水利施工中軟土地基處理技術(shù)研究

王長波

摘 要：水利工程是我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和保障人民生活質(zhì)量具有深遠(yuǎn)意義。在水利工程建設(shè)中，軟土地基處理問題始終未得到有效解決，給施工帶來了較大難度。為此，根據(jù)軟土地基的主要特征，對(duì)水利施工中軟土地基處理技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，以期為相關(guān)部門提供參考。

關(guān)鍵詞：水利施工;軟土地基;換填法;打樁置換法;預(yù)壓法

中圖分類號(hào)：TV551.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： Water conservancy project is an important infrastructure in China， which is of far-reaching significance to promote national economic development and guarantee people’s quality of life. In the construction of water conservancy projects， the problem of soft land base treatment has not been effectively solved， which brings great difficulty to the construction. In this regard， according to the main characteristics of soft land base， to discusse the soft land base treatment technology in water conservancy construction in detail， with a view to providing reference for relevant departments.

Keywords： water conservancy construction;soft land base;replacement method;piling replacement method;preloading method

軟土一般是指在靜水和緩慢流水環(huán)境中沉積，以黏粒為主并伴有微生物的近代沉積物。軟土是一種呈軟塑到流塑狀態(tài)，以灰色為主的細(xì)土粒，如淤泥和淤泥質(zhì)土、泥炭土和沼澤土，以及其他高壓縮性飽和黏性土、粉土等。其中，淤泥和淤泥質(zhì)土是軟土的主要類型。

軟土地基由淤泥、粉土、飽和黃土等含水量大、土質(zhì)松軟的土體組成，主要分布在沿河沿海區(qū)域。水利工程建設(shè)主要圍繞著河流、湖泊等開展，經(jīng)常遇到軟土地基。軟土地基具有觸變性、滲透性等特性，若在施工中不對(duì)其進(jìn)行技術(shù)處理，會(huì)導(dǎo)致工程項(xiàng)目建設(shè)存在較大的安全隱患。因此，加強(qiáng)對(duì)軟土地基的處理至關(guān)重要。

1 軟土地基的主要特征

軟土是一種常見的土壤結(jié)構(gòu)。在水利工程中，軟土地基處理技術(shù)十分重要。軟土地基的主要特征為透水性差、孔隙比大、土層分布復(fù)雜、含水量高、易壓縮、靈敏度高及各種物理性質(zhì)差異大等[1]。其特征對(duì)常規(guī)施工操作來說極為不利。軟土地基產(chǎn)生的重要原因是當(dāng)?shù)啬杲邓看螅瑲夂驖駶櫋＼浲恋鼗饕植荚诤础⒄訚伞⒑恿鳌I海的下流沖積扇中。

此外，軟土地基的承載能力極差。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，軟土地基的承載力≤50 kN/m2，孔隙比在1～2，含水量在50%以上。有些軟土地基的含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過200%，透水性差，水分保留在土壤中，飽和度高[2]，滲透指數(shù)≤1 mm/d。

軟土中過高的水分導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)流動(dòng)性強(qiáng)，不利于開展壓實(shí)固結(jié)施工操作。同時(shí)，軟土抗剪強(qiáng)度低，整體小于30 kN/m2，抗擾性弱，靈敏度較高。在水利工程中，正常狀態(tài)下軟土地基的土體結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度為30 kN/m2。若受到破壞，抗剪強(qiáng)度甚至可以忽略。

2 軟土地基的勘查技術(shù)

在水利工程施工中，要對(duì)軟土地基進(jìn)行詳細(xì)勘查，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而選擇有針對(duì)性的處理方案，確保工程施工正常進(jìn)行。對(duì)于軟土地基的勘查，可以從軟土分布區(qū)域及其范圍、物理特性、軟土深度和對(duì)工程施工的影響這幾個(gè)方面展開，以獲取所需數(shù)據(jù)。具體來說，勘查工作主要包括以下3部分。

