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1、地基预处理技术在饱和软土中的地基预处理技术在饱和软土中的研究与应用研究与应用 广州大学广州大学张季超张季超 教授教授2006.10.172006.10.17 中国建筑学会地基基础分会中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会年学术年会地基预处理技术在饱和软土中的研究与应用地基预处理技术在饱和软土中的研究与应用1.引言2.工程概况与地质条件3.工程灾害分析研究4.饱和软土地基预处理技术试验、加固机理及设计方法研究5.饱和软土微结构试验研究总结6.动静结合排水固结法软基预处理技术施工总结7.工程试验及检测8.结论9.隔震技术介绍1.引言l珠江三角洲地区普遍存在饱和软土层：珠江三角洲地区普遍存在饱和
2、软土层：特点特点l厚度较大厚度较大l淤泥含水量高淤泥含水量高l孔隙比大孔隙比大l压缩性高压缩性高l土体强度及承载力均较低土体强度及承载力均较低l抗震性能差抗震性能差l存在震陷和砂土液化等不利因素存在震陷和砂土液化等不利因素工程事故工程事故延长建设工期延长建设工期增加投资等增加投资等l预处理预处理l提高地基承载力和水平约束力提高地基承载力和水平约束力l减少工后沉降减少工后沉降l保证后续工程的施工保证后续工程的施工l缩短工期、减少工程造价等缩短工期、减少工程造价等2. 工程概况及地质条件工程概况及地质条件 广东科学中心是省广东科学中心是省政府投资兴建的大型公政府投资兴建的大型公益性科普教育基地，总
3、益性科普教育基地，总投资投资1919亿元，是广东省亿元，是广东省首批首批“十大工程十大工程”项目项目之一，是科教文卫界的之一，是科教文卫界的重点工程。重点工程。 其建设地点选址在广州大学城小谷围岛西部的弯嘴头围，规划占地453900m2，除绿地面积(103511m2)外，包括科学中心主馆、学术交流中心、入口广场、停车场、水下层区、室外展场在内的场地面积约为350000m2。广东科学中心建成后将成为广州市的一个标志性建筑，成为我省“建设经济强省、文化大省”战略的窗口，成为我省“弘扬科学精神，传播科学思想，培养科学方法，普及科学知识”的的重要阵地，成为我省科普与观光的理想去处。 广东科学中心主体建
4、筑平面分为A、B、C、D、E、F、G七个区（见图1），本次研究对象是主体场馆E区常设展厅部分，其形状及位置如图2所示。 图1 主体建筑平面分区图 图2 试验区空间位置图 广东科学中心的原始地貌广东科学中心的原始地貌 3. 3. 工程灾害分析研究工程灾害分析研究 3.1 区域工程背景与环境岩土工程研究 本着“大处着眼、小处着手、注重基础、科学可行、密切结合工程实际”的原则，课题组将环境岩土工程的宏观评价和微观分析方法有机结合，首先就自然地理与区域环境条件、气象水文条件、地形地貌、地质构造及区域稳定性、岩土层分布及其特征、水文地质条件、灾害预测及其区域环境岩土问题以及区域背景与工程适宜性评价进行了
5、论述与分析，为本工程项目的设计与施工奠定了基础。 小谷围岛局部地区内最为突出的特点是基岩埋藏深、冲积小谷围岛局部地区内最为突出的特点是基岩埋藏深、冲积层厚、地下水位高、地基承载力较低，是建设中需着重考虑的。层厚、地下水位高、地基承载力较低，是建设中需着重考虑的。岛内已发的地质灾害有崩塌、软土地基变形和地下水污染，可岛内已发的地质灾害有崩塌、软土地基变形和地下水污染，可能发生砂土液化、震陷及水土流失等，其主导因素是软弱土。能发生砂土液化、震陷及水土流失等，其主导因素是软弱土。 广州大学城的地理位置广州大学城的地理位置 广东科学中心和十高校的用地规划广东科学中心和十高校的用地规划 淤泥质土厚度变化
6、平面图淤泥质土厚度变化平面图断裂变化分布图断裂变化分布图砂土液化分布图砂土液化分布图地震地质灾害分布图地震地质灾害分布图抗震不利地段分布图抗震不利地段分布图3.2 3.2 广东科学中心的环境岩土工程问题研究广东科学中心的环境岩土工程问题研究 课题组针对广东科学中心工程建设中所存在的环境岩土工程问题，就饱和软土地基与地面沉降、砂土液化及其治理、地震灾害、基坑开挖与边坡稳定、地表淤泥处理等方面分别进行了较为充分的分析、研究与论证。l饱和软土地基与地面沉降饱和软土地基与地面沉降l基坑开挖与边坡稳定基坑开挖与边坡稳定l砂土液化砂土液化l地震灾害地震灾害l地基预处理地基预处理l合理的排水系统合理的排水系
