水利工程軟土地基處理方式探討

王曉風(fēng)

(珠海市水利勘測設(shè)計院 廣東珠海 519000)

1 引言

軟土由于其形成及所處環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致其具有含水量大、孔隙率高、壓縮性強(qiáng)、力學(xué)指標(biāo)差的特性。如何在軟土地基上建設(shè)水工建筑物，成為水利工程技術(shù)人員的一個嚴(yán)峻課題。本文通過軟土特性簡要分析、軟土地基處理方式介紹、已建、在建水利工程軟土地基處理實(shí)操經(jīng)驗，來為水利工程技術(shù)人員在軟土地基處理方式選擇上，提供一個初步方向。

2 珠海市軟土特性

軟土，一般多指存在于河流入?？趨^(qū)域沖積平原、谷地，經(jīng)多年沉積形成的細(xì)粒土。其特性是天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低、固結(jié)系數(shù)小、固結(jié)時間長、 靈敏度高、擾動性大、透水性差，并具有蠕變性、觸變性等特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)，所能提供的工程地質(zhì)條件較差。

由于珠海市位于河流入海的口門地區(qū)，珠江八大入?？陂T，四個位于珠海境內(nèi)，珠海市的這一地理位置特點(diǎn)，導(dǎo)致其近河海的水利工程地基幾乎全部處于軟土區(qū)域，該軟土為近代海退形成的淺海堆積，屬濱海相軟土，厚度一般很大。珠海市軟土的成因及所處天然環(huán)境，造成其具有如下的工程特性：

（1)高含水量。軟土的天然含水量一般為50%～70%，而珠海市的軟土含水量一般為50%～130%，甚至更高。

（2)高壓縮性。軟土的天然孔隙比在1～2之間，而珠海市的軟土天然孔隙比一般為1.2～4.2，平均值達(dá) 2.3左右。一般軟土壓縮系數(shù)處于 0.7～1.5MPa-1,而珠海市的軟土處于 1.6～4.9MPa-1之間，平均值達(dá)到2.6MPa-1左右，已經(jīng)屬于高壓縮性土。

（3)低承載力。珠海市軟土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低值2.0KPa左右，平均值約為14.0KPa左右，地基承載力特征值（修正前)也僅為30.0～50.0KPa。

通過上述數(shù)據(jù)可知，在原本軟土的“兩高一低”特性基礎(chǔ)上，珠海市的軟土具有更差的指標(biāo)。基于此，珠海市的水利工程在建設(shè)過程中，必須對軟土地基進(jìn)行地基處理。

3 軟土地基的處理方式

軟土“兩高一低”的特性，使我們在其上進(jìn)行建（構(gòu))筑物建設(shè)時，不可避免地面對：（1)地基承載能力不足；（2)沉降大；（3)地基整體失穩(wěn)三個問題。應(yīng)該說，軟土地基解決這三個問題，基本上就不再有危害。從另一個角度說，軟土地基的處理措施也要從解決上述三個問題入手。

據(jù)此，從解決上述三個問題的不同側(cè)重點(diǎn)出發(fā)，簡單的介紹分析軟土地基處理方法。

需要說明，大多數(shù)的軟土地基處理方法其作用和目的都不是單一的，有些甚至是不可區(qū)分其側(cè)重點(diǎn)的。本文之所以按解決三個問題的側(cè)重點(diǎn)，分別介紹分析，其目的一是為便于在解決實(shí)際工程問題時，可根據(jù)工程需要解決的主要問題選取處理方法，二是由需求出發(fā)進(jìn)行介紹分析，利于進(jìn)一步理解軟土地基處理的技術(shù)路線。

3.1 解決承載力低的處理方法

之所以先行介紹這個類別，主要是因為縱觀所有軟土地基處理方法，幾乎全部都能夠增加軟土地基的承載力，都能在一定程度上解決軟土承載力低的問題。其原因在于我們處理軟土地基的直接目的就是使地基上能夠建設(shè)（或者說能夠承載)建（構(gòu))筑物，如果這一點(diǎn)都做不到，那就完全失去了處理意義。

