沿海地區(qū)軟土地基工程特性及加固措施研究

鄭必杰

(福州市建筑設計院有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

軟土地基主要是指其天然孔隙在1.0范圍以上，同時所含水量超出液限的細顆粒土體所組成的軟弱土層模擬的建筑地基。該類地基具有強度低、壓縮性高、不排水、抗剪強度小和含有一定有機質等特點[1]。

莆田市位于我國東南地區(qū)，境內地勢西北高、東南低，東瀕海洋，屬于典型的沉積相軟土地質，承載能力低，滲透性差，地基容易發(fā)生明顯的差異性沉降和裂縫，對建筑物的影響較為嚴重。

許多學者分別采用不同的試驗方法，對軟土地基的工程特性進行了研究。張立敏[2]采用快速固結試驗法，對軟土地基的壓縮特性進行研究，分析得出軟土地基沉降表現(xiàn)取決于含水率數(shù)值；王建文等[3]采用相關距離的概念與方法，對寧波淤泥質黏土土性參數(shù)相關距離進行研究；劉長殿等[4]對青島董家口地區(qū)軟土采用對比固結試驗進行研究，分析得出軟土工程特性具有區(qū)域性特點，指出次固結變形特性也存在差異；邵建東[5]對巖土工程中的淤泥質軟土地基處理探究，并對不同處理方法的優(yōu)缺點進行對比分析。但目前對于福建莆田地區(qū)的軟土的特性研究較少。

為研究莆田地區(qū)軟土特性，本文基于標準固結試驗，以莆田市錦嵐大道項目為背景，對該地區(qū)的軟土固結特性整體表現(xiàn)進行分析，并通過改變含水率測定其不同條件下的e-P、a-P曲線來計算壓縮系數(shù)，對該地區(qū)工程特性進行判定。最后，基于判定結果的分析研究，對莆田市錦嵐大道工程項目采取合理的加固措施，采用十字板剪切試驗對加固前后軟土地基的工程特性進行對比，為該工程設計提供科學數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

福建省莆田市錦嵐大道工程，位于莆田市興化港區(qū)，道路起訖里程DK0+000～DK3+888，總長3888 m，土建工程主要由路基和橋梁組成，橋梁段起訖里程DK1+380～DK1+480，長度100 m，其余段落為路基。

工程區(qū)內第四系地層發(fā)育復雜、厚度變化大，上部為海相沉積，下部為河相沉積，沉積物自上而下由淤泥、粉質粘土、卵石等組成，其下為殘積土層及燕山晚期侵入巖的風化層(全風化基巖、強風化基巖及中風化基巖)，鉆孔資料揭示地層分界如表1所示。

表1 地層分界表(Z190鉆孔)

2 試驗設計

本次研究，采用標準固結試驗對不同含水率狀態(tài)下的土樣進行試驗分析，然后根據(jù)分析結果，提出適用于該工程的加固措施；最后，通過十字板剪切試驗，對加固后的效果進行驗證。

2.1 固結試驗

本次研究主要對該地區(qū)軟土地基進行固結試驗。試驗采用全自動固結儀，試驗裝置主要包括控制系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、加載系統(tǒng)與量測系統(tǒng)。該固結儀采用分級加載的試驗方法，具有結構簡單，節(jié)能高效，操作便利、試驗過程便于統(tǒng)計試驗結果參數(shù)等特點。

本文采用的分級加載固結試驗，可把外荷載視為瞬間施加，土樣的受力情況與太沙基一維固結理論中的假定相符。豎向排水固結試驗，可以依據(jù)太沙基固結理論計算土樣的固結系數(shù)，分析其固結特性。

試驗主要包括試樣制備、試樣安裝、試樣加載及測試、試驗數(shù)據(jù)整理，試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[6]規(guī)定的試驗步驟進行。本次試驗選取的土樣物理指標如表2所示。

表2 固結試驗參數(shù)表

2.2 十字板剪切試驗

十字板試驗，采用WYS-3A型雙缸靜探-十字板剪切儀設備，并嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[6]規(guī)定的試驗步驟進行。

