软土路基处理前后地基土性质探析

杨文浩

(上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072)

0 引言

软土是一种区域性的特殊土，是在一定的地质条件下形成的，具有变形大、承载力低等特点。在道路工程中，若地基中存在软土且不进行加固处理时，在路堤填土及持续的交通荷载作用下很可能会因为软土强度不足造成地基破坏，或者由于软土固结沉降缓慢引起较大的工后沉降而造成路面结构的破坏。

近年来我国高速公路发展迅速，集中在东部沿海经济发达地区。高速公路有严格的工后沉降要求，在软土地基上修建高速公路，往往结合路堤填筑采用预压法解决工后沉降问题。预压法是一种经济、安全和环保的软土地基加固方法，在工期允许的情况下，一般可优先考虑使用预压法对软土路基进行加固处理。

预压法包括堆载预压法和真空预压法两种:堆载预压法是指在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之逐渐减少，地基发生固结变形。同时随超静水压力逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度得到增长;真空预压法是在软土地基表面通过铺设砂垫层、埋设竖向排水体，再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝，通过砂垫层内埋设管道，用真空装置抽气，使其形成真空，增加地基有效应力。真空—堆载联合预压法则具有真空预压和堆载预压的双重效果。

以上海某高速公路的地基处理工程为例，通过对场地内对工程影响较大的浅部土层在分别采用真空—堆载联合预压、堆载预压两种不同地基处理方法前后，其物理性指标和力学性指标的变化进行比较，浅析预压法地基处理前后地基土性质的变化特点。

1 场地地层特性及试验方法

1.1 试验场地地层分布情况

工程路基施工期间在A场地采用真空—堆载联合预压法处理，B场地采用堆载预压法处理。A，B两场地25 m以浅场地土层分布情况如表1，表2所示。堆载预压属于大面积堆载，促使路面加速沉降尽快达到稳定。试验场地堆载高度约3.0 m，路基宽度约50 m，根据上海市工程建设规范《地基基础设计规范》中相关公式估算土层压缩层厚度约为42.6 m，可认为堆载预压的影响深度范围在40 m以内，但由于A，B两场地内均分布⑥暗绿粉质粘土层，该层具有应力扩散效应，一般认为影响范围主要为⑥层以上土层，故仅对⑥层以上土层进行分析比较。

表1 A场地地层特性表

表2 B场地地层特性表

1.2 检测试验方法

为了解地基处理前后地基土性质的变化情况，运用钻探取土和原位测试(静力触探试验、十字板试验)等手段在A，B两场地的路基处理范围内外各布置2组孔深约为25 m的勘探孔(每组孔包括1个钻探孔、1个静探孔、1个十字板试验孔)即12个孔，对路基处理前后场地浅部分布的软粘性土层(②粉质粘土、③1淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土以及⑤1-1粘土层)的物理性指标和力学性指标的变化情况进行分析对比。

2 试验成果的对比分析

2.1 地基处理前后地基土PS值分析

静力触探试验所获取现场试验数据——PS值大小可直接反映地基土的强度，对软粘性土而言，PS值越大其地基土强度越高，则承载力越大;对粉性土而言，PS值越大其地基土密实度越高、强度越高，则承载力越大。

A，B两场地地基处理前后PS平均值及其变化情况见表3。

表3A，B场地处理前后地基土PS平均值对比表

通过表3中A，B场地在地基处理前后的PS平均值的对比可见:

1)在地基处理后浅部各土层③1，③t和④的PS平均值均有所提高，其中③1层提高约为22.5%～30.4%，③t层提高约为46.8%，而地基处理对④层处理效果有限，其提高量相对较小仅为4%～6%。

2)③1层由于埋深较浅且局部夹薄层粉性土，有一定透水性，该层在两个场地地基处理前后的PS平均值变化量均超过20%，充分说明了地基处理后其固结度提高，地基土强度也得到了明显提高，表现为PS值的增加。

3)B场地③t层在地基处理后PS平均值提高超过45%，由于粉性土层排水性较好，其处理效果最理想，该土层地基处理后密实度增强，地基土的强度大幅提高，承载力的提高最为明显。

4)④层由于相对埋深较深、透水性差，故地基处理后地基土强度变化不及其上部土层显著，但仍有一定效果。说明预压法处理效果自上而下逐渐减弱，且粉土处理效果优于粘性土。

2.2 地基处理前后地基土物理指标分析

土的结构强度主要与土所处的稠度状态有关，即与含水量有关。对于饱和土层而言，含水量的降低意味着土粒间联结力增大，土趋于密实，颗粒更靠近，土的强度会更大一些。

表4 A，B场地处理前后地基土物理指标对比表

通过表4中A，B场地在地基处理前后室内物理力学指标对比结果可以看出:

1)在地基处理后浅部各土层②，③1，③t，④以及⑤1-1层的含水量和孔隙比均有减少。

2)对于粘性土层，②层含水量和孔隙比变化量最大，变化率均超过-7%，而随着深度的增加下部的各土层含水量和孔隙比的变化率逐渐变小，到达⑤1-1层时其含水量和孔隙比的变化率分别为-1.4%和-0.6%，故浅部土层地基土强度的增加量也随着深度的加深而减少，故地基土加固后对浅部土层作用较深部土层明显。

