（交通运输工程专业论文）内蒙古高原湿地软弱土地基处理效果及变形规律研究.pdf

摘要 本文介绍了湿地、高原湿地在自然生态环境中重要作用，对内蒙古高原湿地软弱土 地基的工程特性做了分析，同时对多种软弱土地基处理方法做了比较。综合考虑生态保 护依托工程情况，选择了碎石桩复合地基和强夯片石置换地基处理方案。 依据工程实际情况，设计了完整的软弱土地基监测方案。通过长期监测，获得了大 量的软弱土地基变形、孔隙水压力和土压力监测数据。在此基础上，分析了高原湿地软 弱土地基工程特性，同时为工程建设提供了及时有效的反馈数据，为工程建设安全顺利 的进行提供了保障。变形监测数据分析显示，强夯片石置换方法加固地基效果明显，更 适合在该地区采用。本文研究工作对类似工程具有借鉴意义。 关键词：高原湿地软弱土地基处置监测碎石桩强夯 a b s t r a c t t h ei m p o r t a n te f f e c to fw e t l a n da n dp l a t e a uw e t l a n do ne n t i r o n m e n tb a l a n c ew a s i n t r o d u c e da n da n a l y z e d t h ee s p e c i a le n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fn e i m e n g g u 、sp l a t e a u w e t l a n dw e r ea n a ly z e d m e a n w h i l e ，d i v e r s i f o r ms o f tc l a ys u g b r a d ed i s p o s a lm e a n sw e r e c o m p a r e d i nv i e wo fe n t i r o n m e n tp r o t e c t i o na n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a t e a u w e t l a n d ，g r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nr u b b l es u b s t i t u t i o n a c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n ga c t u a ls t a t e ，c o m p l e t es o f tc l a yf o u n d a t i o nm o n i t o r i n g s c h e m ew a sd e s i g n e d b ym e a n so fl o n g - t e r mm o n i t o r i n g ，am a s so fd a t ao fd e f o r m a t i o n 、 p r e s s u r eo fp o r ew a t e ra n ds o i lw a so b t a i n e d b a s e do ni t , e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o f t c l a yf o u n d a t i o ni nt h ep l a t e a uw e t l a n dw e r ea n 矾y z e da n dt i m e l ya n de f f e c t i v ef e e d b a c kd a t a w a sp r o v i d e dt oe n s u r et h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nc a r r y i n gt r o u g hs a f e l ya n ds u c c e s s f u l l y i tw a sa p p e a r e dt h a tt h ef o u n d a t i o nd i s p o s a lm e a n so fd y n a m i cc o n s o l i d a t i o nr u b b l e s u b s t i t u t i o nh a sb e t t e re f f e c ta n dw a sm o r ea p p r o p r i a t et oa p p l yi nt h a ta r e ab ym e a n so f a n a l y z i n gt h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gd a t a t h es t u d yo ft h i sp a p e rc a nb er e f e r r e df o rs i m i l a r e n g m e e n n g k e yw o r d s ：p l a t e a uw e t l a n d ；s o f tc l a yf o u n d a t i o n ；d i s p o s a l ；m o n i t o r i n g ；g r a v e lp i l e ； d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：锄固疹 矽其伊 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：锄乃牺加7 年月少日 钟签名：夕阮j 翠矽。