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軟土地基處理方法研究

發布時間:2016-07-14  文章來源:楊婷婷  瀏覽量:[]


(四川自力建筑勘測設計有限公司  四川  瀘州  646000)


摘要:近年隨著瀘州市城市化進程的不斷加大,城市道路及管網工程的需求日益劇增。對于以丘陵斜坡地貌為主的瀘州市,工程建設中時常遭遇河流、湖泊、稻田、魚塘等地表水較豐富的區域,該地段由于常年積水,使得地表往往有大量喜水植物,由于這些植物的生長和死亡,使軟土中含有較多的有機物,從而形成天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差的軟弱土層。

關鍵詞:軟土地基;地質特征;處理原則;處理方法


四川省瀘州市地處川東南平行褶皺嶺谷區南端與大婁山的結合部,四川盆地南緣向云貴高原的過渡地帶,兼有盆中丘陵和盆周山地的地貌類型,分屬四川盆南山地與丘陵區和巫山大婁山中山區兩個地貌二級區?偟奶攸c是:南高北低,以長江為侵蝕基準面,由南向北逐漸傾斜,山脈走向與構造線方向基本一致,呈東西向、北西向及北東向展布。大體上以江安──納溪──合江一線為界,南側為中、低山;北側除背斜形成北東向狹長低山山垅外,均為丘陵地形。區域內地表水資源較發達,長江自西向東橫貫境內,沱江、永寧河、赤水河、瀨溪河、龍溪河等交織成網,丘陵地形中又多見沖溝地貌,溝內易積水,從而常見淤泥、淤泥質土或其他高壓縮性土構成的軟弱土層。

一、概述

軟土地基是指壓縮層主要由淤泥、淤泥質土或其他高壓縮性土構成的地基。天然含水量大于或等于液限;天然孔隙比大于或等于1.0。其承載能力很低,一般不超過50KN/m2,主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質所組成的土。軟土的成因一般認為是由于第四紀后期地表水所形成的沉淀物質,多分布在海濱,湖濱,河流沿岸等地勢低洼地帶,地表常年潮濕或積水。所以地表往往有大量喜水植物,由于這些植物的生長和死亡,使軟土中含有較多的有機物。

我國公路行業規范對軟土地基未作定義。日本高等級公路設計規范將其定義為:主要由粘土和粉土等細微顆粒含量多的松軟土、孔隙大的有機質土、泥炭以及松散砂等土層構成。地下水位高,其上的填方及構造物穩定性差且發生沉降的地基。

施工時,應注意對淤泥和淤泥質土基槽底面的保護,減少擾動。荷載差異較大的建筑物,宜先建重、高部分,后建輕、低部分。局部軟弱土層以及暗塘、暗溝等,可采用基礎梁、換土、樁基或其他方法處理。當地基承載力或變形不能滿足設計要求時,地基處理可選用機械壓夯實、堆載預壓、塑料排水帶或砂井真空預壓、換填墊層或復合地基等方法。處理后的地基承載力應通過試驗確定。

二、軟土地基的特征

軟土無論按成因還是按土質劃分,種類很多,但他們都具有以下幾個方面的共同特征:

顏色以深色為主,顆粒成分以細粒土為主,有機含量較高;其天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、固結系數小、固結時間長、靈敏度高、擾動性大、透水性差、土層層狀分布復雜、各層之間物理力學性質相差較大等特點。

1. 孔隙比和天然含水量大

我國軟土的天然孔隙比e一般在1~2之間,淤泥和淤泥質土的天然含水量W=50~70%,高的可達200%,普遍大于液限。

2. 壓縮性高

一般正常固結的軟土的壓縮系數約為α1-2=0.5~1.5MPa-1,最大可達α1-2=4.5MPa-1;壓縮指數約為Cc=0.35~0.75。建造在這種軟土上的建筑物將發生較大的沉降,尤其是沉降的不均勻性,會造成建筑物的開裂和損壞。

3. 抗剪強度低

軟土通常呈軟塑~流塑狀態,在外部荷載作用下,抗剪性能極差,我國軟土無側限抗剪強度一般小于30KN/m2。不排水剪時,其內摩擦角幾乎為零,抗剪強度僅取決于凝聚力C,一般C<30KN/m2;固結快剪時,內摩擦角=5°~15°。

4. 靈敏度高

軟粘土上尤其是海相沉積的軟粘土,在結構未被破壞時具有一定的抗剪強度,但一經擾動,抗剪強度將顯著降低。其靈敏度(含水量不變時原狀土與重塑土無側限抗壓強度之比)一般在3~4之間,有的甚至更高。

5. 透水性弱

軟弱土盡管其含水量大,透水性卻很小,軟土的滲透系數一般約為1×10-6~1×10-8cm/s,沉降速度慢,固結完成所需時間較長。因此,土體受到荷載作用后,呈現很高的孔隙水壓,影響地基的壓密固結。

