（岩土工程专业论文）高原地区湿地软基及路基边坡病害处治技术研究.pdf

摘要 公路在促进社会进步和保障经济发展中发挥着重要作用。公路的建设离不开 两种关键技术问题的研究：软弱地基的处理和路基、边坡病害的整治。对于穿越 高原湿地地区的高速公路而言，由于特殊环境气候条件的影响和地形地质条件的 复杂性，这两个问题显得尤为突出。 高原湿地地区的公路建设具有几个较为显著的特征：一是下部软基除了具有 高含水量和低强度的特点外，另外一个突出特征是具有工程地质条件很差的泥炭 层；另一方面，由于受地质构造和人为干扰的影响，特别容易诱发路基和边坡病 害。 本文根据高原湿地地区的主要地质特征，结合老集高速公路的建设，在现场 试验和室内理论分析的基础上，探讨高原湿地地区的综合筑路技术，主要研究了 如下几个方面的问题： l 、结合高原湿地地区的水文地质特点，提出了碎石桩复合地基法处理湿地 软基的基本思路。结合现场试验，采用有限元技术对碎石桩复合地基的工作机理 进行了研究； 2 、对工程物探法在高速公路路基质量检测和病害原因调查中的作用进行探 讨。研究了采用重力触探并结合工程物探对碎石桩质量进行快速检测的可行性， 探讨了采用工程物探技术对高速公路路基质量和公路病害进行检测的科学性； 3 、膨胀土的工程性质较差，常是引起公路路堤、边坡病害的内因。研究了 考虑吸力的情况下膨胀土边坡稳定性的分析方法； 4 、滑坡复活对公路路堤边坡病害具有重大影响。采用有限差分程序，探讨 路堤加载导致滑坡复活的原因，并建议了相应的工程措施。 研究结果显示，本文提出的高原湿地地区的综合筑路技术可以满足设计和施 工要求，对于保证工程质量，加快施工进度提供了可行的技术保障。 关键词：高原湿地；软基处理；碎石桩；边坡病害；数值分析；现场试验 a bs t r a c t t h eh i g h w a y s p l a ya ni m p o r t a n tr o l e i n a d v a n c i n gs o c i e t ya n de c o n o m y d e v e l o p m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fh i g h w a y sr e l a y so nt h er e s e a r c ho ft w ok e y t e c h n i q u e s ：s o f tf o u n d a t i o nt r e a t m e n ta n ds t a b i l i z a t i o no fs i d es l o p e f o rt h eh i g h w a y t h r o u g hw e t l a n do np l a t e a u ，b e c a u s eo ft h ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a ic l i m a t i c c o n d i t i o n sa n dc o m p l e x i t yo ft o p o g r a p h yg e o l o g i cf e a t u r e st h et w op r o b l e m sa r e s p e c i a lo u t s t a n d i n g t h e r ea r es e v e r a ln o t a b l ef e a t u r e sf o rh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nw e t - u p l a n d t h e f i r s t , t h es o f tf o u n d a t i o nc o m p r i s e sp e a tb e d ，b e s i d e sp o s s e s s e sc h a r a c t e r i s t i co fh i g h w a t e rc o n t e n ta n dl o ws t r e n g t h s e c o n d l y , b e c a u s eo ft h ee f f e c t so f g e o l o g ys t r u c t u r e a n dm a n - m a d ed i s t u r b ，t h ef a i l u r e so fb e dr o a da n ds i d es l o p ea r ee a s i l yi n d u c e d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h em a i ng e o l o g i cf e a t u r e so f w e t u p l a n da r e a ，c o m b i n e d w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fl a o j ih i g h w a ya n du s e df i e l dt e s ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s ， t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u eo f h i g h w a yi nw e t - u p l a n di ss t u d i e d t h e s eq u e s t i o n sa r e r e s e a r c h e da sf o l l o w s ： 1 、c o m b i n e dw i t ht h em a i ng e o l o g i cf e a t u r e si nw e t - u