软土地基基础设计管理（精选9篇）
软土地基基础设计管理 篇1
1 工程概况
本工程位于揭阳市揭东县炮台镇与登岗镇交界处, 由航站楼及配套的设备中心、设备管沟等组成。航站楼总建筑面积56811m2, 占地面积22832m2, 建筑物总高度30.17m, 建筑地上三层 (CIP局部四层) , 首层以下设有3m至4.5m等不同深度的设备管沟。设备中心总建筑面积1941m2, 建筑高度5.5m, 建筑地上一层、地下一层。由于航站楼的平面较复杂, 且属超长结构 (图1) , 因此结构设一道变形缝把建筑物分为两个独立的结构单元 (图2) , 建筑物A区长宽比约L/B=266/150=1.77, 高宽比约H/B=0.16, B区长宽比约L/B=120/45=2.67, 高宽比约H/B=0.36。
本工程结构型式为多层钢筋混凝土框架结构, 外排柱为斜柱 (图3) , 屋盖为大跨度曲面网架钢结构。结构设计使用年限50 年, 建筑结构安全等级一级, 抗震设防类别乙类, 抗震设防烈度7 度, 基本加速度值0.15g, 场地类别IV类, 按8 度抗震构造措施设防。
由于本工程场地位于第四系海陆交互相沉积层, 且第四系海陆交互相沉积层非常发育, 分布广、厚度大, 总厚度在60m以上, 土性较为复杂, 有多层较厚的淤泥层, 最厚的淤泥层厚达18m, 淤泥层间夹有厚层的粉细砂、粗砂和中粗砂, 为沉桩带来困难。同时为了满足场区地面的标高要求, 需要在原地面上回填5~8m的新填土, 若不采取措施, 深厚的软土层将对桩产生明显的负摩阻力效应。因此, 本工程设计的主要难点之一是地基处理和基础设计。
2 工程地质情况
根据广东有色工程勘察设计院《潮汕民用机场航站区岩土工程详细勘察报告》 (勘2008-380 号) , 场地岩土层按成因类型自上而下划分为:人工填土层、第四系海陆交互相沉积层、第四系残积层、侏罗系基岩风化层等四大层, 典型的工程地质剖面如图所示 (图4) , 具体分为:
⑴人工填土层, 细划分为<1-1> 素填土层 (层厚0.50~2.80m) 、<1-2> 耕土层 (层厚0.40~3.40m) 。
⑵第四系海陆交互相沉积层。拟建场地第四系海陆交互相沉积层非常发育, 分布广、厚度大, 总厚度在60m以上, 土性较为复杂, 随着海陆的频繁交替, 常形成砂、粘性土、淤泥 (或淤泥质土) 由粗- 细的沉积韵律, 场地内第四系海陆交互相沉积层大体可分为四个沉积韵律层, 反映了四次海进和海退过程。根据其物理组分、工程性能特征及产出层序划分为以下14 个亚单元土层, 即:<2-1> 淤泥层、<2-2> 粉细砂层、<2-3> 粉质粘土层、<2-4> 中粗砂层、<2-5> 淤泥质土层、<2-6> 粉细砂层、<2-7> 粉质粘土层、<2-8> 中粗砂层、<2-9> 淤泥质土层、<2-10> 粉质粘土层、<2-11> 粗砂层、<2-12> 粉质粘土层、<2-13> 粘土层、<2-14> 砾砂层。
⑶第四系残积土层根据其状态划分为两个亚层, 即<4-1> 可塑状粉质粘土层、<4-2> 硬塑状粉质粘土层。
⑷侏罗系下统基岩按风化程度划分为:<5> 粉砂岩 (炭质粉砂岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩) 全风化带 (层顶埋深52.60~94.60m) ;<6> 粉砂岩 (炭质粉砂岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩) 强风化带 (层顶埋深53.60~98.50m) ;<7> 粉砂岩 (炭质粉砂岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩) 中风化带 (层顶埋深61.10~108.50m) ;<8> 粉砂岩 (炭质粉砂岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩) 微风化带 (层顶埋深为72.70~112.80m) 。
本场地的特殊地层为软土, 主要为海陆交互相沉积的淤泥 (<2-1>) 及淤泥质土 (<2-5>、<2-9>) 。淤泥层<2-1>、淤泥质土层<2-5> 在本场地绝大多数钻孔中有揭露, 广泛分布在地基浅层, 且基本呈连续层状产出, 其中淤泥层<2-1> 层厚0.80~19.20m, 平均厚度6.70m, 淤泥质土层<2-5> 层厚0.60 ~14.60m, 平均厚度3.65m;淤泥质土<2-9> 部分钻孔有揭露, 分布不连续, 呈薄层状或透镜体状产出, 层厚0.60~11.50m, 平均厚度4.38m。按各个钻孔揭露三层软土的厚度叠加后, 总厚度为1.40~31.20m, 平均13.30m, 该三层软土均呈流塑- 软塑状, 属中- 高灵敏度高压缩性土层, 在施工中易产生流泥、触变、蠕变及震陷, 且其强度差、承载力较低。而基岩层炭质粉砂岩和泥质粉砂岩的强- 微风化岩均为易软化岩石, 有遇水易软化的不良地质特性。根据原地质情况较难找到合适的基础持力层, 经初步计算分析对比, 需对软土层进行地基处理, 这就给基础设计带来了较大的难度。
3 深厚软土地基处理
3.1 处理目的
根据地质勘察报告, 本工程场地上部覆盖有深厚的冲积或淤积而形成的淤泥或淤泥质土层, 力学性能差, 为减小工后沉降和差异沉降, 减少航站楼桩基础的负摩阻力, 提高地基承载力, 必须进行软基处理。
3.2 技术标准
⑴软基处理后航站楼工后沉降量为20cm, 工后差异沉降为3.0‰。
⑵软基处理后地基承载力要求达到120KPa。
⑶施工期的边坡稳定安全系数不小于1.10;运行期正常使用条件下的边坡稳定安全系数不小于1.3, 非常使用条件下 (地震工况) 的边坡稳定安全系数不小于1.05。
3.3 软基处理设计原则
⑴本工程计算荷载只考虑填土荷载和城-B级行车荷载, 不考虑临时荷载。
⑵对用于计算沉降的压缩层, 本工程只考虑强风化粉砂岩层以上的土层, 主要包括素填土层、耕土层、淤泥或淤泥质土层、粉细砂层、粉质粘土层、中粗砂层等。
⑶软土地基的稳定验算与沉降计算应考虑在施工期由于地基沉降而多填筑的填料增量的影响。
⑷本工程为大面积堆载, 航站楼软基处理的施工工期按8 个月考虑, 其中包括清表及塑料排水板施工期1个月, 填土堆载施工期2~3 个月, 超载预压排水固结期4~5 个月;停车场软基处理的施工工期按10 个月考虑, 其中包括清表及塑料排水板施工期1 个月, 填土堆载施工期3 个月, 超载预压排水固接期6 个月。
⑸软土地基处理后地基承载力、工后沉降值和差异沉降值应满足设计要求。
3.4 软基处理设计
软基处理方案:根据修测后的地形图和勘察报告现状场地标高在1.0~2.5m之间, 其中部分为鱼塘, 鱼塘深度1.0~2.0m, 枫江支流由南往北穿过场地, 河床底标高约为-3.2m;航站区场地平整标高由南往北从3.5米逐渐变化至6.87m;因此航站区的填土高度约5~8m, 枫江支流段填土高度10m, 综合考虑场地地质条件、施工工艺、工程投资等因素本次设计软基处理采用超载预压排水固结法方案。与袋装砂井相比, 塑料排水板由于是工厂制作, 具有质量指标较稳定、重量轻运输方便、连续性好, 施工简便效率高且相对便宜等优点, 故本工程选用塑料排水板作为竖向排水通道。排水板间距为1.0~1.2m, 等边三角形布置, 地面水平排水通道采用50cm厚的中粗砂垫层和盲沟, 超载土方高度1.0~2.0m, 施工期设计为8~10 个月, 待沉降完成后再施工桩基。
