軟土地基的處理

張立志

近年來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,高等級(jí)公路的修建亦呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展之勢(shì)。許多高等級(jí)公路不可避免地穿越軟土地帶,且常因橋涵等構(gòu)造物表高的影響,往往以高堤形式穿越。軟土地基的處治成為設(shè)計(jì)、施工中的難題。

軟土地基的共同特性是:天然含水量 ω高,最小為30%～40%,最大可達(dá)到200%;孔隙比 e大,最小值為 0.8～1.2,最大可達(dá)5;快剪內(nèi)摩擦角 ψ小,最大值為5°～15°,最小可接近 0°;粘聚力c小,最大為 12 kPa～20 kPa,最小為2 kPa;壓縮系數(shù) a大,一般大于0.3 m2/MN～0.5 m2/MN;滲透系數(shù) k小,一般小于 1×10-6cm/s;靈敏度高,在2～10之間,靈敏度很高的軟土一經(jīng)擾動(dòng)其強(qiáng)度會(huì)降低很多?；谲浲良败浲恋鼗鲜鎏攸c(diǎn),修建在軟土地基上的路堤要考慮穩(wěn)定和沉降兩方面的問(wèn)題。為保證路堤在施工過(guò)程中和完工過(guò)程后的穩(wěn)定,要對(duì)路堤填筑荷載可能引起的軟土基滑動(dòng)破壞進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的穩(wěn)定措施。

為了更科學(xué)、更有效地制定對(duì)軟土地基的處理方式,我們有必要了解軟土地區(qū)路堤的設(shè)計(jì)原則:1)路堤在施工期間和完工后使用期間應(yīng)是穩(wěn)定的,不因填筑荷載或施工機(jī)械和交通荷載的作用而引起破壞,也不應(yīng)該給橋臺(tái)、涵洞、擋土墻等構(gòu)造物及沿線多種設(shè)施帶來(lái)過(guò)大的變形。2)為避免路基沉降給涵洞、擋土墻等構(gòu)造物造成變形破壞,應(yīng)首先考慮提前填筑路堤,在其充分沉降后再修筑構(gòu)造物的方案。如同時(shí)施工,則須設(shè)置達(dá)到持力層的基礎(chǔ),以防止過(guò)大的位移和沉降。3)為避免路面的變形破壞,以及連接橋梁、涵洞等構(gòu)造物的引道路堤產(chǎn)生不均勻沉降,高等級(jí)公路應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定年限內(nèi)的工后剩余沉降量,通常采用如下標(biāo)準(zhǔn):一般路段30 cm,橋頭路堤10 cm,過(guò)渡段沉降坡差小于2‰。4)在軟土層厚且長(zhǎng)期發(fā)生較大沉降的地區(qū)及大范圍的軟土地區(qū),有時(shí)很難使工后剩余沉降量控制在要求的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),或者雖然控制但極不經(jīng)濟(jì)時(shí),則應(yīng)考慮設(shè)置橋頭搭板、鋪筑臨時(shí)性路面、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)的分期修建方案。5)在沒(méi)有一定厚度硬殼層的軟土地基上,不宜修筑填土高度小于2 m～2.5 m的低路堤。這種低路堤在交通荷載作用下可使路面發(fā)生較大的不均勻沉降,特別是當(dāng)軟土地基不均勻,重型車輛交通較大時(shí),更加明顯。6)為保證路堤穩(wěn)定或控制工后剩余沉降,均需采取相應(yīng)的處理措施。在選擇處理措施時(shí),應(yīng)考慮地基條件、公路條件及施工條件,尤其要考慮處理措施的特點(diǎn)、對(duì)地基的適用性和效果,以確定符合目的要求的處理措施。7)當(dāng)軟土地基比較復(fù)雜,或工程規(guī)模很大、沉降控制的精度要求較高時(shí),應(yīng)考慮在正式施工之前,在現(xiàn)場(chǎng)修筑試驗(yàn)路,并對(duì)其穩(wěn)定和沉降情況進(jìn)行觀測(cè),以便根據(jù)觀測(cè)結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?或?qū)υ瓉?lái)的處理方案進(jìn)行必要的修正。針對(duì)軟土地基的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則,其加固方式主要有:換填土層法、排水固結(jié)法、土工織物法、反壓護(hù)道法、碾壓夯實(shí)法、擠密法、化學(xué)加固法等。

