软土的工程特性及处治方法

Question

如题所述

Answer 1

软土【soft soil】是淤泥（muck）和淤泥质土（mucky soil）的总称。主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少置腐殖质所组成的土。软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙 比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。具有天然含水量高、天 然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物 理力学性质相差较大等特点。

处置方法

1 改变路堤本身的结构形式
这些处理方法对于填土较低的软土路堤比较有效，但不适用于高路堤中的软基处理。
(1)反压护道：主要用于当路堤在施工中达不到要求的滑动破坏安全系数时，进行反压路堤两侧设汁，以期达到路堤稳定的目的。施工时，应按如图1所示顺序进行，先填包括反压护道在内的砂垫层I及路堤II，最后填筑主路堤Ⅲ。必须注意：1)避免过高堆填。而应分层铺平，充分压实，并应有一定横坡度，以利于排水；2)反压护道的填筑速度不得低于主路堤。主路堤在施工中或完工后，如能确定反压护道下面的地基强度已增长到要求的值，则可以将反压护道设计高度以上的部分挖除，再利用这些材料填筑主路堤。
(2)土工格栅：土工格栅具有耐热性和耐寒性高、强度大、模量高、耐腐蚀、膨胀系数低和尺寸稳定性好等特点。在软土地基上修筑路堤时，在地基与路基中铺设一定量的土工格栅，然后在其上进行填土压实处理。可增强土体整体性，降低不均匀沉降，提高地基和填土的强度，阻抗土体破坏面的形成，从而达到加固土体，快速施工和快速通车的目的。土工格栅加固路基是一种机械式的土体加固方式，并没有改变填料的颗粒成分和相互连接等基本性状，其主要通过土工格栅对加固土体的侧向约束作用、网兜效应及摩擦作用等一系列作用来达到加固的目的。
2 排水固结
2.1 砂垫层法
砂垫层是浅层处理最常用的方法，这种方法是在软土地基上铺设厚度为0.5～1.2m左右的砂垫层。其主要目的在于加速土体的排水固结过程，提高路基承载力，减小沉降量，分散地基所承受的压力等。施工时应做到摊铺均匀，注意不要有很大的集中载荷作用。当路堤透水性不好、路堤坡脚附近砂垫层被路提覆盖时，可能会阻碍侧向排水，所以必须做好砂垫层端部的处理。
2.2 慢速加载法
这种方法类似于一般路堤的自然沉降，但要根据土质的剪切破坏情况，控制填土速度，用较长的时问完成填土。无需特殊的施工机械和材料，在工期充裕的情况下，采用此法最为经济。在慢速加载过程中，为了安全稳妥地进行施工，应及时了解和掌握地基稳定和固结情况，并根据所观测的结果来调节施工速度。最好备有沉降仪、孔隙水压力仪等检测设备。
2.3 砂井排水法
这种方法是在软土层中设置垂直排水砂井，充填物质一般由中砂、粗砂或砂袋构成。软基施工前应先排除积水，整平坑洼，上方填横向排水砂垫层。如需改善施工条件，可再铺厚约15mm的碎石或砂砾石。不得填片石，以免影响打砂桩。地面整个表层处理后，根据线路中线及桩排距定好桩位。沉管成井方法一般有：
(1)震动法：用低频震动机将有活瓣桩靴的套管沉入土层、达到设计深度后向管中灌砂或放进袋装砂井，再慢速提管不停震动，并可灌水使砂井密实不致缩颈或中断，又可防止管内的砂或砂袋随管带上。
(2)冲击法：用标贯桩机将套管打入土层，到位后向管口灌砂。用竹杆儿或振动器捣实，可用于浅层砂井。亦可用竹杆儿或水管带塑料排水板人力插进，必要时先锤击成孔。
(3)裸打法：用人工螺钻或100钻机成孔。提钻后放进袋装砂井，再灌砂插实。本法仅用于软土层较薄、砂井较短的地基加固。
2.4 塑料排水板
料板排水处理软土地基是根据排水通道(插入塑料排水板)，缩短排水距离的原理在地基上施加荷载，土中孔隙水通过塑料排水板通道排出，从而使土中孔隙水体积逐渐减少，地基土固结变形，同时随着超静孔隙水压力逐渐消散，有效应力提高，地基强度得到增长。该法处理软土路基，既有排水固结作用，又能挤密地基；且施工设备简单，施工速度快，造价低。但采用塑料排水板也有不足之处，一是填土速度受限；二是沉降时间长。所以在工期紧张时，仅采用排水固结法是不够的，应辅以反压护道，采用轻质填料等多种方法相结合使用。且应密切注意排水通道的畅通，确保软基中的水能够即时排出。
2.5 预压法
又可分为堆载预压法、降水预压法、真空预压法以及真空一堆载联合预压法等。
(1)堆载预压：堆载预压要有便宜方便的原材料，卸载后易于处理和利用。实际上，填方工程开始即对地基逐步进行了加载预压。但为了考虑通车以后的活荷载作用所引起的沉降，所以，尽管堆载到了路基面，还需要计算这些汽车荷载作用。具体应按换算土柱加足土方才算满荷。此后再加载时称为超载。超载后静置的时问为三个月，实测沉降达到要求并稳定后撤除。现在在堆载预压时经常附以砂垫层、砂井或塑料排水板等排水措施，以增强其排水能力，加快固结速度。
(2)降水预压法：通过井点抽水使地下水位降低，从而增加土的自重应力，以达到预压的目的。由于使用了降水法，就不需控制加荷速率，也不会有因孔隙水压力增高，而使地基破坏的情况，因此施工速度可以提高。
(3)真空预压：真空排水预压法，就是先在加固
土中布置砂井与砂垫层，然后在砂垫层上铺设不透气的塑料薄膜，通过真空泵抽气，造成塑料薄膜具有一定的真空度，使土中产生负的孔隙水压力，从而吸 出孔隙水达到预压固结的目的。
(4)真空联合堆载预压法：这种方法是在进行