根据场地内地质情况和填土高度的不同, 将场地分为九个不同区域 (图5) , 具体软基处理设计如表1 所示:
本次设计根据各区域地质普遍情况确定了各区的塑料排水板平均长度, 在进行塑料排水板实际插设时可参考钻孔资料确定排水板的插设长度。
本次设计的塑料排水板选用原生C型板 (严禁采用再生料板) , 宽度100mm, 厚度4.5mm, 芯板应具有足够的抗拉强度和垂直排水能力, 其抗拉强度不应小于130N/cm, 其排水能力应不低于30cm3/s。芯板应具有耐腐性和足够的柔韧性, 以保证塑料板在地下的耐久性, 并在插打、土体固结变形时不会被折断或破裂。
砂垫层应宽出地基处理范围至少1.0m, 采用洁净的中砂或粗砂, 有机质含量不大于1%, 不得含有粘土块和其它杂物, 含泥量不得超过3%, 渗透系数不小于5×10-5m/s。为增强地基稳定性, 防止软基处理后的不均匀沉降, 在砂垫层顶加铺一层双向合成纤维土工格栅, 土工格栅要求具有较好的耐腐蚀性及耐温性 (-50~150℃) , 单向抗拉强度不小于40KN/m (C区) 、100KN/m (A、B、D区) , 延伸率小于10%。
盲沟施工首先在调平填土层中开挖沟槽, 沟槽宽40cm、深30cm, 盲沟顶部与砂垫层相连, 在沟槽铺设滤水土工布后再充填粒径3~7cm碎石。为缩短排水路径, 缩短固结时间, 在航站区地基处理范围内按50m间距设置集水井, 集水井与排水盲沟连通, 集水井采用砖砌, 内径1m。
3.5 软基处理后地基土性状
为验证地基处理的效果, 对航站区处理后的地基作了2 个钻孔的勘察。
勘察表明, 在进行地基处理后地层分布与原详细勘察时地层分布一致, 地层纵向和横向符合勘察报告中的分布规律。
通过原位试验———标准贯入试验。除人工填土层<1>、淤泥质土层<2-1>、粘土层<2-5> 变化较大外, 各层的试验结果与原勘察报告结果一致。变化大的人工填土层<1>、淤泥质土层<2-1>、粘土层<2-5> 对比分析如下:
⑴<1> 人工填土层, 原勘察报告本层厚度小, 力学性质差;而本次勘察揭露结果为<1> 人工填土层厚度大 (达8m以上) , 力学性质较地基未处理前有大幅提高。标准贯入试验结果为14~58 击, 中密为主, 较高的击数为试验中标贯试验段位于填土中风化岩上的缘故;
⑵<2-1> 淤泥质土层, 原勘察报告本层厚度和本次勘察基本一致, 本次勘察揭露力学性质较原详细勘察时好很多;原详细勘察时本层呈流塑状, 岩芯不能自立成型;本次勘察揭露本次岩芯呈土柱状, 软塑。定名为淤泥质土。
⑶<2-5> 粘土层, 原勘察报告本层厚度和本次勘察基本一致, 本次勘察揭露力学性质较原详细勘察时好很多;原详细勘察时本层呈软塑状, 岩芯可自立成型;本次勘察揭露本次岩芯呈土柱状, 软塑。定名为淤泥质土。
4 地基基础设计
原地基土层主要为第四系海陆交互相沉积层, 淤泥层三层软土的厚度叠加后总厚度最厚为31.20m, 岩层埋深为53.60~98.50m, 属于深厚软土地基。土层中分布有0.80~19.30m厚粉细沙层和0.70~15.30m厚中粗砂层。土层分部不均匀, 厚度变化较大, 存在多层淤泥夹层。整个场区 (包括飞行区及工作区) 均有较厚的新填土, 最厚达8m, 航站区为5~8m。对场区地基土进行了超载预压处理后, 减少了地基土的后期沉降, 航站区超载预压6 个月后的工后沉降为20cm以下。软地基处理后的地基承载力和工后沉降均满足设计要求。
本工程计算结果, 最大柱底轴力为11000 ~13000kN, 基础型式采用预应力管桩基础, 桩直径为500mm, 采用锤击法施工, 经现场试打, 选用62# 柴油锤, 最后贯入度为30mm, 桩身穿越淤泥层, 以中粗砂层 (地质资料之<2-11> 层) 作为桩端持力层, 以粗砂层 (地质资料之<1-5> 层) 层顶为中性点。根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-2008) 5.4.2 条, 本工程属“桩周存在软弱土层, 邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载, 或地面大面积堆载 (包括填土) 时”的情况, 需在计算基桩承载力时计入桩侧负摩阻力。
单桩竖向承载力特征值计算如下:
⑴以ZK1钻孔为例:
中性点以上桩侧土下拉荷载标准值:
中性点以下桩侧土摩擦力特征值:
桩端阻力特征值:
负摩阻产生前单桩竖向承载力特征值:
负摩阻产生后单桩竖向承载力特征值:
⑵以ZK37钻孔为例:
中性点以上桩侧土下拉荷载标准值:
中性点以下桩侧土摩擦力特征值:
桩端阻力特征值:
负摩阻产生前单桩竖向承载力特征值:
负摩阻产生后单桩竖向承载力特征值:
综合各钻孔的计算结果, 负摩阻力产生前的单桩竖向抗压承载力特征值Ra=1800~2300k N, 负摩阻力产生后取单桩竖向抗压承载力特征值Ra=1500k N。
根据《建筑桩基技术规范》 (JGJ94-2008) 5.3.1 条, 本工程应通过单桩静载试验确定单桩竖向极限承载力标准值。航站楼试桩在软基处理后进行, 试桩的单桩静载试验结果见表2 及图6。
由表2 可知, 静载试验总沉降量为15~28mm左右, 平均总沉降22mm, 总沉降量处于合理范围之内;最大沉降差满足规范要求。Q-S曲线最大加载量达到设计要求, 证明负摩阻力产生前的单桩承载力特征值2300k N是可行的。
由于场地存在约5~8m的回填土和最厚约18m的淤泥质土层, 因此桩基考虑了负摩阻力效应, 经仔细计算及现场试验后, 单桩竖向承载力特征值取Ra=1500k N设计。本工程桩基础施工顺利, 建筑物的沉降及沉降差均满足设计和规范的要求, 建成后使用效果良好。
摘要：某工程建筑结构安全等级为一级, 场地类别为IV类, 地基为深厚软土地基, 且原地面上需回填58m的新填土, 基础设计前需先进行地基处理。
关键词：软土地基,深厚软基处理,超载预压排水固结,负摩阻力,地基承载力,工后沉降值,差异沉降值
参考文献
[1]潮汕民用机场航站区岩土工程详细勘察报告[R].广东有色工程勘察设计院, 2008.
[2]JGJ79-2012, 建筑地基处理技术规范[S].
软土地基基础设计管理 篇2
在我国沿海地区及内陆平原或山间盆地都广泛分布着不同类型的软土,其主要特点是地基承载力较低,荷载作用下变形较大,这给道路修建带来了许多工程问题.该文主要针对软土的定义以及物理力学指标,各种软土地基上路基加固设计进行了简要的论述.
作 者：郭雪兰 Guo Xuelan 作者单位：广州市市政工程设计研究院,广东,广州,510060 刊 名：城市道桥与防洪 英文刊名：URBAN ROADS BRIDGES & FLOOD CONTROL 年，卷(期)：2009 “”(5) 分类号：U416.02 关键词：软土地基 路基 加固设计★ 浅谈公路软土地基处理
★ 桥涵软土地基施工路径研讨论文
★ 水利堤防工程软土地基处理的探讨论文
★ 高速公路软土地基沉降灰色预测方法研究
★ 软土地基上顶进框架涵标高、方向的控制技术
★ 浅谈CFG桩在高速铁路软土地基处理中的应用
软土地基设计问题的探讨 篇3
在我国现阶段的土建施工中, 软土地基的设计是设计单位普遍面临的关键性技术问题之一。由于软土地基的土层结构较为松散, 当构造物的上层结构过多时, 必然又会产生较大的荷载作用, 进而增加了地基不规则变形的几率。在软土地基的设计中, 地基的沉降变形是较为常见的质量问题之一, 其主要引发因素是地基土具有的不同程度的可变性压缩性, 而未在设计初期进行科学的测量和预算, 进而导致土建施工中缺少相关的技术参数。由此可见, 在软土地基的设计中, 设计人员一定要合理计算出其可能出现的最大沉降差和沉降量, 确保相关工艺和技术参数均控制在合理的范围内, 对于特殊地理位置要采取行之有效的加固措施, 以提高软土地基的整体稳定和牢固性。
