高速公路软基鉴别 处治及检测方法

一、概述

　　软土主要是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土。对淤泥的解释是，在静水或缓慢的流水环境中沉积并含有机质的细粒土，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.5；当天然孔隙比小于1.5而大于1.0时称为淤泥质土。对于泥碳的解释是，喜水植物遗体在缺氧条件下，经缓慢分解而形成的泥沼覆盖层。其特点是持水性大，密度较小。

　　二、软土的组成和状态特征

　　软土泛指淤泥及淤泥质土，是第四纪后期于沿海地区的滨海相、泻湖相、三角洲相和溺谷相，内陆平原或山区的湖相和冲击洪积沼泽相等静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的饱和软粘性土。软土的组成和状态特征是由其生成环境决定的。由于它形成于上述水流不通畅、饱和缺氧的静水盆地，这类土主要由粘粒和粉粒等细小颗粒组成。淤泥的粘粒含量较高，一般达30％～60％。粘粒的粘土矿物成分以水云母和蒙德石为主，含大量的有机质。有机质含量一般达5％～15％，最大达17％～25％。这些粘土矿物和有机质颗粒表面带有大量负电荷，与水分子作用非常强烈，因而在其颗粒外围形成很厚的结合水膜，且在沉积过程中由于粒间静电荷引力和分子引力作用，形成絮状和蜂窝状结构。所以，软土含大量的结合水，并由于存在一定强度的粒间连结而具有显著的结构性。

　　由于软土的生成环境及粒度、矿物组成和结构特征，结构性显著且处于形成初期，呈饱和状态，这都使软土在其自重作用下难于压密，而且来不及压密。因此，不仅使之必然具有高孔隙性和高含水量，而且使淤泥一般呈欠压密状态，以致其孔隙比和天然含水量随埋藏深度很小变化，因而土质特别松软。淤泥质土一般则呈稍欠压密或正常压密状态，其强度有所增大。

　　淤泥和淤泥质土一般呈软塑状态，但当其结构一经扰动破坏，就会使其强度剧烈降低甚至呈流动状态。因此，淤泥和淤泥质土的稠度实际上通常处于潜流状态。

　　三、软土的物理力学特性

　　1、高含水量和高孔隙性

　　软土的天然含水量一般为50％～70％，最大甚至超过200％。液限一般为40％～60％，天然含水量随液限的增大成正比增加。天然孔隙比在1～2之间，最大达3～4.其饱和度一般大于95％，因而天然含水量与其天然孔隙比呈直线变化关系。软土的如此高含水量和高孔隙性特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素。

　　2、渗透性弱

　　软土的渗透系数一般在i×10-4～i×10-8cm/s之间，而大部分滨海相和三角洲相软土地区，由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉、细砂、粉土等，故在水平方向的渗透性较垂直方向要大得多。

　　由于该类土渗透系数小、含水量大且饱和状态，这不但延缓其土体的固结过程，而且在加荷初期，常易出现较高的孔隙水压力，对地基强度有显著影响。

　　3、压缩性高

　　软土均属高压缩性土，其压缩系数a0.1～0.2一般为0.7～1.5MPa-1，最大达4.5MPa－1（例如渤海海淤），它随着土的液限和天然含水量的增大而增高。由于土质本身的因素而言，该类土的建筑荷载作用下的变形有如下特征：

　　（1）变形大而不均匀

　　（2）变形稳定历时长

　　4、抗剪强度低

　　软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关，不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小，且与其侧压力大小无关。排水条件下的抗剪强度随固结程度的增加而增大。

　　5、较显著的触变性和蠕变形。

　　四、软土的鉴别

　　1、建设部标准《软土地区工程地质勘查规范》（JGJ83-91）规定凡符合以下三项特征即为软土：

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。

　　（2）天然含水量大于或等于液限；

　　（3）天然孔隙比大于或等于1.01.

