軟土地基的工程特性與加固處理對策
2012-01-09 來源：建設工程教育網
隨著我國基礎建設的飛速發(fā)展，高等級公路建設也得到了快速發(fā)展。同時對線形指標的選用也隨之提高，從而不可避免地帶來公路路基穿過軟土地區(qū)的情況。因此，在軟土地基上修筑路基已非常普遍。對公路軟土地基的成功處理，往往也成為提高建設速度、確保工程質量、降低工程造價的重要措施之一。但在軟土地基上修建道路時，若對地基處理不當，有可能因地基沉降或差異沉降過大而影響道路的正常使用功能。軟土地基的加固處理質量直接影響到路基的基礎承載力，也是保證道路建成后安全、高效運營的關鍵。所以選擇合理的軟基加固處理方案及方法并快速實施，從而取得預期的經濟和社會效益，就具有重大的實際意義。
一、軟土的工程特性與危害
（一）軟土的定義
軟土一般是指在靜力或緩慢流水環(huán)境中以細顆粒為主的近代沉積物。這類土的物理特性大部分是飽和的，含有機質，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。當天然孔隙比大于1.5時，稱為淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5時，則稱為淤泥質土。工程上將淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土、沖填土、雜填土和飽和含水黏性土統(tǒng)稱為軟土。
（二）軟土的工程特性
軟土的性質與地基土的成層構造、沉積年代、成因類型有密切關系。不同年代和成因的軟土，其物理性質指標盡管可能相近，但作為地基，工程性質卻可能相差很大。
1．含水量較高。因為軟土的成分主要是由粘土粒組和粉土粒組組成，并含少量的有機質。粘粒的礦物萬分之二為蒙脫石、高嶺石和伊利石。這些礦物晶粒很細，呈薄片狀，表面帶負電荷，它與周圍介質的水和陽離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地質環(huán)境下沉積形成各種絮狀結構。因此這類土的含水量比較高。
2．透水性差。軟土的滲透系數(shù)一般在1×10-6～1×10-8cm/s之間，所以在荷載作用下固結速度很慢。當?shù)鼗杏袡C質含量較大時，土中可能產生氣泡，堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎的沉降拖延很長時間才能穩(wěn)定，同樣在荷載作用下地基土的強度增長也是很緩慢的。
3．壓縮性較高。一般正常固結的軟土層的壓縮系數(shù)約為0.5～1.5Mpa-1，最大可達到4.5Mpa-1；壓縮指數(shù)約為0.35～0.75。天然狀態(tài)的軟土層大多數(shù)屬于正常固結狀態(tài)，但也有部分是屬于超固結狀態(tài)，近代海岸灘涂沉積為欠固結狀態(tài)。欠固結狀態(tài)土在荷重作用下產生較大沉降。超固結狀態(tài)土，當應力未超過先期固結壓力時，地基的沉降很小。
4．流變性強。在荷載的作用下，軟土承受剪應力的作用產生緩慢的剪切變形，并可能導致抗剪強度的衰減，在主固結沉降完畢之后還可能繼續(xù)產生可觀的次固結沉降。
（三）軟土的工程危害
根據上述軟土的特點，以軟土作為公路的地基是十分不利的。
（1）地基抗剪強度不夠引起路堤側向整體滑動，邊坡外側土體隆起；
（2）人工構造物與路堤銜接處產生差異沉降，引起跳車；
（3）路堤的變形以及地下水位過高，將導致路面的破壞。因此，在軟土地基上進行路基施工，都要求對軟土地基進行處理。其處理的目的主要是改善地基土的工程性質，達到滿足建筑物對地基穩(wěn)定和變形的要求，包括改善地基土的變形特性和滲透性，提高其抗剪強度和抗液化能力，消除其他不利的影響。
二、軟土地基常見的加固方法
軟土由于具有含水量高、壓縮性大、透水性差和流變性強等工程特性，一般不能直接作為天然地基使用，需經過加固處理以減小道路路基在荷載作用下引起的沉降或不均勻沉降。軟土路基處理方法較多，分類也各有不同，常用的處理方法主要有：
（一）表層排水法
表層排水法是在路基填筑前，在地面開挖水溝，以排除地表水，同時降低地基表層的含水量，確保施工機械的作業(yè)條件，為了使開挖水溝在施工中發(fā)揮盲溝作用，常用透水性良好的砂礫回填。水溝布設應全面考慮地形與土質情況，使排水暢通。水溝斷面尺寸一般取寬0.5m，深0.5～1.0m。路堤填筑前，宜用砂礫回填成盲溝，若埋設孔管，必須用良好的過濾材料保護。
（二）強夯法
強夯法是反復將重錘提到高處使其自由落下夯擊地基，從而使地基的強度提高、壓縮性得到降低的方法。強夯法適用于處理碎石土、砂土、粉土、粘性土、雜填土和素填土等地基，它不僅能提高地基的強度、降低其壓縮性、還能改善其抗振動液化的能力和消除土的濕陷性，所以還常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。強夯法對于飽和度較高的粘性土，一般來說處理效果不顯著，尤其是淤泥和淤泥質土地基，處理效果更差。因此在強夯時，為了取得更好的效果，根據軟土的物理力學性質，可以采用綜合加固方法進行，但是此種方法費用較高，對路基大面積采用得不償失。
