水利工程软土地基处理方式探讨

王晓风

(珠海市水利勘测设计院 广东珠海 519000)

1 引言

软土由于其形成及所处环境的特殊性，导致其具有含水量大、孔隙率高、压缩性强、力学指标差的特性。如何在软土地基上建设水工建筑物，成为水利工程技术人员的一个严峻课题。本文通过软土特性简要分析、软土地基处理方式介绍、已建、在建水利工程软土地基处理实操经验，来为水利工程技术人员在软土地基处理方式选择上，提供一个初步方向。

2 珠海市软土特性

软土，一般多指存在于河流入海口区域冲积平原、谷地，经多年沉积形成的细粒土。其特性是天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差，并具有蠕变性、触变性等特殊的工程地质性质，所能提供的工程地质条件较差。

由于珠海市位于河流入海的口门地区，珠江八大入海口门，四个位于珠海境内，珠海市的这一地理位置特点，导致其近河海的水利工程地基几乎全部处于软土区域，该软土为近代海退形成的浅海堆积，属滨海相软土，厚度一般很大。珠海市软土的成因及所处天然环境，造成其具有如下的工程特性：

（1)高含水量。软土的天然含水量一般为50%～70%，而珠海市的软土含水量一般为50%～130%，甚至更高。

（2)高压缩性。软土的天然孔隙比在1～2之间，而珠海市的软土天然孔隙比一般为1.2～4.2，平均值达 2.3左右。一般软土压缩系数处于 0.7～1.5MPa-1,而珠海市的软土处于 1.6～4.9MPa-1之间，平均值达到2.6MPa-1左右，已经属于高压缩性土。

（3)低承载力。珠海市软土无侧限抗压强度最低值2.0KPa左右，平均值约为14.0KPa左右，地基承载力特征值（修正前)也仅为30.0～50.0KPa。

通过上述数据可知，在原本软土的“两高一低”特性基础上，珠海市的软土具有更差的指标。基于此，珠海市的水利工程在建设过程中，必须对软土地基进行地基处理。

3 软土地基的处理方式

软土“两高一低”的特性，使我们在其上进行建（构)筑物建设时，不可避免地面对：（1)地基承载能力不足；（2)沉降大；（3)地基整体失稳三个问题。应该说，软土地基解决这三个问题，基本上就不再有危害。从另一个角度说，软土地基的处理措施也要从解决上述三个问题入手。

据此，从解决上述三个问题的不同侧重点出发，简单的介绍分析软土地基处理方法。

需要说明，大多数的软土地基处理方法其作用和目的都不是单一的，有些甚至是不可区分其侧重点的。本文之所以按解决三个问题的侧重点，分别介绍分析，其目的一是为便于在解决实际工程问题时，可根据工程需要解决的主要问题选取处理方法，二是由需求出发进行介绍分析，利于进一步理解软土地基处理的技术路线。

3.1 解决承载力低的处理方法

之所以先行介绍这个类别，主要是因为纵观所有软土地基处理方法，几乎全部都能够增加软土地基的承载力，都能在一定程度上解决软土承载力低的问题。其原因在于我们处理软土地基的直接目的就是使地基上能够建设（或者说能够承载)建（构)筑物，如果这一点都做不到，那就完全失去了处理意义。

针对软土地基承载力低的问题，解决思路有两点：第一是针对软土承载力低的先天原因，改良改善其特性；第二是用承载力高的介质代替（置换)软土。

3.1.1 针对先天不足的处理方法

我们知道，软土承载力低，在于其“软”，而其“软”除了颗粒组分、结团形态、物质含量（有机质、盐分等的含量)等固有形态方面的原因以外，最主要的是其含水量高和孔隙比大。在软土固有形态基本没变化的前提下，暴晒释水固结的淤泥坚硬程度明显提高，可以充分说明这一点。

据此，降低软土含水量、减小孔隙比成为提高软土地基承载力的关键。尽管软土的孔隙比大，但软土的渗透系数几乎都在 10-6cm/s这一数量级上。在一定范围之外，软土内的水体几乎不能流动，由此造成水分外排并不容易，而粒间水不排出，粒间孔隙就无法压缩，相应的承载力就不会提高。因此排水、固结成为首要任务。

