（岩土工程专业论文）应用碎石桩处理高原湿地高速公路的机理及计算方法研究.pdf

中文摘要 高原湿地高速公路设计中，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地基进行处理。鉴于湿地的特殊功用和在维持生态平衡中 的作用，在改造湿地的过程中必须兼顾到湿地的保护。选择合理的软基处理方法 具有重要的意义 随着土木工程建设的发展，碎石桩复合地基技术在软土地基处理中得到了广 泛应用，但由于地质条件以及碎石桩复合地基本身问题的复杂性，目前对碎石桩 复合地基的认识仍处于不断探讨与研究之中。 本文依托内蒙古自治区老集高速公路工程的现场试验，从理论分析、现场试 验分析以及有限元分析等几个方面入手，对碎石桩复合地基处理高原湿地高速公 路的机理进行了深入的探讨。并对计算方法进行了分析计算。主要工作和结论如 下： ( 1 ) 在充分认识高原湿地软基特征的基础上，采用碎石桩复合地基法来处 理高原湿地软基，是一种合理、科学兼顾环保的选择。对碎石桩进行了设计计算。 ( 2 ) 通过有限元p l a x i s 软件对工程进行了仿真分析，发现碎石桩上部存在 一定范围的负摩阻力区，桩身最大应力在桩顶以下；桩土应力比随着上部荷载的 增大而增大，表现为桩与桩间土共同承担荷载；由于碎石桩可以形成孔隙水消散 的通道，超孔隙水压力可以很快消散，路堤的工后沉降很小；碎石桩可以很好的 加强泥炭层的强度，并可将荷载传递到地基深处，减少沉降，提高承载力。 ( 3 ) 土工格栅在碎石桩复合地基中主要表现为约束侧向变形量，并可以有 效的减少差异沉降。 ( 4 ) 在尚缺乏规范指导的情况下，碎石桩的施工质量可以通过重型动力 触探和工程物探结合的方法进行控制。工程物探技术具有快速、简便、适合大面 积检测的优点，并在依托工程得到了广泛的应用。 通过详尽分析，碎石桩复合地基法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，其施工技术可以满足工程 要求。施工过程对环境影响较其它方法为小。因此，采用碎石桩复合地基法处理 高原湿地软基是一种科学合理的选择。 关键词：碎石桩高原湿地工作机理计算方法质量检测工程物探 a b s t r a c t i nt h ed e s i g no fp l a t e a uw e t l a n dh i g h w a y , t h ew e t l a n dw e a kf o u n d a t i o nm u s tb e d e a lw i t h i nv i e wo ft h ef a c tt h a tt h es p e c i a lf u n c t i o na n dt h ea c t i o no fw e t l a n d 缸 m a i n t a i n i n gi nt h ee c o l o g i c a le q u i l i b r i u m , w g t l a n dp r o t e c t i o nm u s tb eg i v e nd u a l a t t e n t i o ni nt h ed e a l i n gw i t hw e t l a n dp r o c e s s s oi ti st h e 、，i t a ls i g n i f i c a n c et oc h o o s e t h er e a s o n a b l es o f tf o u n d a t i o nm e t h o d s w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc i v i le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n , g r a v e lp i l e c o m p o s i t ef o u n d a t i o n h a sb e e nw i d e l yu s e dt ot r e a tt h es o f ts o i l b e c a u s eo f c o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni t s e l f , n o w i th a sb e e nd i s c u s s i n ga n d s t u d y i n gg r a d u a l l y b a s e do nt h ef i e l dt e s t so fl a o - l ih i g h w a y , i ts t u d i e sd e e p l yt h ew o r km e c h a n i c s