小議公路軟土地基處理方法

1、小議公路軟土地基處理方法    【摘要】:本文結(jié)合作者多年從事公路建設(shè)的施工經(jīng)驗(yàn),參考軟土加固技術(shù)的各種著述,就各種軟基處理方法與機(jī)理、適用范圍進(jìn)行分類整理及系統(tǒng)總結(jié),以資在今后設(shè)計施工中參考。 【關(guān)鍵詞】:公路，軟土地基，處理方法，綜合應(yīng)用 1軟土地基的概念 1.1軟土地基 地基是指承受建筑物荷載的一部分土體(巖體)。如果建筑工程的基礎(chǔ)(公路等交通設(shè)施工程中則指下部構(gòu)造)修建在軟土中,則這一建筑物或構(gòu)造物的地基就稱為軟土地基。 1.2軟土 在靜水或緩慢流水環(huán)境中以細(xì)顆粒為主的近代沉積物,其天然含水量大、孔隙比大、壓縮性高、承載力低、滲透性小,是一種呈軟

2、塑到流塑狀態(tài)的飽和粘性土。在土力學(xué)中軟土與濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土一起并稱為特殊類型的土。 1.3軟土的特性 作為一種特殊的地質(zhì)土,軟土有其獨(dú)特的土力學(xué)性能,現(xiàn)總結(jié)如下:軟土的天然含水量w高,一般大于其液限wL或>30%,山區(qū)軟土的含水量變化幅度更大,有時可達(dá)70%或200%;孔隙比大,天然孔隙比e>1,山區(qū)軟土的孔隙比有的甚至可達(dá)6.0;壓縮系數(shù)1-2一般在0.52.0MPa-1之間,有的可達(dá)2.3MPa-1;透水性低,豎向與水平滲透性不同,一般垂直方向的滲透性系數(shù)要小些,約在10-710-9cm/s之間,水平方向約在10-410-5cm/s左右;地表常有硬殼,在地下水位

3、線以上的硬殼會有05m,其承載力較下層軟土要高,壓縮性也較小;抗剪強(qiáng)度低,因?yàn)檐浲恋膬?nèi)摩擦角接近于零,抗剪強(qiáng)度主要決定于內(nèi)聚力,不排水抗剪強(qiáng)度一般<20MPa;軟土具有觸變性與流變性。 1.4軟土的鑒定方法 由于我國軟土分布面積較廣,軟土根據(jù)其形成的原因及分布的位置的不同,其抗剪強(qiáng)度、壓縮性以及透水性等土力學(xué)性能有較大的差別,在進(jìn)行地質(zhì)鑒定時,要根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門的統(tǒng)計資料及判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定,上海地區(qū)由于軟土分布面積較廣,國民各種生產(chǎn)活動與軟土關(guān)系也較密切,多年來積累的軟土指標(biāo)值較為完善。在沒有現(xiàn)成的的鑒定指標(biāo)時,可參照表1。 表1軟土鑒定指標(biāo) 2軟土地基破壞的主要形式及破壞機(jī)理 軟土由于

4、其不良的工程力學(xué)特性,對工程有極大的危害性,綜合分析主要有以下幾種形式: 剪切破壞,由于地基抗剪強(qiáng)度不足以承受其上的構(gòu)筑物所施加的動、靜荷載,造成破壞,表現(xiàn)為使鄰近地基產(chǎn)生隆起; 由于軟土地基的高壓縮性,發(fā)生不均勻沉降,使構(gòu)筑物的基礎(chǔ)由于應(yīng)力集中出現(xiàn)裂縫,最終使構(gòu)筑物遭到破壞,失去其使用功能;在構(gòu)筑物有足夠剛度,其抗拉、剪強(qiáng)度足以抵抗地基不均勻沉降,而產(chǎn)生拉剪應(yīng)力時,建筑物就發(fā)生傾斜,著名的意大利比薩斜塔,建筑已數(shù)百年,塔身完好無損,但嚴(yán)重傾斜,其原因即地基不均勻沉降所致,且至今無好的解決辦法; 由于軟土地基的高空隙比與高含水率,在使用中發(fā)生排水固結(jié),發(fā)生均勻沉降,使構(gòu)筑物下沉量過高,影響使用

