拋石擠淤在軟土地基處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

趙方毅

中國(guó)水利水電第二工程局有限公司，北京 100011

拋石擠淤在軟土地基處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

趙方毅

中國(guó)水利水電第二工程局有限公司，北京 100011

在軟土地基的加固和處理中，拋石擠淤法使用的十分廣泛，對(duì)于常見的軟土地質(zhì)，結(jié)合淤泥質(zhì)土的特性，介紹了常用的拋石擠淤方案。通過對(duì)軟土特性的說明，分析了拋石擠淤施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及施工原理和相關(guān)的技術(shù)要求，如何控制拋石擠淤工程的質(zhì)量。并從實(shí)際的使用中總結(jié)了拋石擠淤工藝的發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)單介紹了這些工藝的使用方法。

拋石擠淤；地基處理；應(yīng)用；發(fā)展

引言

軟土指的是在緩慢的流水環(huán)境或者靜態(tài)條件下沉積，具有孔隙比大、含水率大、強(qiáng)度低、壓縮性高等特性的黏性土壤，軟土地基承載力較差，通常都需要采取地基強(qiáng)化措施進(jìn)行處理，以符合工程建設(shè)的需要。軟土地基強(qiáng)化處理的理論以及手段在不斷發(fā)展完善。依據(jù)其加強(qiáng)性質(zhì)可大致分為排水固結(jié)法、動(dòng)力固結(jié)法、復(fù)合地基法和淺層處理法這四類。地基強(qiáng)化措施應(yīng)按照地貌特征、軟土底面橫坡、成層情況、軟土特性和現(xiàn)場(chǎng)條件等實(shí)際情況，完成技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的評(píng)估比對(duì)，然后確定最終的處理方案。拋石擠淤法可歸為排水固結(jié)法一類，通常適用于厚為3至 4m的軟土層或者是常年積水并且不易抽干的湖塘、河流等積水地域，或是軟土的液性指數(shù)大、表層無(wú)硬殼的情況，它具有操作工藝簡(jiǎn)單、施工便利、強(qiáng)化效果明顯、經(jīng)濟(jì)效益明顯等特點(diǎn)，在工程中進(jìn)行軟土地基強(qiáng)化處理常使用的方法。

1 軟體地基的特點(diǎn)和拋石擠淤法在地基處理原理

1.1 軟土地基特性

軟土地基指的是壓縮層主要由淤泥以及其他高壓縮性的土層構(gòu)成的地基，軟土的承載能力很低，通常不超過50kn/時(shí)。軟黏土中最常見的也是工程地質(zhì)性質(zhì)最劣的是淤泥以及淤泥質(zhì)土。一般工程上將天然孔隙比不低于1.5的亞黏土、黏土稱為淤泥，將孔隙比超過1.0而低于1.5的黏土稱為淤泥質(zhì)黏土。其主要特性如下:(1)天然含水量以及孔隙比大。我國(guó)軟土天然的孔隙比通常介于1和2之間，淤泥質(zhì)土以及淤泥的天然含水率w通常在50%至70%之間，通常大于液限，最高的可達(dá)200%(2)可壓縮性強(qiáng)。我國(guó)淤泥質(zhì)土和淤泥的壓縮系數(shù)通常都大于0.5 MPa，在這種軟土上建造的建筑物將會(huì)發(fā)生較大的下沉，如果沉降不均將會(huì)導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)的開裂和損壞。(3)透水性差。軟土中的含水量大，但透水性卻很差，滲透系數(shù)k通常在1mm/d。由于透水性十分差，土體在受荷載作用下，往往會(huì)產(chǎn)生很高的孔隙水壓力，破壞地基壓密和固結(jié)。(4)抗剪應(yīng)力的強(qiáng)度低。軟土一般呈軟塑或流塑的狀態(tài)，在外部荷載影響下，抗剪應(yīng)力性能極低。部分資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，我國(guó)軟土的無(wú)側(cè)向抗剪應(yīng)力強(qiáng)度一般小于50KN/時(shí)(0.3kg/cm2);不排水時(shí)，其內(nèi)摩擦角幾乎為零，黏聚力決定其抗剪強(qiáng)度。固結(jié)時(shí)，一般為5至150之間。所以，加強(qiáng)軟土地基強(qiáng)度的核心是排水。假如土層中有排水出路，它能隨有效壓力的提升逐步固結(jié);反之，如果沒有良好的排水渠道，隨著荷載增加，其強(qiáng)度反而會(huì)衰減。在這類軟土地基上的建筑物須盡量使用“輕型薄壁”，以減輕建筑荷重。（5）靈敏度高。軟黏土中特別是海相沉積的軟黏土，如果結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí)，抗剪強(qiáng)度比較可觀，然而一經(jīng)擾動(dòng)，抗剪應(yīng)力強(qiáng)度將顯著降低。軟黏土受到擾動(dòng)后的強(qiáng)度降低的性質(zhì)可以用靈敏度(當(dāng)含水量不變的情況下，重塑土和原狀土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值)來(lái)表示。軟黏土的靈敏度通常介于3到4之間，也有可能會(huì)更高。所以在靈敏度較高的軟土地基上建筑時(shí)須盡量避免對(duì)地基土層的干擾。按照軟土地基特征，相應(yīng)的處理手段有很多。軟土地基加固的目標(biāo)是增強(qiáng)地基穩(wěn)定性，降低施工后的不均勻下沉。所以施工技術(shù)人員首先要充分意識(shí)到軟土地基的嚴(yán)重性，堅(jiān)決以數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，認(rèn)真評(píng)估基底的承載能力，并依據(jù)不同的地質(zhì)條件、投資和工期要求，采用切實(shí)有效的加固方案。

