用于地基处理的轻筒、轻筒复合地基及轻筒复合地基法 【技术领域】
本发明涉及一种土木工程中处理地基的材料及应用该材料的复合地基及其方法，特别是一种用于地基处理的轻筒、轻筒复合地基及轻筒复合地基法。
背景技术
一、在土木工程领域，对软弱地基的处理是否经济有效、是否达到设计的预期要求直接关系到工程项目的质量和经济效益，所采用的软基处理方法甚至制约到工程投资项目的决策及成败。对于一般的浅层软基(指软基厚度或埋深小于3m的、可根除质量隐患、处理方法经济可靠可行的软基)，目前的处理方法多种多样，而且经济可靠，可根除软基的不利影响，但对于厚度较大地软基或深层软基，目前常用的处理方法要么不经济、耗资巨大，要么存在种种缺陷，消除软基不利影响因素的效果不够理想，甚至不能有效消除软基的不利影响因素。
目前常用的深厚软基处理方法从应用原理方面可分为排水固结类、胶结类、桩土复合地基类、轻质填料类、结构转换类等五大类，其基本作用机理及缺陷或不足分述于下：
1、排水固结类
在地基中设置竖向排水体(砂井、袋装砂井、塑料排水板)，利用软土在外荷载作用下通过排水固结、减小孔隙比且卸载后仍维持土密度不变的特性，从而提高软基的容许承载力，在这类方法中，袋装砂井真空联合堆载预压法的排水固结速度最快、效率最高。这类方法的缺陷为：(1)竖向排水体为砂井、袋装砂井、塑料排水板，本身没有刚度或刚度极其微小，对荷载的支承能力有限，不能对地基形成加筋抗滑作用；(2)孔隙水排出过程中存在砂、塑料排水板或土的阻力，排水固结速度较慢，效率较低，因此预压期、施工期较长；(3)除塑料排水板外，其余的排水体自身均有相当的重量，相应地增加了排水体下端地基的负载，对于在排水体不贯穿软土的情况下，这一缺陷的弊端非常明显；(4)当在软基上层或内部有透水砂层时，须设置防渗帷幕或密封套，增加了工程造价与施工工序；(5)袋装砂井真空联合堆载预压法、塑料排水板真空联合堆载预压法的真空度衰减快，一般最多传递到地基下12m左右即衰减至0，不能直接影响到此深度以下的软基；(6)工后沉降均较大。
2、胶结类
利用液体、气压或电化学原理，经过管道把固结剂(浆液或粉粒)灌入或注入软土层中，通过固结剂与软土强制拌和等方式，赶走软土颗粒间的水分和空气后占据其位置，使之与水、软土粒发生物理、化学反应，降低软土颗粒间自由水的比例，达到不排水固结、减小孔隙比的目的，从而提高地基承载力和稳定性。其缺陷为：(1)对于永冻土地基及对水泥有严重腐蚀的地基以及地下水流速过大的地基均不适用；(2)经济性不佳，对超深厚软基尤甚，不适合于在道路等大型的基建工程中大规模使用；(3)对环境有一定的污染。
3、桩土复合地基类
利用各种施工方法，在软基中设置竖向的砂桩、石灰桩、碎石桩、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)、干振复合桩、砼管桩等桩体，以桩体置换一部分软土(或松散砂土等软弱地基)，在一定程度上挤密桩间土，利用桩体与桩间土共同承受荷载，达到减小软基沉降、提高承载力和稳定性的目的。上述归结到排水固结类的砂井法、袋装砂井法等类型的地基其实也有挤密置换的作用，只是其加固软基的主要作用原理是通过排水固结来加固。这类方法的缺陷为：(1)可比较理想地解决软基沉降和稳定问题的方法造价高昂；(2)造价适中的其它方法对于处理深厚软基或承载力极低的软基或二者相结合的软基有其不可克服的缺陷：如桩体不贯穿软土层，到达下卧硬土层，则由于软土中的桩体自身重量较大，加大了桩体底端以下软土的负荷，加大软基沉降及不稳定性，如桩体贯穿软土层，则又出现造价高昂的问题，不经济；(3)部分方法有污染环境的副作用，如水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)法、干振复合桩法。
4、轻质填料类
在需要填方的工程中，采用容重比常规填料(土、砂等)小得多的材料填筑，以达到减少地基负载，从而大幅减小地基沉降变形、提高稳定性的目的。其缺陷为：(1)造价昂贵，不适合大规模大面积应用；(2)轻质填料虽然轻，但与处理前的原状软基负荷相比，软基仍然要承受相当大的荷载，而软基本身未经过任何处理，容许承载力没有得到任何提高；(3)部分轻质填料的吸水性较强、易被水冲刷，须设于地下水位以上及设置密封层，限制了其适用范围；(4)此类轻质填料均具有污染环境的副作用。
5、结构转换类
不对软基进行直接处理，采用具有深基础的砼结构物直接承受荷载，不让软基直接受力，从而避开软基的缺陷，如道路工程中的桥梁代替路基法、仓库堆场中的深基础砼结构堆场(如码头平台一类)法。这类方法可从根本上避开软基的缺陷，但也有其不可克服的缺陷：(1)造价高昂，如深基础桥梁的造价达3000元/m2以上，不适合大规模大面积应用；(2)各种资源耗用多；(3)工期长；(4)施工过程中有污染环境的副作用。
