軟土路基處理前后地基土性質探析

楊文浩

(上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072)

0 引言

軟土是一種區(qū)域性的特殊土，是在一定的地質條件下形成的，具有變形大、承載力低等特點。在道路工程中，若地基中存在軟土且不進行加固處理時，在路堤填土及持續(xù)的交通荷載作用下很可能會因為軟土強度不足造成地基破壞，或者由于軟土固結沉降緩慢引起較大的工后沉降而造成路面結構的破壞。

近年來我國高速公路發(fā)展迅速，集中在東部沿海經濟發(fā)達地區(qū)。高速公路有嚴格的工后沉降要求，在軟土地基上修建高速公路，往往結合路堤填筑采用預壓法解決工后沉降問題。預壓法是一種經濟、安全和環(huán)保的軟土地基加固方法，在工期允許的情況下，一般可優(yōu)先考慮使用預壓法對軟土路基進行加固處理。

預壓法包括堆載預壓法和真空預壓法兩種:堆載預壓法是指在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之逐漸減少，地基發(fā)生固結變形。同時隨超靜水壓力逐漸消散，有效應力逐漸提高，地基土強度得到增長;真空預壓法是在軟土地基表面通過鋪設砂墊層、埋設豎向排水體，再用不透氣的封閉膜使其與大氣隔絕，通過砂墊層內埋設管道，用真空裝置抽氣，使其形成真空，增加地基有效應力。真空—堆載聯合預壓法則具有真空預壓和堆載預壓的雙重效果。

以上海某高速公路的地基處理工程為例，通過對場地內對工程影響較大的淺部土層在分別采用真空—堆載聯合預壓、堆載預壓兩種不同地基處理方法前后，其物理性指標和力學性指標的變化進行比較，淺析預壓法地基處理前后地基土性質的變化特點。

1 場地地層特性及試驗方法

1.1 試驗場地地層分布情況

工程路基施工期間在A場地采用真空—堆載聯合預壓法處理，B場地采用堆載預壓法處理。A，B兩場地25 m以淺場地土層分布情況如表1，表2所示。堆載預壓屬于大面積堆載，促使路面加速沉降盡快達到穩(wěn)定。試驗場地堆載高度約3.0 m，路基寬度約50 m，根據上海市工程建設規(guī)范《地基基礎設計規(guī)范》中相關公式估算土層壓縮層厚度約為42.6 m，可認為堆載預壓的影響深度范圍在40 m以內，但由于A，B兩場地內均分布⑥暗綠粉質粘土層，該層具有應力擴散效應，一般認為影響范圍主要為⑥層以上土層，故僅對⑥層以上土層進行分析比較。

表1 A場地地層特性表

表2 B場地地層特性表

1.2 檢測試驗方法

為了解地基處理前后地基土性質的變化情況，運用鉆探取土和原位測試(靜力觸探試驗、十字板試驗)等手段在A，B兩場地的路基處理范圍內外各布置2組孔深約為25 m的勘探孔(每組孔包括1個鉆探孔、1個靜探孔、1個十字板試驗孔)即12個孔，對路基處理前后場地淺部分布的軟粘性土層(②粉質粘土、③1淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土以及⑤1-1粘土層)的物理性指標和力學性指標的變化情況進行分析對比。

2 試驗成果的對比分析

2.1 地基處理前后地基土PS值分析

靜力觸探試驗所獲取現場試驗數據——PS值大小可直接反映地基土的強度，對軟粘性土而言，PS值越大其地基土強度越高，則承載力越大;對粉性土而言，PS值越大其地基土密實度越高、強度越高，則承載力越大。

A，B兩場地地基處理前后PS平均值及其變化情況見表3。

表3A，B場地處理前后地基土PS平均值對比表

通過表3中A，B場地在地基處理前后的PS平均值的對比可見:

1)在地基處理后淺部各土層③1，③t和④的PS平均值均有所提高，其中③1層提高約為22.5%～30.4%，③t層提高約為46.8%，而地基處理對④層處理效果有限，其提高量相對較小僅為4%～6%。

2)③1層由于埋深較淺且局部夾薄層粉性土，有一定透水性，該層在兩個場地地基處理前后的PS平均值變化量均超過20%，充分說明了地基處理后其固結度提高，地基土強度也得到了明顯提高，表現為PS值的增加。

3)B場地③t層在地基處理后PS平均值提高超過45%，由于粉性土層排水性較好，其處理效果最理想，該土層地基處理后密實度增強，地基土的強度大幅提高，承載力的提高最為明顯。

4)④層由于相對埋深較深、透水性差，故地基處理后地基土強度變化不及其上部土層顯著，但仍有一定效果。說明預壓法處理效果自上而下逐漸減弱，且粉土處理效果優(yōu)于粘性土。

2.2 地基處理前后地基土物理指標分析

土的結構強度主要與土所處的稠度狀態(tài)有關，即與含水量有關。對于飽和土層而言，含水量的降低意味著土粒間聯結力增大，土趨于密實，顆粒更靠近，土的強度會更大一些。

表4 A，B場地處理前后地基土物理指標對比表

通過表4中A，B場地在地基處理前后室內物理力學指標對比結果可以看出:

1)在地基處理后淺部各土層②，③1，③t，④以及⑤1-1層的含水量和孔隙比均有減少。

2)對于粘性土層，②層含水量和孔隙比變化量最大，變化率均超過-7%，而隨著深度的增加下部的各土層含水量和孔隙比的變化率逐漸變小，到達⑤1-1層時其含水量和孔隙比的變化率分別為-1.4%和-0.6%，故淺部土層地基土強度的增加量也隨著深度的加深而減少，故地基土加固后對淺部土層作用較深部土層明顯。