p l a n da r e a , c o m p o s i t e f o u n d a t i o no fg r a v e lp i l ei su s e dt oi m p r o v es o f tf o u n d a t i o n b a s e do nf i e l dt e s t , t h e a c t i o nm e c h a n i c so fg r a v e lp i l ef o u n d a t i o ni ss t u d i e db yf e m ； 2 、t h ee f f e c to f e n g i n e e r i n gg e o p h y s i c so nq u a l i t yi n s p e c t i o na n df a i l u r er e a s o n i n v e s t i g a t i o no fs l o p ea n db e dr o a di ss t u d i e d t h ef e a s i b i l i t yo fq u i c ki n s p e c t i o no f b e dr o a dq u a l i t yu s i n gg r a v i t ys o u n d i n ga n de n g i n e e r i n gg e o p h y s i c si sr e s e a r c h e d ； 3 、t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fe x p a n s i v es o i li sp o o r , a n di t sw e a k n e s si s u s u a l l yt h ei n t e r n a lr e a s o nf o rs l o p ef a i l u r e c o n s i d e r e dt h es u c t i o ne f f e c t s t a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o do fe x p a n s i v es o i ls l o p ei ss t u d i e d ； 4 、r e a c t i v a t i o no fl a n d s l i d eg i v en a t i v ee f f e c t so nt h es l o p es t a b i l i t y u s e dt h e f d m ，t h er e a s o no fl a n d s l i d er e a c t i v a t i o nf o re m b a n k m e n tc o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so f h i g h w a yi nw e t u p l a n da r e a g i v e nb yt h i sp a p e rc a ns a t i s f yt h ed e m a n d so fd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n t h e ya r e b e n e f i c i a lf o re n s u r i n ge n g i n e e r i n gq u a l i t ya n d s p e e d i n gc o n s t r u c t i o np r o g r e s s k e yw o r d s ：w e t l a n di nt a b l e l a n d ；s o f tg r o u n dt r e a t m e n t ；s t o n ec o l u m n ；g e o g r i d ； m e c h a n i s m 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：苤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。 学位论文作者签名：季乏抽 签字曰期：。哆 年 彭月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全7 解：鑫鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫叠盘堂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： 签字日期：。呷年 导师签名：i l 玄a 叭 签字日期：9 7 年1 多月2 日 天津大学博士学位论文 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 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【i , 2 】。 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 长远的发展。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 - l 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1 3 卅。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： 1 、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，地基处理的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 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。 