軟土地基的設(shè)計(jì)及其處理方法

軟土地基的設(shè)計(jì)及其處理方法摘要近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速開展，根底設(shè)施建立的需求也在強(qiáng)勁增長(zhǎng)。各根底設(shè)施的建立量日漸增多，而其穿越軟土地基區(qū)域的情況也隨之增多。在此情況下，軟土地基的處理方法成為了許多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。本文針對(duì)這一問題，分析了軟土的特征分布及處理目的，總結(jié)了針對(duì)中層軟基和深層軟基分別適用的處理方法，提出了針對(duì)不同的實(shí)際情況，工程技術(shù)員應(yīng)該選擇的軟基處理方法也有所不同。關(guān)鍵詞：軟土地基；方法；選擇目錄TOC\o"1-3"\h\u20639第一章緒論1321671.1引言183561.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1325411.2.1軟土地基處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀318291.2.2國(guó)內(nèi)外軟土地基處理的施工方法1117631.3主要研究?jī)?nèi)容2950第二章軟土的特征分布及處理目的3202972.1軟土特征381682.1.1軟土地基的鑒別315892.1.2軟土的工程性質(zhì)3133712.2軟土分布428342.2.1沿海地區(qū)軟土地基的工程特性463402.2.2三角洲地區(qū)軟土地基工程特性4231012.3處理目的5129563.1淺層軟基處理方法6322043.1.1常用方法243843.1.2方法選用6291973.2中層軟基處理方法6214033.2.1水泥攪拌樁6252823.2.2袋裝砂井法7217043.2.3塑料排水板7121513.2.4強(qiáng)夯置換法780843.2.5擠密碎石樁8223833.3深層軟基處理方法9156753.3.1水泥粉煤灰碎石樁9127823.3.2預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁10140823.3.3釘形水泥土雙向攪拌樁10158574.1主要結(jié)論11265144.2討論與展望1127798參考文獻(xiàn)12第一章緒論1.1引言伴隨著不斷提高的質(zhì)量要求和日趨增加的交通荷載，對(duì)根底設(shè)施的施工質(zhì)量要求越來越高。而對(duì)建筑所在區(qū)域軟土地基進(jìn)展工程處理，往往成為縮短建立工期、降低工程造價(jià)和確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵的因素之一。近年來，國(guó)內(nèi)外不少研究者都將目光聚集在了軟土地基的處理工作之上，相關(guān)的研究成果也是非常豐富的。在此背景下，筆者決定對(duì)軟土地基的設(shè)計(jì)及其處理方法做進(jìn)一步探討。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1軟土地基處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀地基處理技術(shù)最早在歐洲的一些國(guó)家得到了開展，并取得了非常豐富的科研成果以及工程實(shí)踐經(jīng)歷。早在二十世紀(jì)60年代中期，為了實(shí)現(xiàn)土體的抗拉強(qiáng)度的大幅提高，在工程中推廣應(yīng)用了土體構(gòu)造的“加筋法〞;為了探索如何有利于土的排水和加速固結(jié)等技術(shù)，先后開發(fā)生產(chǎn)了土工聚合物、砂井預(yù)壓和塑料排水帶;為了研究深層密實(shí)處理工藝，探索并采用增加擊實(shí)功率的處理技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了振動(dòng)“水沖法〞和“強(qiáng)夯法〞等技術(shù)。