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软土性质及其工程问题

魏汝龙

(南京水利科学研究院)

        我国沿海地区,特别是在海河、黄河、长江、钱塘江、甬江、闽江和珠江入海口附近,地层通常为近代沉积层,大多是由含水量很高的软粘土组成。按照我国岩土工程规范的定义,软粘土一般泛指软弱粘性土。淤泥、淤泥质土以及强度低、压缩性高、透水性小的一般粘性土则统称为软土。为了区别象松砂那样的松软土层,称之为软弱粘性土或简称为软粘土。这些土一般都属于饱和正常压密或欠压密土,在其上建造建筑物时,需要进行加固处理。
1 我国沿海几种典型软粘土的工程特性
        表1示出我国沿海某些地区的软粘土的物理力学性质。我国沿海的软粘土主要有四类,分布在各地的同类土的性质十分相似,可能说明我国沿海大部分地区的软粘土的成因基本上相同。
        (1)淤泥
        在沿海或河口的水底表层往往有一层孔隙比е>1.5的淤泥,液限Wl=50-55%,塑限Wp=25-30%,塑性指数Ip=25-30,天然含水量w在60-90%以上,一般呈流动状态。其密度小( =1.50-1.60g/cm3),压缩性高(a1-2 =1.5-2.3/MPa),抗剪强度低(Su=5-10kPa)。颗粒组成中粘性含量占45—50%,粉粒占40—45%,砂粒含量少于10%,故透水性很低(k≈10-8cm/s),不易排水压密。在建造建筑物时,这层土最好挖除。
        (2)淤泥质粘土
        在沿海和河口的岸边,这类土分布很广,其液限wl=40-45%,塑限wp=20-25%,塑性指数 Ip=20左右,比上述淤泥稍低。天然含水量一般等于45-50%,稍大于液限,密度 =1.70~1.75g/cm3,孔隙比e≈1.3,压缩系数a1-2≈1/MPa,不排水强度Su=10-30kPa,工程性质较淤泥略胜一筹。颗粒组成中粘粒含量占35-40%,粉粒含量占55-60%,砂粒含量约占5%,透水系数k≈10-7cm/s,灵敏度约为3-5。
        (3)淤泥质粉质粘土
        这类土分布在淤泥质粘土的上面或下面,液限约为34%,塑限约为20%,故塑性指数为14左右。其天然含水量w=35-40%,也稍大于液限,密度 =1.80-1.85g/cm3,孔隙比e=1.05左右,压缩系数a1-2≈0.7/MPa。颗粒组成中粘粒含量高达60%,砂粒仅占5%左右,透水系数k≈10-6cm/s。
        上述两种淤泥质土中,特别是淤泥质粉质粘土中,常夹有薄层粉土,或薄层粉土和粘土交替成层状,类似于国外文献中的所谓带状粘土(varved clay)。在这种土中,水平透水系数往往比竖向透水系数大得多,有利于采用砂井排水预压法对它进行加固处理。
        (4)淤泥混砂
        这种土在我国华南地区尤其是在珠江口附近分布很广。表面看来,除了颗粒组成外,这种土的物理性指标似乎与上述淤泥质粘土十分相近,但力学性质不一样。由于混有多量砂粒,砂粒往往成团出现,砂粒含量随着深度而增加。这种土的表观含水量并不显得很高,其力学性质主要决定于填充在砂粒孔隙之间的淤泥。
        在淤泥混砂中不易取得原状土样。如果利用抽筒采取扰动土样,其中细颗粒往往会在抽筒的往复抽动过程中被钻孔底部的地下水冲洗掉。因此,按照这样的扰动土样,可能误将土定名为砂土,从而导致工程事故。表2汇总这四类软土的物理力学性指标范围。


2 软粘土中的工程问题
        在软粘土上建造建筑物时,经常遇到的工程问题主要有两个方面:变形和稳定,下面将用几个工程实例来说明在其中所取得的经验和教训。
        (1)贮油罐
        该油罐位于河口古河道上,地基软弱。除了地面下25-30m处有一层性质较好的粉质粘土外,其余的土层均由吹填土、淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土组成,直到60m 深度以下。在油罐兴建过程中,成功地解决了下述两个问题。①该油罐产生的荷载为170kPa,现场载荷板试验得到地基临塑承载能力Pkp≤50kPa。设计决定利用油罐充水预压提高地基承载力,并在充水预压过程中观测地基内的孔隙压力,以控制充水速率,使地基在稳定状态中逐步固结。②油灌直径达40m,在其有效影响范围内,地基均由高压缩性土层组成。利用三维沉降计算方法估算,油灌中心沉降将达190cm左右,边缘沉降约110cm,不但沉降量大,沉降差异也大。为了不致影响油灌的正常运行,采用予留沉降量的办法,使基础中心予抬高240cm,边缘予抬高170cm,油灌建成后基础边缘分层沉降的实测情况如图1所示。实践证明,上述措施取得了良好效果,油罐的施工过程十分顺利,建成后投产几十年,使用情况正常。

