楊樹斌

(衡水公路工程總公司)

關(guān)于公路施工中軟土地基的變形特性及其影響因素

楊樹斌

(衡水公路工程總公司)

摘 要：介紹了軟土的工程特性、軟土地基的變形特性及其影響因素，以及引起沉降變形的主要因素。

關(guān)鍵詞：軟土地基;變形特性;影響因素

1 軟土的工程特性

國(guó)內(nèi)外對(duì)軟土均無統(tǒng)一定義，我國(guó)鐵路、港口、建筑部門對(duì)軟土的定義也不盡相同。有的把軟土視為軟粘土的簡(jiǎn)稱，有的把軟土視為整個(gè)軟弱土質(zhì)(高壓縮型的有機(jī)土、可液化的沙土、軟粘土等)的簡(jiǎn)稱，有的則把軟土視為軟弱土基的簡(jiǎn)稱。

盡管國(guó)外及國(guó)內(nèi)各行業(yè)對(duì)軟土的描述和指標(biāo)各不相同，但歸納起來，天然軟土具有下列主要特性。

1.1 天然含水量高

天然軟粘土的含水量一般在34% ～72%之間，其值一般大于液限，屬于流動(dòng)狀態(tài)，天然孔隙比在1.0～1.9之間，故一般屬于淤泥或淤泥質(zhì)土，其中淤泥質(zhì)土占多數(shù)。液限變化在34% ～58%之間，大多在34% ～43%的范圍內(nèi)，塑性指數(shù)變化在13～30之間，大多數(shù)在15～20的范圍內(nèi)，屬于中等塑性的無機(jī)土。

1.2 壓縮性大

壓縮系數(shù)一般大于0.5 MPa-1之間，其壓縮性往往隨液限的增大而增大。由于軟粘土大多為第四紀(jì)后期的沉積物，通常屬正常固結(jié)土。但一些近期沉積的軟土，則為未完全固結(jié)土，即欠固結(jié)土。

1.3 滲透性小

滲透系數(shù)大部分為10-8～10-7cm/s之間，所以在荷載作用下固結(jié)很慢，強(qiáng)度不易提高。當(dāng)土中有機(jī)質(zhì)含量較大時(shí)，甚至?xí)a(chǎn)生氣泡，堵塞排水通道，降低其滲透性。對(duì)于夾有薄砂層的粘土，其水平向滲透性可能會(huì)顯著增大，滲透系數(shù)可達(dá)10-5～10-4cm/s。所以，該類土層的固結(jié)速率也比均質(zhì)粘性土要快得多。

1.4 抗剪強(qiáng)度低

一般在快剪情況下，粘聚力在10 kPa左右，內(nèi)摩擦角在0°～5°之間。固結(jié)快剪粘聚力與快剪相比差別不大，內(nèi)摩擦角一般在15°～20°之間。軟土的強(qiáng)度大小與排水條件有密切關(guān)系，在荷載作用下，如果土層有良好的排水條件，那么經(jīng)過固結(jié)后，它的強(qiáng)度隨有效應(yīng)力的增大而增加，反之，如果土層沒有排水固結(jié)，則隨荷載的增大，它的強(qiáng)度可能隨剪切變形的增大而衰減。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，軟土在深度10 m以內(nèi)的平均十字板剪切試驗(yàn)強(qiáng)度一般為5～20 kPa，深度每增加1 m，其強(qiáng)度平均增加1～2 kPa。

1.5 顯著的結(jié)構(gòu)性

特別是海相沉積的軟土，一旦受到擾動(dòng)(振動(dòng)、攪拌或搓動(dòng)等)，其絮凝狀結(jié)構(gòu)受到破壞，土的強(qiáng)度將明顯下降，甚至產(chǎn)生流動(dòng)狀態(tài)。軟土受到擾動(dòng)后強(qiáng)度降低的特性一般常用靈敏度來表示。因此，在高靈敏度粘土地基上進(jìn)行地基加固或基坑開挖時(shí)，應(yīng)力求避免土的過分?jǐn)_動(dòng)。另一方面，軟土擾動(dòng)后，隨著靜置時(shí)間的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度又會(huì)逐漸有所恢復(fù)，但一般不能恢復(fù)到原來結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

1.6 粘粒含量較高，且常含有有機(jī)質(zhì)

粘土粒的礦物成分一般為高嶺土、蒙脫石和水云母等，而以水云母最為常見。由于粘土礦物顆粒很小，一般呈薄片狀，且表面帶有負(fù)電荷，在粘土顆粒四周吸附著大量的偶極化分子。所以，在沉積過程中，軟土層常形成絮凝狀結(jié)構(gòu)，是造成軟粘土天然含水量大的原因之一。

2 軟土地基的變形特性及其影晌因素

在軟土地基上興建高等級(jí)公路通常需要填筑一定高度的路堤，填高路堤一方面是為了滿足抗洪和抗?jié)骋?，另一方面還要滿足結(jié)構(gòu)物通航和線性順直通暢的要求。在路堤荷載作用下，地基土中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起地基變形，出現(xiàn)路基沉降。土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常是通過對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果的整理分析提出來的，與普通金屬和混凝土等堅(jiān)硬材料相比，土體的變形有如下幾個(gè)特點(diǎn)。

