（岩土工程专业论文）水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基试验研究.pdf

i i ll l ii i r li i i ii il lu l y 17 3 0 3 8 6 s t u d yo nt h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o ni m p r o v e db y f l y - - a s hc e m e n tm i x i n gp i l e ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：j ux i n g h u a s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gx i a o h u a c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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：鞠苠午 仉卢年多月午日 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： 导师签名： 年月日 矽f ，o 年二月7 ，日 摘要 随着地基处理技术的不断完善，在公路、铁路中形成了多种形式的饱和黄土地基处 理方法。本文从经济、适用的角度出发，对水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基的可 行性进行了研究。 以黄龙至渭南联络线的蒲城渭南段高速公路的饱和黄土地基处理课题为背景展开 工作。针对该路段的饱和黄土、低洼湿地等不良地质情况进行了现场勘察，取土进行 大量的室内试验确定其物理、力学性质，为地基处理方案的设计提供依据。 借鉴水泥粉煤灰搅拌桩处理地基的成功经验，结合二灰总掺入比、水泥与粉煤灰的 比例及养护龄期三个因素进行正交试验。通过大量的试验数据来分析二灰土的强度随 各种因素的变化规律，最终确定二灰总掺入比为1 5 ，水泥：粉煤灰- 2 ：l ( 重量比) 时，二灰土强度既能满足实际工程的要求又能取得经济合理的效果。通过理论计算确 定用水泥粉煤搅拌桩处理饱和黄土方案中桩长、桩径、桩间距、置换率等设计参数。 地基处理方案确定后，选择有代表性的地质段对这种地基处理方案的可行性进行了 验证，并通过多种方法对现场试验中单桩强度和复合地基的整体强度进行了检验。根 据现场试验结果进一步优化地基处理方案的各项参数，用来指导大规模的施工。地基 处理结束后，在复合地基中埋设监测仪器进行沉降量、桩土应力比的监测，通过监测 结果来分析水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土形成的复合地基强度情况和沉降的发展规 律，对这种地基处理效果进行合理的工程评价。 监测和试验结果表明，用水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基完全能满足上部荷载 对复合地基强度和沉降量的要求，是一种经济、有效的地基处理方法。 关键词：饱和黄土地基、水泥粉煤灰搅拌桩、复合地基、沉降量、桩土应力比 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , d e v e l o p v a r i o u sf o r m sf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o do ft h es a t u r a t e dl o e s si nt h eh i g h w a y , r a i l w a y e n g i n e e r i n g t h i sa r t i c l es t u d i e sf e a s i b i l i t yo ff l y - a s hc e m e n tm i x i n gp i l et r e a t m e n tt h e s a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fe c o m o m i ca n dr e a s o n a b l e t h es t u d yi sb a s e do nt h ep r o j e e to ft h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o ni m p r o v e do fp u c h e n g - - w e in a i lh i g h w a y , ap a r to ft h eh u a n gw e ic o n t a c t i n gl i n e a c c o r d i n gt