软土工程施工中的问题及对策浅析

软土工程施工中的问题及对策浅析软土及物理特性介绍形成我国黄东南海区，具体说在天津、长江三角洲地区、珠江三角地区及内陆一些湖泊平原地区（如湖北荆洲）多为海洋及湖泊冲积沉积细颗粒粘土地区。它是指第四纪全新冲积沉积形成。这类土明显特点是土中含水量大，渗透性能差，土中水分很难排出，初期土体处于流动状态。这类土土力学上称流塑粘性土，俗称“软土”。特征1.2.1矿物成分及土粒结构粘性土颗粒很细，粒径小于0.005mm，比表面积大，化学稳定性差，与水作用力（亲水性）强，能产生一系列物理化学变化。无粘性土（砂粒、砾石）的结构特征为单粒结构，颗粒大，粒间结合水少或称没有结合力，在重力作用下沉积时往往形成单粒结构。粘性土的颗粒很细，其中粉粒在水中下沉时，碰到已沉积的土粒时，由于它们间吸引力大于自重，土粒将停在接触面上不再下沉，形成有很大空隙的蜂窝结构，粒径更小的（小于0.002mm）的粘粒靠自身重力根本不能下沉而处于悬浮状态。只有当悬液中有某种电介质界入，粘粒间的排斥力因电荷中和遭到破坏时，才凝聚成海绵状的絮状集合体，聚合到一定质量时下沉和已沉积的絮状体接触成空隙更大的絮状结构。所以天然状态下粘性土有一定结构性。1.2.2灵敏度和触变性处于流动状态的粘性土它的抗剪和抗压强度很小，当遇到扰动时，土的强度会迅速丧失，这是软土中一个十分明显的特征，工程上用灵敏度St表示。St越大，说明土的灵敏度越高，含水量很大的淤泥和粘土就属于灵敏度很高的软土。St在4~~10之间属于高灵敏土，在施工中易遭破坏。与灵敏度相反的是土的触变性，粘性土在结构遭扰动后强度降低，当停止扰动后并经一段静止时间后，土粒间的联结会得到局部恢复，这个过程我们称土具有一定触变性。这个过程在软土中恢复的很慢，遭破坏的软土恢复的更慢，且即使恢复也很难达到原有状态。粘性土——软土的定义和定性含水量w及Ip、IL指数2.1.1含水量含水量是指土中水的质量mw与土中土的质量ms之比W=×100%根据含水量的不同将水分为四中状态，三个界限。塑限wp——又称塑性下限，是可塑状态与半固状态的界限含水量。液限wl——又称塑性上限或液性下限，是土的流塑状态间的界限含水量。缩限ws——在干硬状态范围内，是半干硬状态与干硬状态间界限含水量。为土的体积收缩与不收缩间的转变点。水含量很大时，土粒被自由水隔开，粘性土本身不能保持其原态，极易流动呈粘滞状态的液态体，当W大于WL表明当土遭到破坏时变成粘滞泥浆体。此时的稠度CI接近或小于1。手捏时，土从指缝中挤出。当水份减小到多数土为弱结合水隔开时，土粒在外力作用下相互错动而颗粒间的联系并不丧失，或说可把土捏成各种形状，外力解降后可以保持不开裂。此时粘性土也称塑性土。当土中水分继续减小，土中弱结合水膜变薄粘滞性增大，粘性土将丧失其具有的可塑性，在外力下会出现裂缝易破碎。此时粘性土进入半固体状态，当土中水进一步减小体积不在收缩，颜色变浅变灰。2.1.2测定可塑性强弱的指标是塑性指数IpIp=WL-WpIp越大说明土的可塑范围越大，反之越小。粘性土塑性指数的大小主要取决于土中的粘粒，胶粒的含量以及矿物成份的亲水性。也就是说，土中粘粒胶粒的含量越多，亲水性能越强，土的可塑性指数越大。所以工程上常用Ip这个参数来判定土的属性。粘粒土的分类砂土（无塑性土）亚砂土（低塑性土）亚粘土（中塑性土）粘土（高粘性土）IpIp<11<Ip<77<Ip<17Ip>172.1.3判定粘性土的软硬程度，用IL液性指数表示IL＝＝状态坚硬硬塑可塑软塑流塑ILIL<10<IL<0.250.25<IL<0.750.75<IL<1.0IL>1.0土的渗透性粘性土渗透性能很差，很难用人工降水手段来抽吸出土中含水。