软土地基

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摘要我国公路行业规范对软土地基的定义是指强度低,压缩量较高的软弱土层,多数含有一定的有机物质。由于软土强度低,沉隐量大,往往给道路工程带来很大的危害,如处理不当,会给公路的施工和使用造成很大影响。

软土地基

分类

软土主要指淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。淤泥是指在静水或缓慢的流水环境中沉积,并经生物化学作用形成,其天然含水量大于液限,天然孔隙比大于或等于1.5的黏性土。当天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的土为淤泥质土。泥炭是指在潮湿和缺氧环境中由未充分分解的植物遗体堆积而形成的黏性土,其有机质含量大于60%。当有机质含量为30%~60%时为泥炭质土。

我国软土广泛分布于沿海地区和内陆江河湖泊的周围,山间谷地、冲沟、河滩阶地和各种洼地里也有少量分布。

变形

由于软土具有强度低、压缩性高、渗透性弱等特点,故建造在这种地基上的建筑,其变形特征是沉降大、不均匀沉降大、沉降速率大和沉降延续时间长。

1)沉降大

由于软土地基的高压缩性,故在其上建造的建筑物的沉降量是较大的,据调查,软土地基上三层砌体承重结构房屋,其沉降量一般为15~20cm,四层至六层一般为20~60cm,个别的甚至超过100cm;带有吊车的单层排架结构工业厂房,其沉降量约为20~30cm,具有大面积地面荷载的工业厂房,其沉降量较大,甚至超过50cm;料仓、油罐、储气柜、水池等大型构筑物,其沉降量一般都大于50cm,甚至超过100cm。过大的沉降会影响构筑物的正常使用;如对民用建筑也会造成室内地面标高低于室外地面标高而使雨水倒灌,管道断裂,污水不易排除等。

2)不均匀沉降大

软土地基上建筑物各部位荷载的差异或荷载虽相同,但平面型式复杂都会引起较大的差异沉降或倾斜。即使上部结构荷载分布均匀,其差异沉降也有可能达到平均沉降的50%以上,过大的不均匀沉降是造成建筑物裂缝或损坏的根本原因,会造成工业厂房吊车卡轨和滑车,丧失使用功能。

3)沉降速率大

软土地基上建筑物的沉降速率是较大的。沉降速率是随着荷载的增加而逐步增大的,一般在加荷终止时为最大,并持续一段时间后,逐渐衰减,一般建筑物的沉降速率均小于1mm/d,但也有超过2mm/d的,个别大型构筑物甚至达到每天沉降数厘米者。如果作用在地基上的荷载过大,则可能出现等速沉降的情况。长期的等速沉降就有导致地基稳定性丧失的危险。