a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fg r a v e lp i l ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt h r o u g ht h e o r y a n a l y s i s f i e l dt e s t sa n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s m a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o ni n c l u d e ： ( 1 ) i nt h ef u l lu n d e r s t a n d i n gp l a t e a uw e t l a n dc h a r a c t e r i s t i c ，i ti st h es c i e n c ep r o p e r a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc h o i c et ou s et h eg r a v l ep i l et od e a lw i t hp l a t e a u w e t l a n d 1 1 d e s i g na n dc h e c k i n gc a nb ed o n ei na r t i c l e ( 2 ) t h ei m i t a t ea n a l y s i st h r o u g hp l a x i ss o f t w a r et oe n g i n e e r i n gf i n d ：t h en e g a t i v e f i i c t i o nf o r c ei nu p s i d e o f g r a v e lp i l e , t h em 娃s 血 e s sb e l o wt h et o po f p i l e , t h er a t i oo f p i l ea n ds o i li n c r e a s i n ga sl o a dh e a v y , t h ee x c e e dp o r ep r e s s u r ed i s s i p a t i o nq u i c k l y d u et oc h a n n e l so f g r a v e lp i l e ，t h es m a l lo f s e t t l e m e n t ( 3 ) g e o g r i di nt h ep i l em a yr e s t r i c tl a t e r a ld i s p l a c e m e n t , d e c r e a s et h ed i s c r e p a n c y s e t t l e m e n ta n dc o n t r o lt h et o t a ls c t t e m e m ( 4 ) b es h o r to fg u i d a n c ei nc r i t e r i o n , c o n s t r u c t i o nq u a l i t yc a nb ec o n l r o lb yt h e c o m b i n eo fg r a v i t a t i o ns o u n d i n gt e s ta n de n g i n e e r i n gg e o p h y s i c s g e o p h y s i c si s e f f e c t i v ea n da p p l i e de x t e n s i v e l yo np r o j e c tp r o s p e c t i n ga n df o u n d a t i o ni n s p e c t i n g s oi ti st h es c i e n c ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc h o i c et ou s et h eg r a v l ep i l et o d e a lw i t hp l a t e a uw e t l a n d k e yw o r d s ：g r a v e lp i l e ，p l a t e a uw e t l a n d , m e c h a n i s m , c a l c u l a t i o nm e t h o d s ， q u a l i t yi n s p e c t i o n , e n g i n e e r i n gg e o p h y s i c s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲爿家巍 签字瞧舻年，p 月炒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名纠家珞 签字日期：矿年，y 月如日 导师繇心嘲以 签字日期：年月 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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。