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軟土地基的工程特性與加固處理
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，在軟土地基上修筑路基已非常普遍。對(duì)公路軟土地基的成功處理，往往也成為提高建設(shè)速度、確保工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)的重要措施之一。文章首先從軟土的工程特性出發(fā)，分析了軟土地基的特點(diǎn)，探討了軟土地基常見(jiàn)的加固方法，提出了軟土地基加固處理應(yīng)考慮的因素。
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，高等級(jí)公路建設(shè)也得到了快速發(fā)展。同時(shí)對(duì)線形指標(biāo)的選用也隨之提高，從而不可避免地帶來(lái)公路路基穿過(guò)軟土地區(qū)的情況。因此，在軟土地基上修筑路基已非常普遍。對(duì)公路軟土地基的成功處理，往往也成為提高建設(shè)速度、確保工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)的重要措施之一。但在軟土地基上修建道路時(shí)，若對(duì)地基處理不當(dāng)，有可能因地基沉降或差異沉降過(guò)大而影響道路的正常使用功能。軟土地基的加固處理質(zhì)量直接影響到路基的基礎(chǔ)承載力，也是保證道路建成后安全、高效運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。所以選擇合理的軟基加固處理方案及方法并快速實(shí)施，從而取得預(yù)期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，就具有重大的實(shí)際意義。
一、軟土的工程特性與危害
（一）軟土的定義
軟土一般是指在靜力或緩慢流水環(huán)境中以細(xì)顆粒為主的近代沉積物。這類土的物理特性大部分是飽和的，含有機(jī)質(zhì)，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。當(dāng)天然孔隙比大于1.5時(shí)，稱為淤泥，天然孔隙比大于1而小于1.5時(shí)，則稱為淤泥質(zhì)土。工程上將淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土、沖填土、雜填土和飽和含水黏性土統(tǒng)稱為軟土。
（二）軟土的工程特性
軟土的性質(zhì)與地基土的成層構(gòu)造、沉積年代、成因類型有密切關(guān)系。不同年代和成因的軟土，其物理性質(zhì)指標(biāo)盡管可能相近，但作為地基，工程性質(zhì)卻可能相差很大。
1．含水量較高。因?yàn)檐浲恋某煞种饕怯烧惩亮＝M和粉土粒組組成，并含少量的有機(jī)質(zhì)。粘粒的礦物萬(wàn)分之二為蒙脫石、高嶺石和伊利石。這些礦物晶粒很細(xì)，呈薄片狀，表面帶負(fù)電荷，它與周圍介質(zhì)的水和陽(yáng)離子相互作用，形成偶極水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地質(zhì)環(huán)境下沉積形成各種絮狀結(jié)構(gòu)。因此這類土的含水量比較高。
2．透水性差。軟土的滲透系數(shù)一般在1×10-6～1×10-8cm/s之間，所以在荷載作用下固結(jié)速度很慢。當(dāng)?shù)鼗杏袡C(jī)質(zhì)含量較大時(shí)，土中可能產(chǎn)生氣泡，堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎(chǔ)的沉降拖延很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定，同樣在荷載作用下地基土的強(qiáng)度增長(zhǎng)也是很緩慢的。
3．壓縮性較高。一般正常固結(jié)的軟土層的壓縮系數(shù)約為0.5～1.5Mpa-1，最大可達(dá)到4.5Mpa-1；壓縮指數(shù)約為0.35～0.75。天然狀態(tài)的軟土層大多數(shù)屬于正常固結(jié)狀態(tài)，但也有部分是屬于超固結(jié)狀態(tài)，近代海岸灘涂沉積為欠固結(jié)狀態(tài)。欠固結(jié)狀態(tài)土在荷重作用下產(chǎn)生較大沉降。超固結(jié)狀態(tài)土，當(dāng)應(yīng)力未超過(guò)先期固結(jié)壓力時(shí)，地基的沉降很小。