1.2 地基處理拋石擠淤法的原理

拋石擠淤對(duì)于孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、含水量高、透水性弱的軟土地基，通過振動(dòng)碾壓機(jī)器，填入片石并對(duì)片石進(jìn)行振動(dòng)和碾壓，淤泥質(zhì)的黏土受到振動(dòng)擠壓和擾動(dòng)等因素，土層結(jié)構(gòu)遭到破壞，當(dāng)片石被壓入之后，土粒顆粒大小重新整合，孔隙水經(jīng)由片石排出，孔隙內(nèi)部壓力逐漸消散，對(duì)下層的淤泥質(zhì)黏土的性質(zhì)有很大的改善。片石置換擠密之后，使片石充分的壓入到軟土之中，建立起片石地基層，以提升地基的承載力，減少下沉，片石地基層可以對(duì)淤泥質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)重新調(diào)整完善，而片石本身也具有良好的透水性，所以可以加速地基固結(jié)，提升或恢復(fù)淤泥質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 拋石擠淤相關(guān)施工的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)要求

2.1 拋石擠淤施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

拋石擠淤法是將一定量適當(dāng)粒徑的塊石拋入要處理的淤泥質(zhì)土或淤泥地基里，把原基礎(chǔ)中的淤泥質(zhì)土或淤泥壓走，從而滿足加固地基的目標(biāo)。該方法施工流程簡(jiǎn)單、投資不高，對(duì)于處理流塑型的淤泥質(zhì)土或淤泥地基以及常年積水的洼地有很強(qiáng)的實(shí)用性。這些洼地，軟土層都位于水面以下，很難更換土壤;當(dāng)基底直接放入含水量高的淤泥中時(shí)，基本的物結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)顯示其稠度遠(yuǎn)高于液限、透水性能差、天然含水量極大、壓縮性極高;對(duì)于高填方路堤，如對(duì)軟基不做任何處治或做出不當(dāng)處理，都會(huì)導(dǎo)致路基的失穩(wěn)以及過量下沉，影響公路的正常使用。針對(duì)表層無(wú)硬殼、厚度薄、片石可以沉入底部淤泥或厚度在3～4m的軟土，也可以使用拋石擠淤法。施工中用自然排水法或抽水機(jī)把處理范圍中的地表水引入天然水系，必要時(shí)修筑圍堰排水，并配備挖換范圍內(nèi)的截水溝和排水溝，避免再次積水。讓挖掘機(jī)從一端朝另一端或從兩端向中部挖除上方一定厚度的軟土，由自卸汽車運(yùn)輸至指定棄土場(chǎng)，挖除地段的長(zhǎng)短，依據(jù)挖掘機(jī)可達(dá)到的最大水平距離，挖除一個(gè)地段后，立即進(jìn)行拋石。拋擠過程中，若軟土層比較平坦，拋投可沿路中線往前拋填，然后向兩側(cè)擴(kuò)展;若軟土層橫坡較陡，從高處向低處拋投，然后于低處邊緣進(jìn)行拋投，使地處邊緣有2m左右的平臺(tái)頂面。把拋石壓出的下部淤泥清除干凈后，拋石到達(dá)挖除界面的高度時(shí)，于回填的片石頂部，鋪上0.1m厚的碎石墊層并整平。首段落拋石擠淤過程完成后，挖掘機(jī)重復(fù)上述流程開始第2段落工作，直至整段拋石擠淤工作完成。拋石擠淤中，遇見各處沉降速度不一致時(shí)，會(huì)在路堤下方殘留部分軟土，完成后，可能會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)不均勻下沉。所以必須保證墊層鋪筑后充分壓實(shí)，完全將淤泥擠出，避免這種不利影響。