2.1 非線性和非彈性

金屬和混凝土等堅(jiān)硬材料在軸向受壓時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系在初始階段為直線關(guān)系，材料處于彈性變形狀態(tài);當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系明顯轉(zhuǎn)為曲線，即堅(jiān)硬材料同時(shí)存在彈性變形和塑性變形。土體也有類似的特征，但是初始的直線關(guān)系段很短，其非線性變形特性比堅(jiān)硬材料明顯得多。土體在各種應(yīng)力狀態(tài)下都有塑性變形，非線性和非彈性是土體變形的突出特點(diǎn)。

2.2 各向異性

地基土往往由成層沉積而成，為層狀分布，同一土層內(nèi)土的性質(zhì)比較均勻，而各層之間土的性質(zhì)差別較大。在水平方向一般表現(xiàn)為各向同性，而沿深度方向由于土的自重應(yīng)力不同，在不同固結(jié)應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，即使同種土的各種參數(shù)如密度、模量、滲透性也會(huì)不同，因此在豎直方向表現(xiàn)出較大的差異性，為各向異性。

2.3 塑性體積應(yīng)變

土體顆粒間存在較大空隙，土樣在施加各向相等的壓力后，顆粒錯(cuò)動(dòng)，相對(duì)位置調(diào)整，顆粒之間發(fā)生剪切位移，有些顆粒擠入原來的空隙中。當(dāng)荷載卸除后，無法恢復(fù)到原來的體積，所以存在不可恢復(fù)的塑性體積應(yīng)變。

2.4 硬化和軟化

三軸測(cè)得土樣的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線有兩種狀態(tài)。應(yīng)力增加，應(yīng)變亦增加，曲線一直上升直到破壞，這種形狀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系稱為硬化;曲線前面部分上升，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一峰值后轉(zhuǎn)為下降，即應(yīng)力下降，應(yīng)變卻在增加，這種形狀的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系稱為軟化。在實(shí)際工程中，軟化會(huì)降低土體強(qiáng)度，加重周圍土體負(fù)擔(dān)，產(chǎn)生大面積破壞，因此要重點(diǎn)考慮軟化問題。

3 引起沉降變形的原因

3.1 地下水位的影響

降低地下水位引起地面下沉的原因有兩個(gè)方面：一是在某些粘性土中，當(dāng)土的含水量降低時(shí)，土體的體積將會(huì)減小，即土體具有失水收縮的性質(zhì);二是孔隙水壓力的減小將引起有效應(yīng)力的增加，尤其對(duì)下臥的軟粘土層和淤泥土層，降低地下水位后將會(huì)產(chǎn)生新的固結(jié)壓縮量，從而引起地面明顯下沉。

3.2 滲流和沖刷的影響

滲流將土中的一些細(xì)粒土帶出，長(zhǎng)時(shí)間的滲流作用，將使土體中產(chǎn)生連通的孔洞，繼而發(fā)生塌陷，引起地面下沉。沖刷是由于地面水或波浪引起的地表土的運(yùn)動(dòng)，但是當(dāng)下水管或自來水管破裂時(shí)也會(huì)引起對(duì)土的沖刷從而引起地表沉陷。在某些巖層和泥質(zhì)巖層中滲流或地下水的運(yùn)動(dòng)將對(duì)巖層產(chǎn)生侵蝕，最終導(dǎo)致地面下沉。

3.3 溫度改變的影響

相當(dāng)多的粘土在高溫作用時(shí)產(chǎn)生干燥收縮，當(dāng)溫度下降時(shí)，飽和土體，尤其是飽和粉細(xì)砂產(chǎn)生凍脹，因此在沉降計(jì)算中需考慮到溫度改變的影響。

3.4 土體中水分遷移的影響

有些粘土具有吸水膨脹，失水收縮的性質(zhì)，這類土被稱為膨脹土，膨脹土在我國(guó)的分布較廣，有很多的高速公路設(shè)計(jì)己經(jīng)考慮到了這個(gè)問題。研究資料表明，土的收縮或膨脹與土體的粘粒含量和塑性指數(shù)有密切關(guān)系。

3.5 植物的影響

與高塑性粘土發(fā)生沉降有關(guān)的另一因素是樹根的影響。由于植物的生長(zhǎng)和蒸騰作用而使得土體中的水分喪失，從而導(dǎo)致土體收縮，產(chǎn)生沉降。

3.6 應(yīng)力路徑與應(yīng)力歷史對(duì)變形的影響

巖土材料存在較大的塑性變形，沿不同的應(yīng)力路徑加載，盡管初始和終了的應(yīng)力狀態(tài)相同，加荷的應(yīng)力路徑不同，變形結(jié)果卻是不同的。歷史上的應(yīng)力路徑即應(yīng)力歷史，由于塑性變形不可恢復(fù)，歷史上保存和積累起來的變形也將影響今后的變形。

目前高等級(jí)公路大量興建，其中有些公路的軟土段沒有解決好地基變形問題，軟土層厚的路段沉降大，而軟土層薄的路段則沉降較小，由此造成公路縱、橫向沉降不均勻，路面排水和平整性也受到影響，汽車無法高速行駛。尤其在橋頭過渡段，不均勻沉降問題更加突出。橋梁一般采用樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)，沉降較小，與其相連的公路路堤一般較高，由此造成的沉降大，會(huì)在橋頭附近產(chǎn)生較集中的沉降差，汽車過橋就會(huì)跳動(dòng)，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生翻車撞車等交通事故。橋梁的過大沉降會(huì)造成建筑物的破壞或失穩(wěn)，也不能掉以輕心。

中圖分類號(hào)：U416.1

C

1008-3383(2011)08-0072-01

收稿日期：2011-05-23