oo n - s i t e i n v e s t i g a t i o nf o rt h es a t u r a t e dl o e s s ，l o w - l y i n gw e t l a n da n dt h eo t h e ru n d e s i r a b l eg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so nt h i sr o u t e ，d oal o to fl a b o r a t o r yt e s t i n gt od e t e m i n et h e i re n g i n e e r i n g p r o p e r t i e sb yo n - s i t es o i l p r o v i d e st h eb a s i sf o rt h ed e s i g no ff o u n d a t i o nt r e a t m e n tp l a n r e f e r e n c eo nt h es u c c e s s f u le x p e r i e n c eo ff l y - a s hc e m e n tm i x i n gp i l et r e a t m e n tt h e s a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o n d oo r t h o g o n a le x p e r i m e n t 、析mt h r e ef a c t o r so ft h et o t a lq u a l i t y o ff l y - a s hc e m e n t ，t h ep r o p o r t i o no fc e m e n ta n df l y - a s h ，m a i n t e n a n c et i m e a n a l y s i so ft h e f l y - a s hc e m e n ts p e c i m e ns t r e n g t hv a r i a t i o nl a wo fv a r i o u sf a c t o r sb yal o to fe x p e r i m e n t a l d a t a d e t e r m i n ew h e nt h et o t a l m i x i n g r a t i oo f f l y - a s h c e m e n ti s15 ，c e m e n t ： f l y a s h = 2 ：l ( w e i g h tr a t i o ) ，f l y - a s hc e m e n ts p e c i m e nc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t a n dr a t i o n a le c o n o m i ce f f e c t t h r o u g ht h e o r e t i c a lc a l c u l m i o nt od e t e r m i n et h ep i l el e n g t h ， d i a m e t e r , p i l es p a c i n g ，t h er e p l a c e m e n tr a t ea n dt h eo t h e rd e s i g np a r a m e t e r so ff l y a s h c e m e n tm i x i n gp i l et r e a t m e n tt h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o n c h o o s ear e p r e s e n t a t i v eg e o l o g i c a ls e c t i o nd ot h es i t et e s ti no r d e rt o v e r i f y t h e f e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d sa f t e rd e t e r m i n et h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n tp l a n ，a n dd e t e c t i o nt h e s t r e n g t ho fs i n g l ep i l ea n dc o m p o s a ef o u n d a i o nb yv a r i o u sm e t h o d s f u r t h e ro p t i m i z a t i o n v a r i o