2.1 地面測繪調(diào)查

在施工前，開展地面測繪調(diào)查工作，完成地形地質(zhì)的5個(gè)測量任務(wù)：①運(yùn)用儀器對(duì)軟土地基的地形地貌進(jìn)行測量和分析;②對(duì)軟土地基的形成原因進(jìn)行分析，并測量分布深度，繪出分布范圍，展開地基層性質(zhì)研究和分析;③根據(jù)軟土地基的組成結(jié)構(gòu)，對(duì)砂夾層的厚度、顆粒大小、結(jié)構(gòu)形態(tài)、性能等展開研究和分析[3];④土層性質(zhì)分析，對(duì)軟土的上下層土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行測繪，并得出軟土層的埋深;⑤根據(jù)所得數(shù)據(jù)確定最終地下水水位、結(jié)構(gòu)類型等。

2.2 確定勘查點(diǎn)和勘查手段

2.2.1 勘查點(diǎn)。不同勘查點(diǎn)測繪得出的數(shù)據(jù)存在一定差異，不具代表性，因此需要選擇合適的勘查點(diǎn)。一般來說，需要結(jié)合地形組織結(jié)構(gòu)和施工地基位置確定勘查點(diǎn)，勘查點(diǎn)的間距通常在30 m之內(nèi)[4]。若是施工環(huán)境較為復(fù)雜，可以調(diào)整勘查點(diǎn)的分布，適當(dāng)增減，避免出現(xiàn)個(gè)別土層沒有測量的情況而影響整個(gè)水利工程的施工。同時(shí)，確定勘查點(diǎn)的深度，結(jié)合施工要求，對(duì)軟土的底基性質(zhì)進(jìn)行分析和研究，保證其能滿足施工要求。

2.2.2 勘查手段。勘查手段有鉆探式勘查、室內(nèi)土工試驗(yàn)、原位測試等[5]。其中，最為常用的勘查手段為原位測試。原位測試指在施工位置進(jìn)行原地勘查，用十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探等方式了解軟土地基的狀況，掌握其各項(xiàng)數(shù)據(jù)。鉆探式勘查手段是劃分土壤層次的一種關(guān)鍵手段，通過鉆探獲取樣本，對(duì)所得砂石樣本進(jìn)行研究和分析。操作時(shí)，要避免鉆探產(chǎn)生的物理性改變軟土地基性質(zhì)，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和代表性。室內(nèi)土工試驗(yàn)主要用于檢驗(yàn)施工區(qū)域軟土地基的物理化學(xué)性和力學(xué)性。通常情況下，必須進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、固結(jié)且不排水抗剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)等得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范軟土地基上的水利工程建設(shè)[6]。

2.3 軟土地基的分析和評(píng)價(jià)

按照收集所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟土地基性質(zhì)分析和評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括均勻度、靈敏度、承載力、沉降性能這4個(gè)方面。具體而言：均勻度指軟土地基的整體壓縮程度和強(qiáng)度;靈敏度指結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)，靈敏度越高變化程度越大，需要利用科學(xué)的持力層進(jìn)行加固和穩(wěn)定，而選擇地表硬殼不僅可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的效果，而且有利于節(jié)省施工成本;對(duì)于承載力，需要根據(jù)軟土地基的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行全面分析和評(píng)定;對(duì)于沉降性能，需要利用特殊計(jì)算模式，將地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和地質(zhì)沉降模式結(jié)合起來，推算出軟土地基的沉降性能。待到測量結(jié)束后，匯總室內(nèi)試驗(yàn)、勘探和地面測繪的數(shù)據(jù)并將其制作成表格，從而為施工設(shè)計(jì)師開展圖紙?jiān)O(shè)計(jì)提供參考。在整理地質(zhì)勘查報(bào)告時(shí)，要將工程地質(zhì)類型、規(guī)模、可行性預(yù)測等納入其中，并給出軟土地基的處理方法和應(yīng)對(duì)措施。

3 水利施工中軟土地基處理技術(shù)