高速公路建设己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泸嘉高速公路并于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1 1 1 。 我国高速公路绝大部分建于沿海诸省和经济较发达地区，但随着中央西部大 开发和振兴东北老工业基地战略的实施，高速公路的建设在中西部地区也得到了 长足的发展。修建高等级公路时，地基的变形和路堤的稳定是主要问题。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，如表1 1 所示。对 于这类软土地基的处理方法，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【6 】。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，在这些地区修建高速公路，具有区别于东部沿海平原地区的几个鲜明特点： l 、软土特点区别于东部平原地区。与东部平原地区的淤泥或淤泥质粘土、 亚粘土不同，中西部地区软土地基较少，且物理力学性质、结构性较好，厚度较 小，但深度变化较大； 2 、特殊土地基较多。特殊土地基大部分带有地区特点，湿陷性黄土、膨胀 土、红粘土、季节性冻土以及岩溶等特殊土地基在中西部地区高速公路建设中经 常遇到； 3 、中西部地区地势较高，地貌多变，地基处理需进行大规模的开挖和填方， 工程量巨大； 4 、不良物理地质现象较多，经常遇到的有滑坡、崩塌、断层、岩溶、土洞 以及泥石流等。这些不良物理地质现象的存在，对建筑物和路基构成直接的或潜 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在的威胁，给地基处理带来困难，处理不当就有可能带来严重损害。 5 、水文地质条件特殊。地下水常处于不稳定状态，受大气降水影晌较大， 设计施工均应考虑这一特点。 这些特点决定了在中西部地区修建高等级公路，需要借鉴、移植区别于一般 情况下公路地基处理的方法，在某些特殊地区，甚至要开发新的软基处理技术。 在采用现有的软基处理技术的基础上，则需要进行针对特殊情况下的研究，以保 证处治方法的有效性和科学性。 表1 1 我国东部地区主要高速公路软土分布情况一览表 1 2 公路工程地基处理的特点和意义 公路工程的地基问题概括起来有下列三个方面： l 、强度及稳定性问题。当地基的抗剪强度不足以承受路堤及路面外荷载时， 地基可能会产生局部或整体翦切破坏，造成路堤塌方、失稳，桥台破坏； 2 、沉降变形问题。当地基在上部荷载及外载作用下产生过大的沉降变形时， 会影响道路的正常使用。特别是产生过大的不均匀沉降时，路面会开裂破坏，构 造物与路堤衔接处差异沉降，引起桥头跳车；涵身、透道凹陷、沉降缝拉宽而漏 水；路面横坡变缓、积水等； 3 、地震、车辆震动等动力荷载可能引起地基土特别是饱和无粘性土的液化、 失稳及震陷等。另外，由于外界水循环变化、温度变化等引起的管涌、冻融等也 可能引起地基强度和变形的显著变化，从而影响道路的正常使用。 当道路工程特别是高等级公路工程中遇到上列问题之一时，必须采取地基处 理措施，否则会引起质量问题。如日本常磐高速公路神田桥从1 9 8 6 年9 月2 0 日 通车后，1 9 个月中平均每月修补一次错台，严重影响了路面质量和运行能力： 我国沪嘉高速公路通车4 5 月后桥头错台大者达7 8 c m ，使行车速度大为下降； 江苏宁连一级公路，由于软基沉降等问题，使路面开裂、桥头错台，通车几年来 一直小修不断。 公路工程与一般工业与民用建筑工程不一样，主要有以下几个特点： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、高速公路为大型线形工程，地基处理长度往往达几十公里，工程量大， 地基处理设计参数的每一点变化都会引起较大的经济影响，常规方法如强夯法中 的动力置换、塑料捧水板等往往不合适。因此必须对地基处理方法进行优化； 2 、高速公路沿线基础类型较多，如扩大基础、桩基础。一般路段堤高变化 大( 2 7 m ) ，对地基处理要求不一样，特别是一般路段和一般构造物常以变形 作为设计控制标准，因此处理原则与方法应有针对性； 3 、高速公路往往穿越多种地貌单元，土层条件多变。