軟土地基的力學(xué)特性及其處治方法

董 康

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西西安 710021)

0 引言

我國(guó)土地遼闊、幅員廣大、自然地理環(huán)境不同、土質(zhì)千差萬別、地基條件區(qū)域性很強(qiáng)，在修筑高等級(jí)公路中，為節(jié)省投資盡量選擇地質(zhì)條件好的地方進(jìn)行修建。但由于公路是帶狀建筑，通過線路長(zhǎng)而復(fù)雜，在選線中總難完全避開天然的軟弱地基，如沼澤、池塘、淤泥、泥炭土、流泥、沼澤土和濕陷性大的黃土、黑土等。對(duì)于松軟、易于變形的粘性土，相對(duì)密度一般都低于0.33，天然含水量高于液限，孔隙比大于1，在這樣的土質(zhì)上修筑高等級(jí)公路路基、橋涵基礎(chǔ)時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行科學(xué)處理。在沈大、京津唐、濟(jì)青、成渝等高速公路建設(shè)中，對(duì)軟基的處治是施工過程中的重要工作。

1 軟土的力學(xué)特性

從廣義上來說，軟土包括松砂、淤泥、淤泥質(zhì)土、軟弱吹填土和雜填土等。JTJ 017-96公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范中對(duì)軟土的定義為:濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低的細(xì)粒土。也有部門認(rèn)為，凡是內(nèi)陸湖塘盆地、江河岸、多雨地區(qū)和山間洼地、坡谷地區(qū)近代水下沉積的具有結(jié)構(gòu)性的粘性土，其天然含水量大于40%，孔隙比大于1.0，壓縮系數(shù)大于0.000 5 kPa，飽和度大于95%，有機(jī)質(zhì)含量小于10%，滲透系數(shù)小于1×10－6cm/s，內(nèi)摩擦角小于5°，粘聚力小于20 kPa的粘土稱為軟土。它們的成因、結(jié)構(gòu)和形態(tài)雖然不同，但都具有壓縮性高、強(qiáng)度低和透水性差的特點(diǎn)，有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 軟土類型分布及物理力學(xué)參數(shù)

軟土的物理力學(xué)特性突出表現(xiàn)為天然含水量高、孔隙比大。這是由于軟土中土粘粒與有機(jī)質(zhì)含量大、吸水能力強(qiáng)，而透水性能差、含水量很大，在常年積水的洼地，使得土質(zhì)呈現(xiàn)軟塑狀態(tài)或半流塑狀態(tài)。軟土的粘粒成分含量、有機(jī)質(zhì)含量和液限愈大，形成滲透系數(shù)就愈低，承載能力極小，壓縮性極高，特別是分布在河床、沼澤、池塘等處的軟土地水分更多，施工機(jī)械無法在這些軟土地面上操作。

軟土的抗剪強(qiáng)度極低，且與加載時(shí)間、速度以及排水后的固結(jié)情況有關(guān)。在對(duì)軟土進(jìn)行不排水剪切時(shí)，其內(nèi)摩擦接近于0，而內(nèi)摩擦剪應(yīng)力又小于19.92 kPa;在對(duì)軟土進(jìn)行排水剪切時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度增加而增大。埋藏愈深的軟土，受到上層的自重壓力作用愈大，則其強(qiáng)度也愈大。此外，密度也是影響軟土抗剪強(qiáng)度的重要因素，天然干密度愈大、抗剪強(qiáng)度就愈大。

軟土經(jīng)過擾動(dòng)后，微觀結(jié)構(gòu)受到破壞而強(qiáng)度迅速降低，隨靜置歷時(shí)的增長(zhǎng)，強(qiáng)度將逐漸恢復(fù)，這一特性稱為軟土的觸變性。以靈敏度St來評(píng)價(jià)軟土的觸變性，其含義是未擾動(dòng)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與在完全擾動(dòng)后(但含水量和孔隙比與未動(dòng)土保持相同時(shí))的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值。St的大小反映了軟土受擾動(dòng)后強(qiáng)度降低程度，St值越大則軟土強(qiáng)度降低愈明顯。一般情況下，土的St值在3～4之間，也有達(dá)到8～9的或者更高。按不同的St值可把土分為靈敏(非、低、中、高、極)性土和流動(dòng)(微、中、流動(dòng))土，如表2所示。

表2 靈敏性土和流動(dòng)土的劃分

以抗陷系數(shù)c表征土體抵抗機(jī)械行駛時(shí)沉陷的能力，其含義是軟土有效作用壓力與其相應(yīng)深陷深度的比值。由于軟土的高壓縮性和低承載力，機(jī)械作業(yè)時(shí)沖擊力大，在抗陷強(qiáng)度很低的軟土上行駛很容易引起土層強(qiáng)度降低而發(fā)生沉陷，對(duì)工程施工非常不利。為消除軟土沉陷對(duì)工程施工的影響，必須掌握各種軟土的地面最大容許作業(yè)壓力及其單位抗陷系數(shù)，如表3所示。與此同時(shí)，還列出國(guó)內(nèi)主要地區(qū)軟土的物理特性，如表3所示。

