软土土质条件下地基的加固机理与仿真试验研究

王述海

（科尔沁右翼前旗住房和城乡建设局，内蒙古 兴安盟 137400）

0 前言

在含水占比较高的情况下，软土土质一般表现出强度比价低、渗透性比较差、可压缩性比较高等突出特征。我国软土土质区域又大多是经济富庶地区、人口稠密地区，不可避免地要进行大量建筑施工作业。尤其是大型建筑的稳定性和安全性，很大程度上是由地基的稳定性决定的。在软土土质上建大型建筑，就必须要保证地基的稳定性和可靠性。鉴于软土土质的特殊性，常规的地基建造工艺是无法满足要求的，必须通过特殊的加固处理才能达到安全性指标。地基的加固处理一般包括4种技术手段：1）实现土壤固体颗粒物质的进一步压缩。2）实现土壤中液体水的压缩。3）排出土层孔隙中的气体。4）排出土层孔隙中的水分。而这4种技术手段，前两项能够实现土层的加固压缩量不足整体压缩量的2.5‰，因此主要加固处理应该从第三、四种技术手段着眼。对软土土质来说，土层孔隙中含气量非常低，所以软土土质下的地基加固，关键在于如何有效排出土层孔隙中的水分。该文将从这一角度入手探索软土地基的加固机理，进而通过仿真试验加以验证。

1 双向施压软土地基加固技术及其原理

1.1 垂直方向施加压力的地基加固原理

对软土土质来说，因为土层孔隙中含有较多的水，不仅会使土质变软，而且会导致地基植入后的不稳定。一个最直观的加固方法，就是将地基即将植入的土层压缩、夯实，而从土壤表面在垂直方向上施加压力，是最容易实现的加固手段。从垂直方向上施加压力，对软土土质的地基进行加固的原理如图1所示。

如图1所示，所施加的外力直接和土壤表层接触，通过调整力度，不断排挤土层孔隙中的水分，达到压缩夯实土壤、加固地基的效果。图1中平行向下的箭头表示垂直向下的压力。

图1 垂直方向上施加压力的软土土质地基加固原理

在加固作业处理过程中，垂直方向上的压力一般是由沙袋、石块、大型土方或特殊形状的构筑物来提供的。当这些重物作用在土壤表面时，土壤单位面积载荷迅速变大，产生超静水压力，挤压土层中的水分从孔隙中流出，达到排水加固的目的。

1.2 水平方向施加压力的地基加固原理

与垂直方向上施加压力的直观性不同，从水平方向上施加压力排出土层孔隙中的水分是不太容易想到的一种方法。对软土土壤来说，土层表面相对松软，在垂直方向上施加压力更容易达到排出土层孔隙水分的效果。但是对表层以下、相对较深的软土土壤来说，垂直方向上的持续压力也无法再达到更好的排水效果。对深层土壤来说，由于黏结水膜等隔离效果的存在，水平方向上存在相对凌乱、交错成网的水连通道。如果能够在水平方向上施加压力并配合有效的导引处理，就有可能排出软土土层中更多的水分。这就是水平方向上施加压力的地基加固原理，如图2所示。

图2中，所施加的水平方向压力作用于表层软土以下的相对较深的深层土壤，2组平行的双向箭头代表了水平压力的作用方向。在水平压力的径向作用下，深层软土图层孔隙中的水分被排出，进而在导引下流到地基加固区域以外。

图2 水平方向上施加压力的软土土质地基加固原理

在实际加固作业处理中，水平方向上的压力一般通过特制的压缩气囊产生。在地基加工的软土土壤区域中挖一些数量的深孔，将特制压缩气囊置于深孔中，然后对气囊不断加压供气，使气囊向外膨胀，形成对周边软土土层的水平压力，进而达到排水、压缩、夯实土壤以及加固地基的效果。

1.3 水平和垂直方向同时施加压力的地基加固原理

对大部分软土土质的建筑施工区域来说，表层土壤和深层土壤的排水压缩加固性能并不一致，因此该文提出一种双向施压的软土土质地基加固技术。该加固技术的基本原理是在软土土壤的深层植入特制气囊，通过打气使气囊膨胀产生水平压力，进而排出深层土壤孔隙中的水分；在软土土壤的表层覆盖重物，通过重物的重力产生垂直压力，进而排出表层土壤孔隙中水分。在水平和垂直2个方向上的综合压力效果，将实现更好的地基加固，为软土土质建筑施工提供更加有效的解决方案。双向施压软土土质地基加固技术的基本原理如图3所示。

图3 双向施压软土土质地基加固技术的原理

2 软土地基理论加固深度的计算

垂直方向施加压力的加固方法仅作用于软土土壤的表层，因此软土地基能够加固的最大理论深度就取决于水平方向施加压力能够深入的气囊深度。

即使在无限区域的土层，由于土层深度增加以及外加水平力的作用，土壤也会出现土层之间的滑移。而一旦土层滑移出现，土壤挤压、水分排出、地基加固都失去了意义。因此，需要计算水平方向施加压力的情况下，可以加固的最大理论深度。

