對(duì)軟土地基上筑堤方式的研究

謝 闖 朱 武 張 明

（1.宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.泗洪縣水利工程處，江蘇 宿遷 223900）

1 概述

堤壩在縱向上連續(xù)展開(kāi)，其線較長(zhǎng)，水利上一般作為擋御洪水屏障，標(biāo)準(zhǔn)要求高，因此，不可能對(duì)地基進(jìn)行全線深層次的處理，只能在原地進(jìn)行處理（清表），就直接在原地基上進(jìn)行填筑。當(dāng)遇到天然地基較軟、不能滿(mǎn)足堤壩填筑高度（荷載）對(duì)地基的強(qiáng)度和變形要求時(shí)，會(huì)造成堤壩失穩(wěn)，帶來(lái)安全隱患，因此要注重地基的變形，并通過(guò)采取具體方法來(lái)改善地基條件，以達(dá)到處理的目的，從而確保堤壩的安全與穩(wěn)定。通過(guò)近幾年宿遷地區(qū)以及江蘇省內(nèi)一系列相關(guān)的填筑堤壩在軟土地基上所采用的處理方式，同時(shí)針對(duì)筑堤所遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，有助于今后對(duì)堤壩在軟地基上填筑提供可供選擇的方案。

2 軟基的基本特征

（1）工程上一般將上層孔隙比e≥1.5 稱(chēng)為淤泥，1.0≤e＜1.5 稱(chēng)為淤泥質(zhì)土，故將軟弱土的土類(lèi)統(tǒng)稱(chēng)為軟土。

（2）軟土的一般特性為含水量高、孔隙比大。一般含水量在45%以上，高的可達(dá)90%左右，e>1.0，抗剪強(qiáng)度低。軟土快剪凝聚力c<20 kPa，大多在10 kPa 左右，土內(nèi)摩擦角φ<5°，壓縮性高。軟土壓縮系數(shù)一般大于0.5 MPa-1，且隨液限的增大而增大。

（3）軟土的另一個(gè)重要特性為滲透性小，滲透系數(shù)一般在A×10-7cm/s以下，滲水性極差，靈敏度高，含水飽溶度大，不易逸出。

（4）軟基的土質(zhì)層面經(jīng)不住擾動(dòng)，尤其當(dāng)荷載在短時(shí)間內(nèi)加載較快，一旦大于極限值，易產(chǎn)生液化，使其層面抗剪強(qiáng)度顯著降低，導(dǎo)致產(chǎn)生垂直變形和水平位移，并極易出現(xiàn)大面積滑動(dòng)。

（5）在軟基上填筑的堤壩工程特性較差，填筑難度也較大，因此在施工前，首先要對(duì)地基進(jìn)行必要的處理，以改善土基物理力學(xué)性能，促進(jìn)提高地基承載力，才能保證堤身整體安全度。

3 失穩(wěn)分析及機(jī)理

（1）從理論上講，引起軟土地基堤壩滑動(dòng)破壞的主要原因在于軟弱地基中某個(gè)面上的剪應(yīng)力超過(guò)了抗剪強(qiáng)度，使穩(wěn)定平衡遭到了玻壞。主要有三方面因素：一是剪應(yīng)力增加。往往在堤壩施工中填土荷載的增加以及加載過(guò)快，會(huì)造成地基變形。二是軟土地基本身抗剪強(qiáng)度減小。如：孔隙水應(yīng)力的升高，氣候變化產(chǎn)生的干裂、凍融，粘土夾層以及高嶺土（膨脹土）因浸泡軟化（液化）而產(chǎn)生粘性土的蠕變等。三是一次性脫水過(guò)快也會(huì)引起土體收縮而產(chǎn)生變形，導(dǎo)致地基失穩(wěn)。

（2）對(duì)堤壩工程進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，通常是假想將原地基與填筑交界面作為滑動(dòng)面，將以上土體看作剛體，并以其為脫離體，分析在極限平衡條件下其上各種作用力，以整個(gè)滑動(dòng)面上的平均抗剪強(qiáng)度與平均剪應(yīng)力之比來(lái)定義安全系數(shù)，即：

式中:

Fs—堤壩穩(wěn)定安全系數(shù)；

rr—滑動(dòng)面土體的平均抗剪強(qiáng)度；

r—作用于滑動(dòng)面上的平均剪應(yīng)力。

Fs>1，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；Fs<1，土體處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)趨勢(shì)；Fs=1，土體處于臨界狀態(tài)。因此，要使處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)狀態(tài)趨勢(shì)的土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，必須滿(mǎn)足Fs>1（堤壩工程等級(jí)不同，取值也不同，通常在1.05～1.30 之間）。處理方法通常有兩種：一是提高土體的抗剪強(qiáng)度，使孔隙水應(yīng)力充分消散，如對(duì)地基進(jìn)行加固等；二是減小作用在土體上的剪應(yīng)力，如減小堤壩的橫斷面積，盡量避免對(duì)堤壩和基體的擾動(dòng)，防止因產(chǎn)生土體的液化而造成失穩(wěn)。

