探讨软土路基加固原理与方法
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摘要: 在我国沿海地区及内陆平原或山间盆地都广泛地分布着不同类型的软土 ,其主要特点是地基承载力较低 ,荷载作用下变形较大 ,这给公路修建带来了许多工程问题。本文初步分析了软土路基的加固原理与方法。
关键词: 软土路基 加固原理
1软土路基处理、加固原理
土体是由不同尺寸和不同成份的土粒组成的多相分散体系。就构成强度而言 ,土体属于分散介质 ,土体的强度由土粒之间的连接强度所决定。从构成土体的整体强度来讲 ,起决定作用的是土粒之间的粘聚力和土粒之间的内摩阻力。大量水浸入土体使土体离散 ,形成湿坍和水化现象 ,降低了土体的稳定性。
影响土体稳定性的因素较多 ,主要有分散度、土的成分、土中天然胶质的性质以及土体的密实性。土体的密实度越大 ,则孔隙率越小 ,水不易浸入土体 ,因而水稳定性较好。从土体的特性可知 ,含水量和密实度对于土体的强度、稳定性影响较大 ,也是加固处理的关键。
加固土的方法有多种 ,按其技术措施可分为:机械方法、物理方法、外加剂法、热处理、电化学方法等。加固土时所出现的各种作用过程是非常复杂和多种多样的 ,视土的性质和结合料的种类不同而异。一般说来只有产生化学过程和物理化学过程才能使土体的强度和稳定性得以彻底的改善。而物理过程则是加速并保证化学过程和物理化学过程的充分发生。
2软土地基的加固方法
软土地基加固或处理方法很多 ,根据作用机理可概括为换填法、排水固结法、挤密法、化学加固法、土工织物、加筋晾晒法、调整结构法等。
2.1 换填法
换填法就是将地基软弱层的全部或部分换填为强度较高、透水性好的材料 ,可以提高地基承载力,降低沉降量。在工期较紧、优质材料来源充足时是一种有效的方法。可分为挖填法、抛石法、爆破法、垫层法等。
①挖填法
当软弱层较薄时 ,且位于地表 ,在排水施工方便的情况下 ,可采用挖填法。采用此方法就是将软弱层挖除 ,用适宜的材料回填并碾压密实。一般挖填深度不宜超过2m。
②抛石法
采用不小于 30cm的片石 ,从路堤中部向两侧抛投片石 ,从而使泥沼或软土挤出 ,待抛石露出水面后应用小石块填塞垫平 ,用重型压路机压实。此种方法适用于排水困难的洼地 ,软弱层呈流动状态 ,厚度较薄、表面无硬壳且石料方便的情况。
③爆破法
爆破法就是将炸药埋在软弱层中爆炸 ,把泥沼或软土排除 ,从而换填入透水性软好的材料。爆破法换填深度较大 ,工效高。适用于软弱层较厚、稠度大、路堤较宽且工期较紧的情况下。
④垫层法
在稠度较大的软弱层表面上 ,垫以砂、砂砾石、碎石、灰土、素土等材料 ,充分碾压密实后形成具有一定稳定性的硬壳层。设置垫层可提高承载力 ,减少沉降量 ,加速软弱层的排水固结 ,防止冻胀 ,消除膨胀土的胀缩作用。
2.2 排水固结法
排水固结法是根据固结理论在软土中设置排水通道 ,通过加压排水促使固结沉降 ,提高抗剪强度。
常用的方法有砂垫层、碎石垫层、砂井、袋装砂井、塑料排水板、降水预压、真空预压、加载预压法等。
①砂井
砂井是用钻探、沉入钢管或高压射水法在地基中形成井孔 ,再灌入粗、中砂 ,砂井系三向排水固结 ,在平面上以矩形或梅花形布置。
②袋装砂井
袋装砂井是将中、粗砂装入聚丙烯等细长袋内 ,放入预先成好的井中 ,与普通的砂井相比 ,直径小、重量轻、施工机具简单、便于操作。砂袋是一个整体 ,具有连续性和密实性 ,质量可靠 ,并有一定的抗滑能力。
③塑料板排水
将预制好的特制塑料板插入软土中 ,形成类似袋装砂井的竖向排水通道 ,顶面则铺以砂垫层或土工织物形成排水系统。塑料板重量轻、插板机具简单、操作方便。排水固结的方法较多 ,在处理软土时应根据不同的地质土壤条件、软土层厚度、地下水位情况 ,往往需几种方法同时应用并举进行加固。
2.3 挤密法
挤密法是通过对地基压实 ,提高强度和降低收缩性达到加固的目的 ,或者在地基中用锤击、振冲、爆破等方法成孔 ,在孔中分别填入砂、碎石、灰土、生石灰等材料 ,压实后形成直径较大的桩体 ,并与桩间挤密的土共同组成复合地基 ,提高地基强度。
①强夯法
强夯法又称动力固结法。它是以8～12t(甚至200t)的重锤和8～20m (最高可40m)的落差 ,对地表进行强力夯击 ,利用冲击波和动应力使地基土达到密实。
②碾压密实法
根据土体的压实机理和影响压实效果的因素,对于不同的土体应选择不同的压实机具和采用不同的压实方法。通常情况下 ,在含水量一定时 ,土基压实功越大 ,密度越大 ,压实度越高。
③桩基挤密法
桩基法根据孔中填入的材料不同 ,施工工艺及加固机理也有差异。常用的有碎石桩、砂桩、生石灰桩、粉煤灰柱桩、木排桩、钢筋混凝土桩、水泥搅拌桩等。
