浅析湖滨地区堤防工程软土地基处理方法

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鄱阳湖区大部分河岸都是座落在冲湖积层上，积层主要由疏松沉积物组成，由于沉积原因复杂，常常出现互相掺杂、交叉、互层等复杂地质情况。处在淤泥、淤泥粘土堤段的堤防基础多呈软塑状或流塑状的软土地基上，其承载力极低，而厚度可深达几米乃至更深，特点是高含水量、大空隙比、高压缩性、低强度等，它们是导致堤坡失稳的主要因素。
    通常把抗剪强度低、压缩性高、透水性差的地基以及在动力荷载作用下容易液化的地基称软土地基。软土地基持力层主要由淤泥、淤泥质土或其它高压缩性土构成的地基，承载能力很低，一般不超过5kpa。 软土地基中最常见的工程地质性质最差的要数淤泥或淤泥质土。通常工程上把天然孔隙比大于或等于1.5的亚粘土、粘土称为淤泥，而把孔隙比大于1.0小于1.5的粘土称为淤泥质粘土。
    1、软土地基的特性
    a．孔隙比和天然含水量大。我省软土的天然孔隙比e一般在1~2之间，淤泥和淤泥质土的天然含水量ω为50%~70%，一般大于液限，高的可达200%。
    b．压缩性高。我省淤泥和淤泥质土的压缩系的一般都大于0.5Mpa-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。
    c．透水性弱。软土含水量大，可是其透水性却很小，垂直渗透系数k在10-6cm/s~10-8cm/s量级。由于透水性小，不利地基排水固结，地基土体受荷载作用后，往往呈现很高的孔隙水压力，影响地基的固结压密。
    d．抗剪强度低。软土通常呈软塑一流塑状态，在外荷作用下，抗剪性能低，根据部分已建工程和再建工程的地质勘察资料统计，我省软土无侧限抗剪强度一般小于5 kpa（相当于0.5kg/cm2）。不排水剪时，其内磨擦角φ几乎等于零，抗剪强度仅取决于凝聚力C，C＜5 kpa，固结快剪时， φ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。 
    e．灵敏度高。软粘土上尤其是海相沉积的软粘土，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。
    2、软土地基上堤防失稳的原因
    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；水位降落产生渗透压力；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滑动力与平均阻滑力之比来定义它的安全系数，即
  　k= Fh / Fz
　　式中：
　　K—堤防稳定安全系数；
　　Fh—滑动面处土体的平均滑动力；
　　Fz—作用于滑动面上的平均阻滑力。
    K>1土体处于稳定状态；K＜1土体处于滑动状态或有滑动的趋势；K =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K＞1（堤防工程等级不同，K取值也不同，《堤防工程设计规范》GB50286-98规定，K值通常在1.05~1.30之间），一般有两种方法：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、软土地基上筑堤采用的地基处理方法及适用条件
    3.1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，同时做好排水反滤，通过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，根据设计计算，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。
    3.2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。一般按以下程序进行：将不易风化的石料（尺寸一般不宜小于30cm）抛投于被处理堤基中，抛石方向根据软土下卧地层横坡而定。横坡较平坦时，采用自地基中部渐次向两侧扩展；横坡陡于1:10时，一般自高侧向低侧抛投。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。
    3.3换填法
    换填法就是把靠近堤防基底的不能满足设计承载力和变形要求的软土挖除，然后分层换填强度较大砂性土（碎石、素土、灰土、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止。此法可以就地取材，价格便宜，施工工艺较为简单，本法在软土埋深较浅、开挖方量不太大的场地较常采用。
    3.4预压排水固结法
    预压排水固结法是在排水系统和加压系统两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；排水系统是一种手段，如果没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到加固。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80kpa以上。该方法往往加固时间过长，抽真空处理范围有限，适用于工期要求不紧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。
    3.5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20kpa），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二氧化碳与水发生酸化反应使被加固地基强度提高。
    3.6水泥土搅拌法
    水泥土搅拌法是用于加固饱和粘性土地基的一种新方法。它是利用水泥(或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，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。根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌。
    水泥土搅拌法分为深层搅拌法(以下简称湿法)和粉体喷搅法(以下简称干法)。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。当地基土的天然含水量小于30％、大于70％或地下水的pH值小于4时不宜采用干法。冬期施工时，应注意负温对处理效果的影响。湿法的加固深度不宜大于20m；干法不宜大于15m。水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm。
    水泥加固土的室内试验表明，有些软土的加固效果较好，而有的不够理想。一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好，而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度(pH值)较低的粘性土的加固效果较差。
    3.7强夯法
    强夯法是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般10～40t的重锤和10m～40m的落距，对地基土施加很大的冲击能，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通道，有利于土的固结，从而提高了土的承载能力。强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，此法适用碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、素填土和杂填土等地基。
    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小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、工程实例应用
    丰城市的丰城大联圩北湖倒虹管的软土加固。2000年丰城大联圩北湖倒虹管施工时，开挖基础到设计深度时，发现有30米长的基础夹有含水量高，强度低和压缩性大的淤泥质土层，最大厚度约3m，为防止堤基不均匀沉陷，增强堤防的稳定性，对该30米长堤段清除上层1.0m厚的淤泥质土,然后布设孔径0.5m孔深1.0~2.0m,孔间距1.0m的石灰碎石桩,振冲后，上部分层填筑级配良好的砂卵石土料至基础设计高程,并碾压密实。在此基础修建北湖倒虹管。堤防经一定时间的运行考验，经沉陷观测表明，沉降量很小，地层稳定。