（3）變異性地基也會(huì)造成地基條件變化，如：高嶺土（膨脹土）一旦遇水浸泡、脫水都會(huì)成為形成軟土地基的基本條件。宿遷地區(qū)▽5.0 m 以下高嶺土較為典型，基礎(chǔ)不僅怕水浸泡，又不能過(guò)份脫水，在此基礎(chǔ)上筑堤時(shí)，稍不注意就會(huì)因地基產(chǎn)生較大變形而造成堤身失穩(wěn)。因此，尤其要重視地下水位的合理控制，關(guān)于這種類(lèi)型土，其含水量在多少為宜才不致形成變形，要根據(jù)各自不同的土質(zhì)情況，做取樣、試驗(yàn)，而不能盲目實(shí)施，否則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)的問(wèn)題。

（4）人為因素也是引起堤壩失穩(wěn)的重要方面，尤其在軟土地基上填筑，故從安全考慮，設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了填筑的速率，但往往被施工者所忽視。筑堤速率過(guò)快帶來(lái)地基壓縮變形過(guò)大，從而導(dǎo)致地基破壞產(chǎn)生滑動(dòng)的例子不少。較典型的實(shí)例是：在2000年入海水道阜寧淤土段施工中，南北堤為Ⅰ、Ⅱ級(jí)堤防，由于對(duì)速率控制進(jìn)土概念把握不足，在一段時(shí)間內(nèi)形成連續(xù)3 d 進(jìn)土，結(jié)果其高度不但上不去，甚至還有所降低，起初認(rèn)為測(cè)量發(fā)生了誤差，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)是發(fā)生了沉降，主要是上土速率過(guò)快所致。據(jù)資料查證，最大一次沉降量達(dá)到0.43 m，最終沉降量在北堤達(dá)到1.14 m，平均沉降量在0.6 m 左右，故通過(guò)具體查證得出結(jié)論：斷面越大，沉降量越大。實(shí)踐證明，在軟土基礎(chǔ)上施工必須進(jìn)行速率控制，否則會(huì)帶來(lái)堤身失穩(wěn)。

（5）其他原因誘發(fā)導(dǎo)致筑堤失穩(wěn)。河床開(kāi)挖積土放置離河床太近，會(huì)引起河床滑動(dòng)，導(dǎo)致堤身位移。如：2013年宿遷市東沙河治理工程中，有2 km 范圍為含水量較高的淤泥層（含水量達(dá)45%），挖掘機(jī)開(kāi)挖河床后，積土就作為筑堤的土料放置在堤身斷面上，因未采取任何工程措施，堤身短時(shí)間內(nèi)堆高2.5 m，造成邊載增大，誘發(fā)河床形成圓弧滑動(dòng)，導(dǎo)致2 km范圍堤土全部滑入河床中。

4 筑堤的幾種方式

目前對(duì)軟土地基的施筑，針對(duì)不同的情況，形成了多種施筑方式，歸納起來(lái)有以下幾種。

4.1 堤身自重?cái)D淤法

即通過(guò)逐步加高堤身，將處于流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土外擠，并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質(zhì)土中的孔隙水應(yīng)力逐步充分消散，使有效應(yīng)力得到增加，從而提高地基抗剪強(qiáng)度的方法。在擠淤過(guò)程中為了減少不均勻沉降的產(chǎn)生，應(yīng)放緩堤坡，一般在1∶5～1∶10 之間，逐步減慢堤身填筑速度，在加載過(guò)程中通過(guò)觀測(cè)變形控制進(jìn)土速率。一般每天堤身變形不得大于10 mm，依據(jù)入海水道的工程實(shí)踐，每天進(jìn)土高度不得大于50 cm，施工期間尤其要注意中后期時(shí)段內(nèi)的速率控制，同時(shí)要對(duì)水平、垂直變形進(jìn)行觀測(cè)。此方法在地基呈流塑狀態(tài)的淤泥且淤泥較厚的地基上運(yùn)用，其地基淤泥層一般可達(dá)10～20 m 左右?；春尤牒Ｋ栏穼幱偻炼魏蛠営偻炼?0 km 范圍內(nèi)堤防工程就采用了此施工方案，并運(yùn)用了速率控制。堤基變化規(guī)律是從不穩(wěn)定到規(guī)則性的沉降，再到小的沉降，一般達(dá)到最終沉降需要經(jīng)過(guò)一年的時(shí)間，堤身才趨向穩(wěn)定。經(jīng)對(duì)資料查證，該段北堤堆堤起始高程5.0 m，頂高10.5 m，而最大變形發(fā)生在真高7.0～10.0 m 之間，因此，注重施工中后期時(shí)段內(nèi)的沉降控制十分必要。

