荊南四河堤防軟土特征及加固處理方法

鄭　新, 吳　勇, 肖　麗

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢　430010; 2.荊州市河道管理局,湖北 荊州　434020)

0　引言

荊南四河系指湖北省長江荊江河段南岸的松滋河、虎渡河、藕池河、調(diào)弦河,地處長江荊江河段與洞庭湖之間,是長江向洞庭湖分流的重要水系[1]。堤防加固工程范圍內(nèi)涉及到軟土地基,對(duì)勘察設(shè)計(jì)人員來說,要做到恰當(dāng)?shù)剡x用軟土地基處理方法,則必須對(duì)所要處理的軟土地基特征、物理力學(xué)性質(zhì)有全面、熟悉地掌握。筆者結(jié)合近幾年參加四河堤防勘察的體會(huì),結(jié)合有關(guān)資料,淺談荊南四河堤防加固工程軟土特征及常見處理方法。

1　軟土概念

軟土一般是指天然含水量大、壓縮性高、承載力低的一種軟塑—流塑狀態(tài)的高液限細(xì)粒粘性土。它一般是在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積,經(jīng)生物、化學(xué)作用形成的。不同國家、不同部門對(duì)怎么樣來劃分軟土,所采用的標(biāo)準(zhǔn)不同。比如日本采用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、荷蘭式貫入指數(shù)等三項(xiàng)指標(biāo)來劃分軟土。德國則用“很容易搓捏的土”來劃分軟土。在國內(nèi),鐵道部建議以天然含水量接近或大于液限、孔隙比>1、壓縮模量<4 MPa、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)<2擊,靜力觸探比貫入阻力<0.7 MPa、不排水強(qiáng)度<25 kPa等6項(xiàng)指標(biāo)來劃分軟土;建設(shè)部頒布《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JGJ 83—91)規(guī)定,凡符合外觀以灰色為主的細(xì)粘土、天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1等3項(xiàng)指標(biāo)來劃分軟土;交通部頒布《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 017—96)規(guī)定,軟土的劃分標(biāo)準(zhǔn)采用天然含水量≥35%或液限、天然孔隙比≥1.0、十字板剪切強(qiáng)度<35 kPa等3項(xiàng)指標(biāo)來劃分軟土;水利部頒布《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL 188—2005)規(guī)定:軟土天然含水率一般大于液限,孔隙比≥1.0,當(dāng)天然孔隙比≥1.5時(shí)為淤泥,當(dāng)天然孔隙比為1.0～1.5時(shí)為淤泥質(zhì)土。

2　軟土鑒別

荊南地區(qū)軟土一般指淤泥、淤泥質(zhì)土,軟土的鑒別以水利部頒布《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》(SL188—2005)為主,并參考國內(nèi)外鑒別軟土的一些經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出荊南四河堤防加固工程軟土鑒別表(表1),根據(jù)此表來進(jìn)行綜合判斷。

表1　荊南四河堤防加固工程軟土鑒別表

3　軟土成因和工程性質(zhì)

3.1　軟土成因

荊南四河地區(qū)地貌形態(tài)以沖積平原為主,局部鑲嵌崗地,地勢平坦開闊,區(qū)內(nèi)河渠縱橫交錯(cuò),水網(wǎng)密布,大小河流蜿蜒曲折。軟土成因主要分為3類,即河流沉積、湖沼沉積、老閘渠道淤積。

河流沉積軟土以河漫灘相為主,主要分布于松滋河上游、虎渡河上游兩岸一定寬度范圍內(nèi)。河流相沉積軟土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,灰黃色、灰色,呈軟塑狀。由于沉積環(huán)境變化較大,軟土的分布較為復(fù)雜,不連續(xù),多呈透鏡狀、串珠狀或條帶狀分布,厚度變化大,成分不均一,常夾有極薄層的粉細(xì)砂或砂壤土。

湖沼沉積軟土主要分布于松滋河下游、虎渡河下游、藕池河、調(diào)弦河兩岸一定寬度范圍內(nèi),該地區(qū)屬于洞庭湖周邊地區(qū),軟土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土,灰色、灰黑色,呈軟塑狀,含螺殼及腐殖質(zhì),有腐臭味,厚度一般>5 m,上覆1～3 m的粉質(zhì)粘土、粘土等硬殼層。

老閘渠道淤積軟土主要為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,灰色、灰黑色,呈軟塑—流塑狀。由于沉積環(huán)境簡單,軟土的分布范圍小,僅在涵閘附近一定范圍內(nèi)分布,厚度一般1～3 m。

3.2　軟土工程性質(zhì)

荊南四河地區(qū)淤泥質(zhì)粘性土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表2[2],一般具有下列工程性質(zhì):

(1)觸變性。受到振動(dòng)時(shí),軟土的結(jié)構(gòu)連接被破壞,強(qiáng)度隨之降低或變成稀釋狀態(tài)。觸變性的大小常用靈敏度St來表示,荊南四河地區(qū)軟土的St一般在3～6之間。