2.2 拋石擠淤工程施工中的技術(shù)要求

陸域軟基段使用拋石擠淤法進(jìn)行筑堤時(shí)，應(yīng)先在拋石棱體施工，然后以其為依托，完成堤身閉氣土方的填筑。拋石棱體可以通過定線放樣，于陸域軟基段可設(shè)立標(biāo)桿，間距50m左右。陸域軟基段進(jìn)行拋石，可用自卸車輛，由側(cè)邊向前延伸立拋，拋石過程可以不用分層或使用分層階梯式拋填;在軟基上的拋石厚度，不可超過地基土極限承載高度。拋填石料塊重介于20至40kg之間為宜，拋投時(shí)采取大小搭配原則。拋石棱體到達(dá)預(yù)定的斷面，經(jīng)沉降過程穩(wěn)定后，需按設(shè)計(jì)輪廓把拋入石體整理成型。閉氣土方和拋石棱體的接觸面，需按照設(shè)計(jì)要求完成土工織物濾層或砂石反濾層。若堤基上鋪填的土工合成材料或透水材料加固層時(shí)，需要注意保護(hù)。陸域拋石法使用時(shí)，要用自卸車輛，由緊靠拋石背水側(cè)進(jìn)行填筑閉氣土方，然后向堤身擴(kuò)展。關(guān)于閉氣土方的填筑密實(shí)度需要符合以下規(guī)定。(1)拋石用料最好用當(dāng)?shù)厮a(chǎn)石塊。為了擠淤效果更加明顯，拋石后的土質(zhì)均勻，可將石料的粒徑維持在小于400的范圍內(nèi)，并將石料中的石屑清除。(2)拋石由挖掘機(jī)完成，方法采用進(jìn)占法。首先通過挖掘機(jī)在作業(yè)范圍內(nèi)均勻拋首層毛石，然后再采用自重較高的T140,T180推土機(jī)或者EX300挖掘機(jī)往回走動(dòng)碾壓;等塊石沉入到與基底持平后，進(jìn)行次層拋石，完成后采用同樣的方法進(jìn)行碾壓;如塊石沒有明顯的下沉，方可向前延伸開始下一段施工;如塊石沉降量依舊很大，就需繼續(xù)加入一層塊石并碾壓，直到塊石沉降量很小為止。(3)拋投的順序首先要沿橋涵的中軸線，從中間向兩邊，將淤泥向兩邊擠出;片石擠淤工作完成后，要鋪上砂礫反濾層，然后再開始基礎(chǔ)施工。(4)全部路段拋石完成后，用自卸汽車把石料移至基坑邊緣，再用推土機(jī)推至基坑中，均勻鋪上后再加入適當(dāng)碎石來(lái)填充塊石中縫隙，鋪平之后以12t的振動(dòng)碾壓四五遍;碾壓結(jié)束后再進(jìn)行下一層施工，直到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

2.3 拋石擠淤施工應(yīng)用中的質(zhì)量控制

拋石擠淤工程是一種隱蔽工程，所以需要對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以保障工程的質(zhì)量。拋石擠淤施工中的控制重點(diǎn)是:塊石材質(zhì)以及石料計(jì)量?jī)煞矫妗?1)塊石材質(zhì)質(zhì)量。拋入的石料，選用材質(zhì)新鮮、完整，硬度較高、強(qiáng)度可靠并符合設(shè)計(jì)要求的材料。(3)石灰?guī)r的抗滑與耐磨性能滿足高速瀝青路面的抗滑需要。在以標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)狀態(tài)下為基準(zhǔn)時(shí)，砂巖的抗滑性能是玄武巖的74%；石灰?guī)r的抗滑性能是玄武巖的44% (4)同砂巖相比，石灰?guī)r的性能相對(duì)較差，和玄武巖相比會(huì)更差，僅是玄武巖的50%，所以一般不用石灰?guī)r作為路面的抗滑材料。

3.發(fā)展趨勢(shì)

3.1 拋石擠淤綜合法

散式的拋石擠淤方式只能用于淤泥厚度低于3 m的稀軟淤泥，并且多依靠單塊塊石的自重，讓拋填體沉入到淤泥里，最終的復(fù)合地基將以塊石做骨架，中間填滿淤泥。周圍非封閉的淤泥，無(wú)法形成穩(wěn)固的置換地基。而且，散式擠淤時(shí)拋填體要下沉到硬基底層，這樣就限制了散式擠淤的使用條件。當(dāng)淤泥厚度高于3 m的重要工程上采用整式擠淤置換，由于整式壓載擠淤結(jié)構(gòu)承載力高、穩(wěn)定性強(qiáng)、整體性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)重要工程主要采用接地式的整式壓載擠淤。由于該工藝要求填筑中不得雜有淤泥，要使用大體積的混凝土塊石或者配料良好的砂石材料，這又會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)施工的難度，對(duì)于小型工程將提升工程成本，拖延施工工期。所以新型的拋石擠淤綜合法十分必要。

