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软土地基处理方法研究

发布时间:2016-07-14  文章来源:杨婷婷  浏览量:[]


(四川自力建筑勘测设计有限公司  四川  泸州  646000)


摘要:近年随着泸州市城市化进程的不断加大,城市道路及管网工程的需求日益剧增。对于以丘陵斜坡地貌为主的泸州市,工程建设中时常遭遇河流、湖泊、稻田、鱼塘等地表水较丰富的区域,该地段由于常年积水,使得地表往往有大量喜水植物,由于这些植物的生长和死亡,使软土中含有较多的有机物,从而形成天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差的软弱土层。

关键词:软土地基;地质特征;处理原则;处理方法


四川省泸州市地处川东南平行褶皱岭谷区南端与大娄山的结合部,四川盆地南缘向云贵高原的过渡地带,兼有盆中丘陵和盆周山地的地貌类型,分属四川盆南山地与丘陵区和巫山大娄山中山区两个地貌二级区。总的特点是:南高北低,以长江为侵蚀基准面,由南向北逐渐倾斜,山脉走向与构造线方向基本一致,呈东西向、北西向及北东向展布。大体上以江安──纳溪──合江一线为界,南侧为中、低山;北侧除背斜形成北东向狭长低山山垅外,均为丘陵地形。区域内地表水资源较发达,长江自西向东横贯境内,沱江、永宁河、赤水河、濑溪河、龙溪河等交织成网,丘陵地形中又多见冲沟地貌,沟内易积水,从而常见淤泥、淤泥质土或其他高压缩性土构成的软弱土层。

一、概述

软土地基是指压缩层主要由淤泥、淤泥质土或其他高压缩性土构成的地基。天然含水量大于或等于液限;天然孔隙比大于或等于1.0。其承载能力很低,一般不超过50KN/m2,主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。软土的成因一般认为是由于第四纪后期地表水所形成的沉淀物质,多分布在海滨,湖滨,河流沿岸等地势低洼地带,地表常年潮湿或积水。所以地表往往有大量喜水植物,由于这些植物的生长和死亡,使软土中含有较多的有机物。

我国公路行业规范对软土地基未作定义。日本高等级公路设计规范将其定义为:主要由粘土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭以及松散砂等土层构成。地下水位高,其上的填方及构造物稳定性差且发生沉降的地基。

施工时,应注意对淤泥和淤泥质土基槽底面的保护,减少扰动。荷载差异较大的建筑物,宜先建重、高部分,后建轻、低部分。局部软弱土层以及暗塘、暗沟等,可采用基础梁、换土、桩基或其他方法处理。当地基承载力或变形不能满足设计要求时,地基处理可选用机械压夯实、堆载预压、塑料排水带或砂井真空预压、换填垫层或复合地基等方法。处理后的地基承载力应通过试验确定。

二、软土地基的特征

软土无论按成因还是按土质划分,种类很多,但他们都具有以下几个方面的共同特征:

颜色以深色为主,颗粒成分以细粒土为主,有机含量较高;其天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。

1. 孔隙比和天然含水量大

我国软土的天然孔隙比e一般在1~2之间,淤泥和淤泥质土的天然含水量W=50~70%,高的可达200%,普遍大于液限。

2. 压缩性高

一般正常固结的软土的压缩系数约为α1-2=0.5~1.5MPa-1,最大可达α1-2=4.5MPa-1;压缩指数约为Cc=0.35~0.75。建造在这种软土上的建筑物将发生较大的沉降,尤其是沉降的不均匀性,会造成建筑物的开裂和损坏。

3. 抗剪强度低

软土通常呈软塑~流塑状态,在外部荷载作用下,抗剪性能极差,我国软土无侧限抗剪强度一般小于30KN/m2。不排水剪时,其内摩擦角几乎为零,抗剪强度仅取决于凝聚力C,一般C<30KN/m2;固结快剪时,内摩擦角=5°~15°。

4. 灵敏度高

软粘土上尤其是海相沉积的软粘土,在结构未被破坏时具有一定的抗剪强度,但一经扰动,抗剪强度将显著降低。其灵敏度(含水量不变时原状土与重塑土无侧限抗压强度之比)一般在3~4之间,有的甚至更高。

5. 透水性弱

软弱土尽管其含水量大,透水性却很小,软土的渗透系数一般约为1×10-6~1×10-8cm/s,沉降速度慢,固结完成所需时间较长。因此,土体受到荷载作用后,呈现很高的孔隙水压,影响地基的压密固结。

6. 具有明显的流变性

在荷载作用下,软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形,并可能导致抗剪强度的衰减,在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。