7 年月7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题依据及研究的必要性 自2 0 世纪3 0 年代美国及德国开始兴建，至5 0 年代世界各国大力发展高速公路以 来，目前，在全世界6 0 多个国家共修建高速公路1 5 万公里，公路客货运输比例大大增 加，甚至超过了铁路。高速公路建设已称为世界各国拉动经济发展，加速社会发展进程 的重要一环。我国公路建设事业虽然起步较晚，但在改革开放之后发展迅速，并在8 0 年代中期确立了发展高速公路的方针，1 9 8 4 年开工建设大陆第一条高速公路沪嘉高 速公路并于1 9 8 8 年建成通车，之后，沈大、京津塘、沪宁高速公路相继建成投入使用， 至2 0 0 3 年，我国高速公路通车总里程已超过2 万公里，在世界高速公路排行榜中列第 三位。 软土，一般指天然孔隙比大于或等于1 o ，且天然含水量大于液限的细粒土，包括 淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等n 1 。工程实践中常遇到指标接近但不满足上述规定 的地基土。这些土的工程性质与软土接近，近年来在工程实践中越来越引起人们的关注。 就广义而言，称具有抗剪强度低、压缩性高等与软土工程性质接近( 包括软土在内) 的 土为软弱土。与东部沿海平原地区广泛分布的软土不同，中西部地区的公路软弱土地基 有其自身的特点。我国沿海诸省，除去山东省部分地段外，大部分为泥质海岸，土层为 淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及泥混砂层，属于饱和的正常压密粘土。对于这类软 弱土地基的处理方法，经过多年的工程实践和经验积累，国内已取得了较为成熟科学的 成果心勺1 。我国中西部地区受地形地势和气候降水等自然因素的影响，软弱土地基主要以 两种形态出现：其一主要分布在河流两岸的河漫滩淤积地区，如内蒙古河套地区的黄河 两岸和一些内陆河流的两岸，其二为分布在内蒙古高原内陆湖泊边缘以及一些低洼地 段，也就是常说的高原湿地，这些地基有着较为鲜明的特点，与一般的软弱土地基有着 较大不同。 由于西部地区经济相对欠发达，在处理湿地软弱土地基方面的成功经验较少，也没 有相应的成套监测技术，因此加强这方面的科学研究对于保证工程质量、加快施工进度、 为本地区高等级公路建设积累宝贵的经验有着积极的意义。本课题依托国道2 0 8 线集丰 高速公路项目，对高原湿地形成的原因、地貌特征、土体的相关物理力学特点，以及采 取针对不同的处置方案后地基沉降原理以及相关的监测技术进行了详细的研究。 第一章绪论 1 2 高原湿地的基本特征 由于我国幅员辽阔及其所处的地理位置，它具有不同类型的湿地并包括一些世界上 最重要的湿地。我国大约有2 5 0 0 多万公顷的湿地，包括1 1o o 万公顷的沼泽，1 2 0 0 万公 顷湖泊( 自然的及人工的) 和2 1 0 万公顷滩涂、盐沼泽。大约8 0 ( 2 0 0 0 万公顷) 的 湿地是淡水的。面积1 0 0 公顷以上的湖泊有2 3 5 0 个，还有小至池塘大至水电坝构成的 8 6 0 0 0 个水库，1 万公顷以上的自然湖泊有1 3 0 个，大多数位于长江中下游及青藏高原。 1 2 1 湿地的基本特征 ( 1 ) 湿地的概念 “湿地”一词源自英文w e t l a n d ，该词是由两个词组成的，即w e t 和l a n d 。w e t 是潮湿 的意思，l a n d 是土地，所以“湿地”一词的中文译名是准确的。有一段时期，有人按照 日文字译为湿原，经多数学者推敲比较，一致认定“湿地”一词比较准确。但是湿地的定 义是什么，各国和各学者有不同的解释，但大体上可分为广义和狭义两种。狭义定义一 般是认为湿地是陆地与水域之间的过渡地带。广义定义则把地球上除海洋( 水深6 米以 上) 外的所有水体都当作湿地。湿地公约对湿地的定义就是广义的定义，具体文字表述 是：“湿地系指不问其为天然或人工、长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带，带有 或静止或流动、或为淡水、半咸水或咸水水体者，包括低潮时水深不超过6 米的水域”。 同时又规定：“可包括邻接湿地的河湖沿岸、沿海区域以及湿地范围的岛屿或低潮时水 深超过6 米的区域”。美国的定义是：“湿地是有水覆盖着土壤的地方，或全年或一年中 不同时期( 包括生长期) 在土壤表面或接近表面处存在着水。”目前我国尚未对湿地下 定义，多数学者倾向采用湿地公约的定义。 各国的定义既有相同之处，也有相异之点，但不管采取哪种形式，以下三点构成了 湿地定义的基本框架： 湿地的确定是以水的出现为标准的； 湿地通常具有独特的土壤； 湿地生长着适应潮湿生态环境的植被，抗旱植被非常少。 