真空预压的同时，在地基上再进行堆载。与一般的堆载预压法相比，真空联合堆载预压法可以充分发挥真空预压和堆载预压各自的优势，加速孔隙水的排出和地基的固结，提高加荷速率，缩短工期，增大加固深度及减少工后沉降。
3 人工地基
3.1 振冲挤密法
振冲法是将类似于混凝土振捣棒的“振冲器”插入土中，一方面利用振冲器内旋转的偏心块对周围土体施加横向挤紧作用，使地基土颗粒挤密，孔隙减小，提高了桩间土的承载力；另一方面利用振冲器的上下喷口喷水(或喷气)协助成孔并护壁，孔内填以碎石。在砂土中直接产生振动液化，振密砂土，称振冲挤密法。在饱水软土中，振动力不能使软土内的孔隙水排出挤密，而是将填料碎石振密，且挤人周围的软土中，形成粗大密实的桩体，称碎石桩，此法又称振冲置换法。振冲碎石桩一般按三角形或方形进行平面布置，但要结合填土路堤的宽度及软土情况而定，并应特别注意桩的对称性、受力均匀性以及与路堤荷载的对应性，以防止路基产生不均匀沉降。桩的直径应按复合地基的容许承载力进行计算，桩距则可依桩径和桩数而定。桩长以地基最大剪切破坏和压缩层的深度来控制，即桩最短不浅于最大剪切破坏深度，最长不超过压缩层深度。
3.2 开挖换填法
即在一定范围内，将软土挖除，用无侵蚀作用的低压缩散粒体材料置换，然后分层夯实。按软土层的分布形态与开挖部位可分为全面开挖换填和局部开挖换填两种。
3.3 强制换填法
按施工方法分为路堤载荷强制换填和爆破换填法两种。
(1)路堤强制换填法：强制换填法就是依靠路堤载荷将部分软土层强制挤出，用良好的填筑材料置换。施工时，应从中线起逐渐向外侧填筑，但是，对于宽路堤，由于沉降不一致，从而在路堤下面残留部分软土，工后会发生不利的不均匀沉降，应引起注意。
(2)爆破换填法：种方法就是把炸药装入软土层，通过爆破作用将软土挤出的方法。这种方法对周围影响很大，只限于爆破对周围构造物或设施没有不良影响的地区使用。并且一般要通过几次爆破使路堤逐渐下沉，两侧挤出隆起的软土要及时挖除保证爆破效果不致降低。
3.4 CFG桩
CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称。它是由水泥、粉煤灰、碎石和砂加水拌和而成的高粘结强度桩，同桩问土及褥垫层一起形成复合地基。其加固机理主要表现有两种作用：第一是挤密与置换作用；除此之外，CFG桩属于刚性桩，它和桩问土共同作用，即具有复合地基的特点，也具有桩基的某些特征，在加固区范围内桩身的变形控制复合地基的变形，可大幅度降低地基的沉降。一定厚度的褥垫层是CFG复合地基的核心部分：基础下是否有褥垫层对地基的承载能力有很大的影响，只有设置了褥垫层，桩间土承载能力才能发挥出其潜在的作用。在具体的受力条件下，由于桩身的强度及模量比桩间土大，所以首先是桩体受力，表现出比较明显的应力集中现象，且其桩土应力比能达到较高的值，可以大幅减少桩间土承载的荷载，这一点是其他散体材料桩无法比拟的。CFG桩的设计与计算包括：桩长、桩径、面积置换率、复合地基承载力、复合地基沉降等，进行桩基设计的目的不但要使复合地基满足承载力和变形的要求，还要保证设计方案的经济性。在实际的工程设计中，为了得到最优的设计方案，则需要联系实际情况，根据检测结果反复调整参数计算，改进设计。
4 新技术
4.1 现浇薄壁筒桩
现浇薄壁筒桩是近年来新发明的一种新型桩型，它是利用一种压入式成孔器，通过成孔、灌注、振动、拔管一次成桩。它具有经济高效、承载力高、稳定性好、抵抗软基础不均匀沉降强、不污染环境、缩短工期等特点。筒桩采用薄壳混凝土结构，承载力高，属刚性桩。它主要作用是将路基的荷载大部分由筒桩传递到深处。随后，再通过土工格栅将上部路基荷载均匀传递给桩土复合地基。当桩问土通过土工格栅与桩身发生紧密作用时，外荷载开始由桩身承担，此时的桩问土沉降就基本逐步达到稳定，从而提高了地基强度，减少路基的沉降。另一项重要作用是群桩的侧向水平总体效应，它能明显阻止路基软土的水平方向位移，从而大大增加路基的稳定性。此方法目前已在多条高速公路软基处理中推广应用，实践表明，处理后的软土地基刚度和承载力均得到大幅度提高，施工期和工后沉降均小于塑料排水板、粉喷桩处理方案，并能大大提高路堤的填筑速率，缩短施工工期，对解决路基沉降、桥头跳车、桥台移位等软基病害特别有效。其在技术、使用效果、经济方面的研究成果均达到了国际先进水平。
4.2 异形桩
异形灌注桩是建立在圆柱形沉管灌注桩这一成熟技术之上的新型桩基施工技术，它继承了沉管灌注桩的特点，发挥了变截面桩的优势，从而可以充分利用材料特性，降低工程成本。中国工程院副院长潘家铮院士最近对异形灌注桩给以评价：异形灌 注桩确有一定的优点和合理之处，在适当的条件下，可以与钻孔灌注桩及预应力(管)桩竞争。”本文主要对近几年发展起来的浙江软基处理新工艺一Y型灌注桩进行介绍。该项软基处理新工艺在2003年7月17日通过了浙江省科技厅的高新技术成果认定。Y型桩顾名思义，其桩型就像一个“Y”字。由于Y型桩的桩身带有突起的三条侧棱，加上桩顶配有一个桩帽，整个桩的外形就像一个巨大的伞。这种特殊的形状(图2)，使其具有比普通圆管桩更大的侧表面积，因此，它不仅秉承了一般沉管桩的优点和特点，而且在消耗等量混凝土的情况下，Y型桩承载力比一般沉管桩可提高20％，～25％；在同等的设计承载力要求下，Y型桩可比一般沉管桩节省投资20％。在施工中，Y型沉管灌注桩也无需专用打桩设施，只需将模具更换成“Y”形钢模即可。其施工规范和验收标准均可借鉴原有的沉管灌注桩，即垂直打人软土地基，达到设计深度后，灌注混凝土并小幅度间隙振动，拔出桩模后，在地下就会留下一个“Y”形的砼桩。

