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地基处理技术在我国的发展

龚晓南

(浙江大学)

1引言
        地基处理技术在我国的应用可以追溯到很久以前,灰土垫层在我国的最早应用年代难以考证。随着土木工程的发展,地基处理技术也在不断发展。工程建设的需要促进了地基处理技术的不断发展。土木工程功能化,交通高速化,城市建设立体化,综合改善人居环境已成为现代土木工程的特征。1984年中国土木工程学会土力学及基础工程学会为了适应工程建设对地基处理技术发展的要求,在浙江大学成立地基处理学术委员会。20多年来,我国地基处理技术发展很快,在纪念中国土木工程学会土力学及基础工程分会成立五十周年之际,如何展望地基处理技术在我国的发展,如何进一步提高我国地基处理技术水平,是人们关心和重视的问题。本文分简要回顾、常用地基处理方法分类、学会主要工作、发展中应注意的问题、发展展望几个方面谈谈个人意见,抛砖引玉,不当之处,请同行指正。
2简要回顾
        表1给出几种地基处理方法在我国应用的最早年份。从表中可以看出大部分地基处理技术是改革开放后发展或引进的。为了适应工程建设发展的需要,高压喷射注浆法、振冲法、强夯法、深层搅拌法、土工合成材料、强夯置换法、EPS超轻质填料法等许多地基处理技术从国外引进,并在实践中发展;许多已经在我国得到应用的地基处理技术,如排水固结法、土桩和灰土桩法、砂桩法等也得到不断发展、提高;近二十多年在工程实践中还发展了许多新的地基处理技术,如真空预压法、锚杆静压桩法、孔内夯扩碎石桩法、低强度桩复合地基法、刚性桩复合地基法等。近二十多年来,我国地基处理技术发展很快,主要反映在下述三个方面:

表1部分地基处理方法在我国应用最早年份
地基处理方法年份
普通砂井法50年代
真空预压法1980
袋装砂井法70年代
塑料排水带法1981
砂桩法50年代
土桩法50年代中
灰土桩60年代中
振冲法1977
强夯法1978
高压喷射注浆法1972
浆液深层搅拌法1977
粉体深层搅拌法1983
土工合成材料70年代末
强夯置换法1988
EPS超轻质填料法1995
低强度桩复合地基法1990
刚性桩复合地基法1981
锚杆静压桩法1982
掏土纠倾法60年代初
顶升纠倾法1986
树根桩法1981
沉管碎石桩法1987
石灰桩法1953

(1)地基处理技术水平提高和普及
        地基处理技术水平的提高和普及在我国发展都很快。地基处理技术水平提高反映在下述几个方面:为了满足土木工程建设对地基处理的要求,我国引进和发展了多种地基处理新技术。在引进处理方法的同时,也引进了新的处理机械,新的处理材料和新的施工工艺。到目前为止,可以说,国外有的地基处理方法,我国基本上都有。各地还因地制宜地发展了许多适合我国国情的地基处理技术,取得了良好的经济效益和社会效益,如低强度桩复合地基技术和孔内夯扩技术等;我国在地基综合处理能力方面提高很快。如在澳门机场建设中,综合应用了换填法、排水固结法、振冲挤密法和碾压法等多种处理技术;地基处理技术水平提高还反映在各种地基处理方法施工工艺不断完善,施工能力不断提高。
        近些年来,地基处理技术不断普及越来越多的土木工程技术人员了解和掌握了各种地基处理技术、地基处理设计方法、施工工艺、检测手段,并在实践中应用。与土木工程有关的高等院校、科研单位积极开展地基处理技术的研究、开发、推广和应用。从事地基处理的专业施工队伍不断增多。地基问题处理得恰当与否、关系到整个工程质量、投资和进度,其重要性已越来越多的被人们所认识。通过工程实践,人们对各种地基处理方法的优缺点有了进一步了解,选用合理的地基处理方法方面减少了盲目性。多数单位能够根据工程实际情况,因地制宜,选用技术先进、经济合理的地基处理方案,并能注意综合应用各种地基处理技术,使方案选用更为合理。
        由于工程实践需求的推动,地基处理领域的著作和刊物的出版,各种形式的学术讨论会、地基处理技术培训班的举行,促进了地基处理技术的普及,也促进了地基处理技术的不断提高。