3.1 換填法

在水利工程施工過程中，采用換填法對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。通過挖除軟土基層中的淺層土塊，填入礦渣、素土、灰土、砂石、卵石等穩(wěn)定性高、性質(zhì)生硬、強(qiáng)度高且抗侵蝕性強(qiáng)的物料，再根據(jù)土層的具體情況，往軟土層中填入不同類型的物料或者進(jìn)行分層填充，利用機(jī)械碾壓加固其密度和強(qiáng)度，擠出空氣和水分，從而使其整體土質(zhì)滿足施工要求。從根本上來說，換填法的目的是打造人工地基。通過改造土層結(jié)構(gòu)，改造軟土組成物質(zhì)，使其具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，提升適用性。研究顯示，換填技術(shù)可以大幅度減輕沉降量，增強(qiáng)土壤持力層的承載力，提升土層穩(wěn)定性，并有效控制軟土地基的濕陷性和脹縮性[7]。作為一種常用的處理技術(shù)，換填法適用性較強(qiáng)，能有效解決大面積軟土地質(zhì)施工問題。因而，其經(jīng)常被用于處理低洼區(qū)域、濕陷性黃土、季節(jié)性凍脹土及膨脹土等。一般處理的軟土地基深度為2～3 m。

3.2 打樁置換法

由于軟土地基很難承受工程施工強(qiáng)度，因而需要進(jìn)行加固和壓實(shí)，此時(shí)可通過打樁置換法將軟土地基置換為強(qiáng)度較大的人工復(fù)合地基。通過填充碎石、砂等材料，對(duì)軟土地基進(jìn)行加固，增強(qiáng)地基強(qiáng)度。利用置換法處理軟土地基的過程如圖1所示。

在置換理念下衍生出了一系列施工方法，如碎石樁法、石灰樁法等。工作人員要結(jié)合實(shí)際施工需求選擇合適的置換技術(shù)。

碎石樁法指利用振沖器向軟土地基中噴射高壓水，將地基空出一個(gè)孔，接著向孔中填入碎石、砂等堅(jiān)硬的物料，形成一個(gè)柱狀體。同時(shí)，根據(jù)施工需要，科學(xué)布置樁體數(shù)量和位置。這種由土質(zhì)和碎石樁結(jié)合而成的復(fù)合地基，強(qiáng)度和穩(wěn)定性都較高，能滿足施工需求。該處理技術(shù)可以有效避免地基坍陷等問題，減少不良地基的存在。在置換技術(shù)中，碎石樁法的最大優(yōu)勢在于成本低，不受地下水位影響，在以往應(yīng)用過程中呈現(xiàn)出較好的效果，一般用于淤泥砂土和粉土地基。

對(duì)于柔軟性過高的黏土地基，一般選用石灰樁法。通過利用機(jī)械在黏土地基內(nèi)部打孔，構(gòu)建一個(gè)中空地帶，然后向中空地帶填充生石灰，并用機(jī)器進(jìn)行壓制，形成一個(gè)地下樁。借助生石灰遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)這一特性，改變黏土性質(zhì)，并通過生石灰和土的物理反應(yīng)改變土層結(jié)構(gòu)，以提高整個(gè)土體的性能。此外，還可以結(jié)合實(shí)際情況，在生石灰中添加其他物料發(fā)生相應(yīng)反應(yīng)，滿足施工要求。

3.3 水泥攪拌樁和注漿法

水泥攪拌樁法應(yīng)用的關(guān)鍵在于固化劑。通過在軟土層添加固化劑改變軟土性能，起到加固的效果。一般來說，固化劑的組成物質(zhì)主要是石灰和水泥。操作過程為利用攪拌機(jī)將水泥或石灰和其他物質(zhì)混合形成固化劑送入軟土層中，接著進(jìn)行二次攪拌，使固化劑和土層融為一體，從而發(fā)揮固化劑的加固和穩(wěn)定作用，提升土體的強(qiáng)度和硬度。水泥攪拌樁法多應(yīng)用于含水量較高的土層，如黃土、粉土和淤泥等。

