软土地基的特性及处理方法探析

2018-05-17

四川水利 2018年2期

(四川南充水利电力建筑勘察设计研究院，四川南充，637000)

1 软土地基的特性

软土地基是指压缩层主要由淤泥、淤泥质土或其他高压缩性土构成的地基。工程上通常把天然孔隙比大于或等于1.5的亚粘土、粘土称为淤泥，而把孔隙比大于1.0小于1.5的粘土称为淤泥质粘土或淤泥质亚粘土。软土地基承载能力很低，一般不超过50kN/m2，是工程地质性质最差的土质，其主要物理力学特性如下：

1.1 物理性质

(1)颗粒级配和矿物成分：软土的主要颗粒成分由粘粒土和粉粒土组成，其中以粘粒土的含量较高，可达60%～70%；主要矿物成分为高岭石、蒙脱石和伊利石，同时含有大量的有机物腐殖质，颜色呈深灰或暗绿色，有臭味。

(2)孔隙比和天然含水量：软土的天然孔隙比一般在1～2之间；一般含水量在40%～80%之间，一般大于液限，少数含泥炭的粘土，其含水量往往大于80%甚至高达200%，其相应的孔隙比大于2或高达6。

1.2 力学特性

(1)压缩性高：淤泥和淤泥质土一般都具有高压缩性，其压缩系数一般都大于0.05cm2/kg，有些可达0.2cm2/kg以上，建造在这种软土上的建筑物将发生较大的沉降，尤其是沉降的不均匀性，会造成建筑物的开裂和损坏。

(2)透水性弱：软土含水量大，可透水性却很小，渗透系数多在10-6cm/s～10-8cm/s之间。由于透水性微小，土体受荷载作用后，往往呈现很高的孔隙水压力，影响地基的压密固结。

(3)抗剪强度低：软土通常呈软塑～流塑状态，在外部荷载作用下，抗剪性能极差，根据部分资料统计，我国软土无侧限抗剪强度一般小于30kN/m2。不排水剪时，其内摩擦角φ几乎等于零，抗剪强度仅取决于凝聚力c，c<30kN/m2，固结快剪时，φ一般为5°～15°。因此，提高软土地基强度的关键是排水。如果土层有排水出路，它将随着有效压力的增加而逐步固结。反之，若没有良好的排水出路，随着荷载的增大，它的强度可能衰减。在这类软土上的建筑物尽量采用“轻型薄壁”，减轻建筑物荷重。

(4)灵敏度高：软粘土上尤其是海相沉积的软粘土，在结构未被破坏时具有一定的抗剪强度，但一经扰动，抗剪强度将显著降低。软粘土受到扰动后强度降低的特性可用灵敏度(在含水量不变的条件下，原状土与重塑土无侧限抗压强度之比)来表示，软粘土的灵敏度一般在3～4之间，也有更高的情况。因此，在高灵敏度的软土地基上筑堤时应尽量避免对地基土的扰动。

(5)具有一定的流变性：软土的流变性比较明显，在剪应力作用下，常发生缓慢的剪切变形，导致抗剪强度的衰减。

2 软土地基处理方法

在水利水电工程建设中，通常会遇到很多强度很低，压缩性大，透水性差，灵敏度高的软土地基，不易满足水工建筑物地基设计要求，故需进行处理。软基处理的焦点主要是解决由于外荷载引起的地基中剪应力增大和软土强度较小不相适应的矛盾以及地基的不均匀沉降问题。为解决这些矛盾，一般可从两个方面入手：一是改善建筑物的形状或结构，如采用轻型薄壁结构，或选择与变形相适应的结构型式和材料，减小地基中的剪应力，避免地基土的剪切破坏和不均匀沉降变形；二是通过地基土的排水固结或其它物理化学方法，提高地基土的抗剪强度，改善土的物理力学性质，或者在软土中打入强度较大的筋材，组成复合地基，从而提高地基土层的工作能力。

下面结合工程实践，具体介绍几种软土地基的常见处理方法。

2.1 排水固结法

排水固结法是解决淤泥软粘土地基沉降和稳定问题的有效措施，它是通过改善地基的排水条件，把土中水排走，使土固结，提高土的强度，改善其变形特性，达到加固的目的。它由排水系统和加压系统两部分组合而成。排水系统是在地基中设置排水体，利用地层本身的透水性由排水体集中排水的结构体系；加压系统一般是利用建筑物本身的荷载，控制施工加压速度，来达到逐级预压固结，使大部分沉降在预压过程中完成，地基强度也相应的提高，从而减少建筑物的的沉降，增大地基的稳定性。

工程中常用的排水固结法有排水砂井预压法、排水纸板和排水塑带法、真空预压法以及井点降水预压法等。它们主要应用于土石坝和堤防工程中，这里主要介绍砂井预压法和效益较高的塑料排水板处理淤泥软基的方法。

