第三节 地基处理 p w`YMk
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新中国建立以来,上海的地基基础处理技术,在工业和民用建筑中,都取得了很大进步。人工处理地基在全市采用较多的有:振冲碎石桩和挤密碎石桩、短桩处理局部暗浜和填土、充水预压、挤密砂桩、树根桩、锚杆压纠偏、强夯、旋喷和粉煤灰垫层等。各种不同的地基处理方法,都有其适用性,上海地区在具体应用时,结合地质条件和建筑物的特点,积累许多经验,为工程建设节约了大量费用。 $)M5@KT
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一、振冲法 IaR D"oCH
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1981年开始,在海潮路多层住宅、闵行东风新村、南市水厂等8项工程中先后采用振冲法。加固后地基容许承载力可提高约90%,加固深度一般为10米,最大深度18米,平面置换率约20%左右,桩的直径80厘米,振冲加固适用于砂土地基。对于软粘土只能起置换作用,场地排污影响环境,桩间土的结构受到破坏,强度降低,因此效果不理想。1984年,10层的田林宾馆采用振冲碎石桩加固地基,由于土层软弱,施工下料未能满足设计要求,发生超量沉降,造成房屋倾斜和裂缝,但地基土并未产生塑流破坏,因此在上部结构经过处理后,并未影响使用。自从发生这一事故后,上海地区对振冲碎石桩的试验,采取极为慎重的态度,在市区因排污困难,石料较贵,故较少采用,但对处理振动液化,是可靠和有把握的。 V0F&a~Q
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挤密碎石桩,加空压机振冲解决了管内投料,曾在石化总厂陈山4只5万吨级油罐基础中应用,最大沉降1米(充水预压),桩长20米。 hdH}4W
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二、挤密砂桩 ;XGO@*V5T
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1959年,上海重型机器厂铸钢车间桩基的荷重很大,对沉降和不均匀沉降有严格的要求,当时苏联专家提出采用挤密砂桩进行地基加固,由于上海地区缺乏经验,组织了面积为12米×17米的大型试验,采取复打方法使砂桩直径达到60厘米,桩距为110厘米,加固深度为20米,共打入202根砂桩,并在加固范围内铺了50厘米厚的砂垫层,以利排水。打砂桩后,地表向上隆起,加固中心最大值竟达139厘米,表明地基土遭到严重扰动。实地试验表明,地基土的强度和变形虽然得到一定的改善,但未能达到预期的效果,沉降量仍较大。经过比较,最后否定了砂桩加固地基的方案。 *Ag,/Cm]
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1978年,宝钢矿石堆场采用挤密砂桩加固地基。该堆场占地面积38万平方米,堆料面积27万平方米,矿石最大设计堆载为32.5吨/平方米。为了取得设计数据,在堆场区进行了加固堆土试验,试验区面积为50米×50米,打入两种规格的挤密砂桩:密桩区,桩径700毫米,间距1.65米;疏桩区,桩径500毫米,间距3米。桩身形状上细下粗(上段5米桩径为400毫米),桩长20米,共打入砂桩658根。打好砂桩后,在100米×40米范围内填砂1.8万立方米,堆高为10米,重16吨/平方米,分24层堆高,分层碾压,填砂历时14天。试验从1979年7月开始,历时近10个月,实际堆载4个月。为堆载试验,武汉冶金勘察公司曾用国外薄壁取土器(壁厚1.5~2.0毫米)与常用的厚壁取土器(壁厚4毫米)取土样,作对比分析,对于10~20毫米的软土,无侧限抗压强度值较原地基提高1.43倍。卸土后,密桩区为1.28,疏桩区为1.54。华东电力院勘察处为试验区进行了十字板抗剪强度试验,在土中剪切面分为垂直和水平两个方向,用50毫米×50毫米、50毫米×100毫米和50毫米×150毫米3种尺寸的翼板,得出水平向抗剪强度与垂直向抗剪强度之比平均为1.71。故在地区稳定性分析中,估算土的非等向深强是有意义的。通过试验获得的资料,为挤密砂桩的应用和改进设计提供了依据。在上海市土木学会组织的有关专家多次讨论提出建议的基础上,修改后的设计用砂量从175万立方米减为69万立方米,节约投资3千余万元。1994年起,宝钢三期工程开工后,新的矿石堆场继续采用砂桩加固地基,且在一期工程的基础上作了改进。 m2PI^?|e
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三、强夯法 [Xo[J?w],2
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70年代,强夯法在上港十一区试验成功后,很快就在上港九区、十二区及十六铺客运站、长桥水厂、耀华玻璃厂等20余项工程中得到应用。90年代初,又在浦东凌桥的染化一、三厂工程和罗泾港煤堆场等采用塑料排水板排水,钢渣垫层强夯的工艺取得良好的效果和经济效益。 ,CQg6-[
