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硬壳层软基特性综述
更新时间:2021-03-17 点击:773

在我国沿海和内陆平原地区分布着大量的软土地基,这些软土地基的表层由于水分蒸发,地下水位降低,荷载迁移,可溶盐及其它成份的沉淀等因素长期作用,形成了一层厚度不大但性质较好的土层,即所谓硬壳层。这种硬壳层面积广大,呈中等压缩性或低压缩性,胶结结构性强,与其下的软土层相比含水量和孔隙比较小,容重、变形模量和地基承载力较大。

1.1 硬壳层成因

1)地下水位影响

由于软粘土层出露于地表,开始蒸发失水,土层中地下水位下降,地下水在毛细力作用下向着地表面流动并蒸发。地下水位降低后,土体的有效应力增加,产生土体固结,使孔隙比减少。


2)化学风化

化学风化既能在水下也能在地面上发生,不过,一旦软粘土沉积表面上升到水面以上,风化作用立即加剧。土层顶部的风化由含有溶氧的雨水渗透所引起, 因此风化的深度由渗透深度和孔隙水的含氧量所决定。有两种基本的、决定风化结果的变化过程,即:(1)矿物的分解,(2)离子交换。控制这两个变化过程的方向和速率的环境因素是酸度值(PH值),氧化还原电势(Eh)和温度。

3)淋滤作用

淋滤是从土层剖面中排除易溶物质例如可溶盐的过程。这种过程可以在水力梯度下发生,也可以通过扩散产生。淋滤主要靠雨水引起,随着雨水的不断下渗,靠近地表的土层含盐量较低,随深度递增有一定量的增加,直到基本不变。

淋滤可以减少液限,而塑限下降不多,因此塑性指数减少,因含水量变化不大,因此被淋滤粘土的原状土强度下降。对上部硬壳层来说,淋滤作用虽然使原状土强度减小,因相对其它作用来说相对较小,因此影响不大。

4)胶结作用

如前所述,风化产物可以生成胶结物质。胶结是一种成岩过程,它的产生取决于软粘土沉积期所存在的物质。胶结粘土含有由强联结结合在一起的颗粒,这种联结具有与非胶结粘土不同的特性,在非胶结粘土中占优势的是“有效摩擦力”和“有效粘聚力”所产生的联结。胶结作用甚至表现为很大的抗拉强度或表现为很大的粘聚力。胶结作用增加了粘土结构的强度,并表现为较高的原状土强度和临界压力的增加。

1.2 硬壳层特殊作用

上覆硬壳层软土地基与一般的均质地基作用机理有很大的不同,主要表现在硬壳层的几个特殊作用,它们分别为壳体效应、封闭作用、滞后作用和反压护道作用等。

1.2.1 壳体效应

具有硬壳层的软土地基在荷载作用下,硬壳层与其下的软土层形成一整体的承力系统,软土层的工程特性与硬壳层有密切的关系。硬壳层本身具有相对较大的密实度,而且有一定的刚度,因此它可以分担荷载产生的一部分剪力,即在一定的荷载剪力作用下不产生剪切变形或变形极小,这就使得硬壳层与下卧软弱层间的荷载传递方式有了一定的变化,此时的硬壳层已具有了类似于板体的作用,这种作用可称为硬壳层的“壳体效应”又称为扩散作用。壳体效应可使外荷传到较大的下卧软土中,使其下卧软土层的附加应力低于按传统扩散方法计算出来的附加应力,且分布更加均匀,分布的范围更大。硬壳层的厚度愈大,相对刚度愈大,这种扩散作用越大。

1.2.2 封闭作用

软土中有大量自由水存在,而这种自由水在其连通的孔隙中是能够传递静水压力的。当软土层上具有硬壳层时, 硬壳层与软土层形成了较为鲜明的强度差和刚度差。硬壳层相对其下的软土既是一种柔性的却又类似板体的结构,它不仅能够将其下部承受的荷载传递到较大的面积上去,起到应力扩散的作用,同时对下卧淤泥土的变形具有较强的封闭作用。

1.2.3 路基沉降滞后作用

关于硬壳层作用的另一看法是硬壳层对沉降的滞后作用,它延缓了沉降速率,对沉降不利。假如填土荷载较大,而硬壳层又较薄,形成的沉降盆几乎完全破坏了硬壳层的支撑力,这时滞后效应将会明显;相反,硬壳层较厚,荷载低,支撑作用将会是主要的。实际上,大多数情况下沉降盆对硬壳层的破坏是微小的,所以滞后效应不明显。

1.2.4 反压护道作用

当硬壳层在荷载作用下失去板体作用后,如果路堤中心土压力继续增大,基础随着地基的压缩变形而下沉。当基础刺入一定深度后,路基基脚周围硬壳层土体发生垂直剪切破坏。在周围硬壳层下软土体的类帕斯卡效应下,路堤坡脚外侧的土压力便会从比较平稳变为逐渐增大,说明由于软土层的压缩产生的侧向变形对其上硬壳层产生了向上的作用力。路基下部硬壳层相当于设了高度等于下沉量的反压护道。在路堤不发生破坏的前提下,下沉量愈大,这种反压作用愈明显。

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