(2)地基处理队伍不断扩大
        地基处理技术发展还反映在地基处理队伍的不断扩大。从事地基处理施工的专业队伍不断增加,很多土建施工单位也从事地基处理施工。除施工队伍外,从事地基处理机械生产的企业发展也很快。在地基处理施工机械方面,与国外的差距在逐步减小,并研制了许多新产品。从科研、设计、施工、检测几个环节的专业技术队伍已经形成,并发展壮大。
(3)地基处理理论的发展
        我国地基处理发展还反映在理论上的进步。探讨加固机理、改进施工机械和施工工艺、发展检验手段,提高处理效果,改进设计方法,每一种地基处理方法都在上述几个方面取得不少进展。以排水固结法为例,在竖向排水通道设置方面从普通砂井、到袋装砂井、到塑料排水带的应用,材料和施工工艺发展都很快;在理论方面,考虑井阻的砂井固结理论,超载预压对消除次固结变形的作用、真空预压固结理论、真空联合堆载预压加固理论,以及对塑料排水带的有效加固深度等方面研究取得了不少的进展。除了针对各种地基处理方法的理论研究得到发展外,对一般规律的研究也取得不少成果,如:复合地基理论、地基处理方法选用的人工智能辅助决策系统、地基处理方法选用多因素分析法等。特别是复合地基理论发展更快。复合地基概念从狭义复合地基发展到广义复合地基,形成了较系统的广义复合地基理论。对复合地基进行了合理的分类,研究了各类复合地基的形成条件,工作性状,研究了基础刚度对复合地基性状的影响。发展了按沉降控制复合地基设计和复合地基优化设计思路。复合地基理论的发展有效地推动了复合地基技术的工程应用,也有效促进了地基处理水平的提高。
        总之,地基处理技术在我国得到广泛的普及、地基处理水平得到不断提高。地基处理技术已得到土木工程界的各个部门,如勘察、设计、施工、监理、教学、科研和管理部门的关心和重视。地基处理技术的进步带来了巨大的经济效益和社会效益。应该说我国地基处理技术总体上达到世界先进水平。
3常用地基处理方法分类
        根据地基处理的加固原理,常用的地基处理方法可归纳分成下述六类:
        (1)置换
        置换是指用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中部分或全部软弱土或不良土,形成双层地基或复合地基,以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。
        主要包括下述地基处理方法:换土垫层法、强夯置换法、石灰桩法、EPS超轻质料填土法、挤淤置换法、褥垫层法等。
        应该指出:软粘土地基中以置换为主的振冲置换法、砂石桩(置换)法应慎用。主要缺点为加固后的地基工后沉降大,且加固后地基承载力提高幅度小。
        (2)排水固结
        排水固结是指地基土体在一定荷载作用下排水固结,土体孔隙比减小,抗剪强度提高,以达到提高地基承载力,减少工后沉降的目的。
        主要包括下述地基处理方法:加载预压法(竖向排水系统可采用普通砂井、袋装砂井和塑料排水带等,也可利用天然地基土体本身排水,不设人工设置的竖向排水通道、超载预压法(竖向排水系统设置方法同加载预压法,以下工法也相同)、真空预压法、真空预压联合堆载预压法、降低地下水位法和电渗法等。
        (3)灌入固化物
        灌入固化物是向地基中灌入或拌入水泥,或石灰,或其他化学固化材料,在地基中形成复合土体,以达到地基处理的目的。
        主要包括下述地基处理方法:深层搅拌法(包括浆液喷射和粉体喷射深层搅拌法)、高压喷射注浆法、渗入性灌浆法、劈裂灌浆法、挤密灌浆法、电动化学灌浆法等。
        (4)振密、挤密
        振密、挤密是指采用振动或挤密的方法使地基土体进一步密实以达到提高地基承载力和减少沉降的目的。
