軟土地基的處理

張立志

近年來,隨著我國國民經濟持續快速發展,高等級公路的修建亦呈現出迅猛發展之勢。許多高等級公路不可避免地穿越軟土地帶,且常因橋涵等構造物表高的影響,往往以高堤形式穿越。軟土地基的處治成為設計、施工中的難題。

軟土地基的共同特性是:天然含水量 ω高,最小為30%～40%,最大可達到200%;孔隙比 e大,最小值為 0.8～1.2,最大可達5;快剪內摩擦角 ψ小,最大值為5°～15°,最小可接近 0°;粘聚力c小,最大為 12 kPa～20 kPa,最小為2 kPa;壓縮系數 a大,一般大于0.3 m2/MN～0.5 m2/MN;滲透系數 k小,一般小于 1×10-6cm/s;靈敏度高,在2～10之間,靈敏度很高的軟土一經擾動其強度會降低很多。基于軟土及軟土地基上述特點,修建在軟土地基上的路堤要考慮穩定和沉降兩方面的問題。為保證路堤在施工過程中和完工過程后的穩定,要對路堤填筑荷載可能引起的軟土基滑動破壞進行穩定計算,必要時應采取相應的穩定措施。

為了更科學、更有效地制定對軟土地基的處理方式,我們有必要了解軟土地區路堤的設計原則:1)路堤在施工期間和完工后使用期間應是穩定的,不因填筑荷載或施工機械和交通荷載的作用而引起破壞,也不應該給橋臺、涵洞、擋土墻等構造物及沿線多種設施帶來過大的變形。2)為避免路基沉降給涵洞、擋土墻等構造物造成變形破壞,應首先考慮提前填筑路堤,在其充分沉降后再修筑構造物的方案。如同時施工,則須設置達到持力層的基礎,以防止過大的位移和沉降。3)為避免路面的變形破壞,以及連接橋梁、涵洞等構造物的引道路堤產生不均勻沉降,高等級公路應嚴格控制在規定年限內的工后剩余沉降量,通常采用如下標準:一般路段30 cm,橋頭路堤10 cm,過渡段沉降坡差小于2‰。4)在軟土層厚且長期發生較大沉降的地區及大范圍的軟土地區,有時很難使工后剩余沉降量控制在要求的標準內,或者雖然控制但極不經濟時,則應考慮設置橋頭搭板、鋪筑臨時性路面、加強養護的分期修建方案。5)在沒有一定厚度硬殼層的軟土地基上,不宜修筑填土高度小于2 m～2.5 m的低路堤。這種低路堤在交通荷載作用下可使路面發生較大的不均勻沉降,特別是當軟土地基不均勻,重型車輛交通較大時,更加明顯。6)為保證路堤穩定或控制工后剩余沉降,均需采取相應的處理措施。在選擇處理措施時,應考慮地基條件、公路條件及施工條件,尤其要考慮處理措施的特點、對地基的適用性和效果,以確定符合目的要求的處理措施。7)當軟土地基比較復雜,或工程規模很大、沉降控制的精度要求較高時,應考慮在正式施工之前,在現場修筑試驗路,并對其穩定和沉降情況進行觀測,以便根據觀測結果選擇適當的處理措施,或對原來的處理方案進行必要的修正。針對軟土地基的特點及設計原則,其加固方式主要有:換填土層法、排水固結法、土工織物法、反壓護道法、碾壓夯實法、擠密法、化學加固法等。

1 換填土層法

換填土層法是采用人工、機械或爆破等方法,將基底一定深度及范圍內的軟土層挖除,換以強度大、穩定性好的砂礫、卵石、石灰土、素土等回填,并分層壓實至規定的密實度。如當地石料豐富,亦可直接在路基基底拋投片石,將軟土層擠出基底范圍,以提高路基強度。換填砂礫層,可加速軟土層排水固結,提高承載力,減少沉降量。各種回填材料,其應力分布規律、極限承載力、沉降特點基本上與砂礫層相接近。因此,換填土層厚度、寬度以砂礫墊層作為計算模型。砂礫墊層厚度,可按直線變形體理論計算;或者假定應力通過基礎按30°剛性角向下擴散,砂墊層底面呈梯形分布。一般地,砂墊層厚度在0.6 m～1.0 m之間,坡腳兩側各多鋪筑50 cm寬的襟邊。

2 排水固結法

排水固結法是在軟地基中設置垂直排水井,縮短排水距離,運用堆載預壓,擠出土中過多含水量,加速土體固結,達到擠緊土粒,提高土體的抗剪強度。因此,該法適用于含水量過大,土層較厚的軟土地基。按垂直排水井材料的不同,可分為砂井法和水板法。

