軟土地基工程地質(zhì)問(wèn)題

1、軟土地基工程地質(zhì)問(wèn)題軟土地基軟土是指在濱海、湖泊、谷地、河灘上沉積的天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)和承載力低的軟塑到流塑狀態(tài)的細(xì)粒土，如淤泥和淤泥質(zhì)土，以及其他高壓縮性飽和黏性土、粉土等。淤泥和淤泥質(zhì)土是指在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積、經(jīng)生物化學(xué)作用形成的黏性土。這種黏性土含有機(jī)質(zhì)，天然含水量大于液限。當(dāng)天然孔隙比e01.5時(shí)，稱為淤泥；1.0e01.5時(shí)，稱為淤泥質(zhì)土。習(xí)慣上把工程性質(zhì)接近淤泥土的黏性土統(tǒng)稱為軟土。軟土的成因類型和結(jié)構(gòu)由上可以看出，給軟土定名、定義常以其物理力學(xué)指標(biāo)為依據(jù)，而建筑地基的土體，是多種性質(zhì)土的集合體，所以軟土的性質(zhì)尤其是成層土的構(gòu)造與沉積年代、成因類型有密切關(guān)系

2、。例如不同年代和成因的軟土，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)盡管可能相近，但作為地基時(shí)的工程性質(zhì)差別卻可能較大。故對(duì)軟土的認(rèn)識(shí)，不但要掌握其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，還要全面分析生成環(huán)境、年代、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，尤其是地基中上下兩相鄰?fù)翆拥膹?qiáng)度差別懸殊或下臥硬層傾斜度較大時(shí)，在地基處理設(shè)計(jì)中必須特別注意。軟土是在靜水或緩慢水流，多有機(jī)質(zhì)的條件下生成的，往往與粉砂和泥炭交錯(cuò)沉積。絕大部分生成于全新世的中晚期，也有軟土層埋藏在密實(shí)的硬土層之下，生成期較早。但總的來(lái)說(shuō)，在各種土中，軟土應(yīng)是比較年輕的沉積物，有的還是正在繼續(xù)沉積的欠固結(jié)土。江河湖海都有生成軟土的條件，其成因類型可分為海相沉積和陸相沉積。海相沉積又分為濱海相、三角

3、洲相、瀉湖相和溺谷相。陸相沉積分為湖泊相、河漫灘相和丘陵谷地相。軟土在我國(guó)沿海、內(nèi)陸都有廣泛分布，在沿海地區(qū)如上海，天津塘沽，浙江溫州、寧波，江蘇連云港等都分布著厚數(shù)米至數(shù)十米的濱海相沉積；長(zhǎng)江、珠江地區(qū)分布著三角洲相沉積；洞庭湖、洪澤湖、太湖及昆明滇池等地區(qū)分布著內(nèi)陸湖泊相沉積；位于各大、中河流中、下游地區(qū)分布著河漫灘沉積；內(nèi)蒙古，東北大、小興安嶺，南方及西南森林地區(qū)分布著沼澤沉積；貴州六盤水地區(qū)分布著丘陵谷地相沉積等。濱海相沉積分布在沿海岸邊，顆粒較不均勻，軟土淤泥常與粗中細(xì)砂摻雜，較疏松；三角洲相沉積于江河入?？谔?，軟黏土，淤泥與薄砂層交錯(cuò)成不規(guī)則透鏡體或薄夾層。內(nèi)陸軟土大多屬于湖泊沉積

4、或河灘沉積，厚度一般不超過(guò)20m。湖泊沉積以粉土為主有明顯層理，結(jié)構(gòu)較松軟；河灘沉積以軟黏土及淤泥為主，夾有砂及泥炭層。軟土的礦物組成除少量礦物石英、方解石、長(zhǎng)石、云母、角閃石外，含有大量次生黏土礦物。我國(guó)黏土所含黏土礦物，以伊利石、高嶺石為主，也含有蒙脫石、綠泥石等。黏土礦物呈片狀、板狀、管狀。電子顯微鏡可直接觀察到軟土的結(jié)構(gòu)，是由單粒及大小不同的團(tuán)粒組成，其組織結(jié)構(gòu)單元按一定方式排列而成。各團(tuán)粒內(nèi)更小一級(jí)的團(tuán)粒和顆粒也有一定的排列方式，骨架間的大小空隙的總體積很大，即顆粒的比表面積很大，大小空隙中除少數(shù)外都被水充滿。這正是軟土具有大空隙比、高含水量、高壓縮性、高靈敏度及低強(qiáng)度的根本原因。軟