1 換填土層法

換填土層法是采用人工、機(jī)械或爆破等方法,將基底一定深度及范圍內(nèi)的軟土層挖除,換以強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好的砂礫、卵石、石灰土、素土等回填,并分層壓實(shí)至規(guī)定的密實(shí)度。如當(dāng)?shù)厥县S富,亦可直接在路基基底拋投片石,將軟土層擠出基底范圍,以提高路基強(qiáng)度。換填砂礫層,可加速軟土層排水固結(jié),提高承載力,減少沉降量。各種回填材料,其應(yīng)力分布規(guī)律、極限承載力、沉降特點(diǎn)基本上與砂礫層相接近。因此,換填土層厚度、寬度以砂礫墊層作為計(jì)算模型。砂礫墊層厚度,可按直線變形體理論計(jì)算;或者假定應(yīng)力通過(guò)基礎(chǔ)按30°剛性角向下擴(kuò)散,砂墊層底面呈梯形分布。一般地,砂墊層厚度在0.6 m～1.0 m之間,坡腳兩側(cè)各多鋪筑50 cm寬的襟邊。

2 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是在軟地基中設(shè)置垂直排水井,縮短排水距離,運(yùn)用堆載預(yù)壓,擠出土中過(guò)多含水量,加速土體固結(jié),達(dá)到擠緊土粒,提高土體的抗剪強(qiáng)度。因此,該法適用于含水量過(guò)大,土層較厚的軟土地基。按垂直排水井材料的不同,可分為砂井法和水板法。

3 土工織物法

土工織物可分為有紡和無(wú)紡兩類,無(wú)紡多用作滲濾材料;有紡多用作補(bǔ)強(qiáng)材料。為保護(hù)土工織物不被硬物刺破,并增大摩擦力,一般情況下均在土工織物上、下鋪設(shè)0.2 m～0.3 m左右的砂墊層。實(shí)踐證明效果良好。

4 反壓護(hù)道法

在路堤的一側(cè)或兩側(cè)填筑適當(dāng)高度的單級(jí)或多級(jí)護(hù)道,使路堤下的淤泥或泥碳向兩側(cè)隆起的趨勢(shì)得到平衡;同時(shí),加寬了荷載的分布寬度,減少了路堤的基底應(yīng)力,從而保證路堤的穩(wěn)定。護(hù)道的高度與寬度應(yīng)通過(guò)圓弧法檢算確定。單級(jí)護(hù)道高度必須低于極限高度,一般為路堤高度的1/2～1/3。采用反壓護(hù)道加固路基,不需特殊機(jī)具和材料,施工簡(jiǎn)易。因此,該法適用于非耕作區(qū)、取土不困難地區(qū)和路堤高度小于3/5倍～2倍極限高度的軟基。

