軟土地基的特性及處理方法探析

(四川南充水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 南充，637000)

1 軟土地基的特性

軟土地基是指壓縮層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土或其他高壓縮性土構(gòu)成的地基。工程上通常把天然孔隙比大于或等于1.5的亞粘土、粘土稱為淤泥，而把孔隙比大于1.0小于1.5的粘土稱為淤泥質(zhì)粘土或淤泥質(zhì)亞粘土。軟土地基承載能力很低，一般不超過50kN/m2，是工程地質(zhì)性質(zhì)最差的土質(zhì)，其主要物理力學(xué)特性如下：

1.1 物理性質(zhì)

(1)顆粒級配和礦物成分：軟土的主要顆粒成分由粘粒土和粉粒土組成，其中以粘粒土的含量較高，可達(dá)60%～70%；主要礦物成分為高嶺石、蒙脫石和伊利石，同時含有大量的有機(jī)物腐殖質(zhì)，顏色呈深灰或暗綠色，有臭味。

(2)孔隙比和天然含水量：軟土的天然孔隙比一般在1～2之間；一般含水量在40%～80%之間，一般大于液限，少數(shù)含泥炭的粘土，其含水量往往大于80%甚至高達(dá)200%，其相應(yīng)的孔隙比大于2或高達(dá)6。

1.2 力學(xué)特性

(1)壓縮性高：淤泥和淤泥質(zhì)土一般都具有高壓縮性，其壓縮系數(shù)一般都大于0.05cm2/kg，有些可達(dá)0.2cm2/kg以上，建造在這種軟土上的建筑物將發(fā)生較大的沉降，尤其是沉降的不均勻性，會造成建筑物的開裂和損壞。

(2)透水性弱：軟土含水量大，可透水性卻很小，滲透系數(shù)多在10-6cm/s～10-8cm/s之間。由于透水性微小，土體受荷載作用后，往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力，影響地基的壓密固結(jié)。

(3)抗剪強(qiáng)度低：軟土通常呈軟塑～流塑狀態(tài)，在外部荷載作用下，抗剪性能極差，根據(jù)部分資料統(tǒng)計(jì)，我國軟土無側(cè)限抗剪強(qiáng)度一般小于30kN/m2。不排水剪時，其內(nèi)摩擦角φ幾乎等于零，抗剪強(qiáng)度僅取決于凝聚力c，c<30kN/m2，固結(jié)快剪時，φ一般為5°～15°。因此，提高軟土地基強(qiáng)度的關(guān)鍵是排水。如果土層有排水出路，它將隨著有效壓力的增加而逐步固結(jié)。反之，若沒有良好的排水出路，隨著荷載的增大，它的強(qiáng)度可能衰減。在這類軟土上的建筑物盡量采用“輕型薄壁”，減輕建筑物荷重。

(4)靈敏度高：軟粘土上尤其是海相沉積的軟粘土，在結(jié)構(gòu)未被破壞時具有一定的抗剪強(qiáng)度，但一經(jīng)擾動，抗剪強(qiáng)度將顯著降低。軟粘土受到擾動后強(qiáng)度降低的特性可用靈敏度(在含水量不變的條件下，原狀土與重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比)來表示，軟粘土的靈敏度一般在3～4之間，也有更高的情況。因此，在高靈敏度的軟土地基上筑堤時應(yīng)盡量避免對地基土的擾動。

(5)具有一定的流變性：軟土的流變性比較明顯，在剪應(yīng)力作用下，常發(fā)生緩慢的剪切變形，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減。

2 軟土地基處理方法

在水利水電工程建設(shè)中，通常會遇到很多強(qiáng)度很低，壓縮性大，透水性差，靈敏度高的軟土地基，不易滿足水工建筑物地基設(shè)計(jì)要求，故需進(jìn)行處理。軟基處理的焦點(diǎn)主要是解決由于外荷載引起的地基中剪應(yīng)力增大和軟土強(qiáng)度較小不相適應(yīng)的矛盾以及地基的不均勻沉降問題。為解決這些矛盾，一般可從兩個方面入手：一是改善建筑物的形狀或結(jié)構(gòu)，如采用輕型薄壁結(jié)構(gòu)，或選擇與變形相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)型式和材料，減小地基中的剪應(yīng)力，避免地基土的剪切破壞和不均勻沉降變形；二是通過地基土的排水固結(jié)或其它物理化學(xué)方法，提高地基土的抗剪強(qiáng)度，改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，或者在軟土中打入強(qiáng)度較大的筋材，組成復(fù)合地基，從而提高地基土層的工作能力。

