淺析湖濱地區(qū)堤防工程軟土地基處理方法

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鄱陽(yáng)湖區(qū)大部分河岸都是座落在沖湖積層上，積層主要由疏松沉積物組成，由于沉積原因復(fù)雜，常常出現(xiàn)互相摻雜、交叉、互層等復(fù)雜地質(zhì)情況。處在淤泥、淤泥粘土堤段的堤防基礎(chǔ)多呈軟塑狀或流塑狀的軟土地基上，其承載力極低，而厚度可深達(dá)幾米乃至更深，特點(diǎn)是高含水量、大空隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度等，它們是導(dǎo)致堤坡失穩(wěn)的主要因素。
    通常把抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、透水性差的地基以及在動(dòng)力荷載作用下容易液化的地基稱(chēng)軟土地基。軟土地基持力層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土或其它高壓縮性土構(gòu)成的地基，承載能力很低，一般不超過(guò)5kpa。 軟土地基中最常見(jiàn)的工程地質(zhì)性質(zhì)最差的要數(shù)淤泥或淤泥質(zhì)土。通常工程上把天然孔隙比大于或等于1.5的亞粘土、粘土稱(chēng)為淤泥，而把孔隙比大于1.0小于1.5的粘土稱(chēng)為淤泥質(zhì)粘土。
    1、軟土地基的特性
    a．孔隙比和天然含水量大。我省軟土的天然孔隙比e一般在1~2之間，淤泥和淤泥質(zhì)土的天然含水量ω為50%~70%，一般大于液限，高的可達(dá)200%。
    b．壓縮性高。我省淤泥和淤泥質(zhì)土的壓縮系的一般都大于0.5Mpa-1，建造在這種軟土上的建筑物將發(fā)生較大的沉降，尤其是沉降的不均性，會(huì)造成建筑物的開(kāi)裂和損壞。
    c．透水性弱。軟土含水量大，可是其透水性卻很小，垂直滲透系數(shù)k在10-6cm/s~10-8cm/s量級(jí)。由于透水性小，不利地基排水固結(jié)，地基土體受荷載作用后，往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力，影響地基的固結(jié)壓密。
    d．抗剪強(qiáng)度低。軟土通常呈軟塑一流塑狀態(tài)，在外荷作用下，抗剪性能低，根據(jù)部分已建工程和再建工程的地質(zhì)勘察資料統(tǒng)計(jì)，我省軟土無(wú)側(cè)限抗剪強(qiáng)度一般小于5 kpa（相當(dāng)于0.5kg/cm2）。不排水剪時(shí)，其內(nèi)磨擦角φ幾乎等于零，抗剪強(qiáng)度僅取決于凝聚力C，C＜5 kpa，固結(jié)快剪時(shí)， φ一般為5°~15°。因此，提高軟土地基強(qiáng)度的關(guān)鍵是排水。如果土層有排水出路，它將隨著有效壓力的增加而逐步固結(jié)。反之，若沒(méi)有良好的排水出路，隨著荷載的增大，它的強(qiáng)度可能衰減。在這類(lèi)軟土上的建筑物盡量采用“輕型薄壁”，減輕建筑荷重。 
    e．靈敏度高。軟粘土上尤其是海相沉積的軟粘土，在結(jié)構(gòu)未被破壞時(shí)具有一定的抗剪強(qiáng)度，但一經(jīng)擾動(dòng)，抗剪強(qiáng)度將顯著降低。軟粘土受到擾動(dòng)后強(qiáng)度降低的特性可用靈敏度（在含水量不變的條件下，原狀土與重塑土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比）來(lái)表示，軟粘土的靈敏度一般在3~4之間，也有更高的情況。因此，在高靈敏度的軟土地基上筑堤時(shí)應(yīng)盡量避免對(duì)地基土的擾動(dòng)。
    2、軟土地基上堤防失穩(wěn)的原因
    引起軟土地基上堤防滑動(dòng)破壞的根本原因，在于軟弱地基中某個(gè)面上的剪應(yīng)力超過(guò)了它的抗剪強(qiáng)度，穩(wěn)定平衡遭到破壞。主要有兩方面因素：一是由于剪應(yīng)力的增加，例如大堤施工中上部填土荷重的增加；降雨使土體容重增加；水位降落產(chǎn)生滲透壓力；地震、打樁等引起的動(dòng)荷載等。二是由于軟土地基本身抗剪強(qiáng)度的減小。例如孔隙水應(yīng)力的升高；氣候變化產(chǎn)生的干裂、凍融；粘土夾層因浸水而軟化以及粘性土的蠕變等。
    對(duì)堤防工程進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，通常是將假想滑動(dòng)面以上土體看作剛體，并以它為脫離體，分析在極限平衡條件下其上各種作用力，并以整個(gè)滑動(dòng)面上的平均滑動(dòng)力與平均阻滑力之比來(lái)定義它的安全系數(shù)，即
  　k= Fh / Fz
　　式中：
　　K—堤防穩(wěn)定安全系數(shù)；
　　Fh—滑動(dòng)面處土體的平均滑動(dòng)力；
　　Fz—作用于滑動(dòng)面上的平均阻滑力。