u sp a r a m e t e r so ft h ef o u n d a t i o nt r e a t m e n ts c h e m ea c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，u s e dt o g u i d et h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o n e m b e d d i n gt h em o n i t o r i n ge q u i p m e n t si nc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ，m o n i t o r i n go fp i l e s o i ls t r e s sr a t i oa n dt h ef o u n d a t i o ns u b s i d e n c e a n a n y s i st h e l a wo fd e v e l o p m e n to f p i l e s o i ls t r e s sr a t i oa n dt h ef o u n d a t i o ns u b s i d e n c eb yt h em o n i t o r i n g t h er e s u l t s a c c o r d i n gt ot h el a wm a k eae n g i n e e r i n ge v a l u a t i o na b o u tt h ee f f e c to ff l y - a s h c e m e n tm i x i n gp i l et r e a t m e n tt h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o n i i m o n i t o r i n ga n dt e s t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tu s i n gf l y a s hc e m e n tm i x i n gp i l et r e a t m e n t t h es a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ei n t e n s i t ya n ds e t t l e m e n t i ti s a ne c o n o m i ca n de f f i c i e n tf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d s k e y w o r d s ：s a t u r a t e dl o e s sf o u n d a t i o n ；n y a s hc e m e n tm i x i n gp i l e ；c o m p o s i t e f o u n d a t i o n ；p i l e s o i ls t r e s sr a t i o ；f o u n d a t i o ns u b s i d e n c e l 目录 第一章绪论1 1 1 概述l 1 2 国内外软弱地基处理方法的研究2 1 3 课题的提出5 1 4 本文的研究内容6 第二章依托工程地基土的工程性状7 2 1 工程概况7 2 2 饱和黄土的概述7 2 3 依托工程地基土的工程性质9 2 4 本章小结16 第三章水泥粉煤灰搅拌桩的力学性质试验1 8 3 1 工程地质概述。1 8 3 2 水泥粉煤灰土的室内试验及结果分析2 0 3 3 水泥粉煤灰搅拌桩的现场试验及结果分析2 8 3 4 本章小结3 2 第四章水泥粉煤灰搅拌桩的设计与施工3 0 4 1 水泥粉煤灰搅拌桩的设计3 0 4 2 水泥粉煤灰搅拌桩的现场试验3 3 4 3 水泥粉煤灰搅拌桩的质量检测3 5 4 4 本章小结3 6 第五章水泥粉煤灰搅拌桩加固效果监测4 2 5 1 地基沉降的影响因素。4 2 5 2 地基沉降变形的理论计算及数值模拟4 3 5 3 地基的沉降监测及结果分析5 0 5 4 复合地基桩土应力监测及分析5 6 5 5 本章小结6 0 结论与建议6 2 主要研究结论6 2 进一步的研究建议6 4 参考文献6 5 致谢。6 7 i v 长安大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 饱和黄土是由黄土演变成的一种区域性特殊土，饱和度大于8 0 ，孔隙比大于0 8 t 1 1 。 当黄土地区的地下水位埋藏较浅或长期浸泡在地表水中时，黄土失去原有的湿陷性，呈 饱和状态，形成了工程性质完全不同于黄土的饱和黄土地质。具有含水量较高，孔隙比 较大，抗剪强度低，压缩性高，渗透性很小，结构性和流变性明显等工程特点。