根据湿地的广义定义，河流、湖泊、沼泽、珊瑚礁都是湿地。此外湿地还包括人工 湿地，如水库、鱼( 虾) 塘、盐池、水稻田等。湿地广泛分布于世界各地，从冻土地带 到热带都有湿地，但迄今没有全球湿地资源的精确数字。据世界保护监测中心的估测， 全球湿地面积约为5 7 0 万k m 2 ( 也有人估计为8 5 0 万k m 2 ) ，占地球陆地面积的6 ，其 2 长安大学硕士学位论文 中湖泊占2 ，药类沼泽占3 0 ，草本沼泽占2 6 ，森林沼泽占2 0 ，洪泛平原占1 5 。世界红树林的面积约2 4 万k m 2 ，珊瑚礁约6 0 万k m 2 。就世界而言，湿地经历着退 化、丧失和恢复的过程。据文献材料，美国的湿地丧失了5 4 ，法国丧失6 7 ，德国 丧失5 7 。中国丧失的湿地也很多，只是没有精确的统计数字。 ( 2 ) 湿地的类型 湿地的类别很多，但至今没有世界公认的湿地分类标难。美国将湿地系统分为六级， 即系统、亚系统、类、亚类、主体型、特殊型。据此，将湿地分为滨海湿地、河口湿地、 湖泊湿地、河流湿地、沼泽湿地等五类。加拿大将湿地系统分为三级：类、型、体。由 此将湿地分为藓类沼泽、草本泥类沼泽、湖滨湿地、森林泥炭沼泽湿地、浅水湿地等五 类。我国将湿地分为沼泽湿地( 根据有无泥炭积累，又分为泥炭沼泽、无泥炭沼泽两个 亚类) 、湖泊湿地( 包括湖滩和河滩地) 、滨海湿地( 包括海涂、河口) 等三类。湿地公 约将湿地分为三类，( 1 ) 海洋顺岸湿地：下分十二类，主要有浅海水域、河口、泻湖、 盐湖、滩涂：( 2 ) 内陆湿地：下分二十类，主要有河流、湖泊、沼泽、泥炭、冻土；( 3 ) 人工湿地：下分十类，主要有水产养殖、灌溉地、盐池、污水处理池、水库。 湿地公约主张各国可以根据本国的具体情况对湿地进行分类，可以用本国的习惯名 字进行分类。如巴西在湿地分类时就用了当地语言。 ( 3 ) 湿地的功能 长期以来，湿地的价值不为人们所知晓，无论中国还是外国，往往把湿地当作无用 之地。现代科学有充分证据证明湿地有许多非常重要的功能，它关系到人类的生存环境。 所以保护湿地就是保护人类的生存环境。湿地功能和重要性，大体上可以归纳如下： 曲生命的摇篮 科学已经证明，生命来源于水，所以湿地与生命是紧密相连的。 b ) 文明的摇篮 人类文明发源于大河，国外的尼罗河、底格里斯河、幼发拉底河、恒河、湄公河和 我国的黄河都是人类文明的发祥地。 c ) 直接利用的价值 湿地出产了人类必不可少的直接利用产品，主要有：( 1 ) 水资源：饮用水、工业用水 大部分来源于湿地。地下水也与湿地息息相关；( 2 ) 湿地产品：主要有色、虾、贝、藻类、 莲、藕、菱、泥炭、木材、芦苇、药材等。有人计算过，湿地的生产力高于非湿地。湿 地动植物资源的利用还间接带动了加工业的发展：中国的农业、渔业、牧业和副业生产 第一章绪论 在相当程度上要依赖于湿地提供的自然资源；( 3 ) 湿地矿产：湿地中有各种矿砂和盐类资 源。中国的青藏、蒙新地区的碱水湖和盐湖盐的种类齐全，储量极大。盐湖中还富集着 硼、铿等多种稀有元素。中国一些重要油田，大都分布在湿地区域，对发展国民经济意 义重大；( 4 ) 能源：湿地中的泥炭是很好的燃料，此外水力发电是人类生活中的重要能源 之一；( 5 ) 水运：水运是最古老也是最廉价的运输方式，某些地方水运是惟一的运输方式。 m 间接利用价值 流量调节。降雨时湿地可以吸纳大量的水，干旱时又能释放水，这对于人民生活 和生产是十分重要的； 防止海水入侵。沿海地区入海的淡水减少时；海水会沿着江河向上扩展，严重时 会影响人民的生活； 与地下水的交流，即补充地下水或来自地下水。这个功能十分重要，如果地下水 得不到补充造成地下水位下降，会使地面沉降，危及人们的生活和生命安全； 营养物质的沉积。流水进入湿地后，其中的营养物质会因水流缓慢而沉积，成为 湿地植物的养料。湿地植物可以被人们利用。湿地沉积的有毒物质可被分解，所以人们 把湿地称为地球之肾； 调节气候，湿地对小气候有影响。人们发现，破坏湿地意味着湿地储存的碳以二 氧化碳的形式释放到大气中，造成气候变暖，所以开采湿地中的泥炭必须谨慎； 生物多样性。湿地物种十分丰富，蕴藏着丰富的遗传资源。我国湿地高等植物约 1 5 6 科、4 3 7 属、1 3 8 0 多种。从植物生活型方面划分，有挺水型、浮叶型、沉水型和漂 浮型等；有一年生或多年生植物；有的是草本，有的是木本；有的是灌木，有的是乔木。 我国在湿地栖息的动物有1 5 0 0 种左右( 不含昆虫、无脊椎动物、真菌和微生物) 。其中 水禽大约2 5 0 种，包括亚洲5 7 种濒危鸟中的3 1 种，如丹顶鹤、黑颈鹤、遗鸥等；湿地 是迁徒鸟类的必经的停歇地。仅在亚太地区，就有2 4 3 种候鸟，每年沿着固定的路线迁 飞，途经5 7 个国家和地区。以涉禽为例，每年春秋两季沿中亚印度、东亚澳 大利亚、西太平洋三条线路在南北半球之间进行上万公里迁飞，途中必须在湿地停歇并 补充食物。所以湿地( 无论在哪一个国家) 是全球生态系统的组成部分，任何一个国家 的湿地状况都会影响全球生态环境； 文化遗产。世界上有些种族的文化和宗教与湿地不可分割，如菲律宾的棉兰老岛； 我国太湖发现了新石器时期的文化遗址数百处； 保护海岸，防止侵蚀。