软土地基的力学特性及其处治方法

2014-11-09董康

山西建筑 2014年23期

董康

(中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西西安 710021)

0 引言

我国土地辽阔、幅员广大、自然地理环境不同、土质千差万别、地基条件区域性很强，在修筑高等级公路中，为节省投资尽量选择地质条件好的地方进行修建。但由于公路是带状建筑，通过线路长而复杂，在选线中总难完全避开天然的软弱地基，如沼泽、池塘、淤泥、泥炭土、流泥、沼泽土和湿陷性大的黄土、黑土等。对于松软、易于变形的粘性土，相对密度一般都低于0.33，天然含水量高于液限，孔隙比大于1，在这样的土质上修筑高等级公路路基、桥涵基础时必须对其进行科学处理。在沈大、京津唐、济青、成渝等高速公路建设中，对软基的处治是施工过程中的重要工作。

1 软土的力学特性

从广义上来说，软土包括松砂、淤泥、淤泥质土、软弱吹填土和杂填土等。JTJ 017-96公路软土地基路堤设计与施工技术规范中对软土的定义为:滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。也有部门认为，凡是内陆湖塘盆地、江河岸、多雨地区和山间洼地、坡谷地区近代水下沉积的具有结构性的粘性土，其天然含水量大于40%，孔隙比大于1.0，压缩系数大于0.000 5 kPa，饱和度大于95%，有机质含量小于10%，渗透系数小于1×10－6cm/s，内摩擦角小于5°，粘聚力小于20 kPa的粘土称为软土。它们的成因、结构和形态虽然不同，但都具有压缩性高、强度低和透水性差的特点，有关物理力学参数如表1所示。

表1 软土类型分布及物理力学参数

软土的物理力学特性突出表现为天然含水量高、孔隙比大。这是由于软土中土粘粒与有机质含量大、吸水能力强，而透水性能差、含水量很大，在常年积水的洼地，使得土质呈现软塑状态或半流塑状态。软土的粘粒成分含量、有机质含量和液限愈大，形成渗透系数就愈低，承载能力极小，压缩性极高，特别是分布在河床、沼泽、池塘等处的软土地水分更多，施工机械无法在这些软土地面上操作。

软土的抗剪强度极低，且与加载时间、速度以及排水后的固结情况有关。在对软土进行不排水剪切时，其内摩擦接近于0，而内摩擦剪应力又小于19.92 kPa;在对软土进行排水剪切时，抗剪强度随固结程度增加而增大。埋藏愈深的软土，受到上层的自重压力作用愈大，则其强度也愈大。此外，密度也是影响软土抗剪强度的重要因素，天然干密度愈大、抗剪强度就愈大。

软土经过扰动后，微观结构受到破坏而强度迅速降低，随静置历时的增长，强度将逐渐恢复，这一特性称为软土的触变性。以灵敏度St来评价软土的触变性，其含义是未扰动土的无侧限抗压强度与在完全扰动后(但含水量和孔隙比与未动土保持相同时)的无侧限抗压强度的比值。St的大小反映了软土受扰动后强度降低程度，St值越大则软土强度降低愈明显。一般情况下，土的St值在3～4之间，也有达到8～9的或者更高。按不同的St值可把土分为灵敏(非、低、中、高、极)性土和流动(微、中、流动)土，如表2所示。

表2 灵敏性土和流动土的划分

以抗陷系数c表征土体抵抗机械行驶时沉陷的能力，其含义是软土有效作用压力与其相应深陷深度的比值。由于软土的高压缩性和低承载力，机械作业时冲击力大，在抗陷强度很低的软土上行驶很容易引起土层强度降低而发生沉陷，对工程施工非常不利。为消除软土沉陷对工程施工的影响，必须掌握各种软土的地面最大容许作业压力及其单位抗陷系数，如表3所示。与此同时，还列出国内主要地区软土的物理特性，如表3所示。

