一种通过控制次固结沉降的软土地基处理方法

摘要

本发明公开了一种通过控制次固结沉降的软土地基处理方法，对软土地基进行排水固结+堆载预压法处理，预压期满足后卸载回填超轻质材料EPS和填筑路面结构；地基处理设计前，地质勘探同时取得原状土样，进行系列常规次固结试验和超固结土次固结试验，获得设计所需的系列参数或曲线；地基处理设计时，除了进行常规的稳定和总沉降的计算外，还要进行次固结沉降计算，根据具体工程对地基工后沉降的要求进行对回填超轻质材料的厚度进行设计。本发明方法可使软黏土转化为超固结土，从而减少软土的次固结系数，减少软土层的次固结沉降量，达到控制构造物工后沉降的目的。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种通过控制次固结沉降的软土地基处理方法。

背景技术

软土也称软粘土，是软弱粘性土的简称，它形成于第四纪晚期，属于海相、泻湖相、河谷相、湖沼相、溺谷相、三角洲相等的粘性沉积物或河流冲积物，多分布于沿海、河流中下游或湖泊附近地区。常见的软弱粘性土是淤泥和淤泥质土，软粘土地基承载力低，强度增长缓慢，加荷后易变形且不均匀，变形速率大且稳定时间长，具有渗透性小、触变性及流变性大的特点。常用的软土地基处理方法有预压法、置换法、搅拌法等，软粘土在荷载作用下的强度会增长，饱和软粘土地基在外荷载作用下随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，土的抗剪强度也将会随之增长。

随着我国经济建设和沿海地区的发展，大型工程建设不断开展，涉及到软土的工程越来越多，工程量越来越大，以往不太为工程界所重视的软土地基次固结沉降成为一个必须重视的问题。软土次固结沉降通常指主固结完成后，在恒定的有效应力作用下土体由于土骨架蠕变所产生的长期变形，即地基在外荷作用下经历长时间，土体中超孔隙水压力已完全消散，有效应力不变的情况下，由土的固体骨架长时间缓慢蠕变所产生的沉降，一般土中次固结沉降的数值很小，但对于含有有机质的厚层软粘土，却不可忽视。

目前工程实践中施工期安全和稳定往往能够得到了有效保证，但工后沉降产生过大的现象仍常存在，其主要原因是次固结压缩量过大或下卧软土层工后压缩量过大导致工后沉降过大，导致路面开裂、桥头跳车、建筑物开裂或倾斜等情况出现。

为了控制软土地基的次固结沉降(工后沉降)，工程上通常采用排水固结+超载预压的方法，通过加大预压荷载或者延长预压时间来控制次固结沉降量，但是该方法通常采用经验系数法计算总沉降量和工后沉降量，未进行软土次固结试验以及次固结沉降计算，造成实际工程的工后沉降与计算值相差较大，工后沉降得不到控制；同时超载量受地基稳定的限制，超载比往往较小(一般不超过1.3)，效果不太显著。

目前，针对预压排水固结的软土地基处理方法不断改进，如公开号为CN106049413的中国专利技术通过强夯法将孔隙水经真空排水结构排出；CN104110025的中国专利技术采用软土内部管道与塑料排水板结合，利用真空抽排孔隙水将其排出；公开号为CN107916662的中国专利技术通过分区域分层等加快软土地基固结排水速率，简化施工工序；公开号为CN107916662的中国专利技术通过加筋、灌入泥浆等一系列施工方法控制次固结沉降。虽然，这些方法使得预压排水效果不断提高，一定程度上减少次固结沉降，但是它们均没有对次固结沉降进行量化控制，实际效果并不显著。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种通过控制次固结沉降的软土地基处理方法，可对地基工后沉降的不同要求进行量化设计。

一种通过控制次固结沉降的软土地基处理方法，通过原状土室内试验计算出正常固结状态下软土地基的工后沉降量，若其大于实际工程对软土地基的工后沉降要求，则采用超固结法对软土地基进行处理，所述超固结法即对软土地基进行排水固结+堆载预压法处理，预压期满足后卸载并回填轻质材料以及填筑路面结构(或堤坝等构造物)。超固结法可使软黏土转化为超固结土，从而减少软土的次固结系数，减少软土层的次固结沉降量，达到控制构造物工后沉降的目的。