　　2、交通部标准《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ017-96）中规定软土鉴别见表

　　（1）天然含水量的测定

　　天然含水量是土的基本物理性指标之一，它反映的土的状态，含水量的变化将使得土的稠度、饱和程度、结构强度随之而变化，其测定可采用公路土工试验规程规定试验方法测定，并将试验数据与35％、液限进行比较。

　　（2）天然孔隙比

　　孔隙比，是土中孔隙体积与土粒体积之比，天然状态下土的孔隙比称之为天然孔隙比，是一个重要的物理性指标，可用来评价天然土层的密实程度。其测定方法可测定土粒比重、土的干密度、土的天然密度、土的含水量等指标通过计算而得。

　　（3）十字板剪切强度［3］

　　十字板剪切试验是原位测试技术中一种发展较早、技术比较成熟得方法。试验时将十字板头插入土中，以规定的旋转速率对侧头施加扭力，直到将土剪损，测出十字板旋转时所形成的圆柱体表面处土的抵抗扭矩，从而可算出土对十字板的不排水抗剪强度。

　　五、软基处理的常用材料质量要求［4］

　　1、砂砾料

　　用作垫层的砂砾料应具有良好的透水性，不含有机质、粘土块和其它有害物质。砂砾的最大粒径不得大于53mm，含泥量不得大于5％。

　　2、砂及砂袋

　　袋装砂井所用砂，应采用渗水率较高的中、粗砂、大于0.5mm的砂料含量应占总重量的50％以上，含泥量应小于3％，渗透系数应大于5×10－2mm/s，砂袋采用聚丙烯、聚乙烯、聚酯等编制布制作，应具有足够的抗拉强度，使能够承受袋内砂自重及弯曲所产生的拉力，具有较好的抗老化性能和耐环境水腐蚀性能，其抗渗系数应不小于所用砂的渗透系数。

　　3、碎石

　　碎石由岩石和砾石轧制而成，应洁净、干燥，并具有足够的强度和耐磨耗性，其颗粒形状应具有棱角，不得掺有软质石和其它杂质，粒径宜为20～50mm，含泥量不应大于10％。

　　4、土工合成材料

　　土工合成材料的选用应符合《公路土工合成材料应用技术规范》的规定。应具有足够的抗拉强度，对土工织物，还应具有较高的刺破强度和握持强度等。土工合成材料试验项目和试验方法应符合《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》和《公路土工合成试验规程》的规定。

　　5、塑料排水板

　　塑料排水板是由芯体和包围芯体的合成纤维透水膜构成的复合体，应具有较好的耐腐蚀性和足够的柔度，其性能指标应符合《塑料排水板施工规程》的规定。

　　6、片石

　　抛石挤淤应采用不易风化的片石，其尺寸应小于300mm.

　　7、水泥

　　水泥各项性能指标应符合图纸要求，严禁使用过期、受潮、结块、变质的劣质水泥。所用水泥指标还应符合水泥相应标准的规定。

　　8、石灰

　　石灰应符合《公路路面基层施工技术规范》表4.2.2所规定的Ⅲ级以上的要求。按《公路工程无机结合稳定材料试验规程》规定的试验方法进行检验。

　　9、粉煤灰

　　粉煤灰应符合《公路路面基层施工技术规范》有关规定。

　　10、材料的采购和保管

　　用于软土地基处理的塑料排水板、土工合成材料、砂袋及石灰、水泥、砂等材料，都必须按施工图纸和规范的要求的质量指标采购进购、堆放，严禁材料被污染或混合堆放，过期产品严禁使用。塑料排水板、土工合成材料和砂袋等材料应贮存在不被日光直接照射和被雨水淋泡处，应根据工程进度和日用量按日取用。

　　六、高速公路软基处理常用方法

　　1、浅层软基处理技术

　　（1）垫层法

　　通常用于路基填方较低的地段，要求在使用中软基的沉降值不影响设计预期目的。设置垫层时，可以根据具体情况采用不同的材料，常用的材料有砂或砂砾及灰土，也可用土工格栅、片石挤淤、砂砾垫层综合使用处理。

　　（2）换填法

　　在高速公路施工中遇到含水量较高，软弱层较浅，且易于挖除不适宜材料时，一般采取挖除换填法，包括受压沉降较大，甚至出现变形的软基和泥沼地带。处理这种地基，开挖前要做好排水防护工作，将开挖出的不适宜材料运走或做处理，然后按要求分层回填，回填材料可视具体情况用砂、砂砾、灰土或其他适宜材料。