尽管软土中含水量大却无法使它很快的流出。反应在土力学上，用渗透系数K表示土中水的流速V=K*I单位cm/si－水力坡降K的计算要用实验的方法，过程很繁琐。在工程上可根据粘性土的一些物理特性指标来推算。由于土的渗透系数小，工程上称它有良好的防渗性能，可用土来作挡水围堰。孔隙比e及压缩系数a2.3.1孔隙比e孔隙比e定义是土中水的孔隙和空气体积与土中土的体积之比e=Vv=Vw+Va2.3.2土的压缩系数a我们看一个试验，取一标准试样，在土样上施加压力后土在荷载作用下体积缩小。此时①土体被压缩②土中土及气体被挤出③土粒相应发生移动挤紧。试验时荷载逐级加大，测出相应荷栽下的孔隙比，用孔隙比的一个差值与相应荷载等级差值之比，就时某一级荷栽条件下的压缩系数aa实际上是曲线某一处斜率，因非线性它各处斜率是不同的。在工程上规定在荷载100kp~200kp这个量级下的a记作a1-2cm²/kga1-2Cc1-2性质＜0.1MPa<0.2低压缩性土0.1~0.5MPa0.2~0.4中压缩性土≥.5MPa＞0.4高压缩性土固结系数Cv及土的压缩模量Es介绍2.4.1固结系数Cv是一个控制性指数，尤其在计算地基固结和地基固结时间时用。Cv计算用间接法Cv＝＝土的固结是一个漫长的过程可以用公式计算Tv=及t=式中Tv－垂直排水固结的时间因素Cv－固结系数Ht－土层排水厚度即排水距离t－土层固结时间粘性土排水固结速率的计算：当排水主要是沿垂直方向进行，通常是按一维固结理论来计算固结速率。这可以用图表来说明，设排水方向如果是单向向上，此时Ht＝H，如果双向排水Ht＝1/2H土层排水固结时间t与土层排水距离的平方成正比，Cv成反比，H越大，Cv越小，固结时间越大。（如意大利的比萨斜塔，1178年建，至今还以每年1mm的速度下沉）。2.4压缩摸量是指在空气全侧限条件下土的竖向附加应力相应变增量的比值。单位MPaEs=（1+e）/aEs在计算土层沉降时用到，在不同土层不同深度会有不同数值。高压缩性土中压缩性土低压缩性土Es<4MPaEs=4~5MPaEs>15MPa2.4.3地基规范中关于地基沉降用公式S=ΦsΣPo/Esi*(Zi*ai-Zi-1*ai-1)试中S—沉降量Po—地基压缩摸量Z—地层分层厚度a—地基应力系数Es—地基压缩摸量Φs—沉降经验系数0.2~1.3应用这个公式的原则由于附加应力的非线形属性，土层要分层计算分层要按照有关法则进行附加应力也需要遵照法则分层计算应力系数的查用遵循Z/D（高/宽），L/D（长/宽）的有关规定查用得出S还要根据E（弹性摸量）与地载力等级等有关规定来确定Φs用规范公式计算地层沉降，尤其是软土沉降与实际相差很大。于是专家学者们认为，在软土地层中不能用压缩摸量Es，而用变形摸量EoEo=βEs=Es（1-2μ²/（1-μ））=Es*（1-2μKo）β=1-2μKoμ为土层的泊松比，软土中μ=0.42规范公式实际是：S=Poh/βEs广东珠江三角洲的软土是全国最软的土，它的含水量在70%~80%，有些地区达到200%软土在大面积数米厚填土的作用下，厚而软的软土可以产生以米或数米为单位的沉降。沉降时间是很长的。在荷载压力下，软土可以流动因而造成大量工程问题。在进行大量实地调查后，广东水利科学院的专家提出，软土沉降计算要：在饱和土固结偶合广义变分原理建立用矩阵表示的有限元来计算根据软土应力应变关系，采用双三次样条函数表示应力应变用掺入变形摸量Eo，泊松比μ及渗透系数K，同样各层Eo、μ、K是不同的。软土层以及各填土层离散化成各个单元同样是变化的。加栽计算过程应完全符合实地施工的顺序进行。用以上方法计算得到的结果与实测沉降曲线比较接近。