關於水利堤防工程軟土地基處理的探討
General 更新 2024年11月05日
摘要:軟基加固的目的是為了改善建築物地基土體的力學性質，提高承載能力，增加抗滑穩定，減少壓縮變形。本人根據多年施工實踐，對軟土地基上修建堤防工程常用的地基處理方法及適用條件進行探討。
關鍵詞:水利堤防；軟土地基；處理措施
1 水利工程軟土地基的特性
軟粘土中最常見的、工程地質性質最差的要數淤泥或淤泥質土，通常工程上把天然孔隙比大於或等於1.5的亞粘土、粘土稱為淤泥，而把孔隙比大於1.0小於1.5的粘土稱為淤泥質粘十:其主要特性有:
（1）孔隙比和天然含水量大。我國軟土的天然孔隙比一般e=l～2之間，淤泥和淤泥質土的天然含水量w=50～70％，一般大於液限，高的可達200％。
（2）壓縮性高。我國淤泥和淤泥質土的壓縮系的一般都大於O.5MPa-1，建造在這種軟土上的建築物將發生較大的沉降，尤其是沉降的不均性，會造成建築物的開裂和損壞。
（4）抗剪強度低。軟土通常呈軟塑-流塑狀態，在外部荷載作用下，抗剪效能極差，根據部分資料統計，我國軟土無側限抗剪強度一般小於30kN/m2（相當於0.3kg/cm2）。不排水剪時，其內磨擦角幾乎等於零，抗剪強度僅取決於凝聚力C , C＜30kN/m2，固結快剪時，Φ一般為5～150。因此，提高軟土地基強度的關鍵是排水。如果土層有排水出路，它將隨著有效壓力的增加而逐步固結。反之，若沒有良好的排水出路，隨著荷載的增大，它的強度可能衰減。在這類軟土上的建築物儘量採用“輕型薄壁”，減輕建築荷重。
衝填土是水力衝填形成的產物。含砂量較高的衝填土，其固結情況和力學性質較好；含粘粒較多的衝填土往往強度較低，壓縮性較高.具有欠固結性。
雜填土大多由建築垃圾、生活垃圾和工業廢料堆填而成，因此在結構上具有無規律性。以生活垃圾為主的填土，腐殖質含量較高，強度較低，壓縮性較大。以工業殘渣為主的填土，可能含有水化物，遇水後容易發生膨脹和崩解，使填土強度降低。
2軟土地基上堤防失穩的破壞機理
引起軟土地基上堤防滑動破壞的根本原因，在於軟弱地基中某個面上的剪應力超過了它的抗剪強度，穩定平衡遭到破壞。主要有兩方面因素:①由於剪應力的增加，例如大堤施工中上部填土荷重的增加；降雨使土體容重增加；水位降落產生滲流力；地震、打樁等引起的動荷載等。②由於軟土地基本身抗剪強度的減小。例如孔隙水應力的升高；氣候變化產生的乾裂、凍融；粘土夾層因浸水而軟化以及粘性土的蠕變等。
對堤防工程進行穩定分析時，通常是將假想滑動面以上土體看作剛體，並以它為脫離體，分析在極限平衡條件下其上各種作用力，並以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應力之比來定義它的安全係數，即:
T1Fn = F
式中: Fn----堤防穩定安全係數；
T1----滑動面處土體的平均抗剪強度；
T—作用於滑動面上的平均剪應力。
Fn ＞1土體處於穩定狀態； Fn ＜1土體處於滑動狀態或有滑動的趨勢； Fn = 1，土體處於臨界狀態。因此，要使處於滑動狀態或有滑動趨勢的土體達到穩定狀態，必須Fn＞1堤防:工程等級不同，Fn取值也不同，通常1.05～1.30之間），通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強度，使孔隙水應力充分消散，如對地基進行加固等；②減小作用在土體上的剪應力，如減小堤防的橫斷面積，儘量避免對堤防的擾動等。第一種方法在工程中被廣泛採用。
3 軟土地基上築堤常用的地基處理方法及適用條件
堤防工程，常用的軟土地基處理方法有下面幾種:
3.1堤身自重擠淤法
堤身自重擠淤法就是通過逐步加高的堤身自重將處於流塑態的淤泥或淤泥質土外擠，並在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質土中的孔隙水應力充分消散和有效應力增加，從而提高地基抗剪強度的方法。在擠淤過程中為了不致產生不均勻沉陷，應放緩堤坡、減慢堤身填築速度，分期加高。其優點可節約投資；缺點是施工期長。此法適合於地基呈流塑態的淤泥或淤泥質土，且工期不太緊的情況下采用。
