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閱讀 2530 次 公路軟土地基及其工程處理措施

摘要:本文總結軟土類別和性質,分析軟土地基工程特性和影響,介紹軟土地基工程處理方法和措施。提出通過方案的比選,選擇一種技術可靠、經濟合理、施工可行的方案,既可以是單一的地基處理方法,也可以是多種方法的綜合處理。軟基處理方法的選用一定要做到科學合理、綜合考慮;要做到因土質而異,因地制宜,因時制宜,不能千篇一律;要做到施工切實可行,工程造價經濟合理,技術可靠,才能取得事半功倍的效果。...

 公路軟土地基及其工程處理措施

黃震  西安市城區市政養護管理公司

軟土,一般是指在靜水或緩慢流水環境中沉積而成的、天然含水量大、壓縮性高、承載力低、透水性差的一種軟塑到流塑狀態的飽和粘性土層它主要包括內陸湖塘盆地、江河海洋沿岸和山間洼地沉積的各種淤泥和淤泥質粘性土。從廣義上說,軟土包括松砂、淤泥、淤泥質土、軟弱吹填土和雜填土等。《公路軟土地基路堤設計與技術規范》中對軟土的定義為:濱海、湖沼、谷地、河灘沉積的天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低的細粒土。

軟土常因生物化學作用含有較多的有機質,分為淤泥和淤泥質土。淤泥和於質泥土是在長期的自然環境變化下沉積(其中有化學作用產生)而形成的,這些土基本是飽和的,有的夾有有機質。淤泥質土和淤泥的區別在于,天然孔隙比大于1.5時稱淤泥;天然孔隙比大于1.0而小于1.5的粘土和亞粘土分別稱為淤泥質泥粘土和淤泥質亞粘土。

一、軟土的工程性質

1、軟土的物理力學性質

(1)天然含水量、孔隙比大。軟土的孔隙比e>1.0,天然含水量一般都大于30%,有的達70%,甚至高達200%,多呈軟塑或潛液狀態,一經擾動很容易破壞其結構而流動;山區軟土的含水量變化幅度更大。

(2)壓縮性高。軟土的壓縮系數ɑ1-2一般都在0.05×10-5Pa-1以上,最大可達0.3×10-5Pa-1以上。壓縮性隨天然含水量及液限的增加而增高。軟土多屬近代沉積,為欠固結土。同時它的礦物成分、粒度成分及結構決定了它具有高親水性及低透水性,水不易排出,也不易壓密。因此,軟土在建筑物荷載作用下,土體沉降變形量大,而且沉降不均勻。

(3)抗剪強度低。 軟土的φ值大多小于或等于100,最大也不超過200,有的甚至接近于0;C值一般在0.05~0.15×105 Pa,很少超過0.2×105 Pa,有的趨近于0,故其抗剪強度度很低。經排水固結后,軟土的抗剪強度雖有所提高,但由于軟土孔隙水滲出很慢,其強度增長也很緩慢。因此,要提高軟土的強度,必須在建筑物的施工和使用期間控制加荷速度,特別是開始階段的加荷不能過大,否則土中水分來不及排出,不但土體強度不能提高,反而會由于土中孔隙水壓力的急劇曾大而破壞土體結構發生擠出。

(4)水性低。 由于大部分軟土地層中存在著帶狀沙層,所以在垂直方向和水平方向的滲透系數K值不一樣,一般垂直方向的要小,其K值約在10-6 ~10-8 cm∕s,幾乎是不透水的。因此,軟土的排水固結需要相當長的時間,同時,在加載初期,地基中常出現較高的孔隙水壓力,影響地基土的強度。

(5)觸變性。軟土是“海綿狀”結構性沉積物,當原狀土的結構物未受到破壞時,常具有一定的結構強度,但一經擾動,結構強度便被破壞。如果在含水量不變的條件下靜置不動又可恢復原來的強度。這種因受擾動而強度減弱,再靜置而又曾強的特性,稱為軟土的觸變性。軟土中含親水性礦物(如蒙脫石)多時其觸變性較顯著。從力學觀點來鑒別觸變性的大小,用靈敏度來表示。軟土的靈敏度一般在3~4之間,個別情況要達到8~9,屬于中高靈敏性土。靈敏度高的土,其觸變性也大,所以,軟土地基受動荷載后,易產生側向滑移、沉降或基地面向兩側擠出的現象。我國軟土多屬中等靈敏度的,個別為高靈敏度土。

(6)流變性。是指在一定荷載的持續作用下土的變形隨時間而增長的特性。軟土是一種具有典型流變性的土,它在剪力的作用下,土體將發生緩慢而長期的剪切變形,使其長期強度小于瞬時強度。這對邊坡、堤岸的穩定性極為不利。因此,用一般剪切試驗求得的抗剪強度值,應加適當的安全系數。