    K>1土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；K＜1土體處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)的趨勢(shì)；K =1，土體處于臨界狀態(tài)。因此，要使處于滑動(dòng)狀態(tài)或有滑動(dòng)趨勢(shì)的土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，必須K＞1（堤防工程等級(jí)不同，K取值也不同，《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286-98規(guī)定，K值通常在1.05~1.30之間），一般有兩種方法：一是提高土體的抗剪強(qiáng)度，使孔隙水應(yīng)力充分消散，如對(duì)地基進(jìn)行加固等；二是減小作用在土體上的剪應(yīng)力，如減小堤防的橫斷面積，盡量避免對(duì)堤防的擾動(dòng)等。第一種方法在工程中被廣泛采用。
    3、軟土地基上筑堤采用的地基處理方法及適用條件
    3.1堤身自重?cái)D淤法
    堤身自重?cái)D淤法就是通過(guò)逐步加高的堤身自重將處于流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土外擠，同時(shí)做好排水反濾，通過(guò)堤身自重作用下使淤泥或淤泥質(zhì)土中的孔隙水應(yīng)力充分消散和有效應(yīng)力增加，從而提高地基抗剪強(qiáng)度的方法。在擠淤過(guò)程中為了不致產(chǎn)生不均勻沉陷，應(yīng)放緩堤坡、減慢堤身填筑速度，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，分期加高。其優(yōu)點(diǎn)可節(jié)約投資；缺點(diǎn)是施工期長(zhǎng)。此法適合于地基呈流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土，且工期不太緊的情況下采用。
    3.2拋石擠淤法
    拋石擠淤法就是把一定量和粒徑的塊石拋在需進(jìn)行處理的淤泥或淤泥質(zhì)土地基中，將原基礎(chǔ)處的淤泥或淤泥質(zhì)土擠走，從而達(dá)到加固地基的目的。一般按以下程序進(jìn)行：將不易風(fēng)化的石料（尺寸一般不宜小于30cm）拋投于被處理堤基中，拋石方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定。橫坡較平坦時(shí)，采用自地基中部漸次向兩側(cè)擴(kuò)展；橫坡陡于1:10時(shí)，一般自高側(cè)向低側(cè)拋投。最后在上面鋪設(shè)反濾層。這種方法施工技術(shù)簡(jiǎn)單，投資較省，常用于處理流塑態(tài)的淤泥或淤泥質(zhì)土地基。
    3.3換填法
    換填法就是把靠近堤防基底的不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力和變形要求的軟土挖除，然后分層換填強(qiáng)度較大砂性土（碎石、素土、灰土、粉煤灰）或其它性能穩(wěn)定、無(wú)侵蝕材料，并壓（夯、振）實(shí)至要求的密實(shí)度為止。此法可以就地取材，價(jià)格便宜，施工工藝較為簡(jiǎn)單，本法在軟土埋深較淺、開(kāi)挖方量不太大的場(chǎng)地較常采用。
    3.4預(yù)壓排水固結(jié)法
    預(yù)壓排水固結(jié)法是在排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分的相互配合作用下，使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系統(tǒng)有水平排水墊層、排水砂溝或其它水平排水體和豎直方向的排水砂井或塑料排水板；排水系統(tǒng)是一種手段，如果沒(méi)有加壓系統(tǒng)，孔隙中的水沒(méi)有壓力差就不會(huì)自然排出，地基也就得不到加固。加壓系統(tǒng)有堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓或降低地下水位等。當(dāng)堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓聯(lián)合使用時(shí)又稱(chēng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法?；咀龇ㄈ缦拢合葘⒓庸谭秶鷥?nèi)的植被和表土清除，上鋪砂墊層；然后垂直下插塑料排水板，砂墊層中橫向布置排水管，用以改善加固地基的排水條件；再在砂墊層上鋪設(shè)密封膜，用真空泵將密土膜以?xún)?nèi)的地基氣壓抽至80kpa以上。該方法往往加固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，抽真空處理范圍有限，適用于工期要求不緊的淤泥或淤泥質(zhì)土地基處理。流變特性很強(qiáng)的軟粘土、泥炭土，不宜采用此法。
    3.5振動(dòng)水沖法