表3 各種軟土的地面最大容許作業(yè)壓力及其單位抗陷系數(shù)表

2 高等級(jí)公路填方路堤的穩(wěn)定與沉降

修筑路堤和其他構(gòu)造是為上層路面提供一個(gè)均勻而堅(jiān)固的基礎(chǔ)，為保持路面平整度創(chuàng)造條件。在軟弱地基上填筑路堤與進(jìn)行開挖都要產(chǎn)生不同程度的非均勻沉陷，又由于軟基不同程度的蠕變將導(dǎo)致路基或其他構(gòu)筑物的失穩(wěn)，從而影響路面平整度。因此，在軟基上面填土?xí)r，當(dāng)填土超過安全高度后，就可能使上填部分發(fā)生崩塌，在坡腳外側(cè)地基產(chǎn)生隆起等病害。如果在坡腳附近有房屋、水管或其他工程設(shè)施也會(huì)受到嚴(yán)重威脅，重則造成人身傷亡事故。即使不發(fā)生滑塌，在施工填筑過程中或填筑完工以后，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)地基沉降將持續(xù)發(fā)展。在完成攤鋪路面后產(chǎn)生的軟地基沉降，不但對(duì)路面的縱橫段造成影響，而且對(duì)路面的平整度產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。此外，對(duì)于橋梁、涵洞等重要結(jié)構(gòu)物，與填土相連部分的不均勻沉陷是引起行車阻礙與造成行車事故的主要原因。這些情況有單方面發(fā)生的，也有同時(shí)發(fā)生的，在進(jìn)行高等級(jí)公路設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到地基的成層狀態(tài)、排水條件、各層強(qiáng)度與固結(jié)特性、綜合施工條件，進(jìn)行沉降與穩(wěn)定的有關(guān)計(jì)算，提出科學(xué)有效的處理方法，在經(jīng)過試驗(yàn)成功后，才能在高等級(jí)公路施工中推廣實(shí)施。

在高等級(jí)公路工程施工中，對(duì)軟土地基的處理分為三大類:其一是路堤、橋涵、擋土墻的軟基處治;其二是公路沿線各種設(shè)施的沉陷處理;其三是公路沿線各種設(shè)施的穩(wěn)定處理。軟基的處理必須注意兩點(diǎn):一是對(duì)沉降處理要選擇能有效控制住因剪切變形而產(chǎn)生的沉降;二是在對(duì)軟基進(jìn)行穩(wěn)定處理之中，必須加大路堤與地基強(qiáng)度來達(dá)到提高抗剪切變形的能力。

3 高等級(jí)公路軟土地基處治方法

在高等級(jí)公路軟土地基處治的措施中，必須周密考慮地基、施工等條件限制，盡量采用投資較低、技術(shù)上合理可行的措施。目前處理軟弱地基的方法主要有以下幾種:

1)表層排水法。公路的路基填筑前，在地面開挖水溝來排除地表水，以降低地基表層含水量，保證施工機(jī)械順利作業(yè)。同時(shí)，為保證開挖的水溝能在施工中發(fā)揮盲溝作用，可選用透水性良好的砂礫作為填料，并根據(jù)地形與土質(zhì)的實(shí)際情況來布設(shè)水溝位置，使之利于排水。

2)砂墊層法。在軟土地基上鋪設(shè)厚度為0.5 m～1.2 m的砂墊層，作為路堤內(nèi)的地下排水層來降低路堤內(nèi)的水位，為使用重型機(jī)械施工創(chuàng)造良好條件。應(yīng)注意檢查施工放樣樁的準(zhǔn)確性，選用合適的自卸汽車與推土機(jī)配合攤鋪并控制好攤鋪的均勻性。

3)穩(wěn)定劑處治方法。將生石灰、熟石灰、水泥等穩(wěn)定材料摻入到軟弱的表層粘土中，可對(duì)改善地基的壓縮性與強(qiáng)度特性、保證機(jī)械的操作環(huán)境、提高路堤填土穩(wěn)定與壓實(shí)效果起到重要作用。在施工中，生石灰、水泥的存放量以夠用1 d的量為準(zhǔn)，最長(zhǎng)的存放時(shí)間不準(zhǔn)超過3 d，同時(shí)做好存放料的防水、防潮工作，否則因存放不善將導(dǎo)致材料的失效。

4)強(qiáng)制換填法。按施工方法分為路堤載荷強(qiáng)制換填和爆破換填法兩種。路堤強(qiáng)制換填是依靠路堤載荷將部分軟土層強(qiáng)制擠出，施工時(shí)從中線起逐漸向外側(cè)填筑。爆破換填是指將炸藥裝入軟土層，通過爆破作用將軟土擠出的方法。

5)開挖換填法。在一定范圍內(nèi)，把軟土全部挖除后，采用無侵蝕作用的低壓縮散體材料填筑路基，應(yīng)綜合考慮路堤高度、軟土層厚度與地下水位等因素，選用排水性能好、有足夠的承載力的砂、砂礫與其他粗料作為填料使用。

6)反壓護(hù)道法。在路堤兩側(cè)填筑一定寬度和高度的護(hù)道，以改善路堤荷載方式來增加抗滑力，使軟基向兩側(cè)隆起的趨勢(shì)得到平衡。在施工過程中已經(jīng)明顯出現(xiàn)不穩(wěn)定的填方或發(fā)生了滑坍破壞填方時(shí)，可考慮選用反壓護(hù)道法作為應(yīng)急措施和修復(fù)措施。

4 結(jié)語

在軟土地區(qū)修筑高等級(jí)公路是公路建設(shè)多年來的重大技術(shù)課題。由于計(jì)算理論、數(shù)學(xué)模式的不同和各地軟土性質(zhì)的差異，以及勘探手段、施工工藝等的差別，使路堤問題更為復(fù)雜和突出，多年的高等級(jí)公路建設(shè)表明，軟土路堤是公路建設(shè)中問題集中的地段，因此，必須綜合考慮多種因素，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)處理。

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