1. 软土地基的设计方法及技术应用
在土建施工地基设计工作中, 设计人员常会遇到软土地基的设计问题, 其主要原因是原土地质的机构较为复杂, 而且常规的测量仪器和计算公式难以直接应用其中, 进而增加了设计人员的工作量和难度。目前, 在国内的土建施工过程中, 常见的软土地基主要包括:冲填土、杂填土、淤泥质土或其它高压缩性土层。在软土地基上进行建筑施工的操作难度和技术标准都相对较高, 如果地基设计中出现不同程度的问题, 则有可能导致工程项目的整体建设质量下降或抗震性能、安全性能降低等弊端。由于软土地基的土层普遍不均匀, 在土建施工中极有可能发生局部不均匀沉降或侧向变位等问题, 设计人员可以充分利用所敷垫材料的抗剪或拉抗力, 进一步增强施工机械的通行, 并且均匀地支承填土荷载、减少地基局部沉降和侧向变位, 以提高地基的支承能力。目前, 在国内的土建工程软土地基施工中常用的敷垫材料主要有:土工布、化纤无纺布、玻璃纤维格栅等。
在进行软土地基的设计时, 设计人员首先要综合分析其强度低、压缩性高、渗透性差等地质特点, 进而考虑到如何有效增强其承载力和稳定性, 并且加强对于地基不均匀沉降的控制。在土建施工软土地基的设计中, 设计人员要注意基础方案的合理选择, 其不但影响到工程的整体施工进度和质量, 而且对于土建工程的经济性也具有重要的影响。设计人员要充分利用现代化的计算软件和地质分析仪器, 在全面了解和掌握项目所在地地质条件的基础上, 对于各种方案进行认真比较和筛选。另外, 设计人员还要认识到软土地基的设计方案中重点要解决常见的“倾、沉、裂”等问题, 并以此为依据加强对于工艺和技术的研究、实践。同时, 由于受到土建工程整体工期的安排, 对于软土地基的设计还要保证其时效性, 即设计方案的制定中要尽量避免因人为因素造成的失误, 特别是在部分关键数据和参数的统计和处理中, 一定要保证计算过程和结果的精确性。在软土地基设计方案的实施过程中, 土建工程设计人员也要与施工单位、监理单位进行全面的技术交底, 保证设计方案中的关键技术环节和流程科学实施。
如采用机械施工, 在确定砂垫层厚度时应考虑机械的重量、轮胎对地面接触压力、偏心程度及软土地基表层强度等。在极软地基上, 仅用砂垫层来确保大型施工机械的通行, 往往需要较厚的砂垫层, 是不经济的, 所以常与表层排水或敷垫材料等方法并用。填土面积大且排水距离长, 预计有多处地下水渗出时, 若仅用山砂作砂垫层, 不能获得充分排水效果, 应采用设置盲沟, 砂垫层内的排水距离宜短不宜长。
由于软土地基地质条件的特殊性, 以及工艺和技术标准的严格性, 设计人员在其设计工作中一定要坚持严谨、科学的态度, 并且从专业技术的角度出发, 对于有可能出现的相关技术问题进行全面分析和综合考虑, 并且灵活掌握国内外各种先进、科学的软土地及设计方法, 才能保证设计方案的经济性、合理性与可操作性。
2. 工程实例分析
近年来, 在国内的土建施工中, 频繁出现各类工程质量与安全事故, 其主要原因是地基设计方案的不合理, 进而导致施工中存在较大的质量和安全隐患。从我国的地质结构和土质总体分布情况而言, 软土地基的分布较为广泛, 而且是引发土建施工质量和安全问题的重要因素。本文仅列举国内华南某地区的高层建筑土建施工为例, 简要分析湿陷性黄土地基在设计中普遍存在的问题及对策, 并且提供了具有参考价值的技术方案。
我国华南地区某在建高层综合楼工程, 建筑总面积为21500m2, 建筑的主体结构为钢筋混凝土框架结构, 地上14层, 局部11层, 地下2层, 地下结构为附属用房和停车场。经过工程项目建设前的地质勘查, 得出此地大部分地基结构的土质为湿陷性黄土, 而且软土层的厚度相对较大。在专业勘察单位提供的相关的检测报告中显示:此处地基的承载力标准值为150KPa左右, 而工程项目建设标准中要求的地基承载力则为240KPa以上, 因此, 在土建工程的地基设计方案中必须注重解决软土地基的承载力问题。
在进行地基设计工作前, 设计人员必须对湿陷性黄土的性质和分布情况进行全面分析, 进而逐步制定与之相适应的技术方案。在本工程项目的地基设计中, 设计人员从专业理论与实际相结合的角度出发, 提出了以下几项可行的技术方案:
(1) 在桩基的处理中, 设计人员初步制定了人工挖孔桩或钻孔灌注桩两种操作方案, 但是鉴于综合工程项目的总体工期、造价、技术标准、抗震要求等问题, 选择了孔灌注桩的桩基处理方案;
(2) 垫层法:为了保证地基施工的质量和效果, 设计人员初步拟定了采用垫层法的土建工程施工方案, 即在挖除湿陷性黄土层的同时, 及时换填一定厚度的砂石垫层或灰土, 进而弥补项目所在地地基部分灰土垫层强度不足的弊端。但是经过初步的经济核算, 采用垫层法的总造价约为23万左右, 建设方认为总体造价过高, 不建议采用或尽量避免采用此技术;
(3) 强夯法:设计人员经过测量和计算发现工程项目所在地的层底起伏较大, 可以采用强夯法, 并且在地基顶部加垫450—550mm的砂石褥垫层, 以保证地基部分不均匀性砂石褥垫层的压实系数达到国家规定的标准。由于本工程项目的地下构筑物, 以及各种地下管线的位置及标高要求较为严格, 在设计方案中一定要采取必要的防护措施, 以免因强夯施工而造成破坏。为了避免有可能出现的各类安全隐患和纠纷, 建设方提出了要慎重使用强夯法的建议。另外, 本工程的地下结构为两层, 为了保证地基部分的整体抗震性和稳定性, 设计人员提出了采用天然地基筏板基础的方案。
为了保证在土建工程软土地基的施工中, 设计单位能够加深对于湿陷性黄土地基的重视程度, 设计人员在设计图纸中的关键部分和重要施工环节均进行了准确的标注, 并且加强了与施工单位技术、质量, 以及监理单位的施工前技术交底, 对于重点技术问题进行了详细的讲解和论述。本工程项目土建工程地基施工中应注意的事项主要为以下几点:
(1) 在土建工程的施工中, 如果不能科学处理各类地下管线的渗漏问题, 则有可能导致局部地基变软或不均匀沉降等问题, 因此, 设计单位明确指出施工单位进行相关操作前, 一定要加强对于分类地下管线的清查, 对于有可能出现渗漏问题的管线一定要进行预防性处理, 确保其防渗性达到规定的标准;
(2) 在地基设计方案中, 设计人员明确标注出土建施工中, 尤其是各类大型机械设备的安装中, 施工单位要严格遵守国家建筑主管部门颁布的《湿陷性黄土地区建筑规范》, 并且保证地表水不能流入或渗透到基槽内, 对于穿墙预留洞的尺寸也要进行严格的控制;
(3) 当本工程项目必须采取垫层法时, 施工单位应注重对于施工质量的把握和控制, 并且依据相关标准明确垫层压实系数, 以及控制相关干容重指标。
3. 结语
近年来, 随着国内建筑行业的不断发展, 土建工程基础设计中面临的弊端与问题也日趋严峻, 越来越多的土建工程项目需要在地质条件极为复杂的地区进行。传统的地基设计理念与技术已经难以适应实际需求, 相关设计单位和技术人员一定要加强工艺和技术的革新和完善, 进而促进国内土建工程地基设计水平和质量的整体提升。
软土地基基础设计管理 篇4
高填土涵洞和软土地基涵洞设计关键问题探讨
对高填方涵洞设计中的土压力进行计算,并提出涵洞的减荷措施,从而进一步探讨软土地区涵洞地基承载力的提高措施,为工程实践提供借鉴.