同一种地基处理方法， 也应根据土层变化进行调整。同时，沿线施工环境变化大，在施工顺序和施工方 法上应重视对邻近已建和在建构筑物的影响 高速公路地基处理质量检验方法应根据面广量大的特点，采用快速、经济、 有效的方法，而常规的载荷试验、标准贯入试验等受到一定的限制。 公路工程地基处理的目的是利用夯实、置换、排水固结、加筋和热力学等方 法对地基土进行加固，以改善地基土的剪切性、压缩性、振动性和特殊地基的特 性，使之满足道路工程的要求。显然，对于交通量大、养护时间难的高等级公路， 地基处理的恰当与否直接关系到工程质量、投资和进度。因此，地基处理对节约 基本建设投资。保证公路正常运营具有重要意义。 1 3 依托工程介绍 1 3 。1 工程概况 本研究课题的依托工程为内蒙古自治区老集高速公路工程。丹东至拉萨国道 主干线老爷庙至集宁段高速公路工程建设项目，是国家规翅腱设的“五纵七横” 国道主干线和内蒙古自治区规划的“三横九纵。十二出口”路网主骨架布局中的 重要组成路段，也是内蒙古自治区连接我国“三北”地区的最重要对外通道和经 济干线。它的建设对促进西部地区的资源开发和经济发展，对接国家主干线建设， 改善沿线投资环境，带动城乡经济的快速发展具有十分重要的意义。 老爷庙至集宁段高速公路建设项目，路线全长8 9 3 3 8 千米，为双向四车道、 全封闭、全立交高速公路。路线起点位于内蒙古与河北省交界处的老爷庙，途经 兴和县、甲坝子、巴音塔拉，终点至乌兰察布盟集宁市南郊三号地，与在建的集 宁至呼和浩特高速公路相接。 该项工程全线主要工程量为路基土方9 2 3 2 万立方米，石方4 2 7 4 万立方米， 大桥1 4 6 9 4 延米8 座，中桥3 0 6 5 3 延米6 座，小桥3 7 6 8 延米1 7 座，涵洞9 3 道，互通式立交桥2 座，分离式立交桥1 8 座，通道7 0 处。主线设收费站l 处。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 匝道设收费站2 处、服务区1 处、停车区l 处。 该项工程建设资金由世界银行贷款、国家交通部补贴及自治区交遥厅自筹等 构成。项目预算总投资1 8 “亿元人民币。建设工期为三年。全线采用的主要技 术指标如表1 2 。 表1 2 老集高速公路主要技术指标 1 3 2 老集高速公路软基处理和路基病害的主要技术难题 老集高速公路沿线经过多处软弱地基，地质现象丰富，路基病害较为常见。 老集高速公路巴音乡软土地基段，k 3 4 1 + 8 4 0 - k 3 4 6 + 5 0 0 ，位于乌兰察布高原 南缘，海拔高度为1 2 9 0 1 3 0 5 米，属黄旗海附近低洼地，地势平坦，水系不发 育，由于岩性较细，地下水排泄不畅，形成高原湿地软弱土地基。软土最大深度 为4 ，5 米，局部见腐植土及只有在近地表还原环境下才能形成的黑色泥炭。地下 水位在o o o 5 m 左右。属典型的大陆性气候，气候干燥，降水集中在6 、7 、8 三个月份，暴雨多，蒸发量大，昼夜温差大，公路自然区划为区。 巴音乡软土地基段属内蒙古高原气候条件下形成的局部高原湿地，其特点是 受气候影响较大，水源主要以大气降水为主，因此地下水位受大气降水控制，水 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 位变化较大；地基承载力变化随年份降雨量的不同而变化；其第二特点是软土厚 度较小，属粗粒土。上层软下层硬，软基厚度不大但深度变化大 课题的研究正是基于以上的工程技术难题，探讨解决高原湿地地区软基处理 的方法。并且对这些技术难题进行攻关，可以很好的服务于类似条件下高速公路 路基设计施工，节约工程投资，缩短工程工期。 1 a 碎石桩复合地基法国内外研究现状 碎石桩又称粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔 后，再将碎石或砂挤压入已成的孔中，形成大直径的碎( 砂) 石所构成的密实桩 体。交通部发布的公路软土路堤设计与施工技术规范中称之为粒料桩 据h u g h e s 和w i t h e r s ( 1 9 7 4 ) 引用m o r e a u 等( 1 8 3 5 ) 的资料介绍，碎石桩 最早在1 8 3 5 年由法国陆军工程师设计，在b a y o n n e 建造兵工厂车间时使用，这 个兵工厂座落在海湾沉积软土上当时，设计的碎石桩桩长为2 m ，直径0 2 m ， 每根桩承担荷载1 0 k n 。它的制作方法是，在土中打入铁砧( 象标桩) ，然后拔出， 在形成的孔中填入块状石灰石加固后，建筑物的实际沉降量只有未加固前的 1 4 。