軟土工程施工中的問題及對策淺析

軟土工程施工中的問題及對策淺析軟土及物理特性介紹形成我國黃東南海區(qū)，具體說在天津、長江三角洲地區(qū)、珠江三角地區(qū)及內(nèi)陸一些湖泊平原地區(qū)（如湖北荊洲）多為海洋及湖泊沖積沉積細顆粒粘土地區(qū)。它是指第四紀全新沖積沉積形成。這類土明顯特點是土中含水量大，滲透性能差，土中水分很難排出，初期土體處于流動狀態(tài)。這類土土力學上稱流塑粘性土，俗稱“軟土”。特征1.2.1礦物成分及土粒結(jié)構(gòu)粘性土顆粒很細，粒徑小于0.005mm，比表面積大，化學穩(wěn)定性差，與水作用力（親水性）強，能產(chǎn)生一系列物理化學變化。無粘性土（砂粒、礫石）的結(jié)構(gòu)特征為單粒結(jié)構(gòu)，顆粒大，粒間結(jié)合水少或稱沒有結(jié)合力，在重力作用下沉積時往往形成單粒結(jié)構(gòu)。粘性土的顆粒很細，其中粉粒在水中下沉時，碰到已沉積的土粒時，由于它們間吸引力大于自重，土粒將停在接觸面上不再下沉，形成有很大空隙的蜂窩結(jié)構(gòu)，粒徑更小的（小于0.002mm）的粘粒靠自身重力根本不能下沉而處于懸浮狀態(tài)。只有當懸液中有某種電介質(zhì)界入，粘粒間的排斥力因電荷中和遭到破壞時，才凝聚成海綿狀的絮狀集合體，聚合到一定質(zhì)量時下沉和已沉積的絮狀體接觸成空隙更大的絮狀結(jié)構(gòu)。所以天然狀態(tài)下粘性土有一定結(jié)構(gòu)性。1.2.2靈敏度和觸變性處于流動狀態(tài)的粘性土它的抗剪和抗壓強度很小，當遇到擾動時，土的強度會迅速喪失，這是軟土中一個十分明顯的特征，工程上用靈敏度St表示。St越大，說明土的靈敏度越高，含水量很大的淤泥和粘土就屬于靈敏度很高的軟土。St在4~~10之間屬于高靈敏土，在施工中易遭破壞。與靈敏度相反的是土的觸變性，粘性土在結(jié)構(gòu)遭擾動后強度降低，當停止擾動后并經(jīng)一段靜止時間后，土粒間的聯(lián)結(jié)會得到局部恢復，這個過程我們稱土具有一定觸變性。這個過程在軟土中恢復的很慢，遭破壞的軟土恢復的更慢，且即使恢復也很難達到原有狀態(tài)。粘性土——軟土的定義和定性含水量w及Ip、IL指數(shù)2.1.1含水量含水量是指土中水的質(zhì)量mw與土中土的質(zhì)量ms之比W=×100%根據(jù)含水量的不同將水分為四中狀態(tài)，三個界限。塑限wp——又稱塑性下限，是可塑狀態(tài)與半固狀態(tài)的界限含水量。液限wl——又稱塑性上限或液性下限，是土的流塑狀態(tài)間的界限含水量。縮限ws——在干硬狀態(tài)范圍內(nèi)，是半干硬狀態(tài)與干硬狀態(tài)間界限含水量。為土的體積收縮與不收縮間的轉(zhuǎn)變點。水含量很大時，土粒被自由水隔開，粘性土本身不能保持其原態(tài)，極易流動呈粘滯狀態(tài)的液態(tài)體，當W大于WL表明當土遭到破壞時變成粘滯泥漿體。此時的稠度CI接近或小于1。手捏時，土從指縫中擠出。當水份減小到多數(shù)土為弱結(jié)合水隔開時，土粒在外力作用下相互錯動而顆粒間的聯(lián)系并不喪失，或說可把土捏成各種形狀，外力解降后可以保持不開裂。此時粘性土也稱塑性土。當土中水分繼續(xù)減小，土中弱結(jié)合水膜變薄粘滯性增大，粘性土將喪失其具有的可塑性，在外力下會出現(xiàn)裂縫易破碎。此時粘性土進入半固體狀態(tài)，當土中水進一步減小體積不在收縮，顏色變淺變灰。2.1.2測定可塑性強弱的指標是塑性指數(shù)IpIp=WL-WpIp越大說明土的可塑范圍越大，反之越小。粘性土塑性指數(shù)的大小主要取決于土中的粘粒，膠粒的含量以及礦物成份的親水性。也就是說，土中粘粒膠粒的含量越多，親水性能越強，土的可塑性指數(shù)越大。所以工程上常用Ip這個參數(shù)來判定土的屬性。粘粒土的分類砂土（無塑性土）亞砂土（低塑性土）亞粘土（中塑性土）粘土（高粘性土）IpIp<11<Ip<77<Ip<17Ip>172.1.3判定粘性土的軟硬程度，用IL液性指數(shù)表示IL＝＝狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑ILIL<10<IL<0.250.25<IL<0.750.75<IL<1.0IL>1.0土的滲透性粘性土滲透性能很差，很難用人工降水手段來抽吸出土中含水。