進步帶來了巨大的經濟效益和社會效益。應該說我國地基處理技術總體上達到世界先進水平。

 

常用地基處理方法分類

        根據地基處理的加固原理,常用的地基處理方法可歸納分成下述六類:

        1)置換

        置換是指用物理力學性質較好的巖土材料置換天然地基中部分或全部軟弱土或不良土,形成雙層地基或復合地基,以達到提高地基承載力、減少沉降的目的。

        主要包括下述地基處理方法:換土墊層法、強夯置換法、石灰樁法、EPS超輕質料填土法、擠淤置換法、褥墊層法等。

        應該指出:軟粘土地基中以置換為主的振沖置換法、砂石樁(置換)法應慎用。主要缺點為加固后的地基工后沉降大,且加固后地基承載力提高幅度小。

 

        2)排水固結

        排水固結是指地基土體在一定荷載作用下排水固結,土體孔隙比減小,抗剪強度提高,以達到提高地基承載力,減少工后沉降的目的。

        主要包括下述地基處理方法:加載預壓法(豎向排水系統可采用普通砂井、袋裝砂井和塑料排水帶等,也可利用天然地基土體本身排水,不設人工設置的豎向排水通道、超載預壓法(豎向排水系統設置方法同加載預壓法,以下工法也相同)、真空預壓法、真空預壓聯合堆載預壓法、降低地下水位法和電滲法等。

        3)灌入固化物

        灌入固化物是向地基中灌入或拌入水泥,或石灰,或其他化學固化材料,在地基中形成復合土體,以達到地基處理的目的。

        主要包括下述地基處理方法:深層攪拌法(包括漿液噴射和粉體噴射深層攪拌法)、高壓噴射注漿法、滲入性灌漿法、劈裂灌漿法、擠密灌漿法、電動化學灌漿法等。

        4)振密、擠密

        振密、擠密是指采用振動或擠密的方法使地基土體進一步密實以達到提高地基承載力和減少沉降的目的。

        主要包括下述地基處理方法:表層原位壓實法、強夯法、振沖密實法、擠密砂樁法、擠密碎石樁法(包括振沖擠密碎石樁、振動沉管擠密碎石樁、沖錘成孔擠密碎石樁和干振成孔碎石樁等)、孔內夯擴擠密樁法、爆破擠密法、土樁和灰土樁法、以及夯實水泥土樁法等。

        應該指出,采用振密、擠密法加固地基一定要重視其適用性。

        5)加筋

        加筋是地基中設置強度高、模量大的筋材,以達到提高地基承載力、減少沉降的目的。強度高、模量大的筋材可以是鋼筋混凝土,低強度混凝土,也可以是土工合成材料等。

        主要包括下述地基處理方法:錨固法,加筋土法、土釘墻法、樹根樁法、低強度樁復合地基法(包括CFG樁復合地基,低強度混凝土樁復合地基,二灰混凝土樁復合地基等)、剛性樁復合地基法。

        6)冷熱處理

        冷熱處理是通過凍結,或焙燒、加熱地基土體改變土體物理力學性質以達到地基處理的目的。

        主要包括下述地基處理方法:凍結法、燒結法。對地基處理方法進行嚴格的統一分類是很困難的。不少地基處理方法具有多種加固機理,例如土樁和灰土體法既有擠密作用又有置換作用。上述分類是否合適,請讀者指正。地基處理方法也可以按其它原則分類,如分成:物理方法,化學方法和生物方法等。又如:可分為淺層處理方法和深層處理方法。

 

 

學會主要工作

        為了適應我國土木工程建設對地基處理技術發展的需要,1983年在武漢召開的中國土木工程學會第四屆土力學及基礎工程學術討論會期間,中國土木工程學會土力學及基礎工程學會決定成立地基處理學術委員會以加強地基處理領域的工作,并決定該學術委員會掛靠浙江大學。1984年春中國土木工程學會土力學及基礎工程學會地基處理學術委員會在浙江大學成立。

        1984年地基處理學術委員會成立后,首先組織來自全國的地基處理專家編寫《地基處理手冊》和籌備召開第一屆全國地基處理學術討論會。《地基處理手冊》于1988年正式出版,2000年出版第二版,2007年出版第三版,得到讀者的歡迎和好評,發行已達12萬冊以上,為地基處理技術普及和提高作出了貢獻。第一屆全國地基處理學術討論會于19861012日在上海寶鋼召開,來自全國約200位代表共同交流經驗、體會,促進了地基處理水平的提高。

        至今己組織召開全國地基處理學術討論會九次和全國性專項技術討論會四次。除此外還與浙江大學土木工程學系自1990年起共同創辦《地基處理》刊物,為全國地基處理同行總結、交流地基處理經驗提供一個園地,受到普遍的歡迎。為了發揮學會技術密集的優勢,更好地為工程建設服務,學會還經常組織多種形式的地基處理技術培訓班,普及地基處理技術。

 