在这之后碎石桩被人们所遗忘，直至本世纪3 0 年代由德国人发明了振动水 冲法( 简称振冲法) 用来挤密粗颗粒土，直接形成密实的粗颗粒土柱( 桩) ( 当 时是不添加碎石料) 。直到本世纪6 0 年代初，振冲法开始用来加固粘性土地基。 并形成碎石桩。从此之后，一般认为采用振冲法在粘性土中形成的密实碎石土柱 称碎石桩。随着时间的推移，各种不同的施工工艺相应产生，它们不同于振冲法， 但同样可形成密实的碎石土桩，人们自发或不自觉地套用了“碎石桩”的名称， 由此，碎石桩的内涵扩大了。不管加固的地基是沙性土还是粘性土，只要制成的 是以石料组成的柱体或桩体，均应称为“碎石桩”。j u r a n 等( 1 9 8 8 ) 认为碎石柱 代表施工过程的最后结果。国外还常将碎石桩和砂桩合称粗粒土桩( g r a n u l a r p i l e ) ，其它还有砾石桩( g r a v e lp i l e ) 之说【“。 在我国，碎石桩复合地基加固技术自1 9 7 6 年由南科院首先引进振冲法以来， 在地基加固中得到了广泛的应用。为了克服振冲法加固地基时要带出大量泥浆的 弊病，河北省建筑科学研究所采用干振法加固地基，在石家庄和承德等地区取得 了较好的效果，后被逐渐推广到北方地区各省。二十余年来，采用碎石桩法加固 地基的各类工程数量之大、范围之广是其它加固方法无可比拟的，为国家节约了 大量的建设资金，获得了很大的经济效益与社会效益。 相对于碎石桩的工程应用推广，其在理论方面的研究还显得滞后，关于碎石 桩复合地基的工作机理、承载力、桩土应力比以及变形等方面的研究在学术界还 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 没有达成共识。 在碎石桩复合地基的承载力和沉降方面，在我国已经进行了大量的研究。但 是具体到当地的地基条件的各向异性，至今也没有形成统一的认识。建筑地基 处理技术规范 4 3 提供的桩土应力比计算公式，具有计算简单，便于工程应用等 优点，但该式不能反映桩的置换率、荷载水平等对桩土应力比的影响，实际上， 该式是建立在假设桩土之间无侧向抗压的基础上，这与实际情况是不相符的。碎 石桩复合地基承载力计算的基本表达式为： p。：1-m+mnf,p ( 1 1 ) - = l 。lj 式中，n 为复合地基承载力；m 为碎石桩面积置换率：t l 为桩土应力比；以为 碎石桩的承载力。碎石桩单桩承载力的计算方法目前主要有h u g h e s 和w i t h e r ( 1 9 7 4 ) 6 0 l ，w o n gh y ( 1 9 7 5 ) ，b r o m s ( 1 9 7 4 ) ，v c s i c 扩张理论等。这些方法 都是先依据土的物理力学指标和土的原位水平应力等计算桩问土对桩的径向侧 限力，然后按下式计算桩的承载力： 厶= p ，t a n 2 ( 4 5 + 9 ( 1 2 ) 式中，厶为碎石桩的单桩承载力；绵为碎石桩桩体材料的内摩擦角b r a u s ( 1 9 7 8 ) 法【4 3 】的计算公式如下： 厶= 2 0 7 5 g k ( 1 - 3 ) 式中，k 为安全系数；c l 为桩间土的不排水抗剪强度。刘杰【3 1 】等根据桩土竖向 变形和侧向变形协调条件，且将桩土相互作用问题视为空间问题，利用弹性理论 导出了桩土处于极限平衡状态时桩土应力比的计算公式，同时利用摩尔一库仑准 则导出了桩周土处于极限平衡状态时碎石桩极限承载力的计算公式。其给出的碎 石桩单桩承载力仃的计算公式非常繁琐： 矗： 堡垦塾兰! 二丝塑二塑二丝二丝星! ! 坠 ( 1 - 4 )r 。= - - 二= ：- - - - - - - 一ll - - 斗， 。& o - ，0 2 p 2 ) ( m - l - m i + 她k 一2 肛( 坍一1 ) 一k + m k + 埘一1 ) s i n 驴, 其中，e 。为桩体材料的变形模量；妒，为桩体材料的内摩擦角；以为桩体处于 极限平衡状态时的径向应变与轴向应变之比： k 。= 瓦面1 - 再2 p p 面- s i n 而q p ( 1 - 5 ) c ，为桩周土的内聚力( k p a ) ；吼为桩周土的内摩擦角。王剑平1 3 6 】等在大量试验 的基础上，得出了粉土地基中振冲碎石桩单桩承载力与静力触探试验的锥尖阻力 大体符合一个线性关系，其经验公式为： 矗= m qs+b(1-6) 其中，正为碎石桩的单桩承载力；吼为静力触探试验的锥尖阻力；肌和b 为直 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 线的斜率和截距根据估计值和试验数据的拟合程度，其进一步得出较为准确的 关系表达式： 以= 2 6 4 , 1 ，+ 7 9 6 ( 1 - 7 ) 并认为其它形式的地基中，碎石桩单桩承载力的经验公式也可以在上述方法的基 础上得出。张定【3 2 】根据复合地基桩土应力应变协调的原理，提出了桩土变形模式， 并建立了桩土应力比表达式及复合地基的沉降计算公式。 