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軟土地基的工程特性與加固處理

2009-07-27 14:14    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展,在軟土地基上修筑路基已非常普遍。對公路軟土地基的成功處理,往往也成為提高建設(shè)速度、確保工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)的重要措施之一。文章首先從軟土的工程特性出發(fā),分析了軟土地基的特點(diǎn),探討了軟土地基常見的加固方法,提出了軟土地基加固處理應(yīng)考慮的因素。

  關(guān)鍵詞:軟土地基;公路路基;工程特性;加固處理;強(qiáng)夯法

  隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展,高等級公路建設(shè)也得到了快速發(fā)展。同時(shí)對線形指標(biāo)的選用也隨之提高,從而不可避免地帶來公路路基穿過軟土地區(qū)的情況。因此,在軟土地基上修筑路基已非常普遍。對公路軟土地基的成功處理,往往也成為提高建設(shè)速度、確保工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)的重要措施之一。但在軟土地基上修建道路時(shí),若對地基處理不當(dāng),有可能因地基沉降或差異沉降過大而影響道路的正常使用功能。軟土地基的加固處理質(zhì)量直接影響到路基的基礎(chǔ)承載力,也是保證道路建成后安全、高效運(yùn)營的關(guān)鍵。所以選擇合理的軟基加固處理方案及方法并快速實(shí)施,從而取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和社會效益,就具有重大的實(shí)際意義。

  一、軟土的工程特性與危害

  (一)軟土的定義

  軟土一般是指在靜力或緩慢流水環(huán)境中以細(xì)顆粒為主的近代沉積物。這類土的物理特性大部分是飽和的,含有機(jī)質(zhì),天然含水量大于液限,孔隙比大于1。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí),稱為淤泥,天然孔隙比大于1而小于1.5時(shí),則稱為淤泥質(zhì)土。工程上將淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土、沖填土、雜填土和飽和含水黏性土統(tǒng)稱為軟土。

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  軟土的性質(zhì)與地基土的成層構(gòu)造、沉積年代、成因類型有密切關(guān)系。不同年代和成因的軟土,其物理性質(zhì)指標(biāo)盡管可能相近,但作為地基,工程性質(zhì)卻可能相差很大。

  1.含水量較高。因?yàn)檐浲恋某煞种饕怯烧惩亮=M和粉土粒組組成,并含少量的有機(jī)質(zhì)。粘粒的礦物萬分之二為蒙脫石、高嶺石和伊利石。這些礦物晶粒很細(xì),呈薄片狀,表面帶負(fù)電荷,它與周圍介質(zhì)的水和陽離子相互作用,形成偶極水分子,并吸附于表面形成水膜,在不同的地質(zhì)環(huán)境下沉積形成各種絮狀結(jié)構(gòu)。因此這類土的含水量比較高。

  2.透水性差。軟土的滲透系數(shù)一般在1×10-6~1×10-8cm/s之間,所以在荷載作用下固結(jié)速度很慢。當(dāng)?shù)鼗杏袡C(jī)質(zhì)含量較大時(shí),土中可能產(chǎn)生氣泡,堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎(chǔ)的沉降拖延很長時(shí)間才能穩(wěn)定,同樣在荷載作用下地基土的強(qiáng)度增長也是很緩慢的。

  3.壓縮性較高。一般正常固結(jié)的軟土層的壓縮系數(shù)約為0.5~1.5Mpa-1,最大可達(dá)到4.5Mpa-1;壓縮指數(shù)約為0.35~0.75。天然狀態(tài)的軟土層大多數(shù)屬于正常固結(jié)狀態(tài),但也有部分是屬于超固結(jié)狀態(tài),近代海岸灘涂沉積為欠固結(jié)狀態(tài)。欠固結(jié)狀態(tài)土在荷重作用下產(chǎn)生較大沉降。超固結(jié)狀態(tài)土,當(dāng)應(yīng)力未超過先期固結(jié)壓力時(shí),地基的沉降很小。

  4.流變性強(qiáng)。在荷載的作用下,軟土承受剪應(yīng)力的作用產(chǎn)生緩慢的剪切變形,并可能導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減,在主固結(jié)沉降完畢之后還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。