天津大学博士学位论文 第一章概述 5 、水文地质条件特殊。地下水常处于不稳定状态，受大气降水影响较大， 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剪切破坏，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、通道凹陷、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通行能力； 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： 天津大学博士学位论文第一章概述 l 、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、塑料排水板等往往不合适。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 依托试验工程介绍 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，是国家规划建设的“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 延米座，中桥3 0 6 5 3 延米座，小桥3 7 6 8 延米座，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1 处，匝道设 天津大学博士学位论文第一章概述 收费站2 处、服务区1 处、停车区1 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通厅自筹等 构成。项目预算总投资1 8 6 4 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l - 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、边坡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，路基和边坡病害较为 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0 0 - - 0 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 天津大学博士学位论文 第一章概述 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 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。 老集高速公路沿线工程地质条件复杂多变，构造发育，岩土风化破碎，且差 异性较大。自东向西揭露有三种地层，红粘土地层、灰白色( 灰绿色) 泥岩夹少 量砂岩地层、还有玄武岩组成的破碎岩石地层，且部分岩土具有干缩湿胀性( 即 失水收缩、吸水膨胀的性质) ，属于比较典型的易滑地层。 沿线的主要地质病害有路堤滑坡、河岸冲刷、红粘土及膨胀土边坡的局部坍 滑、岩质高边坡失稳、路堤下沉及外移、路堑地段路槽地下水害等。当地的自然 斜坡大都比较平缓，一般维持1 0 度左右，有些天然冲沟形成的陡坎多数出现坍 塌和失稳状态，这特征表明，此种地层维持天然稳定的极限坡度也只能是十几 度左右，如果人工边坡陡于这个坡度必须加相应的防护支挡工程，否则将产生坍 塌。 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 和路基、边坡病害处治的方法。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、边坡设计施工，节约工程投资，缩短工程工期。 1 4 高原湿地地区筑路综合技术研究 特殊地区的高速公路建设需要发展区别于一般地区的筑路技术。高原湿地地 区气候降水条件特殊，地形地貌和地质条件具有鲜明特色，因此，必须开展适应 这些特殊条件的筑路技术研究。 高原湿地的软基特点区别于大部分的软弱地基。而路基的变形和稳定则是高 速公路建设必须重视且首要解决的重要技术难题。本课题针对高原湿地的软基特 点，采用碎石桩复合地基法处理高原湿地软基，并开展了相应的施工工艺和检测 技术研究。 高原地区的路基、边坡病害较为复杂，主要表现在产生这些病害的原因复杂， 岩体破碎、特殊性粘土或是人为扰动下导致的滑坡复活都可能导致病害的产生， 其相应的处治技术也必须具有针对性。因此，开展高原地区路基、边坡病害的检 测技术、稳定性分析方法与处治技术具有重要意义。 天津大学博士学位论文 第一章概述 1 5 国内外对本课题的研究现状 1 5 1 碎石桩复合地基的国内外研究现状 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， 1 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二。 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 rp i l e ) ， 其它还有砾石桩( g r a v e lp i l e ) 之说i 。 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 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1 4 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 天津大学博士学位论文第一章概述 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 见：l - r e + r a n 六( 1 1 )见2 歹l l 。