3.2拋石擠淤法
拋石擠淤法就是把一定量和粒徑的塊石拋在需進行處理的淤泥或淤泥質土地基中，將原基礎處的淤泥或淤泥質土擠走，從而達到加固地基的目的。一般按以下要求進行:將不易風化的石料（尺寸一般不宜小於30cm）拋填於被處理堤基中，拋填方向根據軟土下臥地層橫坡而定橫坡平坦時目地基中部漸次向兩側擴充套件；橫坡陡於1:10時，自高側向低側拋填。最後往上面鋪設反濾層。這種方法施工技術簡單，投資較省，常用於處理流塑態的淤泥或淤泥質土地基。
3.3墊層法
墊層法就是把靠近堤防基底的不能滿足設計要求的軟土挖除，代以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。可以就地取材，價格便宜，施工工藝較為簡單，該法在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地較常採用。
3.4預壓砂井法
預壓法是在排水系統和加壓系統的相互配合作用下，使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系統有水平排水墊層、排水砂溝或其它水平排水體和豎直方向的排水砂井或塑料排水板；加壓系統有堆載預壓、真空預壓或降低地下水位等。當堆載預壓和真空預壓聯合使用時又稱真空聯合堆載預壓法。基本做法如下:
先將等加固範圍內的植被和表土清除，上鋪砂墊層；然後垂直下插塑料排水板，砂墊層中橫向佈置排水管，用以改善加固地基的排水條件；再在砂墊層上鋪設密封膜，用真空泵將密土膜以內的地基氣壓抽至80kPa以上。該方法往往加固時間過長，抽真空處理範圍有限，適用於工期要求較寬的淤泥或淤泥質土地基處理。流變特性很強的軟粘土、泥炭土，不直採用此法。
3.5振動水衝法
振衝法是利角一根類似插入式混凝土振搗器的機具，稱為振衝器，有上、下兩個噴水口，在振動和衝擊荷載的作用下，先在地基中成孔，再在孔內分別填入砂、碎石等材料，並分層振實或夯實，使地基得以加固。用砂樁、碎石樁加固初始強度不能太低（初始不排水抗剪強度一股要求大於20kPa），對太軟的淤泥或淤泥質上不宜採用。
石灰樁、二灰樁是在樁孔中灌入新鮮生石灰，或在生石灰中摻入適量粉煤灰、火山灰（常稱為二犯，並分層擊實而成樁。它通過生石灰的高吸水性、膨脹後對樁周土的擠密作用，離子交換作用和空氣中的CO2與水發生酸化反應使被加固地基強度提高。
3.6旋噴法
旋噴法是利用旋噴機具造成旋噴樁以提高地基的承載能力，也可以作聯鎖樁施工或定向噴射成連續牆用於地基防滲。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置於土層預足深度後提升，噴嘴同時以一定速度旋轉，高壓噴射水泥固化漿液與土體混合並凝固硬化而成樁。所成樁與被加固土體相比，強度大，壓縮性小。適用於衝填土、軟粘土和粉細砂地基的加固。對有機質成分較高的地基土加固效果較差，宜慎重對待。而對於塘泥土、泥炭土等有機質成分極高的土層應禁用。
3.7強夯法
強力夯實是將80kN即相當於8tf以上的夯錘，起吊到很高的地方（一般6～30m），讓錘自由落下，對土進行夯實。經夯實後的土體孔隙壓縮，同時，夯點周圍產生的裂隙為孔隙水的出逸提供了方便的通道，有利於土的固結，從而提高了土的承載能力，而且夯後地基由建築荷載所引起的壓縮變形也將大為減小。強夯法適用於河流沖積層，濱海沉積層黃土、粉土、泥炭、雜填土等各種地基。
3.8土工合成材料加筋加固法
將土工合成材料平鋪於堤防地基表面進行地基加大，能使堤防荷載均勻分散到地基中。當地基可能出現塑性剪下破壞時，土工合成材料將起到阻止破壞面形成或減少破壞發展範圍的作用，從而達到提高地基承載力的目的。此外，土工合成材料與地基土之間的相互磨擦將限制地基土的側向變形，從而增加地基的穩定性。