針對軟土地基承載力低的問題，解決思路有兩點(diǎn)：第一是針對軟土承載力低的先天原因，改良改善其特性；第二是用承載力高的介質(zhì)代替（置換)軟土。

3.1.1 針對先天不足的處理方法

我們知道，軟土承載力低，在于其“軟”，而其“軟”除了顆粒組分、結(jié)團(tuán)形態(tài)、物質(zhì)含量（有機(jī)質(zhì)、鹽分等的含量)等固有形態(tài)方面的原因以外，最主要的是其含水量高和孔隙比大。在軟土固有形態(tài)基本沒變化的前提下，暴曬釋水固結(jié)的淤泥堅硬程度明顯提高，可以充分說明這一點(diǎn)。

據(jù)此，降低軟土含水量、減小孔隙比成為提高軟土地基承載力的關(guān)鍵。盡管軟土的孔隙比大，但軟土的滲透系數(shù)幾乎都在 10-6cm/s這一數(shù)量級上。在一定范圍之外，軟土內(nèi)的水體幾乎不能流動，由此造成水分外排并不容易，而粒間水不排出，粒間孔隙就無法壓縮，相應(yīng)的承載力就不會提高。因此排水、固結(jié)成為首要任務(wù)。

造成排水固結(jié)困難的原因較為復(fù)雜，主要和軟土的固有形態(tài)及特點(diǎn)（主要指顆粒組分、結(jié)團(tuán)形態(tài)、物質(zhì)含量等)密切相關(guān)。在不能改變軟土固有形態(tài)的基礎(chǔ)上，工程技術(shù)人員通過兩種措施解決軟土排水固結(jié)問題。（1)增加排水通道，在豎向上構(gòu)建排水通道，通過調(diào)整排水通道的間距和布置形式，應(yīng)對不同的天然軟土特性、承載力要求、強(qiáng)化（固結(jié))時間等；（2)在軟土上部增加荷載，以提供附加應(yīng)力，使軟土內(nèi)的壓應(yīng)力增加，進(jìn)而促進(jìn)軟土排水固結(jié)。

第一項措施對應(yīng)的軟土地基處理方法叫做豎向排水法，具體有：排水板法、砂井法、碎石樁法等。如前所述，把砂井法、碎石樁法歸于此類，原因在于其具有基本的促使軟土排水固結(jié)的作用。實(shí)際上，從排水板法到砂井法再到碎石樁法，已經(jīng)在逐步的附加上了置換軟土而增加承載力的作用了，具體后面會述及。

第二項措施對應(yīng)的是：堆載法、強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法等等。實(shí)際上在工程實(shí)踐中，為提高處理速度和效果，在投資不緊的前提下，多采用上述兩種措施的結(jié)合，具體如何結(jié)合，根據(jù)客觀條件進(jìn)行組合。

3.1.2 置換的處理方法

該方法的思路，簡單說就是引入外來的高承載力地基，全部代替或部分置換原有軟土，形成新的改良地基。

全部代替的思路就是針對小范圍、小厚度軟土，將其挖出，代之以開山土、石渣等承載力指標(biāo)高的土體，該方法稱為換填法。本方法是簡單易行且有效的，但也有其局限性，對于范圍大、厚度大的軟土地基不適用，原因不贅述。

部分代替，是指在橫向上或縱向上部分置換原有軟土。一般來說，橫向的換填實(shí)際上是針對大厚度軟土地基，當(dāng)承載力和工后沉降要求不高時，采取僅換填部分深度內(nèi)的軟土。該方法一般稱為墊層法。

