岩土工程:深基坑改造的类型与方法

作者:

克里斯托弗·沃纳梅克
更新日期:

2022年7月24日

Chris是一名注册专业土木工程师，在过去十年中参与了300多个公共和私人项目。

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在现代社会，建造更大更好的建筑的压力越来越大，以满足商业和城市化人口的需求。为了站得高而稳定，更大的结构需要更大的基础，而基础又依赖于坚固、密集和稳定的地面。在世界上的许多地方，地面的自然条件根本不适合放置大型建筑物。因此，有必要采用各种方法来修改和改善地面，以便在其之上建立高性能的基础。

今天，岩土工程师已经发明了一些技术，可以成功地提高各种类型的土壤在显著深度的结构完整性，以努力满足新的建设的需求。这些创新方法中的每一种都有不同范围的适用性、成本和对特定场地条件的适用性。在这篇文章中，我将讨论岩土工程师用来为重型地基、高层建筑和其他需要坚固和稳定基础的基础设施准备地基的9种不同方法。

深度动态压实(DDC)

这种地面改善方法使用起重机将重物(10到170吨)从高达85英尺的高度投到地面上。重物以网格模式下落，通常间隔6到40英尺。重量对地面的影响产生低频能量波，移动和震动土壤，造成压缩和致密化。最大改善深度通常在70英尺至100英尺左右，最大致密化发生在有效深度的1/2左右。

DDC最适用于饱和砂和粉质砂，但如果某些细粒土位于地下水位以上，仍可进行改进。DDC还可以帮助处理湿陷性土壤或具有大空隙的土壤地层(如喀斯特)。采用深层动力压实也可降低土壤的液化潜力。

这种方法有几个优点，即它是一种低成本的改善土壤性质的方法。这种方法也不一定需要经过专门训练的工人来做。一些缺点包括改善的有效深度相对较浅(通常为30至35英尺)，以及由于较大的地面振动可能损坏附近的建筑物和基础设施。

下面的视频包含了一些关于深度动态压实的重要信息:

Vibro-compaction / Vibro-flotation

这种改善地面的方法使用大型起重机/卡车将振动探头下放到地面。探针以周期性的动作振动，以使颗粒土重新排列成更致密的结构。振冲压实不能用于粉砂或粘土，通常比深层动力压实更昂贵。振冲压实的一些优点是，它比许多其他压实方法更容易使用，并且可以更容易地实现均匀和致密的土壤表面。在地面上感受到的振动通常比深动压实或爆破引起的振动要小得多。改善的深度实际上只受限于土层、工程预算和压实设备的可用性。

渗透/压力灌浆

通过这种地面改善方法，在高压下将一种非常流动的水泥浆液泵入地面。高压迫使浆液填充颗粒材料中的空隙，从而产生更高密度的土壤，提高强度和刚度，降低水力传导率。

典型的应用压力为每英尺深度1psi。通常只能处理粗粒土，但如果使用微细水泥灌浆，也可以处理细砂。这种灌浆方法需要钻几个孔(通常呈三角形)，间隔3到10英尺。处理过程可能是繁琐和昂贵的，但如果操作正确，可以显著提高承载能力。渗透/压力灌浆是一种广泛使用的施工技术，通常用于修复受损的地基。

下面是一段使用压力灌浆方法修复地基的视频:

压实灌浆

压实灌浆是利用中高压将较硬的浆液注入指定深度的地面。灌浆注入过程在柱底附近形成并扩大灌浆腔(例如，灌浆球)，挤压周围的土壤，增加其密度。这会压实甚至固结土壤(如果注入地下水位以下)。在使用这种方法时，监测地面是很重要的。如果处理不当，地面会抬起或“隆起”。因此，压实灌浆不能用于浅层。

压实灌浆最适用于松散颗粒土或湿陷性土，但对某些细粒土也有一定的效果。土壤特性的改善与所处理的土壤类型以及压实灌注柱的间距和型式有关。根据设备的可用性和应用技术，这种方法的成本可能中等或较高。

喷射灌浆

在采用喷射灌浆时，是用带有喷射喷嘴的专用钻机在地面上钻一个孔，钻到指定的深度。喷管喷出水和/或空气，侵蚀深层土壤，形成一个可以用灌浆填充的空腔。这种灌浆技术可以产生任意高度的水泥土柱，直径从2-3英尺宽到16英尺宽，这取决于所使用的土壤类型和喷射灌浆设备。

喷射灌浆可以在大多数土壤类型中使用，尽管它在容易被侵蚀的土壤如沙子和砾石中效果最好。粘性土壤，特别是高塑性粘土，很难被侵蚀，可能需要长时间的钻孔才能形成土壤空洞。对于粘性土壤，改善效果也不太明显。喷射灌浆需要专门的设备和培训，使用起来可能非常昂贵。即便如此，一些优点包括只处理特定土层的能力，甚至能够处理建筑物下面的土壤(甚至从建筑物内部)和其他基础设施。

深层土壤搅拌

当使用深层土壤混合时，一台带有一个或多个反向旋转螺旋钻的钻机钻入地面，将土壤与添加剂混合。通常情况下，在搅拌过程中，泥浆、石灰、粉煤灰，甚至一些其他添加剂，如蒙脱土粘土，都被添加到土壤中，以提高强度和刚度。在这一过程中，土壤的压缩性和水力传导性都降低了。钻孔钻可以非常宽，可以潜在地处理产生10-12英尺宽的柱状材料的土壤，而典型的柱状材料范围从2到4英尺。螺旋钻基本上可以处理任何深度的材料，但大多数现有设备的深度改进不能超过80至100英尺。

