高速公路軟基鑒別處治及檢測方法
2011-12-16 來源：中國百科網(wǎng)
一、概述
軟土主要是由天然含水量大、壓縮性高、承載能力低的淤泥沉積物及少量腐殖質(zhì)所組成的土。對淤泥的解釋是，在靜水或緩慢的流水環(huán)境中沉積并含有機質(zhì)的細粒土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5；當(dāng)天然孔隙比小于1.5而大于1.0時稱為淤泥質(zhì)土。對于泥碳的解釋是，喜水植物遺體在缺氧條件下，經(jīng)緩慢分解而形成的泥沼覆蓋層。其特點是持水性大，密度較小。
二、軟土的組成和狀態(tài)特征
軟土泛指淤泥及淤泥質(zhì)土，是第四紀(jì)后期于沿海地區(qū)的濱海相、瀉湖相、三角洲相和溺谷相，內(nèi)陸平原或山區(qū)的湖相和沖擊洪積沼澤相等靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用形成的飽和軟粘性土。軟土的組成和狀態(tài)特征是由其生成環(huán)境決定的。由于它形成于上述水流不通暢、飽和缺氧的靜水盆地，這類土主要由粘粒和粉粒等細小顆粒組成。淤泥的粘粒含量較高，一般達30％～60％。粘粒的粘土礦物成分以水云母和蒙德石為主，含大量的有機質(zhì)。有機質(zhì)含量一般達5％～15％，最大達17％～25％。這些粘土礦物和有機質(zhì)顆粒表面帶有大量負電荷，與水分子作用非常強烈，因而在其顆粒外圍形成很厚的結(jié)合水膜，且在沉積過程中由于粒間靜電荷引力和分子引力作用，形成絮狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)。所以，軟土含大量的結(jié)合水，并由于存在一定強度的粒間連結(jié)而具有顯著的結(jié)構(gòu)性。
由于軟土的生成環(huán)境及粒度、礦物組成和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)構(gòu)性顯著且處于形成初期，呈飽和狀態(tài)，這都使軟土在其自重作用下難于壓密，而且來不及壓密。因此，不僅使之必然具有高孔隙性和高含水量，而且使淤泥一般呈欠壓密狀態(tài)，以致其孔隙比和天然含水量隨埋藏深度很小變化，因而土質(zhì)特別松軟。淤泥質(zhì)土一般則呈稍欠壓密或正常壓密狀態(tài)，其強度有所增大。
淤泥和淤泥質(zhì)土一般呈軟塑狀態(tài)，但當(dāng)其結(jié)構(gòu)一經(jīng)擾動破壞，就會使其強度劇烈降低甚至呈流動狀態(tài)。因此，淤泥和淤泥質(zhì)土的稠度實際上通常處于潛流狀態(tài)。
三、軟土的物理力學(xué)特性
1、高含水量和高孔隙性
軟土的天然含水量一般為50％～70％，最大甚至超過200％。液限一般為40％～60％，天然含水量隨液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1～2之間，最大達3～4。其飽和度一般大于95％，因而天然含水量與其天然孔隙比呈直線變化關(guān)系。軟土的如此高含水量和高孔隙性特征是決定其壓縮性和抗剪強度的重要因素。
2、滲透性弱
軟土的滲透系數(shù)一般在i×10-4～i×10-8cm/s之間，而大部分濱海相和三角洲相軟土地區(qū)，由于該土層中夾有數(shù)量不等的薄層或極薄層粉、細砂、粉土等，故在水平方向的滲透性較垂直方向要大得多。
由于該類土滲透系數(shù)小、含水量大且飽和狀態(tài)，這不但延緩其土體的固結(jié)過程，而且在加荷初期，常易出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，對地基強度有顯著影響。
3、壓縮性高
