軟土地基的設計及其處理方法

軟土地基的設計及其處理方法摘要近年來，隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速開展，根底設施建立的需求也在強勁增長。各根底設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注的熱點問題。本文針對這一問題，分析了軟土的特征分布及處理目的，總結了針對中層軟基和深層軟基分別適用的處理方法，提出了針對不同的實際情況，工程技術員應該選擇的軟基處理方法也有所不同。關鍵詞：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國內外研究現(xiàn)狀1325411.2.1軟土地基處理技術的研究現(xiàn)狀318291.2.2國內外軟土地基處理的施工方法1117631.3主要研究內容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預應力高強混凝土管樁10140823.3.3釘形水泥土雙向攪拌樁10158574.1主要結論11265144.2討論與展望1127798參考文獻12第一章緒論1.1引言伴隨著不斷提高的質量要求和日趨增加的交通荷載，對根底設施的施工質量要求越來越高。而對建筑所在區(qū)域軟土地基進展工程處理，往往成為縮短建立工期、降低工程造價和確保工程質量的關鍵的因素之一。近年來，國內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，相關的研究成果也是非常豐富的。在此背景下，筆者決定對軟土地基的設計及其處理方法做進一步探討。1.2國內外研究現(xiàn)狀1.2.1軟土地基處理技術的研究現(xiàn)狀地基處理技術最早在歐洲的一些國家得到了開展，并取得了非常豐富的科研成果以及工程實踐經(jīng)歷。早在二十世紀60年代中期，為了實現(xiàn)土體的抗拉強度的大幅提高，在工程中推廣應用了土體構造的“加筋法〞;為了探索如何有利于土的排水和加速固結等技術，先后開發(fā)生產(chǎn)了土工聚合物、砂井預壓和塑料排水帶;為了研究深層密實處理工藝，探索并采用增加擊實功率的處理技術，開發(fā)設計了振動“水沖法〞和“強夯法〞等技術。伴隨著工業(yè)技術的不斷進步，不斷制造出載重幾十噸的專用地基加固起重機械;在“水沖法〞的根底上，引入潛水電機技術，不斷完善和開展振動水沖法，同時利用真空泵技術，創(chuàng)造了真空預壓法;200個大氣壓以上空氣壓縮機的創(chuàng)造，使得“高壓噴射注漿法〞、“真空預壓法〞等地基加固技術成功用于工程實踐。我國的地基處理技術開展大致可以分為兩個階段:建國時期至70年代以及70至今。聯(lián)引進在第一個階段，我國為滿足新中國根本設施建立和工業(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，在這一時期，砂樁擠密方法、砂石墊層方法、重錘夯實方法、化學灌漿方法、石灰樁方法、堆載預壓方法、灰土樁方法和擠密土樁方法、預浸水方法以及井點降水方法等地基處理技術，在國內得到了良好的開展。從70年代末開場，地基處理技術進入第二個開展階段，同時也是我國地基處理技術不斷開展和完善的一個主要階段。自1978年起，由于我國改革開放的順利實施，國內大批工程建立工程不斷修建，尤其是一批大型的現(xiàn)代化建筑構造的修建和超高層建筑構造的開展，我國先后引進了大量國外先進的地基處理技術，在一定層面上促進了我國地基處理技術的不斷開展。1.2.2國內外軟土地基處理的施工方法國外公路處理軟基的方法中，除常規(guī)的排水固結外，更多的是采用深層復合地基技術，提高軟弱地基土體的強度與穩(wěn)定性。許多歐洲國家，如瑞典、芬蘭等，在橋頭引道前的相當長路段內采用樁承法進展軟基處理，使橋梁與道路之間實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，有的采用輕質(如粉煤灰、爐碴、陶料，質材料有膨脹性聚苯乙稀等)填筑路堤，以減少地基的附加應力。而口本學者認為，處理軟土地基最經(jīng)濟且最有效的方法，是提前在軟土地表上部逐級填筑路堤構造，通過這種提前預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預壓的處理方法。近年來，我國不僅不斷引進國外先進的軟土地基處理技術，同時也逐步開展并完善了符合國內具體工程地質條件的軟土地基處理技術。例如，我國先后引進并開展了振沖方法、高壓噴射注漿方法、深層攪拌方法、強夯法、強夯置換方法、土工合成材料、EPS超輕質填料方法等多種軟土地基的處理方法和技術。此前己在我國得到成功應用的多項軟土地基處理技術，如排水固結方法、砂樁方法、土樁方法和灰土樁方法等技術也在不斷開展和完善。1.3主要研究內容本文研究工作如下:1.本文首先研究了軟土的工程性質以及可能給工程工程造成的不利影響。2.通過對現(xiàn)有軟土地基處理方法的研究，主要從技術因素和經(jīng)濟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。