5、土的工程特性及評(píng)價(jià)如前述，軟土的主要特征是含水量高(w=3580)、孔隙比大(e0>1)、高壓縮性、強(qiáng)度低、滲透性差，并含有機(jī)質(zhì)，軟土具有下述工程特征：1抗剪強(qiáng)度低如前述，飽和軟黏土多屬近代水下細(xì)顆粒沉積土，孔隙比大，含水量高，因此它的抗剪強(qiáng)度很低。用直剪儀快剪測(cè)其強(qiáng)度指標(biāo)僅幾度，c值不超過(guò)20kPa。抗剪強(qiáng)度的變化范圍為525kPa。地基的承載力常為5080kPa。為使軟土地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求，常需有針對(duì)性的采用加固措施，提高其抗剪強(qiáng)度。軟土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與試驗(yàn)方法、排水條件等密切相關(guān)，如采用固結(jié)快剪上述、c值將有所增大。因此試驗(yàn)方法，條件應(yīng)密切聯(lián)系工程的實(shí)際及地基的具體條件等

6、確定，需要時(shí)，除室內(nèi)試驗(yàn)外，應(yīng)補(bǔ)充現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，以取得較正確的結(jié)果。2壓縮性高因?yàn)榭紫侗却?，故軟土具有高壓縮性。壓縮系數(shù)1-2在0.52.0MPa-1之間，最大可達(dá)到4.5 MPa-1，部分軟土更高；壓縮模量Es<4MPa，在其他物理性質(zhì)指標(biāo)相同的條件下，軟土的液限指數(shù)越大，壓縮性越高，這是因?yàn)橥令w粒礦物成分對(duì)其壓縮性具有明顯的影響。3透水性低軟土的透水性很低，滲透系數(shù)一般約為1×10-61×10-8cms，在自重或荷載作用下固結(jié)速率很慢，要達(dá)到較大的固結(jié)度，需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(甚至數(shù)年)，使得許多壓密加固方法都不能在短期內(nèi)奏效。4觸變性尤其是濱海相軟土一旦受到擾動(dòng)(振

7、動(dòng)、攪拌，擠壓或揉搓等)，原有結(jié)構(gòu)即遭破壞，土的強(qiáng)度明顯降低或很快變成稀釋狀態(tài)。觸變性的大小常用靈敏度St來(lái)表示，一般St在34之間，個(gè)別可達(dá)89。故軟土地基在振動(dòng)荷載作用下，易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)，沉降及基底向兩側(cè)擠出等現(xiàn)象。隨靜置時(shí)間的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度能有所恢復(fù)，但極緩慢且一般不能恢復(fù)到原有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。土樣的鉆取、切削、搬運(yùn)、封裝和制備使土樣受到不同程度的擾動(dòng)，而使實(shí)驗(yàn)所得的強(qiáng)度指標(biāo)偏低，未完全反映土的實(shí)際強(qiáng)度。所以宜盡量采用原位試驗(yàn)方法測(cè)試強(qiáng)度，如十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等?；?qū)⒃粶y(cè)試與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相互分析補(bǔ)充。5流變性軟土有流變特性，土體在長(zhǎng)期荷載作用下，雖荷載保持不變，因土骨架黏滯蠕變而發(fā)

8、生隨時(shí)間而變化的變形，土內(nèi)黏土顆粒含量越多，這種特性越明顯。蠕變的速率一般都很小，它也隨土中剪應(yīng)力值而變化，由試驗(yàn)表明當(dāng)應(yīng)力低于不排水剪切強(qiáng)度50時(shí)，屬減速蠕變最后趨于穩(wěn)定；應(yīng)力高于不排水剪切強(qiáng)度70時(shí)，速率保持不變甚至漸增直至破壞。因此，軟土地基中除應(yīng)創(chuàng)造充分排水固結(jié)條件外，考慮蠕變影響，剪應(yīng)力應(yīng)適當(dāng)控制在長(zhǎng)期受荷強(qiáng)度內(nèi)。流變性對(duì)地基沉降有較大影響，對(duì)斜坡、碼頭、堤岸和建筑物地基的穩(wěn)定性不利。6不均勻性由于沉降環(huán)境的變化，黏性土層中常局部夾有薄厚不等的粉土使水平和垂直分布上存在差異，使建筑物基礎(chǔ)容易產(chǎn)生差異沉降。在軟土較厚處，表層軟土長(zhǎng)期受氣候影響，含水量降低，發(fā)生收縮固結(jié)。形成較下面軟土強(qiáng)

