小議公路軟土地基處理方法

 小議公路軟土地基處理方法

　　【摘要】:本文結(jié)合作者多年從事公路建設(shè)的施工經(jīng)驗,參考軟土加固技術(shù)的各種著述,就各種軟基處理方法與機理、適用范圍進行分類整理及系統(tǒng)總結(jié),以資在今后設(shè)計施工中參考。　　

　　【關(guān)鍵詞】:公路，軟土地基，處理方法，綜合應(yīng)用

　　1軟土地基的概念

　　1.1軟土地基

　　地基是指承受建筑物荷載的一部分土體(巖體)。如果建筑工程的基礎(chǔ)(公路等交通設(shè)施工程中則指下部構(gòu)造)修建在軟土中,則這一建筑物或構(gòu)造物的地基就稱為軟土地基。

　　1.2軟土

　　在靜水或緩慢流水環(huán)境中以細顆粒為主的近代沉積物,其天然含水量大、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、滲透性小,是一種呈軟塑到流塑狀態(tài)的飽和粘性土。在土力學(xué)中軟土與濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土一起并稱為特殊類型的土。

　　1.3軟土的特性

　　作為一種特殊的地質(zhì)土,軟土有其獨特的土力學(xué)性能,現(xiàn)總結(jié)如下:①軟土的天然含水量w高,一般大于其液限wL或>30%,山區(qū)軟土的含水量變化幅度更大,有時可達70%或200%;②孔隙比大,天然孔隙比e>1,山區(qū)軟土的孔隙比有的甚至可達6.0;③壓縮系數(shù)α1-2一般在0.5～2.0MPa-1之間,有的可達2.3MPa-1;④透水性低,豎向與水平滲透性不同,一般垂直方向的滲透性系數(shù)要小些,約在10-7～10-9cm/s之間,水平方向約在10-4～10-5cm/s左右;⑤地表常有硬殼,在地下水位線以上的硬殼會有0～5m,其承載力較下層軟土要高,壓縮性也較小;⑥抗剪強度低,因為軟土的內(nèi)摩擦角接近于零,抗剪強度主要決定于內(nèi)聚力,不排水抗剪強度一般<20MPa;⑦軟土具有觸變性與流變性。

　　1.4軟土的鑒定方法

　　由于我國軟土分布面積較廣,軟土根據(jù)其形成的原因及分布的位置的不同,其抗剪強度、壓縮性以及透水性等土力學(xué)性能有較大的差別,在進行地質(zhì)鑒定時,要根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)部門的統(tǒng)計資料及判定標準進行判定,上海地區(qū)由于軟土分布面積較廣,國民各種生產(chǎn)活動與軟土關(guān)系也較密切,多年來積累的軟土指標值較為完善。在沒有現(xiàn)成的的鑒定指標時,可參照表1。

　　表1軟土鑒定指標　

　　2軟土地基破壞的主要形式及破壞機理

　　軟土由于其不良的工程力學(xué)特性,對工程有極大的危害性,綜合分析主要有以下幾種形式:

　�、偌羟衅茐�,由于地基抗剪強度不足以承受其上的構(gòu)筑物所施加的動、靜荷載,造成破壞,表現(xiàn)為使鄰近地基產(chǎn)生隆起;

　　②由于軟土地基的高壓縮性,發(fā)生不均勻沉降,使構(gòu)筑物的基礎(chǔ)由于應(yīng)力集中出現(xiàn)裂縫,最終使構(gòu)筑物遭到破壞,失去其使用功能;在構(gòu)筑物有足夠剛度,其抗拉、剪強度足以抵抗地基不均勻沉降,而產(chǎn)生拉剪應(yīng)力時,建筑物就發(fā)生傾斜,著名的意大利比薩斜塔,建筑已數(shù)百年,塔身完好無損,但嚴重傾斜,其原因即地基不均勻沉降所致,且至今無好的解決辦法;