二、另外，在土木工程领域，在下述工程部位或情况下存在差异(不均匀)沉降问题：
(1)在新旧填方体之间、新旧路基之间、填料性质不同或原地基性质不同的填方体之间均存在差异沉降问题。
(2)在砼结构物与其周围相邻的填方体之间(如道路工程中的桥梁、涵洞与其台背的回填体之间)均存在差异沉降问题，此差异沉降又由下述2个原因造成：①砼结构物与填方体本身受压缩而形成的差异沉降，砼结构物本身的压缩变形极小，其因压缩变形而致的沉降极小，可忽略不计，而回填土方属可压缩材料，由于受砼结构物的影响不易压实，致使砼结构物周围相邻的回填体因本身的工后受荷压缩而致的工后沉降较大。②填方体和砼结构物下承原地基的差异沉降，在原地基属于软弱地基的情况下此差异沉降特别大，因为软基上的砼结构物基础一般穿过软基置于岩石层或硬土层上，软基不直接受力，而填方体下的软基则直接受力。
砼结构物与周围相邻的填方体之间的差异沉降是造成道路工程中台背跳车的根本原因，而台背跳车是一个长期困扰工程界的世界性难题。
目前，对这些差异沉降处理方法主要有以下几种：
(1)结构物与周围相邻的填方体之间的差异沉降，采用填方体利用水冲捣震实的透水性材料(砂、石屑等)或填轻质填料的方法处理，以期在施工期内尽量压实填方体，以减少填方体本身的工后沉降；对原地基设置粉喷桩、砼管桩等方法处理以减少原地基沉降；
(2)新旧填方体之间、新旧路基之间、填料性质不同的填方体之间的差异沉降，通常采用土工加筋法的方法处理，在交接处设置台阶及土工织物，国内目前已开始采用轻质填料填筑新填方体的研究，以减轻下部地基的负载，减小差异沉降。
【发明内容】
为了解决上述的问题，克服或改善已有方法的缺陷与不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、造价适宜、使用效果好的用于地基处理的轻筒。
另一个目的在于提供一种使地基承载能力提高、差异沉降减小、工效提高、造价适宜的应用轻筒来处理软弱地基或者处理差异沉降或者降低工程造价的轻筒复合地基及其方法。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
用于地基处理的轻筒，该轻筒为具有一定抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性的一段或者多段筒节组成的筒桩，筒节的内部全部或者部分密闭，筒节及筒桩重量小于其所对应排开的地基材料的重量。
轻筒复合地基，包括原状地基或者填方地基，在原状地基或者填方地基中设置有轻筒，该轻筒为具有一定抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性的一段或者多段筒节组成的筒桩，筒桩的内部全部或者部分密闭，筒节及筒桩重量小于其所对应排开的地基材料的重量。本说明书所述的原状地基简称原地基，是指原地面以下的地基。本说明书所述的填方地基是指在原地面以上填筑的其上有荷载的填方体。
轻筒复合地基法，在原状地基中或者填方地基的部分填料中设置轻筒，该轻筒为具有一定抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性的一段或者多段筒节组成的筒桩，筒节的内部全部或者部分密闭，筒节及筒桩重量小于其排开的地基材料的重量，通过用轻筒作为全部受力体或部分受力体承受荷载、避开软土直接受力来提高地基承载力；或用轻筒作为竖向排水体及挤密体以加速软土固结来提高地基承载力、提高工效；或用轻筒置换部分填方材料来降低造价；或用轻筒置换部分填方材料减小下部地基承受的荷载从而提高下部地基承载力、减小地基沉降和不同部位地基的差异沉降；或用轻筒置换部分填方材料来加强新旧填方体之间、新旧路基之间、不同填料性质的填方体之间的整体性和稳定性以及抗裂能力。