重點(diǎn)要說的是縱向方向上的置換。這一思路就是在原有的軟土地基中通過一定的施工工藝形成柱狀高承載介質(zhì)，該柱狀介質(zhì)與原軟土地基形成復(fù)合地基，共同提供上部建（構(gòu))筑物的承載力。按此思路派生出柔性（剛?cè)嵝?樁復(fù)合地基法。具體為：攪拌樁法、CFG樁法、高壓旋噴樁法、碎石（砂)樁法等。

提及樁、豎向高承載介質(zhì)等概念，就會想到剛性端承樁，如預(yù)應(yīng)力管樁、混凝土灌注樁等。實(shí)質(zhì)上剛性端承樁嚴(yán)格的界定屬于基礎(chǔ)的范疇，與地基或地基處理在概念上有根本的不同。是和筏板基礎(chǔ)、漿砌石基礎(chǔ)等并列的，屬建筑物（構(gòu))結(jié)構(gòu)部分。但是，針對軟土地基，采取這樣的基礎(chǔ)，也可以理解為是一個增強(qiáng)軟土承載力的一個地基處理措施。為了方便論述，本文將剛性端承樁作為一個工法，列于地基處理范疇。

3.2 解決沉降大的處理方法

軟土地基的沉降主要源于土體結(jié)構(gòu)粒間孔隙被壓縮。由于軟土孔隙比大，土粒間距大，當(dāng)有外加荷載時，土粒間距縮小，孔隙逐步消失，土體收縮固結(jié)，宏觀上形成了區(qū)域的沉降。這種沉降在理論上會發(fā)生在所有受壓的地基上，之所以在軟土地基上受到極大的重視，是因為軟土的高壓縮性造成該沉降非常巨大，基本上沉降值處于工程不能忍受的范圍，例如：對于珠海市厚度在20m的近岸淤泥，當(dāng)場地承載力處于8.0t/m2左右時，總沉降量一般不會低于2.0m。

地基上承建建（構(gòu))筑物，基底附加應(yīng)力產(chǎn)生，軟土內(nèi)應(yīng)力增加，土體發(fā)生固結(jié)，沉降不可避免。就工程而言，要讓沉降在受控的范圍內(nèi)。就是讓地基的沉降在施工期基本完成，而使用期的沉降盡可能的減小；同時因為總的沉降量很大，必須保證同一結(jié)構(gòu)及不同相鄰獨(dú)立結(jié)構(gòu)間的沉降差控制在允許的范圍內(nèi)，這才能保證建(構(gòu))筑物的傾斜度在可承受范圍內(nèi)。

表面上看，似乎很簡單，像壓實(shí)松土一樣，主要在建設(shè)前，給地基以足夠的壓力，使軟土固結(jié)密實(shí)完成沉降即可。但軟土的特性導(dǎo)致做到這點(diǎn)并不容易。軟土粒間富含水分，水分被密閉在狹小空間，相對無法流動，而水體不流動外排，土粒間孔隙無法被壓縮消失。極速加大應(yīng)力做的功全被粒間水承擔(dān)并消耗。同時軟土的蠕變性、觸變性以及很差的剪切指標(biāo)會導(dǎo)致軟土的蠕變和粒間滑動，由此造成人為地基失穩(wěn)。這一點(diǎn)下一章節(jié)會提及。

至此，針對軟土沉降的處理思路應(yīng)該清晰。（1)需要有與將來基底應(yīng)力相匹配荷載，促使軟土在施工期基本完成沉降；（2)要確保有排水通道，使軟土釋水，由此才能達(dá)到壓縮軟土的目的；（3)要保證發(fā)生的沉降均勻，這是控制工后沉降差的基礎(chǔ)；（4)當(dāng)前面的措施不能全部達(dá)到時，需考慮改良地基，要么使其壓縮性降低、要么減小實(shí)際作用在軟土上的附加應(yīng)力。

