珠江三角洲高速公路软土特征及处理方法

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珠江三角洲高速公路软土特征及处理方法

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-17 2424


1、引言

  广东地处祖国南大门改革开放的前沿,自1989年我省第一条广佛高速公路通车以来,目前广东省高速公路通车里程已逾700km,“九五”计划通画达1100km.而高速公路的建设不可避免地要涉及到对软土基处理。对设计人员来说,要做到恰当地选用软土地基处理方法,则必须对所要处理的软土地基的特征、物理力学性质有全面、熟悉的掌握。笔者结合近几年来参加高速公路软土地基勘察和设计的体会,结合有关资料,浅谈珠江三角洲高速公路软土特征及常见处理方法。

  2、软土的概念

  软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑状态的粘性土。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积,经生物、化学作用形成的。但含水量多少才谓之高、承载力多少才谓之低,目前尚没有一个统一标准。比如,日本采用标准贯入击数、无侧限抗压强度、荷兰式贯入指数等三项指标来划分软土。德国则用“很容易搓捏的土”来划分软土。在国内,铁道部建议以天然含水量接近或大于液限、孔隙比大于1、压缩模量小于4000kPa、标准贯入击数小于2击,静力触探结入阻力小于700kPa、不排水强度小于25kPa等6项指标来划分软土;建设部颁《软土地区工程地质勘察规范》(JGJ83-91)规定,凡符合外观以灰色为主的细粘土、天然含水量大于等液限、天然孔隙比大于等于1等3项指标来划分软土;交通部《公路土载试验规范》(JTJ051-85)则以天然含水量、孔隙比、压缩系数、饱和度和内摩擦角等5项指标来划分软土。从上述部门的规定或规范可以看出建设部颁规范比较简单,使用起来不方便。为了有个统一简便的判别标准,交通部最近颁布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ017-96),在总结经验的基础上,软土的划分标准采用天然含水量大于等于35%或液限、天然孔隙比大于等于1.0、十字板剪切强度小于35kPa等3项指标。凡符合以上3项指标的粘性土均为软土。珠江三角洲地区软土一般指淤泥、淤泥质土。淤泥和淤泥质土。淤泥和淤泥质土的定量划分指标为:当土的天然孔隙比大于1.5时,为淤泥;天然孔隙比1小于等于e小于等于1.5时为淤泥质土。

  3、软土的成因和性质

  3.1、软土的成因

  珠江三角洲地区为典型的平原地貌,其间偶有个别残丘点缀。它地势平坦开阔,区内河渠纵横交错,水网密布,大小河流蜿蜒曲折,河水受潮水顶托明显。由于河流冲积和海潮的进退作用,在该区广泛沉积了厚层的海陆交互相软土。该区软土层一般恶化有薄层粉细砂层。砂层厚薄不一。层次有多有少,具有一定水平层理。软土为淤泥和淤泥质土,一般分布于地表硬壳层之下,大部分地区分布一层软土,局部分布有两层软土,其下卧层多为砂层,少数为粘土层。软土层平均厚度4-6m,局部厚逾15m,基底为第三系红色岩系软质岩。软土的主要矿物为粘土矿物的高岭土和伊利石。由于粘土堆矿物具有较强的亲水性和

土工格栅是一种主要的土工合成材料,与其他土工合成材料相比,它具有独特的性能与功效。常用作加筋土结构的筋材或复合材料的筋材等。土工格栅适用于各种公路、铁路、机场的路基增强路面增强。适用于大型停车场和码头货场等永久性承载的地基增强。适用铁路、公路的边坡防护。适用的涵洞增强。适用于单向拉伸土工格栅增强后的土坡的二次增强,进一步增强土坡,防止水土流失。矿山、坑道加固。

表面活动性。同时高岭土和伊利石矿物多为片状,沉积时多呈片堆组构,形成土的絮状结构。

  3.1、软土的性质

  珠江三角洲软土一般具有下列性质:

  (1)较高的含水量。根据佛开高速公路软土资料统计,淤泥质土的天然含水量平均值48%,淤泥的天然含水量平均值76%,少数100%以上,因此土体一般均呈流塑状。

  (2)天然孔隙比大。据佛开高速公路软土统计资料,淤泥质土的天然孔隙比=1.25,淤泥的天然孔隙比=1.8,少数大于2.0

  (3)压缩性高。软土的天然孔隙比大决定了压缩性必然高。据佛开高速公路软土统计资料,淤泥的压缩系数=1.34MPa-1,淤泥质土的压缩系数=0.73MPa-1,均属高压缩性土。据有关资料,佛开高速公路填土后,路基沉降量1m左右。

