珠海软土地基处理方法探究

珠海软土地基处理方法探究摘要:珠海由于经济发展的需要,软土的开发利用及围海造地工程,大型巨型的港口、海堤、大型油罐、铁路及高速公路等工程建设多修筑于软土地基之上,造成许多复杂的工程地质及岩土工程问题。

由于软土地基的压缩性高,渗透性低,固结变形持续时间长,所以软土的工程特性评价,软土地基的处理方法,软土地基沉降量的计算就成了工程设计中的主要问题。

因此,较好的评价软土的工程特性,研究软土地基处理方法,合理计算软土地基沉降量具有重大学术价值和社会效益。

关键词:软土地基;工程特性;承载力;处理方法1珠海软土的工程特性珠海的软土为近代沉积的滨海相软弱粘性土,其性状为灰色,饱和,呈流塑状,微层理发育,含贝壳碎片,见腐殖质,主要为淤泥、淤泥质土。

通过对珠海软土资料进行分析整理,珠海的软土一般具有:含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度较低、渗透性差和固结系数小的基本特征。

①触变性: 软土具有触变的特征,是软土具有显著的结构性的表现。

当原状土受振动后,土的结构强度显著降低,甚至发生流动,当外力作用停止后,软土的结构和强度随时间的增长又逐渐恢复。

由于珠海软土一般为粒状结构或絮状结构,其中以滨海沉降的片架结构粘土为代表,因而受到扰动后其强度会显著降低,触变性的大小常用灵敏度St来表示。

珠海进行了数量较多的十字板原位测试,测定软土的灵敏度St。

通过测试及分析,珠海软土的灵敏度St在2.74～10.85之间,平均值为6.28,属中等～高灵敏性土。

②高压缩性:天然孔隙比大说明土体中的孔隙体积大,其压缩性比较高。

该软土属高压缩性土,压缩系数大,软土的大部分压缩变形发生在垂直压力为100 kPa 左右。

反映在建筑物的沉降方面为沉降量大。

依据珠海土工试验成果分析,场区淤泥的压缩系数一般在1.50～2.10 MPa-1,压缩模量一般为1.35～2.50 MPa。

淤泥质土的压缩系数一般在0.75～2.00 MPa-1,压缩模量一般为1.44～2.85 MPa。

③低强度: 由于软土的特性,软土的强度很低,通过本区岩土原位测试试验,结合十字板剪切试验以及土工试验成果分析,淤泥层的承载力特征值为30～45 kPa,固结不排水(CU)抗剪强度为15～18 kPa。

淤泥质土层的承载力特征值为60～75 kPa。

固结不排水(CU)抗剪强度为20～25 kPa。

④透水性差:软土的透水性能较差,分析珠海地区岩土勘察资料,软土的垂直渗透系数为6.5×10-5～5.0×10-7 cm/s,由于软土表层普遍夹极薄层粉砂,水平向渗透系数稍大,为8.5×10-4～6×10-7 cm/s。

软土的低透水性对地基固结排水极为不利,反映在建筑物沉降延续时间长。

2珠海软土地基处理方法软基在工民建、市政及公路等工程建设中,是一个很棘手的问题,许多岩土工程技术工作者都一直致力于软基处理的研究,已经形成了一套固定的设计施工方案模式,目前我国常用的深层宽厚软土地基处理的方式有几种,包括砂井、塑料排水板、水泥搅拌桩、CFG桩等;还有一些地方小工程会用到的个别地基处理方式,相对施工简易的桩基,如松木桩以及浅层淤泥可直接换填的处理方法。

珠海软基处理方法一般分几类:一是换填法处理;二是强夯法和强夯置换法;三是排水固结法;四是深层水泥土搅拌法;五是CFG桩法。

2.1排水固结法排水固结法,一般是对天然软土地基通过施打塑料排水板或砂井等在软土层中构筑竖向排水通道,然后在其上通过堆载或真空预压等方法促使软土中的孔隙水排出,逐渐固结,地基发生沉降,同时软土地基强度逐步提高。

排水固结法处理软基,使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成,使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差;加速了地基土的抗剪强度的增长,提高了地基土的承载力和稳定性,比较好的解决地基沉降和稳定问题。

此方法施工比较简便,平均造价较低,适宜大面积进行处理,但施工工期相对较长。

①普通沙井与袋装砂井:沙井处理深度可达到20～30 m,原理是通过砂井的良好透水性能,疏干地下水,达到固结软土的效果。

普通沙井直径取300～500 mm,袋装砂井的直径一般为70 mm～120 mm,桩芯距一般为1～2 m;通常上部配0.5 m砂垫层、土工布以及堆载预压、真空预压等共同处理。

具体施工工序是先整平场地,然后施工砂井,铺设砂垫层0.5～1.0 m,在砂垫层上部布置一层或两层的土工布,最后堆载预压(真空预压),堆载高度可为3～5 m。

②塑料排水板:塑料排水板的工程造价比较经济,目前的处理深度达到了20～40 m,塑料排水板,有A-F共六种类型(如SPB-Ⅰ,尺寸规格也是100×4 mm,长度依处理深度而定),原理也是通过排水板的良好排水性能,达到固结软土的效果。

板间距一般为1～2 m;通常也需要配合着砂垫层、土工布以及堆载预压(真空预压)等共同处理,具体施工工序是先整平场地使用插板机施打排水板(按照设计板深度,板头一般超出砂垫层顶设计高程0.3～0.5 m),铺设砂垫层0.50 m,可布置一层的土工布,最后堆载预压(真空预压),加载高度可为3～5 m。