    振沖法是利用一根類(lèi)似插入式混凝土振搗器的機(jī)具，稱(chēng)為振沖器，有上、下兩個(gè)噴水口，在振動(dòng)和沖擊荷載的作用下，先在地基中成孔，再在孔內(nèi)分別填入砂、碎石等材料，并分層振實(shí)或夯實(shí)，使地基得以加固。用砂樁、碎石樁加固初始強(qiáng)度不能太低（初始不排水抗剪強(qiáng)度一般要求大于20kpa），對(duì)太軟的淤泥或淤泥質(zhì)上不宜采用。
    石灰樁、二灰樁是在樁孔中灌入新鮮生石灰，或在生石灰中摻入適量粉煤灰、火山灰（常稱(chēng)為二灰），并分層擊實(shí)而成樁。它通過(guò)生石灰的高吸水性、膨脹后對(duì)樁周土的擠密作用，離子交換作用和空氣中的二氧化碳與水發(fā)生酸化反應(yīng)使被加固地基強(qiáng)度提高。
    3.6水泥土攪拌法
    水泥土攪拌法是用于加固飽和粘性土地基的一種新方法。它是利用水泥(或石灰）等材料作為固化劑，通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，由固化劑和軟土間所產(chǎn)生的一系列物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基強(qiáng)度和增大變形模量。根據(jù)施工方法的不同，水泥土攪拌法分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種。前者是用水泥漿和地基土攪拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土攪拌。
    水泥土攪拌法分為深層攪拌法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)濕法)和粉體噴攪法(以下簡(jiǎn)稱(chēng)干法)。水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和素填土、粘性土以及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0％、大于70％或地下水的pH值小于4時(shí)不宜采用干法。冬期施工時(shí)，應(yīng)注意負(fù)溫對(duì)處理效果的影響。濕法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。水泥土攪拌樁的樁徑不應(yīng)小于500mm。
    水泥加固土的室內(nèi)試驗(yàn)表明，有些軟土的加固效果較好，而有的不夠理想。一般認(rèn)為含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好，而含有伊里石、氯化物和水鋁英石等礦物的粘性土以及有機(jī)質(zhì)含量高、酸堿度(pH值)較低的粘性土的加固效果較差。
    3.7強(qiáng)夯法
    強(qiáng)夯法是法國(guó)Menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法，它通過(guò)一般10～40t的重錘和10m～40m的落距，對(duì)地基土施加很大的沖擊能，對(duì)土進(jìn)行夯實(shí)。經(jīng)夯實(shí)后的土體孔隙壓縮，同時(shí)，夯點(diǎn)周?chē)a(chǎn)生的裂隙為孔隙水的出逸提供了通道，有利于土的固結(jié)，從而提高了土的承載能力。強(qiáng)夯法具有施工簡(jiǎn)單、加固效果好、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，此法適用碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、素填土和雜填土等地基。
    3.8土工合成材料加筋加固法
    土工合成材料加筋加固法將土工合成材料平鋪于堤防地基表面進(jìn)行地基加大，能使堤防荷載均勻分散到地基中。當(dāng)?shù)鼗赡艹霈F(xiàn)塑性剪切破壞時(shí)，土工合成材料將起到阻止破壞面形成或減小破壞發(fā)展范圍的作用，從而達(dá)到提高地基承載力的目的。此外，土工合成材料與地基土之間的相互磨擦將限制地基土的側(cè)向變形，從而增加地基的穩(wěn)定性。
    4、工程實(shí)例應(yīng)用
    豐城市的豐城大聯(lián)圩北湖倒虹管的軟土加固。2000年豐城大聯(lián)圩北湖倒虹管施工時(shí)，開(kāi)挖基礎(chǔ)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，發(fā)現(xiàn)有30米長(zhǎng)的基礎(chǔ)夾有含水量高，強(qiáng)度低和壓縮性大的淤泥質(zhì)土層，最大厚度約3m，為防止堤基不均勻沉陷，增強(qiáng)堤防的穩(wěn)定性，對(duì)該30米長(zhǎng)堤段清除上層1.0m厚的淤泥質(zhì)土,然后布設(shè)孔徑0.5m孔深1.0~2.0m,孔間距1.0m的石灰碎石樁,振沖后，上部分層填筑級(jí)配良好的砂卵石土料至基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高程,并碾壓密實(shí)。在此基礎(chǔ)修建北湖倒虹管。堤防經(jīng)一定時(shí)間的運(yùn)行考驗(yàn)，經(jīng)沉陷觀測(cè)表明，沉降量很小，地層穩(wěn)定。