三、软土地基失稳的机理

引起软土地基滑动破坏的原因,在于软弱地基中某一面上的剪应力大于等于它的极限抗剪强度。究其原因主要有两个方面:一是由于剪应力的增加。例如:堤防加高加宽引起堤身重量加大、降雨使土体容重增加、水位降落产生渗透压力,地震和打桩引发动荷载等。二是由于软土地基本身抗剪强度的减小。例如:孔隙水压力的升高、气候变化、干裂和冻融、粘土夹层因浸水而软化以及粘性土的蠕变等。

四、软基处理的一般原则

对于新建工程,原则上首先应考虑利用天然地基,对于淤泥和淤泥质土利用其上覆较好土层作为地基持力层,当上覆土层较薄,应注意避免施工时对淤泥和淤泥质土的扰动;对于冲填、杂填建筑垃圾和性能稳定的工业废料,当均匀性和密实度较好时,均可利用作为地基持力层;对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有腐蚀性的工业废料等杂填土,未经处理不宜作为地基持力层。若地基软弱不能满足要求,则需进行处理,根据工程情况及场地土质条件或组成的不同,处理的目的可以是:

(1)提高土的抗剪强度,使地基保持稳定;

(2)降低土的压缩性,使地基的沉降和不均匀沉降降低至允许范围内;

(3)降低土的渗透性或渗流的水力梯度,防止或减少水的渗漏,避免渗流造成地基破坏;

(4)改善土的动力性能、防止地基产生震陷变形或因土的震动液化而丧失稳定性;

(5)消除或减少土的沉陷性或胀缩性引起的地基变形,避免建筑物破坏或影响其正常使用。

对单一工程来讲,处理目的可能是单一的,也可能需同时在几个方面达到一定要求;地基处理除用于新建工程的软弱和特殊土地基外,也作为事后补救措施用于已建工程地基加固。

五、软土地基加固处理的现状

软土地基加固就是将低承载能力和大压缩性的原状土加固到足以承担地基所需的强度和施工后沉降要求,又是为了减小地基的渗透性。为了达到上述目的,通常有二类方法:一类是对天然地基土进行土质改良;另一类是在天然地基中插入(也包括置换)采性较好的材料,如砂石、土工合成材料、混凝土、钢管等。土质改良方法又可以分为下述几类:预压使软粘土产生排水固结;振密、挤密松散土体;灌入固化物使之与天然地基土形成复合土体,如水泥;冻结或烧结天然地基土体以改善其物理力学性质。

六、软土地基处理的措施

1、堤身自重挤淤法

该方法就是通过逐步加高的堤身自重将处于流塑态的淤泥或淤泥质土外挤,并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥质土中的孔隙水压力充分消散而增加有效应力,从而提高地基的抗剪强度能力。在挤淤过程中为了不致产生不均匀沉陷,施工时应放缓堤坡、减慢堤身填筑速度,分期加高。该方法具有节约投资的优点和施工期长的缺点。适用于地基呈流塑态的淤泥或淤泥质土,且工期不太紧的情况。

2、换填垫层法。这是最常用的方法。该方法就是把靠近基底的不能满足设计要求的软土挖除,代以人工回填的砂、碎石、石渣等强度高、压缩性低、透水性好、易压实的材料作为持力层。其优点是可以就地取材、价格便宜、施工工艺比较简单。适用于软土埋深较浅、开挖方量不太大的场地。这种方法最大有效处理深度3m。

3、抛石挤淤法。该方法就是把一定量和粒径的块石抛在需要进行处理的淤泥或淤泥质土地基中,将原基础处的淤泥或淤泥质土挤走,从而达到加固地基的目的。通常将不易风化的石料(尺寸一般不宜小于30cm)抛填于被处理地基中,抛填方向根据软土下卧地层横坡而定。在填石的过程中注意一定要用推土机把石块压实,不能出现软弹现象,然后再填筑土方,最后在上面铺设反滤层。这种方法施工技术简单、投资较省,常用于处理流塑态的淤泥或淤泥质土地基。

4、盲沟。就是在要处理的路段根据要处理的路段的长度,在横向或纵向挖盲沟,盲沟通常用渗水性大孔隙填料或片石砌筑而成。也可以填入不同级配的石块起到排水的功能。注意盲沟的出口要与排水沟连接,以便把地基中的水排出地基。

5、排水砂垫层。排水砂垫层是在路堤底部地面上铺设一层砂层,作用是在软土顶面增加一个排水面,在填土的过程中,荷载逐渐增加,促使软土地基排水固结渗出的水就可以从砂垫层中排走。为确保砂垫层能通畅排水,要采用渗水性良好的材料。砂垫层一般的厚度为0.6~1.0m。为了保证砂垫层的渗水作用,在砂垫层上应该填一层粘性土封住水不让水返上路基。在路基两侧要修好排水沟,通过砂垫层渗出的水通过排水沟排出路基外,保持路基的稳定。