  (4)凝聚力小。淤泥质土快剪凝聚力平均值12.4kPa,淤泥快剪凝聚力平均值9.1kPa.因此土体抵抗剪切变形能力差。在施工中经常遇到路堤填土到一定高度出现滑塌,从而造成路堤失稳。

  (5)固结系数小。据佛开高速公路软土统计资料,固结系数一般在4.0*1/1000平方厘米/s左右,这就意味着土体完成固结沉降所需的时间较长,这对施工工期影响较大。

  4、软土处理方法

  软土地基的处理方法较多,目前珠江三角洲高速公路软土地基的常见处理方法主要有以下几种。

  4.1、堆载预压法

  该法是在工程建设之前用大于或等于设计荷载的填土荷载,促使地基提前固结沉降以提高地基的强度。当强度指标达到设计要求数值后,缺陷去荷载,修筑公路路面。经过堆压预处理后,地基一般不会再产生大的固结沉降。堆载物一般用填土或砂石等散粒材料。施工填筑时采用分层分级施加荷载,从而控制加荷速率、避免地基发生破坏,达到地基强度慢慢提高的效果。该法施工简单,不需要特殊的施工机械和材料,但软土的排水固结时间较长,因此工期一般较长。公路工程上常先期对路基进行堆载预压,再利用修筑桥梁的时间使其慢慢固结。如施工时间允许,可单位使用;如工期紧,可结合其它方法一起使用。佛开高速公路在软土厚度大于13m时,均采用超载预压,以减少固结沉降,超载预压高分0.3m和0.6m两级。

  4.2、反压护道法

  该法是指在公路主路堤两侧,填筑一定宽度和高度的护道,以期达到路堤稳定的一种方法,它主要是起抗滑的平衡作用,使得抗滑弯矩能克服滑动弯矩。其设计一般采用“费兰纽斯法”找出最危险的圆弧,再用分条法进行稳定验算。反压护道的宽度一般是滑动弧终点达到哪里就压到哪里。其高度一般为路堤填土高度的1/3-1/2.这种方法处理软土地基,对解决路基稳定是有效的。该法不需控制填土速率,可以机械化快速完成路基填筑,但利用该法处理地基,土方量大、占用土地多,且沉降期长。珠江三角洲地区土地资源有限,公路建设要尽量少占土地。因此,在公路工程中,该法一般不大面积使用,多数是在桥台高填土寺段局部少量使用。如佛开高速公路潭州大桥、张槎跨线桥等桥梁工程桥台前几十m小范围内使用该法。采用音级形式,边坡1:2,最宽为18m,高2.0-2.5m.

  4.3、袋装砂井排水法

  袋装砂井排水法是在普通砂井的基础上发展起来的一种软土地基处理方法,它是普通砂井的发展和提高。相对于普通砂井,此法用砂量少、施工方便、快捷。它的布置一般采用梅花形。理论和实践表明,袋装砂井的间距是影响固结速率最重要的因素之一。在附加荷载一定的条件下,井距愈小,固结愈快,井距愈大,固结愈慢。所以,在用袋装砂井处理软土地基时,原则上采用“细而密”的方案。由于施工机械的影响,井距也不宜太小。井距太小,易使砂井周围的土受到扰动,地基土强度受到一定程度的削弱,并增加一定数量的沉降,而且还会使土固结系数降低,一般袋装砂井的间距以1.0-1.5m为宜。当然具体工程要根据软土的特征和施工期限的要求,计算确定。目前,袋装砂井排水法在公路工程中应用得最广泛的一种方法。这种方法一般不单独使用,往往结合砂垫层、土工布、堆载预压或其它方法一起使用,效果更好。广佛高速公路大部分软土地段采用袋装砂井排水法结合超载预压,砂井间距1.0-1.5m.通过3个断面现场观测,预压4个月,主固结沉降量已基本完成,通车后的沉降量仅0.8-2.6cm.这说明用袋装砂井排水处理软土地基效果较好。对于砂源丰富的地区,使用袋装砂井法处理软土地基,易于保证质量,费用也较低。

