水利工程軟土地基處理技術(shù)研究

趙 越

(岫巖滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山 114300)

水利工程功能的特殊性決定了其施工環(huán)境的復(fù)雜性，大多數(shù)水利項(xiàng)目建設(shè)于濕度較大的河流、沿海等區(qū)域[1]。因此，水利施工的安全性和整體質(zhì)量在很大程度上取決于軟土地基的處理情況，實(shí)踐工程中軟基處理應(yīng)引起技術(shù)部門的重點(diǎn)關(guān)注。

建筑物上部結(jié)構(gòu)的承載力完全由水利工程地基承擔(dān)，若未能實(shí)施地基處理很容易引起明顯的地基土沉降。軟基處理能夠顯著改善地基的透水性，其原因?yàn)榈貙右陨系鼗芙ㄖ锏貙酉虏克鬟\(yùn)動(dòng)影響產(chǎn)生一定壓力，為降低建筑結(jié)構(gòu)受壓力作用的影響程度必須實(shí)施有效的處理措施[2]。通過采取有效的處理技術(shù)可以提高地基模量、減緩基土下沉速度以及改善地基壓縮特性；地基穩(wěn)定性與地基抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)，所以地基處理還可減輕壓力和剪力破壞，改善地基剪切特性及增強(qiáng)地基抗壓力；此外，地基處理還可減少或消除膨潤(rùn)土及濕陷土的特性，降低地震液化的不利影響，提高地基抗震強(qiáng)度和改善地基的動(dòng)力特性。

1 軟土地基特性及危害

1.1 軟土地基特性

水利工程施工中遇到的泥炭、松散砂、淤泥、雜填土、沖填土、松軟土及淤泥質(zhì)土等土層，通常為軟土地基[3]。一般條件下，軟基土壤的孔隙度高、穩(wěn)定性差，含水量通常大于液限土，歸納總結(jié)其特性如下：①觸變性：從未受到破壞到發(fā)生破壞的過程，軟土地基自固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)態(tài)，該特性即為觸變性；②不均勻性：高分散顆粒和微細(xì)顆粒為組成軟基的主要成分，因兩者土質(zhì)密度的不同使得構(gòu)筑物沉降時(shí)的受力情況存在較大差異，水利工程整體受力也不同，軟基上的建筑物受這種不均勻性作用往往會(huì)出現(xiàn)各式各樣的裂縫，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生損壞；③沉降速度快：隨著荷載的增加軟基上的構(gòu)筑物沉降速度不斷加快，保持地基條件不變時(shí)，沉降速度隨構(gòu)筑物高度的增加而加快；④高壓縮性：受高承載力作用，軟基上的構(gòu)筑物隨著壓縮系數(shù)的增大越易發(fā)生沉降，地基在垂直壓力超過0.1MPa的情況下發(fā)生壓縮變形，從而使得軟基上的構(gòu)筑物發(fā)生明顯的沉降；⑤低透水性：水利工程施工中軟基的透水性很差，軟基排水固結(jié)往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，所以要投入大量的精力完成軟基的排水固結(jié)作業(yè)，水利工程沉降時(shí)間一般超過10a[4]。

1.2 軟土地基危害

水利施工過程中軟基具有較大的不可預(yù)見性，若未能做好相應(yīng)的處理很容易對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生破壞，因無法保證路基穩(wěn)定性而出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象十分常見[5]。軟土層受上部構(gòu)筑物不均勻荷載作用，極易引起構(gòu)筑物墻體開裂、基礎(chǔ)沉降和倒塌等危害。

2 水利工程軟土地基處理技術(shù)

2.1 作業(yè)前準(zhǔn)備

軟基上建設(shè)水利項(xiàng)目要重點(diǎn)關(guān)注許多關(guān)鍵部位，其中施工準(zhǔn)備為保證項(xiàng)目按預(yù)期完工的基本條件。為做好準(zhǔn)備工作應(yīng)全面檢查所有施工設(shè)備，保證各項(xiàng)設(shè)備可以合理、正常的使用，相關(guān)管理人員還應(yīng)記錄各類設(shè)備的型號(hào)，為準(zhǔn)確快速的選擇設(shè)備型號(hào)投入使用提供支持，從而保證水利項(xiàng)目按預(yù)期完工。此外，要嚴(yán)格檢查與篩選水利施工所需材料，全面檢驗(yàn)各類材料質(zhì)量確保其符合水利施工要求，最大限度的降低因材料質(zhì)量問題帶來的不利影響，保證水利施工安全和工程建設(shè)效果。

