关于公路施工中软土地基的变形特性及其影响因素

杨树斌

(衡水公路工程总公司)

关于公路施工中软土地基的变形特性及其影响因素

杨树斌

(衡水公路工程总公司)

摘 要：介绍了软土的工程特性、软土地基的变形特性及其影响因素，以及引起沉降变形的主要因素。

关键词：软土地基;变形特性;影响因素

1 软土的工程特性

国内外对软土均无统一定义，我国铁路、港口、建筑部门对软土的定义也不尽相同。有的把软土视为软粘土的简称，有的把软土视为整个软弱土质(高压缩型的有机土、可液化的沙土、软粘土等)的简称，有的则把软土视为软弱土基的简称。

尽管国外及国内各行业对软土的描述和指标各不相同，但归纳起来，天然软土具有下列主要特性。

1.1 天然含水量高

天然软粘土的含水量一般在34% ～72%之间，其值一般大于液限，属于流动状态，天然孔隙比在1.0～1.9之间，故一般属于淤泥或淤泥质土，其中淤泥质土占多数。液限变化在34% ～58%之间，大多在34% ～43%的范围内，塑性指数变化在13～30之间，大多数在15～20的范围内，属于中等塑性的无机土。

1.2 压缩性大

压缩系数一般大于0.5 MPa-1之间，其压缩性往往随液限的增大而增大。由于软粘土大多为第四纪后期的沉积物，通常属正常固结土。但一些近期沉积的软土，则为未完全固结土，即欠固结土。

1.3 渗透性小

渗透系数大部分为10-8～10-7cm/s之间，所以在荷载作用下固结很慢，强度不易提高。当土中有机质含量较大时，甚至会产生气泡，堵塞排水通道，降低其渗透性。对于夹有薄砂层的粘土，其水平向渗透性可能会显著增大，渗透系数可达10-5～10-4cm/s。所以，该类土层的固结速率也比均质粘性土要快得多。

1.4 抗剪强度低

一般在快剪情况下，粘聚力在10 kPa左右，内摩擦角在0°～5°之间。固结快剪粘聚力与快剪相比差别不大，内摩擦角一般在15°～20°之间。软土的强度大小与排水条件有密切关系，在荷载作用下，如果土层有良好的排水条件，那么经过固结后，它的强度随有效应力的增大而增加，反之，如果土层没有排水固结，则随荷载的增大，它的强度可能随剪切变形的增大而衰减。根据统计分析，软土在深度10 m以内的平均十字板剪切试验强度一般为5～20 kPa，深度每增加1 m，其强度平均增加1～2 kPa。

1.5 显著的结构性

特别是海相沉积的软土，一旦受到扰动(振动、搅拌或搓动等)，其絮凝状结构受到破坏，土的强度将明显下降，甚至产生流动状态。软土受到扰动后强度降低的特性一般常用灵敏度来表示。因此，在高灵敏度粘土地基上进行地基加固或基坑开挖时，应力求避免土的过分扰动。另一方面，软土扰动后，随着静置时间的增长，其强度又会逐渐有所恢复，但一般不能恢复到原来结构的强度。

1.6 粘粒含量较高，且常含有有机质

粘土粒的矿物成分一般为高岭土、蒙脱石和水云母等，而以水云母最为常见。由于粘土矿物颗粒很小，一般呈薄片状，且表面带有负电荷，在粘土颗粒四周吸附着大量的偶极化分子。所以，在沉积过程中，软土层常形成絮凝状结构，是造成软粘土天然含水量大的原因之一。

2 软土地基的变形特性及其影晌因素

在软土地基上兴建高等级公路通常需要填筑一定高度的路堤，填高路堤一方面是为了满足抗洪和抗涝要求，另一方面还要满足结构物通航和线性顺直通畅的要求。在路堤荷载作用下，地基土中的应力状态发生变化，从而引起地基变形，出现路基沉降。土体的应力-应变关系通常是通过对大量试验结果的整理分析提出来的，与普通金属和混凝土等坚硬材料相比，土体的变形有如下几个特点。