l 夕 仃 式中：p 。为复合地基承载力；m 为碎石桩面积置换率；刀为桩土应力比；六为 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 1 ，w o n gh y ( 1 9 7 5 ) ，b r o m s ( 1 9 7 4 ) ，v e 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间土对桩的径向侧 限力p ，然后按下式计算桩的承载力 厶= p ，t a n2 ( 4 5 + 半) ( 1 - 2 ) 式中，厶为碎石桩的单桩承载力；9 p 为碎石桩桩体材料的内摩擦角。b r a u s ( 19 7 8 ) 法【4 3 1 的计算公式如下 厶= 2 0 7 5 e k ( 1 3 ) 式中，k 为安全系数；巴为桩间土的不排水抗剪强度。刘杰【3 1 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 疋：一 一掣堡竺l 二丝塑二塑二丝二丝垦! ! 坠 ( 1 4 ) 一互( 1 一晦一弼) 舫一1 一，噬+ 纫张疋一纨沏一1 ) 一p 嗷+ 噬+ m - 1 ) s i n 够, 其中，e p 为桩体材料的变形模量；妒p 为桩体材料的内摩擦角；t 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 ，：一三竺型! 一一( 1 5 ) 2 ps i n 伊p + s i n 缈p + l 一2 p c 。为桩周土的内聚力( k p a ) ；伊。为桩周土的内摩擦角。王剑平【蚓等在大量试验 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 = m q ，+ b ( 1 6 ) 其中，正为碎石桩的单桩承载力；q 。为静力触探试验的锥尖阻力；m 和b 为直 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 五= 2 6 4 q ，+ 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 天津大学博士学位论文第一章概述 础上得出。张刊3 2 l 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【娠4 7 】；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 s 4 l 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，都有待于进一步的探讨和研究1 4 8 , 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1 5 2 , 弼j 。 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 j 等利用动力参数( 频率一初速) 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1 5 0 , 5 9 】，主要是载 荷试验和重力触探，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m 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 术已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，这在一定程度上限制了碎石桩的 进一步推广使用。 1 5 2 公路路基、边坡病害整治的国内外研究现状 山坡岩土体在重力作用下失稳，沿着坡体内部某个( 或多个) 软弱面( 带) 发生的有一定规模的整体性顺坡下滑现象，包括其过程和结果，称为滑坡。 人类活动对地质环境的影响在不断增强，常诱发各种不同的地质灾害，滑坡 ( 边坡失稳) 就是其中最主要的一种灾害类型，滑坡( 边坡失稳) 可常见于很多 天津大学博士学位论文第一章概述 山区和丘陵地区。滑坡发生时，由于其运动能量巨大，因而极具毁坏性。在自然 界四大地质灾害中，滑坡的危害仅次于地震和火山，比泥石流严重。滑坡不仅造 成山区局部环境破坏，还危及山区人民的生命与财产的安全，对地区的相关经济 建设造成很大阻碍。十九世纪中叶后随着社会的快速发展，因水运、交通和矿山 的建设，遇到滑坡问题越来越多，滑坡灾害已直接妨碍到人类的经济活动。伴随 人类活动空间不断向地质条件复杂的区域扩展，滑坡灾害的影响范围日趋扩大， 因而滑坡危害性和造成的灾害越来越受到人类的重视，所以对滑坡的关注就由初 期对滑坡现象的观测发展到理论研究。 1 5 2 1 滑坡( 边坡稳定) 理论的发展 ( 1 ) 滑坡灾害已经不仅仅是地质学家和土力学机所关注。由于其涉及交通 运输、矿山建设、农田水利、森林、水库、电站建设、输电线路、工厂码头以及 城镇建设等各个领域，因此，多部门和跨学科的研究已经成为总的趋势；因之非 独地质和工程地质学家、土力学家和土木工程学家以其为研究对象之一，而且地 貌和地理学家、地震和气象学家、研土和岩石力学家，以及应用数学家也不同程 度的投入研究。可见学科之间的渗透日益显著。 ( 2 ) 1 9 5 0 年美国著名土力学学者太沙基( k t e r z a g h i ) 发表滑坡机理 一文，文中对滑坡产生的原因、过程、稳定性评价做了论述。这是第一次比较系 统和理论的阐述滑坡问题。 国际学术界一般认为对滑坡防治研究有三次突破性进展： 1 ) 1 9 5 4 年英国学者毕肖普( a w b i s h o p ) 引入太沙基的孔隙水压力理论于 斜坡和滑坡稳定性计算，是突破稳定性计算方法研究的一次突破性进展。