小议软土地基在水利堤防工程的处理技术

《城市建设》6月刊加单位，单号：QK1002983

摘要: 推广和发展各种软土地基处理新技术, 对保证工程质量、加快水利水电建设速度、节约建设资金具有重要意义。笔者根据多年参与堤防工程的建设，介绍了在软土地基上修建堤防工程常用的地基处理方法及适用条件。

关键词: 堤防工程；软土地基；处理方法；适用条件

1软土地基的几种特性

(1)孔隙比和天然含水量大。我国软土的天然孔隙比一般e = 1～2之间,淤泥和淤泥质土的天然含水量w = 50%～70% ,一般大于液限,高的可达200%。

(2)压缩性高。我国淤泥和淤泥质土的压缩系数一般都大于0.5 MPa- 1 ,建造在这种软土上的建筑物将发生较大的沉降,尤其是沉降的不均性,会造成建筑物的开裂和损坏。

(3)透水性弱。软土含水量大,可是,透水性却很小,渗透系数k≤1 (mm /d)，由于透水性如此微小,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。

(4)抗剪强度低。软土通常呈软塑一流塑状态,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30 kN /m2 (相当于0.3 kg/ cm2 ), 不排水剪时,其内磨擦角∮几乎等于零,抗剪强度仅取决于凝聚力C, C < 30 kN /m2 ,固结快剪时, ∮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”,减轻建筑荷重。

(5)灵敏度高。软粘土上尤其是海洋沉积的软粘土,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。

冲填土是水力冲填形成的产物。含砂量较高的冲填土,其固结情况和力学性质较好,含粘粒较多的冲填土往往强度较低,压缩性较高,具有欠固结性。

杂填土大多由建筑垃圾、生活垃圾和工业废料堆填而成,因此在结构上具有无规律性。以生活垃圾为主的杂填上,腐殖质含量较高,强度较低,压缩性较大。以工业残渣为主的杂填土,可能含有水化物,遇水后容易发生膨胀和崩解,使填土强度降低。

2引起软土地基上堤防失稳的破坏原因

引起软土地基上堤防滑动破坏的根本原因,在于软弱地基中某个面上的剪应力超过了它的抗剪强度,稳定平衡遭到破坏。主要有两方面因素:一是由于剪应力的增加,例如大堤施工中上部填土荷重的增加;降雨使土体容重增加;水位降落产生渗流力;地震、打桩等引起的动荷载等。二是由于软土地基本身抗剪强度的减小。例如孔隙水应力的升高;气候变化产生的干裂、冻融;粘土夹层因浸水而软化以及粘性土的蠕变等。

对堤防工程进行稳定分析时,通常是将假想滑动面以上土体看作刚体,并以它为脱离体,分析在极限平衡条件下其上各种作用力,并以整个滑动面上的平均抗剪强度与平均剪应力之比来定义它的安全系数,即：

式中:

Fn ―堤防稳定安全系数;

Tf ―滑动面处土体的平均抗剪强度;

T―作用于滑动面上的平均剪应力。

Fn> 1土体处于稳定状态;

Fn

Fn = 1, 土体处于临界状态。因此,要使处于滑动状态或有滑动趋势的土体达到稳定状态,必须Fn > 1 (堤防工程等级不同, Fn 取值也不同,通常在1.05 ～1.30之间) ,通常有两种方法:一是提高土体的抗剪强度,使孔隙水应力充分消散,如对地基进行加固等;二是减小作用在土体上的剪应力,如减小堤防的横断面积,尽量避免对堤防的扰动等。第一种方法在工程中被广泛采用。

3软土地基上筑堤常用的地基处理方法及适用条件

(1)堤身自重挤淤法。堤身自重挤淤法就是通过逐步加高的堤身自重将处于流塑态的淤泥或淤泥质土外挤,并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥质土中的孔隙水应力充分消散和有效应力增加,从而提高地基抗剪强度的方法。在挤淤过程中为了不致产生不均匀沉陷,应放缓堤坡、减慢堤身填筑速度,分期加高。其优点可节约投资;缺点是施工期长。此法适合于地基呈流塑态的淤泥或淤泥质土,且工期不太紧的情况下采用。

