荊南四河堤防軟土特征及加固處理方法

鄭　新, 吳　勇, 肖　麗

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢　430010; 2.荊州市河道管理局,湖北 荊州　434020)

0　引言

荊南四河系指湖北省長江荊江河段南岸的松滋河、虎渡河、藕池河、調弦河,地處長江荊江河段與洞庭湖之間,是長江向洞庭湖分流的重要水系[1]。堤防加固工程范圍內涉及到軟土地基,對勘察設計人員來說,要做到恰當地選用軟土地基處理方法,則必須對所要處理的軟土地基特征、物理力學性質有全面、熟悉地掌握。筆者結合近幾年參加四河堤防勘察的體會,結合有關資料,淺談荊南四河堤防加固工程軟土特征及常見處理方法。

1　軟土概念

軟土一般是指天然含水量大、壓縮性高、承載力低的一種軟塑—流塑狀態的高液限細粒粘性土。它一般是在靜水或緩慢的流水環境中沉積,經生物、化學作用形成的。不同國家、不同部門對怎么樣來劃分軟土,所采用的標準不同。比如日本采用標準貫入擊數、無側限抗壓強度、荷蘭式貫入指數等三項指標來劃分軟土。德國則用“很容易搓捏的土”來劃分軟土。在國內,鐵道部建議以天然含水量接近或大于液限、孔隙比>1、壓縮模量<4 MPa、標準貫入擊數<2擊,靜力觸探比貫入阻力<0.7 MPa、不排水強度<25 kPa等6項指標來劃分軟土;建設部頒布《軟土地區工程地質勘察規范》(JGJ 83—91)規定,凡符合外觀以灰色為主的細粘土、天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1等3項指標來劃分軟土;交通部頒布《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》(JTJ 017—96)規定,軟土的劃分標準采用天然含水量≥35%或液限、天然孔隙比≥1.0、十字板剪切強度<35 kPa等3項指標來劃分軟土;水利部頒布《堤防工程地質勘察規程》(SL 188—2005)規定:軟土天然含水率一般大于液限,孔隙比≥1.0,當天然孔隙比≥1.5時為淤泥,當天然孔隙比為1.0～1.5時為淤泥質土。

2　軟土鑒別

荊南地區軟土一般指淤泥、淤泥質土,軟土的鑒別以水利部頒布《堤防工程地質勘察規程》(SL188—2005)為主,并參考國內外鑒別軟土的一些經驗,總結出荊南四河堤防加固工程軟土鑒別表(表1),根據此表來進行綜合判斷。

表1　荊南四河堤防加固工程軟土鑒別表

3　軟土成因和工程性質

3.1　軟土成因

荊南四河地區地貌形態以沖積平原為主,局部鑲嵌崗地,地勢平坦開闊,區內河渠縱橫交錯,水網密布,大小河流蜿蜒曲折。軟土成因主要分為3類,即河流沉積、湖沼沉積、老閘渠道淤積。

河流沉積軟土以河漫灘相為主,主要分布于松滋河上游、虎渡河上游兩岸一定寬度范圍內。河流相沉積軟土主要為淤泥質粉質壤土或淤泥質粉質粘土,灰黃色、灰色,呈軟塑狀。由于沉積環境變化較大,軟土的分布較為復雜,不連續,多呈透鏡狀、串珠狀或條帶狀分布,厚度變化大,成分不均一,常夾有極薄層的粉細砂或砂壤土。

湖沼沉積軟土主要分布于松滋河下游、虎渡河下游、藕池河、調弦河兩岸一定寬度范圍內,該地區屬于洞庭湖周邊地區,軟土主要為淤泥質粉質粘土、淤泥質粘土,灰色、灰黑色,呈軟塑狀,含螺殼及腐殖質,有腐臭味,厚度一般>5 m,上覆1～3 m的粉質粘土、粘土等硬殼層。

老閘渠道淤積軟土主要為淤泥、淤泥質粉質壤土或淤泥質粉質粘土,灰色、灰黑色,呈軟塑—流塑狀。由于沉積環境簡單,軟土的分布范圍小,僅在涵閘附近一定范圍內分布,厚度一般1～3 m。

3.2　軟土工程性質

荊南四河地區淤泥質粘性土主要物理力學性質指標見表2[2],一般具有下列工程性質:

(1)觸變性。受到振動時,軟土的結構連接被破壞,強度隨之降低或變成稀釋狀態。觸變性的大小常用靈敏度St來表示,荊南四河地區軟土的St一般在3～6之間。

(2)流變性。在剪應力作用下,土體會發生緩慢而長期的剪切變形。

(3)高壓縮性。軟土的天然孔隙比大決定了壓縮性必然高,淤泥、淤泥質土的壓縮系數一般為0.67～0.93 MPa-1,均屬高壓縮性土。

(4)抗剪強度低。軟土抵抗剪切變形能力差,在施工中經常遇涵閘軟土地基基坑邊坡出現滑塌,從而造成邊坡失穩。

(5)固結系數小。軟土多屬正常固結土或欠固結土,一般情況下次固結變形量大,固結系數小,這就意味著土體完成固結沉降所需的時間較長,這對施工工期影響較大。另外,軟土滲透性弱,對排水固結不利。

(6)承載力低。

表2　荊南四河堤防加固工程淤泥質粘性土物理力學性質表

3.3　軟土承載力特征值的綜合確定

荊南四河地區軟土承軟土承載力特征值一般為60～70 kPa,針對具體工程項目可以依據《湖北省地方標準巖土工程勘察工作規程》(DB42/169—2003)以下3項指標綜合確定:

(1)天然含水量:根據規范附錄P表P.O.19 ,制定出由天然含水量確定的淤泥和淤泥質土承載力特征值(fak)取值表,見表3。比如松西河軟土天然含水量為44.7%,查表確定承載力特征值為60 kPa。

表3　由天然含水量確定的淤泥和淤泥質土承載力特征值(fak)取值表

(2)標準貫入擊數:一般軟土標準貫入擊數一般為1～2擊,最多3擊,根據規范附錄P表P.O.12,承載力特征值應<85 kPa。

(3)靜力觸探試驗比貫入阻力Ps:根據規范附錄P表P.O.14 ,制定出由比貫入阻力確定的淤泥和淤泥質土承載力特征值(fak)取值表(表4)。比如某涵閘地基淤泥質粘土比貫入阻力為0.5 MPa,查表確定承載力特征值為60 kPa。

表4　由比貫入阻力確定的淤泥和淤泥質土承載力特征值(fak)取值表

不同工程項目軟土的天然含水量、標準貫入擊數與靜力觸探試驗比貫入阻力會有不同,應區別對待。建議在施工期間,涵閘開挖到建基面后進行靜力觸探試驗,根據比貫入阻力值確定地基承載力特征值,供設計參考。

4　軟土對堤防工程的影響

軟土對堤防工程的影響主要表現在兩個方面:一是產生不均勻沉降,使建筑物遭受不同程度的破壞;二是導致抗滑穩定問題[3]。

4.1　不均勻變形問題

一般新建堤防堤基分布軟土層可導致大堤不均勻沉陷,使堤身開裂,成為大堤的安全隱患,而荊南四河堤防多為老堤防,堤基軟土多已完成固結沉降。

對于穿堤涵閘,軟土的影響則更加顯著。穿堤涵閘基礎不均勻沉降主要是由于閘基淺部分布有軟弱地層或建筑物基礎跨越強度、性狀差異較大的地層而引起的。荊南四河堤防部分涵閘的直接持力層或其下部為第四系全新統沖積層淤泥質粘土、粘土和粉質粘土,淤泥質粘土壓縮系數0.76～1.16 MPa-1,粘土壓縮系數0.40～0.66 MPa-1,粉質粘土壓縮系數0.39～0.60 MPa-1。這些土體一般具高壓縮性,尤其是淤泥質粘土壓縮性高,其承載力特征值僅60～70 kPa。含高壓縮性土體的閘基在閘體不均勻荷載或基礎高壓縮性土體分布不均勻的條件下易于產生不均勻沉降變形問題,導致閘體變形開裂。例如,松西河右岸樁號94+160處的楊家垱閘,閘基的直接持力層為淤泥質粘土,厚0.7～1.5 m,具高壓縮性,主要由此導致閘體最大不均勻沉降量達14 cm,洞身裂縫14條。

4.2　抗滑穩定問題

由軟土導致的堤防工程抗滑穩定問題主要有以下兩個方面:

(1)堤坡在下伏軟弱土控制下發生滑移破壞。一般在護坡護岸段,如果堤坡底部分布軟土,則堤坡可能發生滑移破壞,需采取加固處理措施,防止堤坡或岸坡滑移。

(2)涵閘基坑在施工期的基坑穩定問題。涵閘基坑開挖時存在基坑邊坡穩定問題,特別是基坑底部存在含淤泥質土的邊坡,需采取邊坡防護措施,施工期間注意保持基坑坑底干燥,及時排水。

5　堤防工程軟土處理方法

各種地基處理方法都有它的適用范圍、局限性和優缺點。加之具體工程情況復雜、工程地質條件千變萬化、各個工程間地基條件差別很大,具體工程對地基的要求也不同,而且機具材料等條件也會因工作部門不同、地區不同而有較大的差別。因此,對每一個工程都應從地基條件、處理要求、工程費用以及材料、機具來源等各方面進行綜合考慮,以確定合適的地基處理方法。

5.1　換土墊層法

將基礎底面以下不太深的一定范圍內的軟弱土或不良土挖去,以質地堅硬、強度較高、性能穩定、壓縮性較小、具有抗侵蝕性的砂、礫、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填,并同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動,使之達到要求的密實度,形成良好的人工地基。墊層能有效擴散基底壓力,提高地基承載力、減少沉降、加速軟弱土層的排水固結、防止凍脹、消除膨脹土的脹縮作用等。

適用于各種軟弱土及不良地基的淺層處理,處理深度控制在3 m以內較為經濟合理。 使用的主要材料:砂、礫石、石渣、粉煤灰、礦渣等。 使用的主要機械設備:人工挖土或機械挖土、墊層材料運輸、壓實或夯實機械。

5.2　深層攪拌法

利用深層攪拌機將水泥或石灰和地基土原位攪拌形成圓柱狀、格柵狀或連續墻水泥土增強體,形成復合地基以提高地基承載力,減小沉降。深層攪拌法分為噴漿攪拌法和噴粉攪拌法兩種,也可用它形成防滲帷幕。

適用于淤泥、淤泥質土和含水量較高、地基承載力≤120 kPa的粘性土、粉土等軟土地基,處理深度在3 m以上時較為經濟合理。用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕性時宜通過試驗確定其適用性。 使用的主要材料:水泥。 使用的主要機械設備:深層攪拌機,按攪拌軸分為單軸和雙軸兩種,按噴射方式分為漿液噴射和粉體噴射兩種。配套設備:漿液噴射主要有灰漿攪拌機、灰漿泵,粉體噴射主要有粉體發送器、空氣壓縮機以及計量器等。

5.3　預制樁法

將預制好的樁通過錘擊、振動等方式沉入軟土中,建筑物荷載全部由樁承擔。荊南四河涵閘閘基處理預制樁可考慮采用水泥預制樁、松木樁或者杉木樁。

適用于各種不同類型的軟土,處理深度在3～6 m時比較經濟合理。

6　結語

荊南四河軟土天然含水量一般大于等于液限或35%,天然孔隙比≥1.0,標準貫入擊數一般為1～2擊,最多3擊,呈軟塑—流塑狀態,壓縮系數≥0.5,壓縮模量≤5,靜力觸探比貫入阻力一般<0.7 MPa,具有觸變性、流變性、高壓縮性、抗剪強度低、固結系數小等特點,其承載力特征值一般為60～70 kPa,承載力低。

軟土對堤防工程的影響主要表現在兩個方面:一是產生不均勻沉降,使建筑物遭受不同程度的破壞;二是導致抗滑穩定問題,需采取加固處理措施及邊坡防護措施。荊南四河堤防工程涵閘軟土地基處理主要采取換土墊層法、深層攪拌法及預制樁法,加固處理方法效果顯著,可供類似工程借鑒使用。

參考文獻:

[1]周琴,等.湖北省洞庭湖區四河堤防加固工程可行性研究報告[R].武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2011.

[2]蘇志遠,等.湖北省洞庭湖區四河堤防加固工程初步設計階段工程地質勘察報告[R].武漢：長江勘測規劃設計研究有限責任公司，2013.

[3]羅小杰,等.長江中下游堤防工程地質研究[M].武漢：中國地質大學出版社,2010.