4．流變性強(qiáng)。在荷載的作用下，軟土承受剪應(yīng)力的作用產(chǎn)生緩慢的剪切變形，并可能導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減，在主固結(jié)沉降完畢之后還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。
（三）軟土的工程危害
根據(jù)上述軟土的特點(diǎn)，以軟土作為公路的地基是十分不利的。
（1）地基抗剪強(qiáng)度不夠引起路堤側(cè)向整體滑動(dòng)，邊坡外側(cè)土體隆起；
（2）人工構(gòu)造物與路堤銜接處產(chǎn)生差異沉降，引起跳車；
（3）路堤的變形以及地下水位過(guò)高，將導(dǎo)致路面的破壞。因此，在軟土地基上進(jìn)行路基施工，都要求對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。其處理的目的主要是改善地基土的工程性質(zhì)，達(dá)到滿足建筑物對(duì)地基穩(wěn)定和變形的要求，包括改善地基土的變形特性和滲透性，提高其抗剪強(qiáng)度和抗液化能力，消除其他不利的影響。
二、軟土地基常見(jiàn)的加固方法
軟土由于具有含水量高、壓縮性大、透水性差和流變性強(qiáng)等工程特性，一般不能直接作為天然地基使用，需經(jīng)過(guò)加固處理以減小道路路基在荷載作用下引起的沉降或不均勻沉降。軟土路基處理方法較多，分類也各有不同，常用的處理方法主要有：
（一）表層排水法
表層排水法是在路基填筑前，在地面開(kāi)挖水溝，以排除地表水，同時(shí)降低地基表層的含水量，確保施工機(jī)械的作業(yè)條件，為了使開(kāi)挖水溝在施工中發(fā)揮盲溝作用，常用透水性良好的砂礫回填。水溝布設(shè)應(yīng)全面考慮地形與土質(zhì)情況，使排水暢通。水溝斷面尺寸一般取寬0.5m，深0.5～1.0m。路堤填筑前，宜用砂礫回填成盲溝，若埋設(shè)孔管，必須用良好的過(guò)濾材料保護(hù)。
（二）強(qiáng)夯法
強(qiáng)夯法是反復(fù)將重錘提到高處使其自由落下夯擊地基，從而使地基的強(qiáng)度提高、壓縮性得到降低的方法。強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、粉土、粘性土、雜填土和素填土等地基，它不僅能提高地基的強(qiáng)度、降低其壓縮性、還能改善其抗振動(dòng)液化的能力和消除土的濕陷性，所以還常用于處理可液化砂土地基和濕陷性黃土地基等。強(qiáng)夯法對(duì)于飽和度較高的粘性土，一般來(lái)說(shuō)處理效果不顯著，尤其是淤泥和淤泥質(zhì)土地基，處理效果更差。因此在強(qiáng)夯時(shí)，為了取得更好的效果，根據(jù)軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，可以采用綜合加固方法進(jìn)行，但是此種方法費(fèi)用較高，對(duì)路基大面積采用得不償失。
（三）換填法
換填法就是將基礎(chǔ)地面以下不太深的一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后以質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填，并同時(shí)以人工或機(jī)械方法分層壓、夯、振動(dòng)，使之達(dá)到要求的密實(shí)度，成為良好的人工地基。當(dāng)?shù)鼗浫跬翆虞^薄，而且上部荷載不大時(shí)，也可直接以人工或機(jī)械方法進(jìn)行表層壓、夯、振動(dòng)等密實(shí)處理，同樣可取得換填加固地基的效果。換填法適用于淺層地基處理，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結(jié)的回填土等地基處理以及暗塘、暗洪、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。換填法還適用于一些地域性特殊土的處理：用于膨脹土地基可消除地基上的脹縮作用，用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性，用于山區(qū)地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差，軟硬不勻以及巖溶與土洞等，用于季節(jié)性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。
（四）土工合成材料法
