论述软土路基成因及施工技术

　　摘要:软土在我国沿海、沿江以及黄河流域、淮河流域均有较大面积的分布，在山涧谷地特别是多雨潮湿地区有较集中或零星的分布，给我们建筑工程师在工作上带来极大的烦恼。介绍了软土的总体工程特性和工程鉴别要求,从理论的角度,探讨了软土地基的处治方法,介绍了施工方面采取的垫层处理法和浅层处治法,提出了建设、设计、施工单位在软土地基处治中的注意事项。
　　关键词:软土地基,稳定性,垫层,沉降,处治方法
　　1软土的分布及成因
　　软土在我国沿海、沿江以及黄河流域、淮河流域均有较大面积的分布，在山涧谷地特别是多雨潮湿地区有较集中或零星的分布。
　　软土的基本成因离不开地质变迁沉积以及水的作用，研究与勘探表明软土的成因大多与第四纪地层沉积有关。我省土的性质在地质分类上大多属于粘土或粉砂质粘土，原因是地质变迁时代地壳运动造成的海相、湖相、河相在沉积过程中使大量的地下水随着地壳运动产生的裂隙渗入土壤深处，并被继续运动的地壳封闭在相应的地层深处，使该地层被水长期浸泡而软化，再加之我省地区数百年来雨量充沛、水网发达、农作物又以喜水性作物为主，地表水通过各种途径不断地补充着地下水源，长久以往使该地区深层或较深层土壤发生了质的变化，同时喜水植物的遗体在缺氧条件下被缓慢分解，而植物遗体及有机物质在相对封闭和高压的环境中与土壤中的铁、磷、钙等微量元素发生了化学、物理的离子交换反应，于是土粒原有力学结构被破坏，粘土或粉砂性土原有较紧密的分子结构变得松散，土粒被解小成细粒，土体原有的抗剪能力、抗压能力基本或彻底消失，土体变得松散、稀软，乃至散发出腐臭，继而形成了工程俗语中统称的软土地基。
　　2软土的工程特性和工程鉴别
　　软土地基一般由软土、泥炭、腐殖土、有机质土组成。由于它们的具体成因不同，其工程特性也有一定的差别。
　　软土属滨海、湖沼、谷地、河滩沉积，其基本物理特性为含水量高、孔隙比大、压缩性高，抗剪强度低等，地质表观属细粒土。其中，泥炭是由喜水性植物的遗体在高压缺氧的条件下经缓慢分解而成的泥沼覆盖层，多为内陆湖沼沉积，其工程特性为有机质，含量大于50%，且大多数完全分解，表观显纤维状，孔隙比一般大于5；腐殖土一般来说有机质含量大于50%，大部分有机质未分解，嗅之有臭味，表观为呈黑泥状的细粒土；有机质土是在静水或缓慢的流水环境中沉积的含有机质的细粒土，其中淤泥土的有机质含量在5%~50%之间，是孔隙比大于1.5的细粒土。
　　(1)软土的总体工程特性可以归纳为：天然含水量高，一般为30%～70%；
　　(2)孔隙比大，一般为1.0～1.9；
　　(3)透水性差，大部分软土的渗透系数为10－8～10－7cm/s；
　　(4)压缩性高，压缩系数为0.005～0.02；
　　(5)抗剪强度低，快剪黏聚力在10Kpa左右，快剪内摩擦为0°～5°；
　　(6)具有明显的触变性，流变性显著。
　　据参考文献及资料显示，我国沿海及平原地区的软土不排水抗剪强度为5Kpa～29Kpa（按qu/2或Cu计）。但云南的一种软土有机质含量为46.1%，天然含水量高达300.0%，孔隙比5.51，而快剪Cu值可高达35.3Kpa，这可以说是软土中的特殊案例。
　　
　　其工程中的鉴别应符合表1要求。表2中十字板剪切强度(Su)35Kpa所对应的静力触探总贯入阻力(Ps)约为750Kpa。
　　表1软土的鉴别要求
　　
　　3软土地基的处治措施探讨
　　软土地基在公路工程施工中最大的困扰是：在施工中由于地基在荷载作用下固结而带来沉降问题造成路基稳定性不足；由于沉降而带来的边坡滑动造成路基边坡稳定性不足；其它一些较为特殊的问题
