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1、地基预处理技术在饱和软土中的 研究与应用,广州大学 张季超 教授 2006.10.17,中国建筑学会地基基础分会2006年学术年会,地基预处理技术在饱和软土中的研究与应用,引言 工程概况与地质条件 工程灾害分析研究 饱和软土地基预处理技术试验、加固机理及设计方法研究 饱和软土微结构试验研究总结 动静结合排水固结法软基预处理技术施工总结 工程试验及检测 结论 隔震技术介绍,1.引言,珠江三角洲地区普遍存在饱和软土层：,特点,厚度较大,淤泥含水量高,孔隙比大,压缩性高,土体强度及承载力均较低,抗震性能差,存在震陷和砂土液化等不利因素,工程事故 延长建设工期 增加投资等,预处理,提高地基承载力和水平
2、约束力,减少工后沉降,保证后续工程的施工,缩短工期、减少工程造价等,2. 工程概况及地质条件,广东科学中心是省政府投资兴建的大型公益性科普教育基地，总投资19亿元，是广东省首批“十大工程”项目之一，是科教文卫界的重点工程。,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
3、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,3. 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
4、程适宜性评价进行了论述与分析，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,广东科学中心和十高校的用地规划,淤泥质土厚度变化平面图,断裂变化分布图,砂土液化分布图,地震地质灾害分布图,抗震不利地段分布图,3.2 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
5、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。,饱和软土地基与地面沉降,基坑开挖与边坡稳定,砂土液化,地震灾害,地基预处理 合理的排水系统,抗震隔震措施,“吹砂填淤、填土挤淤、化淤为土、混土为料”,地表淤泥处理,2004年6月10日照片,广东科学中心地质情况,挖机作业出现事故,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2,2004年6月10日照片,吹砂后，水面杂草多,吹填砂- 路边北面区，排不了水,湖区的吹砂情况,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，孔隙比大，压缩性高，土体强 度及承载力均较低； (3)
6、 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,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 ：, 软土的固结变形问题 主体场馆的地基加固问题 消除地基液化问题 基坑开挖支护问题 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. 饱和软土地基预处理技术试验、加固机理及设计方法研究,问题,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,方案论证，通过审查,试验区科学试验,提出地基处理预处理技术,设计、施工、监测与检测,4.1 研究过程,4.2 方案论证
7、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,强夯试验区,4.3 科学试验,课题组选取了具有代表性的拟建停车场内面积为1600m2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1600 m2施工试验区分成1、2、3、4、5五个试验区，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。,. 试验方案,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
8、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,4.3 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
9、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,.现场监测及夯后试验, 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、
10、夯沉量监测等。观测点布置见图2。 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 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,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,1区测斜监测成果图,2区测斜监测成果图,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,4.4 地基预处理技术,在试验的基础上，提出“吹砂填淤、动静结合
11、、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
12、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。,分区处理,双向排水,具体分区处理参数,动力排水固结1区：点夯三遍，满夯一遍，夯击能分别为800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm，夯点间距5.0m，6击总夯沉量不大于1300mm； 动力排水固结2区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别为800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距5.0m，8击总夯沉量不大于1600mm； 动力排水固结3区：点夯三遍，满夯二遍，夯击能分别为800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距5.0m，8击总夯沉量不大于16
13、00mm； 动力排水固结4区：点夯四遍，满夯二遍，夯击能分别为800kNm、800kNm、1050kNm、1300kNm、800kNm、800kNm，夯点间距5.0m，6击总夯沉量不大于1300mm。,5. 饱和软土微结构试验研究总结,5. 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
14、究。,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,（1）液氮真空冷冻制样仪,5.1 饱和软土微结构分析技术,（2）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,
15、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2-12 蜂窝状结构照片,图2-13 骨架状结构照片,图2-14 结合结构照片,5.2 定量研究,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（3000）,强夯后微结构图（3000）,夯区内微结构（3000）,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,采用动力排水固结法对广东科学
16、中心试验区饱和软土地基进行预处理后，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,孔隙特性的定量研究,2,2,2,2, 从夯区外夯间夯点，岩土的孔隙率、孔隙的总面积(m2)、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。, 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，夯区内微结构呈现紊流变形定向排列，
17、其中夯点变形大于夯间。,5.2 定量研究, 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质、受力传递差异的制约。但在相同深度范围内，夯点比夯间的岩土微结构要紧密。, 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变化曲线，但差异较大。其中，3、4区的动力排水固结处理后微结构最紧密，5区次之，1、2区最差。,5.2 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,（1）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0.05时,压缩模量,5.3 饱和软土工程性质指标与微结构参数的相关性分析
18、,（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,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，即孔隙度越大，内聚力越小。,内聚力,当显著性水平取为0.05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,（3）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,内摩擦角,当显著性水平取为0.05时,（1）动力排水固结处理前，饱和软土微结构参
19、数与内摩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,内摩擦角,当显著性水平取为0.05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,（3）饱和软土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.“动静结合排水固结法”软基预处理技术工总结,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
20、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 确定合理的动力排水固结法（强夯法）施工程序： 吹砂 竖向排水带施工 施工分区排水沟施工 三四遍逐级加能强夯施工 一二遍低能满夯,6.2 在一个动力排水固结区内，分区（约20m 30m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。,6.“动静结合排水固结法”软基预处理技术工总结,6.“动静结合排水固结法”软基预处理技术施工总结,6.3 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：锤底采用圆形，直径D=2.1m，底面积A=3.14m2，锤重分别为13t和15t；夯点按5.05.0 m方形布置，隔点夯击，点夯三四遍，单点夯击击数68击，夯击能依次加大，夯击能分别为800kNm、1050 kNm、1300kNm，每遍夯击的收锤标准以6（8）击总沉降量不大于1300mm（1600mm）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。,