7、统l抗震隔震措施抗震隔震措施l“吹砂填淤、填土挤淤、吹砂填淤、填土挤淤、化淤为土、混土为料化淤为土、混土为料”l地表淤泥处理地表淤泥处理2004年6月10日照片广东科学中心地质情况广东科学中心地质情况挖机作业出现事故挖机作业出现事故广东科学中心详勘水面钻孔作业广东科学中心详勘水面钻孔作业1广东科学中心详勘水面钻孔作业广东科学中心详勘水面钻孔作业22004年6月10日照片 吹砂后，水面杂草多吹砂后，水面杂草多吹填砂吹填砂- 路边北面区，排不了水路边北面区，排不了水湖区的吹砂情况湖区的吹砂情况 广场位置吹砂情况广场位置吹砂情况3.3 场地工程地质特点 (1)软土层厚度较大； (2) 淤泥含水量高，
8、孔隙比大，压缩性高，土体强 度及承载力均较低； (3) 抗震性能差，存在震陷和砂土液化； (4) 地下水对混凝土结构具有中等腐蚀性； (5) 渗透性较好。3. 工程灾害分析研究工程灾害分析研究上述工程地质情况表明，该场地存在下列上述工程地质情况表明，该场地存在下列环境岩土工程问题环境岩土工程问题 ： 软土的固结变形问题软土的固结变形问题 主体场馆的地基加固问题主体场馆的地基加固问题 消除地基液化问题消除地基液化问题 基坑开挖支护问题基坑开挖支护问题 地表淤泥处理及利用问题地表淤泥处理及利用问题4. 饱和软土地基预处理技术试验、加固机理及设计方法研究4. 4. 饱和软土地基预处理技术试验、加固机
9、理及设饱和软土地基预处理技术试验、加固机理及设计方法研究计方法研究问题问题综合分析判断、调研、科学论证综合分析判断、调研、科学论证广东科学中心建设场地地基处理与监测建议广东科学中心建设场地地基处理与监测建议方案论证，通过审查方案论证，通过审查试验区科学试验试验区科学试验提出地基处理预处理技术提出地基处理预处理技术设计、施工、监测与检测设计、施工、监测与检测4.1 研究过程研究过程4.2 方案论证及造价对比方案论证及造价对比采用动静结合排水固结法处理广东科学中心饱和软土地基工程广东科学中心鸟瞰图广东科学中心鸟瞰图 强夯强夯试验试验区区4.3 科学试验科学试验 课题组选取了具有代表性的拟建停车场内
10、面积为课题组选取了具有代表性的拟建停车场内面积为1600m1600m2 2的场地作为本次动静结合排水固结法的施工试的场地作为本次动静结合排水固结法的施工试验区，进行科学试验研究。经研究，将验区，进行科学试验研究。经研究，将1600 m1600 m2 2施工试施工试验区分成验区分成1 1、2 2、3 3、4 4、5 5五个试验区，分别采用不同的五个试验区，分别采用不同的动力固结法施工工艺，通过现场监测和夯后试验，检动力固结法施工工艺，通过现场监测和夯后试验，检验处理前后效果以对比各种工艺的处理效果，选出最验处理前后效果以对比各种工艺的处理效果，选出最优的施工工艺参数。夯区平面布置见图。优的施工工
11、艺参数。夯区平面布置见图。. . 试验方案试验方案动力排水固结法处理试验工程区平面布置图动力排水固结法处理试验工程区平面布置图 将施工试验区分成5个试验区，分别采用不同的动力固结法施工工艺。即分别采用夯区内或夯区外填土推平的前提条件下，其它强夯参数为：点夯三遍，单点夯击击数6击，夯击能依次加大，夯击能分别为800kNm、1000kNm、1200kNm，每遍夯击的收锤标准以6击总沉降量不大于1300mm为准；最后满夯一遍，低能量，夯击能为800kNm，挨点梅花形夯打锤印搭接1/3。 具体参数具体参数4.3 科学试验科学试验 在初步确定试夯区施工方案时，因考虑表层土为1.5m厚的冲填砂层，透水性较
12、好，故未在周边设置排水沟及集水井进行抽水。在进行一试区试夯，夯至34击时，夯坑内出现大量水且消散缓慢。由于大量水份的存在，降低了单击夯击能量，减弱了夯击能量的传递，影响了施工质量。经分析是因为本次动力排水固结法试夯施工于2004年6月26日开始至7月17日结束，施工时正处于雨季，地表水较多，加上本场地靠近珠江，地下水补给丰富，且在表土层冲填砂施工时所带来的高水量造成的。 为此本课题组分析研究后，采取了以下措施： 在各夯区周边设置排水沟，排水沟深度应低于起夯面1.5m，并每隔20m设置集水井，安装抽水机进行强制排水。 从施工过程及效果检测来看，这一措施对试夯成功尤为重要。本次试夯排水措施做得较好