　　通过多年的公路工程施工和理论研究知道，要使公路工程施工的最终质量达到预期的良好效果，必须首先解决公路施工过程及投入营运之前的路基沉降和稳定性问题，使公路的工后沉降应符合表3。
　　那么如何在施工中对软土地基进行有效的防治和施工呢？
　　表2公路的工后沉降应符合的要求
　　
　　4理论处治方法探讨
　　软土地基的处治方法总体来说应根据当地的地质、水文、施工机具、材料及环境等条件进行经济、技术比较，依据“先简后繁，就地取材”的原则决定。软土地基的处治主要是要解决过量沉降和路基失稳问题。对于地基处治方案，应注意各时间段的缓和过渡，以减小段间的差异沉降。对于软土地基的沉降需考虑两部分：一部分是由于地基固结所产生的沉降，另一部分是地基侧向变形而产生的弹性剪切变形沉降。软土地基在排水固结过程中，由于体积压缩而产生沉降，按（JTGB01-2003）《公路工程技术标准》的要求，通常采用分层总和法计算。其式为：
　　
　　式中：e0i——第i层中点的土自重应力所对应的容隙比
　　e1i——第i层中点的土自重应力和附加应力之和相对应的容隙比
　　Δhi——第i层厚重
　　e0i和e1i由室内固结试验所得ec曲线上查得。
　　软土在外加应力下瞬时沉降，当软土地基厚度很大，作用于其上的圆形或矩形面积上的压力为均布时瞬时沉降量Sd。可按下式计算：
　　
　　式中p——均布荷载
　　b——荷载面积的直径或宽度
　　Cd——考虑荷载面积形状和沉降计算点位置系数
　　E、u——土的弹性模量和泊松比根据上两公式可计算出软土地基上的路堤最终沉降量（S）。
　　式中字母含意同前两式。
　　根据计算可以先期在设计中控制填筑速率，以减小和控制沉降。路基失稳现象的处治从理论上可按滑动破坏（稳定性）进行计算与处治。
　　施工中对稳定性处治的有效方法大致有：垫层处理法（表层排水、砂垫层、土工聚合物、加固土均属该类处治方法）；反压护道法，慢速加载法（控制填筑路堤时的速率）等。
　　施工中对沉降处治的有效方法大致有：路堤加载法（等载或超载）、垂直排水法（砂井、袋装砂井、塑料排水板）及联合预压法（塑料排水板加真空预压等）。
　　对稳定和沉降处治两方面都有效的方法有：挤密砂桩法、振动置换法（碎石桩、钢渣桩）和加固土桩（水泥粉喷桩等）。
　　5施工处理措施探讨
　　软土地基的稳定最有效、最常用，且最经济的处治方法之一为垫层处理法和浅层处治法。
　　垫层通常指换土垫层处治，就是把地基底下一定浅层范围内的松软过湿的软弱土基全部或部分挖除，用砂（砾）、碎石等强度高，性能好的粒状材料回填，这实际上是浅层处治措施。这里把垫层和浅层处治分开：垫层是指在地面上设置的砂（砾）垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、矿渣垫层及其它稳定、无侵蚀性的材料。虽然材料不同的垫层其应力分布有所差异，但从使用经验分析，其作用机理和特征都可以近似按砂垫层进行计算。
　　垫层的厚度以保证不至因沉降发生断裂为宜，一般为30～50cm，垫层的宽度应大于路基2×0.5～2×1.0m为宜，以防止在施工过程中由于施工机械的破坏而影响垫层的有效作用。
　　对于砂（砾）或碎石等垫层下设置土路拱的问题，各地看法不尽一致。有一种看法认为：对砂垫层的排水作用由于受盆形沉降的影响，而认为在地基上做土路拱没有必要，因为孔隙水是在地基中的孔隙水压力消散过程中排出的，是有压水，只要排水通道不断开，孔隙水就能排出地基。另一种看法认为：设计土路拱对砂垫层的排水肯定是有利的。2002年笔者参加甬金高速宁波段第一合同土建施工时，曾做过各1km的土基设土路拱及不设土路拱的对比试验，在同样的设计条件下即：塑料排水板深18m，间距1.3m，砂砾垫层30cm+20cm，宽出路基2×1.0m；填土高度两段各平均为3.2m。