伴隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不斷制造出載重幾十噸的專用地基加固起重機(jī)械;在“水沖法〞的根底上，引入潛水電機(jī)技術(shù)，不斷完善和開展振動(dòng)水沖法，同時(shí)利用真空泵技術(shù)，創(chuàng)造了真空預(yù)壓法;200個(gè)大氣壓以上空氣壓縮機(jī)的創(chuàng)造，使得“高壓噴射注漿法〞、“真空預(yù)壓法〞等地基加固技術(shù)成功用于工程實(shí)踐。我國(guó)的地基處理技術(shù)開展大致可以分為兩個(gè)階段:建國(guó)時(shí)期至70年代以及70至今。聯(lián)引進(jìn)在第一個(gè)階段，我國(guó)為滿足新中國(guó)根本設(shè)施建立和工業(yè)建立的開展需求，年代末從前蘇、吸收并開展了大量的地基處理技術(shù)，在這一時(shí)期，砂樁擠密方法、砂石墊層方法、重錘夯實(shí)方法、化學(xué)灌漿方法、石灰樁方法、堆載預(yù)壓方法、灰土樁方法和擠密土樁方法、預(yù)浸水方法以及井點(diǎn)降水方法等地基處理技術(shù)，在國(guó)內(nèi)得到了良好的開展。從70年代末開場(chǎng)，地基處理技術(shù)進(jìn)入第二個(gè)開展階段，同時(shí)也是我國(guó)地基處理技術(shù)不斷開展和完善的一個(gè)主要階段。自1978年起，由于我國(guó)改革開放的順利實(shí)施，國(guó)內(nèi)大批工程建立工程不斷修建，尤其是一批大型的現(xiàn)代化建筑構(gòu)造的修建和超高層建筑構(gòu)造的開展，我國(guó)先后引進(jìn)了大量國(guó)外先進(jìn)的地基處理技術(shù)，在一定層面上促進(jìn)了我國(guó)地基處理技術(shù)的不斷開展。1.2.2國(guó)內(nèi)外軟土地基處理的施工方法國(guó)外公路處理軟基的方法中，除常規(guī)的排水固結(jié)外，更多的是采用深層復(fù)合地基技術(shù)，提高軟弱地基土體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性。許多歐洲國(guó)家，如瑞典、芬蘭等，在橋頭引道前的相當(dāng)長(zhǎng)路段內(nèi)采用樁承法進(jìn)展軟基處理，使橋梁與道路之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡，有的采用輕質(zhì)(如粉煤灰、爐碴、陶料，質(zhì)材料有膨脹性聚苯乙稀等)填筑路堤，以減少地基的附加應(yīng)力。而口本學(xué)者認(rèn)為，處理軟土地基最經(jīng)濟(jì)且最有效的方法，是提前在軟土地表上部逐級(jí)填筑路堤構(gòu)造，通過這種提前預(yù)壓的方法使軟土路基不斷沉降直至穩(wěn)定，多條高速公路的路基采用提前幾年開場(chǎng)預(yù)壓的處理方法。近年來，我國(guó)不僅不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的軟土地基處理技術(shù)，同時(shí)也逐步開展并完善了符合國(guó)內(nèi)具體工程地質(zhì)條件的軟土地基處理技術(shù)。例如，我國(guó)先后引進(jìn)并開展了振沖方法、高壓噴射注漿方法、深層攪拌方法、強(qiáng)夯法、強(qiáng)夯置換方法、土工合成材料、EPS超輕質(zhì)填料方法等多種軟土地基的處理方法和技術(shù)。此前己在我國(guó)得到成功應(yīng)用的多項(xiàng)軟土地基處理技術(shù)，如排水固結(jié)方法、砂樁方法、土樁方法和灰土樁方法等技術(shù)也在不斷開展和完善。