对软土地基上筑堤方式的研究

谢 闯 朱 武 张 明

（1.宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏 宿迁 223800；2.泗洪县水利工程处，江苏 宿迁 223900）

1 概述

堤坝在纵向上连续展开，其线较长，水利上一般作为挡御洪水屏障，标准要求高，因此，不可能对地基进行全线深层次的处理，只能在原地进行处理（清表），就直接在原地基上进行填筑。当遇到天然地基较软、不能满足堤坝填筑高度（荷载）对地基的强度和变形要求时，会造成堤坝失稳，带来安全隐患，因此要注重地基的变形，并通过采取具体方法来改善地基条件，以达到处理的目的，从而确保堤坝的安全与稳定。通过近几年宿迁地区以及江苏省内一系列相关的填筑堤坝在软土地基上所采用的处理方式，同时针对筑堤所遇到的问题进行分析，有助于今后对堤坝在软地基上填筑提供可供选择的方案。

2 软基的基本特征

（1）工程上一般将上层孔隙比e≥1.5 称为淤泥，1.0≤e＜1.5 称为淤泥质土，故将软弱土的土类统称为软土。

（2）软土的一般特性为含水量高、孔隙比大。一般含水量在45%以上，高的可达90%左右，e>1.0，抗剪强度低。软土快剪凝聚力c<20 kPa，大多在10 kPa 左右，土内摩擦角φ<5°，压缩性高。软土压缩系数一般大于0.5 MPa-1，且随液限的增大而增大。

（3）软土的另一个重要特性为渗透性小，渗透系数一般在A×10-7cm/s以下，渗水性极差，灵敏度高，含水饱溶度大，不易逸出。

（4）软基的土质层面经不住扰动，尤其当荷载在短时间内加载较快，一旦大于极限值，易产生液化，使其层面抗剪强度显著降低，导致产生垂直变形和水平位移，并极易出现大面积滑动。

（5）在软基上填筑的堤坝工程特性较差，填筑难度也较大，因此在施工前，首先要对地基进行必要的处理，以改善土基物理力学性能，促进提高地基承载力，才能保证堤身整体安全度。

3 失稳分析及机理

（1）从理论上讲，引起软土地基堤坝滑动破坏的主要原因在于软弱地基中某个面上的剪应力超过了抗剪强度，使稳定平衡遭到了玻坏。主要有三方面因素：一是剪应力增加。往往在堤坝施工中填土荷载的增加以及加载过快，会造成地基变形。二是软土地基本身抗剪强度减小。如：孔隙水应力的升高，气候变化产生的干裂、冻融，粘土夹层以及高岭土（膨胀土）因浸泡软化（液化）而产生粘性土的蠕变等。三是一次性脱水过快也会引起土体收缩而产生变形，导致地基失稳。

（2）对堤坝工程进行稳定分析时，通常是假想将原地基与填筑交界面作为滑动面，将以上土体看作刚体，并以其为脱离体，分析在极限平衡条件下其上各种作用力，以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义安全系数，即：

式中:

Fs—堤坝稳定安全系数；

rr—滑动面土体的平均抗剪强度；

r—作用于滑动面上的平均剪应力。

Fs>1，土体处于稳定状态；Fs<1，土体处于滑动状态或有滑动趋势；Fs=1，土体处于临界状态。因此，要使处于滑动状态或有滑动状态趋势的土体达到稳定状态，必须满足Fs>1（堤坝工程等级不同，取值也不同，通常在1.05～1.30 之间）。处理方法通常有两种：一是提高土体的抗剪强度，使孔隙水应力充分消散，如对地基进行加固等；二是减小作用在土体上的剪应力，如减小堤坝的横断面积，尽量避免对堤坝和基体的扰动，防止因产生土体的液化而造成失稳。

（3）变异性地基也会造成地基条件变化，如：高岭土（膨胀土）一旦遇水浸泡、脱水都会成为形成软土地基的基本条件。宿迁地区▽5.0 m 以下高岭土较为典型，基础不仅怕水浸泡，又不能过份脱水，在此基础上筑堤时，稍不注意就会因地基产生较大变形而造成堤身失稳。因此，尤其要重视地下水位的合理控制，关于这种类型土，其含水量在多少为宜才不致形成变形，要根据各自不同的土质情况，做取样、试验，而不能盲目实施，否则会产生失稳的问题。