5、功能。在工程應(yīng)用實(shí)際中,由于公路路基是承受靜、動雙向荷載,其受力的復(fù)雜性,決定其軟土地基發(fā)生均勻沉降的可能性極小。 3軟土地基處理方法分類及應(yīng)用范圍 經(jīng)過長期的實(shí)踐,在公路中形成了多種形式的軟土地基處理方法,結(jié)合本企業(yè)多年施工經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)專家學(xué)者的論述進(jìn)行總結(jié)歸納如下: 3.1換填墊層法 當(dāng)軟弱土層厚度不很大時,可將路基面以下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除,然后換填強(qiáng)度較大的土或其它穩(wěn)定性能好、無侵蝕性的材料(通常是滲水性好的中粗砂)稱為換填或墊層法。此法處理的經(jīng)濟(jì)實(shí)用高度為23m,如果軟弱土層厚度過大,則采用換填法會增加棄方與取土方量而增大工程成本。 通過換填具有較高抗剪強(qiáng)度的地基土,從而

6、達(dá)到增強(qiáng)地基承載力的目的,滿足構(gòu)筑物對地基的要求。 主要加固方法有換填、拋石擠淤、墊層、強(qiáng)夯擠淤幾種。墊層法根據(jù)材料的不同可分為砂(礫石)墊層、碎石墊層、粉煤灰墊層、干渣墊層、土(灰土、二灰)墊層。代表方法有砂墊層法及換填法。 3.2深層密實(shí)法 采用爆破、夯擊、擠壓和振動及加入抗剪強(qiáng)度高的材料等方法,對地基深層的軟弱土體進(jìn)行振密和擠密的地基加固方法稱為深層密實(shí)法。適用于軟土厚度>3m的中厚軟土的加固,分布面積廣的軟基加固處理,其加固深度可達(dá)到30m。 通過振動、擠壓使地基中土體密實(shí)、固結(jié),并利用加入的具有高抗剪強(qiáng)度的樁體材料置換部分軟弱土體中的三相(氣相、液相與固相)部分,形成復(fù)合地基,

7、達(dá)到提高抗剪強(qiáng)度的目的。 主要加固方法:強(qiáng)夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)樁法、砂樁法、爆破法、碎石樁法(振沖置換法)、石灰樁法、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁法)、粉噴樁法、旋噴樁法。代表方法有碎石樁法、強(qiáng)夯法、水泥粉煤灰碎石樁法、粉噴樁法。 3.3置換法 由于深層密實(shí)法中的幾種方法都有加入高抗剪強(qiáng)度的材料,置換軟土中部分成分的加固機(jī)理,與原有的土體共同組成復(fù)合地基,達(dá)到加固地基的目的,因此深層密實(shí)法有時也稱為置換法。 3.4排水固結(jié)法 在軟土地基上加壓并配合內(nèi)部排水,加速軟土地基的排水,加快軟土固結(jié)的處理方法稱為排水固結(jié)法。適用于處理各類淤泥、淤泥質(zhì)粘土及沖填等飽和粘性土地基。 軟土地基在附加

8、荷載的作用下,逐漸排出孔隙水,使孔隙比減小,產(chǎn)生固結(jié)變形。在這個過程中,隨著土體超靜孔隙水壓力的逐漸擴(kuò)散,土的有效應(yīng)力增加,并使沉降提前完成或提高沉降速度。 主要加固方法:堆載預(yù)壓法、砂井法、袋裝砂井、真空預(yù)壓法、電滲排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。 3.5化學(xué)加固法 通過在軟土地基中加入水泥或其它化學(xué)材料,進(jìn)行軟土地基處理的方法稱為化學(xué)加固法。適用于處理砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和一般人工填土,也可以在處理裂隙巖體及已有構(gòu)筑物地基加強(qiáng)中。 水泥或其它化學(xué)材料注入土體后,與土體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),吸收和擠出土中部分水與空氣,形成具有較高承載力的復(fù)合地基。主要加固方法:粉噴樁、旋噴樁

9、、注漿、水泥土攪拌法。 3.6加固路基法 通過在路基中埋入高強(qiáng)度、大韌性的土工聚合物、拉筋、受力桿件或柴(木)梢排等方法加強(qiáng)路基的自身強(qiáng)度,增加抵抗地基變形沉降的能力。適用于軟弱巖體、土體中的路堤與路塹。主要加固方法:加筋土路基、土工聚合物、土釘墻、土層錨桿、土釘、樹根樁法、柴(木)梢排法。 3.7其它加固方法 除了上述軟土路基處理方法外,比較常用的還有樁基、沉井、側(cè)向約束法、反壓護(hù)道法。樁基與沉井常用于在軟土地基中建設(shè)重要構(gòu)筑物(橋梁、大型涵洞等)的基礎(chǔ)中,根據(jù)軟弱土層的厚度其下承層土質(zhì)情況,樁基設(shè)計可分為柱樁與摩擦樁兩種。常用的樁基有鉆孔樁、挖孔樁、管樁、木樁。 側(cè)向約束與反壓護(hù)道的加固機(jī)