在碎石桩法处理软基的工作机理研究方面，很多学者通过现场试验研究，在 碎石桩可以增强地基土承载力的基础上，通过桩间土的挤密作用，对碎石桩复合 地基在处理可液化地基方面的显著效果已经达成了较为广泛的共识【婚4 习；韩杰【3 7 】 等的研究成果表明，碎石桩可以加快孔隙水压力的消散，加速土体的固结；李泽 宇 5 4 1 根据碎石桩可以加快孔隙水消散的原理，将其应用到基坑的降水，取得了很 好的效果。但是，软土地基上碎石桩的加固机理和效果。工程界和学术界尚认识 不一，有关碎石桩地基的计算理论也仍不够成熟，例如，碎石桩复合地基中桩、 土的应力分担情况、作用荷载与地基土中孔隙水压力间的关系以及复合地基固结 度计算等问题，都有待于进步的探讨和研究【4 s - 5 6 1 。在对工作机理的研究方法 上，虽然数值模拟技术的发展，为研究碎石桩加固软弱地基的工作机理研究提供 了较为先进、简捷的手段 3 7 - 4 2 1 ，但是由于数值模拟技术的局限性，很多工作仍 然依赖现场试验 5 2 - 6 引。 碎石桩复合地基在应用推广上所面临的另一个重要的问题就是质量检测方 法的规范化。由于该项技术较为新颖，同时施工方法多样，质量控制方法并没有 在工程界和学术界形成同一的认识。梁文选 4 9 】等利用动力参数( 频率初速) 法 来确定复合地基的承载力，经与现场静载试验对比，误差在1 5 以内；大部分 的科研工作者采用传统的土工试验方法来检测碎石桩的施工质量f 删9 】，主要是 载荷试验和重型动力触探，其效果虽然基本可以得到保证，但是缺乏统一的标准， 结果也是参差不齐，同时工程量较大；针对以上检测方法的缺点，一些岩土工程 新技术被引用到碎石桩施工质量检测中，主要是工程物探和地质雷达技术，其快 速方便的特点很快被工程界所接受【州5 1 ，但是由于缺乏一个广泛采用的标准， 其推广使用受到一定的限制。 从以上的碎石桩复合地基的研究文献来看，利用碎石桩来处理软弱地基的技 术己在工程界得到较为广泛的推广使用，但是，在工作机理的认识上尚缺乏深入 的研究，在质量检测方法上尚没有统一的标准i 这在一定程度上限制了碎石桩的 进一步推广使用。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 课题的主要研究内容 公路软基处理和路基处理是一个涉及岩土工程、公路工程、工程地质多学科 的综合、复杂、系统的研究课题。本文紧密结合老集高速公路高原湿地地区软土 路基段的现场试验和路基整治，从理论上对碎石桩法处理高原湿地地区软土地基 的工作机理、计算方法和质量检测方法进行了详尽的分析，其主要研究内容有以 下几个方面： l 、结合现场勘察试验结果，对高原湿地地区高速公路软弱地基的主要工程 特性和路基的主要地质特征进行总结，并就这些特征产生的原因进行综合分析： 2 、结合高原湿地地区软基的主要工程特性，提出碎石桩法处理高原湿地软 基的技术思路。在现场试验的基础上，对碎石桩复合地基法处理高原湿地软基的 工作机理进行分析； 3 、结合高原湿地地区高速公路的特殊工程地质状况，进行了碎石桩的处理 设计，并对碎石桩的承载力和沉降计算方法进行了切实可行的研究； 4 、针对我国干法碎石桩施工质量检测尚无规范可依的现状，开发干法碎石 桩施工的质量检测方法，在重型动力触探的基础上，利用瑞雷波技术进行碎石桩 施工质量的大面积、快速检测； 5 、对碎石桩复合地基法处理高原湿地软基的处理效果进行检测利用常规 土工试验方法和工程物探技术，并结合长期路基稳定和变形观测成果，分析碎石 桩复合地基处理湿地软基的效果。 天津大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 第二章高原湿地地区软基处理方案 只有了解湿地，才能更好的改造湿地、保护湿地。了解湿地，首要的就是要 了解湿地的基本构成，湿地的基本特征和湿地在整个生态系统中的作用，同时， 必须了解湿地的基本构成和基本特征在不同地理位置和气候条件下表现出来的 多样性，在某些必须的情况下，只有根据这些具体特征而采取人为措施来利用湿 地，才能更好的在最小程度改变湿地生态条件的基础上改造湿地和保护湿地，以 更好的服务于人类社会的发展。 2 1 高原湿地的基本特征 2 1 1 湿地的概念及功能 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。 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。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。 天津大学硕士学位论文 第二章高原湿地地区软基处理方案 2 1 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。