土工合成材料是以人工合成的聚化物為原料制成的各種類型產(chǎn)品?？芍糜趲r土或其它工程結(jié)構(gòu)內(nèi)部、表面或各種結(jié)構(gòu)層之間，具有過(guò)濾、防滲、隔離、排水、加筋和防護(hù)等多種功能，發(fā)揮加強(qiáng)、保護(hù)巖土或其它結(jié)構(gòu)功能的一種新型巖土工程材料。比如在土體中放置了筋材，構(gòu)成了土體-筋材的復(fù)合體。由于土的抗拉抗剪性能差，在土體中加筋，以筋材料為抗拉構(gòu)件，與土產(chǎn)生相互摩擦作用，限制其上下土體及土體的側(cè)向變形，等效于給土體施加了一個(gè)側(cè)壓力增量，從而增強(qiáng)土體內(nèi)部的強(qiáng)度和整體性，提高土體的抗剪強(qiáng)度。
（五）水泥攪拌樁法
水泥攪拌樁加固軟土地基的機(jī)理主要是通過(guò)水泥的水解和水化反應(yīng)及水泥水化物與黏土的化學(xué)反應(yīng)及碳酸化作用，而形成強(qiáng)度相對(duì)較高的樁體與樁周軟土一起形成復(fù)合地基，以起到提高地基承載力、增強(qiáng)路基穩(wěn)定性及減少路基沉降的作用。水泥攪拌樁目前有噴漿法（濕法）和噴粉法（干法）之分，均通過(guò)深層攪拌機(jī)械將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，固化劑采用水泥漿液時(shí)，稱為水泥漿攪拌樁法或濕法，固化劑采用水泥粉時(shí)，稱為粉體攪拌樁法或干法。一般認(rèn)為濕法水泥劑量容易控制，攪拌均勻，成樁質(zhì)量較為可靠，而干法噴粉量相對(duì)較難控制攪拌質(zhì)量不容易控制，成樁質(zhì)量相對(duì)較差，濕法質(zhì)量有保證的成樁長(zhǎng)度也比干法成樁長(zhǎng)度大，但干法采用粉體作固化劑，不再向地基中附加水分，反而能充分吸收軟土的自由水，因此，加固后地基的初期強(qiáng)度較高，特別是對(duì)高含水量的軟土加固效果顯著，在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。
三、軟土地基加固處理應(yīng)考慮的因素
（一）路基狀況
在路基加固中，在軟土層淺而薄的情況下，常用簡(jiǎn)單的表層處理法。重要的構(gòu)造物基礎(chǔ)常用開(kāi)挖換填法。若軟土層較厚，應(yīng)使用其他方法配合表層處理法。夾有砂層且厚度較薄的軟土層，一般采用表層處理法、強(qiáng)夯法等方法，即使是5cm的砂層也是有效排水層，在土質(zhì)調(diào)查中不要遺漏。軟土層厚且無(wú)砂層的情況，因排水距離長(zhǎng)，固結(jié)沉降需很長(zhǎng)時(shí)間，強(qiáng)度也不增長(zhǎng)。因此，沉降處理常用表層排水法。在淺層部位堆積有4m以上厚度砂層，以下為軟弱粘土層的情況。一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定不成問(wèn)題，只需沉降處理，常用強(qiáng)夯法。
（二）道路性質(zhì)
我們知道，道路等級(jí)愈高，平整度愈重要，愈需要采取有效的沉降處理措施。等級(jí)較低時(shí)，可先鋪簡(jiǎn)易路面，待沉降結(jié)束后，再鋪正式路面以節(jié)約資金。同時(shí)路堤的設(shè)計(jì)高度與寬度也是選擇處理方法時(shí)要考慮的重要因素。如采用換填法時(shí)，寬而低的路堤易發(fā)生局部破壞；反之窄而高的路堤，下面易被換填。在設(shè)計(jì)高度大而穩(wěn)定有危險(xiǎn)的情況下，采用強(qiáng)夯法將受到限制。還有路堤越寬越高，則地基產(chǎn)生壓力球的根部越深，而引起深處粘土層沉降。
（三）施工環(huán)境
不同的施工環(huán)境選用的處理方法不同，經(jīng)濟(jì)性也不同。比如噪音、振動(dòng)地基及地下水的變化和排出的泥水等，在選擇施工方法時(shí)必須考慮。同時(shí)在路堤高度較而地基特別軟弱的情況下，周圍地基經(jīng)常發(fā)生大的隆起或沉降。這樣，在路堤坡腳附近有民房和重要構(gòu)造物時(shí)，應(yīng)考慮以減小總沉降量且控制剪切變形的方法為主要措施。不能采用這類方法時(shí)，應(yīng)考慮事先對(duì)可能受影響的構(gòu)造物加以保護(hù)，否則應(yīng)考慮以高架構(gòu)造物代替路堤。
總之，軟土地基的加固處理質(zhì)量直接影響到路基的基礎(chǔ)承載力，也是保證道路建成后安全、高效運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，我們一定要加以重視。