饱和黄 土的工程性质主要取决于其成因和成分、地层的构造，即土层的厚度、埋置深度以及其 上覆或下卧坚硬土层的相对位置。因此，黄土地区的工程建设需要充分认识和研究局部 饱和黄土的工程性质，采取有针对性的地基处理措施以保证建设工程取得使用安全、经 济、合理的效果。 近年来，随着我国高速公路网的加大和不断完善，越来越多的饱和黄土地基被利用 起来。但是天然饱和黄土地基具有承载力低、含水量高、沉降量大、沉降不均匀、工程 特性受环境影响大等特点，这些都不能满足高速公路运营过程中对地基强度和沉降的要 求，易导致路基的开裂、滑移，路面的起伏不平，桥涵通道等构造物的跳车颠簸等一系 列病害。不仅严重影响高速公路的使用功能和耐久性，而且极大的增加了公路工程养护 费用，制约了高速公路的建设质量和运营服务水平。加之，近年来我国高速公路的发展 已由重建设向建管并重的战略转移。因此，饱和黄土地基处理技术的研究就成了一个必 要的课题。 渭南至蒲城高速公路属于陕西省高速公路网“三纵四横五辐射 中黄渭联络线的一 部分，全线采用四车道高速公路标准建设，全长约5 5 k i n ，有利于完善陕西省高速公路 网、优化和提高渭南地区路网结构，充分发挥高速公路网规模效益，是陕西省“十一五 期间重点公路建设项目。经过现场勘查，本路线所经过地区位于渭河冲积平原东部，地 势平坦，水网密布，地下水位埋藏较浅，水系甚为发达，属于黄河水系。路线经过的地 区多处地段地势低洼，降雨后地表水汇集，由于粉质粘土的透水性差，使地基土常年受 水浸泡，从而在地表积水和地下水的共同作用下，形成自地表至地下3 - 1 0 米深度范围 内的饱和黄土层，其纵向长度接近路线总长的1 3 。此类地质段的工程性质相对较差， 地基承载力较差，稳定性一般，且道路沿线的构造物和通道较多，地下水位高，若不对 天然地基进行加固，地基的强度和变形量都不能满足高速公路的各项指标要求。 第一章绪论 对于饱和黄土的工程性质和处理技术，铁路、公路、建筑、交通、水利等相关部分 的专业的技术人员进行了大量的室内试验、现场试验和理论模拟的研究和探索，总结出 了很多种行之有效的方法。为了将这些研究成果更加科学、合理的应用于蒲渭高速公路 的饱和黄土地基处理，需要对现有各种地基处理方法进行总结，并从实践上升到理论的 高度加以研究，以便更好的为类似地质情况下高速公路的建设服务。 1 2 国内外软弱地基处理方法的研究 近几十年来，随着饱和黄土地基在土木建设中的充分利用，带动了饱和黄土地基处 理技术的飞速发展，大量工程实例经验丰富了人们对这种地质条件的工程特点的认识。 针对饱和黄土地基比较软弱，强度不能满足地基承载力和变形的设计要求的工程特性， 在不断发展和改进原有地基处理技术的同时，新的处理方法也不断涌现出来。经过长时 间的摸索，国内外关于饱和黄土地基的处理方式已经初步成熟，主要的几种处理方法的 发展现状如下： ( 1 ) 垫层换填法 对于厚度不大( 一般小于3 m ) 的饱和黄土地基可以将地基处理范围内的软弱土层 的部分或全部挖去换填以砂、砾、卵石、片石等渗水性材料或强度较大的灰土或素土， 并压( 夯、振) 实至要求的密实度为止，从根本上改善天然地基的性状，不留后患，效 果最佳，是最为彻底也是较为常用的处治方法 2 1 。 这种地基处理方法需要在设计、施工前详细了解需要处理地段的水文地质情况，掌 握河流、池塘等的源头、分布范围，查明换填材料的来源、运距、价格等。但因为其施 工简便，在国内外各种不良地质条件下的地基处理工程中被广泛应用。 ( 2 ) 强夯和强夯置换法 强夯法处理地基最早是由法国工程师梅耶( l m e n a r d ) 提出的，并于1 9 6 9 年首次 被应用于芒德利海湾采石厂【3 】。1 9 7 0 年，l m e n a r d 在法国波尔姆一米莫萨 ( b o n n e s l e s m i m o s a s ) 港口地上，用每击8 0 0 k n m 的能量夯击6 一- 7 m 厚的回填土取得 成功 4 1 。1 9 7 1 年，l m e n a r d 又发现用这种重夯法加固透水性较差的饱和土也很有效果。 在随后的四年里，有近百项工程的采用了重夯法加固地基，并取得了良好的经济技术效 果。于是将这种夯实法正式定名为“动力固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o nm e t h o d ) 5 1 。 我国从1 9 7 8 年开始引进强夯法，交通部第一航务工程局科研所及协作单位在天津 首先开展试验研究。以后在河北廊坊、山西白羊墅、河北秦皇岛进行强夯试验及工程实 2 长安大学硕士学位论文 践，取得较好的加固效果【2 1 。2 0 世纪9 0 年代初，在国家重点工程_ = f - j 峡火力发电厂， 成功开发了8 0 0 0 k n m 能级强夯，使强夯消除黄土湿陷性的深度达到1 5 m 。此后，在茂 名乙烯、上海浦东机场、广西防港九等国家重点工程都采用了强夯法对地基进行处删6 1 。 