        (2)散粮筒仓
        筒仓总重约7×105kN,为了减少沉降,设计中采用桩基,穿过由淤泥质粉质粘土组成的软粘土层而支承于褐黄色粉质粘土层。这样,施工中需要在35m×70m左右的面积上打入长度为30.7m,截面为45cm×45cm的钢筋混凝土桩共604根,即相当于在该面积的地基内挤入约3750m3的混凝土。在饱和软粘土内打入这样密集的桩群,必然会使地基产生极大的扰动。在打桩区及其周围埋设仪器进行观测后发现,打桩期间地基内确实产生很大的孔隙压力,而其影响范围随时间而不断扩大。打桩区内的孔隙压力甚至超过上复土重压力。例如,打桩区中心下淤泥质土层的最大孔隙压力达到210kPa,约为其上覆土重压力的1.4倍(图2)。即使离打桩边缘距离20m的地方,淤泥质软粘土层内的最大孔隙力也可达到50kPa左右。但是,这种孔隙压力消散得相当快,至半年后土建工程基本竣工时,地基内各层土中的孔隙压力均已消散了70~80%,故不致影响筒仓运行期间的桩基承载力。测量表明,打桩时,地基表面不仅隆起,而且还有侧向位移。最大隆高和最大水平位移均达40-50cm,土体隆起的总体积约占入土基桩体积的40%。同时用测斜仪测量土体深层位移,发现离打桩区边缘5m的地方,地面下20m深度处的土体约有20cm左右的测向挤出,甚至在离打桩区20m以外的土体中,仍有十分明显的深层水平位移。以上情况说明,在饱和粘土中密集地打桩,对于土体扰动的影响范围很大,对此应予以充分注意。例如,设计时曾考虑将筒仓位置放在离码头岸坡较近的地方,后因担心筒仓荷重太大,会影响码头岸坡稳定,故决定将它后移,使筒仓中心线离开岸坡坡顶的距离约为100 m,打桩时未发现码头前沿的基桩及其后方的仓库有明显的变形或位移。按实测孔隙压力随距离的变化而外插,以计算在不同距离处密集地打桩所引起的孔隙压力对于码头稳定性的影响,发现筒仓中心线和坡顶的距离减到70m时,码头岸坡的稳定性就可能降到临界状态,这就证明将筒仓位置后移的决定是完全正确的。
        筒仓建成后使用情况良好,投产四年后,沉降已渐趋稳定,总沉降量约为65mm,仅为上述油灌中心实测沉降的4%左右。
        (3)水闸
        某水闸一端置于基岩上,另一端则下卧厚层的软粘土(图3)。闸身建成后,立即在边墩旁软粘土上回填,并填筑高达十余米的土堤。由于担心填土时软粘土会发生侧向变形,可能挤弯甚至挤断边墩区的就地灌注桩,曾经考虑过一些补救措施,例如采用空箱式岸壁或卸载平台等,但均因造价太高和费时太久而无法实现。当时发现粉质粘土中夹有许多薄砂层,特别是在+3和±0左右各有一层1-2m厚的细砂层,透水性较好。根据现场抽水试验,测出透水系数k=10-3cm/s左右,这对土层排水固结而提高强度是十分有利的条件。因此提出了分期施工的方案,在第一期施工中,先建成一个断面缩小的土堤,并由现场观测来控制施工速率。为了监测桩的挠曲从而控制施工过程,在边墩下的一根桩上,离桩顶2.8m处埋放一对测斜仪。观测表明,测斜仪读数的变化对填土速率十分敏感。当土堤高度达到6m左右时,发现闸身沉降不均匀,某些部分出现裂缝,测斜仪读数的变化速率也加快了二倍半,故决定暂缓施工。在距离边墩12.5m以内停止填土,在此范围外继续填土,但是进一步缩小断面,以减轻填土荷重。这样,测斜仪读数变化就明显减缓。此后,由于江水提前上涨,工程被迫停顿,不再继续填土,测斜仪读数变化很快就停滞下来。

        根据闸墩底面倾斜和桩身挠曲的实测数据,在一些简化假设的基础上进行初步验算后得出,即使最不利的情况下,桩顶的抗弯安全系数也在1.5以上。但是,基桩下部的素混凝土部分则可能早已断裂。因此,在桩基附近大面积填土时,特别是在软土上填土时,为了减小填土对桩基的不利影响,必须严格控制填土速率。
        (4)码头岸坡
        某码头建于海滩上,海滩原有泥面标高为+2.0~+2.5m,高潮时水深在1.0~1.5m左右。低潮时露出水面。土层主要由淤泥和淤泥质粘土组成,直到-18m以下才出现密实的粉土和粉砂层。设计采用高桩梁板结构型式,其断面如图4所示。码头整体稳定性用野外十字板试验强度以圆弧法验算,得出施工时和使用时的安全系数分别为K=1.20和K=1.10(包括切桩力)。施工中取消了设计断面中的反压护坡棱体,旧石坝以内泥面标高为+3.30m左右的吹填淤泥也未予清除。在基槽挖泥过程中,由于超宽、超深严重,曾发生过两起小滑坡。于开始打桩后不久,即发现岸坡有明显的位移。例如,第14排桩的桩帽模板在放线后三天中向海侧移动了4cm,其后15天又移动了10cm。同时坡顶出现三条裂缝,总长度达30m,深10-15cm,宽2cm。经研究,认为岸坡发生变形的主要原因是打桩振动的影响。为了保证码头的安全,采取了下述措施:①削坡减载;②设置纵向排水砂沟和短密砂井,以加强浅层的软粘土;③控制回填土加荷速率。按照上述方案顺利施工完成,并经受了1976年“七•二八”地震的考验,没有发生滑坡或明显的位移。