1.3主要研究?jī)?nèi)容本文研究工作如下:1.本文首先研究了軟土的工程性質(zhì)以及可能給工程工程造成的不利影響。2.通過對(duì)現(xiàn)有軟土地基處理方法的研究，主要從技術(shù)因素和經(jīng)濟(jì)因素兩方面研究了軟基處理方法的比選。第二章軟土的特征分布及處理目的2.1軟土特征2.1.1軟土地基的鑒別軟土普遍定義為從軟塑狀態(tài)到流塑狀態(tài)的一種飽和的土層。其中具體土質(zhì)類型大體分為淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土、粘土、粉質(zhì)粘土、粉土等。各軟土的鑒別指標(biāo)，詳見表2-1。表2-1軟土鑒別指標(biāo)注：當(dāng)天然含水量和孔隙比兩個(gè)指標(biāo)滿足時(shí)，即可劃為軟土。2.1.2軟土的工程性質(zhì)軟土作為道路地基，它變形和穩(wěn)定的時(shí)間比其它類型的土層來得長(zhǎng)。其在自然狀態(tài)下，可保持穩(wěn)定，當(dāng)軟土受到擾動(dòng)，其構(gòu)造很容易遭到破壞而發(fā)生流動(dòng)。因此，處理軟土地基的主要工程問題被歸結(jié)到了促進(jìn)沉降和保持穩(wěn)定性上。軟土按不同的形式劃分，其種類很多。但它們都具有以下幾點(diǎn)共同的工程特征。〔1〕天然含水量高，一般大于液限WL，通常大于30%，甚至大于200%，相對(duì)含水量大于1.0；〔2〕天然孔隙比大，e一般大于1.0；〔3〕軟土飽和度Sr高達(dá)100%，甚至更大；〔4〕容重小，天然容重γ=1.5~19kN/m3；〔5〕滲透系數(shù)小，其大小*圍為10-6~10-8cm/s，自然沉降固結(jié)速度慢，且時(shí)間長(zhǎng)；〔6〕粘粒含量高，塑性指數(shù)大，Ip=13~15；〔7〕高壓縮性，壓縮系數(shù)大，壓縮系數(shù)a1-2＞0.005MPa-1，甚至到a1-2=0.02MPa-1；〔8〕強(qiáng)度指標(biāo)小，具有較高的固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)，抗剪強(qiáng)度低C＜0.02MPa；〔9〕具備高的靈敏度，其大小*圍為2~10，有些情況下超過10，其流動(dòng)變形特性顯著。2.2軟土分布2.2.1沿海地區(qū)軟土地基的工程特性我國(guó)沿海地區(qū)軟土的成因根本上相似，大體可分為淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)亞粘土和淤泥混砂四類，其工程特性，見表2-2。大體情況下，除了淤泥以及淤泥質(zhì)土外，大局部軟土都可以作為天然的地基。表2-2我國(guó)沿海地區(qū)軟土典型類型及工程特性2.2.2三角洲地區(qū)軟土地基工程特性三角洲地區(qū)為典型的平原地貌，其地勢(shì)平坦開闊，水網(wǎng)密布，河水受潮水頂托明顯。該區(qū)軟土層中一般含有較薄的粉細(xì)砂層。絕大局部的地方只含有一層軟土，個(gè)別地方含有兩層軟土。軟土深度平均值為4~6m，一些地區(qū)深度可達(dá)15m，地基底部為軟巖質(zhì)，屬于第三系紅色巖系。其工程特性如下：①含水量較高。淤泥和淤泥質(zhì)土的平均天然含水量分別為76%和48%，還有可以到達(dá)100%以上。土體一般為流塑狀。②孔隙比大。淤泥質(zhì)土的天然孔隙比為1.25，淤泥天然孔隙比為1.80，少數(shù)大于2.0。③壓縮性高。淤泥的壓縮系數(shù)為1.34MPa-1，淤泥質(zhì)土的壓縮系數(shù)為0.73MPa-1，均屬于高壓縮性土。④凝聚力小。淤泥的快剪凝聚力平均值為9.1kPa，淤泥質(zhì)土的快剪凝聚力平均值為12.4kPa，因此土體剪切變形能力差，容易造成路堤失穩(wěn)。⑤固結(jié)系數(shù)小。