作 者：余扬 YU Yang 作者单位：浙江省交通规划设计研究院,杭州,310006刊 名：浙江交通职业技术学院学报英文刊名：JOURNAL OF ZHEJIANG VOCATIONAL AND TECHNICAL INSTITUTE OF TRANSPORTATION年，卷(期)：10(3)分类号：U449.1关键词：涵洞 土压力 减荷 地基处理
软土地基污水管道顶管设计 篇5
关键词：软土地基,污水管道,顶管设计
引言
给排水系统是城市现代化改造的重点工程, 完善给排水设施有助于缓解城市的水污染问题, 及时将各类污水输送到特定地点处理。软土地基处理是市政工程建设中常见的问题, 由于地基土层具有空隙大、结构弱、土层松等特点, 若依旧采用传统式开挖技术处理, 难以满足管道埋设的要求。近年来, 非开挖式顶管技术的普及推广, 满足了绿色环保型给排水系统工程的需求, 将顶管技术运用于软土地基污水管道建设是行业技术的创新。
1 顶管技术
顶管法施工就是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力, 克服管道与周围土壤的摩擦力, 将管道按设计的坡度顶入土中, 并将土方运走。1节管子顶入土层之后, 再下第2节管子继续顶进。该项技术的原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间的推力, 将工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内后吊起, 与此同时, 将紧随工具管或掘进机的管道埋设在两坑之间。顶管施工在本质上是非开挖施工方法, 是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术。其优点在于不影响周围环境或者影响较小, 施工场地小, 噪声小。而且能够深入地下作业, 这是开挖埋管无法比拟的。顶管施工须根据不同的地质情况、施工条件和设计要求, 选用与之相适应的顶管设备及施工方式。所以, 如何正确选择顶管机和配套辅助设备, 对于顶管施工来说是非常关键的。
软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的细粒土, 具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。软土地基的性质因地而异、因层而异, 不可预见性大。在设计、施工过程中, 稍有疏忽就会出现质量事故, 例如勘察设计不详细或不准确, 导致对应该进行软基处理的地段而未做处理设计。针对软土地基结构存在的缺陷, 采用新型的软土基础管道施工技术是市政给排水系统建设的重点。
2 污水管道采用顶管方案的优势
排水系统工程是市政投资的主要项目之一, 其核心功能是及时输送城市污水进行净化处理, 保证水资源调度的持续性。软土地基作为一种特殊的岩土基础, 由于受到施工条件的限制, 国内污水管道施工早期多采用开挖埋管技术, 这种方法具有噪声大、操作难、施工占地面积大、施工协调工作量大、耗时长等缺点, 制约了市政给排水工程的发展。
采用顶管施工技术可以显著提高项目作业的质量。与开挖式管道作业相比, 顶管施工的优点主要表现在以下几个方面:
(1) 环境影响小。传统开挖式管道施工占地大, 易破坏周围的环境, 若处理不当会造成不同程度的环境污染问题。比较常见的问题是管道开挖埋设时回填处理不当, 致使原始土层结构的完整性受到损坏, 制约了排水管道性能的正常发挥。顶管施工作为一种非开挖施工技术, 能够从根本上避免开挖作业造成的环境影响, 例如可使稳定土层不受破坏, 适用于人口集中、建筑物集中等区域。
(2) 施工场地小。施工场地的大小是排水工程建设的要点之一, 把现场作业的场地范围缩小, 可避免对周围环境造成的不利影响。顶管技术不仅适用于大范围的排水系统建设, 也能满足小范围的作业需求。通常, 施工单位将某项工程分段建设, 选用顶管施工仅需较小的场地即可。施工中各节管道分段施工, 可减小管道埋设的操作难度。
(3) 噪声污染小。顶管施工属于隐蔽性操作方式, 作业期间产生的噪声很小。以前市政污水管道开挖施工, 过度依赖于机械化作业, 产生了较大的噪声污染, 严重扰乱了施工场地周边的生活环境、工作环境。顶管施工无需大范围开挖路面, 且避免了交通运输线路的调整, 配合接收井、顶进井便能完成相应的操作。
(4) 成本投资小。新型污水管道施工技术的优势还体现在工程造价, 采用顶管施工避免了许多与成本投资相关的问题。一是拆迁补偿, 原先管道开挖需拆除房屋等建筑, 政府需投入一笔拆迁补偿金, 增加了排水系统工程的建设成本;二是工程施工措施费。排水管道施工, 尤其是污水管道施工, 由于污水管道埋深大、管径大, 管道沟槽开挖施工的支护措施需投入大量的资金;三是返工次数, 以前管道施工的返工返修率高, 现场作业的操作难度较大, 均会导致成本投资增加。
3 软土地基污水管道的设计原则
鉴于顶管施工技术的诸多优势, 未来市政排水系统建设采用顶管技术是一种必然。制定顶管施工方案, 无需考虑周围地质条件造成的不利影响, 施工人员只需按照规定的标准即可完成作业项目。从管道施工的具体情况看, 软土地基处理是项目建设阶段常见的工程问题。由于软土层结构的特殊性, 设计单位在编制管道方案时需考虑顶管施工的技术要求, 遵循软土地基管道作业的基本原则。
(1) 路基最小原则。
在软土地基污水管道设计阶段, 对管道埋设的范围进行严格控制, 尽可能缩小埋设的范围, 这是路基最小原则的基本要求。考虑到软弱土层结构的松散性, 污水管道的管径过大, 其接触的软土层面积越大, 给排水系统的性能更容易受到软土层的影响。坚持路基最小化, 是为了防止软土层对管道造成的流动性压力, 增强污水管道的结构性能。
(2) 系统简化原则。
排水系统工程建设是城市现代化改造不可缺少的工程之一, 其施工质量好坏关系着城市水环境的改造, 对区域经济的发展有着显著影响。无论从经济价值还是环保价值等角度考虑, 简化污水管道系统是极为关键的。设计人员在规划管道前要做好充分的准备, 结合现场勘测、数据分析的结果, 设计最简便、最实用的污水管道方案。
(3) 功能优化原则。
系统功能是实现污水管道应用价值的前提条件, 只有满足排水系统功能的要求, 才能在城市管网改造中发挥排水基础设施的作用。就污水管道而言, 设计人员需重点考虑输水方面的功能要求。可从管道的管径大小、路径长短等方面分析, 选定最合适的管道作为污水输送工具。
4 软土地基给排水系统的顶管设计
除了对排水系统的污水管道综合规划外, 最关键的是对顶管结构的优化设计。以先进的顶管结构方案配合科学的现场操作方案, 才能全面体现新型管道技术的优势。根据城市建设的具体要求, 排水系统的顶管设计方案也要不断地优化调整, 保证管道按照设计方案准确地埋设。结合现场作业经验, 顶管设计需重点考虑的内容有以下几点。
(1) 管材设计。
顶管施工所用的管道材料必须经过严格的质量审核, 指标合格才能运用于顶管作业。设计人员规划排水系统方案时, 要依据具体的计算结果及参数值, 合理地选用顶管管材。管材设计的主要内容是材质、型号、管径, 每一项设计指标均会影响污水系统的性能。原则上讲, 管材设计需以软土地基结构为中心, 各项指标应符合软土层掘进的要求。
(2) 路径设计。
目前, 设计单位对直线式污水管道设计已具有丰富的经验, 根据工程单位提供的规划方案可划定科学的管道路径。为了满足不同地区的排水系统要求, 污水管道设计并非完全是“直线式”铺设, 路径设计也需考虑“曲线顶管”操作的要求。目前的顶管施工, 管道穿行路程在1 000～1 500 m, 管道路径设计需采用曲线穿行的方式, 以免地下管线或其他障碍物造成阻碍。
(3) 敷设设计。
布置顶管是现场操作的重中之重, 一方面顶管布置点不准确会影响整个管道的掘进路径;另一方面, 顶管架设的精准关系到掘进设备的性能发挥。顶管施工的原理是利用主顶油缸及管道间、中继间的推力, 使工具管、掘进机穿过土层。因此, 在设计顶管布置方案时要考虑内、外力作用造成的冲击, 提高敷设设计的科学性, 避免顶管设备偏移而降低掘进路径的精度。
(4) 组合设计。
市政排水施工技术的发展, 促进了管道施工的自动化, 顶管技术所用的机械设备及构件也更加复杂。组合设计是对污水管道实施准确配合, 保证机械设备之间能够紧密地配合。软土地基顶管设计时要正确地组装顶管机和配套辅助设备, 这对于现场运用顶管技术的效果有决定性作用。此外, 工作井、接收井等也是组合设计的重点, 应根据现场条件合理设计。
5 结语
在软土地基敷设污水管, 与传统开挖式管道施工相比, 顶管技术的应用显著提高了作业的质量和效率。但由于国内施工条件相对有限, 设计单位在规划顶管作业方案时要充分考虑现有的条件, 遵循相关的设计规范和原则, 重点把握管材、路径、组合等方面的设计内容。
参考文献
[1]贡伟国.对江苏省丹阳市污水厂排出口污水管道顶管工程施工的探讨分析[J].黑龙江科技信息, 2007 (11) :172.
[2]朱贤良, 宋朋金.经济开发区排水管线设计中的问题与对策探讨[J].浙江水利科技, 2007 (4) :78-79.
[3]包旭范, 高强, 周顺华, 等.强夯加固软土地基机理的有限元分析[J].中国铁道科学, 2005 (2) :8-14.