　　（3）排挤法

　　当高速公路经过水溏、鱼池和较深的流动性强的淤泥地段时，常遇到含水量高、淤泥压缩性大、淤泥质粘土软基以及水下软基等，对这类软基可采用排挤法来处理。排挤法又可分为两种：一种是抛石排挤，另一种是爆炸排挤。

　　（4）表层排水法

　　对土质较好因含水量过大而导致的软土地基，在填土之前，地表面开挖沟槽，排除地表水，同时降低地基表层部分的含水率，以保障施工机械通行。为了发挥开挖出的沟槽在施工中达到盲沟的效果，应回填透水性好的砂砾或碎石。

　　（5）添加剂法

　　对于表层为粘性土时，在表层粘性土内掺人添加剂，改善地基的压缩性能和强度特性，以保施工机械的行驶。同时也可达到提高填土稳定及固结的效果。添加材料通常使用的是生石灰、熟石灰和水泥。石灰类添加材料通过现场拌和或厂拌，除了降低土壤含水量、产生团粒效果外，对被固结的土随着时间的推移会发生化学性固结，使粘土成分发生质的变化，从而促进土体稳定。

　　2、深层软基处理技术

　　（1）袋装砂井法

　　袋装砂井排水固结措施，其施工简便，费用较低，加固效果较好。施工时将袋装砂放入套管井内，填塞密实，逐节拔出套管，顶面铺设水平砂垫层或排水砂沟。软基中的水分在上部路基填土载荷的作用下，通过砂与水平砂垫层或纵横相连通的排水砂沟相通，形成排水通道，使软基中的水分排走，从而达到排水固结软基的目的。

　　（2）挤密砂桩法

　　采用类似沉管灌注桩的机械和方法，通过冲击和振动，把砂挤入土中而形成的。挤密砂桩的主要作用是将地基挤实排水固结，从而提高地基的整体抗剪强度与承载力，减少地基的沉降量和不均匀沉降。这种方法一般能较好地适用于砂性土，不适用于饱和的软粘土地基处理。挤密砂桩用砂标准要求与袋装砂井的砂基本相同，不同的是挤密砂桩也可使用砂和角砾的混合料，含泥量不得大于5％。

　　（3）振冲碎石桩法

　　碎石桩是一种与周围土共同组成复合地基的桩体。碎石桩处理软基过程就是用振冲器产生水平向振动，在高压水流作用下边振边冲，在软弱地基中成孔，再在孔内分批填入碎石料，这时振冲器边振动边上拔，使得碎石料振挤密实。碎石桩桩体是一种散粒体的粗颗粒料，它具有良好的排水通道，有利于地基土的排水固结。在软基处理中，特别是具有高填土桥头等过渡路段，为了减少地基土的变形，提高地基土的承载力，增强地基土的抗滑稳定能力，采用碎石桩加固处理是较理想的方法之一。

　　（4）粉喷桩

　　粉喷桩是利用粉体喷射搅拌机械在钻成孔后，借助压缩空气，将水泥粉等固体材料以雾状喷入需加固的软土中，经原位搅拌、压缩并吸收水分，产生一系列物理化学反应，使软土硬结，形成整体性强、水稳定性好、强度较高的桩体，与桩间土一起形成复合地基，从而提高路基强度。其特点是强度形成快、预压时间短、地基沉降量小。粉喷桩加固软基主要适用于高含水量、高压缩性的淤泥、淤泥质粘土及桥头软基的处理。有关试验表明，一般含水量大于35％的软基宜选用粉喷桩。

　　（5）塑料排水板

　　塑料排水板是一种能够加速软土地基排水固结的垂直排水材料。当它在机械力作用下被插入软土地基后，能以较低的进水阻力聚集从周围土体中排出的孔隙水，并沿垂直排水通道排出，使土体固结，从而提高地基的承载力。塑料排水板具有良好的力学性能、足够的纵向通水能力、较强的滤膜渗透性和隔土性。