4.2 拋石擠淤法

把一定數(shù)量的塊石拋在需處理的淤泥或淤泥質(zhì)土地基中，將原基礎(chǔ)處的淤泥或淤泥質(zhì)土擠走，從而達(dá)到加固地基的目的。一般按以下要求進(jìn)行：將不易風(fēng)化的石料（尺寸一般不宜小于30 cm）拋填于被處理堤基中，拋填方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定。橫坡平坦（＜1∶5）時(shí)自地基中部漸次向兩側(cè)擴(kuò)展；橫坡較陡（＞1∶5）時(shí)，自高側(cè)向低側(cè)拋填。最后在上面鋪設(shè)反濾層。該方法施工技術(shù)簡(jiǎn)單，常用于處理工期較緊、淤泥土層較淺（一般厚2 m 左右），且又地處?？?、施工受潮汐影響的工程中，可起到防沖刷的作用。連云港市徐圩新區(qū)地臨黃海，2012年度海堤應(yīng)急加固工程共9 km 臨海護(hù)坡石籠護(hù)腳項(xiàng)目中，表面清雜存在一定深度的淤泥，又受潮汐影響，故采用了在設(shè)計(jì)標(biāo)高位置上拋石擠淤法，將擠溢出的淤泥清盡后，再次通過(guò)塊石擠淤、填充、整平后進(jìn)行上層面石籠的筑砌，此法基本滿(mǎn)足了石籠護(hù)腳技術(shù)要求，使整體石籠布置成型，較好地起到了護(hù)腳作用。

4.3 墊層法

把靠近堤防基層不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的軟土挖除，代以人工填砂、碎石、石渣等強(qiáng)度高、壓縮性低、透水性好、易壓實(shí)的材料作為持力層，這些墊層材料不僅可以就地取用，價(jià)格便宜，且施工工藝較為簡(jiǎn)單。該法在軟土埋深較淺、開(kāi)挖土方量不太大的場(chǎng)地較常采用，還用在堤身與交叉建筑物的地基處理中，又稱(chēng)“換土”法，可提高地基承載力，確保整體使用的安全。泗洪縣安東河節(jié)制閘除險(xiǎn)加固工程中，對(duì)閘身地基處理就采用了“換土”法，將高嶺土置換成水泥復(fù)合土，以提高地基承載力，確保整個(gè)工程的安全。

4.4 預(yù)壓法

即在排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的配合作用下，使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系統(tǒng)有：水平排水墊層、排水砂溝或其它水平排水體，豎直方向的排水砂井或塑料排水板。加壓系統(tǒng)有：堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓或降低地下水位等。當(dāng)堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓聯(lián)合使用時(shí)又稱(chēng)堆載預(yù)壓法?；咀龇ㄈ缦拢合葘⒋庸谭秶鷥?nèi)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(shè)密封膜，用真空泵將密封膜以?xún)?nèi)的地基氣壓抽至80 kPa 以下。該方法往往加固時(shí)間較長(zhǎng)，抽真空處理范圍有限，故適用于工期要求較寬的淤泥或淤泥質(zhì)土地基處理。在淮河入海水道淤土段和亞淤土段穿堤建筑物地基處理中采用了此方法，但對(duì)于流態(tài)特性很強(qiáng)的軟粘土、泥炭土則不宜采用此法。

4.5 復(fù)合地基法

（1）砂樁、碎石樁主要是在振動(dòng)和沖擊荷載作用下，先于地基中成孔，再在孔內(nèi)分別填入砂、碎石等材料，并分層振實(shí)或夯實(shí)，使地基得以加固。用砂樁、碎石樁加固軟粘土地基時(shí)，地基上加固初始強(qiáng)度不能太低（初始不排水抗剪強(qiáng)度一般要求大于20 kPa），故對(duì)太軟的淤泥或淤泥質(zhì)土則不宜采用。