4 結束語
以上處理方法是針對堤防工程軟土地基處理時需要掌握的方法，若不加強注意，將影響工程的質量。在實際施工中，應根據不同的地基土質採用相應的方法進行處理，以確保地基的穩定，保證工程的質量。
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關鍵詞:水利堤防；軟土地基；處理措施
1 水利工程軟土地基的特性
軟粘土中最常見的、工程地質性質最差的要數淤泥或淤泥質土，通常工程上把天然孔隙比大於或等於1.5的亞粘土、粘土稱為淤泥，而把孔隙比大於1.0小於1.5的粘土稱為淤泥質粘十:其主要特性有:
（1）孔隙比和天然含水量大。我國軟土的天然孔隙比一般e=l～2之間，淤泥和淤泥質土的天然含水量w=50～70％，一般大於液限，高的可達200％。
（2）壓縮性高。我國淤泥和淤泥質土的壓縮系的一般都大於O.5MPa-1，建造在這種軟土上的建築物將發生較大的沉降，尤其是沉降的不均性，會造成建築物的開裂和損壞。
（4）抗剪強度低。軟土通常呈軟塑-流塑狀態，在外部荷載作用下，抗剪效能極差，根據部分資料統計，我國軟土無側限抗剪強度一般小於30kN/m2（相當於0.3kg/cm2）。不排水剪時，其內磨擦角幾乎等於零，抗剪強度僅取決於凝聚力C , C＜30kN/m2，固結快剪時，Φ一般為5～150。因此，提高軟土地基強度的關鍵是排水。如果土層有排水出路，它將隨著有效壓力的增加而逐步固結。反之，若沒有良好的排水出路，隨著荷載的增大，它的強度可能衰減。在這類軟土上的建築物儘量採用“輕型薄壁”，減輕建築荷重。
衝填土是水力衝填形成的產物。含砂量較高的衝填土，其固結情況和力學性質較好；含粘粒較多的衝填土往往強度較低，壓縮性較高.具有欠固結性。
雜填土大多由建築垃圾、生活垃圾和工業廢料堆填而成，因此在結構上具有無規律性。以生活垃圾為主的填土，腐殖質含量較高，強度較低，壓縮性較大。以工業殘渣為主的填土，可能含有水化物，遇水後容易發生膨脹和崩解，使填土強度降低。
2軟土地基上堤防失穩的破壞機理
引起軟土地基上堤防滑動破壞的根本原因，在於軟弱地基中某個面上的剪應力超過了它的抗剪強度，穩定平衡遭到破壞。主要有兩方面因素:①由於剪應力的增加，例如大堤施工中上部填土荷重的增加；降雨使土體容重增加；水位降落產生滲流力；地震、打樁等引起的動荷載等。②由於軟土地基本身抗剪強度的減小。例如孔隙水應力的升高；氣候變化產生的乾裂、凍融；粘土夾層因浸水而軟化以及粘性土的蠕變等。
對堤防工程進行穩定分析時，通常是將假想滑動面以上土體看作剛體，並以它為脫離體，分析在極限平衡條件下其上各種作用力，並以整個滑動面上的平均抗剪強度與平均剪應力之比來定義它的安全係數，即:
T1Fn = F
式中: Fn----堤防穩定安全係數；
T1----滑動面處土體的平均抗剪強度；
T—作用於滑動面上的平均剪應力。
Fn ＞1土體處於穩定狀態； Fn ＜1土體處於滑動狀態或有滑動的趨勢； Fn = 1，土體處於臨界狀態。因此，要使處於滑動狀態或有滑動趨勢的土體達到穩定狀態，必須Fn＞1堤防:工程等級不同，Fn取值也不同，通常1.05～1.30之間），通常有兩種方法:①提高土體的抗剪強度，使孔隙水應力充分消散，如對地基進行加固等；②減小作用在土體上的剪應力，如減小堤防的橫斷面積，儘量避免對堤防的擾動等。第一種方法在工程中被廣泛採用。
3 軟土地基上築堤常用的地基處理方法及適用條件
堤防工程，常用的軟土地基處理方法有下面幾種:
3.1堤身自重擠淤法
堤身自重擠淤法就是通過逐步加高的堤身自重將處於流塑態的淤泥或淤泥質土外擠，並在堤身自重作用下使淤泥或淤泥質土中的孔隙水應力充分消散和有效應力增加，從而提高地基抗剪強度的方法。在擠淤過程中為了不致產生不均勻沉陷，應放緩堤坡、減慢堤身填築速度，分期加高。其優點可節約投資；缺點是施工期長。此法適合於地基呈流塑態的淤泥或淤泥質土，且工期不太緊的情況下采用。
