软土地基处理方法概述

软土地基处理方法概述1我国软土地基发展史及概况在建筑工程和土木工程中经常会遇到软土地基，由于高层建筑、高速公路、高速铁路的发展，对地基的承载能力要求越来越高，天然的软土地基远远不能满足这些高档次的构造物对地基承载力的要求。我国对软土地基的处理按时间顺序分为几个不同的阶段，在20世纪70年代以前；受技术发展不成熟、经济条件贫乏的限制，大多是在设计中有意识地避开软土地段进行建设,以免加大工程投资，又给建筑物的使用带来不良后果；20世纪80～90年代，由于人口膨胀土地资源日益紧张，同时软土地基加固的技术也有了长足的发展，经济条件有所改善，各种软土加固理论得到了充分的应用与验证，软基加固技术也得到长足发展，在不同的领域里均有涉猎；到20世纪90年代以后,各种各样的软基处理技术已广泛地应用在各种建筑工程与土木工程中。2软土地基及其特征地基中常见的软土，一般是指处于软朔或者流朔状态下的粘性土。其特点是天然含水量大、孔隙比大、压缩系数高、强度低，并具有蠕变性、触变性等特殊的工程地质性质，工程地质条件较差。选用软土作为路基应用，必须提出切实可行的技术措施。这种土质如在施工中出现在路基填土或桥涵构造物基础中，最佳含水量不易把握，极难达到规定的压实度值，满足不了相应的密实度要求，在通车后，往往会发生路基失稳或过量沉陷。其危害性显而易见,故禁止采用。在软土地基上修筑路堤，特别是桥头引道，如不采取有效的加固措施，就会产生不同程度的坍滑或沉陷，导致公路破坏或不能正常使用。软土地基下沉的一个主要原因是软土地基的沉降，包括瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。根据沉降标准，按我国现行的有关规定，用容许工后沉降——路面设计使用年限内的剩余沉降来控制(其值见有关设计标准)。一般地，除要确保新填筑路基的密实度以减少沉降外，包括原地面的地基总沉降必须达到基本稳定，沉降量大致达到总沉降量的80%以上时，才容许铺路面。软土地基沉降严重时，不仅增加填方数量，而且沉降或水平位移对临近填土的桥台、挡土墙、涵洞，甚至对附近的住宅、农田以及路线的技术标准都会产生很大的影响。为此，首先应做好深入细致的工程地质勘探工作，充分研究已有地质资料，采取调绘、钻探、原位测试及物探等综合勘测手段。查明路段所处的地形、地质、水文、气候、径流条件等自然环境条件和路基排水条件，明确松软土层的成因、类型、分布范围及其在路线通过地带分布的具体情况，确定软土层在纵向、横向的分布厚度、层次、各层土的土质及物理力学性质(如天然容重量、天然含水量、塑限、液限、孔隙比、内聚力、内摩擦角、承载力及渗透系数等)。根据地基土的工程特性，选用适当的处理措施。3软土地基处理方法分类及应用范围经过长期的实践，在公路、铁路中形成了多种形式的软土地基处理方法，结合本企业多年施工经验及有关专家学者的论述进行总结归纳如下：3.1换填垫层法当软弱土层厚度不很大时，可将路基面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后换填强度较大的土或其它稳定性能好、无侵蚀性的材料(通常是渗水性好的中粗砂)称为换填或垫层法。此法处理的经济实用高度为2～3m，如果软弱土层厚度过大，则采用换填法会增加弃方与取土方量而增大工程成本。通过换填具有较高抗剪强度的地基土，从而达到增强地基承载力的目的，满足构筑物对地基的要求。主要加固方法有换填、抛石挤淤、垫层、强夯挤淤几种。垫层法根据材料的不同可分为砂(砾石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层。代表方法有砂垫层法及换填法。砂砾垫层：当路堤高度小于极限高度的2倍，软土层较薄，填筑材料比较困难，或雨季施工时，采用砂砾(砂)垫层，在填土与基底之间设一排水面，从而使地基在受到填土荷载后，迅速地将地基土中的孔隙水排出，加快固结速度，提高地基的承载力，减少沉降，防止地基局部剪切变形。要注意控制填土速度，所用的材料为含泥量不大于5%的洁净中粗砂，或最大粒径小于5cm的天然级配砂砾。