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强夯法加固效果明显。上港十一区仓库地基表层为回填土,中层为粉砂土,下层为软塑、流塑状态的粉质粘土和淤泥质粘土。未加固前由荷载板(70.7厘米×70.7厘米)确定的承载力较低,约50~70千帕,加固后承载力提高到350~510千帕,为加固前的5~7倍。上港十区加固后,强度由原来的210千帕提高到270千帕;上海港客运站地基强度由80~90千帕提高到200千帕以上。 @7,k0H9Moa
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强夯法的施工工艺和设备比较简单,但在施工过程中必须重视和加强现场测试,以有效地控制现场施工质量,并检验加固效果。上海的工程勘察单位在检测方面,不仅能满足施工配合的需要,而且在测试技术的发展方面做出很大贡献。强夯法变形测定,一般是用深层土体侧向变形仪和普通沉降位移标。强度和力学性指标现场测度,主要有孔隙水压力计、十字板剪切试验仪、静力触探和动力触探仪、旁压仪和荷载板试验仪。夯击振动用测振仪。在这些测试仪器中较为重要的是旁压仪。旁压仪于30年代首创于德国,50年代末法国又重新研制,主要是随强夯法应用而发展成熟。在70年代后期,国内研制成功预钻型旁压仪,并推广使用。1980年,华东电力院研制成功三腔水压式自钻旁压仪,并通过部级鉴定。旁压试验除了用来了解土的变形和强度外,已推广到浅基础内承载力和沉降计算、单桩承载力计算、水平荷载下桩的应力应变计算以及板桩墙的土压力计算等。1994年,上海勘察院在88层的金茂大厦工程中,使用经改进的国产预钻旁压仪做到孔深136米,创国内深度之最,成果资料获得国外设计单位满意。为了检验强夯法加固深度,上海勘察院和地质学会于1981年在上海石化总厂化工一厂强夯场地(夯锤20吨,落距20米)取土进行了微观结构研究,得出影响深度20米,有效深度7米的结论。 Ouc$M2m0!
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四、粉煤灰垫层 Z {*<Gx
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70年代末,上海开始利用粉煤灰作为地基加固材料,主要用作垫层、回填料和掺合料。80年代后期,随着高速公路和高等级公路的兴建,大量使用粉煤灰作为路基垫层材料。 O/PO?>@-/
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1990年,上海冷轧薄板工程设计,要求厂房地坪承重结构回填垫层的容许承载力≥0.12兆帕(12吨/平方米),压实密度≥0.93。该工程施工填筑材料和试验样品均选用宝钢电厂贮灰场中的湿排粉煤灰,实验室提供施工压实参数是:最大干密度1.16吨/立方米,最优含水量为30.5±4%,使用二轮振动压路机和三轮内燃压路机进行压实。铺筑粉煤灰垫层厚度约0.7米,耗灰量达4万吨以上。自1990年3月起施工,至同年6月完工,年底投产。大量的薄板钢材堆放在混凝土地坪上,粉煤灰垫层未发生任何异常情况。车间局部开挖表明,粉煤灰垫层已有凝硬作用,为工程填筑节约费用60万元,且提前完成施工。静载荷试验的结果表明,粉煤灰地基的容许承载压力为0.3兆帕(30吨/平方米),变形模量为19.0兆帕,均大于设计要求,也较常用的土夹石垫层为高。 /gq
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五、树根桩 IkJ-*vI6
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树根桩是一种小型的钻孔灌注桩,通常的直径是7.5厘米至25厘米。它是用钻机钻孔,然后放入钢筋笼或者一根型钢,同时放入注浆管,注入水泥浆或混凝土而成桩。树根桩可以是单根的,也可以是成束的,是垂直的也可以是倾斜的。 /X97dF)zt
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80年代,国内开始试验研究和应用树根桩,最初用于苏州虎丘塔的纠偏和地基加固。以后通过试验研究广泛用于建筑物加层、纠偏、防止不均匀沉降、古建筑地基基础加固、岩石和土体加坡稳定的加固、地下挡土墙和防渗墙等。比较典型的是上海延安东路外滩天文台地层加固工程。天文台是清光绪十年(1884年)法租界公董局出资建造的,已有百余年的历史,被列为保护性建筑。延安东路越江隧道(盾构直径11米)从天文台附近通过,隧道中心线距天文台地表外缘仅18米,隧道开挖将直接威胁天文台的安全,上海市政府指示,要对天文台进行加固保护。上海隧道院提出采用两排树根桩(两排间距30厘米,桩间间距30厘米)对天文台地基土体加固,在土层中形成一道防坍地下墙,桩长为30米,配主筋4根直径25毫米、箍筋直径8毫米×500毫米,桩伸入隧道盾构底标高4.5米,计143根。经过加固后,天文台安然屹立在黄浦江畔。 w|8T6W|w