进一步地，所述通过原状土室内试验计算正常固结状态下软土地基工后沉降量的具体过程为：首先在工程区域进行地质勘探并利用薄壁取土器获取原状软土土样；然后将采集到的土样制成试样并在正常固结状态下进行一维次固结试验和常规土工试验，获得软土地基每一土层的原状土次固结系数和常规土工参数；最后根据原状土次固结系数计算出每一土层的次固结沉降量，进而将每一土层的次固结沉降量累加得到正常固结状态下软土地基的工后沉降量，同时计算软土地基的主固结沉降量。通过原状土室内试验，这样可准确地获得软土的次固结系数和常规土工参数，以便较准确地估算次固结沉降量和主固结沉降量。

地基处理设计时，除了进行常规的主固结沉降量计算和稳定计算外，还要进行次固结沉降计算，根据具体工程对地基工后沉降的要求进行对回填超轻质材料的厚度进行设计。

进一步地，通过以下公式计算获得每一土层的原状土次固结系数：

其中：对于任一土层的原状土次固结系数C_α，t₁～t₂为试验中所选取的次固结起讫时间，e₁和e₂分别为该土层在次固结起讫时间对应的次固结孔隙比。

进一步地，通过以下公式计算每一土层的次固结沉降量：

其中：对于任一土层的次固结沉降量s，H为该土层的厚度，C_α为该土层的原状土次固结系数，t₁～t₂为试验中所选取的次固结起讫时间，e₀为固结度达到100％时该土层的孔隙比。

进一步地，所述超固结法对软土地基进行堆载预压，预压到地基固结度达到100％时卸载并回填轻质材料，轻质材料的填筑厚度由实际工程对软土地基工后沉降要求确定。当地基固结度达到100％时，地基工后沉降量等于次固结沉降量。

进一步地，采用超固结法对软土地基处理设计过程中通过以下步骤确定轻质材料的填筑厚度：

(1)将软土土样制成试样并在不同超固结状态下进行一维次固结试验，拟合出软土地基每一土层次固结系数随超固结比的变化曲线；

(2)选取多组不同的超载比，计算出每一土层在不同超载比荷载预压下卸载前后的附加应力和自重应力，并根据附加应力和自重应力计算不同超载比下每一土层的超固结比；

(3)根据每一土层次固结系数随超固结比的变化曲线，确定不同超载比下每一土层的次固结系数，进而根据次固结系数计算出不同超载比下每一土层的次固结沉降量，并将每一土层的次固结沉降量累加得到不同超载比下软土地基的工后沉降量；

(4)绘制出软土地基工后沉降量随超载比的变化曲线，并根据实际工程对软土地基的工后沉降要求选取对应的超载比，进而根据所选取的超载比计算确定轻质材料的填筑厚度。

进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算不同超载比下每一土层的超固结比：

其中：对于任一超载比OCL下任一土层i的超固结比OCR，σ₀为土层i在超载比OCL下的自重应力，σ₁为加载后土层i在超载比OCL下的附加应力，σ₂为卸载后土层i在超载比OCL下的附加应力。

进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算轻质材料的填筑厚度：

其中：h为填筑厚度，OCL为超载比，γ为土体的重度，γ_ESP为轻质材料的重度，H₀为路堤的设计高度。

进一步地，所述轻质材料采用超轻质材料EPS(聚苯乙烯泡沫)泡沫塑料块体；因EPS泡沫塑料块体重量很轻，其容重约为土容重的1％。这样可大大地提高超载比，使超载比大于1.3，增加土体的超固结比，从而减少次固结沉降。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明能够准确地估算地基次固结沉降(工后沉降)，能有效控制工后沉降量。

(2)本发明能使超载比大于1.3，而不受地基稳定的限制。

(3)本发明能根据构造物对地基工后沉降的不同要求进行量化设计。

附图说明

图1为本发明基于超固结法确定轻质材料回填厚度的流程示意图。

图2为次固结试验中的e～lgt曲线图。

图3为次固结系数与超固结比的拟合曲线图。

图4为超固结比计算过程中各应力表达示意图。

图5为次固结沉降量与超载比的拟合曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的核心思想在于：地基处理设计前，地质勘探同时取得原状土样，进行系列常规次固结试验和超固结土次固结试验，获得原状土次固结系数、常规土工参数和超固结试验曲线；地基处理设计时，除了进行常规的稳定和主固结沉降的计算外，还要进行次固结沉降(工后沉降)计算，根据具体工程对地基工后沉降的要求进行量化设计。