在路基填高为0.8m、1.0m、1.2m时,分别观察路基两侧外露超宽处砂砾垫层的排水情况.设置土路基路拱段（K2+000～K3+000）的路基两侧砂砾垫层在晴天依旧极其潮湿；而未设置土路基路拱段（K4+100～K5+017）两侧砂砾垫层明显干燥，两处砂砾垫层层厚中间部位取样10个点测定含水量（酒精燃烧法），其平均差值达7.45个百分点。随着填高的增加，设路拱段与不设路拱段的砂砾垫层含水量开始接近，至2.0m时基本达到一致。从而可以证明，在有联合处治（特别是塑板深层处治）时，原地表宜设置土路拱,会更有利于孔隙水的早期排出（未产生较大盆形沉降前），且土路拱的设置在路基填高1.2m以内时，可有效地抵抗因土体荷载而造成盆形沉降排出，从而加快路基的沉降固结。
　　浅层处治一般指从地表以下30～150cm之间原状土的处治，可采用浅层拌和，换填抛石等方法进行处治。如日本的沟槽型石灰土拌和机，施工中能进行浅层拌和，深度为地表以下1.3m，而其另一款叶轮回转型则可达1.8m。
　　6软土地基处治方案的选择原则及注意事项
　　工程实践中软土地基处治方案有很多，各种方案都有它的适用范围。具体工程的地质条件千变万化，对地基处理的要求不尽一致，同时施工中采用的机具、当地的材料都会不同，因此必须进行具体分析，从地基条件、处理范围、工程进度、材料机具等方面进行综合考虑，以确定合适的处治方法。
　　软土地基处治的工程费用极其昂贵，如果处治方案选择错误，不但费时费力，而且得不到好的处治效果。在开发、引用新的软土地基处治方法，或对不同的处治方法进行比较时，宜在大规模施工前进行小型现场试验来检验可靠性，并据以获得必要的施工控制指标和施工经济指标来指导以后的施工。
　　软基处治包括以下四个环节：
　　（1）详细检查：包括地质资料的核对，土工试验及处理方案，以往使用经验的分析，借用；
　　（2）科学分析：通过施工现场试验，对有怀疑的地段进行补充勘探，取得第一手资料，为编写软基处治方案提供可靠的数字依据；
　　（3）现场监测：施工中时刻注意处治方案的彻底执行，对已完成或即将完成的处治段落加强沉降量、位移量的观察，以验证方案中提出的填筑速率是否恰当，必要时可建立以时间为横轴的沉降、速率关系图进行监测控制；
　　（4）反分析法：采用已获得的施工参数数据，用以验证设计并分析方案的可靠性，推测工程完成后达到允许工后沉降值所需时间，进而补充或修改施工手段。
　　7结束语
　　由于各种软土地基条件不同，因而软基处治的方案千变万化，但均离不开解决路基沉降和稳定性这个宗旨。在处治中必须注意以下三方面的问题：
　　（1）建设单位要在资金预算上加大对地基勘探的投入，使勘探设计单位除按规范要求进行勘探设计外，另外对有怀疑的地区、地质均应加密、补充勘探，尽可能为设计处治方案提供必要的科学数据和参数；
　　（2）设计单位应针对不同的软基类型提出多套可行的设计方案，进行工期、成本、技术可行性论证，选择出最能满足路基稳定性和工后沉降量需要的方案；
　　（3）施工单位要认真理解设计意图，严格按图施工，及时上报施工中出现的新情况、新问题。
　　软基处治的方法极多，很多方法在短期内产生的效果相近相似，而长远效果又有明显的差异。这就要求建设、勘探、设计、施工等单位对各种处治方案的立足点及短期、长期的效果要有明确的认识，走出误区，提高知识能力，不断探索新工艺、新方法，尽力做到软基处治的投资最省、效果最佳。

《论述软土路基成因及施工技术》

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