杭州城西軟土工程特性分析

王林軍 祝偉偉

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310000)

1 概述

杭州位于長江三角洲錢塘江入?？诟浇捎跉v史上的三次“海侵”及海退后形成的瀉湖，杭州市區(qū)域普遍存在厚層濱海性淤泥質(zhì)土及湖沼相淤泥質(zhì)土。濱海相淤泥質(zhì)土主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土薄層或淤泥質(zhì)粘土夾粉土薄層，主要分布在城東及城南，埋深約為15 m～20 m，厚度約10 m～20 m。湖沼相淤泥質(zhì)土主要為淤泥或淤泥質(zhì)粘土，主要分布于城西，埋深約為2 m～5 m，厚度約為5 m～20 m。隨著城市發(fā)展及土地資源的減少，大量建筑設(shè)置地下室來擴(kuò)展單體建筑空間，大量市政道路的建設(shè)來擴(kuò)展城市發(fā)展空間。因杭州城西軟土普遍埋深淺、厚度大，其上部土層基本僅僅由填土及1層約1 m厚的粘性土“硬殼層”構(gòu)成，整體工程性質(zhì)較差，且分布不均勻，故城西軟土工程性質(zhì)對該區(qū)域建筑地下室基坑開挖施工及道路路基建設(shè)影響較大。本文根據(jù)大量杭州城西工程勘察數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，綜合分析杭州城西軟土層的物理力學(xué)性質(zhì)，并對其工程特性進(jìn)行歸納分析。

2 城西軟土物理力學(xué)性質(zhì)

本文對城西大范圍軟土樣本進(jìn)行了選取以及分析，主要選取的區(qū)域?yàn)槲囊宦费鼐€、古墩路沿線、西溪濕地、三墩、倉前以及五常，選取樣本區(qū)域基本覆蓋整個城西區(qū)域，總共選取樣本數(shù)為788個。

2.1 杭州城西軟土的物理性質(zhì)

根據(jù)對收集的樣本資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，杭州城西軟土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)成果詳見表1。

表1 杭州城西軟土物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1所列統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可以分析出該區(qū)域軟土具有以下特點(diǎn):

1)含水量高。

區(qū)域軟土含水量變化在30.6%～66.2%之間，平均值為44.7%，符合JTG D30-2004公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范軟土鑒別規(guī)定，W≥35%的粘性土為軟土地基。塑性指數(shù)變化在10.2～28.9之間，平均值為17.8，液性指數(shù)變化在 0.90～2.62之間，平均值為1.31?？梢姵俏鬈浲林饕獮橛倌噘|(zhì)粘土，呈流塑狀。

圖1 含水量—深度關(guān)系圖

如圖1所示杭州城西軟土含水量與深度關(guān)系圖，城西軟土含水量有隨深度增加而減少的趨勢，從圖上看6 m以內(nèi)軟土含水量較大，散點(diǎn)主要分布在50%～60%之間，6 m以下散點(diǎn)主要集中分布在40%～50%之間。如圖2所示杭州城西軟土塑性指數(shù)與深度關(guān)系圖，6 m以內(nèi)軟土基本以淤泥質(zhì)粘土為主，局部為淤泥，6 m以下以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主。通過圖1，圖2分析可知杭州城西軟土豎向具有一定差異性，淺部含水量更大，且主要為淤泥質(zhì)粘土及淤泥。

圖2 塑性指數(shù)—深度關(guān)系圖

圖3 天然孔隙比—深度關(guān)系圖

2)天然密度小、孔隙比大。

根據(jù)表1所示天然密度變化范圍在1.58 g/cm3～1.90 g/cm3之間，平均值為1.75 g/cm3，孔隙比變化范圍在 0.882～1.882 之間，平均值為1.255。從圖3看出:杭州城西軟土孔隙比整體集中分布在1.0～1.5之間，由于孔隙比較大，對土體沉降影響較大。

3)滲透性低。

豎向和水平滲透系數(shù)變化范圍分別為4.40E－08～3.40E－06 cm/s和4.30E －08～2.30E －05 cm/s，平均值分別為2.58E －07 cm/s和6.54E－06 cm/s，從數(shù)值上分析可知，城西軟土滲透性較差，水平滲透性比豎向滲透性稍好。

2.2 杭州城西軟土的力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)對收集的樣本資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，杭州城西軟土力學(xué)性質(zhì)統(tǒng)計(jì)成果詳見表2。

表2 杭州城西軟土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

由表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果可分析出杭州城西軟土力學(xué)性質(zhì)具有以下特點(diǎn):

1)高壓縮性。

根據(jù)表2所示壓縮系數(shù) a0.1-0.2變化范圍在 0.28 MPa－1～1.79 MPa－1之間，平均值為 0.89 MPa－1，壓縮模量 E0.1-0.2變化范圍在1.49 MPa～6.83 MPa 之間，平均值為 2.68 MPa，屬于高壓縮性土。壓縮系數(shù)隨含水量增大而增加。典型e—P曲線圖見圖4。

圖4 典型e—P曲線圖

2)強(qiáng)度低。

由表2統(tǒng)計(jì)值知，快剪粘聚力Cq統(tǒng)計(jì)均值為10.9 kPa，摩擦角φq統(tǒng)計(jì)均值為13.0°，而三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)粘聚力Cuu統(tǒng)計(jì)均值為9.3 kPa，摩擦角 φuu統(tǒng)計(jì)均值為0.58°，對比可發(fā)現(xiàn)兩種試驗(yàn)的粘聚力值相似，而摩擦角相差甚大，根據(jù)土力學(xué)理論淤泥質(zhì)土摩擦角理論值為0°，故工程設(shè)計(jì)過程中摩擦角取用φuu值更為合理。