13、的试夯4区、5区，经强夯后的土工参数及承载力均有较明显的提高。. .试验区施工过程中遇到的问题试验区施工过程中遇到的问题 . .现场监测及夯后试验现场监测及夯后试验 现场监测现场监测 现场监测采取的方法:孔隙水压力监测、分层沉降监测、测斜监测、土压力监测、地面沉降监测及夯区周边土体隆起状况监测、夯沉量监测等。观测点布置见图2。夯后试验夯后试验 本次动力排水固结法施工试验后共进行了钻孔取土样，进行室内常规土工试验、静载试验、静力触探及十字板剪切试验、标准贯入试验等。 图图 2 动力排水固结法处理试验工程区现场检测平面平面布置图动力排水固结法处理试验工程区现场检测平面平面布置图 试验结果整理与成果
14、分析试验结果整理与成果分析典型孔隙水压力与时间关系曲线图典型孔隙水压力与时间关系曲线图 1区测斜监测成果图 2区测斜监测成果图 l夯击能1000kNml夯击能1200kNml夯击能800kNm通过试验可得如下结论：动力排水固结法施工过程中两遍夯击之间的间隔时间有较大缩短；夯后土的物理力学性能指标和地基承载力均有较大幅度提高，上部软弱土层得到了排水固结；深部砂层液化得到了明显的改善。4.3 科学试验科学试验4.4 地基预处理技术地基预处理技术在试验的基础上，提出“吹砂填淤、动静结合、分区处理，少击多遍、逐级加能、双向排水”的饱和淤泥质砂土地基预处理新技术，即在分区处理基础上确立了“以不破坏土体宏
15、观结构”为原则，通过双向排水有效抑制超孔隙水压力的上升，加速超孔隙水压力的消散，从而达到提高软土地基承载力、降低工后沉降为目的的动静结合排水固结新技术。 设计场地分为两大部分，分别采用动力排水固结法及堆载预压排水固结法进行分区处理。 第一部分为动力排水固结区，总面积约为17万平方米；第二部分为超载预压区，总面积约为21.7万平方米。 动力排水固结区可细分为两大区域，其中第一区域为室外道路、停车场部分即动力排水固结1区；第二区域为主体结构部分，并根据主体结构地坪的标高分为动力排水固结2区，动力排水固结3区，动力排水固结4区等分区进行处理。l分区处理分区处理l双向排水双向排水具体分区处理参数具体分
16、区处理参数动力排水固结动力排水固结1区：点夯三遍，满夯一遍，夯击能分别区：点夯三遍，满夯一遍，夯击能分别为为800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm，夯点间距夯点间距5.0m，6击总夯沉量不大于击总夯沉量不大于1300mm； 动力排水固结动力排水固结2区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别为为800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距，夯点间距5.0m，8击总夯沉量不大于击总夯沉量不大于1600mm； 动力排水固结动力排水固结3区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别为为800k
17、Nm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距，夯点间距5.0m，8击总夯沉量不大于击总夯沉量不大于1600mm； 动力排水固结动力排水固结4区：点夯四遍，满夯二遍，夯击能分别区：点夯四遍，满夯二遍，夯击能分别为为800kNm、800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距，夯点间距5.0m，6击总夯沉量击总夯沉量不大于不大于1300mm。 5. 饱和软土微结构试验研究总结5. 5. 饱和软土微结构试验研究总结饱和软土微结构试验研究总结 为了进一步了解饱和软土地基采用“吹砂填淤、动静结合、分区处理，少击多遍、逐级加能、双向排水”的
18、技术预处理后的效果，加深饱和软土地基预处理技术的基础理论研究，课题组结合广东科学中心软弱地基预处理的实践，首次采用液氮真空冷冻制样技术、喷金镀膜技术、扫描电子显微技术和计算机图像处理技术，对动力排水固结处理前后饱和软土微结构进行了试验研究。微结构定量研究技术路线图微结构定量研究技术路线图5.1 饱和软土微结构分析技术饱和软土微结构分析技术（1 1）液氮真空冷冻制样仪）液氮真空冷冻制样仪）液氮真空冷冻制样仪）液氮真空冷冻制样仪5.1 饱和软土微结构分析技术饱和软土微结构分析技术（2）饱和软土试样扫描电镜技术）饱和软土试样扫描电镜技术 将样品掰开，选择平整断面用导电胶沾在特制的样品托板上，编号。将