　�、塾捎谲浲恋鼗�的高空隙比與高含水率,在使用中發(fā)生排水固結(jié),發(fā)生均勻沉降,使構(gòu)筑物下沉量過高,影響使用功能。在工程應(yīng)用實際中,由于公路路基是承受靜、動雙向荷載,其受力的復(fù)雜性,決定其軟土地基發(fā)生均勻沉降的可能性極小。

　　3軟土地基處理方法分類及應(yīng)用范圍

　　經(jīng)過長期的實踐,在公路中形成了多種形式的軟土地基處理方法,結(jié)合本企業(yè)多年施工經(jīng)驗及有關(guān)專家學(xué)者的論述進行總結(jié)歸納如下:

　　3.1換填墊層法

　　當軟弱土層厚度不很大時,可將路基面以下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除,然后換填強度較大的土或其它穩(wěn)定性能好、無侵蝕性的材料(通常是滲水性好的中粗砂)稱為換填或墊層法。此法處理的經(jīng)濟實用高度為2～3m,如果軟弱土層厚度過大,則采用換填法會增加棄方與取土方量而增大工程成本。

　　通過換填具有較高抗剪強度的地基土,從而達到增強地基承載力的目的,滿足構(gòu)筑物對地基的要求。

　　主要加固方法有換填、拋石擠淤、墊層、強夯擠淤幾種。墊層法根據(jù)材料的不同可分為砂(礫石)墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、干渣墊層、土(灰土、二灰)墊層。代表方法有砂墊層法及換填法。

　　3.2深層密實法

　　采用爆破、夯擊、擠壓和振動及加入抗剪強度高的材料等方法,對地基深層的軟弱土體進行振密和擠密的地基加固方法稱為深層密實法。適用于軟土厚度>3m的中厚軟土的加固,分布面積廣的軟基加固處理,其加固深度可達到30m。

　　通過振動、擠壓使地基中土體密實、固結(jié),并利用加入的具有高抗剪強度的樁體材料置換部分軟弱土體中的三相(氣相、液相與固相)部分,形成復(fù)合地基,達到提高抗剪強度的目的。

　　主要加固方法:強夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)樁法、砂樁法、爆破法、碎石樁法(振沖置換法)、石灰樁法、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁法)、粉噴樁法、旋噴樁法。代表方法有碎石樁法、強夯法、水泥粉煤灰碎石樁法、粉噴樁法。

　　3.3置換法

　　由于深層密實法中的幾種方法都有加入高抗剪強度的材料,置換軟土中部分成分的加固機理,與原有的土體共同組成復(fù)合地基,達到加固地基的目的,因此深層密實法有時也稱為置換法。

　　3.4排水固結(jié)法

　　在軟土地基上加壓并配合內(nèi)部排水,加速軟土地基的排水,加快軟土固結(jié)的處理方法稱為排水固結(jié)法。適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)粘土及沖填等飽和粘性土地基。

　　軟土地基在附加荷載的作用下,逐漸排出孔隙水,使孔隙比減小,產(chǎn)生固結(jié)變形。在這個過程中,隨著土體超靜孔隙水壓力的逐漸擴散,土的有效應(yīng)力增加,并使沉降提前完成或提高沉降速度。

　　主要加固方法:堆載預(yù)壓法、砂井法、袋裝砂井、真空預(yù)壓法、電滲排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。

　　3.5化學(xué)加固法

　　通過在軟土地基中加入水泥或其它化學(xué)材料,進行軟土地基處理的方法稱為化學(xué)加固法。適用于處理砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和一般人工填土,也可以在處理裂隙巖體及已有構(gòu)筑物地基加強中。

　　水泥或其它化學(xué)材料注入土體后,與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),吸收和擠出土中部分水與空氣,形成具有較高承載力的復(fù)合地基。主要加固方法:粉噴樁、旋噴樁、注漿、水泥土攪拌法。

