谈市政道路工程中软土地基处理技术

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谈市政道路工程中软土地基处理技术 文章 来源 于
    1 前言 在市政道路工程建设中,采用的强夯法又名动力固结法或动力压实法,这种方法是反复将重锤(10~40t)提到高处使其自由落下(落距一般为lO~4Om)给地基以冲击和振动,从而提高地基的强度并降低其压缩性,还能改善其抗震动液化的能力和消除土的湿陷性。它实用于多种土性地基,如碎石土、砂土、低饱和度的粉土、湿陷性
    黄土、杂填土和素填土等,具有效果明显、经济易行、设备简单、节约三材等优点。但对于饱和软黏土,由于其含水量高、渗透性差,当受到强烈冲击时,不能迅速排水,因而孔隙水压力上升快,消散慢,使坑周土体强度降低,因此,一般认为软黏土地基不宜采用强夯法处理加固。但近年来强夯加固软土地基理论和实践发展很快,积累了不少经验,在很多工程中取得了良好的效果,其中有强夯结合袋装砂井综合处理法、强夯置换法处理软土地基等新措施,本文就工程实例探讨了强夯结合袋装砂井在处理饱和软黏土的应用情况。
    2 工程概况
    2.1 地质概况
    该区地貌属于江河口冲积平原,局部分布少量残丘。地下水为孔隙潜水,与河水互为补给,水位1.0~3.0 m,受潮汐影响。地层自上而下为:①人工填土,色杂、松散一稍密,厚度1.0~2.Om;②海陆交互相沉积层(软土层),为淤泥,淤泥质粉质黏土,夹淤泥质细砂,灰黑色,饱和,流塑,松散,该层层底埋深3~15 m左右;③冲积层,杂色,花斑状粉质黏土,可塑,灰黑色淤泥质粉质黏土,饱和、流塑及灰黑色中砂层,饱和、松散一稍密,厚约0~8 m;④残积层,为黄一灰黄色砂质黏性土、硬塑为主,为花岗岩残积土,厚约0 ~6 m。
    2.2 软土层物理力学指标
    天然含水量wo=73.2% ,液性指数lL =1.66,塑性指数lp=24.8,孔隙比eo=2、0.3,压缩系数a=2.247 Mpa-1,竖直向固结系数Cv =0.792×10-3 cm2/s,水平向固结系数Ch=5.019×10-3 cm2/s,内摩擦角ψ=6.4ο,凝聚力c=6.2kPa,容许承载力[QO] =40 kPa。
    根据估算,在不作软基处理情况下路基极限填土高=1.86 m左右。
    2.3 质量、工期要求
    由于该地区软土属高含水量、低强度、高压塑性的超软弱黏土,根据路基软基稳定控制、工后沉降控制、路面结构的基底强度要求必须对软基采取处理。而道路的施工期只有8个月,软基的实际预压时间只有5个月左右。所以采用的软基处理方案需满足该工程特点要求。
    3 设计
    3.1 方案论证
    常用的软土路基处理方法有清淤换填、袋装砂井(插塑板)、强夯法、真空预压、碎石桩、搅拌桩、CFG桩等多种。
    袋装砂井(插塑板)加预压排水固结方法需预压,一般固结的时间较长(180~360 d),工后沉降较大;同时本工程所处的位置距江边非常近,受潮汐影响水位变化大,由于微薄砂层的存在,与附近河水水力联系密切,排水固结效果不甚明显。特别是有些地段地层上部分布杂填土(如原已填鱼塘地段),地基采用此方法处理困难。对桥头路堤,由于填土相对较高,工后沉降要求不大于0.1 m,可采用复合地基处理。对于软土厚度小于15 m的桥头路基采用水泥搅拌桩,大于15 m的地段采用CFG桩处理。该处理方法效果好,亦不需预压,但工程造价较高,不能广泛采用。袋装砂井(插塑板)加强夯法:它通过设置竖向排水体系(袋装砂井),并结合静荷载(填土堆载)和动荷载(强夯夯击能),使得地基土在较短时间内完成大部分固结沉降,减少工后沉降并迅速提高承载力;此外,还可通过对地基的预震作用,有效地消除砂土液化、基坑开挖涌砂现象;有利于地下管线的开挖埋设。
    本工程中,我们通过对不同处理方法的对比,并结合周边已建工程的实例及效果,对于软土埋深小于8 m的地段,我们采用动力固结(强夯加袋装砂井)作为一般软土路基的处理方法之一。对于上部分布杂填土软基,则单纯采用强夯法处理。
    3.2 作用原理
    强夯法加固非饱和土的过程,就是土中的气相被挤出的过程。而对饱和土,传统的固结理论认为,在快速加荷条件下,孔隙水无法瞬间排出,所以是不可压缩的,但无法解释饱和土在强夯后产生的明显较大沉降。L·梅耶动力固结理论认为:
    (1)强夯中土的渗透系数是随时间变化的;
    (2)强夯中饱和土孔隙水具有压缩性;
    (3)强夯中饱和土有局部液化现象;
    (4)强夯中饱和土有触变现象。
    所以在重复夯击作用下土体中产生裂纹,土中部分吸附水变成自由水.随着孔隙水压力的消散,土的抗剪强度和变形模量不断增长。单纯的强夯由于竖向裂缝的产生并非规则的和连续贯通的,因而在孔隙水和气体排除过程中并非很畅通   ,这就造成在施工过程中孔隙水压力消散缓慢,从而影响到加固的效果和施工进度,效果不佳。采用排水固结法结合强夯,当土体受到冲击荷载时,土中孔隙水压力增加,孔隙水可渗透到袋装砂井中,沿袋装砂井直接排到地表,这样缩短了排水距离,加速了孔隙水压力的消散过程和地基沉降的发展,而达到加固的目的。 3.3 设计参数
    到目前为止,强夯法还没有一套成熟和完善的理论和设计计算方法,只能通过试夯的方法确定施工参数。试夯区面积不应小于20 m×40 m,对不同地质条件,至少进行一处试夯,通过试夯确定施工参数,如夯锤重量、夯锤落距、单点总夯击能、夯点距离、间歇时间、夯击遍数及有效加固深度等。
    (1)加固深度按式(1)估算
    H=a(mh)1/2                  (1)
    式中:m---锤自重,t;
    h---锤落距,m;
    a---修正系数,黏性土取0.6左右;
    H--强夯影响深度,m。
    (2)强夯机具、夯锤重量、夯锤落距的选择。
    强夯机械采用履带式起重机械,一般国内夯锤重为10~25 t,我国至今采用的最大夯锤重为40 t,夯锤一般采用圆形,带气孔的锤较好。同时,由于软基强夯过程中产生较深的夯坑,会产生一定的能量损失,所以对于软黏土,锤底的面积不宜小于6 m2 。目前我国通常采用的夯锤落距一般为8~20 m。
    (3)软土夯击工艺及参数往往决定强夯法的效果,根据试夯结果和附近施工资料,强夯夯击遍数、单点夯击能、夯击次数、夯点间距、每遍间隔时间、夯击顺序等参数参考值见表1及图1。
    表1 软土夯击参数表
    夯击遍数
    第一遍
    第二遍
    第三遍
    第四遍
    第五遍
    满夯
    点击能量/KN.M
    1000
    1500
    2000
    3000
    4000
    800
    2
    2
    3
    3
    3
    2
    4
    4
    4
    4
    4
    7
    7
    7
    7
    7
    注:当软土 小于5m时点夯击四遍,软土厚大于5m 时夯击五遍,各遍点夯能量、击数、夯距,每遍间隔时问均相同。
    图1 路基强夯平面布置大样图(单位:m)
    首先应查明场地下建筑物及地下管线,采取适当的措施,以免造成损坏。
    地表上铺设1.0 m (一般要求0.5~2.0 m)厚砂垫层。砂垫层起到支承起重设备、扩散“夯击能” 的作用,也起到作为地下水排出通道的作用。
    袋装砂井布置间距1.5~2.0 m,直径0.07 m,等边三角形布置。
    根据设计初步确定的参数,在现场有代表性的场地进行试夯。通过测试,数据对比,检查其强夯效果,以便确定工程采用的各项参数。强夯过程中严格控制前后两遍的夯击间隔时间,以利超孔隙水压尽可能消散。当完成全部夯击遍数,最后用低能量满夯。
    4 效果检测
    测试应在孔隙水压力消散后进行,一般应在强夯结束一定时间后进行检验。试验点应分别取在夯点及夯点间,常用的方法有静力触探和动力触探、荷载试验、波速试验等。
    从图2可以看出,孔隙水压力一般在一个星期内基本消散完毕,设置的排水措施使其达到原设计参数条件要求,起到了不错的效果。避免了由于孔隙水压力消散慢,导致土体液化出现“橡皮土”的现象。
    从图(3)可以看出,本工程的加固深度一般在I2 m以内,但处理效果明显的只在表层8 in以内,主要是由于现场没有高能量的强夯设备,夯击
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