大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吹积形成，土质比较疏松，形成了表层不 深的软土，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 湿地地区软基处理的重要课题。 2 1 2 ，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 l 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 生物的缓慢分解两逐渐累积形成的。它富含有机质、纤维素和多种物质成分( 图 2 1 ) 。 图2 一l 黄旗海湿地的泥炭土( 挖掘出经过一段时间风干后 泥炭地基的承裁力低，压缩性大，地下水位较高，因此常造成工程上许多问 题，比如：建( 构) 筑物的滑移、大量沉降，还可能出现翻浆、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： i 、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1 2 ，对防侧流问题安全系数取1 5 ； 、沉降问题。泥炭地基的沉降分为弹性沉降、固结沉降、徐变沉降及侧 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查、地层构造、 沉降计算及竣工后的测试等： 天津大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 、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 取降水措旅，因而会导致临近地基地下水位的交化，可能使插近建筑物下沉、便 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、交通工具的振动与 噪音问题会造成下卧层破坏及对周围环境产生影响，旌工时会必来取相应措旌。 泥炭地基具有特殊的物理化学和力学特性。 l 、物理化学特征 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、灼失量之间表现出定的相关 性： ，。：! l ( 2 1 ) ” 。+ 4 8 1 ) 6 0 。( 2 5 0 ( - 0 。2 5 0 其中，儿为干密度；。为含水量； 另外，泥炭的p h 值在4 7 之间， 传导性能差，可以作隔热层。 2 、抗剪特征 p 。= 0 0 2 2 2 6 0 ( 2 - 2 ) g 。= 0 0 1 3 7 6 0 。+ 2 1 3 ( 2 - 3 ) p 。为孔隙比。 显酸性，对钢材有腐蚀作用。泥炭的热 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。 ( 1 ) 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。泥炭的压缩特性与含水量有关，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 。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 天津大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 现出较高的无侧限压缩强度值。 3 、其他特征 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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，通常采现场测试位作为稳定分析的参数。 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，但是对于高原湿她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 1 2 2 内蒙古黄旗海地区的湿地 老集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重要的湿地黄旗海湿地。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 。5 0 ，东经1 1 3 。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。 图2 2 黄旗海湿地 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0 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2 3 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，容重较小，为软塑状态，强度极低。