軟土均屬高壓縮性土，其壓縮系數(shù)a0.1～0.2一般為0.7～1.5MPa-1,最大達4.5MPa－1（例如渤海海淤），它隨著土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土質(zhì)本身的因素而言，該類土的建筑荷載作用下的變形有如下特征：
（1）變形大而不均勻
（2）變形穩(wěn)定歷時長
4、抗剪強度低
軟土的抗剪強度小且與加荷速度及排水固結(jié)條件密切相關(guān)，不排水三軸快剪所得抗剪強度值很小，且與其側(cè)壓力大小無關(guān)。排水條件下的抗剪強度隨固結(jié)程度的增加而增大。
5、較顯著的觸變性和蠕變形。
四、軟土的鑒別
1、建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)《軟土地區(qū)工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（JGJ83-91）規(guī)定凡符合以下三項特征即為軟土：
（1）外觀以灰色為主的細粒土；
（2）天然含水量大于或等于液限；
（3）天然孔隙比大于或等于1.01。
2、交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ017-96）中規(guī)定軟土鑒別見表
（1）天然含水量的測定
天然含水量是土的基本物理性指標(biāo)之一，它反映的土的狀態(tài)，含水量的變化將使得土的稠度、飽和程度、結(jié)構(gòu)強度隨之而變化，其測定可采用公路土工試驗規(guī)程規(guī)定試驗方法測定，并將試驗數(shù)據(jù)與35％、液限進行比較。
（2）天然孔隙比
孔隙比，是土中孔隙體積與土粒體積之比，天然狀態(tài)下土的孔隙比稱之為天然孔隙比，是一個重要的物理性指標(biāo)，可用來評價天然土層的密實程度。其測定方法可測定土粒比重、土的干密度、土的天然密度、土的含水量等指標(biāo)通過計算而得。
（3）十字板剪切強度
十字板剪切試驗是原位測試技術(shù)中一種發(fā)展較早、技術(shù)比較成熟得方法。試驗時將十字板頭插入土中，以規(guī)定的旋轉(zhuǎn)速率對側(cè)頭施加扭力，直到將土剪損，測出十字板旋轉(zhuǎn)時所形成的圓柱體表面處土的抵抗扭矩，從而可算出土對十字板的不排水抗剪強度。
五、軟基處理的常用材料質(zhì)量要求
1、砂礫料
用作墊層的砂礫料應(yīng)具有良好的透水性，不含有機質(zhì)、粘土塊和其它有害物質(zhì)。砂礫的最大粒徑不得大于53mm，含泥量不得大于5％。
2、砂及砂袋
袋裝砂井所用砂，應(yīng)采用滲水率較高的中、粗砂、大于0.5mm的砂料含量應(yīng)占總重量的50％以上，含泥量應(yīng)小于3％，滲透系數(shù)應(yīng)大于5×10－2mm/s，砂袋采用聚丙烯、聚乙烯、聚酯等編制布制作，應(yīng)具有足夠的抗拉強度，使能夠承受袋內(nèi)砂自重及彎曲所產(chǎn)生的拉力，具有較好的抗老化性能和耐環(huán)境水腐蝕性能，其抗?jié)B系數(shù)應(yīng)不小于所用砂的滲透系數(shù)。
3、碎石
碎石由巖石和礫石軋制而成，應(yīng)潔凈、干燥，并具有足夠的強度和耐磨耗性，其顆粒形狀應(yīng)具有棱角，不得摻有軟質(zhì)石和其它雜質(zhì)，粒徑宜為20～50mm，含泥量不應(yīng)大于10％。
4、土工合成材料
土工合成材料的選用應(yīng)符合《公路土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定。應(yīng)具有足夠的抗拉強度，對土工織物，還應(yīng)具有較高的刺破強度和握持強度等。土工合成材料試驗項目和試驗方法應(yīng)符合《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》和《公路土工合成試驗規(guī)程》的規(guī)定。