注漿法是處理軟土地基的一種重要技術(shù)。用注漿管將鉆土設(shè)置帶入軟土土層中，再將調(diào)制好的高壓制備材料注入土體。一般而言，高壓材料為水泥或者水泥混合物[8]。對(duì)于注漿技術(shù)，所用的注漿管道需要經(jīng)過定制，保證在應(yīng)用過程中可以進(jìn)行地下土層的提升和旋轉(zhuǎn)，完成注漿工作。提升時(shí)要不停地旋轉(zhuǎn)，保證高壓制備材料充分融合，否則容易形成一面漿墻。

3.4 預(yù)壓法

預(yù)壓法是通過排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)的配合，將軟土地基中多余的水分排出，進(jìn)而提升軟土地基的固態(tài)。排水系統(tǒng)不僅可以將水平墊層和排水砂溝中的水分排出，而且可以通過塑料排水板進(jìn)行垂直和水平方向的排水。加壓系統(tǒng)可以降低水位、強(qiáng)載預(yù)壓及真空預(yù)壓等。通過兩者的聯(lián)合應(yīng)用，能發(fā)揮更大的排水效應(yīng)。具體操作為將需要加固的軟土地基周圍的雜草和巖石清理干凈，在土層上鋪一層水平墊層，往下鋪設(shè)塑料排水板，讓墊層能橫向放置排水管道，之后利用加壓系統(tǒng)開展強(qiáng)壓，將軟土中含有的水分通過排水管排出。軟土地基中使用預(yù)壓法的技術(shù)要點(diǎn)如圖2所示。

預(yù)壓技術(shù)可以充分降低軟土地基中的含水量，提高軟土層的穩(wěn)定性。但是，該技術(shù)不能完全使軟土層干燥，滿足施工要求，因而目前水利施工中很少應(yīng)用。

3.5 加筋法和強(qiáng)夯法

加筋法主要是利用一些具有超強(qiáng)抗拉力的合成材料，將其放置在軟土層中，通過拉力產(chǎn)生摩擦力，引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)位移，從而使合成材料在土層中融合，進(jìn)而提升軟土地基的性能。

強(qiáng)夯法即動(dòng)力固結(jié)法，原理是利用起重設(shè)備將夯錘提升到一定高度，后使其自由下落，以一定的沖擊力作用在地基上，在地基土里產(chǎn)生極大的沖擊波，以克服土顆粒間的各種阻力，使地基密實(shí)，從而提高強(qiáng)度，減少沉降，消除濕陷性或者提高抗液化能力。強(qiáng)夯技術(shù)主要用于提升土質(zhì)緊密度，增強(qiáng)土層結(jié)構(gòu)。

3.6 松木樁處理技術(shù)

松木樁處理技術(shù)也是軟土地基處理的一項(xiàng)重要技術(shù)。根據(jù)軟土地基的范圍，選用合適的松木，一般直徑在20 cm即可。在打樁之前，需要把松木的一端削尖成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的錐形，接著將錐形一端打入土層。在打樁過程中，可以利用人工打樁，也可以通過挖掘機(jī)打樁，但目前還沒有專門的小型打樁機(jī)。樁體一般圍繞地基四周布置，從外向內(nèi)打，樁體預(yù)留長度在10～15 cm。打樁結(jié)束后，要根據(jù)實(shí)際施工情況適當(dāng)鋸掉一部分樁頭，確保所有樁體水平相同。之后鋪上硬質(zhì)物料，如煤渣、礦渣、石塊等，厚度在30 cm左右。硬質(zhì)物料將樁體蓋住后，鋪平壓實(shí)，上面澆灌混凝土，待混凝土凝固后就可以開展后續(xù)的施工作業(yè)。

4 結(jié)語

軟土是水利施工工程中經(jīng)常會(huì)遇到的土層類型，其處理效果會(huì)直接影響水利工程的施工質(zhì)量。如果沒有對(duì)軟土地基進(jìn)行科學(xué)處理會(huì)造成水利工程下沉，影響整體應(yīng)用效益。因此，施工前需要進(jìn)行詳細(xì)勘測，選擇合適的處理技術(shù)，提升水利工程的穩(wěn)定性和安全性，以保證施工效果。

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