3)在B场地分布的粉性土③t层由于其排水性好，孔隙水压力消散快，故在预压处理后其含水量和孔隙比变化率分别达到-12.4%，-13.5%，充分说明了预压法对粉性土层的作用明显，在保持排水通畅的情况下，土层易快速达到固结，地基土强度得到迅速提高。相对而言粘性土层的排水性较弱，其加固作用较粉性土层不够明显。

总之，地基处理后土的含水量和孔隙比均较处理前有一定量减少，并且在软粘性土层中含水量和孔隙比变化幅度随深度加深而减少，但地基处理前后地基土物理指标变化不大。

2.3 地基处理前后地基土变形指标分析

土的压缩性是土体在荷载作用下产生变形的特性。就室内土工试验而言，是土在载荷作用下孔隙体积逐渐变小的特性。地基土的压缩性越低，则地基土强度越高、密实度越高，土性越好。

表5 A，B场地处理前后地基土变形指标对比表

通过表5中A，B场地在地基处理前后的变形指标对比结果可以看出:

1)在地基处理后浅部各土层②，③1，③t，④以及⑤1-1层的压缩系数均有降低，而压缩模量均有提高。

2)粘性土②，③1，以及⑤1-1层的压缩系数降低了4.2%～6.7%，压缩模量提高了1.9%～6.9%，而其中③1层压缩模量提高16.5%是由于其局部夹薄层粉性土，有一定透水性，故地基处理后土层压缩模量提高较其他粘性土层明显。

3)粉性土③t层的压缩系数降低约30%，压缩模量提高约31%，地基处理后该层在排水条件保持通畅的情况下，其变形指标变化率均达到约30%，足见预压法对粉性土层处理的效果极其显著。

2.4 地基处理前后地基土抗剪强度指标分析

根据库仑定律，粘土的抗剪强度由粘聚力C和内摩擦角φ决定，因此C和φ也就成了粘土的两个抗剪强度指标。它们的实际大小主要取决于土的物理性质，主要是含水量、孔隙比、颗粒大小形状和级配以及颗粒的摩擦特点。

通过室内三轴剪切试验(不固结不排水剪切试验UU)、无侧限抗压强度试验及现场十字板剪切试验获取了A，B两场地不同土层土的抗剪强度指标见表6。

在理论上三轴不排水抗剪总强度相当于现场十字板试验测定饱和软粘性土(φ≈0时)的原位不排水抗剪强度，即(Cu)v≈Cu;无侧限抗压强度qu确定φ≈0时的饱和软粘性土的抗剪强度，土的不排水抗剪强度Cu=qu/2。

表6 A，B场地处理前后抗剪强度指标对比表

表7 A，B场地处理前后三轴抗剪强度指标对比表

表8 A，B场地处理前后无侧限抗压强度试验指标对比表

表9 A场地处理前后十字板抗剪强度指标对比表

表10 B场地处理前后十字板抗剪强度指标对比表

通过表6～表10中A，B场地在地基处理前后的抗剪强度指标对比结果可以看出:1)根据表6并结合表4分析，含水量对浅部各土层地基土强度的影响体现在粘聚力C和内摩擦角φ上，在地基处理后两者均随含水量的减少而增大。其中粘性土粘聚力C提高约7%～9%，内摩擦角φ提高约2%～4%。2)结合表7和表8共同分析，本次对比试验前后土的三轴剪切试验所得的不排水粘聚力Cu、无侧限抗压强度试验所得的无侧限抗压强度qu，可基本符合Cu≈qu/2公式。同时对于软粘性土层③1的抗剪强度指标Cu和qu在预压法地基处理后分别提高约7%～23%，2%～5%。3)根据表9和表10分析，软粘性土层③1层地基处理后十字板剪切试验土的抗剪强度指标(Cu)v提高明显，平均提高约15%，其下部④和⑤1-1层的抗剪强度指标(Cu)v也有一定幅度提高，其中A场地④和⑤1-1层分别提高15%和5%，而B场地④和⑤1-1层仅提高0.9%和1.7%，这也在一定程度上反映了采用真空—堆载联合预压法对软粘性土层的效果较堆载预压法显著。

3 结语

通过软土路基处理前后地基土PS值、物理指标、变形指标以及土的抗剪强度指标的对比数据和指标分析，可以得出以下的结论:

1)通过路基处理后，地基土的含水量、孔隙比、压缩系数均有所降低，而PS值、压缩模量以及抗剪强度指标均有所提高。2)地基土的含水量的变化对其强度的影响有着决定性的意义，含水量减小则土的强度就有一定提高。预压法地基处理浅层软粘性土层的处理效果明显，随深度的增加效果逐渐减小。3)粉性土层由于其排水性好，孔隙水压力消散快，在地基处理后易达到排水固结的目的，效果显著;而粘性土层透水性差，在外力作用下水的排出非常缓慢，不易达到完全固结。4)预压法路基处理影响深度范围也是有限的，对粘性土的处理效果不及粉性土层显著。5)真空—堆载联合预压法可兼顾地基处理效果良好、所需工期较短的两大优势，即能在确保地基处理质量的同时节省施工周期，在真正意义上实现社会经济双重效益的提高。

［1］ 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.第4版.北京:中国建筑工业出版社，2007.

［2］ 黄绍铭，高大钊.软土地基与地下工程［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］ DGJ 08-37-2012，岩土工程勘察规范［S］.