10、理均是限制軟弱土體向旁擠出,以增加路堤的抗剪能力。側(cè)向約束法適合軟土層厚度較小,軟土體面積較大的軟土地基的加固。反壓護(hù)道法適合軟土體分布面狹窄而軟土體厚度較大的軟土地基的處理。 4較有代表性的軟基處理技術(shù) 4.1砂石樁法 碎石樁和砂樁總稱為砂石樁,又稱顆粒土樁,是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后,再將碎石或砂擠壓入已成的孔中,形成大直徑的砂石所構(gòu)成的樁體。 (1)砂石樁的加固機(jī)理在松散砂土與粘性土中有所不同的,在松散砂土中主要是發(fā)揮砂石對軟土的擠密作用、排水減壓作用、和砂基預(yù)振效應(yīng),而在粘性土中主要是對軟土(特別是飽合軟粘土)的置換作用。 (2)方法的特點(diǎn)是:加固期短,可以采用快速

11、連續(xù)加載方法施工路堤,設(shè)備簡單,工作面可以加大,對縮短工期十分有利。 (3)施工步驟主要分兩大部分:成孔加填料密實(shí)成樁。砂石樁法在19世紀(jì)30年代起源于歐洲,20世紀(jì)50年代引入我國后,在工業(yè)、交通、水利水電設(shè)施中得到廣泛的應(yīng)用,目前已形成了多種施工方法,主要有以下幾種:振沖擠密法、沉管法、干振法、鉆孔錘擊法、振動氣沖法、強(qiáng)夯置換法、水泥碎石樁法、裙圍碎石樁法、袋裝碎石樁法等。在實(shí)際施工中,可以根據(jù)地質(zhì)條件及機(jī)具設(shè)備情況選用合適的施工方法。 (4)成樁材料要求:選用未風(fēng)化的干凈碎石、礫石、礦渣、碎磚及滲水性好的中粗砂等,含泥量應(yīng)5%10%,碎石粒徑最大應(yīng)50mm,以免樁孔或振沖器磨耗過大。 (

12、5)施工機(jī)具:根據(jù)選用施工方法的不同,合理選用以下幾種:振動打樁機(jī),柴油打樁機(jī)、電動落錘、振動沉樁機(jī)、沖擊成孔機(jī)、振沖器、起重設(shè)施、空氣壓縮機(jī)以及樁管、打樁架等。 (6)施工中常發(fā)生的質(zhì)量問題及注意事項(xiàng): 樁的施工次序一般是由里向外或一邊推向另一邊(如圖1中a、b所示)有利于擠出部分軟土。對抗剪強(qiáng)度低的粘性土地基,為減少制樁時對原土的擾動,宜用間隔跳打的方式施工,(如圖1中c所示)。加固區(qū)如毗鄰其他建筑物時,為減少對建筑物的影響,可按圖1中d所示次序跳位進(jìn)行施工。 在成孔過程中應(yīng)首先嚴(yán)格控制水壓、電流和振沖器在固定深度位置的振留時間,以防縮孔、塌孔。 填料要分批加入,次數(shù)頻繁,每次少進(jìn)料,保證

13、試樁標(biāo)定的裝料量。每一深度的樁體在未達(dá)到規(guī)定的密實(shí)電流時要繼續(xù)加料振實(shí),以防斷樁、縮徑。 (7)質(zhì)量控制:單樁施工質(zhì)量偏差按表2進(jìn)行控制,可采用挖開的方法檢查,并在施工中做好記錄控制。 圖1施工次序示意圖 (a)由里向外推;(b)由一邊向另一邊推 (c)間隔跳打;(d)臨近構(gòu)造物 表2質(zhì)量偏差控制表 施工質(zhì)量的檢驗(yàn)可以對碎(砂)石樁進(jìn)行單樁荷載試驗(yàn),也可采用動力觸探試驗(yàn),也可用標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法檢查處理前后的對比結(jié)果及樁間土的擠密效果。整體加固效果的檢驗(yàn)可以進(jìn)行單樁復(fù)合地基和群樁復(fù)合地基的大型試驗(yàn)。 4.2塑料排水板 (1)原理:塑料排水板是一種復(fù)合土工材料,由芯板和濾膜組成,其加固軟土地

