趙忠杰

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司)

1 引 言

土是巖石經(jīng)過(guò)風(fēng)化后，在不同條件下形成的自然歷史產(chǎn)物。因此，土的性質(zhì)與其地質(zhì)成因與環(huán)境、形成時(shí)間和方式以及后生演化密切相關(guān)。其中，特殊土由于生成時(shí)不同的地質(zhì)成因、氣候條件、地理環(huán)境、歷史過(guò)程以及次生變化等原因，使得它們具有一些特殊的成分、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。由于各種天然形成的特殊土在地理分布上具有一定的規(guī)律，表現(xiàn)出一定的局域性，因此又稱之為區(qū)域性特殊土。針對(duì)特殊土地基對(duì)工程造成的的危害，廣大科技工作者、工程技術(shù)人員根據(jù)不同的工程對(duì)象，從各個(gè)角度與層面分析了特殊土的工程特性加固原理和處治方法。但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和生活水平的不斷提高、城市的面積不擴(kuò)大、高速公路的迅猛發(fā)展，導(dǎo)致在修筑建筑物和道路時(shí)不得不面臨越來(lái)越多的區(qū)域性特殊土。在此特殊土地基上修建修筑建筑物和道路時(shí)，地基處理變得尤為重要。因此，本文總結(jié)分析了軟土分布及成因，闡述了軟土的工程特性及其對(duì)構(gòu)造物的危害，并通過(guò)軟土地區(qū)工程實(shí)例，分析了相應(yīng)地基處理方法的實(shí)施效果。

2 軟土分布及工程特性

2.1 軟土的分布及成因

軟土指天然孔隙比≥1.0，天然含水量≥WL，壓縮系數(shù)≥0.5 MPa－1，具有靈敏結(jié)構(gòu)性的細(xì)粒土。多為靜水或緩慢流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成，在我國(guó)的分布如圖1 所示。按照形成和分布情況，我國(guó)軟土基本上可以分為兩類:一類是沿海沉積的軟土;一類是內(nèi)陸和山區(qū)河、湖盆地及山前谷地沉積的軟土。一般來(lái)說(shuō)，沿海沉積軟土分布較穩(wěn)定，厚度較大;內(nèi)陸等沉積土常零星分布，沉積厚度較小，變化性質(zhì)大。而沿海沉積土大致可以分為瀉湖相、溺谷相、濱海相和三角洲相，內(nèi)陸平原區(qū)軟土主要有湖泊相、河漫灘相和牛軛湖相和谷底相等類型。

2.2 軟土的工程特性

(1)天然含水量高和孔隙比大

我國(guó)軟土地基的含水量比較大，引起了有關(guān)人士的重視，在不同的環(huán)境下，這個(gè)問(wèn)題可能帶來(lái)一定影響。針對(duì)含水量高的情況，施工人員要了解軟土孔隙較大的具體參數(shù)，然后進(jìn)行地基處理。

(2)滲透性弱

其滲透系數(shù)一般在10－9～10－7cm/s 之間，垂直方向的滲透系數(shù)通常比平行土層方向的滲透系數(shù)要小一些。這是由于水平方向常夾有極薄層的粉砂、細(xì)砂的緣故。

(3)壓縮性高

軟土屬于高壓縮性土，壓縮系數(shù)大，通常的壓縮系數(shù)為0.07～0.15 MP－1。土的壓縮性隨著液限與含水量的增高而增高。該類土高壓縮性的形成，首先在于一定程度的欠壓密性。其次，與其組成成分和結(jié)構(gòu)所決定的高溶水性以及低滲透性有關(guān)，因而水分不易壓密。

(4)觸變性

顆粒間聯(lián)接弱的某些粘土，在攪拌或者振動(dòng)等強(qiáng)烈擾動(dòng)下，土的強(qiáng)度會(huì)劇烈降低，甚至變成懸液而流動(dòng)，外力停止后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，土的強(qiáng)度逐漸得到恢復(fù)。這種現(xiàn)象稱為觸變。軟土具有這種性能。觸變的產(chǎn)生，常招致建筑物地基大面積失效或大范圍滑坡，對(duì)建筑物的破壞極大，其產(chǎn)生的原因一般認(rèn)為是由于水－土膠體體系發(fā)生膠溶的結(jié)果。