下面結(jié)合工程實(shí)踐，具體介紹幾種軟土地基的常見處理方法。

2.1 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是解決淤泥軟粘土地基沉降和穩(wěn)定問題的有效措施，它是通過改善地基的排水條件，把土中水排走，使土固結(jié)，提高土的強(qiáng)度，改善其變形特性，達(dá)到加固的目的。它由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組合而成。排水系統(tǒng)是在地基中設(shè)置排水體，利用地層本身的透水性由排水體集中排水的結(jié)構(gòu)體系；加壓系統(tǒng)一般是利用建筑物本身的荷載，控制施工加壓速度，來達(dá)到逐級預(yù)壓固結(jié)，使大部分沉降在預(yù)壓過程中完成，地基強(qiáng)度也相應(yīng)的提高，從而減少建筑物的的沉降，增大地基的穩(wěn)定性。

工程中常用的排水固結(jié)法有排水砂井預(yù)壓法、排水紙板和排水塑帶法、真空預(yù)壓法以及井點(diǎn)降水預(yù)壓法等。它們主要應(yīng)用于土石壩和堤防工程中，這里主要介紹砂井預(yù)壓法和效益較高的塑料排水板處理淤泥軟基的方法。

2.1.1 排水砂井預(yù)壓法

砂井預(yù)壓法可處理厚度較大的軟土地基(最大厚度可達(dá)20m)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選擇井徑、間距、深度和砂井布置范圍以及擬訂預(yù)壓加荷計(jì)劃。

2.1.1.1 井徑、間距、深度選擇與砂井布置范圍

(1)砂井直徑和間距的選擇

一般來說，采用“細(xì)而密”的原則選擇砂井直徑和間距比較合理，因?yàn)樵谕痪畯綏l件下，砂井的間距減小一半，固結(jié)時間縮短約三倍，而在同一間距條件下，井徑增大一倍，固結(jié)時間只減少約三分之一。但是，砂井太細(xì)，不能保證灌砂的連續(xù)性和密實(shí)性，不能確保砂井的質(zhì)量；砂井間距太小，則可能使砂井周圍土的結(jié)構(gòu)被擠壓而破壞，所以選擇合理的井徑比非常重要。對打入鋼套管施工的砂井，井徑一般采用30cm～40cm，間距則按一定的井徑比選擇，工程上常用的井徑比(間距和直徑比)n=6～8。對于袋裝砂井，通過計(jì)算確定井徑比，一般以n=10～20為宜。

(2)砂井深度和布置范圍確定

從穩(wěn)定和沉降方面考慮，砂井應(yīng)穿過地基潛在滑動面和主要受壓區(qū)，若軟土層厚度不大，且下臥層有透水的砂礫石層時，砂井可穿越軟土層而達(dá)至砂礫石層，這樣有利于排水固結(jié)。但對有防滲要求的堤壩，一般可打至距離透水砂礫石層2m左右。砂井范圍一般布置在建筑物基礎(chǔ)下面，但為了防止基面的剪切破壞，可適當(dāng)擴(kuò)大到基面外一定范圍，一般擴(kuò)大一到兩排即可。為保證砂井排水暢通，在砂井頂部設(shè)置1.0m左右的排水砂墊層。

2.1.1.2 擬訂預(yù)壓加荷計(jì)劃

擬訂合理的加荷計(jì)劃，適當(dāng)控制加荷速率，使由于固結(jié)而增長的強(qiáng)度，適應(yīng)由于荷載而增長的剪應(yīng)力，是直接影響砂井預(yù)壓成敗的關(guān)鍵。

首先確定各級容許施加的荷載Pi，以及在相應(yīng)荷載作用下地基強(qiáng)度的增長，一般采用費(fèi)蘭紐斯極限荷載公式估算：

式中：F——安全系數(shù)，一般采用1.1～1.2；

Cu(i-1)——施加第i-1級荷載后，達(dá)到一定固結(jié)度的地基強(qiáng)度；i=1時，Cu0為天然地基不排水剪切強(qiáng)度。

Cu(i-1)=η(Cu(i-2)+△τc)