换填法：在软土厚度不大于2m时，利用渗水性材料(砂砾或碎石)进行置换填土，可以降低压缩性，提高承载力，提高抗剪强度，减少沉降量，改善动力特性，加速土层的排水固结。它的特点是施工工艺简单，但费用比较高。抛石挤淤：当软土或沼泽土位于水下，更换土施工困难，且厚度小于3m，表层无硬壳、基底含水量超过液限、路堤自重可以挤出的软土之上，排水比较困难时，采用抛片石(直径一般不小于30cm)挤淤的方法。从中部开始抛石，逐渐向两边延伸，挤出淤泥，提高路基强度。3.2深层密实法采用爆破、夯击、挤压和振动及加入抗剪强度高的材料等方法，对地基深层的软弱土体进行振密和挤密的地基加固方法称为深层密实法。适用于软土厚度>3m的中厚软土的加固，分布面积广的软基加固处理，其加固深度可达到30m。通过振动、挤压使地基中土体密实、固结，并利用加入的具有高抗剪强度的桩体材料置换部分软弱土体中的三相(气相、液相与固相)部分，形成复合地基，达到提高抗剪强度的目的。主要加固方法：强夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)桩法、砂桩法、爆破法、碎石桩法(振冲置换法)、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩法)、粉喷桩法、旋喷桩法。代表方法有碎石桩法、强夯法、水泥粉煤灰碎石桩法、粉喷桩法。强夯法：对于砂土地基及含水量在一定范围内的软弱粘性土地基，可采用重锤夯实或强夯。它的基本原理是：土层在巨大的冲击能作用下，土中产生很大的压力和冲击波，致使土体局部压缩，夯击点周围一定深度内产生裂隙良好的排水通道，使土中的孔隙水(气)顺利排出，土体迅速固结。强夯后地基承载力可提高3～4倍，压缩性可降低200%～1000%。挤密砂桩、碎石桩加固法：属于复合地基的一种，当软土层较厚，换填处理比较困难，地基土属于非饱和粘性土或砂土时，采用挤密砂桩或碎石桩加固法，可以使地基土密实，容重增加，孔隙比减少，防止砂土在地震或受震动时液化，提高地基土的抗剪强度和水平抵抗力，减少固结沉降，使地基变均匀，起到置换、挤密、排水作用，防止地基产生滑动破坏，提前完成沉降，减少沉降差。3.3置换法由于深层密实法中的几种方法都有加入高抗剪强度的材料，置换软土中部分成分的加固机理，与原有的土体共同组成复合地基，达到加固地基的目的，因此深层密实法有时也称为置换法。3.4排水固结法在软土地基上加压并配合内部排水，加速软土地基的排水，加快软土固结的处理方法称为排水固结法。适用于处理各类淤泥、淤泥质粘土及冲填等饱和粘性土地基。软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐扩散，土的有效应力增加，并使沉降提前完成或提高沉降速度。主要加固方法：堆载预压法、砂井法、袋装砂井、真空预压法、电渗排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。预压处理：分为超载预压、等载预压和欠载预压等，其施工工艺简单，但工期较长，超载预压的时间一般为6个月，通常与排水处理地基相结合使用。袋装砂井：对于软土厚度大、路堤稳定、填土高的软土路基，采用袋装砂井，可增加软土竖直方向的排水能力，缩短水平方向的排水距离，加速软土的强度。砂袋灌入砂后，砂井可采用锤击法或振动法施工。它的施工工艺复杂，费用相对较高，所用的时间较长，可采用矩形或梅花形布桩。塑料排水板：排水原理与袋装砂井相同，由于是工厂制作，它的质量稳定、重量轻、运输保管方便，施工工艺比较简单，投入劳力少，费用相对较低，并且渗滤吸水性好，具有一定的强度和延伸率，对土的扰动小，预压时间较长，在工程中得到广泛应用，但对于提高土层的抗剪能力不如袋装砂井。3.5化学加固法通过在软土地基中加入水泥或其它化学材料，进行软土地基处理的方法称为化学加固法。适用于处理砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可以在处理裂隙岩体及已有构筑物地基加强中。水泥或其它化学材料注入土体后，与土体发生化学反应，吸收和挤出土中部分水与空气形成具有较高承载力的复合地基。