軟土工程施工中的問(wèn)題及對(duì)策淺析

軟土工程施工中的問(wèn)題及對(duì)策淺析軟土及物理特性介紹形成我國(guó)黃東南海區(qū)，具體說(shuō)在天津、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角地區(qū)及內(nèi)陸一些湖泊平原地區(qū)（如湖北荊洲）多為海洋及湖泊沖積沉積細(xì)顆粒粘土地區(qū)。它是指第四紀(jì)全新沖積沉積形成。這類土明顯特點(diǎn)是土中含水量大，滲透性能差，土中水分很難排出，初期土體處于流動(dòng)狀態(tài)。這類土土力學(xué)上稱流塑粘性土，俗稱“軟土”。特征1.2.1礦物成分及土粒結(jié)構(gòu)粘性土顆粒很細(xì)，粒徑小于0.005mm，比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性差，與水作用力（親水性）強(qiáng)，能產(chǎn)生一系列物理化學(xué)變化。無(wú)粘性土（砂粒、礫石）的結(jié)構(gòu)特征為單粒結(jié)構(gòu)，顆粒大，粒間結(jié)合水少或稱沒(méi)有結(jié)合力，在重力作用下沉積時(shí)往往形成單粒結(jié)構(gòu)。粘性土的顆粒很細(xì)，其中粉粒在水中下沉?xí)r，碰到已沉積的土粒時(shí)，由于它們間吸引力大于自重，土粒將停在接觸面上不再下沉，形成有很大空隙的蜂窩結(jié)構(gòu)，粒徑更小的（小于0.002mm）的粘?？孔陨碇亓Ω静荒芟鲁炼幱趹腋顟B(tài)。只有當(dāng)懸液中有某種電介質(zhì)界入，粘粒間的排斥力因電荷中和遭到破壞時(shí)，才凝聚成海綿狀的絮狀集合體，聚合到一定質(zhì)量時(shí)下沉和已沉積的絮狀體接觸成空隙更大的絮狀結(jié)構(gòu)。所以天然狀態(tài)下粘性土有一定結(jié)構(gòu)性。1.2.2靈敏度和觸變性處于流動(dòng)狀態(tài)的粘性土它的抗剪和抗壓強(qiáng)度很小，當(dāng)遇到擾動(dòng)時(shí)，土的強(qiáng)度會(huì)迅速喪失，這是軟土中一個(gè)十分明顯的特征，工程上用靈敏度St表示。St越大，說(shuō)明土的靈敏度越高，含水量很大的淤泥和粘土就屬于靈敏度很高的軟土。St在4~~10之間屬于高靈敏土，在施工中易遭破壞。與靈敏度相反的是土的觸變性，粘性土在結(jié)構(gòu)遭擾動(dòng)后強(qiáng)度降低，當(dāng)停止擾動(dòng)后并經(jīng)一段靜止時(shí)間后，土粒間的聯(lián)結(jié)會(huì)得到局部恢復(fù)，這個(gè)過(guò)程我們稱土具有一定觸變性。這個(gè)過(guò)程在軟土中恢復(fù)的很慢，遭破壞的軟土恢復(fù)的更慢，且即使恢復(fù)也很難達(dá)到原有狀態(tài)。粘性土——軟土的定義和定性含水量w及Ip、IL指數(shù)2.1.1含水量含水量是指土中水的質(zhì)量mw與土中土的質(zhì)量ms之比W=×100%根據(jù)含水量的不同將水分為四中狀態(tài)，三個(gè)界限。塑限wp——又稱塑性下限，是可塑狀態(tài)與半固狀態(tài)的界限含水量。液限wl——又稱塑性上限或液性下限，是土的流塑狀態(tài)間的界限含水量?？s限ws——在干硬狀態(tài)范圍內(nèi)，是半干硬狀態(tài)與干硬狀態(tài)間界限含水量。為土的體積收縮與不收縮間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。水含量很大時(shí)，土粒被自由水隔開(kāi)，粘性土本身不能保持其原態(tài)，極易流動(dòng)呈粘滯狀態(tài)的液態(tài)體，當(dāng)W大于WL表明當(dāng)土遭到破壞時(shí)變成粘滯泥漿體。此時(shí)的稠度CI接近或小于1。手捏時(shí)，土從指縫中擠出。當(dāng)水份減小到多數(shù)土為弱結(jié)合水隔開(kāi)時(shí)，土粒在外力作用下相互錯(cuò)動(dòng)而顆粒間的聯(lián)系并不喪失，或說(shuō)可把土捏成各種形狀，外力解降后可以保持不開(kāi)裂。