本发明的有益效果是：(1)由于轻筒具有一定抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性，可支承部分或全部荷载，避开软土受力从而可以使得整体地基的承载能力提高；(2)筒节的内部全部或者部分密闭，筒节及筒桩重量小于其所对应排开的地基材料的重量，以轻筒作为竖向排水体，把轻筒打入地基中，轻筒以下地基所增加的负载极其微小，远小于已有的方法中除塑料排水板外的所有竖向排水体，因此而引起的地基沉降也远小于上述已有的方法；(3)轻筒结构简单，工程施工工效高、造价适宜；(4)与已有的方法相比，轻筒内部的排水通道没有阻力，排水固结加固效率及速度高；(5)采用真空预压排水措施时，与已有方法相比，轻筒可直接与原地基上的排水系统密封连接，真空度传递深度深，真空荷载的等效填土高度大；(6)软基内部有透水砂层时，与已有的方法相比，不用设置防渗帷幕或密封套，可节省这部分工程费用及工序；(7)在昂贵的轻质填方材料中设置轻筒，可以降低工程造价，并可减少轻筒以下地基的负载，减小地基的沉降；(8)在一般的普通填方材料中设置轻筒，因轻筒的加筋作用，可以减小不同的工程部位之间(新旧填方体之间、填料性质不同或原地基性质不同的填方体之间、砼结构物与其周围填方体之间)的差异沉降，可以增强新旧填方体之间或新旧路基之间或填料性质不同的填方体之间的整体性、稳定性、抗裂能力；(9)在一般的普通填方材料中设置轻筒，可以通过轻筒置换填料减少轻筒底端以下地基的负载，减小地基的沉降。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明不排水的起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例一的纵剖面结构简图(即图2的B-B向剖视图)；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是本发明不排水的起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例二的纵剖面结构简图(即图4的D-D向剖视图)；
图4是图3的C-C向剖视图；
图5是本发明用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例一(整体筒结构)的结构简图，即图8、图9的H-H向剖视图；
图6是本发明用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例二(分筒结构)的结构简图，即图10、图11的I-I向剖视图；
图7是图5、图6的E向局部示意图(即轻筒的外筒的外表面局部示意图)；
图8是用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例一(整体筒结构)的截面结构简图一(即图7的F-F向剖视图或图5中的轻筒非透水孔处的横向剖视图)；
图9是用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例一(整体筒结构)的截面结构简图二(即图7的G-G向剖视图或图5中的轻筒透水孔处的横向剖视图)；
图10是用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例二(分筒结构)的截面结构简图一(即图7的F-F向剖视图或图6中的轻筒非透水孔处的横向剖视图)；
图11是用于排水兼起支承和挤密、加筋作用的轻筒的实施例二(分筒结构)的截面结构简图二(即图7的G-G向剖视图或图6中的轻筒透水孔处的横向剖视图)
图12是本发明的轻筒复合地基的实施方式(一)的简图；
图13是本发明的轻筒复合地基的实施方式(二)的简图；
图14是本发明的轻筒复合地基的实施方式(三)的简图；
图15是本发明的轻筒复合地基的实施方式(四)的简图；
图16是本发明的轻筒复合地基的实施方式(四)的另一简图(轻筒、各种水平排水管、排水总管、抽真空设施之间关系的平面示意图)；
图17是本发明的轻筒复合地基的实施方式(四)的轻筒与水平排水支管的连接示意图；
图18是本发明的轻筒复合地基的实施方式(五)的简图；
图19是本发明的轻筒复合地基的实施方式(五)的另一简图；
图20是本发明的轻筒复合地基的实施方式(五)的另一简图。
【具体实施方式】
参照图1～图11，用于地基处理的轻筒，该轻筒是轻型空心筒体。其是由一段或者多段筒节1组成的筒桩，筒桩的内部全部或者部分密闭，形成有密闭腔2。轻筒是指筒节重量小于其排开的地基材料(包括原地基材料、填方材料)重量的筒，不特定于某一种材料，也不特定于某一种截面型式或结构型式，可采用圆形截面、矩形截面或其它多边形截面等等，但该轻筒须具有一定的抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性，其可采用工程塑料、聚合物基复合材料或者抗腐蚀的金属材料，其中，工程塑料中的一些品种是制作此类轻筒的优选材料。