6. 具有明顯的流變性

在荷載作用下,軟土承受剪應力的作用產生緩慢的剪切變形,并可能導致抗剪強度的衰減,在主固結沉降完畢之后還可能繼續產生可觀的次固結沉降。

三、軟土地基失穩的機理

引起軟土地基滑動破壞的原因,在于軟弱地基中某一面上的剪應力大于等于它的極限抗剪強度。究其原因主要有兩個方面:一是由于剪應力的增加。例如:堤防加高加寬引起堤身重量加大、降雨使土體容重增加、水位降落產生滲透壓力,地震和打樁引發動荷載等。二是由于軟土地基本身抗剪強度的減小。例如:孔隙水壓力的升高、氣候變化、干裂和凍融、粘土夾層因浸水而軟化以及粘性土的蠕變等。

四、軟基處理的一般原則

對于新建工程,原則上首先應考慮利用天然地基,對于淤泥和淤泥質土利用其上覆較好土層作為地基持力層,當上覆土層較薄,應注意避免施工時對淤泥和淤泥質土的擾動;對于沖填、雜填建筑垃圾和性能穩定的工業廢料,當均勻性和密實度較好時,均可利用作為地基持力層;對于有機質含量較多的生活垃圾和對基礎有腐蝕性的工業廢料等雜填土,未經處理不宜作為地基持力層。若地基軟弱不能滿足要求,則需進行處理,根據工程情況及場地土質條件或組成的不同,處理的目的可以是:

(1)提高土的抗剪強度,使地基保持穩定;

(2)降低土的壓縮性,使地基的沉降和不均勻沉降降低至允許范圍內;

(3)降低土的滲透性或滲流的水力梯度,防止或減少水的滲漏,避免滲流造成地基破壞;

(4)改善土的動力性能、防止地基產生震陷變形或因土的震動液化而喪失穩定性;

(5)消除或減少土的沉陷性或脹縮性引起的地基變形,避免建筑物破壞或影響其正常使用。

對單一工程來講,處理目的可能是單一的,也可能需同時在幾個方面達到一定要求;地基處理除用于新建工程的軟弱和特殊土地基外,也作為事后補救措施用于已建工程地基加固。

五、軟土地基加固處理的現狀

軟土地基加固就是將低承載能力和大壓縮性的原狀土加固到足以承擔地基所需的強度和施工后沉降要求,又是為了減小地基的滲透性。為了達到上述目的,通常有二類方法:一類是對天然地基土進行土質改良;另一類是在天然地基中插入(也包括置換)采性較好的材料,如砂石、土工合成材料、混凝土、鋼管等。土質改良方法又可以分為下述幾類:預壓使軟粘土產生排水固結;振密、擠密松散土體;灌入固化物使之與天然地基土形成復合土體,如水泥;凍結或燒結天然地基土體以改善其物理力學性質。

六、軟土地基處理的措施

1、堤身自重擠淤法

該方法就是通過逐步加高的堤身自重將處于流塑態的淤泥或淤泥質土外擠,并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質土中的孔隙水壓力充分消散而增加有效應力,從而提高地基的抗剪強度能力。在擠淤過程中為了不致產生不均勻沉陷,施工時應放緩堤坡、減慢堤身填筑速度,分期加高。該方法具有節約投資的優點和施工期長的缺點。適用于地基呈流塑態的淤泥或淤泥質土,且工期不太緊的情況。

2、換填墊層法。這是最常用的方法。該方法就是把靠近基底的不能滿足設計要求的軟土挖除,代以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。其優點是可以就地取材、價格便宜、施工工藝比較簡單。適用于軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地。這種方法最大有效處理深度3m。

3、拋石擠淤法。該方法就是把一定量和粒徑的塊石拋在需要進行處理的淤泥或淤泥質土地基中,將原基礎處的淤泥或淤泥質土擠走,從而達到加固地基的目的。通常將不易風化的石料(尺寸一般不宜小于30cm)拋填于被處理地基中,拋填方向根據軟土下臥地層橫坡而定。在填石的過程中注意一定要用推土機把石塊壓實,不能出現軟彈現象,然后再填筑土方,最后在上面鋪設反濾層。這種方法施工技術簡單、投資較省,常用于處理流塑態的淤泥或淤泥質土地基。

4、盲溝。就是在要處理的路段根據要處理的路段的長度,在橫向或縱向挖盲溝,盲溝通常用滲水性大孔隙填料或片石砌筑而成。也可以填入不同級配的石塊起到排水的功能。注意盲溝的出口要與排水溝連接,以便把地基中的水排出地基。

5、排水砂墊層。排水砂墊層是在路堤底部地面上鋪設一層砂層,作用是在軟土頂面增加一個排水面,在填土的過程中,荷載逐漸增加,促使軟土地基排水固結滲出的水就可以從砂墊層中排走。為確保砂墊層能通暢排水,要采用滲水性良好的材料。砂墊層一般的厚度為0.6~1.0m。為了保證砂墊層的滲水作用,在砂墊層上應該填一層粘性土封住水不讓水返上路基。在路基兩側要修好排水溝,通過砂墊層滲出的水通過排水溝排出路基外,保持路基的穩定。