近年来，随着对生活环境和生态环境保护问题的重视，强夯过程中产生的强烈振动 的巨大噪音造成的作业污染和扰民现象也是不容忽视的问题。 ( 3 ) 碎石桩法 碎石桩加固地基最早在1 9 世纪3 0 年代起源于欧洲，由法国陆军工程师设计提出。 首次被试用于处理兵工厂的软土地基，虽然首次应用缺乏先进的施工机械和施工方法， 但还是取得了较为理想的加固效果。直到5 0 年代后期，美国出现了锤击式和振动式的 施工方法，日本研发了较为先进的施工机械，这项地基处理技术才开始快速的发展起来 【7 8 】 o 我国在2 0 世纪5 0 年代开始引进碎石桩地基处理法，于1 9 5 9 年首次在上海重型机 器厂采用锤击式碎石桩法处理软土地基【9 1 。随着我国经济的发展，碎石桩在各个领域的 地基处理中取得了广泛的应用，并结合地基处理技术的发展和新的工程要求得到了进一 步的完善。国内的一些单位开发了振动碎石桩、锤击碎石桩等，填筑材料也不再单一。 在碎石中添加了适量的水泥、粉煤灰等固化剂，形成水泥粉煤灰碎石桩( 简称c f g 桩) 。 ( 4 ) 加筋法 土工合成材料( g e o s y n t h e t i c s ) 是以人工合成的聚化物为原材料制成的各种类型产 品。可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各种结构层之间，具有过滤、防渗、隔离、 排水、加筋和防护等多种功能，发挥加强、保护岩土或其它结构功能的一种新型岩土工 程材料。 1 9 9 5 年1 1 月，广州铁路集团公司在在焦柳铁路的基床下沉外挤病害整治中采用土 工格室加固法，不到5 个月轨面基本稳定，总体沉降1 5 m m ，经过三个雨季的试验，维 修部门反映，整治地段线路稳定，养护工作量减少，达到了病害整治的目的【1 0 1 。 1 9 9 6 年1 2 月，郑州铁路局在阳安铁路进行了软弱地基加固现场试验。根据方案选 比，采用土工格室加固技术进行处理。结果表明，土工格室可有效的约束软弱基床的侧 向位移和扩散应力，最大侧向位移较少1 7 ，最大竖向应力较少9 3 ，降低加固费用6 1 2 1 1 1 。 2 0 0 0 年长安大学与甘肃省交通厅合作，对峻柳高速公路土家湾隧道软黄土地基和尹 中高速公路软黄土地基采用土工格室进行地基加固处理。测试结果表明：处理段工后沉 第一章绪论 降量不大于1 5 c m ，且土压力分布趋于均匀，达到了预期目的，取得了良好的处治效果1 2 1 。 ( 5 ) 排水固结法 排水固结法又称预压法。在含水量较高的地基中，或预先设置了砂井等竖向排水体 的地基，利用建筑物本身重量分级逐级加载；或在建筑物建造前在场地先行加载预压， 使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。该法施 工简单，加荷设备和加荷材料来源广泛，可以在多种情况下被使用。 传统意义上的塑料排水带和袋装砂井的长细比大，井阻影响受到了重视。近年来， 非理想井的固结理论得到了发展，1 9 8 9 年谢康和曾国熙为非理想井的设计提供了简易曲 线和设计方法。超载预压法被应用于宁波机场和温州机场的软土地基处理，这种地基处 理方法可以满足机场跑道对地基变形和回弹模量的严格要求。真空一堆载联合预压法先 后在天津、福州、上海等地得到应用，但真空预压法的有效加固长度一直是个倍受争议 的问题，有些学者认为在1 0 m 以内，有的则认为可以超过2 0 m 深，关于真空预压的有 效深度需要进一步研究 2 1 。 排水固结法处理饱和黄土地基的过程中，要注意防止施工过程中袋装砂井或塑料排 水带的折断现象出现，有必要研制柔性的排水装置已满足工程的需要。 ( 6 ) 水泥搅拌法 深层搅拌桩复合地基的发展过程是基于粉喷桩的施工机械和施工工艺不断改进发 展的，理论研究也是随着大量喝长期的工程实践而不断深入。 1 8 2 4 年，英国人阿斯皮琴制造出硅酸盐水泥并获得专利；1 8 8 5 年又在德国提出了 用硅酸盐水泥作为注浆加固材料的专利申请。 1 9 1 7 年，美国开始用水泥拌和粘土作为公路的基层材料；在第二次世界大战后美国 研制出一种就地拌和桩( m i p ) ，形成的水泥土桩直径可达o 3 o 4 米，长度可达1 0 1 2 米。 1 9 5 3 年，日本清水建设株式会社引进美国的这种施工方法，继而又开发出以旋转钻机为 基本施工机械的c s l 法和m r - d 法。c s l 法和m r - d 法都是采用旋转钻杆上带有特殊 形状的搅杆翼片，并通过钻杆供给水泥浆，与土进行强制而成水泥土桩。 到了2 0 世纪6 0 年代，日本和瑞典分别开发出一种用于加固深层软土的方法深层 搅拌法，可用来处理地下深处的软土和淤泥；19 6 5 年，日本运输省港湾技术研究所开发 生产的d l m 法，即将石灰惨入到软土地基中进行原位搅拌，使之固结的深层搅拌工法； 水泥深层搅拌法在中国的研制与应用，始于7 0 年代末期。