14、基的機(jī)理是在軟土地層中按一定的間距和布置形式打設(shè)塑料排水板,在軟土中形成豎向排水通道,加速排水,特點(diǎn)是單孔水?dāng)嗝娲?排水暢通、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,耐久性好。 (2)適用范圍:當(dāng)軟土層較厚,路堤較高時,常用塑料排水板法加速固結(jié)沉降。 (3)施工方法:插設(shè)塑料排水板塑料排水板樁頭處理(鋪設(shè)砂墊層)路基填筑。 (4)施工用主要機(jī)械設(shè)備:插板機(jī)主要由工作裝置、驅(qū)動裝置和行走裝置組成。工作裝置由導(dǎo)向架和導(dǎo)管組成,導(dǎo)向架由角鋼分段焊接,每段長6m,段與段之間用螺栓連接。導(dǎo)管采用熱軋無縫鋼管制成。為適應(yīng)在軟土中行走多采用履帶式,也有輪胎式。 (5)施工注意事項(xiàng): 為方便機(jī)械設(shè)備移動及排水板樁頭直立,可先將地表清

15、流水面后鋪設(shè)砂墊層。 為保證排水通道暢通,每根樁均采用一整條的排水板,不允許有接頭,并應(yīng)保持排水板不扭曲,透水膜不被撕破和污染。 牽動排水板下沉的錨銷與排水板連接可靠,并且錨銷與導(dǎo)管下端口密封要嚴(yán),以免泥砂進(jìn)入排水板內(nèi)阻塞排水通道。 拔導(dǎo)管時應(yīng)輕輕進(jìn)行,以免帶出排水板。 打設(shè)完成后,人工扶正排水板外露的頭部,并用砂土緊打管口洞口,輕拍砂土至緊密,保證樁頭是直立的。 (6)插設(shè)塑料排水板質(zhì)量控制: 在打設(shè)過程中,嚴(yán)格控制打樁機(jī)就位時導(dǎo)向架的垂直度,以保證樁身的垂直度,一般要求其斜度不超過深度的1.5%。 因?yàn)樵谲浲林?排水速度與距離的平方成正比,因此打設(shè)塑料排水板應(yīng)嚴(yán)格控制平面位置,偏差位5cm

16、。 塑料排水板在插設(shè)過程中,若被導(dǎo)管帶出,應(yīng)在距廢棄排水板附近補(bǔ)打。 4.3袋裝砂井法 (1)原理:袋裝砂井是把砂裝入長條形、透水性好的紡織袋內(nèi),然后用專門的機(jī)具設(shè)備打入軟土地基內(nèi)代替普通大直徑砂井。袋裝砂井既有大直徑砂井的作用,又可以保證砂井的連續(xù)性,避免縮徑現(xiàn)象。由于袋裝砂井的直徑小,材料消耗小,造價低,施工速度快,設(shè)備輕型,更適應(yīng)在軟弱的地基上施工。 袋裝砂井適用于軟土層厚度>5m,且路堤高度的自重靜壓超過天然地基承載力很多時,常采用袋裝砂井法。 (2)材料要求:采用聚丙烯或其他抗拉強(qiáng)度能保證承受砂袋自重的紡織料,裝砂后砂袋的滲透系數(shù)不小于砂的滲透系數(shù)。砂采用滲水率較高的中、粗砂,

17、粒徑>0.5mm的砂的含量宜占總量的50%以上,含泥量3%,滲透系數(shù)5×10-3cm/s。采用風(fēng)干砂,以免袋內(nèi)砂干燥后體積減小,造成袋裝砂樁縮短與排水墊層不搭接等質(zhì)量事故。 (3)砂井的布置:袋裝砂井可呈矩形,梅花形布置,井徑采用712cm的直徑,井距12m,砂墊層厚4050cm。 (4)工藝流程:整平原地面攤鋪下層砂墊層機(jī)具定位打入套管沉入砂袋拔出套管機(jī)具移位埋砂袋頭攤鋪上層砂墊層。 (5)施工注意事項(xiàng): 砂井定位要準(zhǔn)確,垂直度要正確,沉樁時用兩臺經(jīng)緯儀“十”字交叉控制砂井位置,用錘球控制垂直度。 砂袋灌入砂后,露天堆放要有遮蓋,不能長時間暴曬,施工中避免砂袋掛破漏砂。 砂袋