软土地基排水管道设计探讨 篇6
1、软土地基的特点
软土是指天然孔隙比≥1.0, 且天然含水量大于液限的细粒土, 包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等, 具有高压缩性, 低强度, 高灵敏度和低透水性等特点。软土地基承载力较低, 承受荷载后沉降变形较大, 以软土作为地基持力层或下卧层的排水管道, 如果地基处理不当, 很容易由于过度沉降或局部不均匀沉降而导致管道及接口处因变形过大引起渗漏, 渗漏的发展反过来又进一步加大管道基础的变形破坏。
2、排水管道软土地基的处理
排水管道设计中, 软土地基通常采用的处理方式有换填法、垫层法、强夯法、抛石挤淤法等。
2.1 换填法
1) 挖除换填碎片石或粘土
当淤土层厚度<4 m时, 将需处理的软土挖除, 动力触探合格后用碎片石换填, 可采用分段挖除、分段分层回填的方法。鉴于换砂不利于防渗且工程造价较高, 一般应就地取材, 以换填粘土为宜。挖除换填片石处置软基效果较好, 由于完全挖开处理而不会留有隐蔽, 但费用较高, 因此一般换填至超过地下水位30 cm即可采用回填素土的方法, 所回填的素土应满足CBR>8%的低液限, 如果有条件设置渗沟、盲沟的话, 对于路基的稳定会大有好处。
2) 素土换填
先挖去基坑下的部分或全部软土, 然后回填素土分层夯实, 处理I级非自重性软土, 管径不大的管道基础常采用素土垫层。素土垫层的土料一般以粘性土为宜, 填土必须在无水的管沟 (基坑) 中进行。
2.2 垫层法
1) 灰土垫层
灰土垫层常被用于管道地基的处理。一般适用于处理1~4m厚的软弱土层。管道基础是条形基础, 作用于地基上的力也比其他建筑物小, 而且是基槽开挖后埋入地下, 表面的软弱土一部分已被去掉, 所以在管道施工中常用灰土 (素土) 垫层来处理软土地区管道地基, 以提高承载能力, 减少沉降。
灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去, 用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实或压实。
如在某截污工程中需敷设DN2000钢筋混凝土排水管, 局部地段的地基承载能力不满足设计要求 (150k Pa) , 经现场检测, 原软土地基承载力为110kPa, 采用掺量为10%的石灰土垫层 (50cm) 分两层夯实后, 地基承载力达到220 kPa, 可满足设计要求。
2) 砂和砂石垫层
砂垫层和砂石垫层材料透水性大, 软弱土层受压后, 垫层可作为良好的排水面, 使基础下面的孔隙水压力迅速消散, 加速垫层下软土层的固结和提高其强度, 避免地基土塑性破坏。在排水管道的施工中常遇到因土质含水量较大而使地基承载力达不到设计要求的情况, 常规采用级配碎石垫层处理10~30cm软弱土的方法处理, 效果较好, 特殊情况另作处理。例如:在某公园排水工程中, 需敷设DN1000管, 部分地段为填塘杂土, 深度达4~6 m, 地基承载力为92kPa, 经计算采用以下方法处理:挖至设计管基下0.8m, 满沟槽宽度平整后先用Mu20片石填实, 再干砌片石30cm和回填碎石50cm并分层夯实, 要求密实度>90%, 经处理满足要求。
2.3 强夯法
在管道施工中, 若遇到管道自重大覆土高, 对地基承载力要求高的地段, 而基础下承载力达不到要求时, 也可用强夯法来处理基础。设计根据地基要求, 选用合理的夯击能, 一般可处理5~10的软土层, 强夯的好处在于, 即使未夯到的有少量沉陷, 也不会带来管道的不均匀沉陷, 对排水坡度相对大, 周边无禁止震动的构筑物效果较好。采用这种加固方法也存在一些问题, 主要是施工时振动和噪音较大, 对周围建筑物和环境带来不利影响[2]。
2.4 抛石挤淤
用于存在多处鱼塘和常年积水的洼地。对于厚度较薄、表层无硬壳、片石能沉达底部的泥沼或厚度为3~4m的软土, 就可以采用抛石挤淤法。抛石挤淤就是向路基底部抛投一定数量的片石, 将淤泥挤出基底范围, 以提高地基的强度。
长沙市某道路排水主管, 管道采用管径为1.5 m的钢筋混凝土II级管, 管道基础采用180°混凝土基础, 管底埋深为3.2m~4.0 m。设计管线中, 约200m排水管道需要穿越农田。经勘察单位对该场地地质情况进行钻探勘察, 该区域内的管道基础将大部分都处于淤泥质粘土层 (承载力特征值为60 kPa) , 不能满足设计要求。通过综合分析, 设计采用抛石挤淤方案进行地基加强处理, 即将原设计的基础垫层改为片石垫层并夯实, 片石垫层宽度为原设计管道基础宽度每边增加0.5m。经现场开挖确定片石土挤入厚度达2.3m, 软弱下卧层泥质粘土承载力验算结果表明承载力满足要求。这一排水工程2004年6月竣工并投入使用, 至今该部位的排水管道运行良好, 未发现明显的沉降变形等现象, 且这次的地基加强处理仅用25d就已完成, 耗资总计约12万元, 达到了经济省时的要求。
抛石挤淤泥加强地基, 效益高, 速度快, 无污染且工程造价低, 施工周期短, 是比较理想的地基处理方式, 但目前的地基检测方法难以实现对抛石挤淤处理质量的检测, 有待于进一步研究。
3、管道基础与沟槽回填做法
3.1 管道基础设计
管道基础根据管材、管道大小和管基土层性质的不同而有不同的形式。
1) 金属管道与塑料管道基础形式
钢管和铸铁管等金属管道以及塑料管道一般采用素土平基和人工土弧基础等。软土地区土质较差, 不适宜采用素土平基。人工土弧基础即垫层基础, 垫层应采用中粗砂或碎石, 对于埋深较浅、强度较高且均匀的粘性土可采用中粗砂垫层, 而地基为强度较差的淤泥质粘土等软弱土时, 为减少管道的不均匀沉降, 垫层基础应用粒径不大于40mm的级配碎石或砾石砂, 上面再铺中粗砂垫层。
不同管材均有相应的规范规程对基础做法进行规定, 如《增强聚丙烯 (FRPP) 室外排水管道工程技术规程》规定:对软土地基, 槽底处在地下水位以下时, 宜铺垫砂砾或碎石, 厚度不小于0.15m, 碎石粒径为5~40mm, 上面再铺砂垫层 (中、粗砂) , 厚度不小于0.05m, 垫层总厚度不小于0.20m。
2) 钢筋混凝土管道基础形式
承插式钢筋混凝土管, 应根据土质及降水效果选用基础, 在槽底土基较好、基本上无扰动软化、易排除积水时, 采用砾石砂基础, 基础包括砾石砂、垫板和管枕。当槽底土基较差不易排除积水, 且易扰动软化的地方, 应采用C20混凝土基础, 基础包括砾石砂垫层、C20混凝土基础和管枕。以上两种基础形式都必须采用粗砂坞膀至管道半径高度。
企口式钢筋混凝土管, 采用C20混凝土, 基础包括砾石砂垫层, C20混凝土基础及管枕。在粉性土质和砂性土质中采用C20钢筋混凝土基础。
钢承口式钢筋混凝土管。采用刚性基础, 在粘性土层中采用C20混凝土基础, 在粉性和砂性土中采用C20钢筋混凝土基础, 基础下铺砾石砂垫层。
3.2 沟槽回填
沟槽回填采用原土回填和其它材料回填 (包括石灰土、砂、砂砾、碎石屑等) 两种方式。软土地区的原土一般是含水量高的软弱土, 难以达到较高的压实度, 因此要回填石灰土、砂、砂砾等, 通常用中粗砂回填至管道半径高处, 当管道位于主干道路下或铺管后立即进行道路施工时, 中粗砂回填应达到管顶以上50 cm。钢管和塑料管道相对属于柔性管道, 管道与周围土体共同作用承担外部荷载的作用, 因此沟槽回填特别是管道底部和两侧回填的密实度对管道的受力状态和变形大小影响极大, 必须严格控制。
4、构筑物与接口处置
软土地区排水构筑物设计难点主要是沉降控制, 由于排水构筑物如检查井、跌水井等, 重量比管道部分大, 且许多直接受到路面车荷载的作用, 对土的附加应力较大, 造成构筑物沉降一般大于管道部分, 这种差异沉降的存在容易使靠近井的几段管节接口以及管子与井的接口被拉坏, 因此控制构筑物沉降需要采取相应的技术措施。
砖砌筑结构易出现缝隙间砂浆不密实, 造成下沉、位移、渗漏等质量问题。钢筋混凝土构筑物具有整体稳固性好、强度高、闭水性理想等优点, 在埋深较大时, 设计应优先采用钢筋混凝土型式以减轻自重。设计中还可考虑加大构筑物基础面积, 对基底土注浆加固等措施。
软土地区土质较差, 刚性接口适应变形条件差, 会导致接口开裂渗水, 因此应采用柔性接口。软土地区承插式钢筋混凝土管以往采用沥青麻丝嵌缝的柔性接口效果有时也不理想, 目前小管径的排水管道大量选用带密封橡胶圈的塑料管道。企口式钢筋混凝土管现浇套环施工很繁杂, 目前也较少使用, 而常用q型橡胶圈接口。
管道与井接口处也应采用柔性接头, 使用有良好止水效果的柔性嵌缝材料填充缝隙, 如中介层柔性连接, 做法见图1。
5、管材选择
长期以来, 市政排水大多采用混凝土管、钢筋混凝土管等, 它们重量大、施工慢、接口多, 长时间使用后, 90%以上的管道存在渗漏问题[3]。软土地基排水管材的选用应考虑软土的不均匀性以及基础处理的后沉降, 所选管材应保证以下几点:
1) 具有质量轻、有一定的蠕变量, 强度高、耐腐蚀、管壁光滑、施工方便及水密性能好等特点。
