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岩土工程加固技术

/strengthening techniques for geotechnical engineering/
条目作者李利平姚国文
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李利平

姚国文

姚国文

最后更新 2023-04-28
浏览 180
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运用各种技术和方法,对穿越各类不良复杂地质区域的隧道、边坡、地基等岩土工程采取的加固稳定处理措施。

英文名称
strengthening techniques for geotechnical engineering
所属学科
土木工程

岩土工程加固是岩土工程的重要组成部分,广泛应用在隧道、地基、边坡等大型岩土工程中,包括隧道工程加固技术、边坡工程加固技术、地基工程加固技术等。

隧道运营期间,针对各种病害和损伤,可加固隧道的衬砌、围岩、隧底与洞口等组成部分,以提高结构的长期服役性能、降低全寿命周期的运维成本。

隧道工程加固技术包括衬砌加固技术、围岩注浆加固技术、换拱加固技术、隧底加固技术、洞口工程加固技术、冻害处治技术、特殊地质地段处治技术。

指采用黏贴纤维复合材料、黏贴钢板(带)、喷射混凝土、嵌入钢架、锚杆、套拱等措施提高原衬砌结构承载能力的方法。①黏贴纤维复合材料法,适用于当衬砌网状开裂或因受拉而开裂并趋于稳定,原衬砌混凝土实际强度不低于C20的局部衬砌加固。②黏贴钢板(带)法,适用于衬砌局部脱落或强度、厚度不足,隧道净空富余量较小,原衬砌混凝土实际强度不低于C20的局部衬砌加固。③喷射混凝土法,适用于衬砌局部裂损或强度、厚度不足时的衬砌加固。④嵌入钢架法,适用于衬砌裂损严重、承载力不足、净空余量较小的素混凝土衬砌加固。⑤锚杆加固,适用于地质条件适宜情况下衬砌开裂、错台等病害的加固。⑥套拱加固法,适用于隧道结构裂损严重或衬砌大面积裂化、剥落病害的衬砌加固。

通过对围岩或衬砌背后缺陷区域压注浆液、提高整体受力性能的加固方法。注浆加固法适用于围岩松弛及衬砌背后空洞引起的衬砌开裂、变形、渗漏水等病害的处治。

对原衬砌拱墙结构整体或局部拆除后重新施工的加固方法。换拱加固技术适用于隧道衬砌开裂、错台、变形、裂化严重,对原衬砌进行加固仍不满足使用要求的状况。换拱加固技术可分为整体换拱和局部衬砌更换,应结合衬砌病害类型、程度、范围选用。

清除隧道基底软化围岩、虚渣及不合格的仰拱填料后,回填混凝土等材料对隧底进行加固的方法。隧底加固技术适用于隧底出现底鼓、不均匀沉降、翻浆冒泥、路面渗水等病害的处治。

因隧道洞顶仰坡以上存在落石、滚石、崩塌、滑坡、泥石流、雪崩、水害等现象,可能危及隧道洞口安全,故需对隧道洞口工程进行加固。洞口工程加固技术主要包括洞门结构加固、洞口边仰坡和洞口安全影响区出现病害时的加固。其中,洞门边仰坡加固适用于坡面破损、局部垮塌和坡体失稳等病害的处治。洞口安全影响区加固主要包括落石、滚石、崩塌、滑坡、泥石流、雪崩、风吹雪、水害等危及洞口安全的病害处治。

主要适用于由于气候寒冷引起的隧道衬砌壁面挂冰、路面结冰、衬砌剥落等病害处治。处治措施主要分为隔热防冻法、加热防冻法和保温排水法等。

主要适用于膨胀岩、黄土、岩溶、采空区、腐蚀性、有害气体等特殊地质引起的病害处治。特殊地质地段处治应结合隧道病害范围、程度,结合特殊地质的分布、性质等特征,确定加固方案。

施工预加固技术指在隧道工程开挖过程中,针对不良地质和围岩采用一定的加固技术进行预加固。主要有以下几种:

在隧道工程埋深较浅,围岩破碎,节理裂隙发育,其自稳能力差,难以形成平衡拱效应,大管棚施工时出现成孔困难、卡钻、塌孔现象,通过注浆管将浆液均匀地注入地层中,浆液以填充、渗透和挤密等方式,赶走碎石土及岩体裂隙中的水分和空气后占据其位置,使双浆液在劈裂的孔隙或裂隙中混合并迅速凝结,形成结石体,使原来松散围岩胶结成一个整体,改善隧道成拱稳定的条件,从而达到保证工程安全及顺利掘进的目的。