試驗時，將十字板試驗設備安裝履帶鉆機上，測點布設在軟土層范圍內沿深度方向，每1m布設1處，以10s 1～2度的速度均勻轉動剪切頭上的手搖柄，每轉動一圈測記一次讀數(shù)，將出現(xiàn)的峰值或穩(wěn)定值后1min的讀數(shù)，作為土體剪切破壞時量表的最大讀數(shù)。

3 試驗結果分析

根據(jù)土力學基本原理，土體的壓縮性表現(xiàn)是土體孔隙縮減所導致。土樣的孔隙比、壓縮系數(shù)與施加荷載存在相關聯(lián)性，試驗土樣不同含水率狀態(tài)下e-P曲線、a-P曲線如圖1～圖2所示。

圖1 不同含水率狀態(tài)下土樣e-P曲線

圖2 不同含水率狀態(tài)下土樣av-P曲線

根據(jù)圖1可知，不同含水率狀態(tài)下e-P曲線呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著荷載P的增加，孔隙比e呈減小趨勢，減小速率隨荷載增加逐漸降低，曲線呈下凸型；對比不同含水率狀態(tài)下的e-P曲線可知，隨著含水率的增加，一定壓力范圍內孔隙比減少得越多，即孔隙比的變化速率越快，說明施加相同的壓力，含水量大的土樣容易被壓縮。

根據(jù)圖2可知，不同含水率狀態(tài)下的a-p曲線呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即隨著荷載P的增加，孔隙比a呈減小趨勢，減小速率隨荷載增加逐漸降低，固結壓力在0～100 kPa之間，壓縮系數(shù)變化較大，超過100 kPa后，對應壓縮系數(shù)改變量?。粚Ρ炔煌薁顟B(tài)下的a-P曲線可知，隨著含水率的增大，固結壓力0～100 kPa范圍內，壓縮系數(shù)變化幅度越大。

由此可知，在固結初始階段，含水率的波動在壓縮系數(shù)中起到?jīng)Q定性作用，隨著固結排水過程的發(fā)生，各土樣的壓縮性基本趨于穩(wěn)定。綜合分析，含水量對軟土地基的壓縮性影響很大。

4 軟土地基加固措施研究

軟土地基處理措施，主要有排水固結法、換填法、夯實法、真空預壓法、樁基法、優(yōu)化結構法以及加筋法。

根據(jù)上述分析結果，該工程采用堆載預壓+塑料排水板的加固措施對軟土地基進行加固，加固方案如圖3～圖4所示。通過十字板剪切試驗，對比改善前后土體的工程特性指標，對比結果如表3所示。

表3 改善前后軟土地基參數(shù)對比

根據(jù)表3可知，采用堆載預壓+塑料排水板的加固措施后，不排水抗剪強度由10.4 kPa增加至28.3 kPa，增幅172%；有效應力抗剪強度由3.3 kPa增加至7.5 kPa，增幅127%；靈敏度由5.0(中靈敏度)降至3.5kPa(低靈敏度)，降幅30%；地基承載力特征值由40 kPa增加至98 kPa，增幅118%；處理后的地基承載力與穩(wěn)定性大大提高，可以滿足工程要求。

圖3 加固方案橫斷面示意圖

圖4 加固方案平面示意圖

5 結論

(1)不同含水率狀態(tài)下e-P、a-P曲線呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，即隨著固結壓力增加，孔隙比與壓縮系數(shù)呈減小趨勢，減小速率隨荷載增加逐漸降低。

(2)對比不同含水率狀態(tài)下的e-P、a-P曲線可知：隨著含水率增加，一定壓力范圍內孔隙比減少得越多，含水量大的土樣容易被壓縮；固結壓力0～100 kPa之間，壓縮系數(shù)變化較大，超過100 kPa后，對應壓縮系數(shù)改變量小。

(3)軟土地基沉降表現(xiàn)取決于含水率數(shù)值，兩者呈現(xiàn)顯著的正相關聯(lián)系。因此，在施工過程中，前期的固結排水措施是必不可少的環(huán)節(jié)。

(4)基于研究結果，該工程軟土地基采用堆載預壓+塑料排水板的加固措施后，地基承載力特征值由40 kPa增加至98 kPa，增幅118%，靈敏度由中靈敏度降至低靈敏度，處理后的地基承載力與穩(wěn)定性大大提高，可以滿足工程要求。