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软土地基的工程特性与加固处理

来源:网友上传  2012-4-25 22:48:54   【一起学:终身教育引导者

  随着我国基础建设的飞速发展,高等级公路建设也得到了快速发展。同时对线形指标的选用也随之提高,从而不可避免地带来公路路基穿过软土地区的情况。因此,在软土地基上修筑路基已非常普遍。对公路软土地基的成功处理,往往也成为提高建设速度、确保工程质量、降低工程造价的重要措施之一。但在软土地基上修建道路时,若对地基处理不当,有可能因地基沉降或差异沉降过大而影响道路的正常使用功能。软土地基的加固处理质量直接影响到路基的基础承载力,也是保证道路建成后安全、高效运营的关键。所以选择合理的软基加固处理方案及方法并快速实施,从而取得预期的经济和社会效益,就具有重大的实际意义。 
  一、软土的工程特性与危害
  (一)软土的定义 
  软土一般是指在静力或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物。这类土的物理特性大部分是饱和的,含有机质,天然含水量大于液限,孔隙比大于1。当天然孔隙比大于1.5时,称为淤泥,天然孔隙比大于1而小于1.5时,则称为淤泥质土。工程上将淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土、冲填土、杂填土和饱和含水黏性土统称为软土。 
  (二)软土的工程特性 
  软土的性质与地基土的成层构造、沉积年代、成因类型有密切关系。不同年代和成因的软土,其物理性质指标尽管可能相近,但作为地基,工程性质却可能相差很大。 
  1.含水量较高。因为软土的成分主要是由粘土粒组和粉土粒组组成,并含少量的有机质。粘粒的矿物万分之二为蒙脱石、高岭石和伊利石。这些矿物晶粒很细,呈薄片状,表面带负电荷,它与周围介质的水和阳离子相互作用,形成偶极水分子,并吸附于表面形成水膜,在不同的地质环境下沉积形成各种絮状结构。因此这类土的含水量比较高。 
  2.透水性差。软土的渗透系数一般在1×10-6~1×10-8cm/s之间,所以在荷载作用下固结速度很慢。当地基中有机质含量较大时,土中可能产生气泡,堵塞渗流通道而降低其渗透性。所以在软土层上的建筑物基础的沉降拖延很长时间才能稳定,同样在荷载作用下地基土的强度增长也是很缓慢的。 
  3.压缩性较高。一般正常固结的软土层的压缩系数约为0.5~1.5Mpa-1,最大可达到4.5Mpa-1;压缩指数约为0.35~0.75。天然状态的软土层大多数属于正常固结状态,但也有部分是属于超固结状态,近代海岸滩涂沉积为欠固结状态。欠固结状态土在荷重作用下产生较大沉降。超固结状态土,当应力未超过先期固结压力时,地基的沉降很小。 
  4.流变性强。在荷载的作用下,软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形,并可能导致抗剪强度的衰减,在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。 
  (三)软土的工程危害 
  根据上述软土的特点,以软土作为公路的地基是十分不利的。
  (1)地基抗剪强度不够引起路堤侧向整体滑动,边坡外侧土体隆起;
  (2)人工构造物与路堤衔接处产生差异沉降,引起跳车;
  (3)路堤的变形以及地下水位过高,将导致路面的破坏。因此,在软土地基上进行路基施工,都要求对软土地基进行处理。其处理的目的主要是改善地基土的工程性质,达到满足建筑物对地基稳定和变形的要求,包括改善地基土的变形特性和渗透性,提高其抗剪强度和抗液化能力,消除其他不利的影响。 
  二、软土地基常见的加固方法 
  软土由于具有含水量高、压缩性大、透水性差和流变性强等工程特性,一般不能直接作为天然地基使用,需经过加固处理以减小道路路基在荷载作用下引起的沉降或不均匀沉降。软土路基处理方法较多,分类也各有不同,常用的处理方法主要有: 
  (一)表层排水法 
  表层排水法是在路基填筑前,在地面开挖水沟,以排除地表水,同时降低地基表层的含水量,确保施工机械的作业条件,为了使开挖水沟在施工中发挥盲沟作用,常用透水性良好的砂砾回填。水沟布设应全面考虑地形与土质情况,使排水畅通。水沟断面尺寸一般取宽0.5m,深0.5~1.0m。路堤填筑前,宜用砂砾回填成盲沟,若埋设孔管,必须用良好的过滤材料保护。 
  (二)强夯法 
  强夯法是反复将重锤提到高处使其自由落下夯击地基,从而使地基的强度提高、压缩性得到降低的方法。强夯法适用于处理碎石土、砂土、粉土、粘性土、杂填土和素填土等地基,它不仅能提高地基的强度、降低其压缩性、还能改善其抗振动液化的能力和消除土的湿陷性,所以还常用于处理可液化砂土地基和湿陷性黄土地基等。强夯法对于饱和度较高的粘性土,一般来说处理效果不显著,尤其是淤泥和淤泥质土地基,处理效果更差。因此在强夯时,为了取得更好的效果,根据软土的物理力学性质,可以采用综合加固方法进行,但是此种方法费用较高,对路基大面积采用得不偿失。 
