我國公路行業(yè)規(guī)范對軟土地基的定義是指強度低,壓縮量較高的軟弱土層,多數(shù)含有一定的有機物質(zhì)。由于軟土強度低,沉隱量大,往往給道路工程帶來很大的危害,如處理不當,會給公路的施工和使用造成很大影響。軟土路基處理的目的是提高該段公路路基的穩(wěn)定性和承載能力。
危害后果
軟土地基的性質(zhì)因地而異,因層而異,不可預見性大。在設計、施工過程中,稍有疏忽就會出現(xiàn)質(zhì)量事故,常見的事故有:
(1)勘察設計不詳細或不準確,導致對應該作軟基處理的地段未作抽真空機處理設計,此類工例不少,在施工中經(jīng)常會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
(2)已知是軟土地基,但是未做好軟土地基處理,造成路堤失穩(wěn)或危及線外建筑物。工例有:汕頭磊口大橋引道.由于高填土引起線外土地隆起,民房受損.路基難以穩(wěn)定,只好增加橋梁長度,建成后一段時間,仍然出現(xiàn)錐坡不均勻下沉,又做了處理,現(xiàn)已改建新橋。中山縣附近的獅窖口橋,原設計是拱式橋跨,臺背填土較高.由于高填土的推力作用和地基嚴重下沉,使橋臺被推壞,拱體損傷,新路旁的老公路被擠移,將一條近10m寬的水溝填塞,路外廠房和民房受損,迫不得已改變橋型(原拱橋拆掉重建梁橋),增大橋長,降低路堤。
(3)雖然作了軟土地基處理,但是措施不力,施工不當造成路堤失穩(wěn)。珠海南屏橋引道,雖然軟土采用砂并結合分級加載預壓處理,路堤填土高度7m,南岸砂井施工完成后,僅填土到2.5m高(第一級加載)時就發(fā)生破壞,北岸在第三級填土完成時發(fā)生破壞。填土完成也發(fā)生破壞。經(jīng)開挖分析,原因是地質(zhì)資料不準確,填土速度過快,后加的反壓護道又阻塞了砂墊層的排地基基礎下沉怎么處理水通道。最后采取了挖深邊溝排水(挖邊溝時,原路堤底有大量的水流出),用袋裝砂井(原先的砂井是無袋砂井)和鋪土工布進行修復。
(4)堆料不當,未按規(guī)定分層填筑,填土過快,碾壓不當,造成路堤失穩(wěn)。新會虎坑、大洞橋的引道,原設計對軟基都作了袋裝砂并結合砂墊層加固處理,由于投資限制,大部分路段的處理被取消。在施工過程中,有幾處路堤發(fā)生滑塌現(xiàn)象,通車后整個路段不均勻沉降明顯。主要原因是堆料不當,未按規(guī)定分層填筑,也未作施工觀測,填土過快,碾壓不當。其填料采用開山石渣土,其中合有大塊石,運料沒有做到均勻卸土,合理分層,而是堆成厚層用強振碾壓,使強度很低、靈敏度很高的軟土地基受到破壞。末作加固處理但按規(guī)定施工的路段,雖然后來沉降較大,但沒有發(fā)生破壞。
(5)擾動硬殼層或填筑不當,使硬殼層遭受破壞,導致路堤失穩(wěn)。軟土地基上往往有一層強度比軟土高的土層,被稱為硬殼層。硬殼層可以起到承重和擴散應力作用,利用好硬殼層對于減少工程投資是有意義的。有的地區(qū)甚至認為,有硬殼層存在的軟土地基,寧可不作軟土地基特殊處理,充分利用硬殼層的擴散應力作用,采取預壓措施,以保持填筑路堤的穩(wěn)定。但若對硬殼層的勘察、利用工作做得不好,則達不到頂預想的效果。
(6)由于臺背填土使地基對結構物產(chǎn)生負摩阻力和縱向推擠作用,引起橋臺發(fā)生變位以至損壞。在軟土地基上的橋臺,基礎不論是用支承樁或是摩擦樁,由于臺背填土引起軟土層發(fā)生較大的沉降,對橋臺及樁基礎產(chǎn)生縱向推擠向河中方向和負摩擦力作用,輕則使橋臺發(fā)生位移或下沉,重則損壞橋臺危及橋墩,這種現(xiàn)象尤以輕型橋臺為甚。此類現(xiàn)象出現(xiàn)不少給工程的進展和完工后的使用帶來不利影響。主要問題是:臺背填土引起橋臺向橋跨方向發(fā)生水平變位;先做橋臺,后做錐坡及臺背填土;錐坡沒有按設計圖紙做足,臺背填土時把輕型橋臺推壞;由于負摩擦力作用,引起橋臺下沉。
處理方法
在公路工程中處理軟土地基主要采用以下幾種方法:
堆載預壓法
該法是在工程建設之前用大于或等于設計荷載的填土荷載,促使地基提前固結沉降以提高地基的強度,減少工后沉降。當強度指標達到設計要求數(shù)值后,卸去荷載,修筑道路路面。經(jīng)過堆壓預處理后,地基一般不會再產(chǎn)生大的固結沉降。利用路堤填土作為堆載,成本較低。施工填筑時宜采用分層分級施加荷載,以控制加荷速率,避免地基發(fā)生剪切破壞,達到地基強度慢慢提高的效果。該法原理較成熟,施工簡單,不需要特殊的施工機械和材料。由于該地區(qū)軟土固結系數(shù)小,故軟土的排水固結時間較長,因此工期較長。如施工時間允許,可單獨使用;如工期緊,可結合其它方法一起使用。