5 碾壓夯實(shí)法

重錘夯實(shí)加固地基,是利用起重設(shè)備將錘體直徑為1 m～1.5 m,重量為1.5 t左右的鋼筋混凝土截頭圓錐體(底部墊鋼板)提升2.5 m～4.5 m高度后,重錘自由落下,錘體夯實(shí)土基。這種方法可顯著地提高地基表層土的強(qiáng)度,降低濕陷性黃土的濕陷性,使雜填土表層強(qiáng)度一致。重錘夯實(shí)次數(shù)以最后兩次的平均夯沉量不超過(guò)規(guī)定值來(lái)控制,一般黏性土和濕陷性黃土為1 cm～2 cm;砂土為0.5 cm～1.9 cm。實(shí)踐表明,一般為8遍～12遍,作用厚度可達(dá)錘底直徑的1倍左右。在重錘夯實(shí)的基礎(chǔ)上,20世紀(jì)60年代以來(lái)研制出了強(qiáng)夯法。它的夯錘重達(dá)8 t～12 t(甚至200 t),自由落差8 m～20 m(最高達(dá)40 m)。經(jīng)過(guò)對(duì)土基的強(qiáng)力夯擊,利用沖擊波和動(dòng)應(yīng)力,使地基土密實(shí),達(dá)到土基加固的目的,可顯著地提高承載力(2倍～5倍),降低壓縮性(2倍～10倍)。加固厚度達(dá)10 m～20 m。該項(xiàng)技術(shù)盡管迄今仍沒(méi)有一套成熟、完善的理論和設(shè)計(jì)方法,但已在土木工程中得到廣泛應(yīng)用,且在加固飽和軟黏土地基方面取得了新的成果與經(jīng)驗(yàn)。

6 擠密法

土基成孔后在孔內(nèi)灌以砂、石、土、石灰土或石灰等材料,搗實(shí)而成直徑較大的樁體。利用樁體橫向之間的相互擠緊作用,使地基土粒相互緊密,減少孔隙,樁體與原土組合而成復(fù)合地基,提高地基承載力,達(dá)到加固地基的目的。樁孔內(nèi)填石灰而形成石灰樁,主要是利用生石灰是新鮮的,灰塊必須粉碎。砂樁加固范圍,一般要求各邊比基礎(chǔ)寬1.0 m左右。樁徑0.2 m～0.3 m砂樁間距與要求將地基土加密的程度有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)表明,群樁面積約占松散土加固面積的20%,通常間距為樁徑的3倍～5倍。樁的平面布置以梅花形較好。樁的長(zhǎng)度與加固土層厚度及加固要求有關(guān)。軟土層較薄,砂河可穿透軟土層。如軟土層過(guò)厚則通過(guò)計(jì)算樁底處軟土的應(yīng)力,要求其值不大于軟土容許承載力。

7 化學(xué)加固法

化學(xué)加固,一般是用壓力漿化學(xué)溶液或膠結(jié)劑通過(guò)注漿管均勻地注入軟基土層中,經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間后,使土顆粒膠結(jié)起來(lái)凝成一個(gè)整體,達(dá)到對(duì)土基加固的目的,并能起到防滲作用。目前化學(xué)溶液主要有下列幾類:水玻璃溶液為主的漿液,價(jià)格昂貴;丙烯酸氨為主的漿液等?；瘜W(xué)加固施工工藝主要有壓力灌注、電動(dòng)硅化和高壓旋噴法幾種。壓力灌注及電動(dòng)硅化法一般是將漿液注入土中趕走孔隙內(nèi)的水或氣體,從而占據(jù)其位置,然后將土膠結(jié)成整體。高壓旋噴法是利用高壓(20 MPa～25 MPa)射流的強(qiáng)度使?jié){液與土混合,從而在射流影響的有效范圍內(nèi)使土體速凝成一圓柱形的樁,樁徑達(dá)0.5 m～1.0 m。

以上僅簡(jiǎn)略地介紹了已有的幾種地基加固方法,有的已在國(guó)內(nèi)公路路基工程中運(yùn)用,有的新技術(shù)還在研討。軟地基加固規(guī)模大,造價(jià)高,應(yīng)注重技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的研究。同時(shí),地基加固是路基主體工程的一部分,要結(jié)合路基標(biāo)高、斷面形成等方面綜合處治。隨著公路建設(shè)的高速發(fā)展,包括地基加固在內(nèi)的路基防護(hù)與加固方法在理論與實(shí)踐上必將有新的發(fā)展與突破。

[1] 張曉青.淺談幾種軟土地基處理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.