盡管軟土中含水量大卻無法使它很快的流出。反應在土力學上，用滲透系數(shù)K表示土中水的流速V=K*I單位cm/si－水力坡降K的計算要用實驗的方法，過程很繁瑣。在工程上可根據(jù)粘性土的一些物理特性指標來推算。由于土的滲透系數(shù)小，工程上稱它有良好的防滲性能，可用土來作擋水圍堰?？紫侗萫及壓縮系數(shù)a2.3.1孔隙比e孔隙比e定義是土中水的孔隙和空氣體積與土中土的體積之比e=Vv=Vw+Va2.3.2土的壓縮系數(shù)a我們看一個試驗，取一標準試樣，在土樣上施加壓力后土在荷載作用下體積縮小。此時①土體被壓縮②土中土及氣體被擠出③土粒相應發(fā)生移動擠緊。試驗時荷載逐級加大，測出相應荷栽下的孔隙比，用孔隙比的一個差值與相應荷載等級差值之比，就時某一級荷栽條件下的壓縮系數(shù)aa實際上是曲線某一處斜率，因非線性它各處斜率是不同的。在工程上規(guī)定在荷載100kp~200kp這個量級下的a記作a1-2cm2/kga1-2Cc1-2性質(zhì)＜0.1MPa<0.2低壓縮性土0.1~0.5MPa0.2~0.4中壓縮性土≥.5MPa＞0.4高壓縮性土固結(jié)系數(shù)Cv及土的壓縮模量Es介紹2.4.1固結(jié)系數(shù)Cv是一個控制性指數(shù)，尤其在計算地基固結(jié)和地基固結(jié)時間時用。Cv計算用間接法Cv＝＝土的固結(jié)是一個漫長的過程可以用公式計算Tv=及t=式中Tv－垂直排水固結(jié)的時間因素Cv－固結(jié)系數(shù)Ht－土層排水厚度即排水距離t－土層固結(jié)時間粘性土排水固結(jié)速率的計算：當排水主要是沿垂直方向進行，通常是按一維固結(jié)理論來計算固結(jié)速率。這可以用圖表來說明，設排水方向如果是單向向上，此時Ht＝H，如果雙向排水Ht＝1/2H土層排水固結(jié)時間t與土層排水距離的平方成正比，Cv成反比，H越大，Cv越小，固結(jié)時間越大。（如意大利的比薩斜塔，1178年建，至今還以每年1mm的速度下沉）。2.4壓縮摸量是指在空氣全側(cè)限條件下土的豎向附加應力相應變增量的比值。單位MPaEs=（1+e）/aEs在計算土層沉降時用到，在不同土層不同深度會有不同數(shù)值。高壓縮性土中壓縮性土低壓縮性土Es<4MPaEs=4~5MPaEs>15MPa2.4.3地基規(guī)范中關(guān)于地基沉降用公式S=ΦsΣPo/Esi*(Zi*ai-Zi-1*ai-1)試中S—沉降量Po—地基壓縮摸量Z—地層分層厚度a—地基應力系數(shù)Es—地基壓縮摸量Φs—沉降經(jīng)驗系數(shù)0.2~1.3應用這個公式的原則由于附加應力的非線形屬性，土層要分層計算分層要按照有關(guān)法則進行附加應力也需要遵照法則分層計算應力系數(shù)的查用遵循Z/D（高/寬），L/D（長/寬）的有關(guān)規(guī)定查用得出S還要根據(jù)E（彈性摸量）與地載力等級等有關(guān)規(guī)定來確定Φs用規(guī)范公式計算地層沉降，尤其是軟土沉降與實際相差很大。于是專家學者們認為，在軟土地層中不能用壓縮摸量Es，而用變形摸量EoEo=βEs=Es（1-2μ2/（1-μ））=Es*（1-2μKo）β=1-2μKoμ為土層的泊松比，軟土中μ=0.42規(guī)范公式實際是：S=Poh/βEs廣東珠江三角洲的軟土是全國最軟的土，它的含水量在70%~80%，有些地區(qū)達到200%軟土在大面積數(shù)米厚填土的作用下，厚而軟的軟土可以產(chǎn)生以米或數(shù)米為單位的沉降。沉降時間是很長的。在荷載壓力下，軟土可以流動因而造成大量工程問題。在進行大量實地調(diào)查后，廣東水利科學院的專家提出，軟土沉降計算要：在飽和土固結(jié)偶合廣義變分原理建立用矩陣表示的有限元來計算根據(jù)軟土應力應變關(guān)系，采用雙三次樣條函數(shù)表示應力應變用摻入變形摸量Eo，泊松比μ及滲透系數(shù)K，同樣各層Eo、μ、K是不同的。