真空預壓法
真空預壓法是在需要加固的軟土地基內(nèi)設置砂井或塑料排水板,然后在地面鋪設砂墊層,其上覆蓋不透氣的密封膜使其與大氣隔絕,通過埋設于砂墊層中的吸水管道,用真空裝置進行抽氣,將膜內(nèi)空氣排出,因而在膜內(nèi)外產(chǎn)生氣壓差,氣壓差即轉變成作用于地基上的荷載,地基不會產(chǎn)生剪切破壞,這對軟土地基是有利的。該方法不需要堆載,省去了加載和卸荷工序,縮短了預壓時間,省去了大量堆載材料,所使用的設備及施工工藝均比較簡單,無需大量的大型設備,便于大面積施工。
反壓護道法
該法是指在道路主路堤兩側,填筑一定道路地基處理寬度和高度的護道,以期達到路堤穩(wěn)定的一種方法,它主要是起抗滑的平衡作用,使得抗滑力矩能克服滑動力矩。其高度一般為路堤填土高度的1/3~1/2。這種方法處理軟土地基,對解決路基穩(wěn)定是有效的。該法不需控制填土速率,可以機械化快速完成路基填筑,但利用該法處理地基,土方量大、占用土地多。[1]
水泥土攪拌樁法
水泥土攪拌樁是膠結法處理軟土地基的一種,它利用水泥或石灰等材料作為固化劑的主劑,通過特制的深層攪拌機械,在地基深處將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌,利用固化劑與軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理、化學反應,使軟土固結成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的地基,以達到提高地基承載力、減少地基沉降量的目的。其地基應視為復合地基,樁土共同承擔荷載。它具有施工速度快,設備輕便,便于移動,方法容易掌握,處理深度較大等優(yōu)點。
換填墊層法
當軟弱土層厚度不很大時,可將路基面以下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除,然后換填強度較大的土或其它穩(wěn)定性能好、無侵蝕性的材料(通常是滲水性好的礫料)稱為換填或墊層法。此法處理的經(jīng)濟實用高度一般為2~3m,如果軟弱土層厚度過大,則采用換填法會增加棄方與取土方量而增大工程成本。
強夯法
對于孔隙較大的地基及含水量在一定范圍內(nèi)的軟弱粘性土地基,可采用重錘夯實或強夯。它的基本原理是:土層在巨大的沖擊能作用下,土中產(chǎn)生很大的壓力和沖擊波,致使土體孔隙壓縮,夯擊點周圍一定深度內(nèi)產(chǎn)生裂隙良好的排水通道,使土中的孔隙水(氣)順利排出,土體迅速固結。強夯后地基承載力可得到一定的提高,壓縮性可降低200%~1000%。
加筋路基法
對于沉降量不大的路堤,高路堤填土適當采用土工布墊隔,限制了軟基和路基的側向位移,增加了側向約束,從而降低應力水平,加強了路基剛度與穩(wěn)定性,提高了路基的水平橫向排水,使荷載均布。采用土工布覆蓋攤鋪,既提高路基剛度,也使邊坡受到維護,有利于排水,增加地基穩(wěn)定性。
此外,在確定地基處理方法時,還要注意節(jié)約能源。注意環(huán)境保護,避免因為地基處理對地面水和地下水產(chǎn)生污染,避免振動噪音對周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響等。
化學加固法
通過在軟土地基中加入水泥或其它化學材料,進行軟土地基處理的方法稱為化學加固法。適用于處理砂土、粉土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粘土和一般人工填土,也可以在處理裂隙巖體及已有構筑物地基加強中。
水泥或其它化學材料注入土體后,與土體發(fā)生化學反應,吸收和擠出土中部分水與空氣形成具有較高承載力的復合地基。
主要加固方法:硅化法、粉噴樁、旋噴樁、注漿、水泥土攪拌法。
硅化法:用水玻璃為主的混合溶液對軟土進行化學加固的方法稱為硅化法,借助于電的作用進行加固稱為電硅化法。它的特點是加固作用快,工期短,地基與基礎但造價較高,不適用于滲透系數(shù)太小的土。
旋噴樁:旋噴樁可分為粉體噴射樁、高壓噴射注漿法等。對于強度低、壓縮性高、排水性能較差的軟土,采用灰土樁(水泥土樁、石灰土樁、二灰土樁等)與地基組成復合地基,大部分荷載由樁體承受,從而提高地基承載力,減少工后沉降。它的施工工藝比較復雜,需要配置專門的旋噴設備。利用粉噴樁施工造價較高,處理效果可靠,適用土層范圍廣。