綜上所述，相應(yīng)的軟土地基處理方法見表1。

表1 軟土地基沉降處理方法

3.3 解決整體失穩(wěn)的處理方法

軟土地基因為其剪切指標(biāo)差，且具有蠕變性、觸變性，使其在受外部荷載作用且橫向約束缺失或不足時，易發(fā)生深層或淺層的滑動和大范圍的蠕變，進(jìn)而導(dǎo)致其上的建(構(gòu))筑物與地基一起整體失穩(wěn)。

這類問題是軟土地基內(nèi)在的不足（內(nèi)因)，遇上外在的荷載增加（外患)，而阻止滑動的因素不足（環(huán)境)這三方面聯(lián)合作用的結(jié)果。

3.3.1 針對內(nèi)因造成的失穩(wěn)

軟土剪切指標(biāo)差，具有蠕變性、觸變性主要還是來源于其高孔隙比和高含水量，這一點(diǎn)與其承載力低下的原因類似。所以其處理的方法也與提高承載力的方法基本相同，就是促使其排水固結(jié)。相對應(yīng)的方法也為：堆載法、強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法、排水板法、砂井法等。

需要說明，針對先天原因采取措施的方法，在理論上是行得通的，但實(shí)際上有些方法實(shí)用性有待商榷。按前面的分析，內(nèi)因、外患和環(huán)境是軟土地基失穩(wěn)的三要素，如果有一個能提供積極因素都會使情況有所改觀，但同時如果其中任何一個原因的消極因素增加，也會加大失穩(wěn)發(fā)生的概率。比如堆載法，該方法是在軟土地基上增加外部荷載，如果這種外加荷載增加的值和加載的速率與淤泥的實(shí)際承受能力不匹配，無疑反倒會促使其失穩(wěn)發(fā)生。再說排水法，不管是排水板還是沙井，當(dāng)其排列型式、間距等不得當(dāng)時，在橫向約束原本不足的情況下，無疑增加了滑裂面產(chǎn)生的概率，進(jìn)一步減小了橫向約束能力進(jìn)而誘發(fā)失穩(wěn)。

因此，采用這樣的方法對待這樣的問題需謹(jǐn)慎。

3.3.2 針對外患造成的失穩(wěn)

這里所說的外患就是外加荷載。我們能做的不是去除外加荷載，而是如何通過工程手段、設(shè)計方案等措施減小實(shí)際作用在軟土地基上的荷載，或調(diào)整外加荷載的分布，使外加荷載帶來的的危害變小。具體處理辦法見表2.

表2 軟土地基失穩(wěn)處理方法

3.3.3 針對不利環(huán)境造成的失穩(wěn)

不利環(huán)境是指可能導(dǎo)致工程失穩(wěn)的外部邊界條件。比如河槽迫岸、正向傾斜的地質(zhì)誘滑面等。

對于此類的處理辦法，更多的依賴于平面布置等設(shè)計方案的調(diào)整，比如向背水側(cè)退讓堤線、結(jié)合地質(zhì)剖面調(diào)整工程位置或平面布局。

因此，軟土地基的處理，可以通過改變外界環(huán)境來營造有力的工程穩(wěn)定條件。也就是通過采取外在的、與建（構(gòu))筑物下部軟土地基不直接相關(guān)的一些措施，來加大軟土地基的橫向約束，增加阻滑力。

工程實(shí)踐上應(yīng)用最多的就是反壓法，或者稱為應(yīng)力平衡法。該方法以理論計算為基礎(chǔ)，通過在特定部位增加反壓體來改變外部邊界條件，利用反壓體的自重來提供阻滑力，與原有地基各種阻滑因素一起對抗抵消滑動力，以此達(dá)到建（構(gòu))筑物安穩(wěn)的目的。

4 結(jié)束語

軟土地基的處理是珠海市水利工程建設(shè)面臨的一大難題，珠海市有較為豐富的水利工程軟土地基處理經(jīng)驗，但也有大量的反面案例，上述內(nèi)容是在多年水利工程設(shè)計、施工等方面的小結(jié)，以此供水利同行們參考指正。