2.2 施工處理細(xì)節(jié)

施工處理細(xì)節(jié)為建設(shè)過程中軟基處理的關(guān)鍵內(nèi)容，在軟基處理細(xì)節(jié)上應(yīng)結(jié)合水利工程實(shí)際情況，選擇合適的軟基加固技術(shù)提高其整體穩(wěn)定性[6]。此外，軟基施工工程量預(yù)算要充分考慮工程現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，科學(xué)確定工程周期和制定施工規(guī)劃，為合理安排施工、管理和技術(shù)人員工作提供依據(jù)。然后結(jié)合施工量預(yù)算合理選擇相應(yīng)的處理技術(shù)，例如工程量較小的情況下軟基處理宜選取換填法，工程量較大的情況下軟基處理宜選取砂墊層作業(yè)方式，由此以來可以合理控制工程建設(shè)成本，對(duì)調(diào)控水利項(xiàng)目建設(shè)資金發(fā)揮著積極作用。

2.3 軟土地基施工技術(shù)

2.3.1 換填法

軟土層厚度為2-3cm時(shí)比較適用砂石換填墊層法，施工過程中先對(duì)表層軟土挖除，并利用穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的材料加以更換。其中，卵石、砂、砂石等為工程中常用的換填墊層材料，以上墊層石料存在容易碾壓密實(shí)、透水性良好、壓縮性小及強(qiáng)度高等特點(diǎn)，能夠明顯加快軟土層的固結(jié)排水速度以及顯著增強(qiáng)地基抗變形能力，大大降低沉降程度和消除膨脹土漲縮，有效防止基土出現(xiàn)凍脹破壞。完成換填施工后還需夯實(shí)此處地基，從而增強(qiáng)地基的整體抗變形、穩(wěn)定性、承載力以及維持良好的持力層。施工過程中底層材料的選擇應(yīng)符合壓縮性小、強(qiáng)度高等要求，若發(fā)現(xiàn)填充過程出現(xiàn)空隙應(yīng)利用透水材料排水，加快軟基凝結(jié)防止發(fā)生凍脹現(xiàn)象。完成換填施工后還要做好后續(xù)的夯實(shí)處理，施工過程中砂石與砂換填處理應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點(diǎn)：

1)施工材料的合理選擇。換填施工時(shí)應(yīng)盡可能選擇質(zhì)地堅(jiān)硬的粗砂、碎石、沙礫和中砂等，防止出現(xiàn)風(fēng)化料、軟巖及雜物的混入。其中，頂級(jí)沙礫的選用要滿足顆粒不均勻系數(shù)不低于10的要求；人工砂礫石的選用應(yīng)盡可能保持填層材料密度最大，采取密實(shí)度試驗(yàn)合理選擇最優(yōu)的砂石；在沒有人工沙礫與頂級(jí)沙礫的情況下，填層材料可以選用細(xì)砂混入一定量碎石、卵石的方法，并且確保墊層含石量不超過50%，填充前清理干凈材料中混入的枯草、雜質(zhì)等。

2)施工準(zhǔn)備工作。換填層施工前清理干凈坑內(nèi)的樹葉、枯草等雜質(zhì)，若坑內(nèi)存在積水要利用排水技術(shù)排除干凈，并對(duì)坑內(nèi)浮土進(jìn)行全面清理，同時(shí)確保地基周邊土的牢固穩(wěn)定，均勻攪拌填充材料后鋪平。

3)施工過程控制。施工時(shí)材料的搗實(shí)與鋪平工作應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)流程開展，為保持接頭的斜坡性質(zhì)還要處理好接頭位置，按照一定的距離錯(cuò)開相鄰層級(jí)。然后選用合適的方法進(jìn)行材料的鋪設(shè)施工，比較常見的有水振法、插振法、平振法、碾壓法及夯實(shí)法等。另外，修建排水設(shè)施保證施工期間工地的正常排水，防止出現(xiàn)淤泥與沖刷破壞，如雨季施工時(shí)要實(shí)行挖、運(yùn)、填、壓同步實(shí)施的方法，通過有效的預(yù)防措施避免雨水對(duì)施工土地的沖刷破壞，最大程度的保持排水設(shè)施暢通；此外，要合理處置廢料，選擇遠(yuǎn)離農(nóng)田、河流的區(qū)域作為廢料堆放地，且廢料放置要盡量選擇荒地而不應(yīng)壓蓋林草地，盡可能避免因廢棄材料堆積造成的河流、農(nóng)田污染問題。