此時(shí)粘性土也稱塑性土。當(dāng)土中水分繼續(xù)減小，土中弱結(jié)合水膜變薄粘滯性增大，粘性土將喪失其具有的可塑性，在外力下會(huì)出現(xiàn)裂縫易破碎。此時(shí)粘性土進(jìn)入半固體狀態(tài)，當(dāng)土中水進(jìn)一步減小體積不在收縮，顏色變淺變灰。2.1.2測(cè)定可塑性強(qiáng)弱的指標(biāo)是塑性指數(shù)IpIp=WL-WpIp越大說(shuō)明土的可塑范圍越大，反之越小。粘性土塑性指數(shù)的大小主要取決于土中的粘粒，膠粒的含量以及礦物成份的親水性。也就是說(shuō)，土中粘粒膠粒的含量越多，親水性能越強(qiáng)，土的可塑性指數(shù)越大。所以工程上常用Ip這個(gè)參數(shù)來(lái)判定土的屬性。粘粒土的分類砂土（無(wú)塑性土）亞砂土（低塑性土）亞粘土（中塑性土）粘土（高粘性土）IpIp<11<Ip<77<Ip<17Ip>172.1.3判定粘性土的軟硬程度，用IL液性指數(shù)表示IL＝＝狀態(tài)堅(jiān)硬硬塑可塑軟塑流塑ILIL<10<IL<0.250.25<IL<0.750.75<IL<1.0IL>1.0土的滲透性粘性土滲透性能很差，很難用人工降水手段來(lái)抽吸出土中含水。盡管軟土中含水量大卻無(wú)法使它很快的流出。反應(yīng)在土力學(xué)上，用滲透系數(shù)K表示土中水的流速V=K*I單位cm/si－水力坡降K的計(jì)算要用實(shí)驗(yàn)的方法，過(guò)程很繁瑣。在工程上可根據(jù)粘性土的一些物理特性指標(biāo)來(lái)推算。由于土的滲透系數(shù)小，工程上稱它有良好的防滲性能，可用土來(lái)作擋水圍堰?？紫侗萫及壓縮系數(shù)a2.3.1孔隙比e孔隙比e定義是土中水的孔隙和空氣體積與土中土的體積之比e=Vv=Vw+Va2.3.2土的壓縮系數(shù)a我們看一個(gè)試驗(yàn)，取一標(biāo)準(zhǔn)試樣，在土樣上施加壓力后土在荷載作用下體積縮小。此時(shí)①土體被壓縮②土中土及氣體被擠出③土粒相應(yīng)發(fā)生移動(dòng)擠緊。試驗(yàn)時(shí)荷載逐級(jí)加大，測(cè)出相應(yīng)荷栽下的孔隙比，用孔隙比的一個(gè)差值與相應(yīng)荷載等級(jí)差值之比，就時(shí)某一級(jí)荷栽條件下的壓縮系數(shù)aa實(shí)際上是曲線某一處斜率，因非線性它各處斜率是不同的。在工程上規(guī)定在荷載100kp~200kp這個(gè)量級(jí)下的a記作a1-2cm2/kga1-2Cc1-2性質(zhì)＜0.1MPa<0.2低壓縮性土0.1~0.5MPa0.2~0.4中壓縮性土≥.5MPa＞0.4高壓縮性土固結(jié)系數(shù)Cv及土的壓縮模量Es介紹2.4.1固結(jié)系數(shù)Cv是一個(gè)控制性指數(shù)，尤其在計(jì)算地基固結(jié)和地基固結(jié)時(shí)間時(shí)用。Cv計(jì)算用間接法Cv＝＝土的固結(jié)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程可以用公式計(jì)算Tv=及t=式中Tv－垂直排水固結(jié)的時(shí)間因素Cv－固結(jié)系數(shù)Ht－土層排水厚度即排水距離t－土層固結(jié)時(shí)間粘性土排水固結(jié)速率的計(jì)算：當(dāng)排水主要是沿垂直方向進(jìn)行，通常是按一維固結(jié)理論來(lái)計(jì)算固結(jié)速率。這可以用圖表來(lái)說(shuō)明，設(shè)排水方向如果是單向向上，此時(shí)Ht＝H，如果雙向排水Ht＝1/2H土層排水固結(jié)時(shí)間t與土層排水距離的平方成正比，Cv成反比，H越大，Cv越小，固結(jié)時(shí)間越大。（如意大利的比薩斜塔，1178年建，至今還以每年1mm的速度下沉）。