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，而厚度可深達幾米乃至更深，特點是高含水量、大空隙比、高壓縮性、低強度等，它們是導(dǎo)致堤坡失穩(wěn)的主要因素。
    通常把抗剪強度低、壓縮性高、透水性差的地基以及在動力荷載作用下容易液化的地基稱軟土地基。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5kpa。 軟土地基中最常見的工程地質(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、粘土稱為淤泥，而把孔隙比大于1.0小于1.5的粘土稱為淤泥質(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，會造成建筑物的開裂和損壞。
    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。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，我省軟土無側(cè)限抗剪強度一般小于5 kpa（相當(dāng)于0.5kg/cm2）。不排水剪時，其內(nèi)磨擦角φ幾乎等于零，抗剪強度僅取決于凝聚力C，C＜5 kpa，固結(jié)快剪時， φ一般為5°~15°。因此，提高軟土地基強度的關(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，若沒有良好的排水出路，隨著荷載的增大，它的強度可能衰減。在這類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)未被破壞時具有一定的抗剪強度，但一經(jīng)擾動，抗剪強度將顯著降低。軟粘土受到擾動后強度降低的特性可用靈敏度（在含水量不變的條件下，原狀土與重塑土無側(cè)限抗壓強度之比）來表示，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應(yīng)盡量避免對地基土的擾動。
    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破壞的根本原因，在于軟弱地基中某個面上的剪應(yīng)力超過了它的抗剪強度，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、打樁等引起的動荷載等。二是由于軟土地基本身抗剪強度的減小。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。
    對堤防工程進行穩(wěn)定分析時，通常是將假想滑動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，并以整個滑動面上的平均滑動力與平均阻滑力之比來定義它的安全系數(shù)，即
  　k= Fh / Fz
　　式中：
　　K—堤防穩(wěn)定安全系數(shù)；
　　Fh—滑動面處土體的平均滑動力；
　　Fz—作用于滑動面上的平均阻滑力。
    K>1土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；K＜1土體處于滑動狀態(tài)或有滑動的趨勢；K =1，土體處于臨界狀態(tài)。因此，要使處于滑動狀態(tài)或有滑動趨勢的土體達到穩(wěn)定狀態(tài)，必須K＞1（堤防工程等級不同，K取值也不同，《堤防工程設(shè)計規(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度，使孔隙水應(yīng)力充分消散，如對地基進行加固等；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，盡量避免對堤防的擾動等。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堤身自重擠淤法
    堤身自重擠淤法就是通過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，同時做好排水反濾，通過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度的方法。在擠淤過程中為了不致產(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)計計算，分期加高。其優(yōu)點可節(jié)約投資；缺點是施工期長。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，從而達到加固地基的目的。一般按以下程序進行：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，采用自地基中部漸次向兩側(cè)擴展；橫坡陡于1:10時，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足設(shè)計承載力和變形要求的軟土挖除，然后分層換填強度較大砂性土（碎石、素土、灰土、粉煤灰）或其它性能穩(wěn)定、無侵蝕材料，并壓（夯、振）實至要求的密實度為止。此法可以就地取材，價格便宜，施工工藝較為簡單，本法在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地較常采用。
    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，如果沒有加壓系統(tǒng)，孔隙中的水沒有壓力差就不會自然排出，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)合使用時又稱真空聯(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內(nèi)的地基氣壓抽至80kpa以上。該方法往往加固時間過長，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。流變特性很強的軟粘土、泥炭土，不宜采用此法。
    3.5振動水沖法
    振沖法是利用一根類似插入式混凝土振搗器的機具，稱為振沖器，有上、下兩個噴水口，在振動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，并分層振實或夯實，使地基得以加固。用砂樁、碎石樁加固初始強度不能太低（初始不排水抗剪強度一般要求大于20kpa），對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（常稱為二灰），并分層擊實而成樁。它通過生石灰的高吸水性、膨脹后對樁周土的擠密作用，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，通過特制的攪拌機械，在地基深處就地將軟土和固化劑(漿液或粉體）強制攪拌，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)定性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基強度和增大變形模量。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(以下簡稱濕法)和粉體噴攪法(以下簡稱干法)。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、粘性土以及無流動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時不宜采用干法。冬期施工時，應(yīng)注意負(fù)溫對處理效果的影響。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強夯法
    強夯法是法國Menard技術(shù)公司于1969年首創(chuàng)的一種地基加固方法，它通過一般10～40t的重錘和10m～40m的落距，對地基土施加很大的沖擊能，對土進行夯實。經(jīng)夯實后的土體孔隙壓縮，同時，夯點周圍產(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。強夯法具有施工簡單、加固效果好、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，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，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，開挖基礎(chǔ)到設(shè)計深度時，發(fā)現(xiàn)有30米長的基礎(chǔ)夾有含水量高，強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，增強堤防的穩(wěn)定性，對該30米長堤段清除上層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，上部分層填筑級配良好的砂卵石土料至基礎(chǔ)設(shè)計高程,并碾壓密實。在此基礎(chǔ)修建北湖倒虹管。堤防經(jīng)一定時間的運行考驗，經(jīng)沉陷觀測表明，沉降量很小，地層穩(wěn)定。