3.1.1 拋石擠淤綜合法的流程

拋石擠淤綜合法包含散式擠淤的流程，又可以實(shí)現(xiàn)整式擠淤的目標(biāo)。它采用大塊徑單塊體填入淤泥中，靠自重?zé)o法下沉?xí)r，再以振動(dòng)碾逐層壓入，將大塊徑單塊體形成淤泥中骨架。再于骨架上部和間隙填入透水不透泥的石渣，完成整式壓載擠淤過程，將散式骨架和整式擠淤方法結(jié)合的綜合法地基見圖1。

圖1

3.1.2 拋石擠淤綜合法在施工中的要求

為保證填筑體正常下沉，需先清除阻礙填筑體沉降的表層殼層。要防止復(fù)合地基底部拋入塊體太多造成內(nèi)部架空現(xiàn)象。遵循近挖遠(yuǎn)卸的排淤方法，利用有效的挖泥機(jī)械在填筑體兩邊挖淤卸荷，增加填筑體下沉深度。和整式擠淤相同，盡量避免填筑體漂移。

3.2 爆炸拋石擠淤法

爆炸拋石擠淤法在處理軟土地基及水下地基在上世紀(jì)80年代末期在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的一項(xiàng)新的施工工藝，國(guó)內(nèi)港口和碼頭工程很常用，效果良好，而在高速公路軟基加固中很少應(yīng)用。

3.2.1 爆炸拋石擠淤法的基本原理

爆炸拋石擠淤法的基本原理:拋石體的外緣適當(dāng)深度和距離的淤泥質(zhì)軟基內(nèi)埋放藥包群，在藥包爆炸時(shí)，起爆的瞬間能淤泥將從起爆中心向四周散開形成爆坑。處于爆坑邊緣的拋石會(huì)失去支撐，在爆炸的強(qiáng)烈震動(dòng)作用和負(fù)壓下瞬間填入爆坑，完成淤泥的置換。然后繼續(xù)拋入石料，建立新的拋石層，再埋入藥包群引爆。經(jīng)過多次循環(huán)爆破，就可達(dá)到最終的置換目標(biāo)。

3.2.2 爆炸拋石擠淤法適用的條件

適用在拋石置換水下的軟基的圍堰、護(hù)岸、駁岸、防護(hù)堤; 地質(zhì)條件以淤泥軟土地基為宜，置換軟基的厚度在3至17m為宜;公路濱海路堤需要是路堤被海(河)水浸泡、軟基較厚、持力層橫坡面積較大時(shí)采用此方法比較合適。

3.2.3 施工方法的選取和藥量使用

爆炸擠淤法在處理公路軟基時(shí)有兩種施工工藝:a.堤側(cè)爆炸擠淤。在路基的內(nèi)側(cè)順路線拋石填筑出寬約10m的內(nèi)堤，隨后由內(nèi)向外進(jìn)行循環(huán)推進(jìn)，利用爆炸擠淤建成路堤。路堤橫斷面部分是軟基，持力層朝外傾斜，淤泥從內(nèi)向外逐步增厚的路基。b.堤端爆炸擠淤。順路基中心縱向爆破逐步推進(jìn)形成堤頭，隨后從堤頭兩側(cè)向外使用堤側(cè)爆炸形成路堤，最終路堤坡角爆破完成設(shè)計(jì)的反壓平臺(tái)。適用于持力層相對(duì)平緩，淤泥厚度改變較小，全斷面是爆炸拋石擠淤后的路基。

4.結(jié)語(yǔ)

拋石擠淤在軟基處理中有著工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，因此在實(shí)際的工程施工中應(yīng)用十分廣泛。但是隨著我國(guó)建設(shè)步伐的加快，由于實(shí)際建設(shè)的需要，很多工程需要建設(shè)在自然條件更加困難的環(huán)境中，對(duì)于復(fù)雜的軟基或水洼環(huán)境，常用的拋石擠淤手段往往無(wú)法滿足，而綜合拋石擠淤法、爆破拋石擠淤法的優(yōu)越性就發(fā)揮出來(lái)了。而且也能有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)拋石擠淤工藝中的不足，也是目前拋石擠淤發(fā)展的主要方向。對(duì)我國(guó)軟基加固工藝有很大的幫助，提升了拋石擠淤的質(zhì)量，完善了建筑的總體水平。

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