其中具體土質類型大體分為淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土、粘土、粉質粘土、粉土等。各軟土的鑒別指標，詳見表2-1。表2-1軟土鑒別指標注：當天然含水量和孔隙比兩個指標滿足時，即可劃為軟土。2.1.2軟土的工程性質軟土作為道路地基，它變形和穩(wěn)定的時間比其它類型的土層來得長。其在自然狀態(tài)下，可保持穩(wěn)定，當軟土受到擾動，其構造很容易遭到破壞而發(fā)生流動。因此，處理軟土地基的主要工程問題被歸結到了促進沉降和保持穩(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共同的工程特征?！?〕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X圍為10-6~10-8cm/s，自然沉降固結速度慢，且時間長；〔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〕強度指標小，具有較高的固結快剪強度指標，抗剪強度低C＜0.02MPa；〔9〕具備高的靈敏度，其大小X圍為2~10，有些情況下超過10，其流動變形特性顯著。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、淤泥質土、淤泥質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土外，大局部軟土都可以作為天然的地基。表2-2我國沿海地區(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砂層。絕大局部的地方只含有一層軟土，個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15m，地基底部為軟巖質，屬于第三系紅色巖系。其工程特性如下：①含水量較高。淤泥和淤泥質土的平均天然含水量分別為76%和48%，還有可以到達100%以上。土體一般為流塑狀。②孔隙比大。淤泥質土的天然孔隙比為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固結系數(shù)小。固結系數(shù)一般在4×10-3cm2/s左右，所需固結時間長，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，當建筑物設計使用年限內的工后沉降不符合要求時，要對路基沉降進展必要的處理。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，防止地基因為路堤荷載的作用而發(fā)生隆起或流動；二是能夠促進地基強度增長；三是通過置換局部地基或調整路堤形狀(如設置反壓護道)，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，為滿足路面構造及路基對地基的強度要求，而對淺層軟土加以處理。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?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)先采用排水墊層結合換填法或淺層加固法；排水墊層厚度取值X圍為30~80cm，一般情況下其設計者為50cm，材料應該選用透水性能良好的沙礫或碎石；排水墊層鋪設的X圍可以延伸到路堤坡腳以外50cm~100cm；〔2〕當路基填土高度小于2.0m及淺挖路段的軟土地基，可采用排水墊層結合淺層加固法；排水墊層厚度取值X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X圍為路堤坡腳外延伸50cm~100cm；〔3〕當路基填土高度較高，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，可采用拋石擠淤法。拋石宜采用中~微風化硬質巖，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于淺層軟基處理而言的，其處置深度X圍一般為3一15m。中層軟基處理方法適用于軟土地基相對較厚的路段，在較深的軟土地基中，處置效果具備一定的優(yōu)勢。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展簡要介紹，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后，其抗剪強度宜不小于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。當處理的軟基路段靠近有較高環(huán)保要求的路段時，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?！?