9、度高、壓縮性低的非飽和土層，稱為“硬殼”，厚度一般不大于3m，可以考慮作為小型建筑物的地基持力層。軟土地基的巖土工程分析和評(píng)價(jià)應(yīng)根據(jù)其工程特性，結(jié)合不同工程特點(diǎn)要求進(jìn)行，通常包括以下內(nèi)容：(1)判定地基產(chǎn)生失穩(wěn)和不均勻變形的可能性。當(dāng)建筑物位于池塘、邊坡、河岸附近時(shí)，應(yīng)檢算其穩(wěn)定性。(2)選擇適宜的持力層和基礎(chǔ)形式，當(dāng)有地表硬殼層時(shí)，基礎(chǔ)宜淺埋。(3)當(dāng)相鄰建筑物建筑高度不同，結(jié)構(gòu)物荷載相差很大時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各自的沉降，并分析其相互影響。當(dāng)?shù)孛嬗休^大面積堆載時(shí)，應(yīng)分析對(duì)相鄰建筑物的不利影響。(4)軟土地基承載力應(yīng)根據(jù)地區(qū)建筑經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合下列因素綜合確定：軟土成層條件，應(yīng)力歷史、結(jié)構(gòu)性、靈敏度等

10、力學(xué)特性及排水條件；上部結(jié)構(gòu)的類型、剛度、荷載性質(zhì)、大小和分布，對(duì)不均勻沉降的敏感性；基礎(chǔ)的類型、尺寸、埋深和剛度等；施工方法和程序；采用預(yù)壓排水處理的地基，應(yīng)考慮軟土固結(jié)排水后強(qiáng)度的增長(zhǎng)。(5)基礎(chǔ)的沉降量可采用分層總和法計(jì)算，并乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；也可以采用土的應(yīng)力歷史的沉降計(jì)算辦法。必要時(shí)應(yīng)考慮土的次固結(jié)效應(yīng)。(6)在軟土開挖、打樁，降水時(shí)，應(yīng)參照巖土工程勘察規(guī)范有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。軟土地基承載力綜合評(píng)定，不能單靠理淪計(jì)算，要以地區(qū)經(jīng)驗(yàn)為主。軟土地基承載力的評(píng)定，變形控制原則比按強(qiáng)度控制原則更為重要。軟土地基主要受力層中的傾斜基巖或其他傾斜堅(jiān)硬地層，是軟土地基的一大隱患。其可能導(dǎo)致不均勻沉降，以及蠕

11、變滑移而產(chǎn)生剪切破壞，因此對(duì)這類地基不但要考慮變形，而且?？紤]穩(wěn)定性。若主要受力層中存在砂層，砂層將起排水通道作用，有利于地基承載力的提高。水文地質(zhì)條件對(duì)軟土地基影響較大，如抽降地下水形成降水漏斗將導(dǎo)致附近建筑物產(chǎn)生沉降或不均勻沉降；基坑迅速抽水會(huì)使基坑周圍水力坡度增大而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，致使坑壁坍塌；承壓水頭改變將引起地面的明顯沉降等。這些在巖土工程評(píng)價(jià)中應(yīng)引起重視。此外，沼氣逸出對(duì)地基穩(wěn)定和變形也有影響，通常應(yīng)查明沼氣帶的埋藏深度、含氣量和壓力的大小，以此評(píng)價(jià)對(duì)地基的影響程度。建筑施工的加荷速率的適當(dāng)控制，或改善土的排水固結(jié)條件可提高軟土地基的承載力及穩(wěn)定性。即隨著荷載的施加地基土強(qiáng)度逐