2.1 非线性和非弹性

金属和混凝土等坚硬材料在轴向受压时，应力-应变关系在初始阶段为直线关系，材料处于弹性变形状态;当应力达到某一临界值时应力-应变关系明显转为曲线，即坚硬材料同时存在弹性变形和塑性变形。土体也有类似的特征，但是初始的直线关系段很短，其非线性变形特性比坚硬材料明显得多。土体在各种应力状态下都有塑性变形，非线性和非弹性是土体变形的突出特点。

2.2 各向异性

地基土往往由成层沉积而成，为层状分布，同一土层内土的性质比较均匀，而各层之间土的性质差别较大。在水平方向一般表现为各向同性，而沿深度方向由于土的自重应力不同，在不同固结应力长期作用下，即使同种土的各种参数如密度、模量、渗透性也会不同，因此在竖直方向表现出较大的差异性，为各向异性。

2.3 塑性体积应变

土体颗粒间存在较大空隙，土样在施加各向相等的压力后，颗粒错动，相对位置调整，颗粒之间发生剪切位移，有些颗粒挤入原来的空隙中。当荷载卸除后，无法恢复到原来的体积，所以存在不可恢复的塑性体积应变。

2.4 硬化和软化

三轴测得土样的轴向应力与轴向应变的关系曲线有两种状态。应力增加，应变亦增加，曲线一直上升直到破坏，这种形状的应力-应变关系称为硬化;曲线前面部分上升，当应力达到某一峰值后转为下降，即应力下降，应变却在增加，这种形状的应力-应变关系称为软化。在实际工程中，软化会降低土体强度，加重周围土体负担，产生大面积破坏，因此要重点考虑软化问题。

3 引起沉降变形的原因

3.1 地下水位的影响

降低地下水位引起地面下沉的原因有两个方面：一是在某些粘性土中，当土的含水量降低时，土体的体积将会减小，即土体具有失水收缩的性质;二是孔隙水压力的减小将引起有效应力的增加，尤其对下卧的软粘土层和淤泥土层，降低地下水位后将会产生新的固结压缩量，从而引起地面明显下沉。

3.2 渗流和冲刷的影响

渗流将土中的一些细粒土带出，长时间的渗流作用，将使土体中产生连通的孔洞，继而发生塌陷，引起地面下沉。冲刷是由于地面水或波浪引起的地表土的运动，但是当下水管或自来水管破裂时也会引起对土的冲刷从而引起地表沉陷。在某些岩层和泥质岩层中渗流或地下水的运动将对岩层产生侵蚀，最终导致地面下沉。

3.3 温度改变的影响

相当多的粘土在高温作用时产生干燥收缩，当温度下降时，饱和土体，尤其是饱和粉细砂产生冻胀，因此在沉降计算中需考虑到温度改变的影响。

3.4 土体中水分迁移的影响

有些粘土具有吸水膨胀，失水收缩的性质，这类土被称为膨胀土，膨胀土在我国的分布较广，有很多的高速公路设计己经考虑到了这个问题。研究资料表明，土的收缩或膨胀与土体的粘粒含量和塑性指数有密切关系。

3.5 植物的影响

与高塑性粘土发生沉降有关的另一因素是树根的影响。由于植物的生长和蒸腾作用而使得土体中的水分丧失，从而导致土体收缩，产生沉降。

3.6 应力路径与应力历史对变形的影响

岩土材料存在较大的塑性变形，沿不同的应力路径加载，尽管初始和终了的应力状态相同，加荷的应力路径不同，变形结果却是不同的。历史上的应力路径即应力历史，由于塑性变形不可恢复，历史上保存和积累起来的变形也将影响今后的变形。

目前高等级公路大量兴建，其中有些公路的软土段没有解决好地基变形问题，软土层厚的路段沉降大，而软土层薄的路段则沉降较小，由此造成公路纵、横向沉降不均匀，路面排水和平整性也受到影响，汽车无法高速行驶。尤其在桥头过渡段，不均匀沉降问题更加突出。桥梁一般采用桩基础或扩大基础，沉降较小，与其相连的公路路堤一般较高，由此造成的沉降大，会在桥头附近产生较集中的沉降差，汽车过桥就会跳动，严重的会发生翻车撞车等交通事故。桥梁的过大沉降会造成建筑物的破坏或失稳，也不能掉以轻心。

中图分类号：U416.1

C

1008-3383(2011)08-0072-01

收稿日期：2011-05-23