1 9 7 7 年首先由冶金部建筑研 究总院、交通部水运规划设计院和江阴振冲器厂联合进行了室内试验和机械研制工作， 4 长安大学硕士学位论文 于1 9 7 8 年底制造出中国第一台s j b 1 型双轴搅拌、中心管输浆、陆上型的深层搅拌机， 并成批生产。1 9 8 0 年初，经上海宝山钢铁总厂在某工点的软土地基加固工程中正式应用， 并获得成功。同年，天津机械施工公司与交通部一航局科研所等单位合作，利用日本进 口螺旋钻孔机械进行改装，制成单搅拌轴和叶片输浆型深层搅拌机。1 9 8 1 年在天津造纸 厂改造扩建工程中获得成功。之后，浙江大学和浙江临海市一建公司机械施工处共同研 制成功d s j i i 型深层搅拌机，最大加固深度可达2 0 2 2 m ，桩径4 0 7 0 c m 。1 9 8 3 年铁道 部第四勘测设计院开始进行粉体喷射搅拌法加固软土的试验研究，并于1 9 8 4 年在广东 云浮硫铁矿铁路专用线上单孔4 5 m 盖箱涵软土地基加固工程中应用，后来相继在武昌 和连云港用于下水道沟槽挡土墙和铁路涵洞软基加固，均获得良好效果，从而为软土地 基加固技术开拓了一种新的应用途径。1 9 8 4 年国内由江阴市振冲器厂首次生产的s j b 型成套搅拌机械加固深度可达2 5 3 0 m 。1 9 8 5 年，浙江省建筑设计院在衢州市新建八层 大楼工程中应用深层搅拌法加固人工杂填土地基，从而扩大了深层搅拌法适用土质的范 围。1 9 8 7 年，浙江有色勘察研究院在吸收双轴搅拌机优点的基础上，结合施工实践研制 成功了d j b 1 4 0 型单头搅拌机，先后在武汉、江苏、浙江、天津、上海、广州等地得到 应用，效果良好。1 9 9 2 年，交通部一航局开发了我国第一代搅拌船，采用双头搅拌，搅 拌深度可达2 8 1 米，叶片直径1 2 米，间距可调，并设有自动定位系统和施工参数自动 监控系统，1 9 9 4 年5 月通过了部级鉴定，使我国搅拌技术在某些方面跨入了国际先进行 列【1 3 ，1 4 1 5 , 9 】。 近年来，随着国内外地基处理技术的不断发展，我们已经具备了很多种处理饱和黄 体地基的成熟技术和方法。但是，在针对每一个实体工程选择地基处理方案时，应该在 充分了解天然地基的工程性质和水文地质情况的前提下，综合考虑周围环境、工期要求、 技术和设备条件、材料来源、经济条件等要求，选择一种安全有效、经济合理的地基处 理方案。 1 3 课题的提出 近年来，黄土地区的建设项目日益增多，规模越来越大，分散分布在黄土地区的饱 和黄土地基在处理已经成为影响工程质量和工程造价的突出问题。加之，我国高速公路 发展已由重建设向建管并重的战略转移，公路交通流量日益增大，重型车辆逐渐增多， 要求公路地基和路基具有更高的承载力和稳定性。然而，在饱和黄土地段，由于土层形 成时代较晚，多数为欠固结土，而且地下水位高，导致大部分土层含水量高，压缩性大， 5 第一章绪论 承载力低，具有触变性，地基承载力和路基长期稳定性往往不能满足工程要求，若处理 不当会产生诸多病害。 依托工程渭蒲高速公路全线有l 3 的路线经过饱和黄土、低洼湿地地段，不良地质 情况下的地基处理成为影响整个工程质量和造价的关键问题。在地基处理的过程中面临 着以下几个亟待解决的关键技术问题。( 1 ) 饱和黄土段地基的工程特征如何，其地基承 载力有多大，在环境变化过程中对稳定性的影响怎样；( 2 ) 对于饱和黄土段地基的处理， 如何在总结现有成功经验的基础上，结合工程的实际情况和当地的建筑材料特点，提出 经济、合理、有效的处理方案；( 3 ) 地基工后沉降该如何确定，其确定方法的有效性如 何；( 4 ) 地基处理技术的施工质量该如何检测，处理后的效果怎么样。这一系列的问题 都值得我们思考与研究。鉴于此，很有必要开展饱和黄土地区地基处理技术应用研究。 1 4 本文的研究内容 本文依托渭南至蒲城高速公路的饱和黄土地质段的地基处理工程，通过现场勘查、 大量的室内配比试验、现场试验及对试验效果的检测，提出了用水泥粉煤灰搅拌桩处理 饱和黄土地基的经济、合理的设计参数。同时，对处理后复合地基的沉降和桩土应力比 的现场监测，通过监测结果分析用水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基的可行性。主要 研究内容为： l 、现场调查依托工程的地质情况，全面了解饱和黄土的分布、成因等资料。 2 、通过室内物理力学试验，了解实体工程中饱和黄土的物理、力学性质，为地基 处理方案的设计提供依据。 3 、考虑固化剂掺入比、养护龄期、水泥和粉煤灰的比例三个因素进行大量的室内 试验，分析二灰土强度随各种因素的变化规律。从经济、有效的角度出发，选择最合理 的二灰土配比，为水泥粉煤灰搅拌桩的固化剂掺入提供依据。 4 、结合实体工程对地基承载力的要求，通过设计计算，确定用水泥粉煤灰搅拌桩 处理饱和黄土地基的各项参数。并通过现场试验的检测结果来进一步优化各项工艺参 数。 5 、对处理后的复合地基进行地基沉降、桩体应力比的监测，通过监测结果来评价 用水泥粉煤灰搅拌桩处理饱和黄土地基的效果。 