表3 各种软土的地面最大容许作业压力及其单位抗陷系数表

2 高等级公路填方路堤的稳定与沉降

修筑路堤和其他构造是为上层路面提供一个均匀而坚固的基础，为保持路面平整度创造条件。在软弱地基上填筑路堤与进行开挖都要产生不同程度的非均匀沉陷，又由于软基不同程度的蠕变将导致路基或其他构筑物的失稳，从而影响路面平整度。因此，在软基上面填土时，当填土超过安全高度后，就可能使上填部分发生崩塌，在坡脚外侧地基产生隆起等病害。如果在坡脚附近有房屋、水管或其他工程设施也会受到严重威胁，重则造成人身伤亡事故。即使不发生滑塌，在施工填筑过程中或填筑完工以后，在相当长的时间内地基沉降将持续发展。在完成摊铺路面后产生的软地基沉降，不但对路面的纵横段造成影响，而且对路面的平整度产生严重破坏，导致路面结构的严重破坏。此外，对于桥梁、涵洞等重要结构物，与填土相连部分的不均匀沉陷是引起行车阻碍与造成行车事故的主要原因。这些情况有单方面发生的，也有同时发生的，在进行高等级公路设计时要充分考虑到地基的成层状态、排水条件、各层强度与固结特性、综合施工条件，进行沉降与稳定的有关计算，提出科学有效的处理方法，在经过试验成功后，才能在高等级公路施工中推广实施。

在高等级公路工程施工中，对软土地基的处理分为三大类:其一是路堤、桥涵、挡土墙的软基处治;其二是公路沿线各种设施的沉陷处理;其三是公路沿线各种设施的稳定处理。软基的处理必须注意两点:一是对沉降处理要选择能有效控制住因剪切变形而产生的沉降;二是在对软基进行稳定处理之中，必须加大路堤与地基强度来达到提高抗剪切变形的能力。

3 高等级公路软土地基处治方法

在高等级公路软土地基处治的措施中，必须周密考虑地基、施工等条件限制，尽量采用投资较低、技术上合理可行的措施。目前处理软弱地基的方法主要有以下几种:

1)表层排水法。公路的路基填筑前，在地面开挖水沟来排除地表水，以降低地基表层含水量，保证施工机械顺利作业。同时，为保证开挖的水沟能在施工中发挥盲沟作用，可选用透水性良好的砂砾作为填料，并根据地形与土质的实际情况来布设水沟位置，使之利于排水。

2)砂垫层法。在软土地基上铺设厚度为0.5 m～1.2 m的砂垫层，作为路堤内的地下排水层来降低路堤内的水位，为使用重型机械施工创造良好条件。应注意检查施工放样桩的准确性，选用合适的自卸汽车与推土机配合摊铺并控制好摊铺的均匀性。

3)稳定剂处治方法。将生石灰、熟石灰、水泥等稳定材料掺入到软弱的表层粘土中，可对改善地基的压缩性与强度特性、保证机械的操作环境、提高路堤填土稳定与压实效果起到重要作用。在施工中，生石灰、水泥的存放量以够用1 d的量为准，最长的存放时间不准超过3 d，同时做好存放料的防水、防潮工作，否则因存放不善将导致材料的失效。

4)强制换填法。按施工方法分为路堤载荷强制换填和爆破换填法两种。路堤强制换填是依靠路堤载荷将部分软土层强制挤出，施工时从中线起逐渐向外侧填筑。爆破换填是指将炸药装入软土层，通过爆破作用将软土挤出的方法。

5)开挖换填法。在一定范围内，把软土全部挖除后，采用无侵蚀作用的低压缩散体材料填筑路基，应综合考虑路堤高度、软土层厚度与地下水位等因素，选用排水性能好、有足够的承载力的砂、砂砾与其他粗料作为填料使用。

6)反压护道法。在路堤两侧填筑一定宽度和高度的护道，以改善路堤荷载方式来增加抗滑力，使软基向两侧隆起的趋势得到平衡。在施工过程中已经明显出现不稳定的填方或发生了滑坍破坏填方时，可考虑选用反压护道法作为应急措施和修复措施。