式中：η——時間效應(yīng)折減系數(shù)，一般取0.75～0.85，時間長，塑性小的，取大值，反之取小值；

式中：U——固結(jié)度，通常假設(shè)為70%；

△σz——在第i-1級荷載增量作用下，軟土層的平均深度z的豎向應(yīng)力；對均布荷載△σz=KcP；

Kc——均布荷載附加應(yīng)力系數(shù)，查相關(guān)規(guī)范；

P——均布荷載強(qiáng)度(kPa)。

確定各級施加荷載和相應(yīng)地基增長強(qiáng)度之后，還要計(jì)算達(dá)到某一固結(jié)度(70%)所需停歇的時間t。

式中：t——從零點(diǎn)算起的時間(d)，如下圖1所示；

△Pi——第i級荷載的加載速率(kPa/d)；

∑△Pi——各級荷載的累加值(kPa)；

Cv，CH——豎向和水平向排水固結(jié)系數(shù)，通過試驗(yàn)確定；

H——豎向排水距離；

de——砂井的有效影響直徑，de=1.05L(梅花形布置)，或de=1.128L(正方形布置)；

L——井距；

dw——砂井直徑。

圖1 加荷計(jì)劃

按照計(jì)算結(jié)果，控制施工速度和進(jìn)度，同時在施工中隨時注意觀察和進(jìn)行現(xiàn)場測試。

錢塘江口的杜湖水庫就是利用砂井處理軟基的土壩，壩基為淤泥質(zhì)粘土，平均厚度15.5m，其下為砂礫石層，淤泥質(zhì)粘土的天然十字板試驗(yàn)強(qiáng)度平均為17.8kPa，在這樣的地基條件下，若不進(jìn)行地基處理，只能填筑4m～5m的壩高。而本壩設(shè)計(jì)高度17.5m，設(shè)計(jì)壩基采用砂井處理，砂井直徑42cm，間距3.0m，井深14m。隨著壩體填筑高度的逐漸增加，地基逐漸固結(jié)，壩基抗剪強(qiáng)度也逐漸增大，歷時兩年，當(dāng)壩填筑到14m，現(xiàn)場十字板試驗(yàn)強(qiáng)度平均值為57.2kPa，當(dāng)壩填筑到16m時，現(xiàn)場十字板試驗(yàn)強(qiáng)度平均值為69.0kPa，相當(dāng)于天然地基強(qiáng)度的4倍，由于地基強(qiáng)度的增長，使原來只能承受4m～5m壩體的地基，可以順利地填筑到設(shè)計(jì)高程17.5m。

2.1.2 排水紙板和排水塑帶法

用排水塑帶或紙板代替排水砂井，一方面可以保證質(zhì)量，另一方面便于施工，提高效率，是一種效率較高的排水固結(jié)地基處理方法。它是在軟基中插入排水板帶，當(dāng)填筑基礎(chǔ)及上部建筑物時，荷載作用于軟基，地下水由于受擠壓和毛細(xì)作用沿塑料排水板上升至砂墊層內(nèi)，由砂層向兩側(cè)排出，從而提高基底承載力。塑料排水板要在砂墊層完成后施工，由測量人員測量出需處理范圍，標(biāo)出每根排水板具體位置，插板機(jī)對中調(diào)平，把排水板在鉆頭安放好，開動打樁機(jī)錘打鉆桿，將地面上塑料排水板截斷，并留有一定富余長度，在塑料排水板四周填砂后即完成本根施工。福建省福清過橋山圍墾海堤淤泥軟層最深達(dá)10余m，采用塑料排水帶排水固結(jié)處理取得成功。

2.2 換土法

當(dāng)淤土層厚度較簿時，可采用淤土層換填砂壤土、灰土、粗砂、水泥土及采用沉井基礎(chǔ)等辦法進(jìn)行地基處理，一般應(yīng)就地取材，或采用與堤壩填料相同的材料填筑。換土法要回填有較好壓密特性土進(jìn)行壓實(shí)或夯實(shí)，形成良好的持力層，從而改變地基承載力特性，提高穩(wěn)定能力和抗變形能力，施工時應(yīng)注意保證填料質(zhì)量，填料應(yīng)分層壓實(shí)或夯實(shí)，保證填筑質(zhì)量。

2.3 筋材加固法

筋材加固法是通過各種技術(shù)措施，在地基中增加強(qiáng)度較大的筋材，與原地基組成復(fù)合地基，從而改變地基的強(qiáng)度和變形特性。工程中常用的筋材加固法主要有：樁基法和加筋土法等。

2.3.1 樁基法

當(dāng)淤土層較厚，難以大面積進(jìn)行深處理時，可采用打樁的辦法進(jìn)行加固處理。而樁基礎(chǔ)施工技術(shù)多種多樣，水利工程中的堤壩工程，一般采用振沖碎石樁較多，建筑和橋梁工程中采用混凝土和鋼筋混凝土樁較多。