  (三)换填法 
  换填法就是将基础地面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去,然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填,并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动,使之达到要求的密实度,成为良好的人工地基。当地基软弱土层较薄,而且上部荷载不大时,也可直接以人工或机械方法进行表层压、夯、振动等密实处理,同样可取得换填加固地基的效果。换填法适用于浅层地基处理,包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的回填土等地基处理以及暗塘、暗洪、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理:用于膨胀土地基可消除地基上的胀缩作用,用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性,用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差,软硬不匀以及岩溶与土洞等,用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。
  (四)土工合成材料法 
  土工合成材料是以人工合成的聚化物为原料制成的各种类型产品。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各种结构层之间,具有过滤、防渗、隔离、排水、加筋和防护等多种功能,发挥加强、保护岩土或其它结构功能的一种新型岩土工程材料。比如在土体中放置了筋材,构成了土体-筋材的复合体。由于土的抗拉抗剪性能差,在土体中加筋,以筋材料为抗拉构件,与土产生相互摩擦作用,限制其上下土体及土体的侧向变形,等效于给土体施加了一个侧压力增量,从而增强土体内部的强度和整体性,提高土体的抗剪强度。 
  (五)水泥搅拌桩法 
  水泥搅拌桩加固软土地基的机理主要是通过水泥的水解和水化反应及水泥水化物与黏土的化学反应及碳酸化作用,而形成强度相对较高的桩体与桩周软土一起形成复合地基,以起到提高地基承载力、增强路基稳定性及减少路基沉降的作用。水泥搅拌桩目前有喷浆法(湿法)和喷粉法(干法)之分,均通过深层搅拌机械将软土和固化剂强制搅拌,固化剂采用水泥浆液时,称为水泥浆搅拌桩法或湿法,固化剂采用水泥粉时,称为粉体搅拌桩法或干法。一般认为湿法水泥剂量容易控制,搅拌均匀,成桩质量较为可靠,而干法喷粉量相对较难控制搅拌质量不容易控制,成桩质量相对较差,湿法质量有保证的成桩长度也比干法成桩长度大,但干法采用粉体作固化剂,不再向地基中附加水分,反而能充分吸收软土的自由水,因此,加固后地基的初期强度较高,特别是对高含水量的软土加固效果显著,在国外得到广泛应用。 
  三、软土地基加固处理应考虑的因素
  (一)路基状况 
  在路基加固中,在软土层浅而薄的情况下,常用简单的表层处理法。重要的构造物基础常用开挖换填法。若软土层较厚,应使用其他方法配合表层处理法。夹有砂层且厚度较薄的软土层,一般采用表层处理法、强夯法等方法,即使是5cm的砂层也是有效排水层,在土质调查中不要遗漏。软土层厚且无砂层的情况,因排水距离长,固结沉降需很长时间,强度也不增长。因此,沉降处理常用表层排水法。在浅层部位堆积有4m以上厚度砂层,以下为软弱粘土层的情况。一般来说,稳定不成问题,只需沉降处理,常用强夯法。 
  (二)道路性质 
  我们知道,道路等级愈高,平整度愈重要,愈需要采取有效的沉降处理措施。等级较低时,可先铺简易路面,待沉降结束后,再铺正式路面以节约资金。同时路堤的设计高度与宽度也是选择处理方法时要考虑的重要因素。如采用换填法时,宽而低的路堤易发生局部破坏;反之窄而高的路堤,下面易被换填。在设计高度大而稳定有危险的情况下,采用强夯法将受到限制。还有路堤越宽越高,则地基产生压力球的根部越深,而引起深处粘土层沉降。 
  (三)施工环境 
  不同的施工环境选用的处理方法不同,经济性也不同。比如噪音、振动地基及地下水的变化和排出的泥水等,在选择施工方法时必须考虑。同时在路堤高度较而地基特别软弱的情况下,周围地基经常发生大的隆起或沉降。这样,在路堤坡脚附近有民房和重要构造物时,应考虑以减小总沉降量且控制剪切变形的方法为主要措施。不能采用这类方法时,应考虑事先对可能受影响的构造物加以保护,否则应考虑以高架构造物代替路堤。 
  总之,软土地基的加固处理质量直接影响到路基的基础承载力,也是保证道路建成后安全、高效运营的关键,我们一定要加以重视。 

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