另外，该筒根据不同的实际使用需要可分为单筒结构或者双筒结构：参照图1、图2，轻筒是每个筒节为单筒结构，筒节内有密闭空腔2；参照图3～图11，轻筒的每个筒节为双筒结构，至少内筒3为密闭，内筒3与外筒4之间连接(见图3～图4、图8～图9)或不连接(见图6、图10～图11)。其中，在双筒结构中，参照图3～图4，该轻筒为内部腔体2和5全密闭、不带排水通道的筒桩；参照图5～图11，轻筒的内筒3密闭，外筒4筒身上有供水和气体渗流进入的渗流孔10，外筒与内筒之间形成有排水通道6。
不论哪一种轻筒，均采用分段制作、分段设置的方式，分段长度以便于施工、尽量减少接头数量为佳，推荐一般分段长度在3m～10m之间，另设0.5m、1m、2m长度规格的筒节作为组合长度之用或作为特殊的端节长度，长度组合以尽量减少筒节接头为宜。筒节的连接方式视轻筒材料而定，可采用粘接、热焊接、电焊接、机械紧固连接等方式，轻筒直径一般在0.05～0.8m之间。每段轻筒内部均需全部或部分密闭，严防渗水。但接头部分则不一定要求防渗水。
轻筒复合地基是指一切在原状地基中或在填方地基中设置轻筒以改善地基受力状况、提高承载力、减少沉降或降低造价或减小差异沉降的地基。所述地基不仅仅指原状地基也指一切填方地基，复合地基也不仅仅指传统意义上的复合地基，而是泛指一切在原状地基中或在填方地基中设置了轻筒的地基。轻筒复合地基通过以轻筒作为全部受力体或部分受力体承受荷载来提高地基承载力；或通过以轻筒作为竖向排水体及挤密体以加速软土固结来提高地基承载力、提高工效、缩短工期；或以轻筒置换部分填方材料来降低造价；或以轻筒置换部分填方材料来减小下部地基承受的荷载从而提高下部地基承载力、减小地基沉降和不同部位地基的差异沉降；或以轻筒置换部分填方材料来加强新旧填方体之间、新旧路基、填料性质不同的填方体之间的整体性和稳定性以及抗裂能力。
轻筒复合地基法是指应用轻筒复合地基来处理软弱地基或处理差异沉降或降低造价的方法，其分为最基本的三类方法：
(一)轻筒竖直打入地基材料中，轻筒的筒节内部密闭，竖直打入地基材料中，轻筒主要起支承和挤密作用。
(二)轻筒竖直打入地基材料中，轻筒为双筒结构，内筒与外筒之间连接或分离，至少内筒为密闭，外筒筒身上有供水、气进入的渗流孔，外筒与内筒之间形成有排水通道，地基材料中的孔隙水气通过轻筒的排水通道排出，对软基进行排水固结。在这种方法中，轻筒起排水兼支承和挤密、加筋的作用。
(三)在原地基面上方的填方地基材料中设置内部密闭、不带排水通道的轻筒，由轻筒置换部分填料，起置换作用或置换兼加筋作用。
其中，上述最基本的三类方法可以分为如下最基本的5种方法，第(一)大类的方法可分为：轻筒持力桩法——轻筒持力桩复合地基；轻筒桩土共负法——轻筒桩土共负复合地基。
第(二)大类的方法可分为：轻筒堆载预压法——轻筒堆载预压复合地基；轻筒真空联合堆载预压法——轻筒真空联合堆载预压复合地基。
第(三)大类的方法可分为：轻筒置换填料法——轻筒置换填料复合地基。
这5种基本方法中的两种相互组合或其中一种与其它方法组合又可引申出多种复合的处理方法及其对应的多种轻筒复合地基，不赘述。
轻筒复合地基及轻筒复合地基法均依据以下一项原理或多项原理的组合：
(1)以轻筒作为荷载的全部支承体，把对软基承载力的要求改为对轻筒承载力的要求，从而提高地基承载力；
(2)以轻筒、轻筒之间的地基材料共同作为荷载的支承体，把单纯对软基承载力的要求改为对轻筒、轻筒之间的地基材料这一复合体承载力的要求，从而提高地基承载力；
(3)以轻筒作为竖向排水体以加速排除地下水气、加快软土固结从而达到缩短工期、减小工后沉降、提高地基承载力、提高地基稳定性的目的；
(4)以轻筒置换部分填方地基材料或地基材料来减小下部地基承受的荷载从而提高下部地基承载力及稳定性；
(5)以轻筒作为挤密体，通过挤密筒间的原状地基材料或填方地基材料从而部分提高地基承载力及稳定性；
(6)以轻筒置换部分昂贵的填方地基材料以达到降低造价的目的；
(7)以轻筒作为加筋体，以增强地基的稳定性和抵抗差异沉降的能力。
各种轻筒复合地基及轻筒复合地基法的作用机理、构造特点、适用范围如下：
(一)轻筒持力桩复合地基及轻筒持力桩复合地基法
1、作用机理
本方法的加固原理为：不对软基排水固结加固，以轻筒作为荷载的全部支承体，即类似于结构物桩基础的持力桩(如桥梁的钢筋砼桩基础)，利用轻筒外表面与筒间地基材料的摩阻力和轻筒底端地基材料的抵抗力及部分流塑状软土对其的浮力来承受和平衡荷载，把对软基承载力的要求改为对轻筒承载力的要求，从而提高地基承载力。这种复合地基避免了软土直接承受荷载，因而避免了因软土直接受力而带来的沉降大、稳定性差等一系列问题。
2、构造特点
见图12，对于在原状软基上设置的轻筒持力桩复合地基，主要由轻筒100、原地基140、砂垫层130、褥垫层120构成，砂垫层130的作用是保护轻筒、方便于施工，必要时可在轻筒顶端设土工布等柔性材料以保护。褥垫层120作用与桥梁的砼承台类似，用于传递上部荷载，使轻筒整体均衡受力。图12中的110为放置于褥垫层120上的永久荷载。