（4）人为因素也是引起堤坝失稳的重要方面，尤其在软土地基上填筑，故从安全考虑，设计强调了填筑的速率，但往往被施工者所忽视。筑堤速率过快带来地基压缩变形过大，从而导致地基破坏产生滑动的例子不少。较典型的实例是：在2000年入海水道阜宁淤土段施工中，南北堤为Ⅰ、Ⅱ级堤防，由于对速率控制进土概念把握不足，在一段时间内形成连续3 d 进土，结果其高度不但上不去，甚至还有所降低，起初认为测量发生了误差，后来才发现是发生了沉降，主要是上土速率过快所致。据资料查证，最大一次沉降量达到0.43 m，最终沉降量在北堤达到1.14 m，平均沉降量在0.6 m 左右，故通过具体查证得出结论：断面越大，沉降量越大。实践证明，在软土基础上施工必须进行速率控制，否则会带来堤身失稳。

（5）其他原因诱发导致筑堤失稳。河床开挖积土放置离河床太近，会引起河床滑动，导致堤身位移。如：2013年宿迁市东沙河治理工程中，有2 km 范围为含水量较高的淤泥层（含水量达45%），挖掘机开挖河床后，积土就作为筑堤的土料放置在堤身断面上，因未采取任何工程措施，堤身短时间内堆高2.5 m，造成边载增大，诱发河床形成圆弧滑动，导致2 km范围堤土全部滑入河床中。

4 筑堤的几种方式

目前对软土地基的施筑，针对不同的情况，形成了多种施筑方式，归纳起来有以下几种。

4.1 堤身自重挤淤法

即通过逐步加高堤身，将处于流塑态的淤泥或淤泥质土外挤，并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥质土中的孔隙水应力逐步充分消散，使有效应力得到增加，从而提高地基抗剪强度的方法。在挤淤过程中为了减少不均匀沉降的产生，应放缓堤坡，一般在1∶5～1∶10 之间，逐步减慢堤身填筑速度，在加载过程中通过观测变形控制进土速率。一般每天堤身变形不得大于10 mm，依据入海水道的工程实践，每天进土高度不得大于50 cm，施工期间尤其要注意中后期时段内的速率控制，同时要对水平、垂直变形进行观测。此方法在地基呈流塑状态的淤泥且淤泥较厚的地基上运用，其地基淤泥层一般可达10～20 m 左右。淮河入海水道阜宁淤土段和亚淤土段40 km 范围内堤防工程就采用了此施工方案，并运用了速率控制。堤基变化规律是从不稳定到规则性的沉降，再到小的沉降，一般达到最终沉降需要经过一年的时间，堤身才趋向稳定。经对资料查证，该段北堤堆堤起始高程5.0 m，顶高10.5 m，而最大变形发生在真高7.0～10.0 m 之间，因此，注重施工中后期时段内的沉降控制十分必要。

4.2 抛石挤淤法

把一定数量的块石抛在需处理的淤泥或淤泥质土地基中，将原基础处的淤泥或淤泥质土挤走，从而达到加固地基的目的。一般按以下要求进行：将不易风化的石料（尺寸一般不宜小于30 cm）抛填于被处理堤基中，抛填方向根据软土下卧地层横坡而定。横坡平坦（＜1∶5）时自地基中部渐次向两侧扩展；横坡较陡（＞1∶5）时，自高侧向低侧抛填。最后在上面铺设反滤层。该方法施工技术简单，常用于处理工期较紧、淤泥土层较浅（一般厚2 m 左右），且又地处海口、施工受潮汐影响的工程中，可起到防冲刷的作用。连云港市徐圩新区地临黄海，2012年度海堤应急加固工程共9 km 临海护坡石笼护脚项目中，表面清杂存在一定深度的淤泥，又受潮汐影响，故采用了在设计标高位置上抛石挤淤法，将挤溢出的淤泥清尽后，再次通过块石挤淤、填充、整平后进行上层面石笼的筑砌，此法基本满足了石笼护脚技术要求，使整体石笼布置成型，较好地起到了护脚作用。

4.3 垫层法

把靠近堤防基层不能满足设计要求的软土挖除，代以人工填砂、碎石、石渣等强度高、压缩性低、透水性好、易压实的材料作为持力层，这些垫层材料不仅可以就地取用，价格便宜，且施工工艺较为简单。该法在软土埋深较浅、开挖土方量不太大的场地较常采用，还用在堤身与交叉建筑物的地基处理中，又称“换土”法，可提高地基承载力，确保整体使用的安全。泗洪县安东河节制闸除险加固工程中，对闸身地基处理就采用了“换土”法，将高岭土置换成水泥复合土，以提高地基承载力，确保整个工程的安全。