5、塑料排水板
塑料排水板是由芯體和包圍芯體的合成纖維透水膜構(gòu)成的復(fù)合體，應(yīng)具有較好的耐腐蝕性和足夠的柔度，其性能指標(biāo)應(yīng)符合《塑料排水板施工規(guī)程》的規(guī)定。
6、片石
拋石擠淤應(yīng)采用不易風(fēng)化的片石，其尺寸應(yīng)小于300mm。
7、水泥
水泥各項性能指標(biāo)應(yīng)符合圖紙要求，嚴禁使用過期、受潮、結(jié)塊、變質(zhì)的劣質(zhì)水泥。所用水泥指標(biāo)還應(yīng)符合水泥相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
8、石灰
石灰應(yīng)符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》表4.2.2所規(guī)定的Ⅲ級以上的要求。按《公路工程無機結(jié)合穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法進行檢驗。
9、粉煤灰
粉煤灰應(yīng)符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定。
10、材料的采購和保管
用于軟土地基處理的塑料排水板、土工合成材料、砂袋及石灰、水泥、砂等材料，都必須按施工圖紙和規(guī)范的要求的質(zhì)量指標(biāo)采購進購、堆放，嚴禁材料被污染或混合堆放，過期產(chǎn)品嚴禁使用。塑料排水板、土工合成材料和砂袋等材料應(yīng)貯存在不被日光直接照射和被雨水淋泡處，應(yīng)根據(jù)工程進度和日用量按日取用。
六、高速公路軟基處理常用方法
1、淺層軟基處理技術(shù)
（1）墊層法
通常用于路基填方較低的地段，要求在使用中軟基的沉降值不影響設(shè)計預(yù)期目的。設(shè)置墊層時，可以根據(jù)具體情況采用不同的材料，常用的材料有砂或砂礫及灰土，也可用土工格柵、片石擠淤、砂礫墊層綜合使用處理。
（2）換填法
在高速公路施工中遇到含水量較高，軟弱層較淺，且易于挖除不適宜材料時，一般采取挖除換填法，包括受壓沉降較大，甚至出現(xiàn)變形的軟基和泥沼地帶。處理這種地基，開挖前要做好排水防護工作，將開挖出的不適宜材料運走或做處理，然后按要求分層回填，回填材料可視具體情況用砂、砂礫、灰土或其他適宜材料。
（3）排擠法
當(dāng)高速公路經(jīng)過水溏、魚池和較深的流動性強的淤泥地段時，常遇到含水量高、淤泥壓縮性大、淤泥質(zhì)粘土軟基以及水下軟基等，對這類軟基可采用排擠法來處理。排擠法又可分為兩種：一種是拋石排擠，另一種是爆炸排擠。
（4）表層排水法
對土質(zhì)較好因含水量過大而導(dǎo)致的軟土地基，在填土之前，地表面開挖溝槽，排除地表水，同時降低地基表層部分的含水率，以保障施工機械通行。為了發(fā)揮開挖出的溝槽在施工中達到盲溝的效果，應(yīng)回填透水性好的砂礫或碎石。
（5）添加劑法
對于表層為粘性土?xí)r，在表層粘性土內(nèi)摻人添加劑，改善地基的壓縮性能和強度特性，以保施工機械的行駛。同時也可達到提高填土穩(wěn)定及固結(jié)的效果。添加材料通常使用的是生石灰、熟石灰和水泥。石灰類添加材料通過現(xiàn)場拌和或廠拌，除了降低土壤含水量、產(chǎn)生團粒效果外，對被固結(jié)的土隨著時間的推移會發(fā)生化學(xué)性固結(jié)，使粘土成分發(fā)生質(zhì)的變化，從而促進土體穩(wěn)定。
2、深層軟基處理技術(shù)
（1）袋裝砂井法