轻筒100可采用单筒或双筒结构，见图2、4。对于单筒结构，见图2，为增加轻筒的刚度，可在筒内设置竖向加劲肋11、横向不密闭的环向加劲肋12、横向密闭的加劲肋13等，其中竖向加劲肋11在筒节内可整条连续设置也可以分开不整条连续设置，图1所述为整条连续设置，对于双筒结构，见图4，内筒3、外筒4之间以连结肋14(兼有加劲作用)连结，以保证轻筒在荷载作用下不发生开裂、过大的挠曲等破坏。轻筒筒节可采用全部密闭、部分密闭两种。为增加轻筒的防渗水性能，可采取在轻筒的外筒内壁或内筒内壁设置一层或多层防水膜等措施。
为加大轻筒外表面与筒间地基材料的摩阻力，可采用在轻筒外表面设置凸块、钝刺等措施以增加轻筒外表面的粗糙度。
轻筒100是否穿过软土层170，伸入下卧硬土层180，由计算试验确定，图12仅为示意，图中的110为放置于褥垫层120上的永久荷载。
3、活用范围
适用于荷载不太大，仅靠轻筒本身即可支承荷载的深厚软基。
(二)轻筒桩土共负复合地基及轻筒桩土共负复合地基法
1、作用机理
本方法的加固原理为：不对软基排水固结加固，以轻筒、轻筒之间的地基材料这一复合体作为荷载的共同支承体，即轻筒、轻筒之间的地基材料共同负载荷载，轻筒仅支承部分荷载。由于轻筒的挤入，致使地基材料被挤密，强度相应增加，而另一方面，轻筒相当于地基中的一种加筋体，也增加了地基的强度。由于打入轻筒过程中的扰动，造成轻筒周围近端与远端地基材料的致密性改变，以及由于轻筒及地基材料具有不同的压缩性，所以在每一级加荷的过程中，初期的瞬间轻筒周围近端与远端地基材料会进行重分布，轻筒与地基材料会产生不同的沉降，随后轻筒与地基材料作为一个整体共同沉降共同受力。
2、构造特点
与轻筒持力桩复合地基类似，见图13，主要由轻筒100、原地基140、砂垫层130、褥垫层120构成。主要不同点是，轻筒顶端与褥垫层底部之间须隔一定距离以适应轻筒和地基材料的不同沉降，褥垫层的刚度也应比轻筒持力桩复合地基的小。轻筒的构造与轻筒持力桩复合地基的相同，但为利于轻筒100与地基材料紧密咬合，轻筒外表面设置的凸块、钝刺等可适当加长。其余特点不再赘述。
轻筒100是否穿过软土层170，伸入下卧硬土层180，由计算试验确定，图13仅为示意，图中的110为放置于褥垫层120上的永久荷载。
3、适用范围
适用于下述工况的组合：(1)荷载不太大；(2)软土的压缩性不太大、强度不太低，或软土厚度不太大；(3)轻筒与地基材料可很好地紧密咬合、共同受力、共同沉降；(4)不需要通过对软土排水固结来提高地基强度，依靠轻筒与地基材料整体共同受力即可支承荷载。
(三)轻筒堆载预压复合地基及轻筒堆载预压复合地基法
1、作用机理
本方法的加固原理为：不仅仅通过排水固结加固来提高软基的承载力，还通过利用轻筒支承部分荷载来提高整个复合地基的承载力。排水固结加固的机理与目前常用的袋装砂井堆载预压法类似，但此法所采用的竖向排水通道不是袋装砂井而是轻筒。参照图14，以轻筒100作为竖向排水体，在轻筒顶部设置砂垫层130作为水平排水体，通过常规堆载预压(利用永久荷载110或堆载体170或永久荷载110与堆载体170联合的方法预压)的方法，使软土中的孔隙水渗入轻筒100内，经轻筒100进入砂垫层130排出，使软土固结、孔隙比减小、抗剪强度提高，从而提高软土的容许承载力。另一方面，轻筒100不仅起到竖向排水体的作用，还起到承重、挤密、抗滑的作用，使得轻筒与原地基组成的复合地基的强度大大增加，体现在以下方面，(1)在工程角度看，轻筒主体骨架的材料属于不可压缩的材料，在荷载作用下，轻筒可能下沉一些，也可能发生微弯，但轻筒无论是因下沉还是因微弯产生的顶端沉降都要远比筒间软土因压缩、固结而产生的沉降小，因此，轻筒的承重作用是毋容置疑的，而且，与砂井(含袋装砂井)相比，因轻筒是一个结实的整体，同等截面的情况下，轻筒的承重作用要比砂井大得多，当轻筒、筒间地基材料的沉降达到稳定一致后，轻筒将起到支承部分荷载的作用；(2)由于轻筒100的插入，筒间软土被挤密，客观上起到促进软土加速固结、强度相应增加的作用；(3)由于轻筒100本身具有一定的抗弯刚度和强度，在加荷时，竖向的轻筒100正好处在与土体滑动带相交的位置，能起到竖向加筋和抗滑的作用，有利于稳定土体。
由于轻筒内部的排水通道是空的，孔隙水渗入轻筒后在轻筒内部流至砂垫层的过程中基本没有阻力，大大提高了软基排水固结的速度，提高了效率，缩短了工期。
2、构造特点