        主要包括下述地基处理方法:表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密砂桩法、挤密碎石桩法(包括振冲挤密碎石桩、振动沉管挤密碎石桩、冲锤成孔挤密碎石桩和干振成孔碎石桩等)、孔内夯扩挤密桩法、爆破挤密法、土桩和灰土桩法、以及夯实水泥土桩法等。
        应该指出,采用振密、挤密法加固地基一定要重视其适用性。
        (5)加筋
        加筋是地基中设置强度高、模量大的筋材,以达到提高地基承载力、减少沉降的目的。强度高、模量大的筋材可以是钢筋混凝土,低强度混凝土,也可以是土工合成材料等。
        主要包括下述地基处理方法:锚固法,加筋土法、土钉墙法、树根桩法、低强度桩复合地基法(包括CFG桩复合地基,低强度混凝土桩复合地基,二灰混凝土桩复合地基等)、刚性桩复合地基法。
        (6)冷热处理
        冷热处理是通过冻结,或焙烧、加热地基土体改变土体物理力学性质以达到地基处理的目的。
        主要包括下述地基处理方法:冻结法、烧结法。 对地基处理方法进行严格的统一分类是很困难的。不少地基处理方法具有多种加固机理,例如土桩和灰土体法既有挤密作用又有置换作用。上述分类是否合适,请读者指正。地基处理方法也可以按其它原则分类,如分成:物理方法,化学方法和生物方法等。又如:可分为浅层处理方法和深层处理方法。
4学会主要工作
        为了适应我国土木工程建设对地基处理技术发展的需要,1983年在武汉召开的中国土木工程学会第四届土力学及基础工程学术讨论会期间,中国土木工程学会土力学及基础工程学会决定成立地基处理学术委员会以加强地基处理领域的工作,并决定该学术委员会挂靠浙江大学。1984年春中国土木工程学会土力学及基础工程学会地基处理学术委员会在浙江大学成立。
        1984年地基处理学术委员会成立后,首先组织来自全国的地基处理专家编写《地基处理手册》和筹备召开第一届全国地基处理学术讨论会。《地基处理手册》于1988年正式出版,2000年出版第二版,2007年出版第三版,得到读者的欢迎和好评,发行已达12万册以上,为地基处理技术普及和提高作出了贡献。第一届全国地基处理学术讨论会于1986年10月12日在上海宝钢召开,来自全国约200位代表共同交流经验、体会,促进了地基处理水平的提高。
        至今己组织召开全国地基处理学术讨论会九次和全国性专项技术讨论会四次。除此外还与浙江大学土木工程学系自1990年起共同创办《地基处理》刊物,为全国地基处理同行总结、交流地基处理经验提供一个园地,受到普遍的欢迎。为了发挥学会技术密集的优势,更好地为工程建设服务,学会还经常组织多种形式的地基处理技术培训班,普及地基处理技术。
5发展中应注意的问题
        近二十多年来,我国地基处理技术得到很大的发展,为了进一步提高地基处理水平,反思发展中存在的问题是有好处的。笔者认为地基处理在发展中存在的问题主要有下述几个方面。
        (1)未能因地制宜合理选用处理方法
        在合理选用地基处理方法方面有时存在一定的盲目性。例如饱和软粘土地基不适宜采用振密、挤密法加固,但采用强夯加固软土地基未能成功的工程实例在10多年前时有报道,应该说现在认识基本统一了。根据工程地质条件和地基加固原理,因地制宜合理选用处理方法特别重要。在这方面,现在的问题是对几个技术上可行方案进行比较、优化不够。不少工程采用的地基处理方法不是较好的方法,更不是最好的方法。有时工程问题解决了,但钱和工期多化了,这样的工程实例不少。
        (2)不能正确评价每种地基处理方法的适用性
        人人都承认每种地基处理方法都有一定的适用范围,但遇到具体问题就会盲目扩大其应用范围,对这种情况施工单位和专利发明人更应注意。
        (3)施工单位素质差影响地基处理质量
        地基处理施工队伍的快速膨胀,使绝大多数施工队伍缺乏必要的技术培训,熟练技术工人缺乏是普遍现象。除此外,还存在偷工减料现象。
