荆南四河堤防软土特征及加固处理方法

郑　新, 吴　勇, 肖　丽

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉　430010; 2.荆州市河道管理局,湖北 荆州　434020)

0　引言

荆南四河系指湖北省长江荆江河段南岸的松滋河、虎渡河、藕池河、调弦河,地处长江荆江河段与洞庭湖之间,是长江向洞庭湖分流的重要水系[1]。堤防加固工程范围内涉及到软土地基,对勘察设计人员来说,要做到恰当地选用软土地基处理方法,则必须对所要处理的软土地基特征、物理力学性质有全面、熟悉地掌握。笔者结合近几年参加四河堤防勘察的体会,结合有关资料,浅谈荆南四河堤防加固工程软土特征及常见处理方法。

1　软土概念

软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑—流塑状态的高液限细粒粘性土。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积,经生物、化学作用形成的。不同国家、不同部门对怎么样来划分软土,所采用的标准不同。比如日本采用标准贯入击数、无侧限抗压强度、荷兰式贯入指数等三项指标来划分软土。德国则用“很容易搓捏的土”来划分软土。在国内,铁道部建议以天然含水量接近或大于液限、孔隙比>1、压缩模量<4 MPa、标准贯入击数<2击,静力触探比贯入阻力<0.7 MPa、不排水强度<25 kPa等6项指标来划分软土;建设部颁布《软土地区工程地质勘察规范》(JGJ 83—91)规定,凡符合外观以灰色为主的细粘土、天然含水量大于液限、天然孔隙比≥1等3项指标来划分软土;交通部颁布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ 017—96)规定,软土的划分标准采用天然含水量≥35%或液限、天然孔隙比≥1.0、十字板剪切强度<35 kPa等3项指标来划分软土;水利部颁布《堤防工程地质勘察规程》(SL 188—2005)规定:软土天然含水率一般大于液限,孔隙比≥1.0,当天然孔隙比≥1.5时为淤泥,当天然孔隙比为1.0～1.5时为淤泥质土。

2　软土鉴别

荆南地区软土一般指淤泥、淤泥质土,软土的鉴别以水利部颁布《堤防工程地质勘察规程》(SL188—2005)为主,并参考国内外鉴别软土的一些经验,总结出荆南四河堤防加固工程软土鉴别表(表1),根据此表来进行综合判断。

表1　荆南四河堤防加固工程软土鉴别表

3　软土成因和工程性质

3.1　软土成因

荆南四河地区地貌形态以冲积平原为主,局部镶嵌岗地,地势平坦开阔,区内河渠纵横交错,水网密布,大小河流蜿蜒曲折。软土成因主要分为3类,即河流沉积、湖沼沉积、老闸渠道淤积。

河流沉积软土以河漫滩相为主,主要分布于松滋河上游、虎渡河上游两岸一定宽度范围内。河流相沉积软土主要为淤泥质粉质壤土或淤泥质粉质粘土,灰黄色、灰色,呈软塑状。由于沉积环境变化较大,软土的分布较为复杂,不连续,多呈透镜状、串珠状或条带状分布,厚度变化大,成分不均一,常夹有极薄层的粉细砂或砂壤土。

湖沼沉积软土主要分布于松滋河下游、虎渡河下游、藕池河、调弦河两岸一定宽度范围内,该地区属于洞庭湖周边地区,软土主要为淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土,灰色、灰黑色,呈软塑状,含螺壳及腐殖质,有腐臭味,厚度一般>5 m,上覆1～3 m的粉质粘土、粘土等硬壳层。

老闸渠道淤积软土主要为淤泥、淤泥质粉质壤土或淤泥质粉质粘土,灰色、灰黑色,呈软塑—流塑状。由于沉积环境简单,软土的分布范围小,仅在涵闸附近一定范围内分布,厚度一般1～3 m。

3.2　软土工程性质

荆南四河地区淤泥质粘性土主要物理力学性质指标见表2[2],一般具有下列工程性质:

(1)触变性。受到振动时,软土的结构连接被破坏,强度随之降低或变成稀释状态。触变性的大小常用灵敏度St来表示,荆南四河地区软土的St一般在3～6之间。

(2)流变性。在剪应力作用下,土体会发生缓慢而长期的剪切变形。

(3)高压缩性。软土的天然孔隙比大决定了压缩性必然高,淤泥、淤泥质土的压缩系数一般为0.67～0.93 MPa-1,均属高压缩性土。

(4)抗剪强度低。软土抵抗剪切变形能力差,在施工中经常遇涵闸软土地基基坑边坡出现滑塌,从而造成边坡失稳。

(5)固结系数小。软土多属正常固结土或欠固结土,一般情况下次固结变形量大,固结系数小,这就意味着土体完成固结沉降所需的时间较长,这对施工工期影响较大。另外,软土渗透性弱,对排水固结不利。

(6)承载力低。

表2　荆南四河堤防加固工程淤泥质粘性土物理力学性质表

3.3　软土承载力特征值的综合确定

荆南四河地区软土承软土承载力特征值一般为60～70 kPa,针对具体工程项目可以依据《湖北省地方标准岩土工程勘察工作规程》(DB42/169—2003)以下3项指标综合确定:

(1)天然含水量:根据规范附录P表P.O.19 ,制定出由天然含水量确定的淤泥和淤泥质土承载力特征值(fak)取值表,见表3。比如松西河软土天然含水量为44.7%,查表确定承载力特征值为60 kPa。

表3　由天然含水量确定的淤泥和淤泥质土承载力特征值(fak)取值表

(2)标准贯入击数:一般软土标准贯入击数一般为1～2击,最多3击,根据规范附录P表P.O.12,承载力特征值应<85 kPa。

(3)静力触探试验比贯入阻力Ps:根据规范附录P表P.O.14 ,制定出由比贯入阻力确定的淤泥和淤泥质土承载力特征值(fak)取值表(表4)。比如某涵闸地基淤泥质粘土比贯入阻力为0.5 MPa,查表确定承载力特征值为60 kPa。

表4　由比贯入阻力确定的淤泥和淤泥质土承载力特征值(fak)取值表

不同工程项目软土的天然含水量、标准贯入击数与静力触探试验比贯入阻力会有不同,应区别对待。建议在施工期间,涵闸开挖到建基面后进行静力触探试验,根据比贯入阻力值确定地基承载力特征值,供设计参考。

4　软土对堤防工程的影响

软土对堤防工程的影响主要表现在两个方面:一是产生不均匀沉降,使建筑物遭受不同程度的破坏;二是导致抗滑稳定问题[3]。

4.1　不均匀变形问题

一般新建堤防堤基分布软土层可导致大堤不均匀沉陷,使堤身开裂,成为大堤的安全隐患,而荆南四河堤防多为老堤防,堤基软土多已完成固结沉降。

对于穿堤涵闸,软土的影响则更加显著。穿堤涵闸基础不均匀沉降主要是由于闸基浅部分布有软弱地层或建筑物基础跨越强度、性状差异较大的地层而引起的。荆南四河堤防部分涵闸的直接持力层或其下部为第四系全新统冲积层淤泥质粘土、粘土和粉质粘土,淤泥质粘土压缩系数0.76～1.16 MPa-1,粘土压缩系数0.40～0.66 MPa-1,粉质粘土压缩系数0.39～0.60 MPa-1。这些土体一般具高压缩性,尤其是淤泥质粘土压缩性高,其承载力特征值仅60～70 kPa。含高压缩性土体的闸基在闸体不均匀荷载或基础高压缩性土体分布不均匀的条件下易于产生不均匀沉降变形问题,导致闸体变形开裂。例如,松西河右岸桩号94+160处的杨家垱闸,闸基的直接持力层为淤泥质粘土,厚0.7～1.5 m,具高压缩性,主要由此导致闸体最大不均匀沉降量达14 cm,洞身裂缝14条。