见图15，轻筒堆载预压复合地基由竖向排水体(带排水通道的轻筒100)、原地基140、砂垫层130、褥垫层120构成。砂垫层130的作用是水平排水兼保护轻筒100，必要时可在轻筒100顶端设土工布等透水的柔性材料以保护。褥垫层120用于传递上部荷载，与砂垫层130一起使轻筒与筒间地基材料整体均衡受力。
该轻筒100采用双筒结构，见图5～图11，内筒3与外筒4之间为竖向排水通道6，内筒3用于承受荷载，外筒4主要用于渗透水气(也有承受荷载的作用)。按内、外筒的连接方式可分为两种构造方式：(1)整体筒结构，见图5、图8、图9，即内筒3与外筒4连结为一个整体，内筒3为各节段密闭的空心筒体组成，外筒4为网格状的骨架组成，骨架上设有渗流孔10，内筒3和外筒4网格状的骨架由连结肋14组成一个整体骨架，这个整体骨架是轻筒的主体骨架，要求具有一定的抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性。渗流孔设滤网用于渗透水气，滤网可按单片设置(即一片覆盖1个渗流孔)，或整体设置(一片覆盖整个节段的渗流孔)，滤网要求具有良好的隔泥透水性能、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性、一定的韧性。单片设置的滤网与外筒网格状的骨架必须牢固连接，以防施工预压期内泥沙等杂物进入轻筒内；整体设置的滤网可包裹在外筒外壁，用捆绑固定等方法把滤网和轻筒固定牢固(此工序在即将把筒节放入地基前夕完成)。整体筒结构的整条轻筒在竖向分为下端节段、中节段、上端节段、顶端段，见图5。中节段及上端节段两端的排水通道6贯通，而内筒3上下端面则密闭。下端节段上端的排水通道6贯通，而内筒3上端面则密闭，内筒与外筒的下端面整体密封。顶端段的上端面整体密封，内筒密闭，侧壁设排水口9，此排水口9用滤网包裹牢固，用于渗透水气及分隔泥沙等杂物。这样，在下端节段、中节段、上端节段、顶端段连接好构成一条整体轻筒100后，轻筒100内的排水通道向上的方向除了连结肋的微小影响外是畅通无阻的，而内筒在各节段内是密闭的。(2)分筒结构，即内筒3与外筒4各自独立分开，见图6、图10、图11，内筒3由各节段密闭的空心筒体组成，外壁设支撑肋18用于控制内筒在外筒内的位置，以保证排水通道的上下一致及筒体均衡受力。分筒结构的整条轻筒外筒可分为下端节段、中节段、顶端段，内筒分为中节段与端节段。外筒的顶端段在内筒的相对位置处设置密闭的内筒体以用于与内筒咬合及传递荷载。排水口设置与整体筒结构的相同，滤网的构造与设置均与整体筒结构中的相应部分相同。无论哪一种结构的轻筒，为方便连接，每段的内筒3均高出该段外筒4一定长度，施工时，先放一段外筒4，然后放该段的内筒3，连接时则先接内筒3，后接外筒4。轻筒的打设深度和间距视软基厚度及埋深而定，可贯穿软土层也可不贯穿。本方法有别于其它排水固结加固方法的其中一个突出优点是可方便有效的避开透水层160对加固效果和加固速度的影响，所采取的方法是：位于透水层160内的该段轻筒采用外筒无渗流孔的密闭筒节。轻筒的内筒、外筒均可设置环向加劲肋、防渗膜等(图5～图11未示)构造类似于单筒结构的轻筒，不赘述。此外，连接肋14、支撑18可在各筒节内竖向可整条连续设置也可不整条连续设置，图5～图11仅为示意。
3、适用范围
适用于上部荷载较大、软基的特点满足于通过常规堆载预压进行排水固结就能按期达到其设计要求的深厚软基。
(四)轻筒真空联合堆载预压复合地基及轻筒真空联合堆载预压复合地基法
1、作用机理
本方法的加固原理为：通过排水固结加固来提高软基的承载力，利用对排水体进行抽真空来提高排水固结加固的效果和速度，此外，还通过利用轻筒支承部分荷载来提高整个复合地基的承载力。本方法实质上是在轻筒堆载预压复合地基的基础上增加抽真空措施，是常规填料堆载预压与真空预压两种加固手段的叠加。排水固结加固的机理与目前常用的袋装砂井真空联合堆载预压法类似，但此法可以不需对地基表面进行密闭，所采用的竖向排水通道也不是袋装砂井而是轻筒，因此，与袋装砂井真空联合堆载预压法相比具有多方面的优越性。
真空预压的作用机理是用薄膜对欲加固的地基进行密封，或使轻筒直接与水平排水管密封连接，使之与大气隔离，利用抽真空设施抽真空(真空度一般在70Kpa～80Kpa之间)，通过砂垫层中的各种水平排水管、轻筒将其中的空气和水抽走，形成真空。抽真空产生负压，该负压通过真空管路及轻筒逐渐向下延伸，并在轻筒四周土体中扩散，使软基层内部与轻筒之间产生压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水气不断渗透进轻筒再由各种水平排水管汇集至排水总管排出，造成软土孔隙水压力降低，最终使土体固结压密、强度增加。