軟土層以及各填土層離散化成各個單元同樣是變化的。加栽計算過程應完全符合實地施工的順序進行。用以上方法計算得到的結(jié)果與實測沉降曲線比較接近。其實軟土的沉降計算十分復雜，很難計算準確。粘性土的凝聚力C及內(nèi)摩擦角ΦC是粘聚力，只有粘土內(nèi)有，而砂土內(nèi)是沒有的。C、Φ值大說明土的抗剪抗滑能力強，反之則差。粘性土的C、Φ是根據(jù)三軸試驗得到的，根據(jù)土樣間的排水固結(jié)條件，三軸試驗分為三種不同的方式。不固結(jié)不排水試驗—UU試驗稱為快剪試驗求得Cu、Φu固結(jié)不排水試驗—CU試驗稱固結(jié)快剪試驗求得Ccu、ΦcuCU試驗是先充分排出土樣的孔隙水，等固結(jié)穩(wěn)定后，關(guān)閉排水閥不再排水，然后繼續(xù)加壓至土樣破壞。得到的Ccu、Φcu值遠大于Cu、Φu固結(jié)排水試驗—CD試驗土樣充分排水固結(jié)后的CD、ΦD建議在建設工期短，土層透水性能差，排水不良的地區(qū)要采用不排水不固結(jié)試驗，即UU試驗。工程實際問題及C、Φ的運用圓弧滑坡計算介紹粘性土地區(qū)經(jīng)常遇到滑坡問題。在開挖過程中或填土過程中，當開挖過大，坡度過陡或填土荷載過大過猛時，往往會發(fā)生滑坡現(xiàn)象。且粘性土滑坡往往發(fā)生的很突然。粘性土滑坡均為圓弧滑坡，可分為三種類型，尤其以坡底滑坡最為嚴重，稱為坡底滑動或深層滑動。在計算圓弧滑坡時，我們把滑動弧近似看作沿圓心轉(zhuǎn)動的圓柱面（實際上是雙向弧面）。對圓弧滑動進行穩(wěn)定分析計算稱為圓弧法，也稱圓弧條分法（瑞典彼得遜法）。圓弧滑坡公式：Fs==≥1.3其中Fs—穩(wěn)定安全系數(shù)1.25～1.5C—粘性土的粘聚力KPaτ—圓弧長度mγ—土的容重T/mb—土條寬度mR—圓弧半徑mhi—土條高度mαi—每土條與圓心垂線夾角圓弧滑坡計算中比較麻煩的是找準圓弧的圓心，它往往要計算好多次，直到得到的Fs最小時，此時圓心才是最符合實際的圓心。從上圖我們看到，處于圓心以左的是抗滑體，這部分越大，抗滑力也越大。圓心以右的為滑動體，這部分越小，滑動力就越小。所以，在工程上可以適當增加抗滑體，減少滑動體，來使得土體穩(wěn)定。不過在軟土中，增加抗滑體并不一定能解決問題。再說，無限的加大抗滑體又會造成新的滑坡。軟土中側(cè)向土壓力問題當擋土墻或樁體靜止不動墻后（樁后）土體處于彈性平衡狀態(tài)，作用在墻背（樁后）的土壓力稱為靜止土壓力，由于這個力是水平向的，所以也可稱為水平推力。此時水平推力也稱為主動土壓力，用Ea表示。計算土壓力公式很復雜，但當?shù)孛媸瞧秸膲w和樁體呈垂直狀態(tài)時，公式可以簡化。粘性土αa=αx=γztg（45o-）-2Ctg（45o-）無粘性土C=0αx=γztg（45o-）墻底的土壓力強度總土壓力粘性土Eo=γhKa-2CEa=1/2γh2Ka-2h+2C2/γ無粘性土Eo=γhKaEa=1/2γh2Ka其中Ka—應力系數(shù)Ka=tg2（45o-）當?shù)孛嬗泻奢d時（如打樁）樁后有墊砂層及機械設備荷載q作用。一般可以將這個均布荷載換算成位于地表以上當量土高度q/γ=，此時土壓力G=γKa墻底Eo=γ（h+）Ka=（q+γh）Ka=γKa+γhKa總土壓力是Ea=h-2Ch+=qhKa+1/2γh2Ka-2Ch+2C2/γ而被動土壓力σp=γzKp+2C其中=tg2（45o+Φ/2）Ep=1/2h2+2Ch作用在樁前后的壓力差為Ea-Ep=qhKa+1/2γh2Ka-2Ch+2C2/γ-（1/2h2+2Ch）由于軟土中Kp≈Ka，且Φ很小，因此當軟土中打樁時，可以近似認為施工荷載的有多大，水平推力就有多大。廣東水科院的陸培炎教授說過：軟土的側(cè)向壓力是軟土的一個重要特征，軟土的側(cè)膨脹系數(shù)，即土的泊松比μ一般為0.42，因而側(cè)向應力系數(shù)Ko==1，即在軟土自重壓力作用下，流塑狀的軟土像流體一樣。軟土中的水平應力幾乎相當于垂直應力。因此地面有荷載時一定要考慮側(cè)向應力，如不考慮則會出問題打樁時——樁體被推跑，樁體向前傾倒。擋土墻——被推歪或整體地被推跑。填土荷載過大，引起的側(cè)向壓力將建筑物下的