        施工队伍素质低与建设管理体制也有关系。现行体制重视总包单位是否具有高资质,而忽视对具体施工实体的资质考核与管理。于是难以形成熟练的专业化施工队伍。完成工程具体施工的一个个实体往往是分散、临时的。现行体制很难使这些实体转变成为熟练的专业化队伍。
        (4)施工机械简陋影响地基处理水平和质量         近二十多年来,我国地基处理施工机械发展很快,许多已形成系列化产品。但应看到与我国工程建设需要相比较,差距还很大。简陋的机械要保持稳定良好的施工质量是困难的。
        (5)地基处理理论落后于实践
        从实践-理论-再实践的角度看,实践先于理论是一般规律,对土木工程更是如此。但重视理论研究,用理论指导实践也是很重要的。对地基处理各种工法及一般理论缺乏深入、系统的研究也是发展中存在的问题。
        (6)不少工法缺乏完善的质量检验手段
        完善的质量检验手段是保证施工质量的重要措施。目前不少工法缺乏完善的质量检验手段。
6发展展望
        展望地基处理技术的发展,笔者认为应重视普及基础上的进一步提高。发展地基处理技术,应在提高上做文章。地基处理技术进一步发展应重视下述几个方面工作。
        (1)研制和引进地基处理新机械,提高各种工法的施工能力
        在土木工程建设中,与国外差距较大是施工机械能力。在地基处理领域情况也是如此。近几年虽有不小改进,但差距还是很大。随着综合国力提高,地基处理施工机械将会有较大的发展。笔者认为不仅要重视引进国外先进施工机械,也要重视研制国产先进施工机械。只有各种工法的施工机械能力有了较大提高,地基处理水平才能有较大提高。
        (2)加强理论研究,提高设计水平
        加强地基处理理论研究,一要加强一般理论研究。如复合地基计算理论,优化设计理论,按沉降控制设计理论等,也要加强各种工法加固地基的机理以及设计计算理论研究。
        这里特别要强调优化设计理论研究。地基处理优化设计包括两个层面:一是地基处理方法的合理选用;二是某一方法的优化设计。目前在这二个层面都存在较大的差距。许多地基处理设计停留在能够解决工程问题,而没有能做到合理选用和优化地基处理设计。地基处理优化设计领域发展潜力很大。
        (3)发展地基处理技术
        随着地基处理理论、地基处理材料、新机械和新工艺的发展,一定会产生地基处理新方法。发展地基处理新方法也是工程建设的需要。可以相信肯定会有一些新的地基处理方法在工程建设中得到应用。
        发展地基处理技术还包括发展地基处理新材料。
        (4)提高地基处理技术综合应用水平
        近几年,多种地基处理技术的综合应用得到重视和发展,多种地基处理技术的综合应用是很重要的方向,随着人们地基处理技术水平的提高,以后在综合应用方面肯定会较大发展。
        (5)发展地基处理测试技术
        地基处理测试技术包括各种地基处理工法本身的质量检验,以及地基处理效果的评价。发展地基处理测试技术,也有助于地基处理实现信息化施工。发展地基处理原位测试,现场试验,以及监测技术对提高地基处理技术水平有非常重要的意义,应予以重视。
        (6)深化施工管理体制改革,重视专业施工队伍建设
        地基处理施工专业性很强,一定要加强专业分工,加强专业施工队伍的培育、发展和提高。对每种工法的施工队伍不仅要求现场技术人员掌握地基处理理论和实践知识,而且对技术工人也应有一定要求。技术工人需要通过培训,对从事作业工法的加固机理、材料要求、加固工艺有较全面、系统的了解。通过定期考核,建设一大批相对固定、有资质的专业化地基处理施工队伍。
        地基处理领域是土木工程中非常活跃的领域,也是非常有挑战性的领域。挑战与机遇并存,可以相信在不远的将来,地基处理技术会在普及的基础上得到较大的提高,发展到一个新的水平。

参考文献
[1]地基处理手册编委会.地基处理手册.北京:中国建筑工业出版社,2000
[2]龚晓南主编.地基处理技术发展与展望.北京:中国建筑工业出版社,2004