浅谈桥涵软土地基处理

浅谈桥涵软土地基处理公路、铁路都是线形带状的特殊人工建筑物，不可避免地经过不同的地质地区，在公路、铁路桥涵施工中，也必然会遇到软土地质地区，基底承载力不能满足设计要求，不得不进行软基处理。下面，笔者就结合自己实际施工经验，浅谈一下对软基的认识和处理方法。一．软土地基的基本概念1．1铁路、公路、建筑、港口等不同专业技术部门，在国内外对软土的定义都不尽相同。人民交通出版社1992年版《铁路工程地质手册》中，定义软土的特征为“含有大量亲水的胶体颗粒，具有海绵状结构，因此其孔隙比大、含水量高、透水性小、抗剪强度低、压缩性大。”铁路工程设计技术手册《桥梁地基和基础》中则进一步将软土解释为“在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土。”描述软土的具体特征指标为“天然含水量高（接近或大于液限），孔隙比大（一般大于1.0），压缩性高[а1～25(kpa)-1,或а1～310(kpa)-1]，强度低(快剪的内摩擦角?5o,凝聚力c10kpa),渗透系数小（K=10-7㎝/s～10-8㎝/s）”。公路行业在交通部《公路工程名词术语》（JTJ002-87）中定义软土主要是由含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，并解释淤泥为“在静水或缓慢的流水环境中沉积并含有机质的细粒土，其天然含水量大于液限，天然空隙比大于1.5；当天然空隙比小于1.5而大于1.0时成为淤泥质土”。中国建筑工业出版社出版的《工程地质手册》则称软土为“软土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土等”。特征指标也做了如下表述“当天然空隙比e大于1.5时，称为淤泥；天然空隙比小于1.5而大于1.0时，称为淤泥质土。当土的烧灼量大于5%时，称又几质土；大于60%时，成泥炭”。港口、建工部门一般把淤泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高、透水性小的一般粘性土统称为软土或软粘土，而在《港口工程技术规范》（JTJ219-87）中则详细描述为“近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然空隙比大于1.0而小于1.5的亚粘土、粘土分别称为淤泥质亚粘土、淤泥质粘土；近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然空隙比大于1.5的亚粘土、粘土称为淤泥”。国内还有其他的资料根据土类的天然含水量、孔隙比、压缩系数、剪切力、摩擦角的界限指标以及分布于塑性图中的位置，对软土做出了不同的定义，如：《岩土工程勘察规范》中规定“天然空隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判定为软土，其压缩系数大于0.5Mpa-1,不排水抗剪强度小于30KPa”;第九届亚洲地区力学基础工程会议上，M.Kaman在地基总报告中把软土可操作性地定义为：标贯击数小于4，无侧限抗压强度小于50Kpa,含水量大于50%的粘性土和标贯击数小于10、含水量大于30%的砂性土。可见国内外，不同的技术部门对软土的定义都不尽相同，而具体到软土分类的特征指标，更是各有所指，笔者认为，国家有关部门应该尽快集中权威意见，对软土这一概念作以广义的定义，统一说法，以便不同学科交叉借用时，避免产生混淆，有利于部门间工作和学术沟通与交流，而目前来讲，可暂时将软土概念弱化在不良地质这一定义之下。1．2尽管软土的定义不尽相同，但其实质性的内涵，其在工程实践中的鉴别与处理方法应该是一致的。