6、石灰浅坑法。由于粘性土含水量影响,施工中经常出现“弹簧土”松软现象。一般较轻的可以采用挖土晒干,敲碎回填的方法:“石灰浅坑法”可以用于各种不同面积的路段(就是说大面积可以使用,小面积也可以使用)。具体做法是:挖40~50cm方形或圆形,深一般1m上下的坑,清除坑内的渗水(最好挖好坑后,第二天清除渗水),放入生石灰,即可回填碾压。坑的行距和坑距在轻度弹簧路段为5~6m,在严重弹簧路段为3~4m。软基处理广泛地应用在我国沿海及内地。例如:天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门、湛江,广州等沿海地区,以及昆明、武汉、南京等内地地区。特别是填海的一些地区,一般建筑前都需要进行勘测,然后进行软基处理,否则存在很大的风险和后患。

7、预压砂井法

预压法是在排水系统和加压系统的相互配合作用下,使地基土中的孔隙水排出,有效应力增加达到硬化固结的目的。其基本做法如下:先将加固范围内的植被和表土清除,上铺砂垫层;然后垂直下插塑料排水板,砂垫层中横向布置排水管,用以改善加固地基的排水条件;再在砂垫层上铺设密封膜,用真空泵将密封膜以内的地基气压抽至80KPa以上。该方法加固时间长,抽真空处理范围有限,适用于工期要求较宽的淤泥或淤泥质土地基处理。流变特性很强的软粘土、泥炭土不宜采用此法。

8、振动水冲法

振冲法是利用一根类似插入式混凝土振捣器的机具——振冲器(有上、下两个喷水口),在振动和冲击荷载作用下,先在地基中成孔,再在孔内分别填入砂、碎石等材料,并分层振实或夯实,使地基得以加固。用砂桩、碎石加固初始强度不能太低(初始不排水抗剪强度一般要求大于20KPa),对太软的淤泥或淤泥质土不宜采用。 石灰桩、二灰桩是在桩孔中灌入新鲜生石灰或在生石灰中掺入适量粉煤灰、火山灰(常称二灰),并分层击实而成桩。它通过生石灰的高吸水性,膨胀后对桩周土的挤密作用,用离子交换作用和空气中的CO2与水发生酸化反应使被加固地基强度提高。

9、旋喷法

旋喷法是利用旋喷机具造成旋喷桩以提高地基的承载能力,也可以作联锁桩施工或定向喷射成连续墙用于地基防渗。旋喷桩是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度后提升,喷嘴同时以一定速度旋转,高压喷射水泥固化浆液与土体混合并凝固硬化而成桩。所成桩与被加固土体相比,强度大、压缩性小。适用于冲填土、软黏土和粉细砂地基的加固。对有机质成分较高的地基土加固效果较差,宜慎重对待。而对于塘泥土、泥炭土等有机成分极高的土层应禁用。

10、强夯法

强夯法是将80KN的夯锤起吊到6~30m的高度,让锤自由落下,对土进行夯实。经夯实后的土体孔隙压缩,同时,夯点周围产生的裂隙为孔隙水的出逸提供了方便的通道,有利于土的固结,从而提高了土的承载能力,而且夯后地基由建筑物荷载所引起的压缩变形也将大为减小。强夯法适用于河流冲积层、滨海沉积层黄土、粉土、泥炭、杂填土等各种地基。

11、土工合成材料加筋加固法

该法将土工合成材料平铺于堤防地基表面进行地基加大,能使堤防荷载均匀分散到地基中。当地基可能出现塑性剪切破坏时,土工合成材料将起到阻止破坏面形成或减小破坏发展范围的作用,从而达到提高地基承载力的目的。此土,工合成材料外与地基土之间的相互磨擦将限制地基土的侧向变形,从而增加地基的稳定性。

七、结论

泸州地区由于近年城市道路及管网工程的不断扩大和延伸,勘察中常常发现不利于工程建筑的软弱土层,针对这些承载能力极低的土层,从经济和技术控制层面上,我们最常用的处理方法就是换填垫层法,对于个别不宜采用换填垫层法的地段也可采用抛石挤淤法。这两种方法是泸州地区应用比较广泛的软土地基处理方法。

软土地基是一种不良地基,由于软土具有强度较低、压缩性较高和透水性很小的特点,因此在软土地基上修建建筑物,必须重视地基的变形和稳定问题。在软弱地基上的建筑物往往会出现地基强度和变形不能满足设计要求的问题,因而常常需要采取措施,进行地基处理,处理的目的是要提高软土地基的强度,保证地基的稳定。

软土地基的处理应结合当地的工程地质条件、材料供应、工期要求和环境保护等因素,按照因地制宜、就地取材、分期修建、综合处治的原则进行充分论证,使设计和施工方案达到技术上先进、经济上合理,总之,在选择软土路基处理方法的过程中,要始终坚持“高质量、短工期、低投入、高收益”的原则,使软土地基的地基稳定性增加,减少施工后的不均匀沉陷。


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