2、不同成因軟土的物理力學指標

由于軟土的沉積環境不同,導致土的結構強度上有所差別,因此,有時土的物理性質指標相差不多,而力學性質往往有很大的不同,這種特性在工程上應給予足夠得重視。不同成因軟土的物理力學性質如表1-1所示

不同成因軟土的物理力學性指標表 表1-1

類  型

天然密度

ρ(g/cm3)

天然含水量

W(%)

天然孔隙比

e

抗 剪 強 度

壓縮系數ɑ

0.3×10-5Pa-1

內摩擦角(Φ)

凝聚力(kPa)

濱海淤泥土

1.5~1.8

40~100

1.0~2.3

1~7

2~20

0.12~0.35

河灘淤積土

1.5~1.9

30~60

0.8~1.8

0~10

5~30

0.08~0.3

湖泊淤積土

1.5~1.9

35~70

0.9~1.8

0~11

5~25

0.08~0.3

谷地淤積土

1.4~1.9

40~120

0.2~1.5

0

5~19

﹥0.05

二、軟土地基

軟土地基是指壓縮層主要由淤泥及淤泥質土、吹填土、雜填土或其他高壓縮性土層組成的地基。我們認為,只要外荷載加在土基上,有可能出現有害的過大變形和強度不夠等問題,使建筑物(路基、橋涵等構造物)出現下沉、裂縫甚至破壞,這種地基都應該視為軟土地基。當前道路建設迅速發展,由于軟土地基引起了幾個大的問題:

1、由于道路等級高,路堤填土高,引起路基的沉降,路堤的失穩。

2、橋頭路堤與橋臺的沉降差,在高速行駛的情況下,引起跳車。

3、軟基沉降量超出工后允許范圍。

4、軟基構造物的沉降、涵管彎曲。

5、軟基上各類路面結構的設計與施工存在的問題。

從軟基加固的角度來說,一般砂類土地基承載力比粘質土地基承載力高,沉降也比粘質土小,并且由于砂類土易透水,它在外荷載作用下產生的沉降在短時間完成,不像粘質土那樣有一個漫長的過程。但是砂類土,特別是松散的細砂或粉砂,在地震力作用下會發生液化,所以砂類土加固如何防止液化是一項重要內容。

三、軟土地基的施工方法及適用范圍

軟土地基對公路的危害,早已引起我國公路部門各方面的高度重視,科研、設計、施工等單位全力以赴。協同作戰,經過多年努力,已摸索了不少對策,并取得了可喜的成績。近年來為集設計、科研與施工為一體專門服務于軟基,也兼作其它特殊性巖土處治工程而紛紛出現了一些新型的巖土公司,給軟基處理帶來新的生機。

1、軟土地基施工方法及適用范圍

進行軟土地基處理,要分別對待,有針對性地采取措施。首先要搞好前期勘察設計工作。根據軟土巖性特征和物理力學指標,通過比較分析,選取合適的軟土路基處理方法。當軟土地基不能滿足承載力或穩定要求時,對地基加固是有效的措施。加固的方法很多,大體上可分為2類。第1類方法原理:減少土體中的孔隙,使土顆粒盡量靠攏,從而減少壓縮性,提高強度。第2類方法原理:用各種膠結劑把土顆粒膠結起來。工程中常用的軟土地基處理方法有以下幾種。

(1)換填法。換填法就是將地基軟弱層的全部或部分換填強度較高、透水性好的材料,可以提高地基承載力降低沉降量。在軟土厚度不大于2m,工期較緊、優質材料來源充足時,利用透水性材料進行置換填土可降低壓縮性,提高承載力,提高抗剪強度,減少沉降量,改善動力特性,加速土層的排水固結。換填材料為中粗砂、砂礫、片石、開山石等滲水性材料。砂的質量很重要,它取決于砂粒大小和含泥量多少,一般中粗砂含泥量少于3%為宜。同時還應注意其厚度和設置位置。

(2)砂礫墊層。當路堤高度小于極限高度的2倍、軟土層較薄或雨季施工時,采用砂礫(砂)墊層,使填土與基底之間設一排水層,從而使路基在受到填土荷載后,迅速地將軟弱路基土中的孔隙水排出,加快固結速度,提高路基的承載力,減少沉降,防止地基局部剪切變形。

(3)拋石擠淤法。可以使用不易風化石料擠淤,片石大小隨泥炭稠度而定,對于容易流動的泥炭或淤泥,片石宜小些,但不宜小于30cm,且小于30cm粒徑含量不得超過20%。當軟土地層平坦時,應沿路中線向前拋填,再漸次向兩側擴展。當軟土地層橫坡陡于1:10時,應自高側向低側拋投,并在低側部多拋投,使低側邊部約有2cm的平臺頂面。片石拋出軟土上面后,應該用較小石頭填塞墊平,用重型機械碾壓緊密,然后在其上設反慮層,再行填高。當軟土層不是很深,而且地質條件不是很差可以采用這種方法。運用這種方法施工簡單、周期短。