（2）石灰樁、二灰樁是在樁孔中灌入新鮮石灰，或在生石灰中摻入適量粉煤灰和火山灰（常稱(chēng)為二灰），并分層擊實(shí)而成。其是通過(guò)生石灰的高吸水性、膨脹后對(duì)樁周土的擠密作用、離子交換作用以及與空氣中的CO2和水發(fā)生酸化反應(yīng)使被加固地基強(qiáng)度提高的。

（3）深層攪拌樁是通過(guò)攪拌機(jī)沿深度將水泥、石灰等固體材料與地基強(qiáng)制就地?cái)嚢瓒蓸?。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預(yù)定深度后提升，同時(shí)噴嘴以一定速度旋轉(zhuǎn)，并高壓噴射漿液與土體混合凝固硬化而成樁。其加固機(jī)理類(lèi)似于石灰樁，所成樁與被加固上體相比，強(qiáng)度大、壓縮性小，適用于沖填土、軟粘土和粉細(xì)砂地基的加固。但對(duì)有機(jī)質(zhì)成分較高的地基土加固效果較差，宜慎重對(duì)待，對(duì)于塘泥土、泥炭土等有機(jī)質(zhì)成分的土層禁用。此方法分為濕噴和干噴，地基土質(zhì)含水量達(dá)到35%以上可用干噴。在南水北調(diào)三陽(yáng)河道項(xiàng)目中，對(duì)堤壩固坡采用了這種方法，因該處土質(zhì)含水量達(dá)到48%，故采用干噴的方法進(jìn)行攪拌。水泥摻量為25%，主要為滿(mǎn)足河床邊坡穩(wěn)定要求，根據(jù)對(duì)河坡的穩(wěn)定計(jì)算，河坡1∶6 才符合安全、穩(wěn)定的需要，因此從安全和節(jié)約土地資源角度出發(fā)，采用了干噴深層攪拌樁的施工方法，其效果較為明顯，對(duì)該段固坡的護(hù)坡穩(wěn)定起到了積極的作用。實(shí)施后河坡為1∶3，既節(jié)約了土地資源，又達(dá)到了河床穩(wěn)定效果。

4.6 劈裂灌漿加固法

二次復(fù)堤加高，一般是為了解決老堤高度不夠通過(guò)加高達(dá)標(biāo)而形成的整體穩(wěn)定問(wèn)題，采用劈裂灌漿加固技術(shù)，能使原有堤身形成連續(xù)粘土帷幕，減少老堤身的孔隙比，從而確保復(fù)堤加固的安全。此種方法運(yùn)用在新沂河、入海水道（南堤）加固項(xiàng)目中效果較佳。入海水道南堤在原有老堤身▽7.0 m 基礎(chǔ)上加至▽10.5 m，加高3.5 m 均未出現(xiàn)潰堤、滑動(dòng)的問(wèn)題，尤其在最終沉降量上顯示，南堤僅是北堤的1/3，一般最終沉降30 cm。由此看出，針對(duì)不同項(xiàng)目，采用不同方式對(duì)軟基進(jìn)行處理和改善，所取得的成效才更顯著。

4.7 土工合成材料加筋固法

將土工合成材料平鋪于堤防地基表面進(jìn)行地基加固，能使堤防荷載均勻分散到地基中。當(dāng)?shù)鼗赡艹霈F(xiàn)塑性剪切破壞時(shí)，土工合成材料將起到阻止破壞形成或減小破壞發(fā)展范圍的作用，從而達(dá)到提高地基承載力的目的。此外，土工合成材料與地基土之間的相互摩擦將限制地基土的側(cè)向變形，從而增加地基的穩(wěn)定性，此種方法也可稱(chēng)之為“軟體”沉排，在鞏固堤防的縱向整體穩(wěn)定效果上較佳。宿遷東沙河項(xiàng)目實(shí)施中，發(fā)現(xiàn)局部段地基土質(zhì)較軟，土料含水量較大，故采用了此方法，應(yīng)用后堤身未出現(xiàn)大的滑動(dòng)變形情況。

5 結(jié)論

以上分別為7 種軟基筑堤方式在不同工程中的運(yùn)用，其效果明顯。由于工程性質(zhì)不一樣，要求的效果也不一樣，故應(yīng)針對(duì)不同情況分別對(duì)待，正確選取適宜的處理方案。單從經(jīng)濟(jì)投資角度上考慮，采用擠淤法與人工控制速率相結(jié)合，其費(fèi)用是其它費(fèi)用的1/3 左右，相對(duì)較低，安全性也可以得到保證。但是，需要的施工期相對(duì)較長(zhǎng)，是其它工程周期的3 倍?？傊?，不同工程、不同投資、不同地段條件，需采用不同的處理方法，才能確保滿(mǎn)足各工程工期、安全等多方面的要求。