12、漸增大，承載力得以提高；反之，若荷載過(guò)大，加荷速率過(guò)快，將出現(xiàn)局部塑性變形，甚至產(chǎn)生整體剪切破壞。軟土地基工程應(yīng)注童事項(xiàng)在軟土地區(qū)修建橋梁或其他建筑物，首先應(yīng)對(duì)地質(zhì)、水文狀況進(jìn)行詳盡的勘察，查明欲建場(chǎng)地軟土的地質(zhì)及工程特性，掌握全面的、翔實(shí)的第一手資料，這是正確設(shè)置橋跨或其他結(jié)構(gòu)物，選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)類型的首要條件，也是設(shè)計(jì)和施工能緊密結(jié)合實(shí)際情況，采取有針對(duì)性工程措施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軟土地基的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定是工程中必須全面充分注意的問(wèn)題，是造成橋梁或其他建筑物產(chǎn)生過(guò)大或差異沉降、位移、傾斜、開裂和失穩(wěn)等嚴(yán)重?fù)p壞事故的主要原因。國(guó)內(nèi)外從實(shí)踐中對(duì)軟土地基上的基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)技術(shù)、施工方法、地基加固等方面已積

13、累了不少成功經(jīng)驗(yàn)和科研成果，只要對(duì)這些成果借鑒和使用得當(dāng)，則軟土地基上的橋梁或其他建筑物的安全是能得到保證的。以下著重介紹有關(guān)軟土地區(qū)橋梁基礎(chǔ)工程應(yīng)注意的事項(xiàng)，其他建筑物也可參考。1合理布設(shè)橋涵在軟土地區(qū)，橋梁位置既要與線路走向協(xié)調(diào)，又要特別注意橋梁建筑物對(duì)工程地質(zhì)的要求，如果地基土層深，厚軟黏土，特別是流動(dòng)性的淤泥、泥炭和高靈敏度的軟土，不僅設(shè)計(jì)技術(shù)條件復(fù)雜，而且將給施工、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營(yíng)帶來(lái)許多困難，應(yīng)力求避免。另選擇軟土較薄、均勻、靈敏度較低的地段應(yīng)更為有利。對(duì)于小橋涵，可優(yōu)先考慮地表硬殼層較厚，下臥層為一般均勻軟土處，以爭(zhēng)取采用明挖剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，降低造價(jià)，方便施工。在確定橋梁總長(zhǎng)、橋臺(tái)位置時(shí)

14、，除應(yīng)考慮泄洪、通航要求外，究竟應(yīng)將橋臺(tái)覆于何處，不能拘泥于在一般地質(zhì)狀況下的習(xí)慣做法，應(yīng)考慮合理的利用地形，地質(zhì)條件，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)橋長(zhǎng)，使橋臺(tái)置于地基土質(zhì)較好或軟土較薄處，用橋梁代替高路堤，減少橋臺(tái)和填土高度，會(huì)有利于橋臺(tái)、路堤的穩(wěn)定，在造價(jià)、占地、運(yùn)營(yíng)條件和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等通盤考慮后，往往在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都是合理的。軟土地基上橋梁宜采用輕型結(jié)構(gòu)，盡量減輕上部結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)自重。由于地基易產(chǎn)生較大不均勻不變，一般以采用靜定結(jié)構(gòu)或整體性較好的結(jié)構(gòu)為宜，如橋跨結(jié)構(gòu)可采用鋼筋混凝土箱形梁，橋臺(tái)采用十字形、U形橋臺(tái)，橋墩采用空心薄殼結(jié)構(gòu)等。橋洞宜用鋼筋混凝土管涵、整體基礎(chǔ)鋼筋混凝土蓋板涵、箱涵以保障橋身剛度和整

15、體性。設(shè)計(jì)時(shí)所用到的軟土的有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，應(yīng)盡可能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)取得。并應(yīng)注意，我國(guó)沿海、內(nèi)陸等地的軟土由于沉積年代，環(huán)境的差異，成因的不同，他們的成層條件，粒度組成，礦物成分有所不同。有時(shí)其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)雖相近，但工程性質(zhì)并不相近，故不應(yīng)相互借用。2軟土地基橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)注意事項(xiàng)為保證地基穩(wěn)定并控制沉降在容許范圍內(nèi)，作為設(shè)計(jì)者應(yīng)從減輕荷載和提高地基承載力兩方面著手。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，控制建筑物的長(zhǎng)高比，采用輕型材料，充分利用硬殼土層作持力層，加強(qiáng)基礎(chǔ)的剛度和強(qiáng)度等都是有利地基穩(wěn)定，減少沉降和不均勻沉降的有益措施。對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，首先要確定天然地基的承載能力和由于施加荷栽可能產(chǎn)