(4)強夯法。對于砂土路基及含水量在一定范圍內的軟弱粘性土路基,可采用重錘夯實或強夯。它的特點是工藝簡單、效果好、速度快、費用比較低、節省材料、不需要預壓、適用土層范圍廣,但對于飽和的淤泥質粘土和淤泥則要慎重選用。

(5)攪拌樁法。運用這類方法,就是在軟土地基上中滲入水泥、石灰等,用粉噴、攪拌等方法使之充分混合和固化;或把一些能固化的化學漿液(水泥漿、水玻璃、氯化鈣溶液等)注入地基上孔隙,以改善地基上的物理學性質,達到加固目的,因此又統稱為化學加固法。所用化學加固材料可分為粉體類(水泥、石灰粉)、漿液類(水泥漿及其他化學漿液)。這樣加固的類型有攪拌樁法(粉體噴射攪拌樁、水泥漿攪拌樁、高壓旋噴樁統稱深層攪拌樁)及膠結法(硅化法、水泥灌注法)兩類。

(6)排水固結法。排水固結法是根據固結理論在軟土中設置排水通道,通過加壓排水促使固結沉降,提高抗剪強度。常用的方法有砂墊層、碎石墊層、砂井、袋裝砂井、塑料排水板、降水預壓、真空預壓、加載預壓法等。此法通過在土層中埋設強度較大的土工聚合物、拉筋、受力桿件等,以提高路基承載力、減小沉降和維持建筑物的穩定。

(7)加筋路堤。加筋土有著獨特的優點和性能,在處治軟土地基中可以發揮作用。把加筋土結構與其他處治軟土的方法恰當地結合起來會取得更好的效果。在許多情況下,加筋土是避免深基礎處理的有效方法,節約了大量的工程費用,而且能夠保證路堤和結構物之間沉降的連續性。常用的加筋土處理方法為:直接填筑法、分階段施工法、加筋土與換土相結合、加筋土與豎向排水相結合、加筋土與石柱相結合、輕質材料加筋土等。

2 、軟土地基的處理方法實例分析

湖南某高速公路有13座跨線橋位于軟土地基路段,其土層狀態基本是表層1—3m厚硬塑層,下8—10m厚軟、流塑層,再下為硬塑層(或基巖),采用粉噴樁(粉體噴射攪拌樁)處理軟土地基,即以水泥作為固化劑,利用深層攪拌機械將水泥與原位軟土進行強制攪拌、壓縮,并吸收周圍水分,經過一系列物理化學作用生成一種特殊的具有較高強度、較好變形特征和水穩性的混合柱狀體,它對提高軟土地基承載能力、減少地基的沉降量及保證橋頭高填土路基穩定性具有明顯的效果。

(1)設計簡介。本工程粉噴樁設計樁徑為50cm,間距1—2m,按梅花型布置,樁長以穿透軟、流塑層進入硬塑層不少于50cm為原則,通常為8—12m,用于粉噴樁的水泥(425#普通硅酸鹽水泥)為干粉。根據地基含水量的大小,采用水泥噴入量為45—60kg/m。含水量在40%以下時,水泥用量為45kg/m;含水量在40—60%之間,水泥用量為50kg/m;含水量在60—70%之間,水泥用量為55kg/m;含水量>70%時,水泥用量為60kg/m。設計要求水泥土28天無側限抗壓強度≥1.2MPa。

(2)施工準備。粉噴樁施工前應準備下列施工技術資料:施工場地的工程地質報告,土工試驗報告,室內配比試驗報告,粉噴樁設計樁位圖,原地面高程數據表,加固深度與停灰面高程以及測量資料等。場地平整、清除障礙。如場地低洼,應回填粘性土;施工場地不能滿足機械行走要求時,應鋪設砂土或碎石墊層。若地表過軟,則應采取防止機械失穩措施。施工機具準備,進行機械組裝和試運轉。粉噴樁的施工工藝根據設計要求的配比和實測的各項施工參數通過試樁來確定。試樁一般為5根,通過試樁來確定鉆進速度、提升速度、攪拌速度、噴氣壓力、單位時間噴粉量等。粉噴樁所用的水泥(425#普通硅酸鹽水泥)應符合設計要求,并有產品合格證,并經室內檢驗合格才能使用,嚴禁使用受潮、結塊變質的加固料。