固結(jié)系數(shù)一般在4×10-3cm2/s左右，所需固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，影響施工工期。2.3處理目的軟土地基處理需要滿足要求是沉降和穩(wěn)定。首先是處理地基發(fā)生沉降的問題，當(dāng)建筑物設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的工后沉降不符合要求時(shí)，要對(duì)路基沉降進(jìn)展必要的處理。其次是處理地基穩(wěn)定性問題，穩(wěn)定性要求一般表現(xiàn)在：一是能夠控制剪切變形，防止地基因?yàn)槁返毯奢d的作用而發(fā)生隆起或流動(dòng)；二是能夠促進(jìn)地基強(qiáng)度增長(zhǎng)；三是通過置換局部地基或調(diào)整路堤形狀(如設(shè)置反壓護(hù)道)，來增加地基土的抗滑能力。第三章工程軟土地基處理方法3.1淺層軟基處理方法3.1.1常用方法淺層軟基處理方法適用于地基承載力缺乏的淺層軟土路段，以及低填、淺挖路段，為滿足路面構(gòu)造及路基對(duì)地基的強(qiáng)度要求，而對(duì)淺層軟土加以處理。常用的處置方法有換填法、淺層加固法、拋石擠淤法，其中換填法和拋石擠淤法合稱置換法。3.1.2方法選用〔1〕當(dāng)?shù)鼗鶞\層軟土深度小于3.0m的路段，其軟基處理方法可優(yōu)先采用排水墊層結(jié)合換填法或淺層加固法；排水墊層厚度取值*圍為30~80cm，一般情況下其設(shè)計(jì)者為50cm，材料應(yīng)該選用透水性能良好的沙礫或碎石；排水墊層鋪設(shè)的*圍可以延伸到路堤坡腳以外50cm~100cm；〔2〕當(dāng)路基填土高度小于2.0m及淺挖路段的軟土地基，可采用排水墊層結(jié)合淺層加固法；排水墊層厚度取值*圍為30~80cm，一般取值50cm，宜選用透水性能良好的沙礫或碎石，鋪設(shè)*圍為路堤坡腳外延伸50cm~100cm；〔3〕當(dāng)路基填土高度較高，淺層軟土深度小于等于3.0m的軟土路段可采用全部換填的淺層處理；〔4〕對(duì)于湖塘、灘地及常年積水的洼地，表層無硬殼層，軟土呈流塑狀、層厚較薄時(shí)，可采用拋石擠淤法。拋石宜采用中~微風(fēng)化硬質(zhì)巖，小于30cm粒徑含量不宜大于20%。3.2中層軟基處理方法中層軟基處理是相對(duì)于淺層軟基處理而言的，其處置深度*圍一般為3一15m。中層軟基處理方法適用于軟土地基相對(duì)較厚的路段，在較深的軟土地基中，處置效果具備一定的優(yōu)勢(shì)。目前由于科技的迅猛開展，適用于中層軟基處理的方法有很多，下面選取五種較為常用的方法進(jìn)展簡(jiǎn)要介紹，這五種中層軟基處理方法分別為水泥攪拌樁、袋裝砂井法、塑料排水板、強(qiáng)夯置換法、擠密碎石樁。3.2.1水泥攪拌樁該方法適用處置的軟土地基，通過十字板剪切試驗(yàn)后，其抗剪強(qiáng)度宜不小于10kPa，且路基填土高度不大于7m的路段?！?〕該方法處理的軟基深度一般不大于15m。當(dāng)處理的軟基路段靠近有較高環(huán)保要求的路段時(shí)，如城區(qū)或村鎮(zhèn)，使用之前必須采用相配套的環(huán)保手段。〔3〕該方法按照水泥固化劑的固液態(tài)可分為粉噴法和濕噴法。對(duì)于含水率在30%~50%之間的軟土地基處理一般采用濕噴法，而當(dāng)含水率大于50%時(shí)，大多采用粉噴法；〔4〕一般情況下，濕噴法采用的是單向攪拌施工工藝，為了提高攪拌效果，有條件時(shí)應(yīng)采用雙向攪拌施工工藝。3.2.2袋裝砂井法〔1〕由于縮短砂井間距更容易使土體固結(jié)，且效果會(huì)比通過增加井徑的方法更好，因此，一般貫徹“細(xì)而密〞的原則，即袋裝砂井平面布置時(shí)采用小間距小直徑，一般直徑取值*圍為7~12cm，間距取值*圍為1.0~2.0m；〔2〕砂袋由聚丙烯材料制成，砂袋裝砂后的滲透系數(shù)應(yīng)大于等于砂的滲透系數(shù)；〔3〕砂一般選用滲水率較高的中、粗砂，滲透系數(shù)不應(yīng)小于5×10-3cm/s，其中粒徑大于0.5mm的砂宜占砂總重的50%以上，且砂的含泥量不應(yīng)大于3%。