施工工序与砂井施工方法相类似。

③软土固结度计算。

软土沉降与时间的关系可根据饱和土的单向渗透固结理论并结合排水条件,可按下式计算固结度及达到某一固结度所需的时间:t= ,U=1-e-T式中:Tv为时间因素,无因次;t的单位为年,H为压缩土层的透水面至不透水面的排水距离cm;当土层双面排水,H取土层厚度的一半;Cv 竖向固结系数(cm2/a)(取10 m以上(Pzi-Pci)压力段的平均值)。

软土固结沉降量不同深度是不均等的,其值主要跟该深度的初始孔隙比、先期固结压力和压缩指数有关;沉降速率亦不是均等的,而是开始时下沉相对较快,随着土体的逐渐固结,承载力和抗剪强度逐渐提高,并且土体压缩后透水性更小,因此,沉降量逐渐变小。

2.2深层水泥搅拌法①水泥搅拌桩:根据软土含水量,水泥搅拌桩型分为粉喷桩与浆喷桩,对应的施工方法就有两种:干喷法与湿喷法,根据设计资料显示,当含水量在>40%时采用湿喷法,含水量≤40%采用干喷法。

深层水泥搅拌法原理是利用水泥作为固化剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处将软土和水泥固化剂强制搅拌,利用固化制和软土之间所产生的一系列物理-化学反应,促使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的地基。

通过桩体自身的强度来抵抗工程设计荷载。

桩径多为500～650 mm,一般设计桩径550 mm,桩间距为0.8～1.5 m;其它设计参数为:设计深度一般控制在10～18 m以内,一般为10～15 m,打入硬土持力层0.5～1 m以上,水泥用量每延米50～80 kg(10～18%按重量比),水泥型号为32.5 MPa或42.5 MPa 硅酸盐水泥,水灰比一般为0.55～0.65,7d无侧限设计抗压强度为0.5～0.6 MPa,28d设计强度为0.9～1.0 MPa,90 d设计强度达到1.2～1.5 MPa。

深层水泥搅拌法对大面积处理造价偏高,并且因软土为欠固结土不能解决桩间土的固结沉降问题。

②复合地基与单桩竖向承载力特征值估算。

竖向承载的水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值按下式估算:fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk式中fspk——复合地基承载力特征值(kPa);m——面积置换率;Ra——单桩竖向承载力特征值(kN);Ap—桩的截面积(m2);fsk——桩间土天然地基承载力特征值(kPa);?茁——桩间土承载力折减系数。

单桩竖向承载力特征值按下式估算:nRa = up∑qsili+?琢qp Ap ,Ra =?浊fcuApi=1式中up——桩的周长(m);n——桩长范围内的土层数;qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa);qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa);li——第i 层土层厚度(m);?琢——桩端天然地基土承载力折减系数,取0.6～0.8,承载力高时取低值;?浊——桩身水泥土强度折减系数。

淤泥、淤泥质土与粘土,取0.2～0.3;粉质粘土与粉质粘土填土,取0.25～0.3;粉土,取0.30～0.35;砂土,取0.3～0.4;fcu——搅拌桩水泥土标准试块90 d抗压强度平均值(kPa)。

2.3CFG桩法CFG桩法,在素混凝土桩的基础上发展而来的一种地基处理方式,其全名叫水泥粉煤灰碎石桩。

材料包括水泥、粉煤灰、碎石以及石屑(或砂),用水拌和而制成,单桩极限承载力设计值不少于1000 kN,单桩复合地基承载力设计值大于550 kPa,处理深度也可达到30 m以上;由于桩体不需要配筋,大大节约造价,一般为钢筋混凝土管桩造价的1/3～1/2,所以经济效益比较好。

桩体容重为22～23 kN/m3。

①CFG桩设计。

桩端持力层选择厚度较大,层位稳定,力学性能好的岩土层,桩长取10～30 m。

桩径 d =400～600 mm,桩距1～2 m,排距1m,桩身周长Up=D×π(m),桩身截面积Ap=π×D×(1/4) m2。

桩身混凝土强度等级C10～C25,桩顶预设置200 mm厚级配砂石褥垫层。

桩间土承载力折减系数β取0.75,地基处理后桩间土的承载力特征值fsk取天然地基承载力特征值。

②CFG桩复合地基承载力计算。

按照JGJ79-2002规范计算等效圆直径de,根据JGJ79-2002规范(公式7.2.8-2)计算桩土面积置换率m=d2/d2e。

按规范(公式9.2.6)估算单桩竖向承载力特征值: nRa = up ∑ qsi li + qp Ap, i=1桩体试块抗压强度fcu≥3 Ra/Ap(公式9.2.7),式中,d——桩身平均直径(m);de——1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径;m——桩土面积值换率;up ——桩的周长(m);n——桩长范围内的土层数;qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa);qp——桩端端阻力特征值(kPa);li——第i层土层厚度(m); fcu——桩体混合料标准试块28d抗压强度平均值(kPa)。

复合地基承载力fspk=m Ra/Ap+β(1-m)fsk (公式9.2.5),计算结果承载力要满足要求。

式中:fspk——复合地基承载力特征值(kPa);m——面积置换率;Ra——单桩竖向承载力特征值(kN);Ap——桩的截面积(m2);fsk——桩间土天然地基承载力特征值(kPa);?茁——桩间土承载力折减系数。

3结语珠海软基处理方法有:一是换填法处理,此方法施工最为简便,处理效果比较理想,但该处理方法一般处理深度为3～5 m,对软土厚度较大的场地则难以采用,一般在市政管道软土地基采用。

二是强夯法和强夯置换法,前者对饱和的淤泥不适用,后者对所置换土层深度有限制,不宜超过7 m,主要是港口码头大型油罐地基采用。