軟土工程特性及地基處理

趙忠杰

(深圳市市政設計研究院有限公司)

1 引 言

土是巖石經過風化后，在不同條件下形成的自然歷史產物。因此，土的性質與其地質成因與環境、形成時間和方式以及后生演化密切相關。其中，特殊土由于生成時不同的地質成因、氣候條件、地理環境、歷史過程以及次生變化等原因，使得它們具有一些特殊的成分、結構和性質。由于各種天然形成的特殊土在地理分布上具有一定的規律，表現出一定的局域性，因此又稱之為區域性特殊土。針對特殊土地基對工程造成的的危害，廣大科技工作者、工程技術人員根據不同的工程對象，從各個角度與層面分析了特殊土的工程特性加固原理和處治方法。但隨著我國經濟和生活水平的不斷提高、城市的面積不擴大、高速公路的迅猛發展，導致在修筑建筑物和道路時不得不面臨越來越多的區域性特殊土。在此特殊土地基上修建修筑建筑物和道路時，地基處理變得尤為重要。因此，本文總結分析了軟土分布及成因，闡述了軟土的工程特性及其對構造物的危害，并通過軟土地區工程實例，分析了相應地基處理方法的實施效果。

2 軟土分布及工程特性

2.1 軟土的分布及成因

軟土指天然孔隙比≥1.0，天然含水量≥WL，壓縮系數≥0.5 MPa－1，具有靈敏結構性的細粒土。多為靜水或緩慢流水環境中沉積，并經生物化學作用形成，在我國的分布如圖1 所示。按照形成和分布情況，我國軟土基本上可以分為兩類:一類是沿海沉積的軟土;一類是內陸和山區河、湖盆地及山前谷地沉積的軟土。一般來說，沿海沉積軟土分布較穩定，厚度較大;內陸等沉積土常零星分布，沉積厚度較小，變化性質大。而沿海沉積土大致可以分為瀉湖相、溺谷相、濱海相和三角洲相，內陸平原區軟土主要有湖泊相、河漫灘相和牛軛湖相和谷底相等類型。

2.2 軟土的工程特性

(1)天然含水量高和孔隙比大

我國軟土地基的含水量比較大，引起了有關人士的重視，在不同的環境下，這個問題可能帶來一定影響。針對含水量高的情況，施工人員要了解軟土孔隙較大的具體參數，然后進行地基處理。

(2)滲透性弱

其滲透系數一般在10－9～10－7cm/s 之間，垂直方向的滲透系數通常比平行土層方向的滲透系數要小一些。這是由于水平方向常夾有極薄層的粉砂、細砂的緣故。

(3)壓縮性高

軟土屬于高壓縮性土，壓縮系數大，通常的壓縮系數為0.07～0.15 MP－1。土的壓縮性隨著液限與含水量的增高而增高。該類土高壓縮性的形成，首先在于一定程度的欠壓密性。其次，與其組成成分和結構所決定的高溶水性以及低滲透性有關，因而水分不易壓密。

(4)觸變性

顆粒間聯接弱的某些粘土，在攪拌或者振動等強烈擾動下，土的強度會劇烈降低，甚至變成懸液而流動，外力停止后，隨著時間的增長，土的強度逐漸得到恢復。這種現象稱為觸變。軟土具有這種性能。觸變的產生，常招致建筑物地基大面積失效或大范圍滑坡，對建筑物的破壞極大，其產生的原因一般認為是由于水－土膠體體系發生膠溶的結果。

在軟土地基工程中，施工人員要分析顆粒間的微弱聯系，定義這種粘性。如果在攪拌和振動等擾動下，土的強度會有所增強，然后逐漸出現流動。這種情況主要是在外力的作用下，當失去外力后，隨著時間的增長，土的強度也逐漸恢復。施工單位將這種現象稱為觸變。軟土擁有這種性能，發生觸變時，建筑物地基大面積失去效用之后，或出現大范圍滑坡。

(5)蠕變性

軟土在荷載的作用下，會出現緩慢而長期的變形，所以在應力沒有發生改變的情況下，施工人員將這種土體變形的現象稱為蠕變。這種變形的速度較小。可能一年只有幾厘米。雖然這種變形比較緩慢，但是持續的時間很長。軟土土體中，含水量越高，粘粒含量高的情況下，透水性比較差，所以土的蠕變性能夠明顯的表現出來。

(6)抗剪強度低

抗剪強度與加荷速度及排水固結條件密切相關。施工人員并沒有發現不排水得到的抗剪強度較低，所以要分析側向壓力，然后記錄這些內部的摩擦角，其內聚力一般都小于20 kPa;直剪快剪內摩擦角一般為2～5°，內聚力為10～15 kPa;排水條件下的抗剪強度隨固結程度的增加而增加，固結快剪的內摩擦角可達8～12°，內聚力為20 kPa 左右。這是因為在土體受荷時，其中孔隙水有充分排出的條件，使得土體得到正常的壓密，從而逐步提高其強度。