（三）換填法
換填法就是將基礎地面以下不太深的一定范圍內的軟弱土層挖去，然后以質地堅硬、強度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填，并同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動，使之達到要求的密實度，成為良好的人工地基。當?shù)鼗浫跬翆虞^薄，而且上部荷載不大時，也可直接以人工或機械方法進行表層壓、夯、振動等密實處理，同樣可取得換填加固地基的效果。換填法適用于淺層地基處理，包括淤泥、淤泥質土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結的回填土等地基處理以及暗塘、暗洪、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。換填法還適用于一些地域性特殊土的處理：用于膨脹土地基可消除地基上的脹縮作用，用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性，用于山區(qū)地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差，軟硬不勻以及巖溶與土洞等，用于季節(jié)性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。
（四）土工合成材料法
土工合成材料是以人工合成的聚化物為原料制成的各種類型產品?？芍糜趲r土或其它工程結構內部、表面或各種結構層之間，具有過濾、防滲、隔離、排水、加筋和防護等多種功能，發(fā)揮加強、保護巖土或其它結構功能的一種新型巖土工程材料。比如在土體中放置了筋材，構成了土體-筋材的復合體。由于土的抗拉抗剪性能差，在土體中加筋，以筋材料為抗拉構件，與土產生相互摩擦作用，限制其上下土體及土體的側向變形，等效于給土體施加了一個側壓力增量，從而增強土體內部的強度和整體性，提高土體的抗剪強度。
（五）水泥攪拌樁法
水泥攪拌樁加固軟土地基的機理主要是通過水泥的水解和水化反應及水泥水化物與黏土的化學反應及碳酸化作用，而形成強度相對較高的樁體與樁周軟土一起形成復合地基，以起到提高地基承載力、增強路基穩(wěn)定性及減少路基沉降的作用。水泥攪拌樁目前有噴漿法（濕法）和噴粉法（干法）之分，均通過深層攪拌機械將軟土和固化劑強制攪拌，固化劑采用水泥漿液時，稱為水泥漿攪拌樁法或濕法，固化劑采用水泥粉時，稱為粉體攪拌樁法或干法。一般認為濕法水泥劑量容易控制，攪拌均勻，成樁質量較為可靠，而干法噴粉量相對較難控制攪拌質量不容易控制，成樁質量相對較差，濕法質量有保證的成樁長度也比干法成樁長度大，但干法采用粉體作固化劑，不再向地基中附加水分，反而能充分吸收軟土的自由水，因此，加固后地基的初期強度較高，特別是對高含水量的軟土加固效果顯著，在國外得到廣泛應用。
三、軟土地基加固處理應考慮的因素
（一）路基狀況
在路基加固中，在軟土層淺而薄的情況下，常用簡單的表層處理法。重要的構造物基礎常用開挖換填法。若軟土層較厚，應使用其他方法配合表層處理法。夾有砂層且厚度較薄的軟土層，一般采用表層處理法、強夯法等方法，即使是5cm的砂層也是有效排水層，在土質調查中不要遺漏。軟土層厚且無砂層的情況，因排水距離長，固結沉降需很長時間，強度也不增長。因此，沉降處理常用表層排水法。在淺層部位堆積有4m以上厚度砂層，以下為軟弱粘土層的情況。一般來說，穩(wěn)定不成問題，只需沉降處理，常用強夯法。
（二）道路性質
我們知道，道路等級愈高，平整度愈重要，愈需要采取有效的沉降處理措施。等級較低時，可先鋪簡易路面，待沉降結束后，再鋪正式路面以節(jié)約資金。同時路堤的設計高度與寬度也是選擇處理方法時要考慮的重要因素。如采用換填法時，寬而低的路堤易發(fā)生局部破壞；反之窄而高的路堤，下面易被換填。在設計高度大而穩(wěn)定有危險的情況下，采用強夯法將受到限制。還有路堤越寬越高，則地基產生壓力球的根部越深，而引起深處粘土層沉降。
（三）施工環(huán)境
不同的施工環(huán)境選用的處理方法不同，經濟性也不同。比如噪音、振動地基及地下水的變化和排出的泥水等，在選擇施工方法時必須考慮。同時在路堤高度較而地基特別軟弱的情況下，周圍地基經常發(fā)生大的隆起或沉降。這樣，在路堤坡腳附近有民房和重要構造物時，應考慮以減小總沉降量且控制剪切變形的方法為主要措施。不能采用這類方法時，應考慮事先對可能受影響的構造物加以保護，否則應考慮以高架構造物代替路堤。
總之，軟土地基的加固處理質量直接影響到路基的基礎承載力，也是保證道路建成后安全、高效運營的關鍵，我們一定要加以重視。