2.1.1 排水砂井预压法

砂井预压法可处理厚度较大的软土地基(最大厚度可达20m)，设计的关键是合理选择井径、间距、深度和砂井布置范围以及拟订预压加荷计划。

2.1.1.1 井径、间距、深度选择与砂井布置范围

(1)砂井直径和间距的选择

一般来说，采用“细而密”的原则选择砂井直径和间距比较合理，因为在同一井径条件下，砂井的间距减小一半，固结时间缩短约三倍，而在同一间距条件下，井径增大一倍，固结时间只减少约三分之一。但是，砂井太细，不能保证灌砂的连续性和密实性，不能确保砂井的质量；砂井间距太小，则可能使砂井周围土的结构被挤压而破坏，所以选择合理的井径比非常重要。对打入钢套管施工的砂井，井径一般采用30cm～40cm，间距则按一定的井径比选择，工程上常用的井径比(间距和直径比)n=6～8。对于袋装砂井，通过计算确定井径比，一般以n=10～20为宜。

(2)砂井深度和布置范围确定

从稳定和沉降方面考虑，砂井应穿过地基潜在滑动面和主要受压区，若软土层厚度不大，且下卧层有透水的砂砾石层时，砂井可穿越软土层而达至砂砾石层，这样有利于排水固结。但对有防渗要求的堤坝，一般可打至距离透水砂砾石层2m左右。砂井范围一般布置在建筑物基础下面，但为了防止基面的剪切破坏，可适当扩大到基面外一定范围，一般扩大一到两排即可。为保证砂井排水畅通，在砂井顶部设置1.0m左右的排水砂垫层。

2.1.1.2 拟订预压加荷计划

拟订合理的加荷计划，适当控制加荷速率，使由于固结而增长的强度，适应由于荷载而增长的剪应力，是直接影响砂井预压成败的关键。

首先确定各级容许施加的荷载Pi，以及在相应荷载作用下地基强度的增长，一般采用费兰纽斯极限荷载公式估算：

式中：F——安全系数，一般采用1.1～1.2；

Cu(i-1)——施加第i-1级荷载后，达到一定固结度的地基强度；i=1时，Cu0为天然地基不排水剪切强度。

Cu(i-1)=η(Cu(i-2)+△τc)

式中：η——时间效应折减系数，一般取0.75～0.85，时间长，塑性小的，取大值，反之取小值；

式中：U——固结度，通常假设为70%；

△σz——在第i-1级荷载增量作用下，软土层的平均深度z的竖向应力；对均布荷载△σz=KcP；

Kc——均布荷载附加应力系数，查相关规范；

P——均布荷载强度(kPa)。

确定各级施加荷载和相应地基增长强度之后，还要计算达到某一固结度(70%)所需停歇的时间t。

式中：t——从零点算起的时间(d)，如下图1所示；

△Pi——第i级荷载的加载速率(kPa/d)；

∑△Pi——各级荷载的累加值(kPa)；

Cv，CH——竖向和水平向排水固结系数，通过试验确定；

H——竖向排水距离；

de——砂井的有效影响直径，de=1.05L(梅花形布置)，或de=1.128L(正方形布置)；

L——井距；

dw——砂井直径。

图1 加荷计划

按照计算结果，控制施工速度和进度，同时在施工中随时注意观察和进行现场测试。

钱塘江口的杜湖水库就是利用砂井处理软基的土坝，坝基为淤泥质粘土，平均厚度15.5m，其下为砂砾石层，淤泥质粘土的天然十字板试验强度平均为17.8kPa，在这样的地基条件下，若不进行地基处理，只能填筑4m～5m的坝高。而本坝设计高度17.5m，设计坝基采用砂井处理，砂井直径42cm，间距3.0m，井深14m。随着坝体填筑高度的逐渐增加，地基逐渐固结，坝基抗剪强度也逐渐增大，历时两年，当坝填筑到14m，现场十字板试验强度平均值为57.2kPa，当坝填筑到16m时，现场十字板试验强度平均值为69.0kPa，相当于天然地基强度的4倍，由于地基强度的增长，使原来只能承受4m～5m坝体的地基，可以顺利地填筑到设计高程17.5m。

2.1.2 排水纸板和排水塑带法

用排水塑带或纸板代替排水砂井，一方面可以保证质量，另一方面便于施工，提高效率，是一种效率较高的排水固结地基处理方法。它是在软基中插入排水板带，当填筑基础及上部建筑物时，荷载作用于软基，地下水由于受挤压和毛细作用沿塑料排水板上升至砂垫层内，由砂层向两侧排出，从而提高基底承载力。塑料排水板要在砂垫层完成后施工，由测量人员测量出需处理范围，标出每根排水板具体位置，插板机对中调平，把排水板在钻头安放好，开动打桩机锤打钻杆，将地面上塑料排水板截断，并留有一定富余长度，在塑料排水板四周填砂后即完成本根施工。福建省福清过桥山围垦海堤淤泥软层最深达10余m，采用塑料排水带排水固结处理取得成功。