19、样品放进真空蒸发镀膜仪喷镀金膜，使金粉均匀附在样品表面。样品喷金处理后，使用中科院广州地球化学研究所扫描电镜室的日本新型Hitachi S3500N型扫描电镜，分别拍摄了3000倍和300倍放大倍数的数码照片共95幅，拍摄时选择自然掰断的断面(没有受到扰动)，先在较高放大倍数下找到典型的结构单元体，再逐步降低放大倍数拍摄，以保证所得图像的清晰度。 （3）饱和软土微结构图像处理技术）饱和软土微结构图像处理技术 图像预处理 图像分析 图像三值化 图 像 分 割 图 像 筛 选 边 缘 提 取 结构参数检测 图图2-12 蜂窝状结构照片蜂窝状结构照片图图2-13 骨架状结构照片骨架状结构照片图图2-
20、14 结合结构照片结合结构照片5.2 定量研究定量研究饱和软土的微结构的变化饱和软土的微结构的变化 经动力排水固结预处理后，微结构连接更为紧密，微结构基本单元由紊流状排列向定向排列转化，其中夯点变化明显强于夯间。球状或朵状的碎屑集聚体分布于大孔隙中或颗粒边缘处，呈镶嵌式排列，饱和软土变得更为密实。 强夯前微结构图（强夯前微结构图（3000） 强夯后微结构图（强夯后微结构图（3000） 夯区内微结构（夯区内微结构（3000） 夯区外微结构（夯区外微结构（3000） 夯点、夯间和夯区外饱和软土的孔隙特性的变化夯点、夯间和夯区外饱和软土的孔隙特性的变化 采用动力排水固结法对广东科学中心试验区饱和软土
21、地基进行预处理后，土体的孔隙特征均发生了变化：从夯区外夯间夯点，大孔隙数目明显减少，孔径趋向于变小，与此同时，微孔隙数目和大小变化幅度较小。 夯点软土微结构图（3000） 夯间软土微结构图（3000） 施工工艺对饱和软土微结构的影响施工工艺对饱和软土微结构的影响孔隙特性的定量研究孔隙特性的定量研究 22 2 2 从夯区外从夯区外夯间夯间夯点，岩土的孔隙率、夯点，岩土的孔隙率、孔隙的总面积孔隙的总面积( (m m2 2) )、孔隙数目、孔隙平均面积、孔隙数目、孔隙平均面积、孔隙平均直径和孔隙平均周长降低，而孔隙的复杂孔隙平均直径和孔隙平均周长降低，而孔隙的复杂度增加，说明经动力排水固结处理后软土
22、的微结构度增加，说明经动力排水固结处理后软土的微结构发生了变化，软土结构变得更加密实。发生了变化，软土结构变得更加密实。 夯区内与夯区外软土的微结构类型不同，夯区内与夯区外软土的微结构类型不同，夯区外保持了岩土的蜂窝状或骨架结构，夯区内夯区外保持了岩土的蜂窝状或骨架结构，夯区内微结构呈现紊流变形定向排列，其中夯点变形大微结构呈现紊流变形定向排列，其中夯点变形大于夯间。于夯间。5.2 定量研究定量研究 对于同一动力排水固结区，不同深度对于同一动力排水固结区，不同深度岩土微结构特性不同，可能受到砂土成分与性岩土微结构特性不同，可能受到砂土成分与性质、受力传递差异的制约。但在相同深度范围质、受力传递
23、差异的制约。但在相同深度范围内，夯点比夯间的岩土微结构要紧密。内，夯点比夯间的岩土微结构要紧密。 在不同动力排水固结区的同一深度处，在不同动力排水固结区的同一深度处，夯区外、夯间、夯点的软土微结构具有相似的夯区外、夯间、夯点的软土微结构具有相似的变化曲线，但差异较大。其中，变化曲线，但差异较大。其中，3 3、4 4区的动力区的动力排水固结处理后微结构最紧密，排水固结处理后微结构最紧密，5 5区次之，区次之，1 1、2 2区最差。区最差。5.2 定量研究定量研究（2）动力排水固结处理后，饱和软土孔隙度与压缩模量关系）动力排水固结处理后，饱和软土孔隙度与压缩模量关系（1）动力排水固结处理前，饱和软
24、土微结构参数与压缩模量间无线性回归关系）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参数与压缩模量间无线性回归关系当显著性水平取为当显著性水平取为0.05时时压缩模量压缩模量5.3 5.3 饱和软土工程性质指标与微结构参数的相关性分析饱和软土工程性质指标与微结构参数的相关性分析 （2）动力排水固结处理后，孔隙数目、孔隙度与内聚力的线性回归关系）动力排水固结处理后，孔隙数目、孔隙度与内聚力的线性回归关系 孔隙数目与内聚力呈现正相关关系，即随着孔隙数目的减小，内聚力也呈现减小的趋势。所以，在外界各种因素（包括外界压力等）的作用下，随着孔隙数目的减小，饱和软土的可压缩性将逐渐变小；孔隙度与内聚力呈现负相关性，