2.4壓縮摸量是指在空氣全側(cè)限條件下土的豎向附加應(yīng)力相應(yīng)變?cè)隽康谋戎?。單位MPaEs=（1+e）/aEs在計(jì)算土層沉降時(shí)用到，在不同土層不同深度會(huì)有不同數(shù)值。高壓縮性土中壓縮性土低壓縮性土Es<4MPaEs=4~5MPaEs>15MPa2.4.3地基規(guī)范中關(guān)于地基沉降用公式S=ΦsΣPo/Esi*(Zi*ai-Zi-1*ai-1)試中S—沉降量Po—地基壓縮摸量Z—地層分層厚度a—地基應(yīng)力系數(shù)Es—地基壓縮摸量Φs—沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.2~1.3應(yīng)用這個(gè)公式的原則由于附加應(yīng)力的非線形屬性，土層要分層計(jì)算分層要按照有關(guān)法則進(jìn)行附加應(yīng)力也需要遵照法則分層計(jì)算應(yīng)力系數(shù)的查用遵循Z/D（高/寬），L/D（長(zhǎng)/寬）的有關(guān)規(guī)定查用得出S還要根據(jù)E（彈性摸量）與地載力等級(jí)等有關(guān)規(guī)定來(lái)確定Φs用規(guī)范公式計(jì)算地層沉降，尤其是軟土沉降與實(shí)際相差很大。于是專家學(xué)者們認(rèn)為，在軟土地層中不能用壓縮摸量Es，而用變形摸量EoEo=βEs=Es（1-2μ2/（1-μ））=Es*（1-2μKo）β=1-2μKoμ為土層的泊松比，軟土中μ=0.42規(guī)范公式實(shí)際是：S=Poh/βEs廣東珠江三角洲的軟土是全國(guó)最軟的土，它的含水量在70%~80%，有些地區(qū)達(dá)到200%軟土在大面積數(shù)米厚填土的作用下，厚而軟的軟土可以產(chǎn)生以米或數(shù)米為單位的沉降。沉降時(shí)間是很長(zhǎng)的。在荷載壓力下，軟土可以流動(dòng)因而造成大量工程問(wèn)題。在進(jìn)行大量實(shí)地調(diào)查后，廣東水利科學(xué)院的專家提出，軟土沉降計(jì)算要：在飽和土固結(jié)偶合廣義變分原理建立用矩陣表示的有限元來(lái)計(jì)算根據(jù)軟土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，采用雙三次樣條函數(shù)表示應(yīng)力應(yīng)變用摻入變形摸量Eo，泊松比μ及滲透系數(shù)K，同樣各層Eo、μ、K是不同的。軟土層以及各填土層離散化成各個(gè)單元同樣是變化的。加栽計(jì)算過(guò)程應(yīng)完全符合實(shí)地施工的順序進(jìn)行。用以上方法計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降曲線比較接近。其實(shí)軟土的沉降計(jì)算十分復(fù)雜，很難計(jì)算準(zhǔn)確。粘性土的凝聚力C及內(nèi)摩擦角ΦC是粘聚力，只有粘土內(nèi)有，而砂土內(nèi)是沒(méi)有的。C、Φ值大說(shuō)明土的抗剪抗滑能力強(qiáng)，反之則差。粘性土的C、Φ是根據(jù)三軸試驗(yàn)得到的，根據(jù)土樣間的排水固結(jié)條件，三軸試驗(yàn)分為三種不同的方式。不固結(jié)不排水試驗(yàn)—UU試驗(yàn)稱為快剪試驗(yàn)求得Cu、Φu固結(jié)不排水試驗(yàn)—CU試驗(yàn)稱固結(jié)快剪試驗(yàn)求得Ccu、ΦcuCU試驗(yàn)是先充分排出土樣的孔隙水，等固結(jié)穩(wěn)定后，關(guān)閉排水閥不再排水，然后繼續(xù)加壓至土樣破壞。得到的Ccu、Φcu值遠(yuǎn)大于Cu、Φu固結(jié)排水試驗(yàn)—CD試驗(yàn)土樣充分排水固結(jié)后的CD、ΦD建議在建設(shè)工期短，土層透水性能差，排水不良的地區(qū)要采用不排水不固結(jié)試驗(yàn)，即UU試驗(yàn)。工程實(shí)際問(wèn)題及C、Φ的運(yùn)用圓弧滑坡計(jì)算介紹粘性土地區(qū)經(jīng)常遇到滑坡問(wèn)題。