隧道施工的特殊不良地质情况有坡面溜坍体且围岩软弱时,可采用锚网喷对地表进行预加固。即在隧道通过溜塌体范围内,向四周延伸一定距离打设注浆锚杆并紧贴隧道壁挂钢筋网,两者采用焊接连接。然后喷15厘米厚的混凝土,喷混凝土采用湿喷工艺,严格按施工配合比。

当隧道浅埋穿越极软弱破碎围岩时,此种浅埋段若采用大开挖,则施工土石量会增大且开挖后新洞口须采取系统加固成本会很高。当采用洞内开挖时,防洞顶坍塌安全问题又是施工的最主要的问题,必须有可靠的预支护措施。此时,除在隧道顶部地表进行地表预加固之后,洞内可采用多层超前小导管注水泥浆进行预加固,导管的长度和间距要经过严格计算予以确定。

隧道位于断层破碎带中,且破碎严重,并挤压、揉皱现象发育,岩层片理产水紊乱、基岩裂隙水发良、隧道围岩很差时,对于此种地质若预加固不当则极易造成洞内大面积坍塌,以致造成人身伤害和工程量的加大。这种情况下应在隧道的拱部打设超前小导管并注水泥-水玻璃双液浆进行预支护,同时加强止水作用。这时一定要保证注浆时间和注浆量。

拱部围岩为页岩、砂岩夹页岩、砂页岩互层时,由于页岩易风化,开挖后强度降低较快,尤其是中厚层、薄层页岩,开挖排险后应立即进行初喷混凝土施工封闭围岩。除厚层砂岩外,拱部施作大张角的超前砂浆锚杆对掌子面前方开挖循环内岩体进行预加固。当隧道施工情况复杂时,如隧道上下立体交叉或围岩完整性欠佳时,影响段内的隧道应加强加固,可在喷锚支护的基础上增加格珊支护或钢架。

随着国家公路、铁路、水电等基础建设的发展,出现了大量裸露的岩土边坡,产生了严重的水土流失现象,既破坏了生态环境,又严重危及基础设施建设的安全。随着对边坡稳定的研究不断深入,边坡稳定的治理已出现了极大进步。

边坡工程加固技术主要有滑动体加固技术、坍塌体加固技术、崩塌体加固技术、坡面加固技术等。

滑坡体可以是整体,也可以是由几大块组成,一般后壁呈圈椅状,其前缘多呈外凸地形。对于已经滑动破坏的边坡,一般采用减重卸载、截排地下水、补偿抗滑力和提高滑带强度等途径进行加固。与地下水活动关系密切的滑坡,截排地下水可能是最为经济有效的对策。

坍塌是坡体松弛带内岩土体整体强度不足以维持自重而变形,自外向里逐次坍塌。每次坍塌都有新的破裂面,而非沿着某一固定贯通的软弱面破坏。针对坍塌体的加固可分为3种:①以支挡工程恢复侧向抗力,防止松弛。②改良土质,提高岩土体强度。③加强截排水,消减地下水对岩土体的软化作用。

在高陡边坡上,不论是由结构面分割的硬岩、黄土、半成岩的堆积体,还是下伏软弱层被冲刷剥蚀掏空的厚层岩石,发生与母体分离的倾倒、翻转、滚落现象均为崩塌。对于滑动体超出滑床而坠落的滑动型崩塌,以防止和限制滑动为要。对于悬空岩体折断坠落的折断型崩塌,除清除危岩之外,以支撑和锚固为主。对于被垂直裂隙分割的岩土体发生的倾倒型崩塌,以消除水平作用力和限制侧向位移为主。对于直立岩土柱因自重荷载造成下部岩土体被压溃而塌落的溃错型崩塌,以施加侧向约束、限制旁溃为主。

坡面破坏的方式主要有坡面松动岩块的坠落、坡面暴露岩石的风化剥落、坡面松散颗粒在饱和状态下发生碎屑流和泥流以及表面径流的冲蚀。坡面防护的途径主要为固定和截排水。坡面固定措施有挂网、喷播植草、骨架和砌体护坡。坡面截排水设施包括截水明沟、坡面盲沟、泄水孔、急流槽和拦水梗。

常用的边坡工程加固方法与技术措施包括以下几个内容:

岩土锚固技术是通过埋设在岩土体中的锚杆,将结构物与岩土体紧紧地联锁在一起,依赖锚杆与岩土体的抗剪强度传递结构物的拉力或使岩土体自身得到加固,以保持结构物和岩土体的稳定。与完全依靠自身强度、重力而使结构物保持稳定的传统方法相比,岩土锚固技术尤其是预应力锚固技术具有许多鲜明的特点。

碎石桩是软土地基加固处理的常用措施。边坡工程中人工填土以下的坡体基本饱和,土体组成物质力学指标较低,加之地下水的作用,在填土前已处于极限稳定状态,坡顶填土加荷后,易使坡体平衡失稳下滑,而坡体地形相对较缓,主要表现为蠕滑变形,后缘出现圆弧形拉裂缝,边坡滑动表现为多级多层滑动。可从增强边坡自身稳定能力的角度考虑,通过提高土体自身的力学性质,将抗剪强度较低的土体替换为强度较高的碎石。具体采用碾压堆石压坡方案,以回填堆石压坡增稳为主,局部辅以振冲碎石桩置换。

预应力锚索抗滑桩是一种有效的整治滑坡的手段,改变了普通抗滑桩的悬臂锚固梁柱结构为近似弹性支座简支梁柱结构,桩身受力状态更趋合理,并具有主动加固滑坡体的作用和功能,在同等边坡受力条件下,预应力抗滑桩比普通抗滑桩可以节约工程造价约15%~30%,是一种具有广泛发展前途的新一代抗滑结构。

软土地基的主要特征是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小,在荷载作用下地基承载力低、变形大、不均匀变形也大,且变形稳定历时较长,自然排水固结历时较长,工后变形较大,因此进行合理的地基加固处理十分重要。

采用抗滑桩联合土工格室加固岸坡,即在传统抗滑桩加固岸坡的基础上,于坡顶或一定深度处的土中水平铺上一层或多层土工格室,并将其和抗滑桩相交处固定连接,以此利用土工格室和抗滑桩、土的相互作用联合加固岸坡。

植被护坡是利用植被涵水固土的原理稳定岩土边坡的同时美化生态环境的一种新技术,是涉及岩土工程、恢复生态学、植物学、土壤肥料学等多学科于一体的综合工程技术。由于植被的根系有一定的影响范围,一般小于2米,因此植被护坡只能防护浅层不稳定的边坡,植被覆盖良好的边坡比裸露的边坡出现滑坡的频率要低。

对于不适合植被生长的高陡边坡和岩质边坡,通常采用工程防护措施。通常采用的防护形式主要包括浆砌片石、灰浆抹面、喷混凝土面层和挂网锚喷等。此类方法加固边坡较牢固,防治效果明显,但工程造价较高,不仅不能恢复植被,反而破坏了生态环境,与改善环境的主旨相违背。并且坡面、混凝土面层、挂网钢筋易受风、雨等自然因素的破坏,时间愈久,其护坡功效愈小。生态护坡指用活的植物或者植物与土木工程非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀,在坡面恢复或形成与周围景观相协调的生态系统。

地基是土建工程中的基础,承载着上部整个建筑结构的荷载,其施工质量直接关系到工程的正常使用与质量问题。因此要想保证土建工程的施工质量与使用质量,就需要从基础做起,通过地基加固技术来提高地基的稳定性与质量,从而保证建筑物各项功能的健康发挥。

地基工程加固技术主要有纠倾改造技术、移位加固技术、托换加固技术

为纠正建筑物倾斜,使之满足使用要求而采取的地基基础加固技术措施的总称。既有建筑纠倾加固方法可分为迫降纠倾和顶升纠倾两类。迫降纠倾是通过人工或机械的办法来调整地基土体固有的应力状态,使建筑物原来沉降较小侧的地基土土体应力增加,迫使土体产生新的竖向变形或侧向变形,使建筑物在短时间内沉降加剧,达到纠倾的目的。顶升纠倾是通过钢筋混凝土或砌体的结构托换加固技术,将建筑物的基础和上部结构沿某一特定的位置进行分离,采用钢筋混凝土进行加固、分段托换、形成全封闭的顶升托换梁(柱)体系。