2) 排水管道要求施工速度快、周期短, 能较好地适应管道的不均匀沉降, 使用寿命在50年以上。
3) 满足环保要求, 废弃管道能做到回收利用。
2004年4月, 建设部发布了《推广应用和限制禁止使用技术公告》, 推广采用塑料排水管。新型塑料管材对地基的不均匀沉降和管道弯曲敷设的适应能力较强, 且简易管道基础为快速施工创造了条件。技术经济比较结果表明, 塑料管材应用于室外排水工程, 在多方面优于钢筋混凝土管材[4]。
6、结论
软土地基排水管道设计中应充分考虑软土地基的特性, 根据地基土的情况综合管材等因素, 选择适当的基础形式和接口类型, 对地基土进行加固处理, 并充分利用道路对地基的处理成果, 根据管道的埋深、管径、工程造价、工程进度等具体情况具体分析, 在施工过程中应对各个环节实行有效的质量控制。总之, 设计中的所有方案、措施的目标就是要控制沉降特别是不均匀沉降, 从而最终保证整个管道工程的质量。
摘要：软土地基土质较差, 管道施工难度较高, 因此设计应重点考虑软土的工程性质, 对地基做特殊处理。本文介绍了软土地基排水管道的地基处置及管材的选用等, 为软土地区排水管道基础设计提供参考。
关键词：排水管道,软土地基,设计
参考文献
[1]牛建平.不良地质条件下管道基础处理与施工[J].给水排水.2001, (8)
[2]何平.重庆三峡库区地质灾害与防治对策探讨[J].重庆建筑.2003, (1)
[3]王光裕, 刘刃.小区排水系统改造工程设计与施工[M].给水排水.2000, 26 (11) :71-75
软土地基重力式护岸设计实例 篇7
本重力式护岸工程位于中山神湾镇, 为中山伟航船厂工程中船台的防洪堤和挡土墙, 全长91.00 m, 呈东西走向, 东向为神湾内河, 水域已为船台施工做好钢板桩围堰。地层情况依次为:①人工填土层:层厚0.34 m～2.80 m, 平均厚度为1.59 m。②淤泥层:层厚11.70 m～15.76 m, 平均厚度为13.51 m。直接快剪C=4.00 kPa, ϕ=4.30°, 压缩系数a1-1=1.60, 压缩模量Es=1.77。③砂质黏性土:层厚2.90 m～4.50 m, 平均厚度为3.50 m。直接快剪C=17.10 kPa, ϕ=19.80°, 压缩系数a1-1=0.40, 压缩模量Es=4.62。④强风化粉砂岩:层顶埋深17.20 m～19.60 m, 平均层顶埋深为18.60 m。各土层主要物理力学参数见表1。
2方案的选择
重力式护岸既起到挡土墙作用, 同时在洪水和台风期起到防洪堤作用。在软弱地基上砌筑重力式护岸不外乎有两种选择:1) 采用桩基础或加固地基措施;2) 选择合理的护岸结构。
方案一:管桩基础+钢筋混凝土沉箱+L形挡墙方案。
利用船台水域钢板桩围堰、陆域放坡进行基槽开挖, 挖至-5.25 m;再施打ϕ500的预应力管桩, 桩有效长度为13.00 m～15.5 m, 排距2.70 m, 桩顶标高-5.25 m, 在桩基础上放沉箱, 沉箱尺寸见图1, 箱内回填中粗砂, 沉箱上部现浇L形钢筋挡墙。
方案二:CFG桩加固地基+浆砌块石挡墙方案。
先对地基进行CFG桩加固处理, 利用船台水域钢板桩围堰、陆域放坡进行基槽开挖, 挖至-2.50 m;铺设垫层, 尺寸见图2;再进行浆砌块石挡墙施工, 并在挡墙顶用C30的混凝土现浇成L形胸墙。
中山伟航船厂工程先已由某设计院进行第一次施工图设计 (方案一为该院的护岸设计方案) 。由于某些原因, 业主重新招标, 要求对整个工程重新设计或优化。根据地质条件、当地取材、施工条件及造价等情况进行了重新设计, 重力式护岸工程设计为方案二。
3CFG桩加固地基设计
3.1 CFG桩参数确定
1) 桩长l:
由表1可以看出, 为了减少下卧层变形和总体沉降量, 砂质黏性土可作为桩端持力层, 要求CFG桩进入砂质黏性土2.00 m, 桩顶标高为-2.50 m。
2) 桩径d:
取决于所选用的设备, 目前使用的沉管桩机的套管直径以377 mm居多, 所以设计桩径d=400 mm。
3) 桩间距s:
在桩长、桩径确定后, 计算桩间距之前需确定天然地基承载力fk、计算单桩承载力标准值Rk和计算复合地基承载力标准值fspk。首先按照公式 (1) 计算单桩承载力为250 kN。因天然地基承载力不高, 故β=0.8, 又由于下面有很厚的淤泥层, 并且其灵敏度很高, 在施工过程中受到扰动而引起强度的降低。因此, 桩间土强度提高系数取α=0.95, 代入公式 (2) 计算得m=0.053。
其中, Rk为单桩承载力标准值, kN;up为桩的周长, m;n为桩长范围内所划分的土层数;qsi, qp分别为桩周第i层土的侧阻力、桩端端阻力标准值, kPa;li为第i层土的厚度, m;fspk为复合地基承载力标准值, kPa;fsk为天然地基承载力标准值, kPa;m为面积置换率;Ap为桩的截面积, m2;α为桩间土强度提高系数;β为桩间土承载力折减系数, 宜按地区经验取值, 如无经验时可取0.75～0.95, 天然地基承载力较高时取最大值。
按正方形布置, 可得桩间距s=1.50 m。
通过计算复合地基承载力标准值fspk=152.7 kPa, 修正后复合地基承载力特征值fz=199.00 kPa, 满足处理后复合地基承载力达到140 kPa的要求。
3.2 沉降计算
复合地基变形由三部分组成, 分别为桩长范围内的压缩变形S1、下卧层的变形S2以及褥垫层的压缩变形S3。其中, 褥垫层的压缩变形很小, 可以忽略不计, 则沉降变形使用北京理正岩土计算软件计算得:S=23.70 mm, 满足要求。
3.3 CFG桩施工
采用长螺旋钻管内泵压施工工艺, 施工严格按有关规范要求执行, 桩身混合料强度等级为C20, 混合料配比应执行规定。桩位应准确, 允许偏差不大于150 mm;桩身垂直度偏差不大于1%;桩长允许偏差100 mm;桩径允许偏差20 mm[1]。在CFG桩顶铺碎石垫层形成复合地基。
3.4 效果检验
为了检验CFG桩加固处理效果, 进行了一系列的现场试验。如:复合地基的静载试验、桩身完整性试验以及设置沉降观测点。通过静载试验和近期沉降变形观测试验, 结果表明复合地基承载力及沉降变形均满足设计要求。
4浆砌块石挡墙设计
护岸设计为防洪堤时, 由于防洪堤主要作用是“挡水”, 须考虑水流对防洪堤的各种影响, “水”对护岸的各种影响也就成了设计要点。能否解决这些技术问题是护岸能否应用于防洪工程的关键。
4.1 浆砌块石挡墙形式
浆砌块石挡墙形式见图2, 设计顶宽0.50 m, 护岸墙身用M10水泥砂浆和质量为50 kg～100 kg的块石 (在水中浸透后的强度不低于50 MPa) 浆砌而成。护岸设置有变形缝[2], 缝宽为30 mm (缝中填设沥青麻丝或沥青木板等柔性材料, 沿内外顶三方填塞, 深度不小于150 mm) 。护岸排水孔按等边三角形布置, 为防止排水孔堵塞, 反滤层必须使用透水性材料[2]。护岸背后填料为掺入30%的块石或石渣黏性土 (填料中的树根、树皮等杂物应清除) , 回填应待墙身砌体强度达到70%的设计强度方可进行分层夯实, 同时在护岸处碾压时不得有太大施工荷载。为防止发生渗流管涌, 确保堤身安全稳定, 并在碎石垫层上部铺设块石垫层护脚[2], 再浇筑混凝土垫层, 同时护岸设有墙趾台阶, 高度1.00 m, 顶宽0.50 m。
4.2 设计验算
为检验护岸的稳定性, 设计时使用北京理正岩土计算软件进行验算, 得出护岸稳定验算统计表 (见表2) 。
5结语
1) CFG桩属高粘强度桩, 可全桩长发挥侧阻, 桩端落在好的土层时可发挥端阻, 能获得较高的承载力和桩身质量, 还可以通过设置褥垫层来调节桩间土变形, 使桩间土的强度得到充分发挥。CFG桩复合地基, 具有地基承载力提高幅度大、降低地基土压缩性、地基变形小及处理效果理想的特点。
2) 开挖基槽施工方面, CFG桩无需开挖基槽即可达到成桩 (高出设计顶标高不小于0.50 m) , 再放坡开挖至标高-2.50 m即可进行下步施工;管桩须开挖基槽至标高-5.35 m施打, 再进行钢筋混凝土沉箱安放填砂, 形成L形挡墙基础, 无形中增加了工作量和造价, 增大江侧钢板桩的围堰难度。
3) 采用浆砌块石挡墙, 可以充分利用当地材料和施工条件, 具有施工进度快、占地面积小及稳定性好等优点。缺点是基底应力不平衡, 墙趾部位的基底应力远大于墙踵的基底应力。而钢筋混凝土沉箱+L形挡墙方案, 底板必须有足够的宽度, 否则基底应力仍很大, 而且耗钢量也大, 造价颇高, 墙体又为立模现浇, 施工不易。
CFG桩加固地基+浆砌块石挡墙方案, 节省了成本, 缩短了工期, 降低了施工难度, 得到了工程各方的好评, 取得了很好的经济效益和社会效益。
摘要：结合工程实例, 对重力式护岸设计的两种方案进行了对比分析, 得出了选择CFG桩处理地基土形成复合地基+浆砌块石挡墙形成防洪重力式护岸相结合的方案, 可节省成本, 缩短工期, 降低施工难度的结论, 为类似工程设计提供参考。
关键词：CFG桩,软土地基,浆砌块石,重力式护岸
参考文献
[1]JGJ 79-2002, 建筑地基处理技术规范[S].