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六、预压加固 tx||<8
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70年代以来,在石化总厂化工油罐区、陈山码头油罐区及高桥炼油厂、宝钢等油罐区陆续推广使用充水预压加固地基技术。到80年代末,累计施工油罐约70座。其单项最大容量为3万吨。石化总厂1万立方米油罐于1974年10月28日开始加荷预压地基,41天充水至最高水位,到1975年3月开始卸荷,历时148天,测得中心沉降131.9厘米,固结度达93%,环基沉降84.2厘米,回弹量3.24厘米,不仅预压效果良好,而且工期短。从土建开工,油罐制作安装到充水预压后卸荷结束,全部时间不超过1年。 #w#:f
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油罐充水预压加固地基的设计,必须验算地基的稳定性,包括地基土的天然抗剪强度,地基在受荷固结过程中抗剪强度的增长,并须计算地基在逐级加荷下的固结度。在充水加荷过程中,还需观测孔隙水压力的增长和消散,测量沉降变形的发展和稳定。所有这些工作,上海的岩土工程技术人员,包括勘察设计和监测人员作出了很大的贡献。在土工试验方面,除了直接固结快剪外,也做无侧限抗压强度试验和三轴固结不排水剪切试验,测定有效内摩擦角。同时在软粘土内进行十字板剪切试验,以验算受荷过程中抗剪强度的增长。还进行竖向和径向固结试验,测定在不同压力下的固结系数,供计算固结度调正。由于对上海软土的工程特性研究和掌握得比较全面,因而使油罐充水预压加固技术能够推广应用,创造了巨大经济效益。除充水预压外,堆载预压和真空抽气预压技术也得到了应用,为软土地基排水固结加固取得了经验。由华东电力院负责设计的利港电厂煤场,利用堆煤作为荷载,采用塑料排水板作为竖向排水通道,节约了大量地基处理费用。这种方法在高速公路建设中也得到了广泛应用。 p`06%"#
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七、水泥土搅拌桩 5Z*6,P0
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使用深层搅拌法加固软土地基,由于施工工期短、施工过程无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不挤土和对相邻建筑物不产生有害影响,具有良好的经济效益和社会效益。 @PyZ u7'
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水泥土搅拌桩和粉喷桩是深层搅拌法加固地基的两种方法。前者以水泥浆液注入土层加以搅拌而形成水泥土桩,后者以干的水泥粉喷入土层加以搅拌而形成水泥土桩。深层搅拌法是在日本研究的石灰深层拌合法的基础上发展起来的,国内从1977年10月起,由交通部水运规划设计院和冶金部建筑研究总院协作进行机械设备研制和室内外试验,已形成一套适合中国条件的陆上深层搅拌法。 xg_9#
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1981年,宝钢纬三路P?5污水处理站,是国内首次采用深层搅拌法制作水泥土挡墙,作为深基坑开挖时的挡土措施。使用情况表明,这种挡墙的位移、倾斜均较小,桩体搭接良好,无渗水、漏土现象,支挡侧向土体的效果显著。同时挡墙本身可用作其内部钢筋混凝土结构施工时的外模板,甚至可以成为结构物壁体的一部分,可减薄钢筋混凝土墙壁的厚度,降低工程造价。随着城市建设的发展,水泥土系列的搅拌桩和粉喷桩,被广泛用于多层房屋的地基处理和深基坑开挖的围护。 @j=Q$k.GF
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在发展粉喷桩技术方面,1988年,由铁道部第四设计院和上海探矿机械厂联合研制的GPP?5型深层粉体喷射搅拌机,通过专家鉴定后,投入批量生产。90年代以来,上海探矿机械厂生产的粉喷桩机,成为热门产品,供不应求。1992年,上海勘察院完成了由市科委立项的粉喷桩研究课题,通过了市建委科技委组织的鉴定,使粉喷桩技术在上海地区的应用更趋成熟。 ]?a i
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八、旋喷法 e4(E!;Z!QF
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1978年,在宝钢工程中,对深22米的冷轧厂铁皮坑淤泥质粘土层地基,采取了旋喷法加固。基坑加固范围600平方米,加固厚度为22.5~27米。通过旋喷加固,提高了基底强度,克服了管涌危险,增加了边坡稳定,为基坑开挖和基础全面施工创造了有利条件。 bGe@yXId5
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90年代,上海石化总厂排污管加固、吴淞路闸桥基底堵漏、陈行水库防渗墙等工程都用旋喷法完成。