我国国土辽阔，软土地基在滨海平原，河口谷地等均有广泛分布。软土地基有极大的危害性，如果不处理或处理不当，就会造成地基失稳，使构造物沉降过大或不均匀沉降，对构造物造成不同程度的破坏甚至彻底报废。而对于不同部门的不同定义，不管是广义上的强度低、压缩性高的软弱土层，还是狭义上讲的软粘性土、淤泥质土、淤泥等，软土相对于不同的工程，其在工程实践中内涵是一致的。也就是说，对于不同的工程而言，软土地基的软或硬都是相对的，与土质和工程性质分不开的。设计者和施工者都不应过分拘泥于软土的定义，只要构造物及其荷载在地基上可能出现有害、过大的变形与强度不足等问题，都应认真进行沉降和稳定验算，根据不同的工程性质和要求，采取不同的处置办法，特别是应进行现场的地质勘查与鉴别，决不能仅凭土名确定处治方案。一般来讲，在工程设计与施工中，首先是通过调查，访问，查询资料等方法初步判别软土地基的位置和类别，再通过目测，载重试验估测软弱程度，最后实地取样进行室内土工试验，比较软土鉴别指标，确定软土地基的类型及软弱程度，进而根据工期，投资的要求，选择合适的处理方案。施工中也经常用贯入法测定其承载力，或者用碾压设备使土基承重，观察其沉陷情况进行判断。软土鉴别指标指标名称天然含水量相对含水量天然孔隙比渗透系数压缩系数十字板剪切强度指标值≥35%或液限≥1.0≥1.010-6cm/s10Mpa-135kPa二.软土地基的处置方法及施工实践中的心得2．1常用的软基处治方法一般常用的软土地基处理方法见下图：软土地基简单地基复合地基增强地基排水地基软土地基处理时，如果是有机质含量较高的泥炭、泥沼，工程处理较容易，因为它压缩性大，渗透性强，受荷后能够迅速固结，一般采取抛石挤淤，排水板，换填，强夯等方法后，效果比较明显；而对于淤泥质粘土、亚粘土、亚沙土组成的软基，就要根据不同的情况，采取相应的办法；而对于松散沙土、冲填土、杂填土、湿陷性黄土地基，虽然不属于软土范畴，也应该按照软土地基的处理方法进行处理。软土地基的处理治方法有很多，特别是近年来新材料，新工艺不断涌现，但是不管何种处治方法，在方案选择上要结合工程性质，工期和投资的要求；从技术角度，处治的结果都必须保证处治后的地基在强度和稳定性满足构造物及其荷载的使用性能。2．2砂垫层法、置换填土法及井点降水的使用、抛石挤淤法下面笔者着重介绍经常使用的砂垫层、置换填土、抛石挤淤法，特别是置换填土法，笔者将结合施工实践，重点介绍一下将点降水在置换法中的具体应用：2．2．1．砂（砾）垫层砂（砾）垫层适用于软土层不厚，排水条件良好，且砂砾资源丰富、工期不紧的情况。砂（砾）垫层一般厚度为10-25CM，其基本原理是增加排水面，是软土地基在构造物荷载作用下加速排水固结，提高软土层强度，满足稳定性要求。砂砾垫层施工时应选用洁净中、粗砂，含泥量≤5%，笔者通过实践发现5CM以下的天然级配砂砾排水固结效果很好，施工时要适当洒水压实，基础施工前要观察砂砾表层，若表层湿润无松散即可进行基础施工。2．2．2．置换填土如果软土层排水条件差，厚度不大于1M，土质为淤泥或含水量较高时，可将软土层挖除一定厚度，换填渗水性好的材料如砂、砾石、片石、卵石等，并可参加一定剂量的水泥、石灰等，提高软土地基强度，也就是我们经常采用的换填石灰稳定土，片石混凝土等方法，一般换填的厚度为30-100CM，石灰稳定土时，白灰的剂量应不低于6%；掺加水泥的剂量应不低于4%。换填土相对来说造价高，但可以节省工期。这种方法是我们平原地带经常应用的，同时相对来说在技术指标上也比较保守，置换法施工时最大的问题就是排水，尤其是在地下水水位高的地区，给施工造成了难度，我们经过几年的实践，比较不同的方法效果，认为井点降水法是一种性价比较高的降水方法。