2.2 换土法

当淤土层厚度较簿时，可采用淤土层换填砂壤土、灰土、粗砂、水泥土及采用沉井基础等办法进行地基处理，一般应就地取材，或采用与堤坝填料相同的材料填筑。换土法要回填有较好压密特性土进行压实或夯实，形成良好的持力层，从而改变地基承载力特性，提高稳定能力和抗变形能力，施工时应注意保证填料质量，填料应分层压实或夯实，保证填筑质量。

2.3 筋材加固法

筋材加固法是通过各种技术措施，在地基中增加强度较大的筋材，与原地基组成复合地基，从而改变地基的强度和变形特性。工程中常用的筋材加固法主要有：桩基法和加筋土法等。

2.3.1 桩基法

当淤土层较厚，难以大面积进行深处理时，可采用打桩的办法进行加固处理。而桩基础施工技术多种多样，水利工程中的堤坝工程，一般采用振冲碎石桩较多，建筑和桥梁工程中采用混凝土和钢筋混凝土桩较多。

2.3.1.1 振冲碎石桩

对淤泥厚度不大于10m，且天然地基不排水强度Cu>20kPa的软土地基，可采用振冲碎石桩法对地基进行处理，形成强度较高的复合地基。

(1)布置：对于堤坝的大面积地基，碎石桩一般布置成正三角形，对条形或独立基础，可采用正方形布置；一般桩径取80cm～120cm，中心间距取150cm～250cm，荷载越大，原地基强度越低，则桩径越大，间距越小，反之亦然。

(2)长度：桩的长度一般根据工程对地基要求确定，若软土厚度不大(小于10m)，可把碎石桩伸至硬层。一般碎石桩顶部施工密度不易达到要求，因此一般将顶部1.0m左右挖去，铺30cm～50cm厚的碎石层，然后在上面做基础。

(3)施工质量控制：关键是对施工中所用水、电、料三者的控制。

①水的控制：主要是水量和水压，水量要充足，必须保证充满全孔，以防塌孔，但不易过量，以防冲孔。强度较低的土，水压要小一些，反之宜大些。成孔过程中水压和水量宜大不宜小，达到设计深度时，要降低水压，加料振密过程中，水压和水量均应小些。

②电的控制：主要是控制振密过程中的密实电流，它由现场制桩试验确定，它是振冲器在固定深度上留振10s～20s的稳定电流，不能以瞬间最大电流作为密实电流。

③制桩材料：可用碎石、卵石、砂砾石等硬质材料，不宜采用风化石料，材料的含泥量不大于10%，填料粒径一般不大于5cm。填料过程一般遵从“少吃多餐”的原则。

2.3.1.2 钢筋混凝土预制桩

钢筋混凝土预制桩(钢筋混凝土桩和预应力管桩)目前由于具有较强承载力，投资省，质量有保证，施工速度快等特点，在水闸、渡槽、桥梁和建筑等工程中得到普遍运用。

2.3.2 加筋土法

加筋土是将抗拉能力很强的土工合成材料埋置于土层中，利用土颗粒位移与拉筋产生摩擦力，使土与加筋材料形成整体，减少整体变形和增强整体稳定性。现在常用的筋材有土工格栅和加筋土工格栅，它具有较高的抗拉强度，弹性大、耐久性好、质轻、价廉、易施工等特点，被工程界广泛应用。

2.4 灌浆法

利用气压、液压或电化学原理将能够固化的某些浆液注入地基介质中或建筑物与地基的缝隙部位。灌浆浆液可以是水泥浆、水泥砂浆、粘土水泥浆、粘土浆及各种化学浆材如聚氨酯类、木质素类、硅酸盐类等。软土地基一般采用高压旋喷灌浆法处理，它是通过在地基中高压旋喷灌浆形成水泥土摩擦桩，提高地基承载力，达到控制沉降变形的目的。灌浆法对加固淤泥软土地基具有明显效果，如某水库水闸由于淤泥软基不均匀，沉陷闸基沉降最大达到0.63m，加固时采用单管高压旋喷灌浆处理，每个闸墩上、下游侧和中间各设5个灌浆孔，沿闸墩轴线两侧布孔，灌注水泥浆，成桩直径0.5m，伸入闸基础10.5m，采用灌浆压力为20MPa，经过处理后闸基沉降基本得到控制。