本发明软土地基处理方法包括以下步骤：

步骤一：地质勘探同时取得原状土样，进行系列常规次固结试验和常规土工试验，通过原状土室内试验，这样可准确地获得软土的次固结系数和常规土工参数，以便较准确地估算次固结沉降量和主固结沉降量。

步骤二：通过原状土室内试验计算出正常固结状态下软土地基的工后沉降量。

首先确定软土地基分层，在工程区域进行地质勘探并利用薄壁取土器获取每层土原状软土土样；然后将采集到的土样制成试样并在正常固结状态下进行一维次固结试验和常规土工试验。一维次固结试验参照《土工试验方法标准》中固结试验的要求，对试样进行分级加载，按照时间顺序测记试样高度变化，即在施加每级荷载后记载各个瞬时时刻试样的变化高度，荷载稳定48h后再施加下一级荷载；获得每级荷载下一维次固结试验e～lgt曲线，整理获得每一土层的原状土次固结系数。

大量的试验数据表明，e～lgt曲线呈现S型，图2为室内一维固结试验结果，由试验规律可知，反弯点后半段为次固结阶段，斜率即为次固结系数。利用公式(1)计算，获得软土地基每一土层的原状土次固结系数；最后根据公式(2)计算出每一土层的次固结沉降量，进而将每一土层的次固结沉降量累加得到正常固结状态下软土地基总的次固结沉降量。

式中：C_α为次固结系数，t₁～t₂为试验中所取的次固结起讫时间，e₁和e₂分别为次固结起讫时间对应的次固结孔隙比。

式中：s_i为每一土层的次固结沉降量，H_i为每一土层的厚度，下标i表示第i层，e₀为固结度100％时的孔隙比。

步骤三：若软土地基的工后沉降量大于实际工程对软土地基的工后沉降要求，则采用超固结法对软土地基进行处理，超固结法即对软土地基进行排水固结+堆载预压法处理，预压期满足后卸载并回填超轻质材料以及填筑路面结构(或堤坝等构造物)。

超固结法可使软黏土转化为超固结土，从而减少软土的次固结系数，减少软土层的次固结沉降量，达到控制构造物工后沉降的目的。超固结法需对软土地基进行堆载预压，堆载期间须确保路堤的稳定性，预压到地基固结度达到100％以上时，卸载并回填轻质材料，轻质材料的填筑厚度由实际工程对软土地基工后沉降要求确定。

本实施方式中的轻质材料采用超轻质材料EPS(聚苯乙烯泡沫)泡沫塑料块体，因EPS泡沫塑料块体重量很轻，其容重约为土容重的1％；这样可大大地提高超载比，使超载比大于1.3，增加土体的超固结比，从而减少次固结沉降。

步骤四：采用超固结法对软土地基处理设计过程中通过以下步骤确定轻质材料的填筑厚度，如图1所示：

4.1将软土土样制成试样并在不同超固结状态下进行一维次固结试验，拟合出软土地基每一土层次固结系数随超固结比的变化曲线，如图3所示。

4.2选取几组不同的超载比，根据堆在荷载类型、荷载大小，查附加应力系数表，计算出每一土层在不同超载比荷载预压下卸载前后的附加应力和自重应力，并根据公式(3)计算不同超载比下每一土层的超固结比，各应力表达含义如图4所示。

式中：σ₀为土体的自重应力，σ₁为加载后土体的附加应力，σ₂为卸载后土体的附加应力。

4.3根据不同超载比下每一土层的超固结比来确定每一土层的次固结系数，进而根据次固结系数计算出不同超载比下每一土层的次固结沉降量，并将每一土层的次固结沉降量累加得到不同超载比下软土地基的工后沉降量。

4.4绘制出软土地基工后沉降量随超载比的变化曲线，如图5所示，根据实际工程对软土地基的工后沉降要求选取对应的超载比，进而根据所选取的超载比计算确定轻质材料的填筑厚度。在考虑换填时，定义超载比OCL为超载预压状态下的荷载即加载后的荷载与置换后路基的使用荷载之比。以高速公路路堤为例，由于路堤设计高度H₀设计时已经确定，故超载比按照定义为：

式中：h为换填厚度，OCL为超载比，γ为土体的重度，γ_ESP为ESP换填材料的重度，H₀为路堤设计高度。

将上式整理可得换填厚度的计算公式如下：

不同的超载比对应不同的换填厚度，如图5所示，通过不同的换填厚度控制工后沉降。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。