軟土路基處理前后地基土性質(zhì)探析

楊文浩

(上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072)

0 引言

軟土是一種區(qū)域性的特殊土，是在一定的地質(zhì)條件下形成的，具有變形大、承載力低等特點(diǎn)。在道路工程中，若地基中存在軟土且不進(jìn)行加固處理時(shí)，在路堤填土及持續(xù)的交通荷載作用下很可能會(huì)因?yàn)檐浲翉?qiáng)度不足造成地基破壞，或者由于軟土固結(jié)沉降緩慢引起較大的工后沉降而造成路面結(jié)構(gòu)的破壞。

近年來(lái)我國(guó)高速公路發(fā)展迅速，集中在東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。高速公路有嚴(yán)格的工后沉降要求，在軟土地基上修建高速公路，往往結(jié)合路堤填筑采用預(yù)壓法解決工后沉降問(wèn)題。預(yù)壓法是一種經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保的軟土地基加固方法，在工期允許的情況下，一般可優(yōu)先考慮使用預(yù)壓法對(duì)軟土路基進(jìn)行加固處理。

預(yù)壓法包括堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法兩種:堆載預(yù)壓法是指在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之逐漸減少，地基發(fā)生固結(jié)變形。同時(shí)隨超靜水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，地基土強(qiáng)度得到增長(zhǎng);真空預(yù)壓法是在軟土地基表面通過(guò)鋪設(shè)砂墊層、埋設(shè)豎向排水體，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，通過(guò)砂墊層內(nèi)埋設(shè)管道，用真空裝置抽氣，使其形成真空，增加地基有效應(yīng)力。真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法則具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重效果。

以上海某高速公路的地基處理工程為例，通過(guò)對(duì)場(chǎng)地內(nèi)對(duì)工程影響較大的淺部土層在分別采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓、堆載預(yù)壓兩種不同地基處理方法前后，其物理性指標(biāo)和力學(xué)性指標(biāo)的變化進(jìn)行比較，淺析預(yù)壓法地基處理前后地基土性質(zhì)的變化特點(diǎn)。

1 場(chǎng)地地層特性及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地地層分布情況

工程路基施工期間在A場(chǎng)地采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理，B場(chǎng)地采用堆載預(yù)壓法處理。A，B兩場(chǎng)地25 m以淺場(chǎng)地土層分布情況如表1，表2所示。堆載預(yù)壓屬于大面積堆載，促使路面加速沉降盡快達(dá)到穩(wěn)定。試驗(yàn)場(chǎng)地堆載高度約3.0 m，路基寬度約50 m，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)公式估算土層壓縮層厚度約為42.6 m，可認(rèn)為堆載預(yù)壓的影響深度范圍在40 m以內(nèi)，但由于A，B兩場(chǎng)地內(nèi)均分布⑥暗綠粉質(zhì)粘土層，該層具有應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，一般認(rèn)為影響范圍主要為⑥層以上土層，故僅對(duì)⑥層以上土層進(jìn)行分析比較。

表1 A場(chǎng)地地層特性表

表2 B場(chǎng)地地層特性表

1.2 檢測(cè)試驗(yàn)方法

為了解地基處理前后地基土性質(zhì)的變化情況，運(yùn)用鉆探取土和原位測(cè)試(靜力觸探試驗(yàn)、十字板試驗(yàn))等手段在A，B兩場(chǎng)地的路基處理范圍內(nèi)外各布置2組孔深約為25 m的勘探孔(每組孔包括1個(gè)鉆探孔、1個(gè)靜探孔、1個(gè)十字板試驗(yàn)孔)即12個(gè)孔，對(duì)路基處理前后場(chǎng)地淺部分布的軟粘性土層(②粉質(zhì)粘土、③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土以及⑤1-1粘土層)的物理性指標(biāo)和力學(xué)性指標(biāo)的變化情況進(jìn)行分析對(duì)比。

2 試驗(yàn)成果的對(duì)比分析

2.1 地基處理前后地基土PS值分析

靜力觸探試驗(yàn)所獲取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)——PS值大小可直接反映地基土的強(qiáng)度，對(duì)軟粘性土而言，PS值越大其地基土強(qiáng)度越高，則承載力越大;對(duì)粉性土而言，PS值越大其地基土密實(shí)度越高、強(qiáng)度越高，則承載力越大。

