浅谈软土路基设计

【摘要】 简单阐述软土的类型和性质、软土路基的设计原理、几种常见的软土路基处理方法以及方法的比选。

【关键词】 软土软土路基设计

路基是道路的基础,路基处理是道路、桥梁设计中的重要环节,路基处理的效果直接影响到道路的稳定性和安全性。软土是不良路基中的一类,也是我国沿海地区较为常见的一类,本文主要从入门的角度来介绍一些常见的路基处理方法。

1 软土的主要类型

我国软土的主要类型见表1。

2 软土的物理特性

(1)含水量高:一般软土含水量在34%～72%之间,淤泥质土在50%～70%,泥炭的含水量高达200%以上,均大于土的液限。软土的天然含水量大小直接影响土的抗剪强度和压缩性,其含水量越高,地基承载力就越低。(2)松软,孔隙比大:软土的空隙比一般为1.0～2.0,泥炭和有的淤泥可达6.0以上。(3)渗透性小:软土的渗透系数一般在10-7～10-8之间,因为渗透性小,故在荷载作用下,固结很慢,强度不易提高。(4)压缩性高:对于新近沉积的欠固结软土,如沿海滩涂,在自重作用下还会发生固结沉降。(5)抗剪强度低:剪强度是土的主要强度指标,软土的抗剪强度与加载速度及排水固结条件密切相关。软土的凝聚力一般都小于20kpa,在排水条件下的抗剪强度随固结度的增大而增大。(6)触变性:软土的触变性是指土体强度因受扰动而降低,又因静置而增长的特性。特别是海相软土一旦受到振动搅拌等其絮状结构遭到破坏,土的强度明显下降,甚至呈流动状态。(7)流变性:软土的长期抗剪强度只有一般抗剪强度的40%～80%,土的塑性越大,其值越小。软土在固结沉降完成后,还可能继续产生可观的次固结沉降。许多现场观测资料表明,当孔隙水压力完全消散后,地基还会继续沉降。(8)软土的矿物成分:粘粒和粉粒是软土的主要固结物质,此外软土中还常含有有机质。粉粒中主要为石类;而粘粒的矿物成分为:伊利石、高岭石、蒙脱石。

3 软土的鉴别指标

依据公路路基设计规范,软土的鉴别可参照表2。

4 软土路基出现病害的主要类型及影响

4.1 稳定性破坏

软土路基稳定破坏方式一般分为两类:刺入破坏、圆弧滑动破坏。

圆弧破坏又分为路堤中无牵引裂隙的圆弧滑动,右侧的为路堤中有牵引裂隙的圆弧滑动。

4.2 路堤沉降

4.3 软基的水平垂直变形对构造物的影响

(1)软基破坏的影响:主要表现为路堤的沉陷和天然地面的隆起,这种隆起可达数米,这些现象可以造成桥梁桩基的破坏、桥台和挡土墙的倾覆以及地下管线的损坏。(2)软基破坏的影响:例如在穿过软基的桥梁竣工后,进行路堤施工时,由于填筑时软基沉降,实际填土厚度比设计的大,路堤竣工后,由于沉降,还要经常填土弥补长期的工后沉降,这样就加大了对地基桥桩的水平和垂直作用力,特别是软基沉降对桩身产生的负摩擦力的影响,导致桥台锥坡的破坏、造成桥台的位移、桩基的沉降及桥台后梁的脱落和由于台背土压力对桥梁面板的挤压而产生的裂隙、鼓胀、接缝的破坏等。

5 软土路基设计方法

软土地基上公路路基的设计包括沉降计算、稳定验算及其相应的处治方法的设计;施工中的沉降与侧向位移观测的技术要求应作为设计内容。

5.1 稳定验算

软土地基路堤的稳定验算一般采用瑞典圆弧滑动法中的固结有效应力法、改进总强度法,有条件时可采用简化毕肖普法、Janbu普遍条分发。验算时按施工期和营运期的荷载分别计算稳定安全系数。施工期的荷载只考虑路堤自重,营运期的荷载包括路堤自重、路面的增重及行车荷载。

该方法的地基及路堤的抗剪指标均由直接快剪法试验获得。地基稳定系数F计算如下:

上述式中:i,j——如图1所示,下标i、j是区分土条内部的滑裂面

地基土层内(AB弧)或在路堤填料内的分条编号,即按地基滑裂面及路堤滑裂面分两大段分别编土条顺序号:

PT——各土条在滑弧切线方向的下滑力总和;

Si——地基土内抗剪力(AB弧);

Sj——路堤土内抗剪力(BC弧);

W——滑裂体某一土条的总重力;

α——土条底部滑裂面对水平面的夹角;

Li——土条底部滑弧长;

R——滑裂面半径

τi——当第i土条的滑裂面处于地基土层内时,该土条所在土层的天然十字板抗剪强度;