(3)施工工藝流程。深層攪拌機械就位→預攪下沉(至設計標高)→攪拌提升,同時噴干水泥粉至地面以下0.5m處(設計樁頂)→在樁上部的5m長范圍內重復攪拌一次(1/3—1/2)樁長、樁上部強度要求較高→重復攪拌提升,直到離地面下0.5m,上部回填5%灰土(或水泥土)并壓實→關閉攪拌機械移位至下一樁位。

(4)施工注意事項。應注意以下幾點:

1)控制鉆機下鉆深度、噴粉高程及停灰面,確保粉噴樁長度;

2)嚴禁沒有粉體計量裝置的噴粉機投入使用;

3)定時檢查粉噴樁的成樁直徑及攪拌均勻程度,對使用的鉆頭定期復核檢查,其直徑磨耗量不得大于2cm;

4)當鉆頭提升至地面以下0.5m時,噴粉機應停止噴粉;

5)當噴粉成樁過程中遇有故障而停止噴粉,在第二次噴粉接樁時,其噴粉重疊長度不得小于1m;

6)粉噴樁施工時,泵送水泥必須連續,固化材料的用量以及泵送固化材料的時間應有專人記錄,其用量誤差不得大于±1%;

7)為保證攪拌機的垂直度,應檢查起吊設備的平整度和導向架對地面的垂直度,每工作班檢查不少于2次,使垂直度偏差不超過1%;

8)攪拌機噴粉提升的速度和次數必須符合預定的施工工藝要求,攪拌機每次下沉或提升的時間應有專人記錄,深度應達到設計要求,時間誤差不得大于5秒,施工前應丈量鉆桿長度,并標上明顯標志,以便掌握鉆入深度,復攪深度。施工中出現問題應及時處理、做好記錄;

9)儲灰罐容量應不小于一根樁的用灰量加50kg,如儲量不足時,不得對下一根樁開鉆施工;

10)粉噴樁必須根據試驗確定的技術參數進行施工,操作人員應如實記錄壓力、噴粉量、鉆進速度、提升速度、鉆入深度及每根樁的鉆進時間等,監理人員應隨時檢查記錄情況。

(5)質量檢測。

1)粉噴樁屬地下隱蔽工程,施工質量受機具、施工工藝、施工人員的責任心等多種因素的影響,因而其質量控制要貫穿于施工的全過程,并堅持全方位的施工監理;

2)施工過程中必須隨時檢查加固料用量、樁長、復攪長度及施工中有無異常情況,記錄其處理方法及措施;

3)成樁7天內淺部開挖樁頭,其深度宜為0.5m,目測檢查攪拌的均勻性,測量成樁直徑,檢查頻率為10%;

4)在成樁7天內采用輕便觸探儀檢查樁的質量,觸探點應在樁徑方向1/4處,抽檢頻率為2%;

5)成樁28天后在樁體上部(樁頂以下0.5m、1.0m、1.5m)分別截取3段樁體進行現場足尺樁身無側限抗壓強度試驗,檢查頻率為2%,每一工點不少2根;

6)成樁28天后,按1%頻率或每一工點不少于2根采用鉆孔取芯法對其進行終檢。

經檢測并參照湖南省《粉噴樁施工質量的檢驗與評判方法》進行評分,本工程4.2萬根粉噴樁共計41.8萬延米均達優良級。

四、結論

在公路建設中軟土地基帶來不同程度的危害,如路堤的滑移、開裂,路面起伏不平以及橋涵通道等人工構造物跳車顛簸,因而,需要花費大量的人力、物力、財力和時間,去進行勘察、測試、設計、科研、施工。目的是為了整治好,處理好軟土地基,使來往車輛司乘人員安全、快速、舒適的形式在公路上。

由于軟土地基成因類型不同,厚度不一,性質各異,因此在施工過程中不能一律對待,應首先查明地質特點和土質條件,對每一個道路工程具體分析,從路基條件、處理要求、施工工藝工程費用以及材料、機具來源等各方面進行綜合考慮,以確定合適的路基處理方法。同時在確定路基處理方法時,還要注意節約能源,注意保護環境,避免因路基處理對地面水和地下水產生污染,以及振動噪音對周圍環境產生不良影響。

軟基處理是一項復雜且技術性較高的工作,在工程建設中有著重要的作用和地位。軟基處理方法的選用一定要做到科學合理、綜合考慮;要做到因土質而異,因地制宜,因時制宜,不能千篇一律;要做到施工切實可行,工程造價經濟合理,技術可靠,才能取得事半功倍的效果。作為我們新一代的青年既要繼承前人,又要突破陳規,不斷探索,不斷創新,在以后的工作道路上,勤于發現,善于思考,力求研究出處理軟土地基的既簡便、又可靠的新興方法,研制出既經濟、又無污染的新型材料,以自己的淺薄所學來為人民服務。

(本文來源:陜西省土木建筑學會    文徑網絡工程項目投資中心:劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)

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