4)沉降延续时间长

由于软土的渗透性弱,在外荷载作用下,地基排水固结时间较长,一般建筑物都要经过数年的沉降才能稳定。在深厚软土地基上建筑物沉降延续时间常超过十年。

特性

软土一般具有以下工程特性。

(1)结构性显著。尤其是滨海相软土,一旦受到扰动,原有结构受到破坏,土的强度显著降低或很快呈流变状态。软土受到扰动后强度降低的特性可用灵敏度表示。

(2)流变性显著。软土具有流变性,在不变荷载作用下,变形持续发生,并可导致抗剪强度的衰减。表现为在固结沉降之后,还会继续发生较大的次固结沉降。

(3)压缩性高。软土的压缩系数a1-2>0.5MPa-1。

(4)抗剪强度低。软土的天然不排水抗剪强度一般小于20kPa。

(5)渗透性差。其渗透系数一般在i×10-6~i×10-8cm/s内,在自重或荷载作用下固结速率很慢。

(6)土层不均匀。软土中常夹有厚薄不等的粉土、粉砂、细砂层,使土层在水平和竖直方向上呈现差异性,易使建筑物地基产生不均匀沉降。

工程评价

软土地基的工程评价应包括下列内容。

(1)判定地基产生失稳和不均匀变形的可能性;当工程位于池塘、河岸、边坡附近时应验算其稳定性。

(2)软土地基承载力应根据室内试验、原位测试和当地经验,并结合下列因素综合确定。

1)软土的成层条件、应力历史、结构性、灵敏度等力学特性和排水条件。

2)上部结构的类型、刚度、荷载性质和分布,对不均匀沉降的敏感性。

3)基础的类型、尺寸、埋深和刚度等。

4)施工方法和程序。

(3)当建筑物相邻高、低层荷载相差较大时,应分析其变形差异和相互影响。当地面有大面积堆载时,应分析对相邻建筑物的不利影响。

(4)地基沉降计算可采用分层总和法或土的应力历史法,并应根据当地经验进行修正,必要时应考虑土的次固结效应。

(5)选择适宜的基础形式和持力层;对上硬下软地基应进行下卧层验算。

工程措施

软土具有强度低、压缩性高、渗透性差等特性,因此在软土地基上修建建筑物时,应特别重视地基的变形和稳定问题,可采用以下工程措施:采用换土垫层、排水固结、深层搅拌、高压喷射等地基处理方法或采用桩基础;尽可能设法减小基底附加应力,如采用轻型结构、轻质墙体、扩大基础底面、设置地下室等。

处理方法

一般情况在设计时遇到软土地基会根据地质资料,提出处理方法。软土地基一般情况常用的方法主要有:

1、换填垫层法:

最常用的方法,适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。其主要作用是提高地基承载力,减少沉降量,加速软弱土层的排水固结,防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。

2、排水固结法

排水固结法又称预压法,其包括堆载预压法、超载预压法、真空预压法、真空与堆载联合作用法、降低地下水位法和电渗法等多种方法;通过在预压荷载作用下使软粘土地基土体中孔隙水排出,土体发生固结 ,土中孔隙体积减小,土体强度提高,达到减少地基施工后沉降和提高地基承载力的目的。

3、振密挤密法

振密、挤密法有表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密密实法、爆破挤密法和土桩、灰土桩等多种方法;采用一定措施,通过振动和挤密使深层土密实,使地基土孔隙比减小,强度提高。

4、置换及拌入法

置换及拌入法有换填垫层法、振冲置换法、高压喷射浆法、深层搅拌法、褥垫法等多种方法;采用砂、碎石等材料置换软弱土地基中部分软弱土体或在部分软弱土地基中掺入水泥、石灰或砂浆等形成加固体,与未被加固部分的土体一起形成复合地基,从而达到提高地基承载力减少沉降量的目的。

5、加筋法

加筋法有加筋土法、锚固法、树根桩法、低强度砼桩复合地基法、钢筋砼桩复合地基法等多种方法。通过在土层埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等达到提高地基承载力,减小沉降,维持建筑物稳定。

6、水泥粉煤灰碎石桩法

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。对淤泥质土应根据地区经验或现场试验确定其适用性。基础和桩顶之间需设置一定厚度的褥垫层,保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。该法适用于条基、独立基础、箱基、筏基,可用来提高地基承载力和减少变形。对可液化地基,可采用碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩多桩型复合地基,达到消除地基土的液化和提高承载力的目的。

7、预压法

适用于处理淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基。按预压方法分为堆载预压法及真空预压法。堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。当软土层厚度小于4m时,可采用天然地基堆载预压法处理,当软土层厚度超过4m时,应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。对真空预压工程,必须在地基内设置排水竖井。预压法主要用来解决地基的沉降及稳定问题。

除此之外,还有很多处理方法,如砖砌连续墙基础法、混凝土连续墙基础法、单层或多层条石连续墙基础法、浆砌片石连续墙(挡墙)基础法等。软基处理广泛地应用在我国沿海及内地。例如:天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门、湛江,广州等沿海地区,以及昆明、武汉、南京等内地地区。特别是填海的一些地区,一般建筑前都需要进行勘测,然后进行软基处理,否则存在很大的风险和后患。

建筑损坏

软土地基上建筑损坏原因及措施:

