土工加筋的作用机理

土工加筋的作用机理

软土地基是指压缩层主要由淤泥、淤泥质土或其他高压缩性土构成的地基。其承载能力很低，一般不超过50KN/m2。在软土地基修筑堤防工程，必须解决好四个方面的问题：①地基的强度和稳定性问题。②地基的变形问题。③地基的渗漏和溶蚀问题。④地基的振动液化与振沉问题。因此，研究堤防工程软土地基的特征，提出相应的处理措施就十分重要了。一、软土地基的特征软弱土包括淤泥、淤泥质土、杂填土及饱和松散粉细砂与粉土。堤防工程中主要是指天然孔隙比大于或等于1．5的亚粘土、粘土组成的淤泥和天然孔隙比大于1．0小于1．5的粘土组成的淤泥质粘土。其主要特征如下：1．孔隙比和天然含水量大我国软土的天然孔隙比e一般在1～2之间，淤泥和淤泥质土的天然含水量W＝50～70%，高的可达200%，普遍大于液限。2.压缩性高我国淤泥和淤泥质土的压缩系数一般a1～2都大于0．5MPa-1,建造在这种软土上的建筑物将发生较大的沉降，尤其是沉降的不均匀性，会造成建筑物的开裂和损坏。3.透水性弱软弱土尽管其含水量大，透水性却很小，渗透系数K≤1（mm/d）。因此，土体受到荷载作用后，呈现很高的孔隙水压，影响地基的压密固结。4.抗剪强度低软土通常呈软塑～流塑状态，在外部荷载作用下，抗剪性能极差，我国软土无侧限抗剪强度一般小于30KN/m2（相当于0．3KN/m2）。不排水剪时，其内摩擦角几乎为零，抗剪强度仅取决于凝聚力C，一般C＜30KN/m2；固结快剪时，内摩擦角＝5°～15°。5.灵敏度高软粘土上尤其是海相沉积的软粘土，在结构未被破坏时具有一定的抗剪强度，但一经扰动，抗剪强度将显著降低。其灵敏度（含水量不变时原状土与重塑土无侧限抗压强度之比）一般在3～4之间，有的甚至更高。二、软土地基失稳的机理引起软土地基上堤防滑动破坏的原因，在于软弱地基中某一面上的剪应力大于等于它的极限抗剪强度。究其原因主要有两个方面：一是由于剪应力的增加。例如：堤防加高加宽引起堤身重量加大、降雨使土体容重增加、水位降落产生渗透压力，地震和打桩引发动荷载等。二是由于软土地基本身抗剪强度的减小。例如：孔隙水压力的升高、气候变化旌干裂和冻融、粘土夹层因浸水而软化以及粘性土的蠕变等。根据《堤防工程设计规范》GB50286—98规定，假定滑动面以上土体为刚体，并以它为脱离体，分析在极限平衡条件下其上的全部作用力，并以整个滑动面上的平均滑动力与平均阻滑力之比来定义它的安全系数，即：K＝Fz/Fh式中：K—堤防稳定安全系数；K＞1时土体处于稳定状态，K＜1时土体处于滑动状态或有滑动的趋势，K＝1时土体处于临界状态。K值一般取1·05～1·30；Fz—作用于滑动面处的平均阻滑力，KN；Fh—滑动面处土体的平均滑动力，KN。三、软土地基处理的措施1.堤身自重挤淤法该方法就是通过逐步加高的堤身自重将处于流塑态的淤泥或淤泥质土外挤，并在堤身自重作用下使淤泥或淤泥质土中的孔隙水压力充分消散而增加有效应力，从而提高地基的抗剪强度能力。在挤淤过程中为了不致产生不均匀沉陷，施工时应放缓堤坡、减慢堤身填筑速度，分期加高。该方法具有节约投资的优点和施工期长的缺点。适用于地基呈流塑态的淤泥或淤泥质土，且工期不太紧的情况。2.抛石挤淤法该方法就是把一定量和粒径的块石抛在需要进行处理的淤泥或淤泥质土地基中，将原基础处的淤泥或淤泥质土挤走，从而达到加固地基的目的。通常将不易风化的石料（尺寸一般不宜小于30cm）抛填于被处理堤基中，抛填方向根据软土下卧地层横坡而定。最后在上面铺设反滤层。这种方法施工技术简单、投资较省，常用于处理流塑态的淤泥或淤泥质土地基。3．垫层法垫层法就是把靠近堤防基底的不能满足设计要求的软土挖除，代以人工回填的砂、碎石、石渣等强度高、压缩性低、透水性好、易压实的材料作为持力层。其优点是可以就地取材、价格便宜、施工工艺比较简单。适用于软土埋深较浅、开挖方量不太大的场地。4.预压砂井法预压法是在排水系统和加压系统的相互配合作用下，使地基土中的孔隙水排出，有效应力增加达到硬化固结的目的。