(2)流變性。在剪應(yīng)力作用下,土體會(huì)發(fā)生緩慢而長期的剪切變形。

(3)高壓縮性。軟土的天然孔隙比大決定了壓縮性必然高,淤泥、淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)一般為0.67～0.93 MPa-1,均屬高壓縮性土。

(4)抗剪強(qiáng)度低。軟土抵抗剪切變形能力差,在施工中經(jīng)常遇涵閘軟土地基基坑邊坡出現(xiàn)滑塌,從而造成邊坡失穩(wěn)。

(5)固結(jié)系數(shù)小。軟土多屬正常固結(jié)土或欠固結(jié)土,一般情況下次固結(jié)變形量大,固結(jié)系數(shù)小,這就意味著土體完成固結(jié)沉降所需的時(shí)間較長,這對(duì)施工工期影響較大。另外,軟土滲透性弱,對(duì)排水固結(jié)不利。

(6)承載力低。

表2　荊南四河堤防加固工程淤泥質(zhì)粘性土物理力學(xué)性質(zhì)表

3.3　軟土承載力特征值的綜合確定

荊南四河地區(qū)軟土承軟土承載力特征值一般為60～70 kPa,針對(duì)具體工程項(xiàng)目可以依據(jù)《湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察工作規(guī)程》(DB42/169—2003)以下3項(xiàng)指標(biāo)綜合確定:

(1)天然含水量:根據(jù)規(guī)范附錄P表P.O.19 ,制定出由天然含水量確定的淤泥和淤泥質(zhì)土承載力特征值(fak)取值表,見表3。比如松西河軟土天然含水量為44.7%,查表確定承載力特征值為60 kPa。

表3　由天然含水量確定的淤泥和淤泥質(zhì)土承載力特征值(fak)取值表

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù):一般軟土標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般為1～2擊,最多3擊,根據(jù)規(guī)范附錄P表P.O.12,承載力特征值應(yīng)<85 kPa。

(3)靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力Ps:根據(jù)規(guī)范附錄P表P.O.14 ,制定出由比貫入阻力確定的淤泥和淤泥質(zhì)土承載力特征值(fak)取值表(表4)。比如某涵閘地基淤泥質(zhì)粘土比貫入阻力為0.5 MPa,查表確定承載力特征值為60 kPa。

表4　由比貫入阻力確定的淤泥和淤泥質(zhì)土承載力特征值(fak)取值表

不同工程項(xiàng)目軟土的天然含水量、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與靜力觸探試驗(yàn)比貫入阻力會(huì)有不同,應(yīng)區(qū)別對(duì)待。建議在施工期間,涵閘開挖到建基面后進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn),根據(jù)比貫入阻力值確定地基承載力特征值,供設(shè)計(jì)參考。

4　軟土對(duì)堤防工程的影響

軟土對(duì)堤防工程的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是產(chǎn)生不均勻沉降,使建筑物遭受不同程度的破壞;二是導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定問題[3]。

4.1　不均勻變形問題

一般新建堤防堤基分布軟土層可導(dǎo)致大堤不均勻沉陷,使堤身開裂,成為大堤的安全隱患,而荊南四河堤防多為老堤防,堤基軟土多已完成固結(jié)沉降。

對(duì)于穿堤涵閘,軟土的影響則更加顯著。穿堤涵閘基礎(chǔ)不均勻沉降主要是由于閘基淺部分布有軟弱地層或建筑物基礎(chǔ)跨越強(qiáng)度、性狀差異較大的地層而引起的。荊南四河堤防部分涵閘的直接持力層或其下部為第四系全新統(tǒng)沖積層淤泥質(zhì)粘土、粘土和粉質(zhì)粘土,淤泥質(zhì)粘土壓縮系數(shù)0.76～1.16 MPa-1,粘土壓縮系數(shù)0.40～0.66 MPa-1,粉質(zhì)粘土壓縮系數(shù)0.39～0.60 MPa-1。這些土體一般具高壓縮性,尤其是淤泥質(zhì)粘土壓縮性高,其承載力特征值僅60～70 kPa。含高壓縮性土體的閘基在閘體不均勻荷載或基礎(chǔ)高壓縮性土體分布不均勻的條件下易于產(chǎn)生不均勻沉降變形問題,導(dǎo)致閘體變形開裂。例如,松西河右岸樁號(hào)94+160處的楊家垱閘,閘基的直接持力層為淤泥質(zhì)粘土,厚0.7～1.5 m,具高壓縮性,主要由此導(dǎo)致閘體最大不均勻沉降量達(dá)14 cm,洞身裂縫14條。

4.2　抗滑穩(wěn)定問題

由軟土導(dǎo)致的堤防工程抗滑穩(wěn)定問題主要有以下兩個(gè)方面:

(1)堤坡在下伏軟弱土控制下發(fā)生滑移破壞。一般在護(hù)坡護(hù)岸段,如果堤坡底部分布軟土,則堤坡可能發(fā)生滑移破壞,需采取加固處理措施,防止堤坡或岸坡滑移。

(2)涵閘基坑在施工期的基坑穩(wěn)定問題。涵閘基坑開挖時(shí)存在基坑邊坡穩(wěn)定問題,特別是基坑底部存在含淤泥質(zhì)土的邊坡,需采取邊坡防護(hù)措施,施工期間注意保持基坑坑底干燥,及時(shí)排水。

5　堤防工程軟土處理方法

各種地基處理方法都有它的適用范圍、局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。加之具體工程情況復(fù)雜、工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化、各個(gè)工程間地基條件差別很大,具體工程對(duì)地基的要求也不同,而且機(jī)具材料等條件也會(huì)因工作部門不同、地區(qū)不同而有較大的差別。因此,對(duì)每一個(gè)工程都應(yīng)從地基條件、處理要求、工程費(fèi)用以及材料、機(jī)具來源等各方面進(jìn)行綜合考慮,以確定合適的地基處理方法。

5.1　換土墊層法

將基礎(chǔ)底面以下不太深的一定范圍內(nèi)的軟弱土或不良土挖去,以質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、壓縮性較小、具有抗侵蝕性的砂、礫、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(dòng),使之達(dá)到要求的密實(shí)度,形成良好的人工地基。墊層能有效擴(kuò)散基底壓力,提高地基承載力、減少沉降、加速軟弱土層的排水固結(jié)、防止凍脹、消除膨脹土的脹縮作用等。

適用于各種軟弱土及不良地基的淺層處理,處理深度控制在3 m以內(nèi)較為經(jīng)濟(jì)合理。 使用的主要材料:砂、礫石、石渣、粉煤灰、礦渣等。 使用的主要機(jī)械設(shè)備:人工挖土或機(jī)械挖土、墊層材料運(yùn)輸、壓實(shí)或夯實(shí)機(jī)械。

5.2　深層攪拌法

利用深層攪拌機(jī)將水泥或石灰和地基土原位攪拌形成圓柱狀、格柵狀或連續(xù)墻水泥土增強(qiáng)體,形成復(fù)合地基以提高地基承載力,減小沉降。深層攪拌法分為噴漿攪拌法和噴粉攪拌法兩種,也可用它形成防滲帷幕。

適用于淤泥、淤泥質(zhì)土和含水量較高、地基承載力≤120 kPa的粘性土、粉土等軟土地基,處理深度在3 m以上時(shí)較為經(jīng)濟(jì)合理。用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕性時(shí)宜通過試驗(yàn)確定其適用性。 使用的主要材料:水泥。 使用的主要機(jī)械設(shè)備:深層攪拌機(jī),按攪拌軸分為單軸和雙軸兩種,按噴射方式分為漿液噴射和粉體噴射兩種。配套設(shè)備:漿液噴射主要有灰漿攪拌機(jī)、灰漿泵,粉體噴射主要有粉體發(fā)送器、空氣壓縮機(jī)以及計(jì)量器等。

5.3　預(yù)制樁法

將預(yù)制好的樁通過錘擊、振動(dòng)等方式沉入軟土中,建筑物荷載全部由樁承擔(dān)。荊南四河涵閘閘基處理預(yù)制樁可考慮采用水泥預(yù)制樁、松木樁或者杉木樁。

適用于各種不同類型的軟土,處理深度在3～6 m時(shí)比較經(jīng)濟(jì)合理。

6　結(jié)語

荊南四河軟土天然含水量一般大于等于液限或35%,天然孔隙比≥1.0,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般為1～2擊,最多3擊,呈軟塑—流塑狀態(tài),壓縮系數(shù)≥0.5,壓縮模量≤5,靜力觸探比貫入阻力一般<0.7 MPa,具有觸變性、流變性、高壓縮性、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小等特點(diǎn),其承載力特征值一般為60～70 kPa,承載力低。

軟土對(duì)堤防工程的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是產(chǎn)生不均勻沉降,使建筑物遭受不同程度的破壞;二是導(dǎo)致抗滑穩(wěn)定問題,需采取加固處理措施及邊坡防護(hù)措施。荊南四河堤防工程涵閘軟土地基處理主要采取換土墊層法、深層攪拌法及預(yù)制樁法,加固處理方法效果顯著,可供類似工程借鑒使用。

參考文獻(xiàn):

[1]周琴,等.湖北省洞庭湖區(qū)四河堤防加固工程可行性研究報(bào)告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2011.

[2]蘇志遠(yuǎn),等.湖北省洞庭湖區(qū)四河堤防加固工程初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2013.

[3]羅小杰,等.長江中下游堤防工程地質(zhì)研究[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2010.