土木工程设计中结构与地基加固技术的应用研究

谭育新 华维设计集团股份有限公司

1 前言

在我国经济和社会发展的过程中，建筑行业一直是中流砥柱，对经济的稳步增长以及社会的稳定发展有着十分重要的作用。在建筑行业中，土木工程是建筑的核心与关键，其设计和施工质量会直接影响人们的财产及生命安全。因此，为了保证建筑工程质量，必须对土木工程加以重视。本文将从土木工程设计中结构与地基加固的角度，展开相关问题的分析，希望能够为相关工作的展开提供有效参考。

2 结构与地基加固的重要性

在土木工程设计的过程中，结构与地基加固处理非常重要。

首先，其有助于保证土木工程的耐久性。在土木工程结构设计以及建设的过程中，耐久性是非常重要的指标之一，而人为因素、环境因素等都会影响到工程的耐久性，甚至还会导致整个工程无法满足实际使用的需求。因此，对土木工程结构与地基进行加固处理是保证工程耐久性的重要手段。

其次，有利于提高建筑的抗震性能。对土木工程结构以及地基进行加固处理，能够更好地提升整个建筑的抗震性能，以保障人们的生命和财产安全。由此可见，土木工程结构与地基加固对于建筑使用安全和寿命的重要性。

3 结构与地基加固设计的原则

3.1 完整性原则

在土木工程设计中，结构与地基加固技术的应用必须遵循完整性原则。保证整个结构的完整性、连续性能够最大程度上发挥建筑结构的作用。因此，设计人员需要从整体角度出发，综合分析各个结构元件，掌握其安全特性和受力特点，以此为基础，采取适当的加固技术，进一步提升整个结构的稳定性。

3.2 合理性原则

在土木工程设计中结构与地基加固技术的应用必须遵循合理性原则。相关设计人员在采取各种加固处理方法的过程中，要保证处理方式的合理性，确保结构强度能够满足建筑的需求，避免由于使用错误加固方式而降低建筑强度。同时，要保证所使用的技术与周边施工环境和条件良好的协调，为工程质量提供进一步的保障。

3.3 实用性原则

在结构与地基加固设计的过程中，为了有效改善其中存在的问题，降低各个节点的难度，还应当遵循实用性原则，以实际的需求为基础展开加固处理工作，避免设计方案的华而不实徒增施工难度，要让整个设计有理有据且实用性强。

4 土木工程结构加固技术

在土木工程结构设计的过程中，可以通过以下方式对结构进行加固，并且起到良好的加固效果。

4.1 增大截面法

增大截面法主要是指在土木工程结构中，使用相同的材料来增大构件的截面面积、截面刚度。这是一种较为传统的加固方法，该方法不仅能够提高被加固构件本身的承载力，同时也能够改变其自振频率，在一定程度上改善结构构件的性能，起到良好的加固效果。

在使用该方法加固的过程中，应了解可能会影响加固效果的各种因素，比如加固过程中的材料特性、施工工艺、结合面的构造处理等，避免上述因素的不当处理影响了加固效果。增大截面法在使用过程中有着十分明显的优点，不仅工艺简单，成本低廉，而且适用范围较为广泛。

4.2 外包型钢加固法

外包型钢加固法（简称包钢法）主要是指在结构构件、四角或两角包以型钢，通过型钢对整个结构进行加固，这也是一种使用范围十分广泛的传统加工方法之一。通常情况下，包钢加固法可分为干式外包钢法、湿式外包钢法等形式，使用该方法可以在基本不增大构件截面尺寸的基础上，最大程度提高其承载力、延性和刚度等。

例如使用天然乳胶混凝土、环氧树脂胶等材料进行粘贴，是湿式包钢加固中较为常见的处理方式。使用包钢加固法进行加固的过程中有很多优点，其不仅支撑力较为可靠，而且施工较为简单、劳动量较小，适用于不允许明显扩大原构件截面规格的结构中。但该方式钢材用量较大，且不适合在无安全防护的状态下应用于60℃及以上的高温环境。在选择对结构加固的过程中，设计人员可以参考成本以及实际应用的价值等进行综合考虑。

4.3 体外预应力加固法

体外预应力加固法也是较为常见的一种加固方法，其主要是指使用外加的预应力钢拉杆在结构构件的侧面施加预应力，其形式可以为水平预应力拉杆，也可以为下撑式预应力拉杆，或是两种方式结合到一起的组合式拉杆。使用预应力加固法的时候，可使用单侧加固，也可以使用双侧加固，在整个施工的过程中不需要模块，在不增大截面尺寸的基础上提高相关构件的承载力，有效提高了构件的延性和刚度。

5 土木工程地基加固技术

5.1 换填法

换填法主要是指将地基基础以下一定范围内的软弱土层挖去，然后将强度较高、压缩性较低、没有侵蚀性的材料进行回填，以保证地基基础的稳固性。通常会使用性能较好的土、砂石、碎石、煤渣以及矿渣等进行回填，并且通过人工或是机械的方式对土层进行压实，形成性能较好的人工地基。与原来的土层相比，换土垫层后所形成的地基基础具有更高的承载力、刚度较大且变形较小等优点。通常换土垫层法主要适用于浅层的地基处理，例如常见的淤泥质土、杂填土、湿陷性黄土以及松散素填土等。垫层设计通常会根据以下四个参数来确定：垫层的厚度、宽度、承载力以及沉降。以厚度为例，垫层厚度需要根据底面处土的自重应力、附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力，一般在0.5m～3m范围内即可，若是太厚则会导致施工困难，若是太薄则换土垫层的作用不能够有效凸显。