袋裝砂井排水固結(jié)措施，其施工簡便，費用較低，加固效果較好。施工時將袋裝砂放入套管井內(nèi)，填塞密實，逐節(jié)拔出套管，頂面鋪設(shè)水平砂墊層或排水砂溝。軟基中的水分在上部路基填土載荷的作用下，通過砂與水平砂墊層或縱橫相連通的排水砂溝相通，形成排水通道，使軟基中的水分排走，從而達到排水固結(jié)軟基的目的。
（2）擠密砂樁法
采用類似沉管灌注樁的機械和方法，通過沖擊和振動，把砂擠入土中而形成的。擠密砂樁的主要作用是將地基擠實排水固結(jié)，從而提高地基的整體抗剪強度與承載力，減少地基的沉降量和不均勻沉降。這種方法一般能較好地適用于砂性土，不適用于飽和的軟粘土地基處理。擠密砂樁用砂標(biāo)準(zhǔn)要求與袋裝砂井的砂基本相同，不同的是擠密砂樁也可使用砂和角礫的混合料，含泥量不得大于5％。
（3）振沖碎石樁法
碎石樁是一種與周圍土共同組成復(fù)合地基的樁體。碎石樁處理軟基過程就是用振沖器產(chǎn)生水平向振動，在高壓水流作用下邊振邊沖，在軟弱地基中成孔，再在孔內(nèi)分批填入碎石料，這時振沖器邊振動邊上拔，使得碎石料振擠密實。碎石樁樁體是一種散粒體的粗顆粒料，它具有良好的排水通道，有利于地基土的排水固結(jié)。在軟基處理中，特別是具有高填土橋頭等過渡路段，為了減少地基土的變形，提高地基土的承載力，增強地基土的抗滑穩(wěn)定能力，采用碎石樁加固處理是較理想的方法之一。
（4）粉噴樁
粉噴樁是利用粉體噴射攪拌機械在鉆成孔后，借助壓縮空氣，將水泥粉等固體材料以霧狀噴入需加固的軟土中，經(jīng)原位攪拌、壓縮并吸收水分，產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)，形成整體性強、水穩(wěn)定性好、強度較高的樁體，與樁間土一起形成復(fù)合地基，從而提高路基強度。其特點是強度形成快、預(yù)壓時間短、地基沉降量小。粉噴樁加固軟基主要適用于高含水量、高壓縮性的淤泥、淤泥質(zhì)粘土及橋頭軟基的處理。有關(guān)試驗表明，一般含水量大于35％ 的軟基宜選用粉噴樁。
（5）塑料排水板
塑料排水板是一種能夠加速軟土地基排水固結(jié)的垂直排水材料。當(dāng)它在機械力作用下被插入軟土地基后，能以較低的進水阻力聚集從周圍土體中排出的孔隙水，并沿垂直排水通道排出，使土體固結(jié)，從而提高地基的承載力。塑料排水板具有良好的力學(xué)性能、足夠的縱向通水能力、較強的濾膜滲透性和隔土性。
（6）加筋土工布
加筋土工布一般被鋪設(shè)在路堤底部，以調(diào)整上部荷載對地基的應(yīng)力分布。通過加筋土工布的縱橫向抗拉力，來提高地基的局部抗剪強度和整體抗滑穩(wěn)定性，并減少地基的側(cè)向擠出量，一般適用于強度不均勻的軟基地段、路基高填土、填挖結(jié)合處或橋頭填土的軟基處理。加筋土工布的材料不僅強度要符合設(shè)計要求，而且斷裂時的應(yīng)變，在填料為砂礫、土石混合料時還須滿足一定的頂破強度，施工中加筋土工布應(yīng)拉平緊貼下承層，其重疊、縫合和錨固應(yīng)符合設(shè)計要求。
（7）鋼渣樁法
鋼渣樁法處理軟基是利用工業(yè)廢料的轉(zhuǎn)爐鋼渣作為加固材料，灌入事先形成的樁孔中，經(jīng)振動密實、吸水固結(jié)而形成的樁體，加固機理是轉(zhuǎn)爐鋼渣吸收軟基中的水分，樁體膨脹形成與周圍土體擠密的主體，與地基形成整體受力結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)爐鋼渣氧化鈣含量40％以上，其主要成分與水泥接近，具有高堿性和高活性，篩分后可作低標(biāo)號水泥使用，因此鋼渣樁具有較高的樁體強度。
（8）混凝土樁