　　3.6加固路基法

　　通過在路基中埋入高強度、大韌性的土工聚合物、拉筋、受力桿件或柴(木)梢排等方法加強路基的自身強度,增加抵抗地基變形沉降的能力。適用于軟弱巖體、土體中的路堤與路塹。主要加固方法:加筋土路基、土工聚合物、土釘墻、土層錨桿、土釘、樹根樁法、柴(木)梢排法。

　　3.7其它加固方法

　　除了上述軟土路基處理方法外,比較常用的還有樁基、沉井、側(cè)向約束法、反壓護道法。樁基與沉井常用于在軟土地基中建設(shè)重要構(gòu)筑物(橋梁、大型涵洞等)的基礎(chǔ)中,根據(jù)軟弱土層的厚度其下承層土質(zhì)情況,樁基設(shè)計可分為柱樁與摩擦樁兩種。常用的樁基有鉆孔樁、挖孔樁、管樁、木樁。

　　側(cè)向約束與反壓護道的加固機理均是限制軟弱土體向旁擠出,以增加路堤的抗剪能力。側(cè)向約束法適合軟土層厚度較小,軟土體面積較大的軟土地基的加固。反壓護道法適合軟土體分布面狹窄而軟土體厚度較大的軟土地基的處理。

　　4較有代表性的軟基處理技術(shù)

　　4.1砂石樁法

　　碎石樁和砂樁總稱為砂石樁,又稱顆粒土樁,是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后,再將碎石或砂擠壓入已成的孔中,形成大直徑的砂石所構(gòu)成的樁體。

　　(1)砂石樁的加固機理在松散砂土與粘性土中有所不同的,在松散砂土中主要是發(fā)揮砂石對軟土的擠密作用、排水減壓作用、和砂基預(yù)振效應(yīng),而在粘性土中主要是對軟土(特別是飽合軟粘土)的置換作用。

　　(2)方法的特點是:加固期短,可以采用快速連續(xù)加載方法施工路堤,設(shè)備簡單,工作面可以加大,對縮短工期十分有利。

　　(3)施工步驟主要分兩大部分:成孔→加填料密實成樁。砂石樁法在19世紀30年代起源于歐洲,20世紀50年代引入我國后,在工業(yè)、交通、水利水電設(shè)施中得到廣泛的應(yīng)用,目前已形成了多種施工方法,主要有以下幾種:振沖擠密法、沉管法、干振法、鉆孔錘擊法、振動氣沖法、強夯置換法、水泥碎石樁法、裙圍碎石樁法、袋裝碎石樁法等。在實際施工中,可以根據(jù)地質(zhì)條件及機具設(shè)備情況選用合適的施工方法。

　　(4)成樁材料要求:選用未風(fēng)化的干凈碎石、礫石、礦渣、碎磚及滲水性好的中粗砂等,含泥量應(yīng)≤5%～10%,碎石粒徑最大應(yīng)≤50mm,以免樁孔或振沖器磨耗過大。

　　(5)施工機具:根據(jù)選用施工方法的不同,合理選用以下幾種:振動打樁機,柴油打樁機、電動落錘、振動沉樁機、沖擊成孔機、振沖器、起重設(shè)施、空氣壓縮機以及樁管、打樁架等。

　　(6)施工中常發(fā)生的質(zhì)量問題及注意事項:

　�、贅兜氖┕ご涡蛞话闶怯衫锵蛲饣蛞贿呁葡蛄硪贿�(如圖1中a、b所示)有利于擠出部分軟土。對抗剪強度低的粘性土地基,為減少制樁時對原土的擾動,宜用間隔跳打的方式施工,(如圖1中c所示)。加固區(qū)如毗鄰其他建筑物時,為減少對建筑物的影響,可按圖1中d所示次序跳位進行施工。