在開(kāi)挖過(guò)程中或填土過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)挖過(guò)大，坡度過(guò)陡或填土荷載過(guò)大過(guò)猛時(shí)，往往會(huì)發(fā)生滑坡現(xiàn)象。且粘性土滑坡往往發(fā)生的很突然。粘性土滑坡均為圓弧滑坡，可分為三種類型，尤其以坡底滑坡最為嚴(yán)重，稱為坡底滑動(dòng)或深層滑動(dòng)。在計(jì)算圓弧滑坡時(shí)，我們把滑動(dòng)弧近似看作沿圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱面（實(shí)際上是雙向弧面）。對(duì)圓弧滑動(dòng)進(jìn)行穩(wěn)定分析計(jì)算稱為圓弧法，也稱圓弧條分法（瑞典彼得遜法）。圓弧滑坡公式：Fs==≥1.3其中Fs—穩(wěn)定安全系數(shù)1.25～1.5C—粘性土的粘聚力KPaτ—圓弧長(zhǎng)度mγ—土的容重T/mb—土條寬度mR—圓弧半徑mhi—土條高度mαi—每土條與圓心垂線夾角圓弧滑坡計(jì)算中比較麻煩的是找準(zhǔn)圓弧的圓心，它往往要計(jì)算好多次，直到得到的Fs最小時(shí)，此時(shí)圓心才是最符合實(shí)際的圓心。從上圖我們看到，處于圓心以左的是抗滑體，這部分越大，抗滑力也越大。圓心以右的為滑動(dòng)體，這部分越小，滑動(dòng)力就越小。所以，在工程上可以適當(dāng)增加抗滑體，減少滑動(dòng)體，來(lái)使得土體穩(wěn)定。不過(guò)在軟土中，增加抗滑體并不一定能解決問(wèn)題。再說(shuō)，無(wú)限的加大抗滑體又會(huì)造成新的滑坡。軟土中側(cè)向土壓力問(wèn)題當(dāng)擋土墻或樁體靜止不動(dòng)墻后（樁后）土體處于彈性平衡狀態(tài)，作用在墻背（樁后）的土壓力稱為靜止土壓力，由于這個(gè)力是水平向的，所以也可稱為水平推力。此時(shí)水平推力也稱為主動(dòng)土壓力，用Ea表示。計(jì)算土壓力公式很復(fù)雜，但當(dāng)?shù)孛媸瞧秸膲w和樁體呈垂直狀態(tài)時(shí)，公式可以簡(jiǎn)化。粘性土αa=αx=γztg（45o-）-2Ctg（45o-）無(wú)粘性土C=0αx=γztg（45o-）墻底的土壓力強(qiáng)度總土壓力粘性土Eo=γhKa-2CEa=1/2γh2Ka-2h+2C2/γ無(wú)粘性土Eo=γhKaEa=1/2γh2Ka其中Ka—應(yīng)力系數(shù)Ka=tg2（45o-）當(dāng)?shù)孛嬗泻奢d時(shí)（如打樁）樁后有墊砂層及機(jī)械設(shè)備荷載q作用。一般可以將這個(gè)均布荷載換算成位于地表以上當(dāng)量土高度q/γ=，此時(shí)土壓力G=γKa墻底Eo=γ（h+）Ka=（q+γh）Ka=γKa+γhKa總土壓力是Ea=h-2Ch+=qhKa+1/2γh2Ka-2Ch+2C2/γ而被動(dòng)土壓力σp=γzKp+2C其中=tg2（45o+Φ/2）Ep=1/2h2+2Ch作用在樁前后的壓力差為Ea-Ep=qhKa+1/2γh2Ka-2Ch+2C2/γ-（1/2h2+2Ch）由于軟土中Kp≈Ka，且Φ很小，因此當(dāng)軟土中打樁時(shí)，可以近似認(rèn)為施工荷載的有多大，水平推力就有多大。廣東水科院的陸培炎教授說(shuō)過(guò)：軟土的側(cè)向壓力是軟土的一個(gè)重要特征，軟土的側(cè)膨脹系數(shù)，即土的泊松比μ一般為0.42，因而側(cè)向應(yīng)力系數(shù)Ko==1，即在軟土自重壓力作用下，流塑狀的軟土像流體一樣。軟土中的水平應(yīng)力幾乎相當(dāng)于垂直應(yīng)力。因此地面有荷載時(shí)一定要考慮側(cè)向應(yīng)力，如不考慮則會(huì)出問(wèn)題打樁時(shí)——樁體被推跑，樁體向前傾倒。擋土墻——被推歪或整體地被推跑。填土荷載過(guò)大，引起的側(cè)向壓力將建筑物下的