软土地基减沉复合疏桩基础设计 篇8
减沉桩设计为变形控制设计方法, 主要对存在深厚软土层的多层建筑的绝对沉降和整体倾斜、挠曲和结构支点间的差异沉降进行控制。减沉桩的工作机理很复杂, 其受力性状与常规桩距的桩基础有明显的不同, 对此目前还研究得不够, 尤其现场实际试验资料不多, 学术上有不同的观点, 争论焦点之一是在正常使用条件下, 减沉桩是在承载力特征值还是在极限承载力下工作或在两者之间工作。
通过减沉桩模型试验和有限元分析认为, 桩在80%~90%的单桩极限承载力下工作, 建议桩承载力按0.9Qu设计 (Qu为单桩极限承载力) , 按单桩极限承载力设计复合桩基可为充分发挥承台底地基土的直接承载作用创造条件;当浅基础 (承台) 产生一定沉降时, 桩能充分发挥并始终保持其全部极限承载力, 即有足够的“韧性”;文章提出上海地区可令桩发挥极限承载力的桩与承台摩擦桩基础的设计建议;上海市工程建设标准DGJ08-11-1999《地基基础设计规划》规定, 复合桩基、桩和土共同作用, 当荷载达群桩极限状态时, 荷载全部由桩承担, 地基土不承受荷载, 当荷载超过极限承载力时, 超过的部分由基底地基土承担。该工程减沉桩复合桩基设计采用《建筑桩基技术规范》 (JGJ94—2008) 中的设计方法, 基底附加压力按总荷载扣除单桩承载力特征值进行计算。
2 工程概况
某3层办公楼, 建筑面积1600m2, 框架结构, 上部结构荷载效应基本组合设计值32442k N, 基础埋深0.9m, 地下水位0.9m, 采用梁板式筏型基础, 平面尺寸39.24m×17.4m, 板厚250mm, 纵向地基梁500mm×650mm和500mm×800mm, 横向地基梁400mm×600mm, 基础平面见图1, 承台构造见图2。
工程所在场地土层分布较单一, 共有3个岩土工程单元层和2个亚层, 层 (1) 1为填土层, 其他物理力学指标见表1。
3 天然地基沉降计算
(1) 基底平均压力为:
式中Fk为荷载效应标准组合值。
(2) 软弱下卧层承载力按下式验算:
式中:pz为软弱下卧层顶面附加压力;pcz为软弱下卧层顶面自重压力, pcz=2413k Pa;faz为经深度修正软弱下卧层承载力特征值, faz=62.6k Pa;pc为基础底面处自重压力, pc=17.1k Pa;Z为基础底面至软弱下卧层顶面距, Z=0.8m;θ为扩散角, 由Z/b=0.8/17.4=0.05, Es1/Es2=8.1/2.2=3.7, 故θ=0°。计算得:
pz+pcz=36.1+24.3=60.4k Pa≤faz=62.6k Pa满足要求。
(3) 按分层总和法计算筏板基础沉降:
式中:ψs为沉降计算经验系数, 根据地基规范由 查表得ψs=1.1;p0为荷载效应准永久组合的平均附加压力, p0=33k Pa;Esi为基底下第i层土压缩模量 为承台等效面积角点平均附加应力系数;zi, zi-1为承台底至第i, i-1层土底面距离。最终计算得出s=254.4mm。
4 减沉桩复合疏桩基础设计和沉降计算
由上述计算结果可知, 采用天然地基的筏板基础的基底压力和软弱下卧层承载力验算均满足要求, 但沉降s=254.4mm, 已超过各地规范规定的地基变形容许值:上海规范规定, 多层框架结构天然地基筏板基础中心点容许沉降为15~20cm;天津规范规定, 多层建筑容许沉降值为10~15cm;北京规范规定, 多层建筑框架结构长期最大容许沉降量为3~12cm。
为减少筏基沉降, 采用减沉复合疏桩基础, 即在每一根柱下各布设一根预制桩, 桩截面250×250, 桩长21m, 桩端持力层为层 (3) 含角砾粉质粘土, 总桩数44根。
根据表1中的参数, 单桩承载力特征值为:
减沉复合疏桩基础底板中点最终沉降由两部分组成:一是基础底面土在附加压力作用下的压缩变形的沉降ss, 二是桩对土影响产生的沉降ssp。
式中ψ为沉降计算经验系数, 无当地经验ψ取1.0。
由于基础底面桩和土的沉降是相等的, 式 (1) 是通过计算桩间土沉降的方法计算基底中点最终沉降量。
4.1 基底地基土附加压力产生的沉降ss
基底地基土附加压力产生的沉降ss, 是按Bouissinesg解计算土中附加应力, 由单向压缩分层总和法计算:
承台等效宽度为:
式中:Ac为承台底净面积;B, L分别为承台基础平面的宽度和长度。经计算
根据荷载效应准永久组合计算假想天然地基平均附加压力p0
式中:ηp为基桩刺入变形影响系数, 取1.2;F为荷载效应准永久组合荷载值, F=33918k N;n为桩数, n=44。计算得出p0=30.6k Pa。
基底附加压力作用下的沉降计算见表2。
注:L/B=2.3。
满足σz=0.1σc确定的沉降计算深度zn=15m, 由基底地基土附加压力作用下产生的筏板基础中点沉降ss=131.3mm。
4.2 桩对土影响产生的沉降ssp
因减沉桩端阻力相对较小, 同时l/d=84 (d为桩径) , 单桩沉降受桩端持力层性状影响不大, 所以忽略端阻力对基底地基土沉降的影响, 仅考虑桩侧阻力引起桩周土的沉降。按剪切位移传递法计算, 当软土层桩侧剪切位移影响半径按8d考虑时, 可得到ssp的简化公式:
式中 分别为桩身范围内按厚度加权极限侧阻力和平均压缩模量;d为桩身直径, 方桩d=1.25b (b为单桩截面边长) ;Sd/d为等效距径比, 方桩 经计算
故减沉复合疏桩筏基中点沉降为:
s=ψ (ss+ssp) =1.0× (131.8+3.8) =135.6mm。所以减沉复合疏桩筏基比筏板天然地基中点沉降 (254.4mm) 减小47%, 且沉降值满足规范要求。
5 结论
(1) 该办公楼周边有多层住宅楼, 道路下有自来水管线, 当采用常规的预应力管桩或预制方桩时, 无论是锤击法或静压法沉桩都将产生挤土效应, 挤土范围达1~1.5倍桩长, 所以要设置应力释放孔等减少挤土效应, 同时设置测斜孔监测深层土体位移来控制打桩速率, 就会增加工程造价。而减沉桩桩间距很大, 达15.2d~16.4d, 大大减少了挤土效应, 甚至可不用考虑桩施工的挤土效应。
(2) 该工程与采用常规桩基比较, 采用减沉复合桩基可减少桩数30%, 降低造价35% (含防挤土措施和监测费用) 。
(3) 减沉复合桩基可根据各场地的不同、建设类别的差异选用适合的桩型, 如建筑软土地基可采用小直径预制桩、混凝土灌注桩、高压旋喷桩等;道路、场地软土地基可采用碎石桩。
摘要：对于软土地基的多层建筑, 当采用天然地基浅基础时, 一般地基承载力可以满足要求, 但沉降多数超过允许值。一幢3层办公楼, 当采用筏板基础时, 计算基础中点沉降达254.4mm, 当基础下设置少量减沉桩后其沉降减至135.6mm, 表明多层建筑采用减沉复合疏桩基础可以减少房屋沉降, 同时工程基础造价与桩基础比较节省约33%。
关键词：减沉桩,复合桩基,沉降计算,软土地基
参考文献
[1]黄绍铭, 高大钊.软土地基与地下工程 (第二版) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.
[2]上海市工程建设标准.DGJ08—11—1999地基基础设计规范[S].
[3]JGJ94—2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2007.
[4]天津市工程建设标准.DB29—20—2002岩土工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
[5]JGJP8—2007建筑变形测量规范[S].