　�、谠诔煽走^程中應(yīng)首先嚴格控制水壓、電流和振沖器在固定深度位置的振留時間,以防縮孔、塌孔。

　　③填料要分批加入,次數(shù)頻繁,每次少進料,保證試樁標定的裝料量。每一深度的樁體在未達到規(guī)定的密實電流時要繼續(xù)加料振實,以防斷樁、縮徑。

　　(7)質(zhì)量控制:單樁施工質(zhì)量偏差按表2進行控制,可采用挖開的方法檢查,并在施工中做好記錄控制�！　�

　　圖1施工次序示意圖

　　(a)由里向外推;(b)由一邊向另一邊推

　　(c)間隔跳打;(d)臨近構(gòu)造物

　　表2質(zhì)量偏差控制表　

　　施工質(zhì)量的檢驗可以對碎(砂)石樁進行單樁荷載試驗,也可采用動力觸探試驗,也可用標準貫入法、靜力觸探法檢查處理前后的對比結(jié)果及樁間土的擠密效果。整體加固效果的檢驗可以進行單樁復(fù)合地基和群樁復(fù)合地基的大型試驗。

　　4.2塑料排水板

　　(1)原理:塑料排水板是一種復(fù)合土工材料,由芯板和濾膜組成,其加固軟土地基的機理是在軟土地層中按一定的間距和布置形式打設(shè)塑料排水板,在軟土中形成豎向排水通道,加速排水,特點是單孔水斷面大,排水暢通、質(zhì)量輕、強度高,耐久性好。

　　(2)適用范圍:當軟土層較厚,路堤較高時,常用塑料排水板法加速固結(jié)沉降。

　　(3)施工方法:插設(shè)塑料排水板→塑料排水板樁頭處理→(鋪設(shè)砂墊層)→路基填筑。

　　(4)施工用主要機械設(shè)備:插板機主要由工作裝置、驅(qū)動裝置和行走裝置組成。工作裝置由導(dǎo)向架和導(dǎo)管組成,導(dǎo)向架由角鋼分段焊接,每段長6m,段與段之間用螺栓連接。導(dǎo)管采用熱軋無縫鋼管制成。為適應(yīng)在軟土中行走多采用履帶式,也有輪胎式。

　　(5)施工注意事項:

　�、贋榉奖銠C械設(shè)備移動及排水板樁頭直立,可先將地表清流水面后鋪設(shè)砂墊層。

　�、跒楸ＷC排水通道暢通,每根樁均采用一整條的排水板,不允許有接頭,并應(yīng)保持排水板不扭曲,透水膜不被撕破和污染。

　�、蹱縿优潘�板下沉的錨銷與排水板連接可靠,并且錨銷與導(dǎo)管下端口密封要嚴,以免泥砂進入排水板內(nèi)阻塞排水通道。

　�、馨螌�(dǎo)管時應(yīng)輕輕進行,以免帶出排水板。

　�、荽蛟O(shè)完成后,人工扶正排水板外露的頭部,并用砂土緊打管口洞口,輕拍砂土至緊密,保證樁頭是直立的。

　　(6)插設(shè)塑料排水板質(zhì)量控制:

　�、僭诖蛟O(shè)過程中,嚴格控制打樁機就位時導(dǎo)向架的垂直度,以保證樁身的垂直度,一般要求其斜度不超過深度的1.5%。

　�、谝驗樵谲浲林�,排水速度與距離的平方成正比,因此打設(shè)塑料排水板應(yīng)嚴格控制平面位置,偏差位≤5cm。

　�、鬯芰吓潘�板在插設(shè)過程中,若被導(dǎo)管帶出,應(yīng)在距廢棄排水板附近補打。

　　4.3袋裝砂井法

　　(1)原理:袋裝砂井是把砂裝入長條形、透水性好的紡織袋內(nèi),然后用專門的機具設(shè)備打入軟土地基內(nèi)代替普通大直徑砂井。袋裝砂井既有大直徑砂井的作用,又可以保證砂井的連續(xù)性,避免縮徑現(xiàn)象。由于袋裝砂井的直徑小,材料消耗小,造價低,施工速度快,設(shè)備輕型,更適應(yīng)在軟弱的地基上施工。