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  根據(jù)上述軟土的特點(diǎn),以軟土作為公路的地基是十分不利的。

 。1)地基抗剪強(qiáng)度不夠引起路堤側(cè)向整體滑動,邊坡外側(cè)土體隆起;

  (2)人工構(gòu)造物與路堤銜接處產(chǎn)生差異沉降,引起跳車;

 。3)路堤的變形以及地下水位過高,將導(dǎo)致路面的破壞。因此,在軟土地基上進(jìn)行路基施工,都要求對軟土地基進(jìn)行處理。其處理的目的主要是改善地基土的工程性質(zhì),達(dá)到滿足建筑物對地基穩(wěn)定和變形的要求,包括改善地基土的變形特性和滲透性,提高其抗剪強(qiáng)度和抗液化能力,消除其他不利的影響。

  二、軟土地基常見的加固方法

  軟土由于具有含水量高、壓縮性大、透水性差和流變性強(qiáng)等工程特性,一般不能直接作為天然地基使用,需經(jīng)過加固處理以減小道路路基在荷載作用下引起的沉降或不均勻沉降。軟土路基處理方法較多,分類也各有不同,常用的處理方法主要有:

  (一)表層排水法

  表層排水法是在路基填筑前,在地面開挖水溝,以排除地表水,同時(shí)降低地基表層的含水量,確保施工機(jī)械的作業(yè)條件,為了使開挖水溝在施工中發(fā)揮盲溝作用,常用透水性良好的砂礫回填。水溝布設(shè)應(yīng)全面考慮地形與土質(zhì)情況,使排水暢通。水溝斷面尺寸一般取寬0.5m,深0.5~1.0m。路堤填筑前,宜用砂礫回填成盲溝,若埋設(shè)孔管,必須用良好的過濾材料保護(hù)。

  (二)強(qiáng)夯法

  強(qiáng)夯法是反復(fù)將重錘提到高處使其自由落下夯擊地基,從而使地基的強(qiáng)度提高、壓縮性得到降低的方法。強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、粉土、粘性土、雜填土和素填土等地基,它不僅能提高地基的強(qiáng)度、降低其壓縮性、還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性,所以還常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。強(qiáng)夯法對于飽和度較高的粘性土,一般來說處理效果不顯著,尤其是淤泥和淤泥質(zhì)土地基,處理效果更差。因此在強(qiáng)夯時(shí),為了取得更好的效果,根據(jù)軟土的物理力學(xué)性質(zhì),可以采用綜合加固方法進(jìn)行,但是此種方法費(fèi)用較高,對路基大面積采用得不償失。

  (三)換填法

  換填法就是將基礎(chǔ)地面以下不太深的一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去,然后以質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填,并同時(shí)以人工或機(jī)械方法分層壓、夯、振動,使之達(dá)到要求的密實(shí)度,成為良好的人工地基。當(dāng)?shù)鼗浫跬翆虞^薄,而且上部荷載不大時(shí),也可直接以人工或機(jī)械方法進(jìn)行表層壓、夯、振動等密實(shí)處理,同樣可取得換填加固地基的效果。換填法適用于淺層地基處理,包括淤泥、淤泥質(zhì)土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結(jié)的回填土等地基處理以及暗塘、暗洪、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。換填法還適用于一些地域性特殊土的處理:用于膨脹土地基可消除地基上的脹縮作用,用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性,用于山區(qū)地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差,軟硬不勻以及巖溶與土洞等,用于季節(jié)性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。

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  土工合成材料是以人工合成的聚化物為原料制成的各種類型產(chǎn)品。可置于巖土或其它工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各種結(jié)構(gòu)層之間,具有過濾、防滲、隔離、排水、加筋和防護(hù)等多種功能,發(fā)揮加強(qiáng)、保護(hù)巖土或其它結(jié)構(gòu)功能的一種新型巖土工程材料。比如在土體中放置了筋材,構(gòu)成了土體-筋材的復(fù)合體。由于土的抗拉抗剪性能差,在土體中加筋,以筋材料為抗拉構(gòu)件,與土產(chǎn)生相互摩擦作用,限制其上下土體及土體的側(cè)向變形,等效于給土體施加了一個(gè)側(cè)壓力增量,從而增強(qiáng)土體內(nèi)部的強(qiáng)度和整體性,提高土體的抗剪強(qiáng)度。