4.4 预压法

即在排水系统和加压系统的配合作用下，使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系统有：水平排水垫层、排水砂沟或其它水平排水体，竖直方向的排水砂井或塑料排水板。加压系统有：堆载预压、真空预压或降低地下水位等。当堆载预压和真空预压联合使用时又称堆载预压法。基木做法如下：先将待加固范围内的植被和表土清除，上铺砂垫层，然后垂直下插塑料排水板，砂垫层中横向布置排水管，用以改善加固地基的排水条件，再在砂垫层上铺设密封膜，用真空泵将密封膜以内的地基气压抽至80 kPa 以下。该方法往往加固时间较长，抽真空处理范围有限，故适用于工期要求较宽的淤泥或淤泥质土地基处理。在淮河入海水道淤土段和亚淤土段穿堤建筑物地基处理中采用了此方法，但对于流态特性很强的软粘土、泥炭土则不宜采用此法。

4.5 复合地基法

（1）砂桩、碎石桩主要是在振动和冲击荷载作用下，先于地基中成孔，再在孔内分别填入砂、碎石等材料，并分层振实或夯实，使地基得以加固。用砂桩、碎石桩加固软粘土地基时，地基上加固初始强度不能太低（初始不排水抗剪强度一般要求大于20 kPa），故对太软的淤泥或淤泥质土则不宜采用。

（2）石灰桩、二灰桩是在桩孔中灌入新鲜石灰，或在生石灰中掺入适量粉煤灰和火山灰（常称为二灰），并分层击实而成。其是通过生石灰的高吸水性、膨胀后对桩周土的挤密作用、离子交换作用以及与空气中的CO2和水发生酸化反应使被加固地基强度提高的。

（3）深层搅拌桩是通过搅拌机沿深度将水泥、石灰等固体材料与地基强制就地搅拌而成桩。旋喷桩是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度后提升，同时喷嘴以一定速度旋转，并高压喷射浆液与土体混合凝固硬化而成桩。其加固机理类似于石灰桩，所成桩与被加固上体相比，强度大、压缩性小，适用于冲填土、软粘土和粉细砂地基的加固。但对有机质成分较高的地基土加固效果较差，宜慎重对待，对于塘泥土、泥炭土等有机质成分的土层禁用。此方法分为湿喷和干喷，地基土质含水量达到35%以上可用干喷。在南水北调三阳河道项目中，对堤坝固坡采用了这种方法，因该处土质含水量达到48%，故采用干喷的方法进行搅拌。水泥掺量为25%，主要为满足河床边坡稳定要求，根据对河坡的稳定计算，河坡1∶6 才符合安全、稳定的需要，因此从安全和节约土地资源角度出发，采用了干喷深层搅拌桩的施工方法，其效果较为明显，对该段固坡的护坡稳定起到了积极的作用。实施后河坡为1∶3，既节约了土地资源，又达到了河床稳定效果。

4.6 劈裂灌浆加固法

二次复堤加高，一般是为了解决老堤高度不够通过加高达标而形成的整体稳定问题，采用劈裂灌浆加固技术，能使原有堤身形成连续粘土帷幕，减少老堤身的孔隙比，从而确保复堤加固的安全。此种方法运用在新沂河、入海水道（南堤）加固项目中效果较佳。入海水道南堤在原有老堤身▽7.0 m 基础上加至▽10.5 m，加高3.5 m 均未出现溃堤、滑动的问题，尤其在最终沉降量上显示，南堤仅是北堤的1/3，一般最终沉降30 cm。由此看出，针对不同项目，采用不同方式对软基进行处理和改善，所取得的成效才更显著。

4.7 土工合成材料加筋固法

将土工合成材料平铺于堤防地基表面进行地基加固，能使堤防荷载均匀分散到地基中。当地基可能出现塑性剪切破坏时，土工合成材料将起到阻止破坏形成或减小破坏发展范围的作用，从而达到提高地基承载力的目的。此外，土工合成材料与地基土之间的相互摩擦将限制地基土的侧向变形，从而增加地基的稳定性，此种方法也可称之为“软体”沉排，在巩固堤防的纵向整体稳定效果上较佳。宿迁东沙河项目实施中，发现局部段地基土质较软，土料含水量较大，故采用了此方法，应用后堤身未出现大的滑动变形情况。

5 结论

以上分别为7 种软基筑堤方式在不同工程中的运用，其效果明显。由于工程性质不一样，要求的效果也不一样，故应针对不同情况分别对待，正确选取适宜的处理方案。单从经济投资角度上考虑，采用挤淤法与人工控制速率相结合，其费用是其它费用的1/3 左右，相对较低，安全性也可以得到保证。但是，需要的施工期相对较长，是其它工程周期的3 倍。总之，不同工程、不同投资、不同地段条件，需采用不同的处理方法，才能确保满足各工程工期、安全等多方面的要求。