2.3.2 樁基法

目前，工程實(shí)踐中常用的軟基處理方式是深層水泥攪拌樁技術(shù)，對(duì)于淤泥土、粉土的處理這種施工技術(shù)具有較強(qiáng)的適用性[7]，其施工工藝就是將地基與水泥利用攪拌機(jī)均勻混合，充分發(fā)揮水泥的固化作用提高軟土印度，最終實(shí)現(xiàn)地基強(qiáng)度的整體提升。

1)施工準(zhǔn)備。施工前要全面清理深層水泥攪拌樁施工現(xiàn)場(chǎng)的雜物，結(jié)合工程設(shè)計(jì)資料合理選擇水泥，并做好試樁、機(jī)械驗(yàn)收及場(chǎng)地平整等工作，確保施工機(jī)械及施工設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行、功能正常和及時(shí)使用。

2)施工過程控制。深層水泥攪拌樁施工應(yīng)保持管道的暢通無阻，同時(shí)符合施工規(guī)范相關(guān)要求，采取有效措施疏通管道并保證樁體垂直度，投入使用之前加強(qiáng)成樁檢查，嚴(yán)格檢查攪拌樁質(zhì)量保證其正常投入使用。

2.3.3 排水固結(jié)法

水利施工軟基處理中排水固結(jié)法比較常用，該方法能夠有效解決地基沉降及軟基穩(wěn)定性差的問題，也是工程實(shí)踐中最為重要的軟基處理方法之一。排水與加壓系統(tǒng)為該技術(shù)的主要構(gòu)成，可以利用軟基自身的透水性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中排水。

排水固結(jié)施工法按照不同的加壓方式可以劃分為聯(lián)合加壓、超載、真空和降水預(yù)壓等，其中軟黏土地基處理時(shí)比較適用超載預(yù)壓法，然而對(duì)超載比和超載作用時(shí)間的計(jì)算難以準(zhǔn)確獲取，所以還沒有很好的解決超載預(yù)壓閾值的問題；采用降水預(yù)壓法應(yīng)先將排水帶或砂井安放于軟土內(nèi)，然后覆蓋砂層與封閉薄膜，將膜內(nèi)排水帶、砂層通過抽氣達(dá)到真空狀態(tài)，從而達(dá)到排除土體水分的目的，以預(yù)先固結(jié)土體的方式減少后期地基的沉降；聯(lián)合加壓法使用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)壓氣密性，做好地表處理和管路系統(tǒng)布設(shè)等相關(guān)工作，其工藝技術(shù)復(fù)雜且施工質(zhì)量影響因素較多，水泥漿初凝前應(yīng)在同一孔內(nèi)完成二次注漿，還需要進(jìn)一步完善該技術(shù)的施工工藝；真空預(yù)壓法主要是將砂墊層先鋪于軟基上，并利用封閉膜將大氣環(huán)境與排水管道隔絕，保持薄膜埋入土體一定的距離，并用真空裝置和埋設(shè)于砂墊層內(nèi)的吸水管道抽氣形成真空，從而達(dá)到有效增加地基應(yīng)力的目的，該方法具有省去堆載環(huán)節(jié)、節(jié)省材料和預(yù)壓時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以大范圍同步實(shí)施及技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。所以，實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合工程量情況，選取合適的水利施工軟基處理技術(shù)[9]。

2.3.4 化學(xué)固結(jié)法

水利施工中常用的化學(xué)固結(jié)法有深層攪拌、高壓噴射和灌漿法三種方式，其中灌漿法主要是將固化漿液利用液壓、電化學(xué)或氣壓等方式注入孔隙及裂縫內(nèi)，從而改善軟基力學(xué)性能；深層攪拌法屬于工程實(shí)踐中軟基處理的常見方式，主要通過添加固化劑固化軟基，終提升地基強(qiáng)度。實(shí)質(zhì)上，這些方法都是將地基深處的軟土與水泥、石灰等固化材料黏合，從而達(dá)到提高軟基承載能力和硬化深層軟土的目的，最大限度的降低軟基沉降?；瘜W(xué)固結(jié)法較其其它施工方式，其綜合成本較高[10]。

3 結(jié) 論

總體而言，水利施工軟基處理應(yīng)充分考慮各方面因素，結(jié)合工程量情況選擇合適的技術(shù)方案，切實(shí)提升軟基的穩(wěn)定性、承載力和工程建設(shè)質(zhì)量。不同方案的成本、工藝、適用范圍存在差異，應(yīng)考慮施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況選擇相應(yīng)的技術(shù)方案。