16、生的最大沉降量、沉降差，并據(jù)以確定地基是否需要加固。如軟土地基上的路堤就有“填筑臨界高度”的規(guī)定，即指天然地基上用快速施工方法修筑一般斷面路堤所能填筑的最大高度。并非凡是軟土地基，就一定加固處理。軟土地區(qū)的橋梁基礎(chǔ)，常用的是剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，也有用沉井基礎(chǔ)的，在軟土地基上設(shè)置上述類型基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)剛性擴(kuò)大淺基礎(chǔ)。在較穩(wěn)定、均勻、有一定強(qiáng)度的軟土上修建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)地基沉降要求不嚴(yán)的短跨徑橋梁，常爭(zhēng)取采用天然地基(或配合砂礫墊層)上的剛性擴(kuò)大淺基礎(chǔ)。但常產(chǎn)生諸如：因軟土的局部塑性變形而使墩臺(tái)發(fā)生不均勻沉降，由于臺(tái)后填土的影響使橋臺(tái)前后端沉降不均而發(fā)生后仰，有時(shí)還同時(shí)使橋臺(tái)向

17、前滑移等工程事故，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對(duì)基礎(chǔ)受力不同的邊緣(如橋臺(tái)的前趾、后踵)沉降的檢算及其抗傾覆、滑動(dòng)檢算。防治措施：可采用人工地基，如有針對(duì)性的布設(shè)砂礫墊層，對(duì)地基進(jìn)行加載預(yù)壓以減少地基的沉降和調(diào)整沉降差，或采用深層攪拌法，以水泥土攪拌樁或粉體噴射攪拌樁加固軟土地基，按復(fù)合地基理論檢算地基各控制點(diǎn)的承載力和沉降量(加固范圍應(yīng)包括橋頭路堤地基的一部分)；采取結(jié)構(gòu)措施如改用輕型橋臺(tái)，埋置式橋臺(tái)，必要時(shí)改用樁基礎(chǔ)等。(2)樁基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。在深厚的軟土層中，橋梁墩臺(tái)常采用樁基礎(chǔ)，在樁基施工技術(shù)日漸成熟的今天，能獲得較好的技術(shù)效果。鐵路橋梁因荷載數(shù)值大，采用的樁基礎(chǔ)一般口徑都較大，多采用鉆孔灌注

18、樁或打入樁。要求樁基穿過(guò)軟土層伸入硬土(巖層)以保證承載力和沉降均滿足要求。軟土層很厚采用摩擦樁時(shí)，應(yīng)注意樁底軟土強(qiáng)度和沉降的檢算，必要時(shí)應(yīng)對(duì)樁周軟土進(jìn)行壓漿處理或做成擴(kuò)底樁。打入樁的樁距應(yīng)較一般土質(zhì)的適當(dāng)加大，并合理安排打樁順序，避免巳打好的鄰樁被擠移或上抬，影響質(zhì)量。鉆孔灌注樁通常先做試樁取得施工經(jīng)驗(yàn)，避免成孔時(shí)縮孔、坍塌。軟土地基樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分注意兩個(gè)問(wèn)題：地基軟土側(cè)向移動(dòng)對(duì)樁基的影響。位于軟土中的樁基礎(chǔ)，其上若為橋臺(tái)、擋墻等結(jié)構(gòu)時(shí)，由于臺(tái)后、墻后填土重力的擠壓，地基軟土將產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)，使樁土間產(chǎn)生附加水平壓力，引起樁身橈曲，導(dǎo)致橋臺(tái)后仰向河槽傾移，甚至基樁折損等事故。為了避免樁基礎(chǔ)和橋臺(tái)后仰前傾，可采取措施加強(qiáng)樁頂約束和平衡土壓力。如采用低樁承臺(tái)、埋置式橋臺(tái)或在臺(tái)前加筑反壓護(hù)道和擋墻，也可采用剛度較大的基樁和多排樁基礎(chǔ)(打入樁可采用部分斜樁)，或?qū)浲恋鼗M(jìn)行加載預(yù)壓等。地基軟土下沉對(duì)樁基的影響。軟土下沉使基樁承受負(fù)摩阻力，將產(chǎn)生較大的沉降或樁身拉裂。鐵路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：建于軟土上且臺(tái)后填土h5m的橋臺(tái)，在計(jì)算地基應(yīng)力和沉降時(shí)，應(yīng)考慮臺(tái)后路基及錐體對(duì)橋臺(tái)基底前后邊緣產(chǎn)生的附加豎向壓應(yīng)力。參照?qǐng)D8.1，并按下式計(jì)算：圖8.1臺(tái)后