A，B兩場(chǎng)地地基處理前后PS平均值及其變化情況見(jiàn)表3。

表3A，B場(chǎng)地處理前后地基土PS平均值對(duì)比表

通過(guò)表3中A，B場(chǎng)地在地基處理前后的PS平均值的對(duì)比可見(jiàn):

1)在地基處理后淺部各土層③1，③t和④的PS平均值均有所提高，其中③1層提高約為22.5%～30.4%，③t層提高約為46.8%，而地基處理對(duì)④層處理效果有限，其提高量相對(duì)較小僅為4%～6%。

2)③1層由于埋深較淺且局部夾薄層粉性土，有一定透水性，該層在兩個(gè)場(chǎng)地地基處理前后的PS平均值變化量均超過(guò)20%，充分說(shuō)明了地基處理后其固結(jié)度提高，地基土強(qiáng)度也得到了明顯提高，表現(xiàn)為PS值的增加。

3)B場(chǎng)地③t層在地基處理后PS平均值提高超過(guò)45%，由于粉性土層排水性較好，其處理效果最理想，該土層地基處理后密實(shí)度增強(qiáng)，地基土的強(qiáng)度大幅提高，承載力的提高最為明顯。

4)④層由于相對(duì)埋深較深、透水性差，故地基處理后地基土強(qiáng)度變化不及其上部土層顯著，但仍有一定效果。說(shuō)明預(yù)壓法處理效果自上而下逐漸減弱，且粉土處理效果優(yōu)于粘性土。

2.2 地基處理前后地基土物理指標(biāo)分析

土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要與土所處的稠度狀態(tài)有關(guān)，即與含水量有關(guān)。對(duì)于飽和土層而言，含水量的降低意味著土粒間聯(lián)結(jié)力增大，土趨于密實(shí)，顆粒更靠近，土的強(qiáng)度會(huì)更大一些。

表4 A，B場(chǎng)地處理前后地基土物理指標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)表4中A，B場(chǎng)地在地基處理前后室內(nèi)物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可以看出:

1)在地基處理后淺部各土層②，③1，③t，④以及⑤1-1層的含水量和孔隙比均有減少。

2)對(duì)于粘性土層，②層含水量和孔隙比變化量最大，變化率均超過(guò)-7%，而隨著深度的增加下部的各土層含水量和孔隙比的變化率逐漸變小，到達(dá)⑤1-1層時(shí)其含水量和孔隙比的變化率分別為-1.4%和-0.6%，故淺部土層地基土強(qiáng)度的增加量也隨著深度的加深而減少，故地基土加固后對(duì)淺部土層作用較深部土層明顯。

3)在B場(chǎng)地分布的粉性土③t層由于其排水性好，孔隙水壓力消散快，故在預(yù)壓處理后其含水量和孔隙比變化率分別達(dá)到-12.4%，-13.5%，充分說(shuō)明了預(yù)壓法對(duì)粉性土層的作用明顯，在保持排水通暢的情況下，土層易快速達(dá)到固結(jié)，地基土強(qiáng)度得到迅速提高。相對(duì)而言粘性土層的排水性較弱，其加固作用較粉性土層不夠明顯。

總之，地基處理后土的含水量和孔隙比均較處理前有一定量減少，并且在軟粘性土層中含水量和孔隙比變化幅度隨深度加深而減少，但地基處理前后地基土物理指標(biāo)變化不大。

2.3 地基處理前后地基土變形指標(biāo)分析

土的壓縮性是土體在荷載作用下產(chǎn)生變形的特性。就室內(nèi)土工試驗(yàn)而言，是土在載荷作用下孔隙體積逐漸變小的特性。地基土的壓縮性越低，則地基土強(qiáng)度越高、密實(shí)度越高，土性越好。

表5 A，B場(chǎng)地處理前后地基土變形指標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)表5中A，B場(chǎng)地在地基處理前后的變形指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可以看出:

1)在地基處理后淺部各土層②，③1，③t，④以及⑤1-1層的壓縮系數(shù)均有降低，而壓縮模量均有提高。

2)粘性土②，③1，以及⑤1-1層的壓縮系數(shù)降低了4.2%～6.7%，壓縮模量提高了1.9%～6.9%，而其中③1層壓縮模量提高16.5%是由于其局部夾薄層粉性土，有一定透水性，故地基處理后土層壓縮模量提高較其他粘性土層明顯。