热带和亚热带的红树林防止海岸侵蚀的作用最为明显。湿 4 长安大学硕士学位论文 地植被还有防风作用； 生态功能。湿地是一个独特的生态系统，它具有自己的物种、生境和自然过程。 它的生态功能有待深入研究： 景观价值。湿地具有巨大的景观价值。风景区不能没有水。桂林山水甲天下，没 有漓江就没有桂林的美景。九寨沟的美景全在水。滇他、太湖、洱海、杭州西湖等都是 著名的风景区。现在提倡生态旅游、观鸟等，湿地是最佳场所； 教育与科研价值。湿地生态系统特别是动植物群落的多样性，在科研中都有重要 地位，它们为教育和科学研究提供了对象、材料和试验基地。一些湿地中保留着过去和 现在的生物、地理等方面演化进程的信息，在研究环境演化和古地理方面有极重要价值。 美国自然杂志曾发表科学家的研究成果，表明湿地的单位价值在各种生态系统 中名列榜首，每公顷湿地生态系统每年创造的价值达4 0 0 0 1 4 0 0 0 美元，分别是热带玉 林和农田生态系统的2 - 7 倍和4 5 - 1 6 0 倍。我国学者对全国生态系统功能与效益初步 评估认为，湿地生态系统效益价值为3 2 4 0 亿美元年，占陆地生态系统总效益价值的4 7 7 。而湿地面积占陆地国土面积的比例，按一直采用的数据尚不足7 ，可见湿地价值 相当可观。 ( 4 )中国湿地 由于中国幅员辽阔及其地理位置，它具有许多不同类型的湿地并包括一些世界上最 重要的湿地。共拥有湿地面积6 5 9 0 多万公顷，约占世界湿地面积的1 0 ，居亚洲第一 位，世界第四位。按照湿地公约对湿地类型的划分，3 1 类天然湿地和9 类人工湿地在中 国均有分布。在中国境内，从寒温带到热带、从沿海到内陆、从平原到高原山区都有湿 地分布，而且还表现为一个地区内有多种湿地类型和一种湿地类型分布于多个地区的特 点，构成了丰富多样的组合类型。 中国的湿地可分成九个主要区域：东北湿地、长江中下游湿地、杭州湾北滨海湿地、 杭卅i 湾以南沿海湿地、云贵高原湿地、蒙新干旱半干旱湿地和青藏高原高寒湿地。本文 研究中工程所处地域属于蒙新干旱半干旱湿地，属于高原湿地类型。 1 2 2 高原湿地的基本特征 顾名思义，高原湿地是地势比较高的湿地，即位于高原上的湿地。由于其特殊的地 势地貌，存在不同于一般湿地的特征和特点。在我国，高原地区的湿地一般深居内陆， 来自海洋的湿润气流来到这里已很微弱，是典型的干旱、半干旱地区，除个别地方和境 内高大山地的迎风坡降水较多外，人部分地区降水不超过2 0 0 m m ：另一方面，由于高 原地势平坦，水流缓慢，排水不畅，同时温度比较低，冻土普遍发育，阻止水分下流， 致使地表过湿，形成大面积的沼泽湿地；最为重要的是，内蒙古高原地区是由季风多年 欧积形成，土质比较疏松，彤成了表层不深的软弱土，并夹杂深度不一的泥炭土层，这 是高原湿地的最重要特征，也是高原湿地地区软弱土地基在变形条件方面与内地和沿海 地区软弱土地基最大的区别。 ( 1 ) 泥炭土的性质特征 泥炭是沼泽湿地区特有的有机矿产资源。泥炭分布面积相当于地表总面积的1 2 。泥炭是沼泽植物死亡后，在空气不足的过渡湿润条件下，通过厌氧微生物的缓慢分 解而逐渐累积形成的。它富肯有机质、纤维索和多种物质成分( 图11 ) 。 图11黄旃海湿地的泥炭土( 挖掘出经过一段时间风干后) 泥炭地基的承裁力低，压缩性人，地f 水位较高，困此常造成工程上许多问题，比 如：建( 构) 筑物的滑移、大量沉降，还可能山现翻浆、侧流及地下水位下降，受振动 则造成下卧层破坏。主要涉及下列几方面： 稳定性问题。稳定性分析涉及到分析目的和分析方法，一般对于抗滑移问题安全 系数取l2 ，对防侧流问题安仝系数取l5 ： 沉降问题。泥炭地基的沉降分为瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降及侧流沉降， 但各阶段却难以严格区分和度量。沉降问题涉及到地基勘奁、地层构造、沉降计算及竣 工后的测试等： 临近建筑物的变形问题。由于泥炭地基地下水位很高，施工时常要采取降水措施， 因而会导致临近地基地f 水位的变化，可能使临近建筑物下沉、倾斜或破坏。在对泥炭 地基进行勘察对应考虑到这一点； 振动与噪音。在泥炭地基上施工时，会有施工机械、交通丁具的振动与噪音问题 长安大学硕士学位论文 会造成下卧层破坏及对周围环境产生影响，施工时会必来取相应措施。 泥炭地基具有特殊的物理化学特性、固结特性及力学特性。 物理化学特征 有泥炭存在的地基的地下水位较高，通常为地表下1 0 、 7 0 m m 左右，因此含水量很 高。泥炭不同于一般地基的三相组成。它可分为四相：有机质、矿物质、液体、气体。 其中有机质内又分为固、液、气三相。有机质间的孔隙占全部孔隙2 0 ，余下8 0 在 有机质内。 泥炭不但含水量高( 可达1 0 0 0 ) 、灼失量大( 可达9 0 ) 、孔隙比大、压缩性高、 密度小、比重小、抗剪强度低，并且其压缩指数、抗剪强度与渗透性都表现出各向异性。 比重、密度、孔隙比与含水量、灼失量之间表现出一定的相关性： 扬： 2 兰! ( 1 1 ) 乃2 瓦i 面 u j ) 2 5 0 巳 0 0 2 2 2 0 ) 2 5 0 = 0 0 1 3 7 c o + 2 1 3 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 其中，儿为干密度；为含水量；e 。