主要加固方法：硅化法、粉喷桩、旋喷桩、注浆、水泥土搅拌法。硅化法：用水玻璃为主的混合溶液对软土进行化学加固的方法称为硅化法，借助于电的作用进行加固称为电硅化法。它的特点是加固作用快，工期短，但造价较高，不适用于渗透系数太小的土。旋喷桩：旋喷桩可分为粉体喷射桩、高压喷射注浆法等。对于强度低、压缩性高、排水性能较差的软土，采用灰土桩(水泥土桩、石灰土桩、二灰土桩等)与地基组成复合地基，大部分荷载由桩体承受，从而提高地基承载力，减少工后沉降。它的施工工艺比较复杂，需要配置专门的旋喷设备。利用粉喷桩施工造价较高，处理效果可靠，适用土层范围广。3.6加固路基法通过在路基中埋入高强度、大韧性的土工聚合物、拉筋、受力杆件或柴(木)梢排等方法加强路基的自身强度，增加抵抗地基变形沉降的能力。适用于软弱岩体、土体中的路堤与路堑。主要加固方法：加筋土路基、土工聚合物、土钉墙、土层锚杆、土钉、树根桩法、柴(木)梢排法。加筋路基法（土工布或土工格栅法）：对于沉降量不大的路堤，高路堤填土适当采用土工布垫隔，限制了软基和路基的侧向位移，增加了侧向约束，从而降低应力水平，加强了路基刚度与稳定性，提高了路基的水平横向排水，使荷载均布。采用土工布覆盖摊铺，既提高路基刚度，也使边坡受到维护，有利于排水，增加地基稳定性。桩架支挡法（柴木梢排）：用柴木梢扎排，铺于路基底面，以扩大其承载作用，保持路基稳定，适用于交通量不大，且柴木梢丰富的地区，高等级公路中不宜采用。3.7其它加固方法除了上述软土路基处理方法外，比较常用的还有桩基、沉井、侧向约束法、反压护道法。桩基与沉井常用于在软土地基中建设重要构筑物(桥梁、大型涵洞等)的基础中，根据软弱土层的厚度其下承层土质情况，桩基设计可分为柱桩与摩擦桩两种。常用的桩基有钻孔桩、挖孔桩、管桩、木桩。反压护道法：当软土和沼泽较厚，路堤高度不超过极限高度的2倍时，路堤两侧填筑适当厚度和宽度的护道，在护道附加荷载的作用下，保持地基的平衡，增加抗滑力矩，防止路堤的滑动破坏。施工时，护道尽量与路堤同时填筑，且压实度要达到90%以上。它的特点是施工工艺简单、费用较低，但施工用地增大。侧向约束与反压护道的加固机理均是限制软弱土体向旁挤出，以增加路堤的抗剪能力。侧向约束法适合软土层厚度较小，软土体面积较大的软土地基的加固。反压护道法适合软土体分布面狭窄而软土体厚度较大的软土地基的处理。4高速公路软基处理研究存在的问题及展望综上所述，可以发现，目前公路软基处理的研究己经达到了相当的水平和规模。但从国内外现有资料来看，仍存在着一些不容忽视的问题。l)以Terzaghi的经典土力学为基础的理论公式法仍被广泛应用，这一方面体现了理论公式法简便、直观、计算参数少且易取得等优点，另一方面，说明数值计算技术与实际情况仍有一定的差距，没有充分表现出其优越性。这在计算机技术突飞猛进的今天，不能不说是一种遗憾。所以数值计算技术的实际工程应用的研究应该成为今后的工作重点。2)实例研究多，系统研究少。从查阅文献看，成功的单个实例分析报告多，系统性的理论与实践研究不足。有趣的是失败的实例研究报告很少见到，这与我国公路地基处理的实际情况形成反差，从某种意义上说，失败的实例更有价值。3)公路软基处理的设计与施工中，智能化水平不够。这方面报道不多。4)地基加固新技术的研究还不够。5)地基处理效果的检测技术有待进一步发展。任何一种先进的设计理论和施工方法都有待于质量检验来保证。传统的方法往往费工费时且价格昂贵，虽然有关规范给出了质量检验方法，但在实际工作中予以实施的实例很少。6)地基处理方案的决策分析研究不够，目前的方案选择基本上停留在人为凭经验选取阶段。因此，结合当前公路软基处理研究的现状,应在以下方面加强研究。1继续深入地研究公路软土的基本特性，这方面的研究应从工程的角度出发，着重研究对工程有严重影响的特性指标，进而研究不同地区、不同地段软土的差异，为其沉陷计算，处理方法选择提供依据。2继续深入开展软土地基沉降计算方法的研究，这是公路软基处理研究的核心问题之一，特别是开展数值计算方法的实用研究。3加强公路软基处理的系统化研究，近年来，大量出现的实例研究为系统性的理论研究提供了基础。应着手对这些实例研究资料进行系统化的研究，这对软土的