6、石灰淺坑法。由于粘性土含水量影響,施工中經常出現“彈簧土”松軟現象。一般較輕的可以采用挖土曬干,敲碎回填的方法:“石灰淺坑法”可以用于各種不同面積的路段(就是說大面積可以使用,小面積也可以使用)。具體做法是:挖40~50cm方形或圓形,深一般1m上下的坑,清除坑內的滲水(最好挖好坑后,第二天清除滲水),放入生石灰,即可回填碾壓?拥男芯嗪涂泳嘣谳p度彈簧路段為5~6m,在嚴重彈簧路段為3~4m。軟基處理廣泛地應用在我國沿海及內地。例如:天津、連云港、上海、杭州、寧波、溫州、福州、廈門、湛江,廣州等沿海地區,以及昆明、武漢、南京等內地地區。特別是填海的一些地區,一般建筑前都需要進行勘測,然后進行軟基處理,否則存在很大的風險和后患。

7、預壓砂井法

預壓法是在排水系統和加壓系統的相互配合作用下,使地基土中的孔隙水排出,有效應力增加達到硬化固結的目的。其基本做法如下:先將加固范圍內的植被和表土清除,上鋪砂墊層;然后垂直下插塑料排水板,砂墊層中橫向布置排水管,用以改善加固地基的排水條件;再在砂墊層上鋪設密封膜,用真空泵將密封膜以內的地基氣壓抽至80KPa以上。該方法加固時間長,抽真空處理范圍有限,適用于工期要求較寬的淤泥或淤泥質土地基處理。流變特性很強的軟粘土、泥炭土不宜采用此法。

8、振動水沖法

振沖法是利用一根類似插入式混凝土振搗器的機具——振沖器(有上、下兩個噴水口),在振動和沖擊荷載作用下,先在地基中成孔,再在孔內分別填入砂、碎石等材料,并分層振實或夯實,使地基得以加固。用砂樁、碎石加固初始強度不能太低(初始不排水抗剪強度一般要求大于20KPa),對太軟的淤泥或淤泥質土不宜采用。 石灰樁、二灰樁是在樁孔中灌入新鮮生石灰或在生石灰中摻入適量粉煤灰、火山灰(常稱二灰),并分層擊實而成樁。它通過生石灰的高吸水性,膨脹后對樁周土的擠密作用,用離子交換作用和空氣中的CO2與水發生酸化反應使被加固地基強度提高。

9、旋噴法

旋噴法是利用旋噴機具造成旋噴樁以提高地基的承載能力,也可以作聯鎖樁施工或定向噴射成連續墻用于地基防滲。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預定深度后提升,噴嘴同時以一定速度旋轉,高壓噴射水泥固化漿液與土體混合并凝固硬化而成樁。所成樁與被加固土體相比,強度大、壓縮性小。適用于沖填土、軟黏土和粉細砂地基的加固。對有機質成分較高的地基土加固效果較差,宜慎重對待。而對于塘泥土、泥炭土等有機成分極高的土層應禁用。

10、強夯法

強夯法是將80KN的夯錘起吊到6~30m的高度,讓錘自由落下,對土進行夯實。經夯實后的土體孔隙壓縮,同時,夯點周圍產生的裂隙為孔隙水的出逸提供了方便的通道,有利于土的固結,從而提高了土的承載能力,而且夯后地基由建筑物荷載所引起的壓縮變形也將大為減小。強夯法適用于河流沖積層、濱海沉積層黃土、粉土、泥炭、雜填土等各種地基。

11、土工合成材料加筋加固法

該法將土工合成材料平鋪于堤防地基表面進行地基加大,能使堤防荷載均勻分散到地基中。當地基可能出現塑性剪切破壞時,土工合成材料將起到阻止破壞面形成或減小破壞發展范圍的作用,從而達到提高地基承載力的目的。此土,工合成材料外與地基土之間的相互磨擦將限制地基土的側向變形,從而增加地基的穩定性。

七、結論

瀘州地區由于近年城市道路及管網工程的不斷擴大和延伸,勘察中常常發現不利于工程建筑的軟弱土層,針對這些承載能力極低的土層,從經濟和技術控制層面上,我們最常用的處理方法就是換填墊層法,對于個別不宜采用換填墊層法的地段也可采用拋石擠淤法。這兩種方法是瀘州地區應用比較廣泛的軟土地基處理方法。

軟土地基是一種不良地基,由于軟土具有強度較低、壓縮性較高和透水性很小的特點,因此在軟土地基上修建建筑物,必須重視地基的變形和穩定問題。在軟弱地基上的建筑物往往會出現地基強度和變形不能滿足設計要求的問題,因而常常需要采取措施,進行地基處理,處理的目的是要提高軟土地基的強度,保證地基的穩定。

軟土地基的處理應結合當地的工程地質條件、材料供應、工期要求和環境保護等因素,按照因地制宜、就地取材、分期修建、綜合處治的原則進行充分論證,使設計和施工方案達到技術上先進、經濟上合理,總之,在選擇軟土路基處理方法的過程中,要始終堅持“高質量、短工期、低投入、高收益”的原則,使軟土地基的地基穩定性增加,減少施工后的不均勻沉陷。


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