其实软土的沉降计算十分复杂，很难计算准确。粘性土的凝聚力C及内摩擦角ΦC是粘聚力，只有粘土内有，而砂土内是没有的。C、Φ值大说明土的抗剪抗滑能力强，反之则差。粘性土的C、Φ是根据三轴试验得到的，根据土样间的排水固结条件，三轴试验分为三种不同的方式。不固结不排水试验—UU试验称为快剪试验求得Cu、Φu固结不排水试验—CU试验称固结快剪试验求得Ccu、ΦcuCU试验是先充分排出土样的孔隙水，等固结稳定后，关闭排水阀不再排水，然后继续加压至土样破坏。得到的Ccu、Φcu值远大于Cu、Φu固结排水试验—CD试验土样充分排水固结后的CD、ΦD建议在建设工期短，土层透水性能差，排水不良的地区要采用不排水不固结试验，即UU试验。工程实际问题及C、Φ的运用圆弧滑坡计算介绍粘性土地区经常遇到滑坡问题。在开挖过程中或填土过程中，当开挖过大，坡度过陡或填土荷载过大过猛时，往往会发生滑坡现象。且粘性土滑坡往往发生的很突然。粘性土滑坡均为圆弧滑坡，可分为三种类型，尤其以坡底滑坡最为严重，称为坡底滑动或深层滑动。在计算圆弧滑坡时，我们把滑动弧近似看作沿圆心转动的圆柱面（实际上是双向弧面）。对圆弧滑动进行稳定分析计算称为圆弧法，也称圆弧条分法（瑞典彼得逊法）。圆弧滑坡公式：Fs==≥1.3其中Fs—稳定安全系数1.25～1.5C—粘性土的粘聚力KPaτ—圆弧长度mγ—土的容重T/mb—土条宽度mR—圆弧半径mhi—土条高度mαi—每土条与圆心垂线夹角圆弧滑坡计算中比较麻烦的是找准圆弧的圆心，它往往要计算好多次，直到得到的Fs最小时，此时圆心才是最符合实际的圆心。从上图我们看到，处于圆心以左的是抗滑体，这部分越大，抗滑力也越大。圆心以右的为滑动体，这部分越小，滑动力就越小。所以，在工程上可以适当增加抗滑体，减少滑动体，来使得土体稳定。不过在软土中，增加抗滑体并不一定能解决问题。再说，无限的加大抗滑体又会造成新的滑坡。软土中侧向土压力问题当挡土墙或桩体静止不动墙后（桩后）土体处于弹性平衡状态，作用在墙背（桩后）的土压力称为静止土压力，由于这个力是水平向的，所以也可称为水平推力。此时水平推力也称为主动土压力，用Ea表示。计算土压力公式很复杂，但当地面是平整的墙体和桩体呈垂直状态时，公式可以简化。粘性土αa=αx=γztg（45º-）-2Ctg（45º-）无粘性土C=0αx=γztg（45º-）墙底的土压力强度总土压力粘性土Eo=γhKa-2CEa=1/2γh²Ka-2h+2C²/γ无粘性土Eo=γhKaEa=1/2γh²Ka其中Ka—应力系数Ka=tg²（45º-）当地面有荷载时（如打桩）桩后有垫砂层及机械设备荷载q作用。一般可以将这个均布荷载换算成位于地表以上当量土高度q/γ=，此时土压力G=γKa墙底Eo=γ（h+）Ka=（q+γh）Ka=γKa+γhKa总土压力是Ea=h-2Ch+=qhKa+1/2γh²Ka-2Ch+2C²/γ而被动土压力σp=γzKp+2C其中=tg²（45º+Φ/2）Ep=1/2h²+2Ch作用在桩前后的压力差为Ea-Ep=qhKa+1/2γh²Ka-2Ch+2C²/γ-（1/2h²+2Ch）由于软土中Kp≈Ka，且Φ很小，因此当软土中打桩时，可以近似认为施工荷载的有多大，水平推力就有多大。广东水科院的陆培炎教授说过：软土的侧向压力是软土的一个重要特征，软土的侧膨胀系数，即土的泊松比μ一般为0.42，因而侧向应力系数Ko==1，即在软土自重压力作用下，流塑状的软土像流体一样。软土中的水平应力几乎相当于垂直应力。因此地面有荷载时一定要考虑侧向应力，如不考虑则会出问题打桩时——桩体被推跑，桩体向前倾倒。挡土墙——被推歪或整体地被推跑。填土荷载过大，引起的侧向压力将建筑物下的