關于水利堤防工程軟土地基處理的探討
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摘要:軟基加固的目的是為了改善建筑物地基土體的力學性質，提高承載能力，增加抗滑穩(wěn)定，減少壓縮變形。本人根據(jù)多年施工實踐，對軟土地基上修建堤防工程常用的地基處理方法及適用條件進行探討。
關鍵詞:水利堤防；軟土地基；處理措施
1 水利工程軟土地基的特性
軟粘土中最常見的、工程地質性質最差的要數(shù)淤泥或淤泥質土，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的粘土稱為淤泥質粘十:其主要特性有:
（1）孔隙比和天然含水量大。我國軟土的天然孔隙比一般e=l～2之間，淤泥和淤泥質土的天然含水量w=50～70％，一般大于液限，高的可達200％。
（2）壓縮性高。我國淤泥和淤泥質土的壓縮系的一般都大于O.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。
?。?）透水性弱。軟土含水量大，可是，透水性卻很小，滲透系數(shù)k ≤1（mm/d）。由于透水性如此微小，土體受荷載作用后，往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力，影響地基的壓密固結。
（4）抗剪強度低。軟土通常呈軟塑-流塑狀態(tài)，在外部荷載作用下，抗剪性能極差，根據(jù)部分資料統(tǒng)計，我國軟土無側限抗剪強度一般小于30kN/m2（相當于0.3kg/cm2）。不排水剪時，其內磨擦角幾乎等于零，抗剪強度僅取決于凝聚力C , C＜30kN/m2，固結快剪時，Φ一般為5～150。因此，提高軟土地基強度的關鍵是排水。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。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。
?。?）靈敏度高。軟粘土中尤其是海相沉積的軟粘土，在結構未被破壞時具有一定的抗剪強度，但一經(jīng)擾動，抗剪強度將顯著強低。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盡量避免對地基土的擾動。
沖填土是水力沖填形成的產物。含砂量較高的沖填土，其固結情況和力學性質較好；含粘粒較多的沖填土往往強度較低，壓縮性較高.具有欠固結性。
雜填土大多由建筑垃圾、生活垃圾和工業(yè)廢料堆填而成，因此在結構上具有無規(guī)律性。以生活垃圾為主的填土，腐殖質含量較高，強度較低，壓縮性較大。以工業(yè)殘渣為主的填土，可能含有水化物，遇水后容易發(fā)生膨脹和崩解，使填土強度降低。
2軟土地基上堤防失穩(wěn)的破壞機理
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:①由于剪應力的增加，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；水位降落產生滲流力；地震、打樁等引起的動荷載等。②由于軟土地基本身抗剪強度的減小。例如孔隙水應力的升高；氣候變化產生的干裂、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抗剪強度與平均剪應力之比來定義它的安全系數(shù)，即:
T1Fn = F
式中: Fn----堤防穩(wěn)定安全系數(shù)；
T1----滑動面處土體的平均抗剪強度；
T—作用于滑動面上的平均剪應力。
Fn ＞1土體處于穩(wěn)定狀態(tài)； Fn ＜1土體處于滑動狀態(tài)或有滑動的趨勢； Fn = 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Fn＞1堤防:工程等級不同，F(xiàn)n取值也不同，通常1.05～1.30之間），通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強度，使孔隙水應力充分消散，如對地基進行加固等；②減小作用在土體上的剪應力，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 軟土地基上筑堤常用的地基處理方法及適用條件
堤防工程，常用的軟土地基處理方法有下面幾種:
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)的淤泥或淤泥質土外擠，并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質土中的孔隙水應力充分消散和有效應力增加，從而提高地基抗剪強度的方法。在擠淤過程中為了不致產生不均勻沉陷，應放緩堤坡、減慢堤身填筑速度，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土地基中，將原基礎處的淤泥或淤泥質土擠走，從而達到加固地基的目的。一般按以下要求進行:將不易風化的石料（尺寸一般不宜小于30cm）拋填于被處理堤基中，拋填方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定橫坡平坦時目地基中部漸次向兩側擴展；橫坡陡于1:10時，自高側向低側拋填。最后往上面鋪設反濾層。這種方法施工技術簡單，投資較省，常用于處理流塑態(tài)的淤泥或淤泥質土地基。
3.3墊層法
墊層法就是把靠近堤防基底的不能滿足設計要求的軟土挖除，代以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。可以就地取材，價格便宜，施工工藝較為簡單，該法在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地較常采用。
3.4預壓砂井法
預壓法是在排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)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；加壓系統(tǒng)有堆載預壓、真空預壓或降低地下水位等。當堆載預壓和真空預壓聯(lián)合使用時又稱真空聯(lián)合堆載預壓法?；咀龇ㄈ缦?