这种技术用于改善地基土壤，防止溢出，甚至可以创建可以作为临时挡土墙的水泥土柱线。深层土壤搅拌的一些优点包括低噪音问题，高产量和避免脱水。一些缺点包括设备的中等到较高的成本，以及需要很长的领导团队才能看到土壤强度和刚度的改善。

下面的视频展示了深层土壤混合过程的动画:

爆破

爆破是使用炸药来压实/加固土壤。这种技术对砾石和温和的沙子效果很好，但对粉砂或粘土无效。爆破最好用于致密水力或疏浚填充材料。爆破通常包括在地下水位以下钻几个洞，在洞底放置炸药，回填和夯实，然后将其炸毁。

炸药的种类和数量将决定孔的间距和可以实现的改进深度。这种方法的一些缺点包括与使用炸药相关的潜在危险，高成本，以及这种技术有效的土壤范围有限的事实。使用这种方法还需要专门的培训和许可证，而且不能在现有建筑物附近使用。

下面的视频展示了使用炸药来压缩和改善地面条件:

土壤置换/化学处理

土壤置换是一种技术，可用于简单地去除质量差的土壤，并用优质或工程土壤替代。这种技术的优点是容易做，不需要专门的设备，大多数一般承包商都能做这项工作。然而，这种方法确实有一些主要的缺点。首先，深挖在经济上是不可行的，而且可能需要很长时间才能完成，因为新土层的应用只能在相对较小的升降机中完成。在地下水位较高的地区，也可能需要对场地进行脱水，以达到预期的效果。大多数土壤置换/处理工程都在不到10英尺的浅层进行。

总结

这九种方法的主要特点总结如下表:

深层土壤改良技术
方法	描述	土壤类型	应用程序模式或间距	最大改进深度	最大的改进	优势	缺点	成本
深度动态压实(DDC)	把重物扔到地面上	饱和砂或粉质砂，部分饱和砂。	网格模式6至40英尺	最大可达100ft，有效深度30-35ft	致密化:+80%，SPT吹气计数:+25,CPT锥阻+1400-2200psi	操作简单，成本低，无需脱水，适用范围广	30英尺以下的有限改善，地面振动可能会影响相邻的物业	低
Vibrocompaction /振	振动杆被推入地下，然后抽出来使土壤致密	砂，粉质砂，或带粗粒的砾石砂	网格模式相隔5至10英尺	杆子能插到多深就插多深	致密化:+80%，SPT吹气计数:+25,CPT锥阻+1400-2200psi	压实更均匀，使用方便。振动比爆破或DDC小	浅层无效，需要特殊设备	低至中
渗透/压力灌浆	向钻孔中注入可流动的高压浆液。	砂、碎石	三角形格局，间隔3至10英尺	没有一个	填充空隙，因凝固而增加强度	任何深度都可以治疗，适合局部治疗	成本高，对淤泥、粘土或含细粒的较粗物料无效	中至高
压实灌浆	向钻孔中注入硬浆液以压实周围的土壤	几乎所有可压缩的土壤。颗粒土效果更好	网格模式3至10英尺	取决于设备	取决于土壤类型	几乎适用于任何土壤，对斑点处理都很好	高成本。不能用于浅层土壤	中至高
喷射灌浆	一个带有注浆喷射装置的钻机被推入地下。喷流侵蚀一个填满灌浆的空洞。	任何土壤，尽管在高PI黏土中效果较差	各种各样的	取决于设备	取决于土壤类型和灌浆混合物。通过凝固增加土壤强度。	适合于局部处理，可以在现有结构下或只处理特定的土层	高成本	高
土壤置换和/或化学处理	去除质量差的土壤，代之以良好的、经过处理的和/或工程处理的土壤	任何纯替换。用于处理砂和粉质砂用水泥，粘土用石灰	N/A	通常只有10-20英尺，但有设备可以挖掘100+英尺	取决于所使用的替代土壤。是否有可能大幅提高强度或密度	达到理想的土壤性质，容易做到(标准土方施工)	成本高，工作时间长，需要脱水，深度相对较低	低至非常高
石柱/振动置换	在土壤中创建骨料柱。	粉质或粘土砂，粉质和粘土粉质	网格模式3至10英尺	取决于设备	SPT吹气计数:+25,CPT锥阻+1400-1750psi	一致性，有效性证明	需要特殊设备和培训。不能用于鹅卵石土壤。限制在砾石上使用。	中至高
深层土壤搅拌	使用反向旋转螺旋钻钻和混合添加剂到土壤中	所有土壤	不同	根据设备的不同，通常限制在80到100英尺之间	取决于设备，间距，添加剂设计	高强度改进	需要特殊设备和培训。	中度至非常高
爆破	用炸药压实、加固和致密土壤	砾石到轻度淤泥	取决于土壤类型和炸药类型	任何	因土壤类型而异	工作非常好液压填充	需要特殊培训，不能在现有建筑物附近使用	中度至非常高

FlourishAnyway2018年5月5日，美国:

这篇评论写得很好。我从中学到了很多。这很有道理，如果你在一个不够稳定的土地上建造一个大型结构，那么你需要做一些补救工作，以确保一个强大的基础。