碎石桩与砂桩作用机理相同,即将地基挤紧 ,孔径较大提高了地基承载力。碎石桩或砂桩由于料源充足易得 ,施工简单 ,造价低廉 ,是常用的加固方法之一。
在成好的孔中填入生石灰块即形成生石灰桩,生石灰桩中加固软土地基的机理是生石灰遇水发生反应 ,在反应过程中生石灰可吸收大量的土体空隙水 ,使得桩体周围土体含水量降低 ,同时因吸水石灰体积膨胀将土体挤密 ,石灰与土体主要发生放热反应、离子交换作用、胶凝作用等使桩体硬化。这样使土体的物理、力学性能和结构都得以改善 ,从而提高了土体的承载力。
桩基挤密法中桩体的种类较多 ,其加固原理相似 ,就是应用填料与软土中地体发生反应或者挤密、填料相互嵌挤等机理形成软土与填料的复合地基,提高土体的整体强度 ,减少沉降。
2.4 化学加固法
化学加固法就是利用化学溶液或胶结剂 ,采用喷射或灌注等措施通过填充土体空隙、离子交换、结硬反应等 ,使土体与土粒胶结在一块 ,达到加固土体的目的。
①浅层搅拌法
将石灰、水泥、粉煤灰、水硬性膨胀粉、干氢氧化铝粉等结合料掺入土中 ,加以拌和 ,并进行碾压 ,从而形成硬壳层 ,一般处理深度不超过1. 5m。
②深层搅拌法
利用特制的搅拌机械在地层内边搅拌边压送结合料 ,形成加固桩体或加固墙体 ,以提高承载力 ,限制地体的侧向移动及截阻地下的渗透水流。
③高压喷射法
用高压脉冲泵将浆液高速喷出 ,与土体结合 ,借助浆液的高压冲击力使浆液快速充填于土体空隙中并与土体混合发生胶凝作用 ,从而形成柱状或壁状加固体 ,加固后的土体渗水性很差 ,可以起到截水的作用 ,常用的浆液有水泥浆、水玻璃为主的浆液、丙烯酸胺为主的浆液、纸浆为主的浆液等。
a.灌浆法
灌浆法就是利用机械压力或电化学原理 ,将浆液注入地层内 ,浆液以填充、渗透的方式将土体中的空气或水份挤出 ,经过一定时间后浆液将原土体胶结成整体。
b.旋喷法
旋喷法是在灌浆法基础上发展起来的。施工时钻机钻孔至设计深度 ,用高压脉冲泵通过安装的钻杆下面特殊的喷射装置向土体中喷射化学试剂 ,在喷射的同时钻杆以一定的速度上提 ,高压射流使一定范围内的土体结构发生破坏 ,强制使土体与化学浆液混合 ,胶结硬化后在土体中形成直径较为均匀的圆柱体。提高了土体的整体强度。
④生石灰粉加固
在湿土中掺入生石灰粉 ,使土体产生了水化吸水的蒸发石灰效应 ,降低过湿土的含水量 ,促使土的工程性质发生显著变化。施工时可先挖除表土 ,在原地基上用轻型压路机碾压1～2遍 ,在不破坏土体天然结构的情况下 ,在已备好的适当晾晒的土中掺入4%～6%的生石灰粉采用路拌法拌均匀 ,经碾压密实后可以继续铺筑下一层次 ,随着层次的增多和厚度的增加 ,压实密度随之提高。
2.5 土工织物
土工织物是加固软土路基和治理基层病害常用的一种土工材料 ,在软土路基或路堤内 ,铺设一层能够随一定拉力的塑料膜、化纤无纺布、树脂网、各种格栅、筋条等 ,其特点是抗拉强度大 ,抗断裂和冲击性能好 ,可以增强路堤强度 ,防止坍滑和侧向位移 ,并能沿纵横方向传递荷载 ,改变软土地基受力状态 ,使应力分布均匀 ,增强了路基稳定性 ,降低了路基沉降量。
2.6 加筋土处理软土
加筋土有着独特的优点和性能 ,在处治软土地基中可以发挥作用。在许多情况下 ,加筋土是避免深基础处理的有效方法 ,节约了大量的工程费用 ,而且能够保证路堤和结构物之间沉降的连续性。常用的加筋土处理方法为:直接填筑法、分阶段施工法、加筋土与换土相结合、加筋土与竖向排水相结合、加筋土与石柱相结合、轻质材料加筋土等。
2.7 排沟晾晒法
对于地下水位较低 ,具有排水条件的路段 ,可采用挖沟排水法疏干路基范由内浅层地下水,通过晾晒达到降低湿土含量的目的 ,便于碾压成型 ,提南土体的稳定性。
2.8 调整结构法
软土路堤加固处理时可以采用改变路堤结构的方法。改变结构即调整了地基应力。反压护道就是在路堤两侧填筑适当高度和宽度的护坡道,迫使软土向两侧隆起的趋势减少 ,在护坡道作用下得以平衡。一般采用单级形式 ,其高度为路堤高度的0. 3～0. 5倍。
3结束语
对于软土地基处理采用什么方法应根据不同的地质条件、施工条件、土质的物理、力学性能等综合考虑 ,同时还应考虑其施工的方便性、可行性及经济性。
分期修建的建设思路在许多情况下对于处理软土路基还是一种成功的办法。一方面 ,它可以将复杂的加固处理方法改换为简单方法处理 ,另一方面,延长了工期 ,使得固结沉降大部分完成,在修筑路面后路基变形很小 ,甚至不再变形。因此,分期修筑是一种较为经济的处理方法。
随着科学技术的不断发展 ,新材料、新工艺的开发 ,对于软土地基处理的方法会越来越多 ,越来越经济、方便、更有效 ,将更有利于高等级公路路基的处理 ,充分发挥出高速公路的优越性。
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