沿海地區(qū)軟土地基工程特性及加固措施研究

鄭必杰

(福州市建筑設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 福建福州 350001)

0 引言

軟土地基主要是指其天然孔隙在1.0范圍以上，同時(shí)所含水量超出液限的細(xì)顆粒土體所組成的軟弱土層模擬的建筑地基。該類(lèi)地基具有強(qiáng)度低、壓縮性高、不排水、抗剪強(qiáng)度小和含有一定有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)[1]。

莆田市位于我國(guó)東南地區(qū)，境內(nèi)地勢(shì)西北高、東南低，東瀕海洋，屬于典型的沉積相軟土地質(zhì)，承載能力低，滲透性差，地基容易發(fā)生明顯的差異性沉降和裂縫，對(duì)建筑物的影響較為嚴(yán)重。

許多學(xué)者分別采用不同的試驗(yàn)方法，對(duì)軟土地基的工程特性進(jìn)行了研究。張立敏[2]采用快速固結(jié)試驗(yàn)法，對(duì)軟土地基的壓縮特性進(jìn)行研究，分析得出軟土地基沉降表現(xiàn)取決于含水率數(shù)值；王建文等[3]采用相關(guān)距離的概念與方法，對(duì)寧波淤泥質(zhì)黏土土性參數(shù)相關(guān)距離進(jìn)行研究；劉長(zhǎng)殿等[4]對(duì)青島董家口地區(qū)軟土采用對(duì)比固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行研究，分析得出軟土工程特性具有區(qū)域性特點(diǎn)，指出次固結(jié)變形特性也存在差異；邵建東[5]對(duì)巖土工程中的淤泥質(zhì)軟土地基處理探究，并對(duì)不同處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。但目前對(duì)于福建莆田地區(qū)的軟土的特性研究較少。

為研究莆田地區(qū)軟土特性，本文基于標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，以莆田市錦嵐大道項(xiàng)目為背景，對(duì)該地區(qū)的軟土固結(jié)特性整體表現(xiàn)進(jìn)行分析，并通過(guò)改變含水率測(cè)定其不同條件下的e-P、a-P曲線來(lái)計(jì)算壓縮系數(shù)，對(duì)該地區(qū)工程特性進(jìn)行判定。最后，基于判定結(jié)果的分析研究，對(duì)莆田市錦嵐大道工程項(xiàng)目采取合理的加固措施，采用十字板剪切試驗(yàn)對(duì)加固前后軟土地基的工程特性進(jìn)行對(duì)比，為該工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

福建省莆田市錦嵐大道工程，位于莆田市興化港區(qū)，道路起訖里程DK0+000～DK3+888，總長(zhǎng)3888 m，土建工程主要由路基和橋梁組成，橋梁段起訖里程DK1+380～DK1+480，長(zhǎng)度100 m，其余段落為路基。

工程區(qū)內(nèi)第四系地層發(fā)育復(fù)雜、厚度變化大，上部為海相沉積，下部為河相沉積，沉積物自上而下由淤泥、粉質(zhì)粘土、卵石等組成，其下為殘積土層及燕山晚期侵入巖的風(fēng)化層(全風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖及中風(fēng)化基巖)，鉆孔資料揭示地層分界如表1所示。

表1 地層分界表(Z190鉆孔)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次研究，采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)對(duì)不同含水率狀態(tài)下的土樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，提出適用于該工程的加固措施；最后，通過(guò)十字板剪切試驗(yàn)，對(duì)加固后的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 固結(jié)試驗(yàn)

本次研究主要對(duì)該地區(qū)軟土地基進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用全自動(dòng)固結(jié)儀，試驗(yàn)裝置主要包括控制系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)與量測(cè)系統(tǒng)。該固結(jié)儀采用分級(jí)加載的試驗(yàn)方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)能高效，操作便利、試驗(yàn)過(guò)程便于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)等特點(diǎn)。

本文采用的分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)，可把外荷載視為瞬間施加，土樣的受力情況與太沙基一維固結(jié)理論中的假定相符。豎向排水固結(jié)試驗(yàn)，可以依據(jù)太沙基固結(jié)理論計(jì)算土樣的固結(jié)系數(shù)，分析其固結(jié)特性。

試驗(yàn)主要包括試樣制備、試樣安裝、試樣加載及測(cè)試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[6]規(guī)定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。本次試驗(yàn)選取的土樣物理指標(biāo)如表2所示。

表2 固結(jié)試驗(yàn)參數(shù)表

2.2 十字板剪切試驗(yàn)