低強度混凝土樁是近年來發(fā)展起來的一種新型樁，以低強度混凝土樁為豎向增強體所形成的復(fù)合地基一般稱為低強度混凝土樁復(fù)合地基。由于采用低強度混凝土樁復(fù)合地基方法可有效提高地基承載力，減小地基沉降，能處理粘性土、粉砂土及淤泥質(zhì)土等各種土性地基，適用的基礎(chǔ)形式也多樣，近年來在一般民用住宅、高層建筑、堆場等土木工程地基處理中得到了廣泛的應(yīng)用。
（9）深層攪拌
利用水泥或石灰等其它材料作為固化劑的主劑，通過特別的深層攪拌機械，在地基深處將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理一化學(xué)反應(yīng)，形成堅硬拌和柱體，與原土層一起起到復(fù)合地基的作用。其優(yōu)點是：能有效減少總沉降量、地基加固后無附加荷載、能適用于高含水量地基等；但造價較高且施工質(zhì)量難以檢測，在設(shè)計時，應(yīng)具體情況具體分析，根據(jù)不同的地質(zhì)條件和荷載條件調(diào)整配合比、置換率、樁長等，以滿足承載力及沉降的要求。
七、軟基檢測
換填質(zhì)量檢測包括：分層施工質(zhì)量檢查和工程質(zhì)量驗收，主要是檢驗墊層是否達到設(shè)計要求的密實度。墊層的分層施工質(zhì)量檢測可采用環(huán)刀壓入、灌砂法等。換填結(jié)束后，可按工程的要求進行工程質(zhì)量驗收，驗收方式可通過荷載試驗或者靜力觸探試驗等。
樁體質(zhì)量檢測方法主要有載荷試驗、靜（動）力觸探試驗以及波速試驗等，載荷試驗主要檢驗復(fù)合地基的承載能力，靜（動）力觸探試驗主要檢驗樁間土的加固效果，波速法主要是通過測定地基處理前后基地中波速的變化來判斷處理的效果。靜力觸探主要功能是評價地基處理前后土的容許承載力，但不適用于大塊碎石類地層和基巖。動力觸探是一種較為粗略的定性方法。
強夯等表層處理的檢測方法分為原位測試和室內(nèi)土工試驗。原位測試可采用靜（動）力觸探、旁壓試驗、十字板剪切試驗以及平板載荷試驗等等，質(zhì)量檢驗的數(shù)量應(yīng)根據(jù)場地條件和公路等級確定。
深層攪拌法的質(zhì)量檢測方法包括取樣檢驗、現(xiàn)場載荷試驗、開挖檢驗等多種檢測手段。在施工期間應(yīng)及時檢查施工記錄，確保工程質(zhì)量。
另外，在地基處理施工以及運營過程中進行變形觀測也是常用的質(zhì)量監(jiān)控及檢測手段。觀測內(nèi)容包括：孔隙水壓力觀測、沉降觀測、側(cè)向位移觀測等，在施工期間可根據(jù)觀測結(jié)果控制施工進度。在實際工程中，各種檢測手段往往是綜合運用的，一種地基處理方法也有多種檢測手段，在選取檢測方法時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件確定。
八、結(jié)語
軟基處理一直是公路建設(shè)中的技術(shù)難題，地形的復(fù)雜多樣決定了不同的地質(zhì)狀況應(yīng)采用不同的軟基處理方法，即使相同的地質(zhì)情況，采用不同的軟基處理方法也會有不同的效果，在高速公路軟基鑒別、處治及檢測問題上常涉及建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位及試驗檢測單位，涉及到資金投入、施工方法、工程變更等一系列的領(lǐng)域，有關(guān)單位應(yīng)協(xié)調(diào)處理、認真對待軟基問題，綜合各種技術(shù)處理措施，才能真正處理好高速公路軟基問題。隨著科技的進步，在科研人員、技術(shù)人員、施工人員等相關(guān)人員的共同努力下，新的技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，將不斷地推動高速公路建設(shè)技術(shù)向前推進。