随着孔隙水气的排出，土体产生向加固区内的收缩变形，这有利于稳定土体。此收缩变形不仅使真空堆载可一次性施加，不用担心土体会象常规堆载那样因加载速率过大而发生失稳破坏；还可以抵消因堆载产生的侧向挤出变形，从而减小水平位移，提高加载速率。在真空联合堆载过程中，一方面堆载促进土体孔隙水压力升高，另一方面真空负压又促进孔隙水不断经轻筒排出，孔隙水压力不断降低，因此由堆载引起的超孔隙水压力会很快消散，固结速度随之加快，土体强度的增长速度也相应加快。
由于轻筒内的排水通道畅通无阻，对于轻筒直接与水平排水支管连接的方式，更可直接对深埋地下的轻筒抽水气，真空度通过轻筒可直接传递到深层软土，因此采用这种方法处理软基具有真空度传递速度快、影响深度大、软土固结速度快、地基强度增长快、稳定性高、可有效缩短工期等优点。
在目前常用的袋装砂井真空联合堆载预压法下，70Kpa真空荷载约等效于3.5m高的填土荷载，在轻筒真空联合堆载预压复合地基法中，由于排水通道的畅通无阻，70Kpa真空荷载的等效填土高度肯定要远大于3.5m，因此，采用轻筒真空联合堆载预压法处理软基还具有可减少堆载土方或在不增加堆载土方的情况下增加堆载荷载、缩短工期、降低造价的作用。
轻筒起支承、挤密、抗滑作用，从而使轻筒与原地基组成的复合地基的强度大大增加的作用机理与轻筒堆载预压复合地基的类似，不赘述。
2、构造特点
见图15、图16，轻筒真空联合堆载预压复合地基均主要由竖向排水体100、原地基140、砂垫层130、褥垫层120、复合地基内的各级集水管(水平排水支管192、水平排水主管190)构成。孔隙水气进入轻筒100后，经水平排水支管192汇集到水平排水主管190，再汇集到排水总管198，最后由抽真空设施200抽出，见图15、图16。轻筒真空联合堆载预压复合地基按孔隙水气在轻筒100与水平排水主管190之间的传递方式分为全直通式、直通渗透并行式、全渗透式三种类型，图16所示为直通渗透并行式。全直通式是指每根轻筒均通过水平排水支管192直接与水平排水主管190连接，孔隙水气进入轻筒后径直通过水平排水支管192、水平排水主管190、排水总管198排出。直通渗透并行式指部分轻筒直接与水平排水支管192连接，此部分的孔隙水气可直接通过水平排水支管192、水平排水主管190、排水总管198排出；另一部分轻筒则不与水平排水支管连192接，此部分的孔隙水气渗透入砂垫层130后再通过砂垫层渗入水平排水主管190经排水总管198排出。全渗透式是指所有轻筒100均不与水平排水支管192连接，孔隙水气渗透入砂垫层130后再通过砂垫层渗入水平排水主管190经排水总管198排出。全直通式的轻筒真空联合堆载预压复合地基由于水气流出轻筒后的全部通道均密闭，因此不需设置密封膜、密封沟；直通渗透并行式和全渗透式的轻筒真空联合堆载预压复合地基均需设置密封膜、密封沟，密封膜、密封沟的设置与构造和袋装砂井真空联合堆载预压法的相同，不赘述。三种类型的轻筒真空联合堆载预压复合地基中，以全直通式的类型加固效率最佳，因为其真空度传递速度和软土固结速度以及地基强度增长速度最快、稳定性最高，但由于每一根轻筒都直接与水平排水支管192连接，所以施工稍为繁琐；全渗透式的类型则相反，真空度传递速度和软土固结速度以及地基强度增长速度相对最慢、稳定性最低，此法减少了轻筒直接与水平排水支管连接的工序，但也增加了铺密封膜和挖密封沟的工序。直通渗透并行式的类型其处理效果界于全直通式和全渗透式之间。
轻筒的构造与轻筒堆载预压复合地基的轻筒基本相同，所不同的是与水平排水支管192直接连接的轻筒100的排水口9须设置与水平排水支管连接的相应构造，其余构造不赘述。
轻筒的打设深度和间距视软基厚度及埋深而定，可贯穿软基层也可不贯穿。
本方法有别于其它真空联合堆载预压法的其中一个突出优点是可方便有效的避开透水层160对加固效果和加固速度的影响，所采取的方法是：位于透水层160内的该段轻筒采用外筒无渗流孔的密闭轻筒。
参照图16，排水总管198及水平排水支管192为密闭的塑料管。对于水平排水主管190，在直通渗透并行式和全渗透式类型的轻筒真空联合堆载预压复合地基中为带孔的塑料滤管，外表面包裹透水材料(如无纺土工布等)，起过滤泥、砂等作用；在全直通式类型的轻筒真空联合堆载预压复合地基中为密闭的塑料管。水平排水主管190与水平排水支管192之间、直通式的轻筒100与水平排水支管192之间均采用软管194(参见图17)连接并埋入砂垫层中，以适应沉降和变形。
3、适用范围
适用于上部荷载较大、地基稳定性相对较差、通过常规堆载预压进行排水固结难以(或不能)按期达到设计要求的深厚软基。