6 长安大学硕士学位论文 2 1 工程概况 第二章依托工程地基土的工程性状 渭南至蒲城高速公路属于陕西省规划的高速公路网“三纵四横五辐射扩充“米 字型规划的1 8 条联络线中的黄渭联络线，已被列入陕西省“十一五 期间重点公路建 设项目。该线起点位于蒲城县东南侧东阳乡，与西禹高速公路相连，终点位于渭南市东 赤水沟口，与连霍高速公路相接。它的建成有利于完善陕西省高速公路网、优化和提高 渭南地区公路网结构，充分发挥高速公路网规模效益。路线全长5 5 0 4 k i n ，全线采用四 车道高速公路标准，设计速度为1 2 0 k m h ，整体路基宽2 8 o m ，分离式路基宽1 3 7 5 m 。 地质情况包括饱和黄土、湿软土、湿陷性黄土、盐渍土、饱和液化砂土等不良地质段， 其中饱和黄土和低洼湿地段近2 0 k m 。根据实体工程的地质资料和现场的实际情况，选 定k 2 0 + 5 0 0 , - , k 2 0 + 6 71 5 饱和黄土段作为用水泥粉煤灰搅拌桩进行地基处理的试验段， 同时选定多处有代表性的复合地基进行工后沉降、桩土应力比监测。 试验段处于渭河冲积平原东部，地势平坦，水网密布，自古以来灌溉发达，地下水 位埋藏很浅( 0 o 5 m ) 局部有出露( o 2 - - - - 7 0 m ) 。该地段大部分为池塘，小部分为耕 地，池塘内生长着大量的芦苇。分布有软塑一流塑状态的过湿土，层底埋深为1 0 2 1 0 3 m 。土体的压缩性偏高，天然地基的容许承载力仅为6 5 - 9 0 k p a 。工程地质情况很差， 地基处理不当极易产生复合地基承载力不够，地基沉降过大、沉降不均匀等问题，引起 路基的开裂、滑移等病害，属于整条路线中具有代表性的饱和黄土地质段。 2 2 饱和黄土的概述 2 2 1 饱和黄土的成因及分布 饱和黄土是一种特殊的黄土，由于地下水位埋藏较浅，土体中的可溶性盐溶解于水， 黄土的湿陷性消失，呈饱和状态( 饱和度达到8 0 以上) 。地基进行工程性质评价时常 把饱和黄土地基作为一种软弱土地基来处理【1 6 j 。 黄土在世界范围内分布相当广泛，占全球陆地面积的十分之一，东西呈带状分布在 南北半球中纬度的森林、草原和荒漠地带。饱和黄土因其形成的特殊性断续分布在黄土 地区。中国是世界范围内饱和黄土分布最广的国家，主要集中分布在甘肃省境内的河西 走廊带的黄土微丘区、中部地区的陇西黄土高原、陇东的黄土高原区的沟底、山间盆地、 7 第二章依托工程地基土的工程性状 坡脚、河川阶地等，由于不同区域饱和黄土的成因、分布、特征有较大的差别；陕西省 境内的由于渭河及其支流径河、洛河的影响形成西起宝鸡，东至潼关，南接秦岭，北到 陕北高原的关中平原，平原内的阶地、河床及漫滩区存在着大面积的饱和黄土区f 1 7 1 。山 西境内的山西高原是我国黄土分布的主要区域之一，整个地势呈北高南低走向，汾河贯 穿全省，构成东北、西南向凹陷地地势。近年来因为工程建设及地质环境的变化，在一 些区域地下水埋藏深度不断变浅，使原来的湿陷性黄土的含水量提高演变成饱和黄土。 2 2 2 饱和黄土的工程性质 饱和黄土的性质与其沉积过程、成层构造、沉积年代、沉积环境等条件有密切关系。 不同的成因的饱和黄土，其结构性和物理性质指标虽然很相似，但是具体的环境对饱和 黄土的工程性质影响很大，导致工程性质的巨大差异，其基本的工程性质如下： ( 1 )含水量较高。饱和黄土主要是由黏土粒组和粉土粒组等细小颗粒组成，并 含有少量的有机质。因地下水位较浅，组成饱和黄土的矿物和有机质颗粒表面带有大量 的负电荷，很容易在颗粒周围形成很厚的结合水膜，导致土体的含水量较高。因此，饱 和黄土的天然含水量一般为2 5 - - - , 3 5 1 1 。 ( 2 ) 压缩性高。饱和黄土的压缩系数一般为0 2 5 - - 0 5 5 m p a - 1 ，最大可达1 8 m p a 1 ； 压缩模量为2 0 - - 1 0 o m p a ，较原来的湿陷性黄土要高的多。这主要是因为湿陷性黄土中 有可溶性盐存在，在土体结构中起到骨架的作用，可与土颗粒一起分担上部荷载。但是， 但地下水位较浅时，可溶性盐溶于地下水，在黄土不具有自重湿陷的情况下，土体的孔 隙率变大。在上部荷载达到一定程度时，导致压缩性的明显增加。饱和黄土的压缩变形 是原黄土湿陷性变形的一种变化形式【l j 。 ( 3 ) 抗剪强度低。饱和黄土的含水量较高，土颗粒表面的水膜厚度较大，使颗 粒间的表面摩擦力减小，导致天然地基的抗剪强度指标较小。饱和黄土的抗剪强度与外 部荷载的加载速率和土体的排水固结条件有关。渗透性越小，排水固结条件越差，压缩 性越高，其抗剪强度越低【1 8 】。 ( 4 ) 灵敏度高。黄土具有一定的结构强度，但是当土体浸水演变成饱和黄土后， 因为其中起到胶结作用的易溶盐颗粒的溶解，其结构强度丧失程度严重。如果用土的灵 敏度来反映土体固化凝聚力的减弱程度的话，饱和黄土具有较高的灵敏度，其范围一般 是在5 5 7 4 之间，这种高灵敏度的特点也严重影响着其工程性质【1 9 1 。 ( 5 ) 流变性强。在短时间内完成外部荷载的施加后，饱和黄土地基的主固结基 8 长安大学硕： 学位论文 本完成，但土体在长期的荷载作用下，土骨架产生黏滞蠕变而发生随时间而变化的变形。 饱和黄体地基因黏土颗粒占的比例大、含水量较高，其流变特征较为明显。 2 3 依托工程地基土的工程性质 准确掌握和正确评价土体的工程性质可以为地基处理的设计和施工提供依据，而这 些参数的获得需要大量的室内土工试验来完成。土体的工程性质可分为物理性质指标、 力学性质指标两部分。 2 3 1 土的基本物理性质指标 l 、颗粒分析试验及结果分析 土的颗粒分析试验是测定土的粒径大小和级配状况，为土的分类、定名和工程应用 提供依据。土的粒度成分表示土体中不同粒组的相对含量，是描述土体最直观、最简单 的标准。为了能定量的描述土样的粒度组成，初步了解土体的工程性质，对土体进行工 程分类，为工程设计和施工提供有效的资料，需要对风干土样进行颗粒分析试验。 ( 1 ) 试验结果 表2 1 颗粒分析试验结果记录( 细筛法) 颗粒分析试验结果记录( 细筛法) 孔径( m m )累积留筛土小于该孔径土小于该孔径土质占总土质量百 质量( 妙质量百分比( 曲 量百分比( )分比( ) 2 0 0 00 0 0 2 9 9 3 81 0 0 0 0o o o 1 0 0 0 1 2 72 9 8 1 l9 9 5 8o 4 2 0 5 0 03 8 22 9 5 5 69 8 7 2o 8 5 0 2 5 02 2 3 72 7 7 0 19 2 5 36 2 0 0 0 7 58 7 9 52 1 1 4 37 0 6 32 1 9 l 0 0 7 52 1 1 4 37 0 6 2 试验说明 筛前土的总质量为3 0 0 克，筛后各级孔径的留筛土的总质量为2 9 9 3 8 克。误差为0 2 1 ，小于l ，符合筛分试验的要求。 细筛法试验结果分析：土体的粒径全部小于2 0 m m ，粒径在0 2 5 m m - - 1 0 m m 之间 的含量较小，小于0 0 7 5 m m 的土粒占土样总量的7 0 6 2 ，超过1 0 。根据中华人民共 和国行业标准公路土工试验规程( j t ge 4 0 - - 2 0 0 7 ) 1 2 0 】，应该将这部分土烘干、取样、 l 另做密度计试验，继续对土样进行颗粒分析。 9 第二章依托工程地基土的工程性状 表2 2 颗粒分析试验结果记录( 乙种密度计法) 颗粒分析试验结果记录( 乙种密度计法) 土粒比重2 7 3比重校正1 5 7 8 密度计号乙种烘干土质量 3 0 9 下沉 悬液 密度计温度计分散剂 刻度及 土粒沉 小于某粒 弯月面 r 粒径径的土质 时间 稳定读数 校正值校正值降落距 校正值量百分数 r m + m t + n - t ( m i n )t ( ) r mn a tc d n r c g l ( c m )d ( m m )x ( ) c d - 1 o 51 21 0 1 8 9_ o 0 0 l l0 0 0 0 90 0 0 0 1o 0 1 70 0 2 79 1 5 00 0 6 3 68 9 4 2 0 l1 21 0 1 8 6- 0 0 0 1 10 0 0 0 9 0 0 0 0 l o 0 1 70 0 2 69 3 1 00 0 4 5 48 7 8 4 2 51 21 0 1 3 3- 0 0 0 1 l0 0 0 0 90 0 0 0 1o 0 1 l0 0 1 81 1 2 00 0 2 2 35 9 9 6 4 1 51 21 0 0 9 30 0 0 1 l0 0 0 0 90 0 0 0 10 0 0 70 0 1 21 2 7 l0 0 1 3 73 8 9 2 4 3 01 21 0 0 7 5- 0 0 0 1 10 0 0 0 90 0 0 0 10 0 0 60 0 0 91 3 3 30 0 0 9 92 9 4 5 6 6 01 21 0 0 6 2- o 0 0 l l0 0 0 0 90 0 0 0 10 0 0 40 0 0 71 3 8 30 0 0 7 12 2 6 1 8 1 2 01 21 0 0 5 4- o 0 0 1 lo o 0 0 90 0 0 0 10 0 0 40 0 0 61 4 1 30 0 0 5 11 8 4 1 0 2 4 01 21 0 0 4 7- 0 0 0 l l0 0 0 0 90 0 0 0 10 0 0 30 0 0 41 4 4 30 0 0 3 61 4 7 2 8 表2 3 筛分法和密度计法试验结果拟合的数据 筛分法和密度计法试验结果拟合的数据 小于某粒径的土质量小于某粒径的土质 孔径( m m )孔径( n h n ) 百分数( )量百分数( ) 2 0 0 01 0 0 0 00 0 2 2 34 2 3 5 1 0 0 09 9 5 80 0 1 3 7 2 7 4 9 0 5 0 09 8 7 20 0 0 9 9 2 0 8 0 0 2 5 09 2 5 30 0