25、即孔隙度越大，内聚力越小。内聚力内聚力当显著性水平取为当显著性水平取为0.05时时（1）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参数与内聚力无线性回归关系）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参数与内聚力无线性回归关系（3）饱和软土孔隙数目、孔隙度与内聚力的线性回归关系）饱和软土孔隙数目、孔隙度与内聚力的线性回归关系（2）动力排水固结处理后，孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系）动力排水固结处理后，孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系内摩擦角内摩擦角当显著性水平取为当显著性水平取为0.05时时（1）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参数与内摩擦角无线性回归关系）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参数与内摩
26、擦角无线性回归关系（2）动力排水固结处理后，孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系）动力排水固结处理后，孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系内摩擦角内摩擦角当显著性水平取为当显著性水平取为0.05时时（1）动力排水固结处理前，孔隙分布分维与内摩擦角无线性回归关系）动力排水固结处理前，孔隙分布分维与内摩擦角无线性回归关系（3）饱和软土）饱和软土孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系孔隙复杂度与内摩擦角的线性回归关系6. 动静结合排水固结法软基预处理技术施工总结6.“6.“动静结合排水固结法动静结合排水固结法”软基预处理技术工总软基预处理技术工总结结广东科学中心地基处理工程首次采用“吹砂填淤、动静结合、分区
27、处理，少击多遍、逐级加能、双向排水”的饱和软土地基预处理新技术施工。为了确保施工达到预期的效果，结合施工现场条件和设计要求，经过多个试验段的试验与检验，在施工程序、排水措施、施工参数、堆载方案等几个关键施工环节取得突破，使得软土地基预处理新技术的应用能够实现。 6.1 6.1 确定合理的动力排水固结法（强夯确定合理的动力排水固结法（强夯法）施工程序：法）施工程序： 吹砂吹砂 竖向排水带施工竖向排水带施工 施工分区施工分区排水沟施工排水沟施工 三三四遍逐级加能强夯施工四遍逐级加能强夯施工 一一二遍低能满夯二遍低能满夯 6.2 6.2 在一个动力排水固结区内，分区（约在一个动力排水固结区内，分区（
28、约20m20m 30m30m划分一个分区）设置排水沟和集水井抽水可划分一个分区）设置排水沟和集水井抽水可加速强夯后的孔隙水压消散。加速强夯后的孔隙水压消散。6.“6.“动静结合排水固结法动静结合排水固结法”软基预处理技术工总软基预处理技术工总结结6.“6.“动静结合排水固结法动静结合排水固结法”软基预处理技术施工总软基预处理技术施工总结结 6.3 6.3 确定适合软土地基强夯的施工参数确定适合软土地基强夯的施工参数 通过反复试验研究，确定的基本施工参数为：锤底采用通过反复试验研究，确定的基本施工参数为：锤底采用圆形，直径圆形，直径D=2.1m，底面积，底面积A=3.14m2，锤重分别为，锤重分别为13t和和15t；夯点按；夯点按5.05.0 m方形布置，隔点夯击，点夯三方形布置，隔点夯击，点夯三四遍，四遍，单点夯击击数单点夯击击数68击，夯击能依次加大，夯击能分别为击，夯击能依次加大，夯击能分别为800kNm、1050 kNm、1300kNm，每遍夯击的收锤标，每遍夯击的收锤标准以准以6（8）击总沉降量不大于）击总沉降量不大于1300mm（1600mm）为准；）为准；最后满夯一遍，低能量，夯击能为最后满夯一遍，低能量，夯击能为800kNm，挨点梅花形，挨点梅花形夯打，锤印搭接夯打，锤印搭接1/3。