(五)轻筒置换填料复合地基及轻筒置换填料法
1、作用机理
参见图18，在使用昂贵的轻质填料220的填方工程中，利用相对便宜的密闭轻筒100置换昂贵的轻质填料220，形成复合填方体，可有效降低造价。由于轻筒具有一定的抗弯刚度和硬度、良好的抗腐蚀性能和化学稳定性，因此，轻筒可与填料一起承受上部荷载。对于在施工过程中有凝固过程的填料(如气泡混合轻质土等)及粘聚力较大的普通填土，轻筒还具有加筋的作用，增强了填方体的抗裂性能、稳定性、整体性。目前，国际上已有采用气泡混合轻质土填料来处理道路加宽以减小新旧路基之间的差异沉降问题并减少征地的方法(国内处在起步研究阶段，由广东冠粤路桥有限公司率先研究)，对此，采用轻筒置换一部分昂贵的气泡混合轻质土更可有效降低造价。由于轻筒的置换作用，还可减小轻筒以下原地基140的负载，减小地基的沉降。
参见图19，在填料性质不同的填方体240、250之间设置轻筒100，由于轻筒的加筋作用，可增强不同填料性质的填方体之间的整体性、稳定性、抗裂能力。在砼结构物260与相邻的填方体240之间设置轻筒，由于轻筒的置换作用，可减小轻筒以下原地基140的负载，减小填方体地基的沉降，从而减小填方体与相邻的砼结构物之间的差异沉降。
参见图20，在新填方体290与旧填方体280之间或新路基290与旧路基280之间设置轻筒100，可增强新旧填方体或新旧路基之间的整体性、稳定性、抗裂能力。
在轻筒间距明显大于轻筒外径的情况下，轻筒置换填料法对地基荷载的减负作用不是很明显，但对于昂贵的轻质填料却可以有效降低造价；随着轻筒间距的缩小，轻筒的置换减负作用越来越明显，当轻筒间距与轻筒外径相当时，地基的负载可大幅减小。
2、构造特点
参见图18，轻筒主要起置换作用以降低造价、减小轻筒以下原地基负载的轻筒置换填料复合地基由原地基140、下垫层210(可不设置，视工程情况而定)、置换层220、置换层220中密闭的不带排水通道的轻筒100、褥垫层120构成。
参见图19，在轻筒主要起加筋作用或加筋兼置换作用，以增强不同填料性质的填方体之间的整体性、稳定性、抗裂能力或减小填方体与相邻的砼结构物之间的差异沉降的情况下的轻筒置换填料复合地基由原地基140、下垫层210(可不设置，视工程情况而定)、填方体(240、250或单一种填方体)、填方体中密闭的不带排水通道的轻筒100、褥垫层120构成。
参见图20，轻筒主要起加筋作用或加筋兼置换作用以增强新旧填方体、新旧路基之间或不同填料性质的填方体之间的整体性、稳定性、抗裂能力的轻筒置换填料复合地基由原地基140、新填方体290和旧填方体280(或新路基290和旧路基280或不同填料性质的填方体280、290)、轻筒100、褥垫层120构成。
图18～20中的110为放置于褥垫层120上的永久荷载。
轻筒100主要构造与轻筒桩土共负复合地基法的轻筒相同，所不同的是：如果要求轻筒主要起抗裂作用、增加稳定性和整体性，则可通过适当减小轻筒的直径、取消加劲肋等方法，以进一步降低设置轻筒的综合成本。褥垫层120和下垫层210起保护轻筒、使轻筒与筒间填料共同整体受力的作用。
须特别强调的是，轻筒可竖向设置也可横向设置，具体设置根据工程的具体状况而定。
轻筒的设置有下述3种方式：(1)在填筑施工过程中设置，适合于具有凝固过程的填料，如气泡混合轻质土填方体等。(2)在设置轻筒后才填筑填方体，适合于无凝固过程的粘聚力较小的散体固态填料(如砂、石粉、石屑、粉煤灰等)的填方体，且轻筒主要起置换减负作用的情况，因为在此情况下的轻筒较密、间距较小，用机械打入较繁琐、对填方体扰动大。(3)在完成填筑施工后用专用机械打孔放入，适合于无凝固过程的粘聚力较小的散体固态填料，且轻筒主要起降低造价作用或加筋作用的情况，在此情况下的轻筒较疏、间距较大，用机械打入方便施工；或适合于无凝固过程的粘聚力较大的散体固态填料(如普通土填料)，因为此种填料的填方体只能采用辗压的方式压实，轻筒只能在完成填筑施工后用专用机械打入。
由于以土作填料的填方体只能采用辗压的方式压实，而且土的粘聚力较大，不象粉煤灰、砂等散体材料可用水冲捣震实及具有自密的特性，所以，以土作填料的填方体在采用轻筒置换填料法时，打入轻筒后须对轻筒外壁与土之间的空隙进行灌填处理。
3、适用范围
(1)适用于新旧填方体之间的连接加固、不同填料性质的填方体之间或原地基性质不同的填方体之间的连接加固、道路加宽工程中新旧路基之间的连接加固；
(2)适用于结构物的周围填方体(与道路工程中的桥梁、涵洞的台背回填或其引道等)工程，以减小填方体与相邻的砼结构物之间的差异沉降。
(3)适用于填方体采用轻质填料填筑、但需要尽量减少轻质填料的用量以降低工程造价的工程。