3 土工織物法

土工織物可分為有紡和無紡兩類,無紡多用作滲濾材料;有紡多用作補強材料。為保護土工織物不被硬物刺破,并增大摩擦力,一般情況下均在土工織物上、下鋪設0.2 m～0.3 m左右的砂墊層。實踐證明效果良好。

4 反壓護道法

在路堤的一側或兩側填筑適當高度的單級或多級護道,使路堤下的淤泥或泥碳向兩側隆起的趨勢得到平衡;同時,加寬了荷載的分布寬度,減少了路堤的基底應力,從而保證路堤的穩定。護道的高度與寬度應通過圓弧法檢算確定。單級護道高度必須低于極限高度,一般為路堤高度的1/2～1/3。采用反壓護道加固路基,不需特殊機具和材料,施工簡易。因此,該法適用于非耕作區、取土不困難地區和路堤高度小于3/5倍～2倍極限高度的軟基。

5 碾壓夯實法

重錘夯實加固地基,是利用起重設備將錘體直徑為1 m～1.5 m,重量為1.5 t左右的鋼筋混凝土截頭圓錐體(底部墊鋼板)提升2.5 m～4.5 m高度后,重錘自由落下,錘體夯實土基。這種方法可顯著地提高地基表層土的強度,降低濕陷性黃土的濕陷性,使雜填土表層強度一致。重錘夯實次數以最后兩次的平均夯沉量不超過規定值來控制,一般黏性土和濕陷性黃土為1 cm～2 cm;砂土為0.5 cm～1.9 cm。實踐表明,一般為8遍～12遍,作用厚度可達錘底直徑的1倍左右。在重錘夯實的基礎上,20世紀60年代以來研制出了強夯法。它的夯錘重達8 t～12 t(甚至200 t),自由落差8 m～20 m(最高達40 m)。經過對土基的強力夯擊,利用沖擊波和動應力,使地基土密實,達到土基加固的目的,可顯著地提高承載力(2倍～5倍),降低壓縮性(2倍～10倍)。加固厚度達10 m～20 m。該項技術盡管迄今仍沒有一套成熟、完善的理論和設計方法,但已在土木工程中得到廣泛應用,且在加固飽和軟黏土地基方面取得了新的成果與經驗。

6 擠密法

土基成孔后在孔內灌以砂、石、土、石灰土或石灰等材料,搗實而成直徑較大的樁體。利用樁體橫向之間的相互擠緊作用,使地基土粒相互緊密,減少孔隙,樁體與原土組合而成復合地基,提高地基承載力,達到加固地基的目的。樁孔內填石灰而形成石灰樁,主要是利用生石灰是新鮮的,灰塊必須粉碎。砂樁加固范圍,一般要求各邊比基礎寬1.0 m左右。樁徑0.2 m～0.3 m砂樁間距與要求將地基土加密的程度有關。經驗表明,群樁面積約占松散土加固面積的20%,通常間距為樁徑的3倍～5倍。樁的平面布置以梅花形較好。樁的長度與加固土層厚度及加固要求有關。軟土層較薄,砂河可穿透軟土層。如軟土層過厚則通過計算樁底處軟土的應力,要求其值不大于軟土容許承載力。

7 化學加固法

化學加固,一般是用壓力漿化學溶液或膠結劑通過注漿管均勻地注入軟基土層中,經過短暫時間后,使土顆粒膠結起來凝成一個整體,達到對土基加固的目的,并能起到防滲作用。目前化學溶液主要有下列幾類:水玻璃溶液為主的漿液,價格昂貴;丙烯酸氨為主的漿液等。化學加固施工工藝主要有壓力灌注、電動硅化和高壓旋噴法幾種。壓力灌注及電動硅化法一般是將漿液注入土中趕走孔隙內的水或氣體,從而占據其位置,然后將土膠結成整體。高壓旋噴法是利用高壓(20 MPa～25 MPa)射流的強度使漿液與土混合,從而在射流影響的有效范圍內使土體速凝成一圓柱形的樁,樁徑達0.5 m～1.0 m。

以上僅簡略地介紹了已有的幾種地基加固方法,有的已在國內公路路基工程中運用,有的新技術還在研討。軟地基加固規模大,造價高,應注重技術和經濟兩方面的研究。同時,地基加固是路基主體工程的一部分,要結合路基標高、斷面形成等方面綜合處治。隨著公路建設的高速發展,包括地基加固在內的路基防護與加固方法在理論與實踐上必將有新的發展與突破。

[1] 張曉青.淺談幾種軟土地基處理的方法[J].山西建筑,2009,35(6):153-154.