根据土压力理论，土压力计算如公式（1）和公式（2）所示。

式中：P为主动土压力数值的大小，P为被动土压力数值的大小，为土壤重力，为土壤黏度，为土壤深度。

公式（2）中，被动土压力对应的参数为K，其计算如公式（3）所示。

在实际应用中，参数一般取15度，那么可以得到参数K的数值为3。同时，在现有技术条件下，深埋于软土土壤中的质量最好的气囊，可以承受大约1000 kPa的压强，那么可以推算出最大理论加固深度，如公式（4）所示。

根据公式（2）～公式（4）以及现场施工作业的系列经验数据，可以推算出软土深层加固的最大理论深度为15 m左右。

3 软土地基加固试验与试验结果分析

为了验证该文进行的软土土质条件下地基加固的原理，该文进行仿真试验研究。在实验室的既定条件下，无法真正地进行地基加固操作，因此用样土土壤模拟软土土质，用试验气囊模拟水平加固中的真正气囊。整个试验过程包括4个步骤：第一个步骤，软土土壤的样土调制；第二个步骤，试验气囊安装；第三个步骤，垂直压力和水平压力施加；第四个步骤，排水处理和数据记录。

3.1 软土土壤的样土调制

根据软土土质的土壤特点，将土壤和水分按一定比例进行调制，形成与真实软土土质关键参数基本相同或接近的样土土质。在调制过程中，充分考虑了土壤黏性以及土层孔隙的含水量等指标。样土土质固结，但松软、黏度大，达到了试验要求。在调制过程中还发现，受到试验环境中土壤量少、空气干燥等影响，样土中的水分会出现蒸发、流失的情况。因此，配套进行了样土养护，当测试样土含水量低于65%时，即进行喷淋以保持样土与真实软土土质的一致性。

3.2 试验气囊安装

受到试验条件的限制，用于施加水平压力的气囊不能采用真实大小的气囊，此处采用既定比例缩放的特制试验气囊，作为真实大小气囊的替代品。试验气囊由橡胶材料制成，最大可承受约750 kPa的压力。试验气囊在加压充气状态下，呈现出标准的圆柱形。随着充气量不断加大，试验气囊最大直径可以达到10 cm，试验气囊最大高度可以达到40cm。在试验箱体内，共安放9个试验气囊，如图4所示。从图4中可以看出，软土土壤试验箱体内，共安放了9个试验气囊，这9个试验气囊在箱体空间内均匀放置，以达到均匀施加水平压力、排出土壤水分的效果。试验中，每个气囊有通气管与充气加压装置相连。

图4 试验中的气囊配置

3.3 施加垂直压力和水平压力

为了施加水平方向上的压力，通过安装好的9个气囊充气加压即可，这样可以模拟真实情况下的深层土壤的土层孔隙排水效果。为了施加垂直方向上的压力，在试验中，在土壤表层上覆盖50 cm厚的方形沙箱，形状正好与试验箱体的内腔大小一致。这样，就同时模拟了水平方向施压和垂直方向施压的效果。

3.4 排水处理和数据记录

在表层沙箱和深层试验气囊的综合作用下，试验箱体内的软土土壤同时受到了水平压力和垂直压力的双重作用，土壤中土层孔隙中的水分会被排出。为了有效引导这些水流出箱体，分别在箱体侧面配置3个排水管，效果如图5所示。

为了直观地比较双向施压排水法的效果，分别采取只采用垂直方向压力、只采用水平方向压力的排水加固方法作为该文方法的参照，并记录试验数据，结果见表1。从表1中的数据可以看出，该方法对软土土质的排水效果最好，同一时刻下排水量明显多于其他两种方法。只在垂直方向上施加压力的排水方法，在第5个采样时刻后，排水量趋于饱和，这是软土上方逐渐被压实的结果。相比较来说，水平方向上压力的排水方法，排水效果会更持久一些。

表1 3种方法排水量的试验记录

在试验过程中，按照时间和参数的调整记录试验数据。相关结果证实了该文双向施压加固方法的有效性，可以用于软土土壤区域建筑施工的技术转化。在实际中应用该文的研究成果，要注意以下3个细节：1）整个地基加固区域要比实际硬件区域扩大30%以上，以保证建筑地基夯入后周边土质的稳定性。2）排水区域的水平方向施压气囊排布，可以按照图5中的结果成比例缩放，保证良好的排水效果。3）排水处理要保证足够的排水周期，充分去除软土土质中的水分，使土质具有更好的稳定性。

图5 试验中的排水处理

4 结论

我国软土土质的土壤大多分布在经济富庶、人口稠密的地区，如何在这些地区完成大型建筑施工工作成为建筑行业的一个难题。为此，该文以软土土质为研究对象提出了在软土条件下进行地基加固处理的技术方法，该方法在土壤表层执行垂直加压排水的处理、在土壤深层执行水平加压排水的处理，通过双向加压达到更好的软土土质排水。在理论分析之后，该文进一步分析了实际情况下的软土土壤地基加固最大理论深度，进行试验。试验中，在软土土壤箱体内配置了9个试验气囊以提供水平压力，在试验箱体顶部放置沙箱以提供垂直压力，再在试验箱体侧壁配置3个排水管，以达到土层孔隙水分的有效排出的效果。试验过程和试验结果，证实了该文的双向施压排水法的有效性，可以用于软土土质条件下的地基加固处理。