5.2 EPS轻填法

EPS 轻填法主要是指利用轻质填料聚苯乙烯泡沫开展地基的加固。EPS 泡沫颗粒混合轻质土内含有大量的EPS泡沫，在使用该方法的过程中施工方法十分简单。相关材料的拌和只需要使用普通拌和机或者挖掘机、铲车联合使用就可以完成，摊铺使用平地机、挖掘机等，碾压可使用压路机、铲车或者挖掘机等。由于EPS材料具有超轻性、耐压缩、耐水性、施工便捷等优点，所以其能够有效解决软土地基存在的沉降问题，是加固路基的有效方式之一，目前已经在国内外得到了广泛应用。

5.3 加载预压法

预压法主要是指在不良地基基础上预先放置足够的重物，对地基土进行预压，使土壤固结、密实，以此有效加固地基。当地基土的密实程度达到了预压标准后，将重物撤去，提高地基土的承载力和稳定性。

在使用该方法的过程中，预压的堆土荷重应大于建筑物的荷重，但是不能超过地基本身的承载力。如果遇到了水量较高的黏土，需要设置砂井进行排水，以缩短预压的时间，加速黏土固结。在该方法应用的过程中，主要包括不排水预压、排水预压以及联合预压等多种预压种类，设计人员要根据岩土勘察的结果选择合适的预压方式，为地基土的稳定性及其承载力提供保障。

5.4 深层搅拌法

深层搅拌法主要是指利用水泥、深层搅拌机等在地基的深部将软土以及固化剂进行强制拌和，使软土能够与固化剂之间产生一系列反应，进而凝结成一个整体，这个整体不仅有较高的强度，同时也具有良好的水稳性，能够与天然地基结合形成复合地基，进而提高地基土的整体强度和承载力。这种方法适用于加固较深厚的淤泥质土、粉土、含水量较高的黏性土地基等。

为了保证质量，在材料配合比设计的过程中，固化剂可以选用水泥，掺入量为被加固土重量的8%～16%范围内，配合比水泥∶砂浆为1∶1～2 为宜。该方法在应用过程中有着一定的优势，加固过程中无振动、无噪声、无污染、工期短、造价低廉，对相邻建筑所产生的影响较小。同时，该方法可以建筑物的要求做成相应的加固形状，十分便捷。

5.5 注浆法

注浆法也是较为常见的地基加固方式之一。注浆加固的方法主要是指通过造孔将浆液注入地基的围岩中，依靠压力使其能够向裂隙扩散，进而让岩体形成一个加固带——注浆帷幕，这样可以有效提高岩体的强度和整体性。该方法通过下堵、上封、中间渗透等多种方式展开施工，其机理包括填充注浆、渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆等多种方式，达到良好的加固效果。

利用注浆法对地基加固有着非常明显的优势，其不仅工艺较为简单、操作便捷，同时其加固效果也较好，对于松散围岩地基的维修有着重要的作用，特别是对围岩破坏严重的地基来说，其加固效果更加明显。

5.6 强夯法

强夯法也可以称之为动力固结法，其主要是指使用强夯机对地基土实施强力夯实，在短时间内提高地基土的承载力，形成较为均匀且密实的地基，是较为常见且加固效果较好的方式之一。在使用该方法的过程中，对于单位夯击的能量应根据地基土的类型、结构荷载大小，以及处理深度等进行综合考虑后再确定；对于夯点的夯击次数设计需要根据试夯次数与夯沉量关系曲线确定；夯击的遍数需根据地基土的性质进行具体确定，通常为2～3 遍为宜，最后以低能量夯击一遍，达到良好的加固效果；夯击的范围需要大于地基基础的范围，大于处理深度的1/2～2/3，且不小于3m。使用该方法实施地基加固的过程中，具有工期短、加固效果好、造价成本相对较低等优点，通常适用于碎石土、砂土、湿陷性黄土、杂填土、低饱和度粉土等地基中，见图1。

6 应用实例

某项目为车站综合楼，根据勘察资料现实，该地层情况自上而下为素填土（包括大量煤屑、砖块、少量炉渣和垃圾等，成松散状）、棱角状角砾与森灰色冲积再生土、深灰色页岩与强风化岩石等。拟采用钻孔灌注桩，持力层为页岩层，静载检测结果显示，部分承载力无法达到设计的标准和要求，需要对地基予以加固处理。根据编制依据以及工程的实际情况，选择注浆加固的方式对地基土施实加固处理。

由于本工程存在着软弱土层且上部存在少量砂砾层，所以选择由下至上分段式注浆方式展开加固工作，使用了水泥浆等静压渗透注浆法，形成相互穿插的脉状结石体。

在注浆参数设计的过程中，注浆压力的确定是综合考虑了覆盖土压、浆液种类以及地质条件等多种因素后，确定注浆压力为0.4MPa～1.0MPa；注浆顺序使用了先外围、后内部的方式；浆液材料为纯水泥浆，将水灰比设计为1∶1；在注浆量上，经过计算每延1m 注浆量为0.8m3；注浆孔的布置使用了梅花型布置方式，间距设计为1.2m～1.5m 范围内，注浆流量设计为10L/min～15L/min；注浆花管使用了Ф25mm镀锌钢管。整个加固方案流程设计为：选择注浆设备→成孔→花管制作以及安放→注浆→清洗。

7 结束语

综上所述，在土木工程设计的过程中，结构及地基的加固对于提升整个土木工程的质量、稳固性和安全性有着重要的作用。因此，设计人员在遵循相关设计原则的基础上，对结构、地基等部位采取合适的方式进行有效加固，掌握更多应用效果较好的加固方式和方法，进而合理选择加固方式，为整个工程的稳固性提供有效保障。