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的施工經(jīng)驗,參考軟土加固技術的各種著述,就各種軟基處理方法與機理、適用范圍進行分類整理及系統(tǒng)總結(jié),以資在今后設計施工中參考。 【關鍵詞】:公路，軟土地基，處理方法，綜合應用 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(公路等交通設施工程中則指下部構造)修建在軟土中,則這一建筑物或構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,軟土有其獨特的土力學性能,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6.0;壓縮系數(shù)1-2一般在0.52.0MPa-1之間,有的可達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;抗剪強度低,因為軟土的內(nèi)摩擦角接近于零,抗剪強度主要決定于內(nèi)聚力,不排水抗剪強度一般<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,其抗剪強度、壓縮性以及透水性等土力學性能有較大的差別,在進行地質(zhì)鑒定時,要根據(jù)當?shù)氐刭|(zhì)部門的統(tǒng)計資料及判定標準進行判定,上海地區(qū)由于軟土分布面積較廣,國民各種生產(chǎn)活動與軟土關系也較密切,多年來積累的軟土指標值較為完善。在沒有現(xiàn)成的的鑒定指標時,可參照表1。 表1軟土鑒定指標 2軟土地基破壞的主要形式及破壞機理 軟土由于

4、其不良的工程力學特性,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,由于地基抗剪強度不足以承受其上的構筑物所施加的動、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,使構筑物的基礎由于應力集中出現(xiàn)裂縫,最終使構筑物遭到破壞,失去其使用功能;在構筑物有足夠剛度,其抗拉、剪強度足以抵抗地基不均勻沉降,而產(chǎn)生拉剪應力時,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,使構筑物下沉量過高,影響使用

5、功能。在工程應用實際中,由于公路路基是承受靜、動雙向荷載,其受力的復雜性,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用范圍 經(jīng)過長期的實踐,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)驗及有關專家學者的論述進行總結(jié)歸納如下: 3.1換填墊層法 當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)濟實用高度為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度的地基土,從而

6、達到增強地基承載力的目的,滿足構筑物對地基的要求。 主要加固方法有換填、拋石擠淤、墊層、強夯擠淤幾種。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深層密實法 采用爆破、夯擊、擠壓和振動及加入抗剪強度高的材料等方法,對地基深層的軟弱土體進行振密和擠密的地基加固方法稱為深層密實法。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,其加固深度可達到30m。 通過振動、擠壓使地基中土體密實、固結(jié),并利用加入的具有高抗剪強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,形成復合地基,

7、達到提高抗剪強度的目的。 主要加固方法:強夯法、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 由于深層密實法中的幾種方法都有加入高抗剪強度的材料,置換軟土中部分成分的加固機理,與原有的土體共同組成復合地基,達到加固地基的目的,因此深層密實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散,土的有效應力增加,并使沉降提前完成或提高沉降速度。 主要加固方法:堆載預壓法、砂井法、袋裝砂井、真空預壓法、電滲排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。 3.5化學加固法 通過在軟土地基中加入水泥或其它化學材料,進行軟土地基處理的方法稱為化學加固法。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筑物地基加強中。 水泥或其它化學材料注入土體后,與土體發(fā)生化學反應,吸收和擠出土中部分水與空氣,形成具有較高承載力的復合地基。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)梢排等方法加強路基的自身強度,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、反壓護道法。樁基與沉井常用于在軟土地基中建設重要構筑物(橋梁、大型涵洞等)的基礎中,根據(jù)軟弱土層的厚度其下承層土質(zhì)情況,樁基設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)向約束與反壓護道的加固機

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 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成的樁體。 (1)砂石樁的加固機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、和砂基預振效應,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)方法的特點是:加固期短,可以采用快速

11、連續(xù)加載方法施工路堤,設備簡單,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:成孔加填料密實成樁。砂石樁法在19世紀30年代起源于歐洲,20世紀50年代引入我國后,在工業(yè)、交通、水利水電設施中得到廣泛的應用,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。在實際施工中,可以根據(jù)地質(zhì)條件及機具設備情況選用合適的施工方法。 (4)成樁材料要求:選用未風化的干凈碎石、礫石、礦渣、碎磚及滲水性好的中粗砂等,含泥量應5%10%,碎石粒徑最大應50mm,以免樁孔或振沖器磨耗過大。 (