1)建筑体型复杂或荷载差异较大,引起不均匀沉降。

建筑体型是指建筑物的平面形状和立面布置。建筑物由于使用上的要求,其平面形状往往具有各种不同的图形,如“L”形、“工”字形、“T”字形、“山”字形等,诸如这种平面形状较为复杂的建筑物,即使层数相同、上部结构荷载较为均匀,但在其纵横单元交接的部位,一般基础密集,地基中应力重叠。因此,该处地基应力比其他部位大,沉降也就大于其他部位,形成局部的沉降中心,致使建筑物发生过大的挠曲或倾斜,而导致裂缝的出现。同样由于使用上的要求,建筑物在立面布置时,有时是高低起伏、参差不齐的。对于各部位高度不相同的建筑物或各部位高度虽然相同,但荷载差别较大的建筑物,由于高度较大的部位(或荷载较大的部位)产生的沉降比其他部位大,当这种不均匀沉降引起的附加应力过大时,就会引起上部结构的裂缝。

对这类损坏的既有建筑,可根据损坏程度和加固施工的可行性等,选用局部卸荷(如挖除室内厚填土,用架空预制板作地板,改用轻质墙体等)、增加上部结构或基础刚度、加深基础、锚杆静压桩、树根桩、注浆加固等地基处理措施。

2)局部软弱土层或暗塘、暗沟等引起过大的差异沉降。

建筑物范围内分布有局部软弱土层或暗塘、暗沟等是造成建筑物开裂损坏的重要原因,一般由于勘察工作的疏漏,施工验槽时又未发现,这样就留下了隐患。由于暗塘、暗沟等一般都是任意填筑形成,填筑材料的成分杂乱,有机物含量较大,土质松软,压缩性较高,因而,在此部位的建筑物沉降比其他部位大,过大的差异沉降造成建筑物的裂缝或损坏。对这类损坏的既有建筑一般可采用局部地基处理措施,即在软弱土层或暗塘、暗沟等部位采用锚杆静压桩、树根桩或旋喷桩等进行局部处理。

3)基础承受荷载过大,或加荷速率过快,引起大量沉降或不均匀沉降。

建筑物基础荷载过大就会引起较大沉降,对于软土地基来说,当荷载超过地基的临塑荷载时,地基中开始出现塑性区,部分土体将从基底向外侧挤出,引起基础大量沉降和不均匀沉降,造成建筑物的开裂或损坏。对于有些活荷载较大的构筑物,如油罐、贮仓等,使用时若活荷载施加速度过快,也会引起大量沉降或倾斜。对这类损坏的建筑物或构筑物,一般采用卸除部分荷载,加宽基础、加深基础或地基处理措施等。

4)大面积地面荷载或大面积填土引起柱基、墙基不均匀沉降、地面大量凹陷、或柱身、墙身断裂。

有些工业建筑,在建筑范围内往往具有大面积地面荷载或大面积填土,如冶金工厂的原料或成品堆场、炼钢或轧钢车间,化工厂的原料车间,水泥厂的联合贮库,机械制造厂铸工车间的露天栈挢,以及粮、盐、糖仓库等建筑物内,长期堆放原料、成品及各种货物,形成地面堆载,由于这种堆载数量大,范围广,且很不均匀,常引起建筑物损坏而影响生产,如因地面荷载而造成柱基不均匀沉降,而使桥式吊车产生滑车和卡轨现象,露天车间因柱基内倾,桥式吊车轨距缩小,常发生卡轨现象;带有屋盖的厂房或仓库,当柱基或墙基内倾后,由于屋盖的顶撑作用,引起柱身或墙身挠曲,在柱身或墙身内侧常产生水平裂缝;仓库建筑常因地面大量凹陷造成地坪开裂,使货物受潮或锈蚀,地下管道断裂等。对这类损坏的建筑物,可选用锚杆静压桩、树根桩或地基处理措施等。

5)地质条件复杂或荷载分布不均,引起建筑物过大倾斜。

由于软土地基压缩性较高,因此建筑物范围内地基不均匀,如地层倾斜,土层厚薄不均,土性差别较大,存在古河道、塘、沟等局部软弱土层,以及上部结构荷载分布不均、重心偏移等因素,均可能因不均匀沉降而引起建筑物过大倾斜。对这类倾斜的建筑物,可根据地质条件及建筑结构情况进行倾斜原因的分析,选用第4章所述的纠倾措施。