在軟土地基工程中，施工人員要分析顆粒間的微弱聯(lián)系，定義這種粘性。如果在攪拌和振動(dòng)等擾動(dòng)下，土的強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng)，然后逐漸出現(xiàn)流動(dòng)。這種情況主要是在外力的作用下，當(dāng)失去外力后，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，土的強(qiáng)度也逐漸恢復(fù)。施工單位將這種現(xiàn)象稱為觸變。軟土擁有這種性能，發(fā)生觸變時(shí)，建筑物地基大面積失去效用之后，或出現(xiàn)大范圍滑坡。

(5)蠕變性

軟土在荷載的作用下，會(huì)出現(xiàn)緩慢而長(zhǎng)期的變形，所以在應(yīng)力沒有發(fā)生改變的情況下，施工人員將這種土體變形的現(xiàn)象稱為蠕變。這種變形的速度較小。可能一年只有幾厘米。雖然這種變形比較緩慢，但是持續(xù)的時(shí)間很長(zhǎng)。軟土土體中，含水量越高，粘粒含量高的情況下，透水性比較差，所以土的蠕變性能夠明顯的表現(xiàn)出來(lái)。

(6)抗剪強(qiáng)度低

抗剪強(qiáng)度與加荷速度及排水固結(jié)條件密切相關(guān)。施工人員并沒有發(fā)現(xiàn)不排水得到的抗剪強(qiáng)度較低，所以要分析側(cè)向壓力，然后記錄這些內(nèi)部的摩擦角，其內(nèi)聚力一般都小于20 kPa;直剪快剪內(nèi)摩擦角一般為2～5°，內(nèi)聚力為10～15 kPa;排水條件下的抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)程度的增加而增加，固結(jié)快剪的內(nèi)摩擦角可達(dá)8～12°，內(nèi)聚力為20 kPa 左右。這是因?yàn)樵谕馏w受荷時(shí)，其中孔隙水有充分排出的條件，使得土體得到正常的壓密，從而逐步提高其強(qiáng)度。

所以，施工人員要控制軟黏地基的強(qiáng)度，然后分析施工的荷載速度，確保每增加一級(jí)荷重與土體在新的受荷條件下強(qiáng)度的提高相適應(yīng)。

3 軟土地基處理方法及案例分析

3.1 軟土地基處理方法

軟土地基最難里克服的技術(shù)難題是失穩(wěn)破壞以及過(guò)大的沉降，尤其是不均勻沉降。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)軟土地基的工程特性、沉降機(jī)理及處治措施開展了大量研究，取得了一系列成果。

目前，軟土地基處理基本理論還是太沙基的一維固結(jié)理論和極限平衡原理，多采用條分法計(jì)算路基穩(wěn)定性。正因如此，很多工程在勘探試驗(yàn)中進(jìn)行了大量的投入，但仍然出現(xiàn)大部分軟土樣都或多或少地缺少某些力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)等問(wèn)題，有時(shí)不得不使用內(nèi)插數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)與實(shí)際不盡相符，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致工程事故。對(duì)此，周煥云和黃曉明指出采用基于遺傳算法的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，可以根據(jù)實(shí)測(cè)沉降變形較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)后期沉降。孟慶山、史啟超、鄭穎人、鄭剛等等人分別研究了換填法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法、水泥土攪拌法、振動(dòng)碎石樁法等方法對(duì)軟土地基處治的實(shí)施效果，他們的研究指出軟土具有復(fù)雜多變的工程特性，因此應(yīng)綜合考慮不同加固方法的特點(diǎn)及適用性、施工環(huán)境、地質(zhì)條件，采用多種方法進(jìn)行軟土地基的加固。當(dāng)然，可以選擇單一地基處理方法，也可以采用多種方法進(jìn)行綜合處理。

3.2 軟土地基處理案例分析

軟土地基處理的基本思路是在穩(wěn)定驗(yàn)算和沉降計(jì)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同地段的特點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)、有效的處理方案，其目的首先是改善地基土的力學(xué)性能，提高穩(wěn)定性;其次是改善地基土的壓縮性且加速排水固結(jié)，提前完成預(yù)計(jì)的沉降量，使殘余沉降量小于允許值。本節(jié)結(jié)合我公司在長(zhǎng)春市某市政道路路基工程，進(jìn)行軟土地基處理案例分析。