3)粉性土③t層的壓縮系數(shù)降低約30%，壓縮模量提高約31%，地基處理后該層在排水條件保持通暢的情況下，其變形指標(biāo)變化率均達(dá)到約30%，足見(jiàn)預(yù)壓法對(duì)粉性土層處理的效果極其顯著。

2.4 地基處理前后地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

根據(jù)庫(kù)侖定律，粘土的抗剪強(qiáng)度由粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ決定，因此C和φ也就成了粘土的兩個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。它們的實(shí)際大小主要取決于土的物理性質(zhì)，主要是含水量、孔隙比、顆粒大小形狀和級(jí)配以及顆粒的摩擦特點(diǎn)。

通過(guò)室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)(不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)UU)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)獲取了A，B兩場(chǎng)地不同土層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表6。

在理論上三軸不排水抗剪總強(qiáng)度相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)測(cè)定飽和軟粘性土(φ≈0時(shí))的原位不排水抗剪強(qiáng)度，即(Cu)v≈Cu;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu確定φ≈0時(shí)的飽和軟粘性土的抗剪強(qiáng)度，土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu=qu/2。

表6 A，B場(chǎng)地處理前后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比表

表7 A，B場(chǎng)地處理前后三軸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比表

表8 A，B場(chǎng)地處理前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比表

表9 A場(chǎng)地處理前后十字板抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比表

表10 B場(chǎng)地處理前后十字板抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比表

通過(guò)表6～表10中A，B場(chǎng)地在地基處理前后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可以看出:1)根據(jù)表6并結(jié)合表4分析，含水量對(duì)淺部各土層地基土強(qiáng)度的影響體現(xiàn)在粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ上，在地基處理后兩者均隨含水量的減少而增大。其中粘性土粘聚力C提高約7%～9%，內(nèi)摩擦角φ提高約2%～4%。2)結(jié)合表7和表8共同分析，本次對(duì)比試驗(yàn)前后土的三軸剪切試驗(yàn)所得的不排水粘聚力Cu、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所得的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu，可基本符合Cu≈qu/2公式。同時(shí)對(duì)于軟粘性土層③1的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Cu和qu在預(yù)壓法地基處理后分別提高約7%～23%，2%～5%。3)根據(jù)表9和表10分析，軟粘性土層③1層地基處理后十字板剪切試驗(yàn)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(Cu)v提高明顯，平均提高約15%，其下部④和⑤1-1層的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(Cu)v也有一定幅度提高，其中A場(chǎng)地④和⑤1-1層分別提高15%和5%，而B場(chǎng)地④和⑤1-1層僅提高0.9%和1.7%，這也在一定程度上反映了采用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法對(duì)軟粘性土層的效果較堆載預(yù)壓法顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)軟土路基處理前后地基土PS值、物理指標(biāo)、變形指標(biāo)以及土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的對(duì)比數(shù)據(jù)和指標(biāo)分析，可以得出以下的結(jié)論:

1)通過(guò)路基處理后，地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數(shù)均有所降低，而PS值、壓縮模量以及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有所提高。2)地基土的含水量的變化對(duì)其強(qiáng)度的影響有著決定性的意義，含水量減小則土的強(qiáng)度就有一定提高。預(yù)壓法地基處理淺層軟粘性土層的處理效果明顯，隨深度的增加效果逐漸減小。3)粉性土層由于其排水性好，孔隙水壓力消散快，在地基處理后易達(dá)到排水固結(jié)的目的，效果顯著;而粘性土層透水性差，在外力作用下水的排出非常緩慢，不易達(dá)到完全固結(jié)。4)預(yù)壓法路基處理影響深度范圍也是有限的，對(duì)粘性土的處理效果不及粉性土層顯著。5)真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法可兼顧地基處理效果良好、所需工期較短的兩大優(yōu)勢(shì)，即能在確保地基處理質(zhì)量的同時(shí)節(jié)省施工周期，在真正意義上實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)雙重效益的提高。

［1］ 《工程地質(zhì)手冊(cè)》編寫委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 黃紹銘，高大釗.軟土地基與地下工程［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ DGJ 08-37-2012，巖土工程勘察規(guī)范［S］.