  4.4、塑料排水板

  该法与袋装砂井的作用原理相同,设计方法也基本相同,只是所用材料不一样而已。目前国内厂家生产的多为宽10mm,厚4mm的带状有横槽的塑料板,其外包有土工布。塑料排水板的施工文教袋装砂井基本相同。与袋装砂井比较,塑料排水板具有施工速度较快,效率高,施工机械轻便,对软土地基的扰动较小,可工厂化生产,抗折能力较强等优点。根据沈大高速公路软土地基处理资料,塑料排水板相对于袋装砂井可节约16%的费用。因此近年来在软土地基中得到广泛应用。但由于国内厂家一哄而上,造成塑料排水板产品供过于求,产品质量不能保证,影响了其对软土地基处理的效果,使其发展受到了一定限制。该法可单独使用,但一般是结合砂垫层或其它方法一起使用。佛开高速公路大部分软土地段采用塑料排板法进行处理,其平面布置呈正三角形,间距1.0-1.5m,长度根据软土厚度具体确定,一般以打穿软土层为原则,桩长5-17m.

  4.5、喷粉桩法

  喷粉桩法的正式名称为粉体深层喷粉搅拌法,是胶结法处理软土地基的一种。它利用水泥或石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械,就地在软土中利用压缩空气喷射石灰或水泥干粉,与软土强行搅拌,利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理-化学反应,使软土固结成具有整体性、水稳定性和一定强度的地基,以达到提高地基承载力、减少地基沉降量的目的。其地基应视为复合地基,桩土共同承担应力。它具有施工速度快,设备轻便,便于移动,方法容易掌握,处理深度较大等优点,具工后沉降较小,排水固结时间短,尤其可较好地解决桥头跳车现象。八十年代末该法在广州经济开发区试用,取得了较好效果。之后在高速公路软土地基处理中推广应用。佛开高速公路部分路段采用了这种方法。喷粉桩径一般用60cm,桩间距1.5-2.5m,深度一般穿透软土地基,当软土厚度大时,桩长控制在15m以内。用该法处理软土地基,大大缩短了软土地基处理时间,为佛开高速公路的早日通车创造了条件。通过对喷粉桩进行抽芯、抗压及静载试验,表明喷粉桩复合地基设计、施工质量是令人满意的。

  5、结语

  各种地基处理方法都有它的适用范围、局限性和优缺点。加之具体工程情况复杂、工程地质条件千变万化、各个工程间地基条件差别很大,具体工程对地基的要求也不同。而且机具材料等条件也会因工作部门不同、地区不同而有较大的差别。因此,对每一个工程都要进行具体细致分析,应从地基条件、处理要求、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑,以确定合适的地基处理方法。在确定地基处理方法时,可根据工程具体情况,对几种地基处理方法进行技术、经济以及施工进度等比较。通过比较分析可以采用一种地基处理方法时,还要由两种或两种以上的地基处理方法组成的综合处理方案。同时在确定地基处理方法时,还要注意节约能源。注意环境保护,避免因为地基处理对地面水和地下水产生污染,振动噪音对周围环境产生不良影响等。

  要做好软土地基的处理,首先要搞好前期勘察设计工作。根据软土特征和物理力学指标,通过比较分析,选取合适的软土地基处理方法。笔者在此想强调的是在做好前期地质工作的同时,要注意做好施工地质工作。在前期地质工作中,由于种勘察技术水平及其局限性,期望在勘察阶段完全查明软土的地质特征是十分困难的,加之经济、时间的因素,勘察阶段是不可能布置太大的工作量。公路有关规范规定软土路基路段每km一般布置2-4个勘探点,这只能保证基本上查明软土特征,而要完全查明软土特征,就应相应地做好施工地质工作。国内部分高速公路在规模施工前先期修筑试验段,也正是体现这种思想。另外,软土地基处理在施工过程中和施工后需做好监测工作。因为软土地基处理方法和加固效果并不是施工结合后就能全部发挥。一般来说,施工完成后还需要经过一段时间才能逐步体现和加固地基的要求。另一方面,地基处理大都是隐蔽工程,很难直接检验其加固效果。通过监测既可检查地基的处理效果,又可总结经验,供以后的工作借鉴使用。


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