3.2拋石擠淤法
拋石擠淤法就是把一定量和粒徑的塊石拋在需進行處理的淤泥或淤泥質土地基中，將原基礎處的淤泥或淤泥質土擠走，從而達到加固地基的目的。一般按以下要求進行:將不易風化的石料（尺寸一般不宜小於30cm）拋填於被處理堤基中，拋填方向根據軟土下臥地層橫坡而定橫坡平坦時目地基中部漸次向兩側擴充套件；橫坡陡於1:10時，自高側向低側拋填。最後往上面鋪設反濾層。這種方法施工技術簡單，投資較省，常用於處理流塑態的淤泥或淤泥質土地基。
3.3墊層法
墊層法就是把靠近堤防基底的不能滿足設計要求的軟土挖除，代以人工回填的砂、碎石、石渣等強度高、壓縮性低、透水性好、易壓實的材料作為持力層。可以就地取材，價格便宜，施工工藝較為簡單，該法在軟土埋深較淺、開挖方量不太大的場地較常採用。
3.4預壓砂井法
預壓法是在排水系統和加壓系統的相互配合作用下，使地基土中的孔隙水排出。常用的排水系統有水平排水墊層、排水砂溝或其它水平排水體和豎直方向的排水砂井或塑料排水板；加壓系統有堆載預壓、真空預壓或降低地下水位等。當堆載預壓和真空預壓聯合使用時又稱真空聯合堆載預壓法。基本做法如下:
先將等加固範圍內的植被和表土清除，上鋪砂墊層；然後垂直下插塑料排水板，砂墊層中橫向佈置排水管，用以改善加固地基的排水條件；再在砂墊層上鋪設密封膜，用真空泵將密土膜以內的地基氣壓抽至80kPa以上。該方法往往加固時間過長，抽真空處理範圍有限，適用於工期要求較寬的淤泥或淤泥質土地基處理。流變特性很強的軟粘土、泥炭土，不直採用此法。
3.5振動水衝法
振衝法是利角一根類似插入式混凝土振搗器的機具，稱為振衝器，有上、下兩個噴水口，在振動和衝擊荷載的作用下，先在地基中成孔，再在孔內分別填入砂、碎石等材料，並分層振實或夯實，使地基得以加固。用砂樁、碎石樁加固初始強度不能太低（初始不排水抗剪強度一股要求大於20kPa），對太軟的淤泥或淤泥質上不宜採用。
石灰樁、二灰樁是在樁孔中灌入新鮮生石灰，或在生石灰中摻入適量粉煤灰、火山灰（常稱為二犯，並分層擊實而成樁。它通過生石灰的高吸水性、膨脹後對樁周土的擠密作用，離子交換作用和空氣中的CO2與水發生酸化反應使被加固地基強度提高。
3.6旋噴法
旋噴法是利用旋噴機具造成旋噴樁以提高地基的承載能力，也可以作聯鎖樁施工或定向噴射成連續牆用於地基防滲。旋噴樁是將帶有特殊噴嘴的注漿管置於土層預足深度後提升，噴嘴同時以一定速度旋轉，高壓噴射水泥固化漿液與土體混合並凝固硬化而成樁。所成樁與被加固土體相比，強度大，壓縮性小。適用於衝填土、軟粘土和粉細砂地基的加固。對有機質成分較高的地基土加固效果較差，宜慎重對待。而對於塘泥土、泥炭土等有機質成分極高的土層應禁用。
3.7強夯法
強力夯實是將80kN即相當於8tf以上的夯錘，起吊到很高的地方（一般6～30m），讓錘自由落下，對土進行夯實。經夯實後的土體孔隙壓縮，同時，夯點周圍產生的裂隙為孔隙水的出逸提供了方便的通道，有利於土的固結，從而提高了土的承載能力，而且夯後地基由建築荷載所引起的壓縮變形也將大為減小。強夯法適用於河流沖積層，濱海沉積層黃土、粉土、泥炭、雜填土等各種地基。
3.8土工合成材料加筋加固法
將土工合成材料平鋪於堤防地基表面進行地基加大，能使堤防荷載均勻分散到地基中。當地基可能出現塑性剪下破壞時，土工合成材料將起到阻止破壞面形成或減少破壞發展範圍的作用，從而達到提高地基承載力的目的。此外，土工合成材料與地基土之間的相互磨擦將限制地基土的側向變形，從而增加地基的穩定性。
4 結束語
以上處理方法是針對堤防工程軟土地基處理時需要掌握的方法，若不加強注意，將影響工程的質量。在實際施工中，應根據不同的地基土質採用相應的方法進行處理，以確保地基的穩定，保證工程的質量。
淺談小型水庫庫區及水利工程的防護