18、入井時,用樁架吊起垂直下井,防止砂袋發(fā)生扭結(jié)、縮徑、斷裂和砂袋磨損。 拔鋼套管時,更要垂直起吊,在出現(xiàn)砂袋帶出或損壞砂袋現(xiàn)象時,要在原孔邊緣重新打孔施工。連續(xù)兩次將砂袋帶出時,要停止施工,查明原因后再施工。 砂袋露出井長度要保證伸入砂墊層至少30cm以上,要保證直立。 (6)施工允許偏差見表3。 表3偏差控制表 4.4真空預(yù)壓法 (1)原理:在軟土地基上先施作豎向排水系統(tǒng)(砂井或塑料排水板),然后在加固的區(qū)域內(nèi)覆蓋不透氣膜,利用真空源不停地對加固的土體進(jìn)行抽氣,使其內(nèi)部形成一個近似真空的環(huán)境,土體中的孔隙水在負(fù)壓作用下,沿著排水通道加速被吸出,從而達(dá)到加固的作用。 (2)真空預(yù)壓法也屬于排水固

19、結(jié)類的加固范圍,其排水固結(jié)作用與加載預(yù)壓作用是可以相疊加的,可以加速排水,在工期緊時可以使用該法加快軟土固結(jié)的速度。適用于軟土厚度大、工期緊的軟土地基。其設(shè)備與材料損耗小,可以重復(fù)使用。 (3)使用的設(shè)備材料:真空源一般采用射流箱與離心泵組成,在加固施工中,一套真空裝置應(yīng)能擔(dān)負(fù)10001200m2加固面積,覆膜采用聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,其性能要求見表4。 表4覆膜材料性能指標(biāo) (4)施工注意事項(xiàng): 施工時應(yīng)對加固區(qū)進(jìn)行分塊,目前國內(nèi)單塊加固面積可達(dá)30000m2,一般分塊面積可根據(jù)工程地基的實(shí)際情況進(jìn)行考慮,以不超過真空設(shè)備的能力為準(zhǔn)。 排水系統(tǒng)設(shè)置要密封,以防空氣進(jìn)入真空區(qū)內(nèi)降低加固效果。

20、真空覆膜處理要達(dá)到表4要求,接縫采用熱合焊接,可平搭接,也可以立縫搭接,熱合時根據(jù)塑料膜的材質(zhì)、厚度確定熱合溫度、刀的壓力和時間,使熱合縫牢而不熔。 由于覆膜的密封性是真空預(yù)壓加固措施成敗的關(guān)鍵,在鋪設(shè)時一定要小心謹(jǐn)慎,避免劃傷、刺破,膜下真空度值一般要求80kPa。 經(jīng)常檢查加固的壓力,當(dāng)氣壓值超過要求值時,應(yīng)及時檢查原因,采取補(bǔ)救措施。 (5)質(zhì)量控制:本加固法成敗的關(guān)鍵為真空度保持,因此要嚴(yán)格控制覆膜的密封質(zhì)量及邊緣的密封土施工,保證不透氣。經(jīng)常檢查真空度,當(dāng)氣壓超過規(guī)定值時及時進(jìn)行處理。 4.5對軟基處理方法綜合應(yīng)用的幾點(diǎn)建議與應(yīng)用實(shí)例 近40年,世界地基處理方面發(fā)展十分迅速,老方法得到改進(jìn),新方法不斷涌現(xiàn),20世紀(jì)60年代中期,從提高土的抗拉強(qiáng)度這一思路出發(fā),發(fā)明了加筋法;從進(jìn)行深層密實(shí)的角度出發(fā),發(fā)明了強(qiáng)夯法;從排水與固結(jié)的角度出發(fā),發(fā)展了土工聚合物、砂井預(yù)壓與塑料排水板(帶)法。同時,現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,也給軟基處理開辟了更大更廣的操作空間,有了可以進(jìn)行幾十噸起重的加固施工機(jī)械,強(qiáng)夯法才能得以實(shí)現(xiàn),同時真空泵也是真空預(yù)壓法加固地基技術(shù)的核心設(shè)備,沒有高強(qiáng)度的空氣壓縮機(jī),高壓注漿法就不可能問世。在軟土地基處理方面,公路建設(shè)中都有很多成功的實(shí)例,也不乏失敗的教訓(xùn)。針對這些工程中應(yīng)用