所以，施工人員要控制軟黏地基的強度，然后分析施工的荷載速度，確保每增加一級荷重與土體在新的受荷條件下強度的提高相適應。

3 軟土地基處理方法及案例分析

3.1 軟土地基處理方法

軟土地基最難里克服的技術難題是失穩破壞以及過大的沉降，尤其是不均勻沉降。國內外研究人員對軟土地基的工程特性、沉降機理及處治措施開展了大量研究，取得了一系列成果。

目前，軟土地基處理基本理論還是太沙基的一維固結理論和極限平衡原理，多采用條分法計算路基穩定性。正因如此，很多工程在勘探試驗中進行了大量的投入，但仍然出現大部分軟土樣都或多或少地缺少某些力學試驗指標等問題，有時不得不使用內插數據或經驗數據，使設計與實際不盡相符，嚴重時還會導致工程事故。對此，周煥云和黃曉明指出采用基于遺傳算法的人工神經網絡理論，可以根據實測沉降變形較為準確地預測后期沉降。孟慶山、史啟超、鄭穎人、鄭剛等等人分別研究了換填法、強夯法、排水固結法、水泥土攪拌法、振動碎石樁法等方法對軟土地基處治的實施效果，他們的研究指出軟土具有復雜多變的工程特性，因此應綜合考慮不同加固方法的特點及適用性、施工環境、地質條件，采用多種方法進行軟土地基的加固。當然，可以選擇單一地基處理方法，也可以采用多種方法進行綜合處理。

3.2 軟土地基處理案例分析

軟土地基處理的基本思路是在穩定驗算和沉降計算的基礎上，根據不同地段的特點，選擇經濟、有效的處理方案，其目的首先是改善地基土的力學性能，提高穩定性;其次是改善地基土的壓縮性且加速排水固結，提前完成預計的沉降量，使殘余沉降量小于允許值。本節結合我公司在長春市某市政道路路基工程，進行軟土地基處理案例分析。

(1)工程概況

該市政道路在K5 +400～K5 +600 段落，地基存在的工程地質問題主要有以下三個方面:

①地下水位高，地基土含水量大，冬季氣溫低，地基抗凍性差，容易引起路基的凍脹、融沉等病害;

②表層土質多呈軟塑狀態，下層土雖然含有較多的圓礫，然而由于凍土經常不化，導致土層在融化后土質疏松，空隙較大，地基承載力差，容易導致路基的沉陷;

③表層土軟弱，下層土為亞粘土和圓礫土，地基土總體壓縮性大，工后沉降量大，容易引起路基路面的下沉甚至結構的破壞。

(2)地基處理方案

針對地基存在的工程地質問題，結合沖擊碾壓法處理軟土地基的工程經驗，為減小地基工后沉降、提高穩定性，制定了如下軟土地基處理方案:

①預融:由于春季凍土尚未完全融化，需要清除保溫層，以融化凍土;因此施工前先將原地表草皮清除，并將表面軟弱土挖除，晾曬。

②換填砂礫:對于表層土，多呈軟塑狀態，且厚度較淺，待凍土全部融化后，挖除軟土，換填砂礫(平均換填厚度為1.0 m)。

③沖擊碾壓:為了保證換填砂礫的壓實度，提高路基的承載力以及減小路基的工后沉降，因此采用了影響深度較大、效率較高、經濟好的沖擊碾壓工藝。

(3)沉降分析

由于軟土地基本身的壓縮變形性質，施工完成后地基仍然存在沉降變形。為分析處理后軟土地基的變形情況，在經沖擊碾壓的砂礫層上埋設了沉降板進行沉降觀測，觀測結果見表1。

表1 軟土地基累計沉降(mm)

采用泊松曲線法進行地基沉降預測，如式(1)所示。式中:y 為預測工后沉降，mm;t 為工期，d;a，b，k 為模型的回歸參數。當t→+∞時，y→a，即為路基總沉降量。

根據表1 中沉降觀測結果進行回歸分析，得到沉降預測曲線，如圖2～圖4 所示。剩余沉降量為預測總沉降量減去實測累計沉降量，計算結果如表3.6。結果表明，軟土地基處理后，地基剩余沉降為2.8～4.4 mm，占總沉降量的10%左右，能滿足《公路路基設計規范》(JTG D30－2004)中的技術要求要求。

圖1 K5 +460 沉降預測曲線

圖2 K5 +500 沉降預測曲線

圖3 K5 +540 沉降預測曲線

表2 預測地基總沉降與剩余沉降

4 結 語

本文總結分析了軟土分布及成因及其工程特性，并通過軟土工程實例，分析了相應地基處理方法的實施效果。結果表明:軟土主要分布在我國東南沿海及內陸湖泊地區;軟土地基承載力低、沉降變形量大、沉降穩定時間長，而經處理后的軟土地基工后沉降相對小，具有較高的穩定性。

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