2.3.1.1 振沖碎石樁

對淤泥厚度不大于10m，且天然地基不排水強(qiáng)度Cu>20kPa的軟土地基，可采用振沖碎石樁法對地基進(jìn)行處理，形成強(qiáng)度較高的復(fù)合地基。

(1)布置：對于堤壩的大面積地基，碎石樁一般布置成正三角形，對條形或獨(dú)立基礎(chǔ)，可采用正方形布置；一般樁徑取80cm～120cm，中心間距取150cm～250cm，荷載越大，原地基強(qiáng)度越低，則樁徑越大，間距越小，反之亦然。

(2)長度：樁的長度一般根據(jù)工程對地基要求確定，若軟土厚度不大(小于10m)，可把碎石樁伸至硬層。一般碎石樁頂部施工密度不易達(dá)到要求，因此一般將頂部1.0m左右挖去，鋪30cm～50cm厚的碎石層，然后在上面做基礎(chǔ)。

(3)施工質(zhì)量控制：關(guān)鍵是對施工中所用水、電、料三者的控制。

①水的控制：主要是水量和水壓，水量要充足，必須保證充滿全孔，以防塌孔，但不易過量，以防沖孔。強(qiáng)度較低的土，水壓要小一些，反之宜大些。成孔過程中水壓和水量宜大不宜小，達(dá)到設(shè)計(jì)深度時，要降低水壓，加料振密過程中，水壓和水量均應(yīng)小些。

②電的控制：主要是控制振密過程中的密實(shí)電流，它由現(xiàn)場制樁試驗(yàn)確定，它是振沖器在固定深度上留振10s～20s的穩(wěn)定電流，不能以瞬間最大電流作為密實(shí)電流。

③制樁材料：可用碎石、卵石、砂礫石等硬質(zhì)材料，不宜采用風(fēng)化石料，材料的含泥量不大于10%，填料粒徑一般不大于5cm。填料過程一般遵從“少吃多餐”的原則。

2.3.1.2 鋼筋混凝土預(yù)制樁

鋼筋混凝土預(yù)制樁(鋼筋混凝土樁和預(yù)應(yīng)力管樁)目前由于具有較強(qiáng)承載力，投資省，質(zhì)量有保證，施工速度快等特點(diǎn)，在水閘、渡槽、橋梁和建筑等工程中得到普遍運(yùn)用。

2.3.2 加筋土法

加筋土是將抗拉能力很強(qiáng)的土工合成材料埋置于土層中，利用土顆粒位移與拉筋產(chǎn)生摩擦力，使土與加筋材料形成整體，減少整體變形和增強(qiáng)整體穩(wěn)定性?，F(xiàn)在常用的筋材有土工格柵和加筋土工格柵，它具有較高的抗拉強(qiáng)度，彈性大、耐久性好、質(zhì)輕、價廉、易施工等特點(diǎn)，被工程界廣泛應(yīng)用。

2.4 灌漿法

利用氣壓、液壓或電化學(xué)原理將能夠固化的某些漿液注入地基介質(zhì)中或建筑物與地基的縫隙部位。灌漿漿液可以是水泥漿、水泥砂漿、粘土水泥漿、粘土漿及各種化學(xué)漿材如聚氨酯類、木質(zhì)素類、硅酸鹽類等。軟土地基一般采用高壓旋噴灌漿法處理，它是通過在地基中高壓旋噴灌漿形成水泥土摩擦樁，提高地基承載力，達(dá)到控制沉降變形的目的。灌漿法對加固淤泥軟土地基具有明顯效果，如某水庫水閘由于淤泥軟基不均勻，沉陷閘基沉降最大達(dá)到0.63m，加固時采用單管高壓旋噴灌漿處理，每個閘墩上、下游側(cè)和中間各設(shè)5個灌漿孔，沿閘墩軸線兩側(cè)布孔，灌注水泥漿，成樁直徑0.5m，伸入閘基礎(chǔ)10.5m，采用灌漿壓力為20MPa，經(jīng)過處理后閘基沉降基本得到控制。

3 結(jié)語

本文只介紹了較為常用的淤泥軟土地基處理方法，僅供參考。隨著土建工程行業(yè)的發(fā)展，一些較為先進(jìn)的新技術(shù)獲得突破并得到運(yùn)用，如動載預(yù)壓排水固結(jié)法對處理淤泥軟土地基具有技術(shù)先進(jìn)，效益顯著，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

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