下面笔者结合邯临公路桥涵软弱地基的处理方案作一介绍：邯临公路鸡泽段地质属于湿陷性黄土，地下水位高，地面以下80-150CM即见地下水，该地质范围内，设计小桥涵20余座，由于初步设计时，地质勘查过粗，桥涵基础埋深均在地面3米以下，而且无软基处理方案。施工时软基处理方案定为换填软弱土，增设片石砼基础，实施处理方案时，我们选择两个桥涵，分别采用集水坑法和井点降水法，经比较集水坑法与井点降水法比较工艺简介使用人料机基础完成耗时投资（元）集水坑法先开挖基坑，设置挡土设施，设置集水坑，坑底水由集水坑抽走435工日，水泵1台，挖掘机2台班，木板、木桩等7天16500井点降水法先埋设井点降水设备，水位下降后，再挖除基坑土方轻型井点设备一套，135工日，挖掘机0.5台班3天13500可见，对于降水深度大，土质较差情况下，综合比较井点降水法比集水坑法降水效果好，工期短，投资少；缺点是桥涵多，工期紧时，要求的井点设备多，相应增大了投资。根据邯临公路地质特点和工期要求，我们采用了环形布置的单层轻型井点设备，抽水设备为单级离心泵，按图示距基坑地面开挖线1.5米布置总长56米的集水总管，总管采俯视图剖面图用直径10cm的无缝钢管连接而成；井点管采用34根6米长、直径38cm的无缝钢管，井点管间距2米，地面以下埋深5米；井点管下端1.5m范围按梅花型设置直径1.5cm的滤孔，滤孔外围裹铜丝细滤网，细滤网外围裹塑料纱布粗滤网，粗滤网外用铁丝绑扎，最外边缠绕粗麻；抽水机采用离心泵、射流器、循环水箱组成。井点降水法施工的基本工艺流程如图：施工准备安装井点系统抽水挖基基础施工井点系统拆除准备工作包括地表清理，施工放线，井点设备检查，水电检查，排水沟设置，尤其是井点设备要认真检查各部件衔接处是否严密。安装井点降水设备时，先挖出井点沟槽，再敷设总管，然后利用井点管边冲孔遍布设井点管，同时灌填经1cm筛子筛分的干净粗砂作为滤层；然后用弯头将总管、各井点管连接，最后安装抽水设备。接通水电后，试抽，检查系统漏水、漏气情况，重新调试设备直至完好。抽水应该连续，一气呵成，抽水时要注意观察周围地面的变化，出现情况及时调整抽水量；正常情况下，出水的规律为先大后小，先浊后清，抽出的水排放时尽量结合周围的排水系统。如果施工地点周围有重要建筑物，为防止建筑物沉降，可在其附近设置回灌井点。抽水进行过程中，应经常试挖基坑一点，以确定水位下降程度，当水位降至施工水位时，调整抽水马力，如果土质好，应采用机械化施工，尽快完成挖基工作。基础施工要快速，减少抽水时间，施工后马上回填。基础施工后，可拆除井点系统，拆除时防止接头处损伤，拆除后的井点管滤管要马上拆除清洗，不能用的滤网一定要更换，总管和井点管应及时用清水冲洗。经过我们的施工实践，我们认为，只要工期安排得当，井点降水法是处理构造物软基挖方一种较好的施工方法，除了在工期和效益上的优点外，水位降低后，获得基础施工较高的质量是我们极力认可这种方法的最主要的原因。2．2．3．抛石挤淤当软土层较厚，呈流动状态，排水困难时，可采用抛石挤淤法。挤淤施工用料采用不易风化石料，片石尺寸以大于30CM为宜。抛投的顺序应延桥涵中轴线，由中间到两边，使淤泥向两旁挤出。片石挤淤稳定后，要铺设一层砂砾反滤层，再进行基础施工。抛石挤淤法施工简单、迅速、方便，但施工地点最好料源丰富，同时施工时尽量按次序排布，防止由于抛石厚度不一至，形成不均匀持力层。考虑到成本和料源时，也经常采用钢渣代替片石挤淤，但对于钢渣的稳定性对将来桥涵的影响，目前还没有权威的说法。结语软土地基的处理方法很多，总之，软土地基处理的目的是增加地基稳定性，减少施工后的不均匀沉陷，所以施工的技术人员必须意识到软土地基的危害性，坚决以数据说话，认真测定基底的承载力，并根据不同的地质情况，不同的投资和工期要求，采用切实可行的处理方案，同时一定要采集桥涵施工后的工后沉降数据，积累经验，为今后的施工打下坚实的基础。