为孔隙比。 另外，泥炭的p h 值在4 7 之间，显酸性，对钢材有腐蚀作用。泥炭的热传导性能 差，可以作隔热层。 固结特性 + 图2 2 为典型的固结沉降与时间关系图。从图中可看出，开始时沉降很快，然后趋 于缓慢，最后稳定。图2 3 为l o g ( d e d t ) l o g t 关系曲线，图中拐点是主固结与次固结的 分界点。 夺主固结：在固结过程中，孔隙比与压力p 有图2 4 所示关系，固结屈服压力见为 o 0 5 0 4 k g 2 ，现场测试的因结系数c 矿与实验室测得的c 矿差异很大。与常规土相反， r n 。 其压缩指数c c 为变量； 令次固结：次固结系数定义如下： c a = j 吆l 吲 ( 1 4 ) 次固结系数与压力、有机质含量及环境有关，通常大于o 0 3 ； 7 第一章绪论 e e 一 鹤 蛙 姆 叵 + 量 号 q 褥 删 螺 暄 图1 2 典型的固结沉降曲线图1 3l o g ( d e d t ) l o g t 关系曲线 ( d 渗透性。泥炭地基的渗透系数水平向为( 2 1 3 ) 1 0 c m s ，竖向为 ( 2 7 ) 1 0 一c m s ，但渗透系数在固结各阶段变化很大。 固结压力 薯 蓍 昙 罂 图1 4 孔隙比与压力关系曲线图1 5 泥炭典型的无侧限压缩曲线 抗剪特征 台 一 * 救 泥炭的抗剪强度来源于纤维的各种张力及粘阻力，可用无侧限压缩试验和三轴试验 对泥炭的抗剪性能进行研究。 夺无侧限压缩试验：泥炭在无侧限压缩过程中，产生排水，并且初状态与末状态的 含水量和密度差异很大。图1 5 为典型的几种压缩曲线。泥炭的压缩特性与含水量有关， 长安大学硕士学位论文 破坏应变随含水量的不同而不同。通常含水量低于3 0 0 的泥炭，破坏点在应变的1 5 以下，含水量高于4 0 0 时，破坏点在应变的1 5 处，在无明显破坏点时取1 5 。 夺三轴压缩试验：泥炭的三轴压缩试验遵循有效应力原理，测得的摩擦角为 3 4 。4 8 。，因此有人认为其抗剪强度源于粘聚力，但是应力应变曲线无明显峰值点。 夺强度增大：泥炭地基在深度方向强度变化很小，但灼失量高的泥炭表现出较高的 无侧限压缩强度值。 ( d 其他特征 令泥炭地基强度较低，容易产生较大的变形，固结时不遵从太沙基固结理论，呈现 出明显的各向异性和非均质性，在荷载作用下易产生侧流，固结时间也较长，且其沉降 计算比较困难。 夺泥炭地基含有机纤维较多，含水量较高，压缩性大，易受扰动，因此取样较难， 通常采用现场测试确定稳定分析的参数。 因此，高原湿地泥炭土的存在，增加了地基处理的难度，而且现有的文献和资料对 泥炭地基虽有论述，但是对于高原湿地地区含有一定层厚的泥炭土的地基处理的资料迄 今还没有发现。 ( 2 )内蒙古黄旗海地区的湿地 集丰高速公路工程位于乌兰察布高原南缘，海拔高度为1 2 9 0 1 3 0 5 米，路线穿越 内蒙古地区一处非常典型的湿地黄旗海湿地。黄旗海湿地位于内蒙古自治区集宁市 东南3 0 公里，北纬4 0 0 5 0 ，东经1 1 3 0 1 5 ，面积大约1 1 3 9 0 公顷，自然地理区划为西北 干旱区中的荒漠草原区，湿地类型为淡水湖泊及相邻的沼泽地。黄旗海湿地包括一个淡 水湖泊黄旗海及其周围地沼泽地。黄旗海东西长2 0 公里，南北宽6 - 9 公里，水深 3 - 5 米，最深达1 0 米，p h 值8 , - - , 8 6 。水源来自发源于四周山上的几条河流。 黄旗海湿地具有高原湿地的典型特征。地表平坦，属静水或缓水沉积，地表低洼处 易积水，含水层在地表下o 3 米左右，由于降水较以前多，地下水埋藏较浅，造成地基 土成极软流塑状态。图1 7 给出了黄旗海湿地某钻孔的柱状图，根据钻孔揭示，地表 以下存在一定层厚的软弱土，最大深度可达5 米，表层覆盖表植土，富含植物根系。在 地表3 米以下有层厚在1 5 米左右的泥炭夹层，为黑色，含大量有机物，重度较小，为 软塑状态，强度极低。软弱土以下为粗砂砾砂层，局部夹亚粘土，粘土层呈硬塑状态。 9 第一# 镕睦 图16 黄檩海湿地 由此可见，高原湿地基础处理的深度较浅，重点在于一定层厚的且强度极低的泥炭 土，同时由丁排水不畅，存在易液化的砂性十层，必须兼顾地基排水和挤密两个方面。 地e 层分 g 层底 底目 编 #4 地层描述 号自 度度 称 ( o )( m )( ) 孔口标高 ( t ) 。i2 o5 谑i 岔；i i ；粉土“ 粉 含细砂见檀物根系。 黑色、湿、中密，泥质结构， o 软塑、含植物根系。 泥炭 图i7 黄旗海湿地某钻孔柱状图 13 高原湿地软弱土地基处理基本要求 当天然地基不能满足建( 构) 筑物对地基稳定、变形及渗透方面的要求时，需要对 天然地基进行地基处理，以满足建( 构) 筑物对地基的要求，保证其安全与正常使用。 虽然地基处理的方法很多，但不管采用何种处理方法，处理后的地基必须到达一下 几方面的要求： ( 1 ) 强度要求：满足地基土在在r 部结构的自重及外部荷载作用下不致产生局部 或整体剪切破坏。 ( 2 ) 变形要求：满足地基土在l 部结构的自重及外部荷载作用下不致产生过太的 长安大学硕士学位论文 沉降变形，特别是超过建筑物所能容许的不均匀的沉降变形。 ( 3 ) 动力稳定性要求：满足地基土在动力荷载( 如地震荷载) 作用下不致发生液 化、失稳和震陷等灾害。 ( 4 ) 透水性要求：满足地基土的地下水不会由于施工而造成渗漏量或水力比超过 容许值，而发生涌土、流砂、边坡滑动等事故。 ( 5 ) 特殊土地基稳定性要求：满足湿陷性黄土、膨胀土、内陆性盐土等特殊土上 的建筑物不会由于不良土性而发生损坏。 1 4 软弱土地基处理的基本原则 每一种地基处理方法都有其适用范围和局限性。地基处理方案的选择，需要了解地 基处理的目的、填筑路堤对地基的具体要求、设计要求的地基承载力、土的性质、施工 工艺及设备、对施工周期的要求，以及当地积累的施工经验、地方材料来源及单价、周 围环境对施工的特定要求。 一般来说，地基处理方案的选择必须具有地质报告等基本资料，必须了解周围环境 对地基处理施工的要求，了解类似场地上同类工程地基处理经验，提供对地基处理设计 的要求。 软弱土地基处理方案的选择应本着以下几个原则： ( 1 ) 根据场地工程地质条件、建筑结构类型、使用要求、场地环境特点、施工设 备、建筑材料来源及单价，以及设计对承载力和变形的要求，初步选定几种可供考虑的 地基处理方案。 ( 2 ) 对初步选定的几种方案按技术可靠性、施工可行性、工期及造价进行分析比 较( 3 ) 注意软弱土地基处理方法的联合使用。特殊情况下，单靠某一种处理方法难以 满足工程要求，必须根据实际情况选择某两种或几种处理方法联合使用。 1 5 湿地保护与湿地软弱土地基处理 在改线需要大幅度增加投资的情况下，而不得不对路线穿越的湿地软弱土地基进行 处理。鉴于湿地的特殊功用和在维护生态平衡中的作用，在改造湿地的过程中必须兼顾 到湿地的保护，以达到在最小程度改变湿地生态环境的条件下利用和开发湿地。选择合 适的软弱土地基处理方法，对于湿地的保护具有重要意义。 碎石桩与强夯置换的施工不像换填法、排石挤淤或者爆破挤淤一样，需要排出大量 第一章绪论 淤泥，这样就最大限度的保护了湿地固有生态。同时，碎石桩与强夯置换施工除产生较 大的噪音外，对比其它软弱土地基处理方法，并没有对环境产生额外的侵扰。 集丰高速公路的建设在工程允许和投资许可的条件下，采取多项工程措施保护湿地 的生态环境： ( 1 ) 为了保持湿地水的流通，维持公路两侧水分平衡，在碎石桩和强夯置换施工 后填筑5 0 厘米厚透水良好的砂砾垫层； ( 2 ) 每隔一定距离，在路堤下方专门为牲畜预留的涵洞，可以使牲畜自由在路线 两侧进食，而不必穿越公路等。 1 6 高原湿地软弱土地基处理方法 地基处理的效果能否达到预期的目的，首先依赖于地基处理方案选择的是否得当、 各种加固参数设计的是否合理。地基处理方法虽然很多，但任何一种方法都不是万能的、 都有其各自的使用范围和优缺点。一般说来，在选择确定地基处理方案以前应充分地综 合考虑以下几个方面的因素：地质条件、结构物条件、环境条件、材料的供给情况、机 械施工设备和机械条件、工程费用的高低、工期要求。 根据高原湿地软弱土地基特点和实际情况，为满足工后沉降要求和路基稳定，对软 弱土地基处理的各种方案的经济、技术进行了比较，最后选择碎石桩处理方案。理由如 下： ( 1 ) 集丰高速公路软弱土地基含细粒土砂、粉土质砂、粘土质砂，属粗粒土，根 据试验数据，天然孔隙比较小，具有低压缩性，且粉质砂层下覆一定层厚、物理力学性 质极差的泥炭土，因此本工程软弱土的特点是沉降主要产生于泥炭夹层，故采用复合地 基处理软弱土地基，可以提高地基承载力( 强度) ，减少地基沉降； ( 2 ) 本工程软弱土地基中存在部分砂性土，具有液化的可能性，采用碎石桩处理 可以提高地基密实度，提高地基抗液化能力； ( 3 ) 本工程工期较短，预压时间难以满足排水预压要求，而采用碎石桩处理软弱 土地基，可以迅速提高地基承载力，保证路基稳定性，降低工后沉降，从而加快施工进 度； ( 4 ) 当地的砂砾料源紧缺，级配不良、含泥量大，且运距较远，成本较大，接近 碎石桩造价；而碎石强度高、料源近，造价较低，且排水固结效果较好，复合地基强度 较高、承载力较高，工后沉降较小； 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 5 ) 采用复合地基方案，可以减少等载或超载预压费用，从而降低造价； ( 6 ) 从最大程度的保护湿地出发，碎石桩复合地基方案可以减少换填造成的环境 污染，同时，采取合理的措施可以减少对生态平衡的干扰和破坏。 碎石桩是岩土工程体系中对较深层软弱土地基采用置换和增强作用的处置措施，加 固的桩体和桩间土组成复合地基，共同承担荷载的作用。碎石桩不仅能提高地基承载力， 降低沉降量和加速地基排水固结，还能减少地震时地基液化的可能性。 1 7 本章小结 高原湿地的软弱土地基具有区别于一般软弱土地基的鲜明特征，只有在充分认识这 些特征的基础上采取合理的软弱土地基处理措施，才可能满足工程要求。本章主要讨论 了如下内容： ( 1 ) 高原湿地软弱土地基排水不畅，软弱土厚度较小，深度不一，存在易液化砂 土层，同时，在软弱土下面存在一定层厚的泥炭夹层是软弱土地基处理中必须充分注意 的重要内容，也是高原湿地软弱土地基处理的一个鲜明特色； ( 2 ) 在充分认清高原湿地软弱土地基特征的基础上，采用碎石桩复合地基和强夯 片石方法来处理高原湿地软弱土地基，是一种合理、科学同时兼顾环保的选择。 