5 其他方法
5.1 浆喷桩
利用压力将化学溶液或胶结剂通过注浆管均匀地注入士层中，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，如水泥的水解和水化反应(形成水泥石骨架)，离子交换和团粒化作用、硬凝反应、碳酸化反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量，减小地基沉降，使其成为优质地基。加固软土地基的浆液大致有下列几类：水玻璃为主剂的浆液，水泥浆液，以纸浆废液为主剂的浆液等。
5.2 强夯法
自20世纪70年代初法国人L·梅纳首次提出采用强夯法加固填土地基以来，该项技术已在世界各地广泛应用于碎石土、砂土、黄土、填土和非饱和粘性土等的地基加固中。所谓强夯法，就是将数吨至数十吨的重锤从高处自由落下，对软土地基进行强力夯实，以提高其强度。用强夯法加固的土基，承载力会明显提高，沉降量也会降低。其原理在于：在强夯过程中，土体中微小气泡的体积压缩，土的孔隙减小，土体局部液化，土的结构破坏并且强度下降到最低位。随之在夯击点周围出现径向裂隙，形成树枝状的排水网络，使土体渗透性大大增加，孔隙水得以顺利溢出，加速了土体的固结。继而因粘性土的触变性，使土基的强度得到恢复和增强。
强夯法的施工：先通过试夯取得必要的施工参数，然后根据试夯数据布置夯击点(一般按方形布点)、拟定夯打遍数和每遍夯打次数，以及前后两遍夯打的间隔时间。施工机可用50～100t的吊机或
三角架。锤重一般为10～20t，底面积3～6m2，自由落高10～20m，加固深度可达10～20m。在两遍夯打之间，应注意间隔的时间以及夯击坑的回填工作。夯打完成后，应整平地基，用较小的能量对整个场地进行一夯搭～夯的夯打。目的是夯实表面震松层及夯坑内松散回填土。若整个施工场地的地基为非匀质土并与原计划不符时，应及时采取补夯措施，务使整个场地得到同等的夯击效果。
5.3 粉体喷射搅拌法
本方法是向软土地基内喷射生石灰粉、水泥粉或粉煤灰等加固材料，原位搅拌混合，通过化学反应达到改善软土力学性能的目的。
粉体搅拌桩具有较高的刚度，抗侧向变形能力；能够有效地减少软基的压缩量，调整横断面差异沉降，并且可以承受较快的加荷速度；在路基填土过程中，不宜使用冲击力过大的压路机，可适当增加碾压遍数，尽量使处理后的基底桩问土相对固结稳定，以增加抗剪能力。粉体搅拌桩不能改善地基排水条件，但通过吸水固结可提高桩间土的结构性，同时桩顶铺垫砂层可便于地基排水，从而可适当加速桩问土的固结，降低工后沉降量。