3)在B場地分布的粉性土③t層由于其排水性好，孔隙水壓力消散快，故在預壓處理后其含水量和孔隙比變化率分別達到-12.4%，-13.5%，充分說明了預壓法對粉性土層的作用明顯，在保持排水通暢的情況下，土層易快速達到固結，地基土強度得到迅速提高。相對而言粘性土層的排水性較弱，其加固作用較粉性土層不夠明顯。

總之，地基處理后土的含水量和孔隙比均較處理前有一定量減少，并且在軟粘性土層中含水量和孔隙比變化幅度隨深度加深而減少，但地基處理前后地基土物理指標變化不大。

2.3 地基處理前后地基土變形指標分析

土的壓縮性是土體在荷載作用下產生變形的特性。就室內土工試驗而言，是土在載荷作用下孔隙體積逐漸變小的特性。地基土的壓縮性越低，則地基土強度越高、密實度越高，土性越好。

表5 A，B場地處理前后地基土變形指標對比表

通過表5中A，B場地在地基處理前后的變形指標對比結果可以看出:

1)在地基處理后淺部各土層②，③1，③t，④以及⑤1-1層的壓縮系數均有降低，而壓縮模量均有提高。

2)粘性土②，③1，以及⑤1-1層的壓縮系數降低了4.2%～6.7%，壓縮模量提高了1.9%～6.9%，而其中③1層壓縮模量提高16.5%是由于其局部夾薄層粉性土，有一定透水性，故地基處理后土層壓縮模量提高較其他粘性土層明顯。

3)粉性土③t層的壓縮系數降低約30%，壓縮模量提高約31%，地基處理后該層在排水條件保持通暢的情況下，其變形指標變化率均達到約30%，足見預壓法對粉性土層處理的效果極其顯著。

2.4 地基處理前后地基土抗剪強度指標分析

根據庫侖定律，粘土的抗剪強度由粘聚力C和內摩擦角φ決定，因此C和φ也就成了粘土的兩個抗剪強度指標。它們的實際大小主要取決于土的物理性質，主要是含水量、孔隙比、顆粒大小形狀和級配以及顆粒的摩擦特點。

通過室內三軸剪切試驗(不固結不排水剪切試驗UU)、無側限抗壓強度試驗及現場十字板剪切試驗獲取了A，B兩場地不同土層土的抗剪強度指標見表6。

在理論上三軸不排水抗剪總強度相當于現場十字板試驗測定飽和軟粘性土(φ≈0時)的原位不排水抗剪強度，即(Cu)v≈Cu;無側限抗壓強度qu確定φ≈0時的飽和軟粘性土的抗剪強度，土的不排水抗剪強度Cu=qu/2。

表6 A，B場地處理前后抗剪強度指標對比表

表7 A，B場地處理前后三軸抗剪強度指標對比表

表8 A，B場地處理前后無側限抗壓強度試驗指標對比表

表9 A場地處理前后十字板抗剪強度指標對比表

表10 B場地處理前后十字板抗剪強度指標對比表

通過表6～表10中A，B場地在地基處理前后的抗剪強度指標對比結果可以看出:1)根據表6并結合表4分析，含水量對淺部各土層地基土強度的影響體現在粘聚力C和內摩擦角φ上，在地基處理后兩者均隨含水量的減少而增大。其中粘性土粘聚力C提高約7%～9%，內摩擦角φ提高約2%～4%。2)結合表7和表8共同分析，本次對比試驗前后土的三軸剪切試驗所得的不排水粘聚力Cu、無側限抗壓強度試驗所得的無側限抗壓強度qu，可基本符合Cu≈qu/2公式。同時對于軟粘性土層③1的抗剪強度指標Cu和qu在預壓法地基處理后分別提高約7%～23%，2%～5%。3)根據表9和表10分析，軟粘性土層③1層地基處理后十字板剪切試驗土的抗剪強度指標(Cu)v提高明顯，平均提高約15%，其下部④和⑤1-1層的抗剪強度指標(Cu)v也有一定幅度提高，其中A場地④和⑤1-1層分別提高15%和5%，而B場地④和⑤1-1層僅提高0.9%和1.7%，這也在一定程度上反映了采用真空—堆載聯合預壓法對軟粘性土層的效果較堆載預壓法顯著。

3 結語

通過軟土路基處理前后地基土PS值、物理指標、變形指標以及土的抗剪強度指標的對比數據和指標分析，可以得出以下的結論:

1)通過路基處理后，地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數均有所降低，而PS值、壓縮模量以及抗剪強度指標均有所提高。2)地基土的含水量的變化對其強度的影響有著決定性的意義，含水量減小則土的強度就有一定提高。預壓法地基處理淺層軟粘性土層的處理效果明顯，隨深度的增加效果逐漸減小。3)粉性土層由于其排水性好，孔隙水壓力消散快，在地基處理后易達到排水固結的目的，效果顯著;而粘性土層透水性差，在外力作用下水的排出非常緩慢，不易達到完全固結。4)預壓法路基處理影響深度范圍也是有限的，對粘性土的處理效果不及粉性土層顯著。5)真空—堆載聯合預壓法可兼顧地基處理效果良好、所需工期較短的兩大優(yōu)勢，即能在確保地基處理質量的同時節(jié)省施工周期，在真正意義上實現社會經濟雙重效益的提高。

［1］ 《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊［M］.第4版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［2］ 黃紹銘，高大釗.軟土地基與地下工程［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ DGJ 08-37-2012，巖土工程勘察規(guī)范［S］.