(1)工程概況

該市政道路在K5 +400～K5 +600 段落，地基存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有以下三個(gè)方面:

①地下水位高，地基土含水量大，冬季氣溫低，地基抗凍性差，容易引起路基的凍脹、融沉等病害;

②表層土質(zhì)多呈軟塑狀態(tài)，下層土雖然含有較多的圓礫，然而由于凍土經(jīng)常不化，導(dǎo)致土層在融化后土質(zhì)疏松，空隙較大，地基承載力差，容易導(dǎo)致路基的沉陷;

③表層土軟弱，下層土為亞粘土和圓礫土，地基土總體壓縮性大，工后沉降量大，容易引起路基路面的下沉甚至結(jié)構(gòu)的破壞。

(2)地基處理方案

針對(duì)地基存在的工程地質(zhì)問(wèn)題，結(jié)合沖擊碾壓法處理軟土地基的工程經(jīng)驗(yàn)，為減小地基工后沉降、提高穩(wěn)定性，制定了如下軟土地基處理方案:

①預(yù)融:由于春季凍土尚未完全融化，需要清除保溫層，以融化凍土;因此施工前先將原地表草皮清除，并將表面軟弱土挖除，晾曬。

②換填砂礫:對(duì)于表層土，多呈軟塑狀態(tài)，且厚度較淺，待凍土全部融化后，挖除軟土，換填砂礫(平均換填厚度為1.0 m)。

③沖擊碾壓:為了保證換填砂礫的壓實(shí)度，提高路基的承載力以及減小路基的工后沉降，因此采用了影響深度較大、效率較高、經(jīng)濟(jì)好的沖擊碾壓工藝。

(3)沉降分析

由于軟土地基本身的壓縮變形性質(zhì)，施工完成后地基仍然存在沉降變形。為分析處理后軟土地基的變形情況，在經(jīng)沖擊碾壓的砂礫層上埋設(shè)了沉降板進(jìn)行沉降觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見表1。

表1 軟土地基累計(jì)沉降(mm)

采用泊松曲線法進(jìn)行地基沉降預(yù)測(cè)，如式(1)所示。式中:y 為預(yù)測(cè)工后沉降，mm;t 為工期，d;a，b，k 為模型的回歸參數(shù)。當(dāng)t→+∞時(shí)，y→a，即為路基總沉降量。

根據(jù)表1 中沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到沉降預(yù)測(cè)曲線，如圖2～圖4 所示。剩余沉降量為預(yù)測(cè)總沉降量減去實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量，計(jì)算結(jié)果如表3.6。結(jié)果表明，軟土地基處理后，地基剩余沉降為2.8～4.4 mm，占總沉降量的10%左右，能滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30－2004)中的技術(shù)要求要求。

圖1 K5 +460 沉降預(yù)測(cè)曲線

圖2 K5 +500 沉降預(yù)測(cè)曲線

圖3 K5 +540 沉降預(yù)測(cè)曲線

表2 預(yù)測(cè)地基總沉降與剩余沉降

4 結(jié) 語(yǔ)

本文總結(jié)分析了軟土分布及成因及其工程特性，并通過(guò)軟土工程實(shí)例，分析了相應(yīng)地基處理方法的實(shí)施效果。結(jié)果表明:軟土主要分布在我國(guó)東南沿海及內(nèi)陸湖泊地區(qū);軟土地基承載力低、沉降變形量大、沉降穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，而經(jīng)處理后的軟土地基工后沉降相對(duì)小，具有較高的穩(wěn)定性。

［1］龔曉南.地基處理技術(shù)發(fā)展與展望［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］黃曉鶯.軟土地基處理方法的選擇［J］.邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，15(3):59－61.

［3］周煥云，黃曉明.高速公路軟土地基沉降預(yù)測(cè)方法綜述［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，2(2):7－10.

［4］孟慶山，王吉利，汪捻，等.采用不同加固方案處理軟土地基的對(duì)比研究［J］.巖土力學(xué)，2002，23(3):375－381.