、——当第i土条的滑裂面处于地基内(AB弧)时,该土条所在土层的快剪(直剪)粘聚力及快剪内摩擦角;

、——当第j土条的滑裂面在路堤填料内(AB弧)时,该土条滑裂面所处路堤填料粘聚力及内摩擦角;

Pj——当第j土条的滑裂面在路堤填料内时,若该土条滑裂面与设置的土工织物相交,则P为该层土工织物每延米宽的设计拉力;

M——某些外力(如水平向地震力)产生的对滑裂面圆心的滑动力矩。

从理论上,处于极限平衡状态的土坡稳定的安全系数应等于1.0,若地基稳定系数F大于1.0,理应能满足稳定要求。但实际工程中,有些土坡的安全系数虽大于1.0,还是发生了滑坡事故;而有些土坡的安全系数虽小于1.0,却是稳定的。这主要是因为影响安全系数的因素很多,如土料的强度指标、计算方法的选择以及计算条件的选择等。公路路基设计规范对稳定安全系数进行了规定。

5.2 沉降计算

软土地基的沉降变形包括三部分:次固结沉降、瞬时固结沉降和主固结沉降。即S=Sd+Sc+Ss。

5.2.1 次固结沉降

次固结沉降被认为是有效应力已经基本不变,但土体体积仍随时间增长而发生的压缩。

式中:Ca——次压缩系数;

w——土的天然含水量;

t1——相当于主固结达到100%的时间;

t2——需要计算次压缩的时间;

Hi——第i层厚度;

eli——第i层分层终点,在自重与附加应力共同作用下的孔隙比。

5.2.2 瞬时固结沉降

瞬时固结沉降是指在加载瞬间,土中孔隙水来不及排出,孔隙体积没有变化,但荷载使土体产生剪切变形。所以它是由于土体的侧向变形而引起的。对于处于弹性变形阶段的地基瞬时沉降可按如下公式计算:

式中:F——中线沉降系数;

P——路堤底面中点的最大垂直荷载;

E——由无侧限抗压试验得到的弹性模量平均值(分层厚度的加权平均);

B——换算荷载宽度,当缺少资料时,可取泊松比为0.4～0.5,查图。

5.2.3 主固结沉降

主固结沉降是指地基中土粒骨架之间的孔隙水排出,孔隙压力转换为有效应力,土体逐渐压缩而产生的体积压缩变形。

目前,在国内的许多工程设计中,通常是用经验系数对主固结沉降进行修正而得出软粘土的最终沉降总量。根据公路路基设计规范(JTG D30——2004)公式如下:

式中:H,——路堤填土高度及容重;

V——填土加载速率修正系数;

Y——地质修正系数;

——地基处理类型系数。

5.2.4 国内容许工后沉降

国内容许工后沉降的标准如表3。

6 几种常用的软土路基处理方法简介

6.1 换填置换法

当软土厚度不是很大时,将基础底面以下处理范围内的软土层部分或全部挖除,换填特殊的置换材料,如砂垫层,砂卵石垫层、碎石垫层等,并采用人工或机械压(夯、振)实至要求密实度,一般全部挖除换填的软土层厚度限于3m且局部分布又无硬壳层的地段,而对于厚度大于3m的表层软土,则通常采用部分挖除置换处理。

处理效果:提高地基承载力,减少沉降量,加速软弱土层的排水固结,防止冻胀,调整不均匀地基刚度。

6.2 强夯法、强夯置换法

强夯法在国际上称动力压实法或动力固结法,这种方法是反复将夯锤提到高处使其自由落下,给地基以冲击和振动能量,将地基土夯实,从而提高地基的承载力,降低其压缩性,改善地基性能。

实践证明,强夯法用于加固处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,其效果十分明显。但对于软塑、流塑状态的黏性土,以及饱和的淤泥、淤泥质土,由于土颗粒细和其孔隙间饱含的水分不易排出而处理效果不明显,有时还适得其反。

有效加固深度(如表4):

6.3 抛石挤淤法

抛石挤淤法是通过向流塑状、高灵敏度的淤泥表面大量集中抛填石料,依靠填筑体的自重或利用其他外力,如压载、振动、爆炸、强夯或卸载(及时挖去换填体周边处的淤泥)等,使淤泥的结构遭到破坏后挤开淤泥,强制置换饱和软土的地基处理方法。

7 软基处理方法的选择

(1)地基条件:地形及软土成因、地基成层状况、软土厚度、不均匀性及分布范围,持力层位置及状况,软土的物理性质及地下水情况。(2)场地环境条件:如场地大小,周边道路运输情况,环境保护因素等。(3)施工条件:如工期,工程材料等。(4)道路条件:指所需做软基处理项目的道路等级、线形、周边构造物情况。

8 结语

本文简单的阐述了软基处理的设计原理和部分常见处理方法,可以起到科普的作用,对初学者有一定的帮助。