1 3 长安大学硕士学位论文 第二章集丰高速公路软弱土地基监测试验方案设计 2 1 工程概况 本项目依托二连浩特至河口国道主干线集宁至丰镇段高速公路。集丰高速公路是 国家规划的“五纵七横 路网的重要组成部分，是内蒙古自治区“三横九纵十二出口” 规划中的一条纵线，是连接华北、西北和西南地区的重要干线，在内蒙古自治区公路网 中具有重要地位，是内蒙古最重要的对外通道和经济主干线之一。 路线在k 5 9 + 5 6 0 ，一- - k 6 5 + 5 5 0 段所处地形为第四纪冲积平原，地势平坦，地下水位较 高，局部有常年积水。根据钻探资料，对本段设计采用碎石挤密桩的方法进行软弱土地 基处理，碎石桩直径3 0 厘米，桩间距为0 9 1 5 米，同时采用路基底部填筑砂砾、土 工织物加筋等综合工程措施。 实际施工过程中，根据路线沿线所处的工程地质条件，对地基处理方式做出了部分 调整，如桥头路基路段的碎石桩进行了加密补打；k 6 3 + 4 1 8 k 6 4 + 3 0 0 路段为强夯片石处 理等。 2 2 软弱土地基路段自然地理条件 拟建的二连至河口国道主干线集宁至丰镇段高速公路，地处乌兰察布盟境内，所经 行政区有：集宁市，察哈尔右翼前旗，丰镇市。地理坐标北纬4 0 。2 37 至4 0 。5 17， 东经1 1 3 。0 1 至1 1 3 。1 3 的范围内。 内蒙古自治区主要由高原及山地组成，高程多在1 0 0 0 米以上，由东向西基本上可 分为四个自然单元，东部内蒙古阶状高原，中部阴山山地和河套平原，西部鄂尔多斯高 原。项目所在区属内蒙古中部阴山山地单元，属集宁周围察哈尔熔岩台地地形，台地地 貌形态变化较大，台地因受长期剥蚀作用，台面起伏不平，轮廓不完整，并有被深切割 沟谷所分隔而形成面积不等的桌状山和剥蚀残山，一般可见3 4 级台面的熔岩台地； 一级台地高程1 3 5 0 ，- 1 6 0 0 米，相对高度8 5 3 3 5 米，台地轮廓完整，台边有浅沟切割， 二级台地高程1 4 8 0 - - 1 8 2 0 米，相对高程2 1 5 - - 一5 5 5 米，台面起伏不平，被沟谷切割成面 积不等的桌状方山。 路线所经区域是内蒙古自治区半牧业半农业区，农业以杂粮及豆类作物为主，但受 气候、土质条件制约，产量较低。区内自然林极少，多是人工林，树种较单一，主要是 第二章集丰高速公路软弱土地基监测试验方案设计 杨、柳、榆等。这是近年来当地政府重视环保努力的结果，对于防风治沙，遏制沙化起 了较好的作用，由于沙化严重，当地政府已限制放牧，改为圈养，并加大了植草力度， 对于保护境内草场防止退化效果较为明显。 路线所跨河流均属季节性河流，平时干枯无水或有少量常流水，只有雨季发生暴雨， 汇集成山洪，洪峰历时短，河流径流大多集中在6 - - 8 月的汛期，约占年径流的7 0 一8 0 。主要河流有；老平地泉河，纳令沟，黑沟，白石头沟，庄头窑，十四号河，饮马河， 黑河等。前三条河为内陆河，汇入黄旗海。主要湖泊有黄旗海、岱海，其水面面积在1 0 0 平方公里以上，水面随雨量大小，集流多少而变化，并不稳定。 2 - 2 1 工程地质条件 1 ) k 5 9 + 7 0 0 k 6 2 + 2 0 0 段该软弱土路基段自然地理位于丰镇市丹洲营村西南至九 号村东北低洼地段。软弱土段全长约2 5 k m ，在雨季低洼地段泥泞积水，多见喜水植物 ( 当地称塔塔草) ，为不良地质路段。 软弱土段地势相对比较平缓，相对高差仅2 m 左右。中间低，两头高，属河沼地貌 单元。钻探和静力触探资料揭示，该软弱土路基段在钻探最大深度范围内出露地层主要 为第四系淤积成因的亚砂土亚粘土、淤泥质土、淤泥和冲积成因的粉砂细砂、中砂 砾砂层。依据地层的成因类型及物理力学性质等，将各土层分为如下几个工程地质层， 其特征分述如下： 第一层：亚砂土亚粘土层：厚约2 3 0 - 9 o o m ，全段落内均有分布，在k 5 9 + 8 5 0 - 一, k 6 0 + 3 0 0 段相对较厚。黄褐色黑褐色，局部地段为淤泥和淤泥质土，潮湿饱水，呈 软塑极软状态，局部地段呈流塑状态。地基土推荐容许承载力和桩周土极限摩阻力值 分别为： 盯o 】- 8 0 - - - 12 0 k p a ，= 2 0 - - 3 0 k p a 。 i 1 层粉砂层：厚约o 6 m ，主要分布于k 6 1 + 2 5 0 k 6 1 + 4 5 0 之间，黄褐色，呈潮 湿饱水、松散状态。推荐容许承载力【仃o 】_ 8 0 k p a ，桩周极限摩阻力0 = 3 5 k p a 。 i 一2 层粉砂层：厚约0 7 m ，主要分布于k 6 1 + 2 5 0 附近，黄色，呈稍松、饱水状态。 推荐容许承载力【仃。 = 8 0 k p a ，桩周极限摩阻力0 = 3 5 k p a 。 i 一3 层亚砂土层：厚约o 8 m ，主要分布于k 6 2 + 1 4 0 附近，黄色，夹细砂层，呈 可塑状态。推荐容许承载力 盯。】= 1 4 0 k p a ，桩周极限摩阻力f ，= 4 0 k p a 。 i 4 层粉砂层：厚约1 5 m ，主要分布于k 6 2 + 4 0 0 附近，黄色，呈稍松、潮湿状 1 6 长安大学硕士学位论文 态。