發展中應注意的問題

        近二十多年來,我國地基處理技術得到很大的發展,為了進一步提高地基處理水平,反思發展中存在的問題是有好處的。筆者認為地基處理在發展中存在的問題主要有下述幾個方面。

        1)未能因地制宜合理選用處理方法

        在合理選用地基處理方法方面有時存在一定的盲目性。例如飽和軟粘土地基不適宜采用振密、擠密法加固,但采用強夯加固軟土地基未能成功的工程實例在10多年前時有報道,應該說現在認識基本統一了。根據工程地質條件和地基加固原理,因地制宜合理選用處理方法特別重要。在這方面,現在的問題是對幾個技術上可行方案進行比較、優化不夠。不少工程采用的地基處理方法不是較好的方法,更不是最好的方法。有時工程問題解決了,但錢和工期多化了,這樣的工程實例不少。

        2)不能正確評價每種地基處理方法的適用性

        人人都承認每種地基處理方法都有一定的適用范圍,但遇到具體問題就會盲目擴大其應用范圍,對這種情況施工單位和專利發明人更應注意。

        3)施工單位素質差影響地基處理質量

        地基處理施工隊伍的快速膨脹,使絕大多數施工隊伍缺乏必要的技術培訓,熟練技術工人缺乏是普遍現象。除此外,還存在偷工減料現象。

        施工隊伍素質低與建設管理體制也有關系。現行體制重視總包單位是否具有高資質,而忽視對具體施工實體的資質考核與管理。于是難以形成熟練的專業化施工隊伍。完成工程具體施工的一個個實體往往是分散、臨時的。現行體制很難使這些實體轉變成為熟練的專業化隊伍。

        4)施工機械簡陋影響地基處理水平和質量         近二十多年來,我國地基處理施工機械發展很快,許多已形成系列化產品。但應看到與我國工程建設需要相比較,差距還很大。簡陋的機械要保持穩定良好的施工質量是困難的。

        5)地基處理理論落后于實踐

        從實踐-理論-再實踐的角度看,實踐先于理論是一般規律,對土木工程更是如此。但重視理論研究,用理論指導實踐也是很重要的。對地基處理各種工法及一般理論缺乏深入、系統的研究也是發展中存在的問題。

        6)不少工法缺乏完善的質量檢驗手段

        完善的質量檢驗手段是保證施工質量的重要措施。目前不少工法缺乏完善的質量檢驗手段。

 

發展展望

        展望地基處理技術的發展,筆者認為應重視普及基礎上的進一步提高。發展地基處理技術,應在提高上做文章。地基處理技術進一步發展應重視下述幾個方面工作。

        1)研制和引進地基處理新機械,提高各種工法的施工能力

        在土木工程建設中,與國外差距較大是施工機械能力。在地基處理領域情況也是如此。近幾年雖有不小改進,但差距還是很大。隨著綜合國力提高,地基處理施工機械將會有較大的發展。筆者認為不僅要重視引進國外先進施工機械,也要重視研制國產先進施工機械。只有各種工法的施工機械能力有了較大提高,地基處理水平才能有較大提高。

        2)加強理論研究,提高設計水平

        加強地基處理理論研究,一要加強一般理論研究。如復合地基計算理論,優化設計理論,按沉降控制設計理論等,也要加強各種工法加固地基的機理以及設計計算理論研究。

        這里特別要強調優化設計理論研究。地基處理優化設計包括兩個層面:一是地基處理方法的合理選用;二是某一方法的優化設計。目前在這二個層面都存在較大的差距。許多地基處理設計停留在能夠解決工程問題,而沒有能做到合理選用和優化地基處理設計。地基處理優化設計領域發展潛力很大。

        3)發展地基處理技術

        隨著地基處理理論、地基處理材料、新機械和新工藝的發展,一定會產生地基處理新方法。發展地基處理新方法也是工程建設的需要。可以相信肯定會有一些新的地基處理方法在工程建設中得到應用。

        發展地基處理技術還包括發展地基處理新材料。

        4)提高地基處理技術綜合應用水平

        近幾年,多種地基處理技術的綜合應用得到重視和發展,多種地基處理技術的綜合應用是很重要的方向,隨著人們地基處理技術水平的提高,以后在綜合應用方面肯定會較大發展。

        5)發展地基處理測試技術

        地基處理測試技術包括各種地基處理工法本身的質量檢驗,以及地基處理效果的評價。發展地基處理測試技術,也有助于地基處理實現信息化施工。發展地基處理原位測試,現場試驗,以及監測技術對提高地基處理技術水平有非常重要的意義,應予以重視。

        6)深化施工管理體制改革,重視專業施工隊伍建設

        地基處理施工專業性很強,一定要加強專業分工,加強專業施工隊伍的培育、發展和提高。對每種工法的施工隊伍不僅要求現場技術人員掌握地基處理理論和實踐知識,而且對技術工人也應有一定要求。技術工人需要通過培訓,對從事作業工法的加固機理、材料要求、加固工藝有較全面、系統的了解。通過定期考核,建設一大批相對固定、有資質的專業化地基處理施工隊伍。

        地基處理領域是土木工程中非常活躍的領域,也是非常有挑戰性的領域。挑戰與機遇并存,可以相信在不遠的將來,地基處理技術會在普及的基礎上得到較大的提高,發展到一個新的水平。

 

 

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