4.2　抗滑稳定问题

由软土导致的堤防工程抗滑稳定问题主要有以下两个方面:

(1)堤坡在下伏软弱土控制下发生滑移破坏。一般在护坡护岸段,如果堤坡底部分布软土,则堤坡可能发生滑移破坏,需采取加固处理措施,防止堤坡或岸坡滑移。

(2)涵闸基坑在施工期的基坑稳定问题。涵闸基坑开挖时存在基坑边坡稳定问题,特别是基坑底部存在含淤泥质土的边坡,需采取边坡防护措施,施工期间注意保持基坑坑底干燥,及时排水。

5　堤防工程软土处理方法

各种地基处理方法都有它的适用范围、局限性和优缺点。加之具体工程情况复杂、工程地质条件千变万化、各个工程间地基条件差别很大,具体工程对地基的要求也不同,而且机具材料等条件也会因工作部门不同、地区不同而有较大的差别。因此,对每一个工程都应从地基条件、处理要求、工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑,以确定合适的地基处理方法。

5.1　换土垫层法

将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土或不良土挖去,以质地坚硬、强度较高、性能稳定、压缩性较小、具有抗侵蚀性的砂、砾、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填,并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动,使之达到要求的密实度,形成良好的人工地基。垫层能有效扩散基底压力,提高地基承载力、减少沉降、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩作用等。

适用于各种软弱土及不良地基的浅层处理,处理深度控制在3 m以内较为经济合理。 使用的主要材料:砂、砾石、石渣、粉煤灰、矿渣等。 使用的主要机械设备:人工挖土或机械挖土、垫层材料运输、压实或夯实机械。

5.2　深层搅拌法

利用深层搅拌机将水泥或石灰和地基土原位搅拌形成圆柱状、格栅状或连续墙水泥土增强体,形成复合地基以提高地基承载力,减小沉降。深层搅拌法分为喷浆搅拌法和喷粉搅拌法两种,也可用它形成防渗帷幕。

适用于淤泥、淤泥质土和含水量较高、地基承载力≤120 kPa的粘性土、粉土等软土地基,处理深度在3 m以上时较为经济合理。用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时宜通过试验确定其适用性。 使用的主要材料:水泥。 使用的主要机械设备:深层搅拌机,按搅拌轴分为单轴和双轴两种,按喷射方式分为浆液喷射和粉体喷射两种。配套设备:浆液喷射主要有灰浆搅拌机、灰浆泵,粉体喷射主要有粉体发送器、空气压缩机以及计量器等。

5.3　预制桩法

将预制好的桩通过锤击、振动等方式沉入软土中,建筑物荷载全部由桩承担。荆南四河涵闸闸基处理预制桩可考虑采用水泥预制桩、松木桩或者杉木桩。

适用于各种不同类型的软土,处理深度在3～6 m时比较经济合理。

6　结语

荆南四河软土天然含水量一般大于等于液限或35%,天然孔隙比≥1.0,标准贯入击数一般为1～2击,最多3击,呈软塑—流塑状态,压缩系数≥0.5,压缩模量≤5,静力触探比贯入阻力一般<0.7 MPa,具有触变性、流变性、高压缩性、抗剪强度低、固结系数小等特点,其承载力特征值一般为60～70 kPa,承载力低。

软土对堤防工程的影响主要表现在两个方面:一是产生不均匀沉降,使建筑物遭受不同程度的破坏;二是导致抗滑稳定问题,需采取加固处理措施及边坡防护措施。荆南四河堤防工程涵闸软土地基处理主要采取换土垫层法、深层搅拌法及预制桩法,加固处理方法效果显著,可供类似工程借鉴使用。

参考文献:

[1]周琴,等.湖北省洞庭湖区四河堤防加固工程可行性研究报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2011.

[2]苏志远,等.湖北省洞庭湖区四河堤防加固工程初步设计阶段工程地质勘察报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2013.

[3]罗小杰,等.长江中下游堤防工程地质研究[M].武汉：中国地质大学出版社,2010.