袋裝砂井法的工藝流程：排除地表水→整平原地面→鋪設(shè)下砂墊層→測(cè)試放樣→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→鋪設(shè)上層砂墊層3.2.3塑料排水板〔1〕一般用于處理深度大于5m的軟土地基，但其靈敏度不應(yīng)大于5，其處置深度一般不宜超過30m；〔2〕當(dāng)采用真空預(yù)壓處理時(shí)，宜選用15cm寬的大通水量塑料排水板，且為了保證施工質(zhì)量，應(yīng)選用可測(cè)深式塑料排水板；〔3〕該方法所采用的施工機(jī)械主要是插板機(jī)，塑料排水板施工中使用的插板機(jī)種類較多，且使用性能各不一樣。其可分為挖掘機(jī)改裝的插板機(jī)、履帶式插板機(jī)、門式軌道插板機(jī)等。應(yīng)視軟基處理工程實(shí)地情況，結(jié)合機(jī)械自身各方面特點(diǎn)，來考慮選用施工機(jī)械，可以多種形式并用。塑料排水板法施工工藝流程如圖3-2所示：圖3-2塑料排水板法施工工藝流程圖3.2.4強(qiáng)夯置換法〔1〕一般認(rèn)為對(duì)于含水量大于60%、孔隙比大于1.5、粒徑小于0.005mm粘粒占30%以上的飽和軟粘土不宜采用強(qiáng)夯法；〔2〕假設(shè)采用強(qiáng)夯法直接處置飽和粘性土地基，特別針對(duì)是淤泥和淤泥質(zhì)土，其處理效果不顯著。但可以利用夯錘的強(qiáng)大夯擊能沖開軟土，形成坑洞，在坑洞中填入級(jí)配好的塊石、碎石等粗骨料而形成置換樁墩，與置換墩間軟土形成承載力高的復(fù)合地基，該方法即為強(qiáng)夯置換法。該方法可以克制利用強(qiáng)夯法直接進(jìn)展軟土地基處置的缺乏；〔3〕強(qiáng)夯置換法的有效加固深度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試夯試驗(yàn)確定，夯擊能和土層性質(zhì)是決定有效加固深度的兩個(gè)關(guān)鍵因素，一般能夠處理的軟基深度*圍為5~10m。強(qiáng)夯置換法的施工工藝流程如圖3-3所示：圖3-3強(qiáng)夯置換法施工工藝流程圖3.2.5擠密碎石樁〔1〕擠密碎石樁主要發(fā)揮其擠密作用，適合使用于砂土、粉土、素填土等軟土地基，對(duì)飽和粘性土地基主要是置換和排水固結(jié)作用；〔2〕碎石樁樁體中應(yīng)填充反濾性好的粗顆粒料(碎石、礫石、卵石)，以確保形成滲透性好的豎向排水降壓通道，加快土體固結(jié)沉降；〔3〕在大面積施工擠密碎石樁前，要先進(jìn)展擠密成樁試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量一般為7-9根，以保證施工質(zhì)量能到達(dá)設(shè)計(jì)要求。擠密碎石樁的施工方法有2種，分別為振動(dòng)成樁法、錘擊成樁法。其中錘擊成樁法又可以分為單管法和雙管法。振動(dòng)成樁法、單管法和雙管法的施工工藝流程分別如圖3-4、圖3-5、圖3-6所示。圖3-4振動(dòng)成樁法施工工藝流程圖圖3-5單管法施工工藝流程圖圖3-6雙管法施工工藝流程圖3.3深層軟基處理方法深層軟土地基處理是相對(duì)于淺層、中層軟土地基處理而言的，其處置深度一般大于15m。深層軟土地基處理方法適合使用于軟土地基厚度大的路段，在深軟土地基中，處置效果具備一定的優(yōu)勢(shì)。隨著科技手段的不斷豐富，不斷有新的軟土地基處理方法被應(yīng)用于深層軟土地基處理中，下面選取三種較為常用的方法進(jìn)展簡(jiǎn)述，這三種深層軟土地基處理方法分別為CFG樁、PHC管樁、釘形水泥土雙向攪拌樁。