先將等加固范圍內的植被和表土清除，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；再在砂墊層上鋪設密封膜，用真空泵將密土膜以內的地基氣壓抽至80kPa以上。該方法往往加固時間過長，抽真空處理范圍有限，適用于工期要求較寬的淤泥或淤泥質土地基處理。流變特性很強的軟粘土、泥炭土，不直采用此法。
3.5振動水沖法
振沖法是利角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股要求大于20kPa），對太軟的淤泥或淤泥質上不宜采用。
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（常稱為二犯，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CO2與水發(fā)生酸化反應使被加固地基強度提高。
3.6旋噴法
旋噴法是利用旋噴機具造成旋噴樁以提高地基的承載能力，也可以作聯(lián)鎖樁施工或定向噴射成連續(xù)墻用于地基防滲。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預足深度后提升，噴嘴同時以一定速度旋轉，高壓噴射水泥固化漿液與土體混合并凝固硬化而成樁。所成樁與被加固土體相比，強度大，壓縮性小。適用于沖填土、軟粘土和粉細砂地基的加固。對有機質成分較高的地基土加固效果較差，宜慎重對待。而對于塘泥土、泥炭土等有機質成分極高的土層應禁用。
3.7強夯法
強力夯實是將80kN即相當于8tf以上的夯錘，起吊到很高的地方（一般6～30m），讓錘自由落下，對土進行夯實。經(jīng)夯實后的土體孔隙壓縮，同時，夯點周圍產生的裂隙為孔隙水的出逸提供了方便的通道，有利于土的固結，從而提高了土的承載能力，而且夯后地基由建筑荷載所引起的壓縮變形也將大為減小。強夯法適用于河流沖積層，濱海沉積層黃土、粉土、泥炭、雜填土等各種地基。
3.8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?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少破壞發(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向變形，從而增加地基的穩(wěn)定性。
4 結束語
以上處理方法是針對堤防工程軟土地基處理時需要掌握的方法，若不加強注意，將影響工程的質量。在實際施工中，應根據(jù)不同的地基土質采用相應的方法進行處理，以確保地基的穩(wěn)定，保證工程的質量。
關鍵詞:水利堤防；軟土地基；處理措施
1 水利工程軟土地基的特性
軟粘土中最常見的、工程地質性質最差的要數(shù)淤泥或淤泥質土，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的粘土稱為淤泥質粘十:其主要特性有:
（1）孔隙比和天然含水量大。我國軟土的天然孔隙比一般e=l～2之間，淤泥和淤泥質土的天然含水量w=50～70％，一般大于液限，高的可達200％。
（2）壓縮性高。我國淤泥和淤泥質土的壓縮系的一般都大于O.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。
?。?）透水性弱。軟土含水量大，可是，透水性卻很小，滲透系數(shù)k ≤1（mm/d）。由于透水性如此微小，土體受荷載作用后，往往呈現(xiàn)很高的孔隙水壓力，影響地基的壓密固結。
（4）抗剪強度低。軟土通常呈軟塑-流塑狀態(tài)，在外部荷載作用下，抗剪性能極差，根據(jù)部分資料統(tǒng)計，我國軟土無側限抗剪強度一般小于30kN/m2（相當于0.3kg/cm2）。不排水剪時，其內磨擦角幾乎等于零，抗剪強度僅取決于凝聚力C , C＜30kN/m2，固結快剪時，Φ一般為5～150。因此，提高軟土地基強度的關鍵是排水。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。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。
?。?）靈敏度高。軟粘土中尤其是海相沉積的軟粘土，在結構未被破壞時具有一定的抗剪強度，但一經(jīng)擾動，抗剪強度將顯著強低。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盡量避免對地基土的擾動。
沖填土是水力沖填形成的產物。含砂量較高的沖填土，其固結情況和力學性質較好；含粘粒較多的沖填土往往強度較低，壓縮性較高.具有欠固結性。
雜填土大多由建筑垃圾、生活垃圾和工業(yè)廢料堆填而成，因此在結構上具有無規(guī)律性。以生活垃圾為主的填土，腐殖質含量較高，強度較低，壓縮性較大。以工業(yè)殘渣為主的填土，可能含有水化物，遇水后容易發(fā)生膨脹和崩解，使填土強度降低。
2軟土地基上堤防失穩(wěn)的破壞機理
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:①由于剪應力的增加，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；水位降落產生滲流力；地震、打樁等引起的動荷載等。②由于軟土地基本身抗剪強度的減小。例如孔隙水應力的升高；氣候變化產生的干裂、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抗剪強度與平均剪應力之比來定義它的安全系數(shù)，即:
T1Fn = F
式中: Fn----堤防穩(wěn)定安全系數(shù)；
T1----滑動面處土體的平均抗剪強度；
T—作用于滑動面上的平均剪應力。
Fn ＞1土體處于穩(wěn)定狀態(tài)； Fn ＜1土體處于滑動狀態(tài)或有滑動的趨勢； Fn = 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Fn＞1堤防:工程等級不同，F(xiàn)n取值也不同，通常1.05～1.30之間），通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強度，使孔隙水應力充分消散，如對地基進行加固等；②減小作用在土體上的剪應力，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 軟土地基上筑堤常用的地基處理方法及適用條件
堤防工程，常用的軟土地基處理方法有下面幾種:
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)的淤泥或淤泥質土外擠，并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質土中的孔隙水應力充分消散和有效應力增加，從而提高地基抗剪強度的方法。在擠淤過程中為了不致產生不均勻沉陷，應放緩堤坡、減慢堤身填筑速度，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土地基中，將原基礎處的淤泥或淤泥質土擠走，從而達到加固地基的目的。一般按以下要求進行:將不易風化的石料（尺寸一般不宜小于30cm）拋填于被處理堤基中，拋填方向根據(jù)軟土下臥地層橫坡而定橫坡平坦時目地基中部漸次向兩側擴展；橫坡陡于1:10時，自高側向低側拋填。最后往上面鋪設反濾層。這種方法施工技術簡單，投資較省，常用于處理流塑態(tài)的淤泥或淤泥質土地基。
3.3墊層法
墊層法就是把靠近堤防基底的不能滿足設計要求的軟土挖除，代以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。可以就地取材，價格便宜，施工工藝較為簡單，該法在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地較常采用。
3.4預壓砂井法
預壓法是在排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)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；加壓系統(tǒng)有堆載預壓、真空預壓或降低地下水位等。當堆載預壓和真空預壓聯(lián)合使用時又稱真空聯(lián)合堆載預壓法?；咀龇ㄈ缦?
先將等加固范圍內的植被和表土清除，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；再在砂墊層上鋪設密封膜，用真空泵將密土膜以內的地基氣壓抽至80kPa以上。該方法往往加固時間過長，抽真空處理范圍有限，適用于工期要求較寬的淤泥或淤泥質土地基處理。流變特性很強的軟粘土、泥炭土，不直采用此法。
3.5振動水沖法
振沖法是利角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股要求大于20kPa），對太軟的淤泥或淤泥質上不宜采用。
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（常稱為二犯，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CO2與水發(fā)生酸化反應使被加固地基強度提高。
3.6旋噴法
旋噴法是利用旋噴機具造成旋噴樁以提高地基的承載能力，也可以作聯(lián)鎖樁施工或定向噴射成連續(xù)墻用于地基防滲。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置于土層預足深度后提升，噴嘴同時以一定速度旋轉，高壓噴射水泥固化漿液與土體混合并凝固硬化而成樁。所成樁與被加固土體相比，強度大，壓縮性小。適用于沖填土、軟粘土和粉細砂地基的加固。對有機質成分較高的地基土加固效果較差，宜慎重對待。而對于塘泥土、泥炭土等有機質成分極高的土層應禁用。
3.7強夯法
強力夯實是將80kN即相當于8tf以上的夯錘，起吊到很高的地方（一般6～30m），讓錘自由落下，對土進行夯實。經(jīng)夯實后的土體孔隙壓縮，同時，夯點周圍產生的裂隙為孔隙水的出逸提供了方便的通道，有利于土的固結，從而提高了土的承載能力，而且夯后地基由建筑荷載所引起的壓縮變形也將大為減小。強夯法適用于河流沖積層，濱海沉積層黃土、粉土、泥炭、雜填土等各種地基。
3.8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?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少破壞發(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向變形，從而增加地基的穩(wěn)定性。
4 結束語
以上處理方法是針對堤防工程軟土地基處理時需要掌握的方法，若不加強注意，將影響工程的質量。在實際施工中，應根據(jù)不同的地基土質采用相應的方法進行處理，以確保地基的穩(wěn)定，保證工程的質量。