造成排水固结困难的原因较为复杂，主要和软土的固有形态及特点（主要指颗粒组分、结团形态、物质含量等)密切相关。在不能改变软土固有形态的基础上，工程技术人员通过两种措施解决软土排水固结问题。（1)增加排水通道，在竖向上构建排水通道，通过调整排水通道的间距和布置形式，应对不同的天然软土特性、承载力要求、强化（固结)时间等；（2)在软土上部增加荷载，以提供附加应力，使软土内的压应力增加，进而促进软土排水固结。

第一项措施对应的软土地基处理方法叫做竖向排水法，具体有：排水板法、砂井法、碎石桩法等。如前所述，把砂井法、碎石桩法归于此类，原因在于其具有基本的促使软土排水固结的作用。实际上，从排水板法到砂井法再到碎石桩法，已经在逐步的附加上了置换软土而增加承载力的作用了，具体后面会述及。

第二项措施对应的是：堆载法、强夯法、真空预压法等等。实际上在工程实践中，为提高处理速度和效果，在投资不紧的前提下，多采用上述两种措施的结合，具体如何结合，根据客观条件进行组合。

3.1.2 置换的处理方法

该方法的思路，简单说就是引入外来的高承载力地基，全部代替或部分置换原有软土，形成新的改良地基。

全部代替的思路就是针对小范围、小厚度软土，将其挖出，代之以开山土、石渣等承载力指标高的土体，该方法称为换填法。本方法是简单易行且有效的，但也有其局限性，对于范围大、厚度大的软土地基不适用，原因不赘述。

部分代替，是指在横向上或纵向上部分置换原有软土。一般来说，横向的换填实际上是针对大厚度软土地基，当承载力和工后沉降要求不高时，采取仅换填部分深度内的软土。该方法一般称为垫层法。

重点要说的是纵向方向上的置换。这一思路就是在原有的软土地基中通过一定的施工工艺形成柱状高承载介质，该柱状介质与原软土地基形成复合地基，共同提供上部建（构)筑物的承载力。按此思路派生出柔性（刚柔性)桩复合地基法。具体为：搅拌桩法、CFG桩法、高压旋喷桩法、碎石（砂)桩法等。

提及桩、竖向高承载介质等概念，就会想到刚性端承桩，如预应力管桩、混凝土灌注桩等。实质上刚性端承桩严格的界定属于基础的范畴，与地基或地基处理在概念上有根本的不同。是和筏板基础、浆砌石基础等并列的，属建筑物（构)结构部分。但是，针对软土地基，采取这样的基础，也可以理解为是一个增强软土承载力的一个地基处理措施。为了方便论述，本文将刚性端承桩作为一个工法，列于地基处理范畴。

3.2 解决沉降大的处理方法

软土地基的沉降主要源于土体结构粒间孔隙被压缩。由于软土孔隙比大，土粒间距大，当有外加荷载时，土粒间距缩小，孔隙逐步消失，土体收缩固结，宏观上形成了区域的沉降。这种沉降在理论上会发生在所有受压的地基上，之所以在软土地基上受到极大的重视，是因为软土的高压缩性造成该沉降非常巨大，基本上沉降值处于工程不能忍受的范围，例如：对于珠海市厚度在20m的近岸淤泥，当场地承载力处于8.0t/m2左右时，总沉降量一般不会低于2.0m。

地基上承建建（构)筑物，基底附加应力产生，软土内应力增加，土体发生固结，沉降不可避免。就工程而言，要让沉降在受控的范围内。就是让地基的沉降在施工期基本完成，而使用期的沉降尽可能的减小；同时因为总的沉降量很大，必须保证同一结构及不同相邻独立结构间的沉降差控制在允许的范围内，这才能保证建(构)筑物的倾斜度在可承受范围内。