3.3.1水泥粉煤灰碎石樁〔1〕對(duì)于主骨料碎石粒徑，其取值*圍一般為5~25mm；水泥一般采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5；粉煤灰一般采用Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)袋裝粉煤灰，當(dāng)粉煤灰來源困難時(shí)，可以選用砂代替；石屑粒徑取值*圍宜為2.5~10mm，混合料中石屑率宜控制在0.25~0.33；〔2〕當(dāng)采用長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓混合料施工時(shí)，混合料坍落度一般為160~200mm；〔3〕當(dāng)樁徑為0.5m時(shí)，混合料宜參照C15混凝土配比；當(dāng)樁徑為0.4m時(shí)，混合料宜參照C20混凝土配比。CFG樁常用的施工工藝，主要有振動(dòng)沉管灌注成樁法和長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓混合料成樁法兩種。其施工工藝流程分別如圖3-7和圖3-8所示。圖3-7振動(dòng)沉管灌注成樁法施工工藝流程圖3-8長(zhǎng)螺旋鉆孔泵壓混合料成樁法施工工藝流程3.3.2預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁〔1〕一般PHC管樁的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)斷長(zhǎng)度為10m，直徑大小*圍為300~1000mm，要求混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)小于C80；〔2〕適用于抗震設(shè)防烈度不大于9度的地區(qū)；〔3〕當(dāng)軟基中存在孤石、地下障礙物多、有堅(jiān)硬的夾層但不能作為持力層等情況時(shí)，該方法不適用；〔4〕選擇該方法進(jìn)展軟基處理施工時(shí)，靜壓法適合于市區(qū)施工中使用，錘擊法適合于對(duì)噪音污染要求較小的地區(qū)中使用。進(jìn)展PHC管樁沉樁施工，主要方法有靜壓法、錘擊法、引孔法、鉆孔植樁法等，目前我國(guó)主要采用靜壓法和錘擊法。其施工工藝流程分別如圖3-9和3-10所示。圖3-9錘擊法沉樁施工工藝流程圖3-10靜壓法沉樁施工工藝流程3.3.3釘形水泥土雙向攪拌樁〔1〕該方法適用于處理粉土、淤泥、淤泥質(zhì)土、軟粘土以及無流動(dòng)地下水的松散砂土等地基；〔2〕該方法適用于處置泥炭土、有機(jī)質(zhì)土以及塑性指數(shù)Ip>25的粘性土，當(dāng)含有腐蝕性地下水時(shí)，必須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)展試驗(yàn)，確定其是否可以使用；〔3〕樁長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)具體變形要求確定，樁體應(yīng)穿透軟土層到達(dá)設(shè)計(jì)持力層。處理深度不宜超過25m。釘形水泥土雙向攪拌樁施工工藝流程如圖3-11所示。圖3-11釘形水泥土雙向攪拌樁施工工藝流程第四章結(jié)論與展望4.1主要結(jié)論由于建筑物軟基處理方法的多樣性，要求工程技術(shù)人員在選擇處理方案應(yīng)具備較好的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)歷，對(duì)各種軟基處理方法要有一定的知識(shí)積累；建筑物軟土地基處理方案選擇同時(shí)也是一個(gè)系統(tǒng)決策的過程，它涉及到的影響因素很多，每個(gè)影響因素都有其自身的重要性，全憑工程人員的經(jīng)歷判斷，往往很難滿足方案擇優(yōu)的要求。本研究通過對(duì)常用的、成熟的軟基處理方法進(jìn)展歸納，主要得到以下結(jié)論：〔1〕按照