(2)抛石挤淤法。抛石挤淤法就是把一定量和粒径的块石抛在需进行处理的淤泥或淤泥质土地基中,将原基础处的淤泥或淤泥质土挤走,从而达到加固地基的目的。一般按以下要求进行:将不易风化的石料(尺寸一般不宜小于30 cm)抛填于被处理堤基中,抛填方向根据软土下卧地层横坡而定。横坡平坦时自地基中部渐次向两侧扩展;横坡陡于1: 10时,自高侧向低侧抛填。最后在上面铺设反滤层。这种方法施工技术简单,投资较省,常用于处理流塑态的淤泥或淤泥质土地基。

(3)垫层法。垫层法就是把靠近堤防基底的不能满足设计要求的软土挖除,代以人工回填的砂、碎石、石渣等强度高、压缩性低、透水性好、易压实的材料作为持力层。可以就地取材,价格便宜,施工工艺较为简单,该法在软土埋深较浅、开挖方量不太大的场地较常采用。

(4)预压砂井法。预压法是在排水系统和加压系统的相互配合作用下,使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系统有水平排水垫层、排水砂沟或其它水平排水体和竖直方向的排水砂井或塑料排水板;加压系统有堆载预压、真空预压或降低地下水位等。当堆载预压和真空预压联合使用时又称真空联合堆载预压法。

基本做法如下:先将等加固范围内的植被和表土清除,上铺砂垫层,然后垂直下插塑料排水板,砂垫层中横向布置排水管,用以改善加固地基的排水条件,再在砂垫层上铺设密封膜,用真空泵将密土膜以内的地基气压抽至80 kPa以上。

该方法往往加固时间过长,抽真空处理范围有限,适用于工期要求较宽的淤泥或淤泥质土地基处理。流变特性很强的软粘土、泥炭土,不宜采用此法。

(5)振动水冲法。振冲法是利用一根类似插入式混凝土振捣器的机具,称为振冲器,有上、下两个喷水口,在振动和冲击荷载的作用下,先在地基中成孔,再在孔内分别填入砂、碎石等材料,并分层振实或夯实,使地基得以加固。

用砂桩、碎石桩加固初始强度不能太低(初始不排水抗剪强度一般要求大于20 kPa) ,对太软的淤泥或淤泥质上不宜采用。

石灰桩、二灰桩是在桩孔中灌入新鲜生石灰,或在生石灰中掺入适量粉煤灰、火山灰(常称为二灰) ,并分层击实而成桩。它通过生石灰的高吸水性、膨胀后对桩周土的挤密作用,离子交换作用和空气中的CO2与水发生酸化反应使被加固地基强度提高。

(6)旋喷法。旋喷法是利用旋喷机具造成旋喷桩以提高地基的承载能力,也可以作联锁桩施工或定向喷射成连续墙用于地基防渗。旋喷桩是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度后提升,喷嘴同时以一定速度旋转,高压喷射水泥固化浆液与土体混合并凝固硬化而成桩。所成桩与被加固上体相比,强度大,压缩性小。

该方法适用于冲填土、软粘土和粉细砂地基的加固。对有机质成分较高的地基土加固效果较差,宜慎重对待。而对于塘泥土、泥炭土等有机质成分极高的土层应禁用。

(7)强夯法。强力夯实是将80kN即相当于8tf以上的夯锤,起吊到很高的地方(一般6 m ～ 30 m) ,让锤自由落下,对土进行夯实。经夯实后的土体孔隙压缩,同时,夯点周围产生的裂隙为孔隙水的出逸提供了方便的通道,有利于土的固结,从而提高了土的承载能力,而且夯后地基由建筑荷载所引起的压缩变形也将大为减小。强夯法适用于河流冲积层,滨海沉积层黄土、粉土、泥炭、杂填土等各种地基。

(8)土工合成材料加筋加固法。将土工合成材料平铺于堤防地基表面进行地基加大,能使堤防荷载均匀分散到地基中。当地基可能出现塑性剪切破坏时,土工合成材料将起到阻止破坏面形成或减破坏发展范围的作用,从而达到提高地基承载力的目的。此外,土工合成材料与地基土之间的相互磨擦将限制地基土的侧向变形,从而增加地基的稳定性。

4结束语

综上所述，以上提到的问题是针对堤防工程软土地基处理工程必须要掌握的方法。因此，在工作中一定要加强注意,这是影响工程质量的关键。

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