〕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，而當含水率大于50%時，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，有條件時應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，且效果會比通過增加井徑的方法更好，因此，一般貫徹“細而密〞的原那么，即袋裝砂井平面布置時采用小間距小直徑，一般直徑取值X圍為7~12cm，間距取值X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→鋪設下砂墊層→測試放樣→機具定位→打入套管→沉入砂袋→拔出套管→機具移位→埋砂袋頭→鋪設上層砂墊層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，但其靈敏度不應大于5，其處置深度一般不宜超過30m；〔2〕當采用真空預壓處理時，宜選用15cm寬的大通水量塑料排水板，且為了保證施工質量，應選用可測深式塑料排水板；〔3〕該方法所采用的施工機械主要是插板機，塑料排水板施工中使用的插板機種類較多，且使用性能各不一樣。其可分為挖掘機改裝的插板機、履帶式插板機、門式軌道插板機等。應視軟基處理工程實地情況，結合機械自身各方面特點，來考慮選用施工機械，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強夯置換法〔1〕一般認為對于含水量大于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夯法；〔2〕假設采用強夯法直接處置飽和粘性土地基，特別針對是淤泥和淤泥質土，其處理效果不顯著。但可以利用夯錘的強大夯擊能沖開軟土，形成坑洞，在坑洞中填入級配好的塊石、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合地基，該方法即為強夯置換法。該方法可以克制利用強夯法直接進展軟土地基處置的缺乏；〔3〕強夯置換法的有效加固深度應根據(jù)現(xiàn)場試夯試驗確定，夯擊能和土層性質是決定有效加固深度的兩個關鍵因素，一般能夠處理的軟基深度X圍為5~10m。強夯置換法的施工工藝流程如圖3-3所示：圖3-3強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，對飽和粘性土地基主要是置換和排水固結作用；〔2〕碎石樁樁體中應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，加快土體固結沉降；〔3〕在大面積施工擠密碎石樁前，要先進展擠密成樁試驗，試驗數(shù)量一般為7-9根，以保證施工質量能到達設計要求。擠密碎石樁的施工方法有2種，分別為振動成樁法、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。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展簡述，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〕對于主骨料碎石粒徑，其取值X圍一般為5~25mm；水泥一般采用普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5；粉煤灰一般采用Ⅱ級或Ⅲ級袋裝粉煤灰，當粉煤灰來源困難時，可以選用砂代替；石屑粒徑取值X圍宜為2.5~10mm，混合料中石屑率宜控制在0.25~0.33；〔2〕當采用長螺旋鉆孔泵壓混合料施工時，混合料坍落度一般為160~200mm；〔3〕當樁徑為0.5m時，混合料宜參照C15混凝土配比；當樁徑為0.4m時，混合料宜參照C20混凝土配比。CFG樁常用的施工工藝，主要有振動沉管灌注成樁法和長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振動沉管灌注成樁法施工工藝流程圖3-8長螺旋鉆孔泵壓混合料成樁法施工工藝流程3.3.2預應力高強混凝土管樁〔1〕一般PHC管樁的標準節(jié)斷長度為10m，直徑大小X圍為300~1000mm，要求混凝土強度等級不應小于C80；〔2〕適用于抗震設防烈度不大于9度的地區(qū)；〔3〕當軟基中存在孤石、地下障礙物多、有堅硬的夾層但不能作為持力層等情況時，該方法不適用；〔4〕選擇該方法進展軟基處理施工時，靜壓法適合于市區(qū)施工中使用，錘擊法適合于對噪音污染要求較小的地區(qū)中使用。進展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、淤泥質土、軟粘土以及無流動地下水的松散砂土等地基；〔2〕該方法適用于處置泥炭土、有機質土以及塑性指數(shù)Ip>25的粘性土，當含有腐蝕性地下水時，必須在現(xiàn)場進展試驗，確定其是否可以使用；〔3〕樁長應根據(jù)具體變形要求確定，樁體應穿透軟土層到達設計持力層。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論與展望4.1主要結論由于建筑物軟基處理方法的多樣性，要求工程技術人員在選擇處理方案應具備較好的專業(yè)知識和經(jīng)歷，對各種軟基處理方法要有一定的知識積累；建筑物軟土地基處理方案選擇同