表面上看，似乎很简单，像压实松土一样，主要在建设前，给地基以足够的压力，使软土固结密实完成沉降即可。但软土的特性导致做到这点并不容易。软土粒间富含水分，水分被密闭在狭小空间，相对无法流动，而水体不流动外排，土粒间孔隙无法被压缩消失。极速加大应力做的功全被粒间水承担并消耗。同时软土的蠕变性、触变性以及很差的剪切指标会导致软土的蠕变和粒间滑动，由此造成人为地基失稳。这一点下一章节会提及。

至此，针对软土沉降的处理思路应该清晰。（1)需要有与将来基底应力相匹配荷载，促使软土在施工期基本完成沉降；（2)要确保有排水通道，使软土释水，由此才能达到压缩软土的目的；（3)要保证发生的沉降均匀，这是控制工后沉降差的基础；（4)当前面的措施不能全部达到时，需考虑改良地基，要么使其压缩性降低、要么减小实际作用在软土上的附加应力。

综上所述，相应的软土地基处理方法见表1。

表1 软土地基沉降处理方法

3.3 解决整体失稳的处理方法

软土地基因为其剪切指标差，且具有蠕变性、触变性，使其在受外部荷载作用且横向约束缺失或不足时，易发生深层或浅层的滑动和大范围的蠕变，进而导致其上的建(构)筑物与地基一起整体失稳。

这类问题是软土地基内在的不足（内因)，遇上外在的荷载增加（外患)，而阻止滑动的因素不足（环境)这三方面联合作用的结果。

3.3.1 针对内因造成的失稳

软土剪切指标差，具有蠕变性、触变性主要还是来源于其高孔隙比和高含水量，这一点与其承载力低下的原因类似。所以其处理的方法也与提高承载力的方法基本相同，就是促使其排水固结。相对应的方法也为：堆载法、强夯法、真空预压法、排水板法、砂井法等。

需要说明，针对先天原因采取措施的方法，在理论上是行得通的，但实际上有些方法实用性有待商榷。按前面的分析，内因、外患和环境是软土地基失稳的三要素，如果有一个能提供积极因素都会使情况有所改观，但同时如果其中任何一个原因的消极因素增加，也会加大失稳发生的概率。比如堆载法，该方法是在软土地基上增加外部荷载，如果这种外加荷载增加的值和加载的速率与淤泥的实际承受能力不匹配，无疑反倒会促使其失稳发生。再说排水法，不管是排水板还是沙井，当其排列型式、间距等不得当时，在横向约束原本不足的情况下，无疑增加了滑裂面产生的概率，进一步减小了横向约束能力进而诱发失稳。

因此，采用这样的方法对待这样的问题需谨慎。

3.3.2 针对外患造成的失稳

这里所说的外患就是外加荷载。我们能做的不是去除外加荷载，而是如何通过工程手段、设计方案等措施减小实际作用在软土地基上的荷载，或调整外加荷载的分布，使外加荷载带来的的危害变小。具体处理办法见表2.

表2 软土地基失稳处理方法

3.3.3 针对不利环境造成的失稳

不利环境是指可能导致工程失稳的外部边界条件。比如河槽迫岸、正向倾斜的地质诱滑面等。

对于此类的处理办法，更多的依赖于平面布置等设计方案的调整，比如向背水侧退让堤线、结合地质剖面调整工程位置或平面布局。

因此，软土地基的处理，可以通过改变外界环境来营造有力的工程稳定条件。也就是通过采取外在的、与建（构)筑物下部软土地基不直接相关的一些措施，来加大软土地基的横向约束，增加阻滑力。

工程实践上应用最多的就是反压法，或者称为应力平衡法。该方法以理论计算为基础，通过在特定部位增加反压体来改变外部边界条件，利用反压体的自重来提供阻滑力，与原有地基各种阻滑因素一起对抗抵消滑动力，以此达到建（构)筑物安稳的目的。

4 结束语

软土地基的处理是珠海市水利工程建设面临的一大难题，珠海市有较为丰富的水利工程软土地基处理经验，但也有大量的反面案例，上述内容是在多年水利工程设计、施工等方面的小结，以此供水利同行们参考指正。