推荐容许承载力【仃。】= l o o k p a ，桩周极限摩阻力r ，= 3 5 k p a ， i 一5 层中砂层：厚约0 8 m ，主要分布于k 6 2 + 4 0 0 附近，黄色，含砾石，呈中密、 潮湿饱水状态。推荐容许承载力 o o 】= 3 5 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 5 0 k p a 。 第二层： 1 i 一1 层亚砂土层：厚约3 8 m ，主要分布于k 5 9 + 7 0 0 附近，红黄色，呈硬塑状态。 推荐容许承载力【c r o 】- 2 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力q = 5 0 k p a 。 i i 一2 层粉砂细砂层：厚约1 0 0 - - 2 4 0 m ，主要分布于k 6 1 + 0 6 0 k 6 2 + 1 4 0 之间， 黄褐色，含中砂以上颗粒2 3 1 - - 4 2 8 ，呈中密密实、饱水状态。推荐容许承载力 o o 】= 1 0 0 - - 。3 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 4 5 - 5 5 k p a 。 i i 一3 层亚粘土层：厚约o 6 m ，主要分布于k 6 1 + 6 5 0 附近，黄色，中夹砾砂层， 呈硬塑状态。推荐容许承载力 】_ 2 8 0 k p a ，桩周极限摩阻力q = 6 5 k p a 。 i i _ 4 层亚砂土层：厚约o 6 m ，主要分布于k 6 2 + 1 4 0 附近，黄色，中夹细砂层， 呈可塑状态。推荐容许承载力 o o = 2 6 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 6 0 k p a 。 第三层：中砂砾砂层：厚度大于4 o o m ，在全段落底部均有分布，褐黄色，呈中 密密实状态。推荐容许承载力 盯o 】_ 3 5 0 - - 5 5 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 5 0 - l o o k p a 。 2 ) k 6 3 + 4 0 0 - - - k 6 6 + 2 0 0 段该软弱土路基段自然地理位于丰镇市九号村四十五号 村之间。软弱土段全长约2 8 k m 。在雨季低洼地段泥泞积水，地下水位升高形成下湿地。 该下湿地地势相对比较平缓，相对高差仅4 m 左右。在k 6 3 + 6 0 0 k 6 3 + 8 0 0 、k 6 4 + 2 0 0 、 k 6 4 + 3 6 0 、k 6 5 + 5 5 0 - - k 6 5 + 7 5 0 附近为低洼易积水段，属黑河冲积流域河沼地貌单元。钻 探和静力触探资料揭示，该软弱土路基段在钻探最大深度范围内出露地层主要为第四系 淤积成因的亚砂土亚粘土、淤泥质亚粘土和冲积成因的粉砂细砂、粗砂砾砂层。 依据地层的成因类型及物理力学性质等，将各土层分为如下几个工程地质层，其特征分 述如下： 第一层：亚砂土层：厚约1 6 0 - 4 6 0 m ，全段落内均有分布。黄色褐黄色，呈软 塑可塑状态。地基土推荐容许承载力和桩周土极限摩阻力值分别为： 【o 】= 1 0 0 - 1 6 0 k p a ，j = 3 0 - - 4 0 k p a 。 i 一1 层亚粘土层：厚约0 6 m - - - 2 4 0 m ，主要分布于k 6 4 + 3 6 0 之间，黄色黄褐色， 1 7 第二章集丰高速公路软弱土地基监测试验方案设计 局部含贝壳，呈软塑极软状态。推荐容许承载力 o o 】= 1 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力 f f = 3 0 k p a 。 i 一2 层细砂层：厚约o 4 m ，主要分布于k 6 4 + 5 0 0 附近，黄色，中密、饱水状态。 推荐容许承载力【盯。】- 2 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 4 5 k p a 。 i 一3 层细砂层：厚约0 5 m ，主要分布于k 6 5 + 0 5 0 附近，黄色，中密、饱水状态。 推荐容许承载力【仃o 】- 2 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力t = 4 5 k p a 。 i 4 层粉砂细砂层：厚约0 6 0 7 m ，主要分布于k 6 5 + 2 2 0 k 6 5 + 8 5 0 附近， 黄色，呈中密、饱水状态。推荐容许承载力 仃。】- 1 0 0 - 2 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力 t = 4 5 k p a 。 i 一5 层中砂层：厚约1 1 m ，主要分布于k 6 5 + 8 5 0 附近，黄色，呈稍松、潮湿状 态。推荐容许承载力 盯。】_ 2 0 0 k p a ，桩周极限摩阻力0 = 4 5 k p a 。 i 6 层粉砂层：厚约2 4 m ，主要分