　　袋裝砂井適用于軟土層厚度>5m,且路堤高度的自重靜壓超過天然地基承載力很多時,常采用袋裝砂井法。

　　(2)材料要求:采用聚丙烯或其他抗拉強度能保證承受砂袋自重的紡織料,裝砂后砂袋的滲透系數(shù)不小于砂的滲透系數(shù)。砂采用滲水率較高的中、粗砂,粒徑>0.5mm的砂的含量宜占總量的50%以上,含泥量≤3%,滲透系數(shù)≥5×10-3cm/s。采用風(fēng)干砂,以免袋內(nèi)砂干燥后體積減小,造成袋裝砂樁縮短與排水墊層不搭接等質(zhì)量事故。

　　(3)砂井的布置:袋裝砂井可呈矩形,梅花形布置,井徑采用7～12cm的直徑,井距1～2m,砂墊層厚40～50cm。

　　(4)工藝流程:整平原地面→攤鋪下層砂墊層→機具定位→打入套管→沉入砂袋→拔出套管→機具移位→埋砂袋頭→攤鋪上層砂墊層。

　　(5)施工注意事項:

　�、偕熬�定位要準確,垂直度要正確,沉樁時用兩臺經(jīng)緯儀“十”字交叉控制砂井位置,用錘球控制垂直度。

　�、谏按�灌入砂后,露天堆放要有遮蓋,不能長時間暴曬,施工中避免砂袋掛破漏砂。

　�、凵按�入井時,用樁架吊起垂直下井,防止砂袋發(fā)生扭結(jié)、縮徑、斷裂和砂袋磨損。

　　④拔鋼套管時,更要垂直起吊,在出現(xiàn)砂袋帶出或損壞砂袋現(xiàn)象時,要在原孔邊緣重新打孔施工。連續(xù)兩次將砂袋帶出時,要停止施工,查明原因后再施工。

　�、萆按�露出井長度要保證伸入砂墊層至少30cm以上,要保證直立。

　　(6)施工允許偏差見表3。

　　表3偏差控制表　

　　4.4真空預(yù)壓法

　　(1)原理:在軟土地基上先施作豎向排水系統(tǒng)(砂井或塑料排水板),然后在加固的區(qū)域內(nèi)覆蓋不透氣膜,利用真空源不停地對加固的土體進行抽氣,使其內(nèi)部形成一個近似真空的環(huán)境,土體中的孔隙水在負壓作用下,沿著排水通道加速被吸出,從而達到加固的作用。

　　(2)真空預(yù)壓法也屬于排水固結(jié)類的加固范圍,其排水固結(jié)作用與加載預(yù)壓作用是可以相疊加的,可以加速排水,在工期緊時可以使用該法加快軟土固結(jié)的速度。適用于軟土厚度大、工期緊的軟土地基。其設(shè)備與材料損耗小,可以重復(fù)使用。

　　(3)使用的設(shè)備材料:真空源一般采用射流箱與離心泵組成,在加固施工中,一套真空裝置應(yīng)能擔負1000～1200m2加固面積,覆膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,其性能要求見表4。

　　表4覆膜材料性能指標　　

　　(4)施工注意事項:

　�、偈┕�時應(yīng)對加固區(qū)進行分塊,目前國內(nèi)單塊加固面積可達30000m2,一般分塊面積可根據(jù)工程地基的實際情況進行考慮,以不超過真空設(shè)備的能力為準。

　　②排水系統(tǒng)設(shè)置要密封,以防空氣進入真空區(qū)內(nèi)降低加固效果。

　�、壅婵崭材ぬ幚硪�達到表4要求,接縫采用熱合焊接,可平搭接,也可以立縫搭接,熱合時根據(jù)塑料膜的材質(zhì)、厚度確定熱合溫度、刀的壓力和時間,使熱合縫牢而不熔。