其基本做法如下：先将加固范围内的植被和表土清除，上铺砂垫层；然后垂直下插塑料排水板，砂垫层中横向布置排水管，用以改善加固地基的排水条件；再在砂垫层上铺设密封膜，用真空泵将密封膜以内的地基气压抽至80KPa以上。该方法加固时间长，抽真空处理范围有限，适用于工期要求较宽的淤泥或淤泥质土地基处理。流变特性很强的软粘土、泥炭土不宜采用此法。5.振动水冲法振冲法是利用一根类似插入式混凝土振捣器的机具——振冲器（有上、下两个喷水口），在振动和冲击荷载作用下，先在地基中成孔，再在孔内分别填入砂、碎石等材料，并分层振实或夯实，使地基得以加固。用砂桩、碎石加固初始强度不能太低（初始不排水抗剪强度一般要求大于20KPa），对太软的淤泥或淤泥质土不宜采用。石灰桩、二灰桩是在桩孔中灌入新鲜生石灰或在生石灰中掺入适量粉煤灰、火山灰（常称二灰），并分层击实而成桩。它通过生石灰的高吸水性，膨胀后对桩周土的挤密作用，用离子交换作用和空气中的CO2与水发生酸化反应使被加固地基强度提高。6.旋喷法旋喷法是利用旋喷机具造成旋喷桩以提高地基的承载能力，也可以作联锁桩施工或定向喷射成连续墙用于地基防渗。旋喷桩是将带有特殊喷嘴的注浆管置于土层预定深度后提升，喷嘴同时以一定速度旋转，高压喷射水泥固化浆液与土体混合并凝固硬化而成桩。所成桩与被加固土体相比，强度大、压缩性小。适用于冲填土、软黏土和粉细砂地基的加固。对有机质成分较高的地基土加固效果较差，宜慎重对待。而对于塘泥土、泥炭土等有机成分极高的土层应禁用。7.强夯法强夯法是将80KN的夯锤起吊到6～30m的高度，让锤自由落下，对土进行夯实。经夯实后的土体孔隙压缩，同时，夯点周围产生的裂隙为孔隙水的出逸提供了方便的通道，有利于土的固结，从而提高了土的承载能力，而且夯后地基由建筑物荷载所引起的压缩变形也将大为减小。强夯法适用于河流冲积层、滨海沉积层黄土、粉土、泥炭、杂填土等各种地基。8.土工合成材料加筋加固法该法将土工合成材料平铺于堤防地基表面进行地基加大，能使堤防荷载均匀分散到地基中。当地基可能出现塑性剪切破坏时，土工合成材料将起到阻止破坏面形成或减小破坏发展范围的作用，从而达到提高地基承载力的目的。此土，工合成材料外与地基土之间的相互磨擦将限制地基土的侧向变形，从而增加地基的稳定性。四、软土地基的工程实例软土地基处理是一项技术复杂、难度大的非常规工程，必须精心组织施工，并注意以下环节：①进行技术交底和质量监理。在软土地基处理开始之前，应对施工人员进行技术交底，讲明地基处理方法的原理、技术标准和质量要求。技术交底最好为示范处理，边干边讲，效果良好。施工处理中有专人跟班，负责质量监理。②做好监测工作。在软土地基处理施工过程中，应有计划地进行监测工作，根据监测数据来指导下一阶段地基处理工作，提高软土地基处理技术水平。③处理效果检验。在软土地基处理施工完成后，经必要的间隔时间，采用多种手段检验地基处理的效果，同一地点地基处理前后定量指标发生的变化加以说明，以便指导工程实施。1.丰成市丰城大联圩北湖倒虹吸管的软土加固2000年丰城大联圩北湖倒虹吸管施工时，开挖基础到设计深度时，发现有30m长的基础夹有含水量高、强度低、压缩性大的淤泥质土层，最大厚度约3m，为防止堤基不均匀沉陷，增强堤防的稳定性，对该30m长堤段清除上层1．0厚的淤泥质土，然后布设孔径0．5m、孔深1．0～2．0m、孔间距1．0m的石灰碎石桩，振冲后上部分层填筑级配良好的砂卵石土料至基础设计高程，并碾压密实，在此基础上修建北湖倒虹吸管。堤防经一定时间的运行考验，经沉陷观测其沉降量很小，地层稳定，运行正常。2.新津县城区南河右岸条石护岸基石的软土加固2001年南河城区护岸施工时，开挖基础到设计深度时，发现有80m长的基础夹有含水量高、强度低、压缩性大的软粘土层，最大厚度5m，为防止堤基不均匀沉陷，增强堤防的稳定性，对该80m作了振冲加固。布孔为三角形，间距1．5m。根据软土分层情况，孔深定为2～5m，共280孔。使用30kW振冲器，加密电流50A，每孔平均施工时间20～40min，填料量720m3。振冲后，堤防经一定时间的运行考验，经沉陷观测其沉降量很小，地层稳定，运行正常。