Answer 2

软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。这类土的物理特性大部分是饱和的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1。当天然孔隙比大于1.5时，称为淤泥；天然孔隙比大于1而小于1.5时，则称为淤泥质土。这类土的抗剪强度很低，压缩性较高，渗透性很小，并具有结构性，广泛分布于我国东南沿海地区和内陆江河湖泊的周围，是软弱土的主要土类，通称软土。一般具有下列工程特性：
（1）含水量较高，孔隙比大。一般含水量为35%~80%，孔隙比为1~2。
（2）抗剪强度很低。根据土工试验的结果，我国软土的天然不排水抗剪强度一般小于20kPa，其变化范围在5~25kPa；有效内摩擦角约为20°~35°；固结不排水剪内摩擦角12°~17°。正常固结的软土层的不排水抗剪强度往往是随距地表深度的增加而增大，每米的增长率约为1~2kPa。加速软土层的固结速率是改善软土强度特性的一项有效途径。
（3）压缩性较高。一般正常固结的软土的压缩系数约为α1-2=0.5~1.5MPa-1，最大可达α1-2=4.5MPa-1；压缩指数约为Cc=0.35~0.75
（4）渗透性很小。软土的渗透系数一般约为1×10-6~1×10-8cm/s
（5）具有明显的结构性。软土一般为絮状结构，尤以海相粘土更为明显。这种土一旦受到扰动，土的强度显著降低，甚至呈流动状态。我国沿海软土的灵敏度一般为4~10，属于高灵敏度土。因此，在软土层中进行地基处理和基坑开挖，若不注意避免扰动土的结构，就会加剧土体变形，降低地基土的强度，影响地基处理效果。
（6）具有明显的流变性。在荷载作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，在主固结沉降完毕之后还可能继续产生可观的次固结沉降。
软弱土地基处理方法主要有换填垫层法、预压法、强夯法和强夯置换法、振冲法、砂石桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、夯实水泥土桩法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、石灰桩法、灰土挤密法和土挤密法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法。各种地基处理方法适用范围及原理等请参考《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002。

Answer 3

软土是在静水或缓慢流水环境中沉积而成的，故天然含水量大、压缩性高，承载力低，是一种软塑到流塑状态的饱和粘性土。处治方法有换土、挤密、加筋等。