　�、苡捎诟材さ拿芊庑允钦婵疹A(yù)壓加固措施成敗的關(guān)鍵,在鋪設(shè)時一定要小心謹慎,避免劃傷、刺破,膜下真空度值一般要求≥80kPa。

　　⑤經(jīng)常檢查加固的壓力,當氣壓值超過要求值時,應(yīng)及時檢查原因,采取補救措施。

　　(5)質(zhì)量控制:本加固法成敗的關(guān)鍵為真空度保持,因此要嚴格控制覆膜的密封質(zhì)量及邊緣的密封土施工,保證不透氣。經(jīng)常檢查真空度,當氣壓超過規(guī)定值時及時進行處理。

　　4.5對軟基處理方法綜合應(yīng)用的幾點建議與應(yīng)用實例

　　近40年,世界地基處理方面發(fā)展十分迅速,老方法得到改進,新方法不斷涌現(xiàn),20世紀60年代中期,從提高土的抗拉強度這一思路出發(fā),發(fā)明了加筋法;從進行深層密實的角度出發(fā),發(fā)明了強夯法;從排水與固結(jié)的角度出發(fā),發(fā)展了土工聚合物、砂井預(yù)壓與塑料排水板(帶)法。同時,現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,也給軟基處理開辟了更大更廣的操作空間,有了可以進行幾十噸起重的加固施工機械,強夯法才能得以實現(xiàn),同時真空泵也是真空預(yù)壓法加固地基技術(shù)的核心設(shè)備,沒有高強度的空氣壓縮機,高壓注漿法就不可能問世。在軟土地基處理方面,公路建設(shè)中都有很多成功的實例,也不乏失敗的教訓(xùn)。針對這些工程中應(yīng)用的經(jīng)驗與教訓(xùn),在軟土地基處理中就應(yīng)當遵循以下幾條原則組織設(shè)計與施工,才能更好地達到預(yù)期的效果。

　　(1)認真進行地質(zhì)調(diào)查,根據(jù)地質(zhì)情況進行合適的設(shè)計與變更設(shè)計,達到預(yù)期的加固效果,避免返工處理的現(xiàn)象。

　　(2)在工程施工時,要充分了解各種形式的軟土地基加固機理,以便針對加固機理進行有重點的質(zhì)量控制,該放寬的技術(shù)指標可適當調(diào)整,以降低成本。例如砂樁與砂井的加固機理就不同,砂樁對軟土的加固作用主要是擠密作用(特別是在粘性土中),因此砂樁的數(shù)量與直徑應(yīng)有充分的保證,對其平面分布的均勻性可以適當放寬標準,砂井的加固機理偏重于排水固結(jié),因此在早期砂井加固基礎(chǔ)上,又改進形成了袋裝砂井的技術(shù),以保證砂井的均勻程度與連續(xù)性。同屬深層密實法加固的粉噴樁與旋噴樁,粉噴樁更傾向于噴粉與軟弱土形成復(fù)合地基,而旋噴樁則偏重于噴體的樁作用,因此在旋噴樁設(shè)計時就充分驗證其作為樁基礎(chǔ)的力學(xué)效果。

　　(3)加強基礎(chǔ)學(xué)科的研究,給軟土地基處理技術(shù)更有力的支持。目前國際上軟土加固技術(shù)已得到較大的發(fā)展,但其理論基礎(chǔ)還存在著不準確性與不確定性。例如,強夯法在多處工程施工中的應(yīng)用并且實測效果證明其加固效果可用,但其加固機理在土力學(xué)中還沒有完全從理論方面得到證明,或部分還存在著模糊的概念;在擋護設(shè)計中經(jīng)驗公式的利用較多,其參數(shù)取值的不確定性還大量存在;作為土力學(xué)最基本理論的朗金定理與庫倫定理中不確定的因素也較多。所有的這些都說明要想加快軟土基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,必須加強其基礎(chǔ)科學(xué)的研究。

　　(4)在實際處理軟土地基時,往往不是采用一種形式的處理,多采用多種處理方式相結(jié)合,取其加固效果綜合作用,能夠起到事半功倍的效果。