12、5)施工機具: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,柴油打樁機、電動落錘、振動沉樁機、沖擊成孔機、振沖器、起重設施、空氣壓縮機以及樁管、打樁架等。 (6)施工中常發(fā)生的質(zhì)量問題及注意事項: 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所示次序跳位進行施工。 在成孔過程中應首先嚴格控制水壓、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,每次少進料,保證

13、試樁標定的裝料量。每一深度的樁體在未達到規(guī)定的密實電流時要繼續(xù)加料振實,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)臨近構造物 表2質(zhì)量偏差控制表 施工質(zhì)量的檢驗可以對碎(砂)石樁進行單樁荷載試驗,也可采用動力觸探試驗,也可用標準貫入法、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可以進行單樁復合地基和群樁復合地基的大型試驗。 4.2塑料排水板 (1)原理:塑料排水板是一種復合土工材料,由芯板和濾膜組成,其加固軟土地

14、基的機理是在軟土地層中按一定的間距和布置形式打設塑料排水板,在軟土中形成豎向排水通道,加速排水,特點是單孔水斷面大,排水暢通、質(zhì)量輕、強度高,耐久性好。 (2)適用范圍:當軟土層較厚,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:插設塑料排水板塑料排水板樁頭處理(鋪設砂墊層)路基填筑。 (4)施工用主要機械設備:插板機主要由工作裝置、驅(qū)動裝置和行走裝置組成。工作裝置由導向架和導管組成,導向架由角鋼分段焊接,每段長6m,段與段之間用螺栓連接。導管采用熱軋無縫鋼管制成。為適應在軟土中行走多采用履帶式,也有輪胎式。 (5)施工注意事項: 為方便機械設備移動及排水板樁頭直立,可先將地表清

15、流水面后鋪設砂墊層。 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,并且錨銷與導管下端口密封要嚴,以免泥砂進入排水板內(nèi)阻塞排水通道。 拔導管時應輕輕進行,以免帶出排水板。 打設完成后,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)插設塑料排水板質(zhì)量控制: 在打設過程中,嚴格控制打樁機就位時導向架的垂直度,以保證樁身的垂直度,一般要求其斜度不超過深度的1.5%。 因為在軟土中,排水速度與距離的平方成正比,因此打設塑料排水板應嚴格控制平面位置,偏差位5cm

16、。 塑料排水板在插設過程中,若被導管帶出,應在距廢棄排水板附近補打。 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),然后用專門的機具設備打入軟土地基內(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,設備輕型,更適應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具定位打入套管沉入砂袋拔出套管機具移位埋砂袋頭攤鋪上層砂墊層。 (5)施工注意事項: 砂井定位要準確,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壓作用下,沿著排水通道加速被吸出,從而達到加固的作用。 (2)真空預壓法也屬于排水固

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。其設備與材料損耗小,可以重復使用。 (3)使用的設備材料:真空源一般采用射流箱與離心泵組成,在加固施工中,一套真空裝置應能擔負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 (4)施工注意事項: 施工時應對加固區(qū)進行分塊,目前國內(nèi)單塊加固面積可達30000m2,一般分塊面積可根據(jù)工程地基的實際情況進行考慮,以不超過真空設備的能力為準。 排水系統(tǒng)設置要密封,以防空氣進入真空區(qū)內(nèi)降低加固效果。

20、真空覆膜處理要達到表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壓加固措施成敗的關鍵,在鋪設時一定要小心謹慎,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,當氣壓值超過要求值時,應及時檢查原因,采取補救措施。 (5)質(zhì)量控制:本加固法成敗的關鍵為真空度保持,因此要嚴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,當氣壓超過規(guī)定值時及時進行處理。 4.5對軟基處理方法綜合應用的幾點建議與應用實例 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,新方法不斷涌現(xiàn),20世紀60年代中期,從提高土的抗拉強度這一思路出發(fā),發(fā)明了加筋法;從進行深層密實的角度出發(fā),發(fā)明了強夯法;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,有了可以進行幾十噸起重的加固施工機械,強夯法才能得以實現(xiàn),同時真空泵也是真空預壓法加固地基技術的核心設備,沒有高強度的空氣壓縮機,高壓注漿法就不可能問世。在軟土地基處理方面,公路建設中都有很多成功的實例,也不乏失敗的教訓。針對這些工程中應用