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  水泥攪拌樁加固軟土地基的機(jī)理主要是通過水泥的水解和水化反應(yīng)及水泥水化物與黏土的化學(xué)反應(yīng)及碳酸化作用,而形成強(qiáng)度相對較高的樁體與樁周軟土一起形成復(fù)合地基,以起到提高地基承載力、增強(qiáng)路基穩(wěn)定性及減少路基沉降的作用。水泥攪拌樁目前有噴漿法(濕法)和噴粉法(干法)之分,均通過深層攪拌機(jī)械將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌,固化劑采用水泥漿液時(shí),稱為水泥漿攪拌樁法或濕法,固化劑采用水泥粉時(shí),稱為粉體攪拌樁法或干法。一般認(rèn)為濕法水泥劑量容易控制,攪拌均勻,成樁質(zhì)量較為可靠,而干法噴粉量相對較難控制攪拌質(zhì)量不容易控制,成樁質(zhì)量相對較差,濕法質(zhì)量有保證的成樁長度也比干法成樁長度大,但干法采用粉體作固化劑,不再向地基中附加水分,反而能充分吸收軟土的自由水,因此,加固后地基的初期強(qiáng)度較高,特別是對高含水量的軟土加固效果顯著,在國外得到廣泛應(yīng)用。

  三、軟土地基加固處理應(yīng)考慮的因素

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  在路基加固中,在軟土層淺而薄的情況下,常用簡單的表層處理法。重要的構(gòu)造物基礎(chǔ)常用開挖換填法。若軟土層較厚,應(yīng)使用其他方法配合表層處理法。夾有砂層且厚度較薄的軟土層,一般采用表層處理法、強(qiáng)夯法等方法,即使是5cm的砂層也是有效排水層,在土質(zhì)調(diào)查中不要遺漏。軟土層厚且無砂層的情況,因排水距離長,固結(jié)沉降需很長時(shí)間,強(qiáng)度也不增長。因此,沉降處理常用表層排水法。在淺層部位堆積有4m以上厚度砂層,以下為軟弱粘土層的情況。一般來說,穩(wěn)定不成問題,只需沉降處理,常用強(qiáng)夯法。

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  我們知道,道路等級愈高,平整度愈重要,愈需要采取有效的沉降處理措施。等級較低時(shí),可先鋪簡易路面,待沉降結(jié)束后,再鋪正式路面以節(jié)約資金。同時(shí)路堤的設(shè)計(jì)高度與寬度也是選擇處理方法時(shí)要考慮的重要因素。如采用換填法時(shí),寬而低的路堤易發(fā)生局部破壞;反之窄而高的路堤,下面易被換填。在設(shè)計(jì)高度大而穩(wěn)定有危險(xiǎn)的情況下,采用強(qiáng)夯法將受到限制。還有路堤越寬越高,則地基產(chǎn)生壓力球的根部越深,而引起深處粘土層沉降。

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  不同的施工環(huán)境選用的處理方法不同,經(jīng)濟(jì)性也不同。比如噪音、振動地基及地下水的變化和排出的泥水等,在選擇施工方法時(shí)必須考慮。同時(shí)在路堤高度較而地基特別軟弱的情況下,周圍地基經(jīng)常發(fā)生大的隆起或沉降。這樣,在路堤坡腳附近有民房和重要構(gòu)造物時(shí),應(yīng)考慮以減小總沉降量且控制剪切變形的方法為主要措施。不能采用這類方法時(shí),應(yīng)考慮事先對可能受影響的構(gòu)造物加以保護(hù),否則應(yīng)考慮以高架構(gòu)造物代替路堤。

  總之,軟土地基的加固處理質(zhì)量直接影響到路基的基礎(chǔ)承載力,也是保證道路建成后安全、高效運(yùn)營的關(guān)鍵,我們一定要加以重視。

  參考文獻(xiàn):

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  作者簡介:鄭國雄(1966-),男,陜西延長石油集團(tuán)油氣勘探公司工程師。

延伸閱讀:軟土 地基 加固
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