城市道路软土地基处理设计探究 篇9
城市道路软基处理设计是一个很复杂的问题, 需从技术和经济效益进行比较、分析。方案的选择主要取决于以下几个方面:①设计标准;②地质条件;③新材料、新工艺的应用;④工期进度要求等。所以, 软基设计需对各方面因素综合分析比较, 以求得最佳的设计方案。
2 设计标准
道路设计标准应根据对所建道路的等级、预测交通量、开发时序等基础上综合论证。
设计标准主要有稳定标准、沉降标准等。稳定标准是指要保证施工期或营运期路堤不产生滑移破坏, 一般用安全系数指标控制。沉降标准是指沉降对路堤的影响, 一般用工后沉降指标控制。工后沉降量影响着整个工程的工期和质量, 本文主要对沉降标准进行讨论。
工后沉降指施工完毕直至沉降稳定这段时间内的沉降量。工后沉降指标国内外是有所差异的, 不同国家、同一国家在不同时期, 均采用不同的沉降标准。
2.1 工后沉降要求
按正常的施工程序, 按现行城市道路规范道路工后沉降需满足表1要求。
2.2 降低沉降标准, 加强养护维修
有人认为, 我国城市道路建成初期车速低、交通量小;道路建成后加强养护的投资比做大量软基处理的投资要少得多。由此, 适当降低沉降标准, 加强道路养护维修, 将减少工程费用和加快工期进度。
2.3 分期修建
分期修建是指软土路基分阶段建设。先做好路基及路面基层, 在基层上做简单的表处, 以维护一般的通车, 待路基稳定后再作面层。
采用这一方案的效益在于:①可将软基处理方案由复杂变为简单, 从而减少处理费用;②分期投入建设资金, 可缓解资金不足的压力。
3 硬壳层作用
在我国沿海及内陆平原地区的软土地基上, 广泛分布有厚度不等的硬壳层, 硬壳层是在软土地基的表层形成的厚度不大但性质较好的粘土层。
3.1 硬壳层的“壳体效应”
在荷载作用下, 硬壳层与下面的软土层形成整体的承力系统。使它具有了类似于板体的作用, 这种作用即为硬壳层的“壳体效应”。壳体效应使外荷载传到较大范围的软土层上, 使其附加应力变小, 且分布更均匀, 范围更大。
3.2 硬壳层的封闭作用
硬壳层相对软土层是一种类似板体的结构, 它不仅能将其承受的荷载传递到较大的面积上去, 同时对下卧软土层的变形具有较大的封闭作用。
在硬壳层厚度不变的情况下, 荷载越大, 封闭作用越好。
3.3 硬壳层对沉降的滞后作用
有人认为硬壳层对沉降有滞后作用, 他们认为硬壳层延缓了沉降速率, 因而对沉降不利。因为硬壳层有支撑作用, 随着时间的推移, 形成沉降盆, 其支撑作用相应减弱。如果填土荷载大, 硬壳层较薄, 沉降盆破坏了硬壳层的支撑力, 这时滞后效应将会较为明显;相反, 如果硬壳层较厚, 填土荷载小, 支撑作用将会是主要的。实际上大多数情况硬壳层较厚, 上部填土荷载较小, 沉降盆对支撑作用的破坏较小, 所以滞后效应是不明显的。
3.4 硬壳层的工程应用
在长沙市黄桥大道道路工程设计过程中, 根据地勘报告显示在K3+560-K3+620、K5+420-K5+500、K10+260-K10+320段上面覆盖0.6~1m植物层, 其下为2.5~3.5米粉质粘土层, 再往下为1.5~2.5m淤泥质粘土层。设计采用清除植物层后在粘土层整平压实, 然后分层填筑素土至设计路基顶。按照传统方案, 需清除粉质粘土层后再清除淤泥质粘土层, 该方案大大节约了工程投资。在该项目竣工通车一年后对上述三段路基工后沉降进行了测量, 均小于3cm, 满足设计要求。
4 土工格室作用
土工格室是由强化的HDPE片材料, 经高强力焊接而形成的一种三维网状格室材料。它伸缩自如, 运输时可缩叠起来, 使用时张开充填土石或混凝土料, 构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体。被广泛应用于软基处理、边坡防护、挡土墙、桥头跳车处理等等。
采用土工格室处理软基时, 先在软基顶部铺设一层碎石垫层, 再铺设土工格室, 填充碎石或混凝土料, 压实后在顶部设超高层, 使其形成刚度大, 整体性好的立体结构层, 如图1所示。
土工格室加固软土地基的作用机理主要体现在以下几个方面:
(1) 侧向约束力效应
以往平面加筋材料 (如土工格栅) 主要通过与土体的接触面摩擦给土体提供侧向约束力, 达到提高土体强度, 加固软基的目的。土工格室给填充其内的碎石提供了更强大的侧向约束力和竖向摩擦力, 如图2所示。格室材料的抗拉强度决定侧向约束力的大小。假定结构体在受力过程中体积不变, 根据橡皮膜理论计算该侧向约束力如下:
式中, M为格室材料模量, 单位KN/m;d0为格室初始直径;ε0为格室允许轴向应变。因土工格室的侧向限制而使填料增加的强度可称为“视粘聚力”, 表示如下:
因土工格室抗拉强度极大, 该侧向约束力大大超过平面加筋材料的摩擦力。
(2) 网兜效应
在外力作用下, 土工格室结构体会形成凹曲面, 凹面上填土对结构体向下的压力大于凹面下土体向上的反力, 超出的这部分力由土工格室提供的向上的托举力Pt平衡:
托举力增强了土体承受荷载的能力, 减小了软基的沉降, 力学上称为“网兜效应”。
(3) 应力扩散效应
土工格室比粘土具有较大的应力扩散角, 能够有效扩散上部路堤传来的荷载。同时, 填充其内的碎石与格室紧密结合, 相互作用, 构成了一个具有相当大的抗拉、抗弯和抗剪强度的复合体, 这种复合体具有将外部荷载向路堤两侧转移, 均化应力分布、降低应力峰值的功能。
5 软土地基桥台与路堤差异沉降处理
桥台基础一般采用桩基础, 其工后沉降量较小, 而路堤压缩沉降量较大。从力学性质上讲, 两者具有明显的刚度差别, 从而在使用中产生差异沉降。特别是在软土路基, 差异沉降会更大。由此引起路基沉陷、桥头跳车等病害。
人们为此采取多种措施, 例如对桥台路堤采用排水固结、深层搅拌、强夯及挤密碎石桩等进行加固处理。这些处理方法虽能取得一定效果, 但仍不尽如人意。近年来, 一些国家在解决桥背填筑时采用EPS材料填筑台背路堤, 对降低台背与路基的差异沉降取得了较好的成效。
EPS是聚苯乙烯泡沫的简称。它具有密度小、抗老化、自立性强、施工方便、快捷等优点, 它的独特性能愈来愈受到土木工程界的亲睐。
5.1 EPS材料基本特性
(1) 微结构特性。EPS材料各个颗粒之间具有相互连通的空隙, 空隙占EPS材料体积的98%以上, 它的这种特殊结构形式, 使它具有密度小、保温隔热等特点。
(2) 密度。EPS材料密度随发泡率变化, 发泡率越大, 密度越小。作为工程中使用的EPS密度一般介于15~30kg/m3, 为普通道路填料的1%~2%。
(3) 压缩强度。EPS压缩特性与土不同, 土为均质或非均质的散体材料, 而它可视为均质的固体材料。就工程而言, EPS材料压缩强度在100-350kpa之间, 容重越大, 强度越高。
(4) 耐久性。EPS在水和土中化学性质稳定, 不会被微生物分解。
(5) 摩擦特性。EPS与砂土之间摩擦系数为0.8;EPS与混凝土之间摩擦系数为0.7;EPS与EPS之间摩擦系数为0.5;EPS与粘土之间摩擦角为45℃。
5.2 软基桥台台背填筑EPS的理论分析
将EPS块体作为路基填筑材料, 可以有效地减小填土自重。其设计构思为:将EPS块体代替填土叠置在地基上, 因EPS密度比填土小很多, 这样就可减少地基上的附加应力。所以在路基填筑前, 先要开挖一定深度, 卸除一部分地基的自重应力, 这种方法称为应力补偿法。
(1) 断面设计。如图3所示, 先将地基开挖一定深度, 在开挖面上铺设砂垫层, 将砂垫层整平压实后叠置EPS块体, 到接近路面结构层时铺设混凝土, 起压重作用, 同时可以抵抗地下水对EPS的浮力, 还可使路面车辆荷载得以分散。
(2) 软弱地基开挖深度确定。根据应力补偿原则, 开挖的软弱地基土重量应大于或等于开挖后填筑的EPS层、混凝土层和路面结构相加的重量。假设软弱地基的容重为γ1, 开挖深度为H;EPS层的容重为γ2, 填筑高度为H+h;路面面层材料容重为γ3, 厚度为h1;路面基层材料容重为γ4, 厚度为h2;混凝土板的容重为γ5, 厚度为h3。由下式可以确定开挖深度H。
(3) 路面结构设计。EPS层上面的路面结构可按多层体系弹性理论进行计算。首先, 混凝土层的厚度和弹性模量对EPS块体的应力、变形影响很大。所以, 进行EPS层上的路面结构设计, 先应确定混凝土层的厚度, 而其厚度则根据EPS填充层的强度特性决定。其次, EPS块的密度和弹性模量对路面沉降量计算影响较大, 亦是设计时需要考虑的。
参考文献
[1]董剑, 软土地基上硬壳层效应分析及其工程应用[J], 路基工程, 2006 (4)
[2]赵明华, 土工格室+碎石垫层结构体的稳定性分析, 湖南大学学报, 2003, 30 (2)
[3]高燕希, 软弱地基桥台台背填筑EPS的结构分析, 中国公路学报, 2003, 16 (3)
[4]王福胜, 高等级道路软基设计中的一些问题, 华东公路, 1995, 第2期
【软土地基基础设计管理】推荐阅读：
公路软土地基路基设计06-16
软土地基基础设计方法论文06-15
公路软土地基处理管理11-07
路软土地基10-17
深厚软土地基06-17
淤泥软土地基09-17
软土地基沉降11-20
滨海软土地基12-10
公路软土地基处置10-15
软土地基加固措施05-14