3)靈敏度高。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度原狀土qu介于16.7 kPa～71.1 kPa之間，統(tǒng)計(jì)均值為 26.7 kPa，重塑土 q'u介于 3.3 kPa～10.1 kPa 之間，統(tǒng)計(jì)均值為5.5 kPa，靈敏度St均值為5.28，屬于高靈敏度土。

3 城西軟土工程特性

根據(jù)前文綜合分析杭州城西軟土的物理力學(xué)特性及其分布特點(diǎn)，可以確定該區(qū)域軟土具有以下工程特性:

1)承載力低。

城西軟土總體上淺部抗剪強(qiáng)度更低，淺部軟土承載力特征值約為50 kPa～70 kPa。由于城西軟土總體埋深較淺，且其不能提供較高的承載力，該區(qū)域建筑物一般不可采用天然地基。該區(qū)域建筑物普遍需采用樁基礎(chǔ)或采用地基處理加固。

2)變形大。

根據(jù)前文城西軟土壓縮系數(shù)高，屬于高壓縮性土，當(dāng)建(構(gòu))筑物以該層表層部分換填后作為基礎(chǔ)持力層或以表層“硬殼層”作為基礎(chǔ)持力層時，建(構(gòu))筑物沉降較大。同時由于固結(jié)系數(shù)Cv及CH都較低，滲透系數(shù)K也較低，該層軟土的排水固結(jié)時間較長，地基穩(wěn)定性差。

3)蠕變性及觸變性。

城西軟土屬于高靈敏度土，受到振動載荷后，容易出現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低，容易出現(xiàn)土體側(cè)向滑動或土體隆起等不良現(xiàn)象。

4 城西軟土工程危害及處理方式

縱觀城西軟土的分布規(guī)律，城西軟土埋深較淺，且地表以下6 m以內(nèi)軟土主要為淤泥質(zhì)粘土或淤泥，在工程建設(shè)過程中，此種淺埋軟土對基坑開挖、市政道路基礎(chǔ)及預(yù)應(yīng)力管樁施工均有較大影響。

隨著城市發(fā)展，區(qū)域內(nèi)的基坑開挖深度越來越深，基坑圍護(hù)的穩(wěn)定性極其重要。由于城西軟土強(qiáng)度低，變形大，整個圍護(hù)體系側(cè)向變形較大。五常某工地為1層地下室，開挖深度約5 m，軟土厚度約20 m，采用13 m長工法樁圍護(hù)，未采用支撐體系，當(dāng)開挖至基底時，支護(hù)體系側(cè)向變形較大，坑內(nèi)預(yù)制樁樁頂偏移最大達(dá)到1.5 m左右。經(jīng)分析主要有兩個原因引起:1)未采用支撐體系，圍護(hù)樁樁身側(cè)向位移大，坑內(nèi)為深厚軟土且抗剪強(qiáng)度低，圍護(hù)樁側(cè)向擠壓，造成基底下軟土擠壓工程樁偏移;2)由于坑邊為工程車車道，工程車經(jīng)過振動土體，造成高靈敏度軟土的觸變?nèi)鋭?，進(jìn)一步加劇側(cè)向擠壓程度，最終導(dǎo)致工程樁大幅度偏移。

針對城西軟土特性，解決上述工程危害時宜在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時采用支撐體系，保證圍護(hù)樁穩(wěn)定性，同時工程便道宜遠(yuǎn)離基坑邊緣。

早期該區(qū)域市政道路由于沉降大，路面出現(xiàn)不規(guī)則波狀起伏，并出現(xiàn)開裂情況，由于這些危害均由軟弱基礎(chǔ)引起，后期養(yǎng)護(hù)不能根除其危害。欲保證該區(qū)域道路沉降達(dá)到規(guī)范要求，宜采用水泥攪拌樁對路基下軟土進(jìn)行加固處理，處理后的復(fù)合地基在力學(xué)性質(zhì)上大大改善，壓縮性降低，工后沉降小。

城西軟土下部為硬可塑的粘土，由于軟土不能作為天然基礎(chǔ)，區(qū)域內(nèi)建筑經(jīng)常采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，采用下部粘土或砂礫土作為樁端持力層。由于地表淺部沒有厚度穩(wěn)定的“硬殼層”，樁頂處于束縛力較小的狀態(tài)，因此沉樁過程中擠土效應(yīng)產(chǎn)生的側(cè)向力容易造成工程樁樁頂偏位或斷樁等工程危害。城西軟土地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁施工過程中應(yīng)注意樁間距控制、沉樁順序控制及接樁位置應(yīng)進(jìn)入硬土層。

5 結(jié)語

1)杭州城西分布厚度較大的湖沼相軟土，具有埋深淺的特點(diǎn)，淺部主要為淤泥質(zhì)粘土或淤泥，絮狀膠結(jié)，呈流塑狀態(tài)，含水量隨深度遞減的變化。

2)城西軟土具有含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性高、靈敏度高和滲透性低的特點(diǎn)。

3)城西軟土區(qū)域基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時主要需控制側(cè)向變形對坑內(nèi)土體的間接工程影響，宜采用支撐體系。市政道路應(yīng)采用水泥攪拌樁加固地基土，以消除軟土層工后沉降過大等問題。預(yù)應(yīng)力管樁施工時應(yīng)注意軟土側(cè)向擠壓影響，不宜過密布置工程樁，同時注意施工中引起的軟土蠕變對工程樁的影響。

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