十字板試驗(yàn)，采用WYS-3A型雙缸靜探-十字板剪切儀設(shè)備，并嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[6]規(guī)定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí)，將十字板試驗(yàn)設(shè)備安裝履帶鉆機(jī)上，測(cè)點(diǎn)布設(shè)在軟土層范圍內(nèi)沿深度方向，每1m布設(shè)1處，以10s 1～2度的速度均勻轉(zhuǎn)動(dòng)剪切頭上的手搖柄，每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈測(cè)記一次讀數(shù)，將出現(xiàn)的峰值或穩(wěn)定值后1min的讀數(shù)，作為土體剪切破壞時(shí)量表的最大讀數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)土力學(xué)基本原理，土體的壓縮性表現(xiàn)是土體孔隙縮減所導(dǎo)致。土樣的孔隙比、壓縮系數(shù)與施加荷載存在相關(guān)聯(lián)性，試驗(yàn)土樣不同含水率狀態(tài)下e-P曲線、a-P曲線如圖1～圖2所示。

圖1 不同含水率狀態(tài)下土樣e-P曲線

圖2 不同含水率狀態(tài)下土樣av-P曲線

根據(jù)圖1可知，不同含水率狀態(tài)下e-P曲線呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著荷載P的增加，孔隙比e呈減小趨勢(shì)，減小速率隨荷載增加逐漸降低，曲線呈下凸型；對(duì)比不同含水率狀態(tài)下的e-P曲線可知，隨著含水率的增加，一定壓力范圍內(nèi)孔隙比減少得越多，即孔隙比的變化速率越快，說(shuō)明施加相同的壓力，含水量大的土樣容易被壓縮。

根據(jù)圖2可知，不同含水率狀態(tài)下的a-p曲線呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即隨著荷載P的增加，孔隙比a呈減小趨勢(shì)，減小速率隨荷載增加逐漸降低，固結(jié)壓力在0～100 kPa之間，壓縮系數(shù)變化較大，超過(guò)100 kPa后，對(duì)應(yīng)壓縮系數(shù)改變量?。粚?duì)比不同含水率狀態(tài)下的a-P曲線可知，隨著含水率的增大，固結(jié)壓力0～100 kPa范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)變化幅度越大。

由此可知，在固結(jié)初始階段，含水率的波動(dòng)在壓縮系數(shù)中起到?jīng)Q定性作用，隨著固結(jié)排水過(guò)程的發(fā)生，各土樣的壓縮性基本趨于穩(wěn)定。綜合分析，含水量對(duì)軟土地基的壓縮性影響很大。

4 軟土地基加固措施研究

軟土地基處理措施，主要有排水固結(jié)法、換填法、夯實(shí)法、真空預(yù)壓法、樁基法、優(yōu)化結(jié)構(gòu)法以及加筋法。

根據(jù)上述分析結(jié)果，該工程采用堆載預(yù)壓+塑料排水板的加固措施對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，加固方案如圖3～圖4所示。通過(guò)十字板剪切試驗(yàn)，對(duì)比改善前后土體的工程特性指標(biāo)，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 改善前后軟土地基參數(shù)對(duì)比

根據(jù)表3可知，采用堆載預(yù)壓+塑料排水板的加固措施后，不排水抗剪強(qiáng)度由10.4 kPa增加至28.3 kPa，增幅172%；有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度由3.3 kPa增加至7.5 kPa，增幅127%；靈敏度由5.0(中靈敏度)降至3.5kPa(低靈敏度)，降幅30%；地基承載力特征值由40 kPa增加至98 kPa，增幅118%；處理后的地基承載力與穩(wěn)定性大大提高，可以滿足工程要求。

圖3 加固方案橫斷面示意圖

圖4 加固方案平面示意圖

5 結(jié)論

(1)不同含水率狀態(tài)下e-P、a-P曲線呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著固結(jié)壓力增加，孔隙比與壓縮系數(shù)呈減小趨勢(shì)，減小速率隨荷載增加逐漸降低。

(2)對(duì)比不同含水率狀態(tài)下的e-P、a-P曲線可知：隨著含水率增加，一定壓力范圍內(nèi)孔隙比減少得越多，含水量大的土樣容易被壓縮；固結(jié)壓力0～100 kPa之間，壓縮系數(shù)變化較大，超過(guò)100 kPa后，對(duì)應(yīng)壓縮系數(shù)改變量小。

(3)軟土地基沉降表現(xiàn)取決于含水率數(shù)值，兩者呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)聯(lián)系。因此，在施工過(guò)程中，前期的固結(jié)排水措施是必不可少的環(huán)節(jié)。

(4)基于研究結(jié)果，該工程軟土地基采用堆載預(yù)壓+塑料排水板的加固措施后，地基承載力特征值由40 kPa增加至98 kPa，增幅118%，靈敏度由中靈敏度降至低靈敏度，處理后的地基承載力與穩(wěn)定性大大提高，可以滿足工程要求。