为满足建筑物移位要求而采取的地基基础加固技术措施的总称。按移动方法可分为滚动移位方法和滑动移位方法,应优先采用滚动移位方法,滑动移位方法适用于小型建筑物。

通过在结构与基础间设置构件或在地基中设置构件,改变原地基和基础的受力状态进行地基基础加固的技术措施的总称。托换加固工程的设计应根据工程的结构类型、基础形式、荷载情况以及场地地基情况进行方案比选,分别采用整体托换、局部托换或托换与加强建筑物整体刚度相结合的设计方案。

常用的地基工程加固方法与技术措施包括以下几种:

在处理浅层地基的过程中,施工人员一般会采用换土加固技术。首先,需要将软弱土层彻底挖出,然后再填入结构相对较好的土壤或者其他材料,如石屑、煤渣、工业废物,将其制作成素土地基等,最后再采用相关机械设备或者人工的方式将其夯实,提高其密实度。这种方法在基坑面积较大的工程中非常适用,在处理软弱土层方面具有非常好的效果。换土加固方法的处理深度一般在2~3米,对于软弱土层、湿陷性黄土、季节性冻土等都有非常好的效果。

既有建筑增层根据增层改造的方法分为直接增层方法和外套结构增层方法。①直接增层方法,指在原有建筑物的主体结构上直接加高房屋,充分利用原建筑物结构及地基的承载能力,加层后的新荷载全部通过建筑物原承重结构(墙、柱、梁等构件)传至基础和地基的一种结构增层方法。直接增层适用于增加层数不多,基础增加的荷载不大,充分利用原基础的承载能力的建筑增层。②外套结构增层方法,指在原建筑物上外套框架结构或其他混凝土结构的总称,增层的荷载全部通过在原建筑物外新增设的(墙、柱等)外套结构传至新设置的基础和地基。当在原建筑物上要求增加的层数比较多,增加的荷载比较大,不能采用直接增层时,一般可以采用外套结构增层。

采取有效的措施来减小地基土体的孔隙比,尽量提高其密实度与强度,从而达到设计的要求。该施工技术主要有压实法、夯实法、强夯法等,其中强夯法是振密加固技术中最为常见的一种。

强夯法主要是对软土地基的深层土壤进行加固,随着机械夯实能量的不断增大,地基加固的深度也会不断加深。该方法采用的是大重量的重锤,从不同的高度自由落下,因产生过大的冲击力来压实地基,从而提高地基的强度与密实度,降低其本身的压缩性。这种方法在砂土、黏土、碎石等多种土壤中具有非常好的效果,能够有效提高地基的强度,以承载上部结构的荷载。

在实际施工过程中如果遇到软土地基,施工人员需要通过重力荷载将地基中多余的水分挤压出来,从而减小地基的压缩性,提高其密实度,这种方法也就是排水固结法。在采用这一方法进行施工的过程中,由于重力荷载的影响,软土地基中的水分会逐渐减少,而有效应力反会不断增加,以此提高其抗剪强度。施工人员一般是采用排水以及加压的方式进行施工。其中,在排水的过程中,施工人员可以将土壤的透水性充分利用起来,通过设置砂浆来提高软土地基的抗剪强度。

高利用高压泵通过特制的喷嘴把浆液(一般为水泥浆)喷射到土中,浆液喷射流依靠自身的巨大能量,把一定范围内的土层射穿,使原状土破坏,并因喷嘴做旋转运动,被浆液射流切削的土粒与浆液进行强制性的搅拌混合,待胶结硬化后,便形成新的结构,达到加固地基的目的。此法适用于粉质黏土、淤泥质土、新填土、饱和的粉细砂(即流砂层)及砂卵石层等的地基加固与补强。其方法有单管法、双重管法、三重管法及干喷法等。

水泥粉煤灰碎石桩(Cement Fly-ashGravel Pile; CFG)复合地基是一种加固软弱地基的常用方法。CFG桩是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的具有高黏结强度的刚性桩,它和桩间土、褥垫层一起形成复合地基,共同承担上部荷载。适用于黏性土、粉质土、粉细砂、淤泥质土等软弱地基的加固处理。此法因其费用低、工期短、施工方便、质量容易控制和适应性强等优点,成为应用最普遍的地基处理技术之一,已在中国得到了广泛应用。

桩-网复合地基是桩-网-土协同工作、桩土共同承担荷载的地基体系,它能充分调动桩、网、土三者的潜力。已有的研究及实践表明,桩-网复合地基特别适合于在天然软土地基上快速修筑路堤或堤坝类构筑物,能有效减少沉降量。

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