　　（6）加筋土工布

　　加筋土工布一般被铺设在路堤底部，以调整上部荷载对地基的应力分布。通过加筋土工布的纵横向抗拉力，来提高地基的局部抗剪强度和整体抗滑稳定性，并减少地基的侧向挤出量，一般适用于强度不均匀的软基地段、路基高填土、填挖结合处或桥头填土的软基处理。加筋土工布的材料不仅强度要符合设计要求，而且断裂时的应变，在填料为砂砾、土石混合料时还须满足一定的顶破强度，施工中加筋土工布应拉平紧贴下承层，其重叠、缝合和锚固应符合设计要求。

　　（7）钢渣桩法

　　钢渣桩法处理软基是利用工业废料的转炉钢渣作为加固材料，灌入事先形成的桩孔中，经振动密实、吸水固结而形成的桩体，加固机理是转炉钢渣吸收软基中的水分，桩体膨胀形成与周围土体挤密的主体，与地基形成整体受力结构。转炉钢渣氧化钙含量40％以上，其主要成分与水泥接近，具有高碱性和高活性，筛分后可作低标号水泥使用，因此钢渣桩具有较高的桩体强度。

　　（8）混凝土桩

　　低强度混凝土桩是近年来发展起来的一种新型桩，以低强度混凝土桩为竖向增强体所形成的复合地基一般称为低强度混凝土桩复合地基。由于采用低强度混凝土桩复合地基方法可有效提高地基承载力，减小地基沉降，能处理粘性土、粉砂土及淤泥质土等各种土性地基，适用的基础形式也多样，近年来在一般民用住宅、高层建筑、堆场等土木工程地基处理中得到了广泛的应用。

　　（9）深层搅拌

　　利用水泥或石灰等其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，形成坚硬拌和柱体，与原土层一起起到复合地基的作用。其优点是：能有效减少总沉降量、地基加固后无附加荷载、能适用于高含水量地基等；但造价较高且施工质量难以检测，在设计时，应具体情况具体分析，根据不同的地质条件和荷载条件调整配合比、置换率、桩长等，以满足承载力及沉降的要求。

　　七、软基检测

　　换填质量检测包括：分层施工质量检查和工程质量验收，主要是检验垫层是否达到设计要求的密实度。垫层的分层施工质量检测可采用环刀压入、灌砂法等。换填结束后，可按工程的要求进行工程质量验收，验收方式可通过荷载试验或者静力触探试验等。

　　桩体质量检测方法主要有载荷试验、静（动）力触探试验以及波速试验等，载荷试验主要检验复合地基的承载能力，静（动）力触探试验主要检验桩间土的加固效果，波速法主要是通过测定地基处理前后基地中波速的变化来判断处理的效果。静力触探主要功能是评价地基处理前后土的容许承载力，但不适用于大块碎石类地层和基岩。动力触探是一种较为粗略的定性方法。

　　强夯等表层处理的检测方法分为原位测试和室内土工试验。原位测试可采用静（动）力触探、旁压试验、十字板剪切试验以及平板载荷试验等等，质量检验的数量应根据场地条件和公路等级确定。

　　深层搅拌法的质量检测方法包括取样检验、现场载荷试验、开挖检验等多种检测手段。在施工期间应及时检查施工记录，确保工程质量。

　　另外，在地基处理施工以及运营过程中进行变形观测也是常用的质量监控及检测手段。观测内容包括：孔隙水压力观测、沉降观测、侧向位移观测等，在施工期间可根据观测结果控制施工进度。在实际工程中，各种检测手段往往是综合运用的，一种地基处理方法也有多种检测手段，在选取检测方法时，应根据现场条件确定。

　　八、结语

　　软基处理一直是公路建设中的技术难题，地形的复杂多样决定了不同的地质状况应采用不同的软基处理方法，即使相同的地质情况，采用不同的软基处理方法也会有不同的效果，在高速公路软基鉴别、处治及检测问题上常涉及建设单位、设计单位、施工单位及试验检测单位，涉及到资金投入、施工方法、工程变更等一系列的领域，有关单位应协调处理、认真对待软基问题，综合各种技术处理措施，才能真正处理好高速公路软基问题。随着科技的进步，在科研人员、技术人员、施工人员等相关人员的共同努力下，新的技术将不断涌现，将不断地推动高速公路建设技术向前推进。