软土以下为粗砂砾砂层， 天津大学硕士学位论文 第二章高原湿地地区软基处理方案 局部夹亚粘土，粘土层呈硬塑状态。 由此可见，高原湿地基础处理的深度较浅，重点在予一定层厚的且强度极低 的泥炭土，同时由于排水不畅，存在易液化的砂性土层，必须兼顾地基排水和挤 密两个方面。 地层层分 名 层鹰瘫层 编标深厚 地层描述 号高 度 度 称 ( m )m ) ( m ) 孔口标高1 2 9 5 7 3 1 2 9 52 2 ds o5表檀二：灰描，湿，中密，以粉土为主， 等级重，含植物根系 、 粉土 灰褐，湿，中密，等级重，软塑， 含细砂，可见植物根系。 1 2 9 2 舶，j 2 9 黑色、湿、中密泥质结构， 混炭 软塑，舍植物根系 1 2 9 05 5 2ls 图2 - 3 黄旗海湿地某钻孔柱状图 2 2 高原湿地软土地基处理的基本方法 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：满足地基土在在上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；满足地基土在上部结构的自重及外部荷载作用下不致产生 过大的沉降变形，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 ) 特殊土地基安定性要求：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。 天津大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 2 2 1 软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，不存在任何条件下都是最合 理的万能的处理方法。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，并结合当地已有经验，确定最佳方案。 ( 3 ) 注意软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。 2 2 2 各种软土地基处理方法的比较 高原湿地地区软基的处理也必须满足以上软基处理的基本原则，而且，必须 强调对生态环境的最小扰动，以达到在满足工程要求的同时，基本维持现有的生 态平衡。 已经发展的地基处理方法很多，新的地基处理方法还在不断发展。根据地基 处理的加固原理，将各种地基处理方法归纳表2 1 。 表2 1各种地基处理方法比较 方法效果本工程 沉降 稳定处理 的实用 处理 性 促减控控促增 处理原理 工程特性使用范围 进 少制 制进加 固总剪强强滑 结沉 切度度 移 沉降变降增抵 降量形低 加 抗 天津大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 填土利用土层固有排施工简单、工期适用于路 预压水通道，加压排水较长。超载预压基稳定、沉 ( 不 固结许调运两次突降量小的 处理)防路端 局部使 幸 等载 用 预压 超载 预压 置换作用施工简单、费用适用于清 幸 局部使 换土 高 於回填 幸 用 冲击能量波可以施工工艺简单，适用于加 改变土体的物理施工速度快，工固碎石土， 力学性质增加路期短，无需添加砂土低饱 幸 强夯基稳定性，减少沉特殊材料，费用和粘土，对 毫 不适用 幸 降，增加抗液化能低。泥炭也可 力采用此法 处理 增加抗滑力矩，防 施工工艺简单，适用于路 止路基滑动破坏费用低，但公路堤高度不 用地增大大于极限 反压 高度地基， 簟 般不大 不适用 护道 宰 面积使用， 多在桥台 高填土地 段使用 砂垫层主要增加施工方便，费用适用于填 水平方向的排水较低，但预压时 土高度小、 适用， 排 能力；砂井、塑料间较长，常与竖软土层薄、 但工期 水 砂排 向挥水法结合埋深浅、无 太长必 处 垫使用硬壳层、排 须解决 层 水较好工 理沉降问 期不太紧 的软土地 题 基 - 1 5 - 天律大学硕士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 袋水板增加竖直方相对于普通砂适用于软由于工 装 向的排水能力，同井。用砂量小、 土厚度大、期较长 砂时缩短了水平方施工方便、快路堤稳定、 $幸 不适用 幸 井向的排水距离。但捷，此法一般不填土高的 填土时间较长，施单独使用软土路基。 工对应严格控制与袋装砂井相如果天然 填土速度比。具有施工速 土层的水 度快、效率高，平排水性 施工机械轻便。 比垂直方 向大，或软 塑 土中有薄 料 层粉细砂 由于工 排 时，效果会 宰 幸 t 期较长 水 更好。不适 奉 用于次