由于滑 坡的类型很多，不同滑带土性质各异，在一些类型的滑坡中至今还有人认为孔隙 水压力是形成滑坡的关键因素之一。 2 ) 1 9 6 4 年英国土力学家斯开普顿( a w s k e m p t o n ) 于超固结的裂隙粘土滑 坡研究中提出“残余强度”理论，在滑坡机理研究上是个突破，为滑带土强度指 标的选择在理论上提供了依据。然而国外许多学者与滑坡防治技术专家并不以为 然，由于不论新生滑坡或古滑坡复活用此指标均失之过小而不实际，只有对经常 而且缓慢移动的土质边坡比较适合。 3 ) 1 9 6 9 年日本学者斋藤迪孝从金属蠕变理论出发提出崩塌性滑坡发生时间 预报方法，在滑坡预报理论研究上是一次突破。 ( 3 ) 以上方面虽在滑坡理论研究上有所突破，但均有一定的实用条件，所 以，各类滑坡的发生机理和运动机制仍然是当前重点研究的课题。如不同岩土组 成的滑带土强度衰减的机理，不同岩突破破坏过程中的物理化学反应，高速远程 滑坡的形成机制等等，以及不同类型滑坡的性质、成因和发展因素的变化与其稳 天津大学博士学位论文第一章概述 定性关系均要进行深入研究。 ( 4 ) 新技术、新方法不断应用于滑坡的勘测设计和研究中，随着中国国力 的进一步增强，现在不仅是依靠传统的地面地下直接观测，航拍和遥感技术已经 应用于滑坡的预测和研究上。而且，伴随应用数学和电算技术的发展，滑坡研究 已经进入一个全新的研究时期。 但到目前为止，工程界尚无统一的滑坡防治工程设计规范或设计标准，因此， 滑坡防治工程设计的一些理论与方法仍是困扰很多工程师的一个技术难题。 1 5 2 2 滑坡稳定性研究 边坡稳定性研究由来已久，早期的边坡研究是仅以土体为研究对象的，其方 法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半 理论性质的研究方法，并把此方法用于岩质边坡的稳定性研究，但由于其力学机 理的粗浅或假设的不合理，其计算结果与实际差别较大。六十年代后，随着世界 经济的发展，采矿、水利、交通和建筑等工程的大规模建设，所形成的矿山边坡、 大坝坝肩和水库库岸、铁路和公路的路堑边坡等，其规模之大，条件之复杂均是 空前的，特别是1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 坝左岸坝肩岩体的崩溃及1 9 6 3 年意大利 v a j o n t 坝上游左岸的库岸边坡滑坡等，使人们清醒地认识到了边坡破坏的力学机 理研究不足，从而促进了边坡稳定性研究向前迈进了一大步。以弹塑性理论为基 础和改进的极限平衡法应用为主的多种方法应运而生，特别是1 9 6 7 年人们第一 次尝试用有限元研究边坡和稳定性问题，给定量评价边坡和稳定性创造条件，并 使其逐步过渡到数值方法，同时，随着大量规模巨大工程的开展，决策要求的提 高，以概率论为基础的可靠度方法己引入边坡稳定性 边坡稳定性分析方法归纳起来可分为两类：g o 确定性方法和不确定性方法。 确定性方法是边坡稳定性研究的基本方法，它包括极限平衡法、数值方法、块体 理论法、赤平极射投影法等。它们将影响边坡稳定性的各种因素都作为确定的量 来考虑。例如极限平衡法是通过潜在滑体的受力分析，引入摩尔一库仑强度准则， 根据滑体的力( 力矩) 平衡，建立边坡安全系数表达式进行定量评价，这种方法由 于安全系数的直观性，至今仍被工程界广泛应用，目前我国边坡工程研究中根据 工程实际引入临界滑移理论进行露天边坡的评价也属于此法。这种方法的关键在 于正确判断临界破坏面的位置和选定计算参数，这些都需要依靠经验确定。数值 方法6 0 年代被引入边坡稳定性分析中，它包括有限元法、边界元法、离散元法 及混合法等。数值方法能从较大范围考虑介质的复杂性，全面地分析边坡的应力 应变状态，有助于对边坡变形和破坏机理的认识，较极限平衡方法有很大改进和 补充。不确定性方法在边坡稳定性分析中的出现约在7 0 年代初，一方面是由于 一些新理论和方法如可靠性理论、模糊数学、灰色预测系统、分形几何、人工智 天津大学博士学位论文第一章概述 能等的出现。另一方面是由于在边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定性因 素，如岩体性质、荷载等物理方面的不确定性，取样、试验的统计不确定性，计 算模型的不确定性和人为过失造成的不确定性等，这些不确定性造成的影响尽管 通过提高岩石测试和计算技术的精度能在一定程度上减少，但局部试验的精确 性、确定性并不能消除 岩石性状宏观判断上的随机性和模糊性，而且不可能无限度提高单项试验的 精度、规模和完善确定性计算方法，因此用较简单的测试手段，对岩石工程进行 大量的信息采集上，应用和发展各种随机理论和方法，以提高边坡工程质量状态 判断的精度，就显得十分必要。目前常用的边坡稳定分析的不确定性方法有：可 靠性方法、模糊数学法、灰色系统预测法、分形几何法、人工智能法等。虽然上 述的各种不确定性方法在对边坡进行稳定性分析时不同程度地考虑了边坡岩体 和边坡工程本身的不确定性，对边工程的复杂性和非线性性质的认识是确定性方 法所不能比拟的，但是它们普遍存在着理论不完善的问题，这就限制了它们在工 程中的应用，使得它们目前还不能成为代替传统的确定性方法进行边坡稳定性分 析的方法。 1 5 2 3 滑坡整治工程 滑坡整治工程措施：( 1 ) 排水减压( 2 ) 削坡减重( 3 ) 灌浆或换填( 4 ) 加 筋土( 5 ) 挂网喷锚等。 在这些整治方法中，国内铁路部门采用较多的是抗滑桩和抗滑挡土墙，我国 公路部门近年来对边坡加固多沿用铁路部门的加固方法，水利和冶金等部门则多 采用锚杆、锚索加固。锚杆、锚索加固技术认为是最有发展前途的方法，国际上 普遍认为锚杆、锚索在边坡工程中的应用，使边坡加固技术发展到了一个新的阶 段，而且使边坡加固及边坡设计得到了重要的发展。锚杆最早使用于1 9 11 年美 国矿山巷道支护中，1 9 1 8 年西利西安矿山开始使用锚索支护。我国在二十世纪 五十年代开始应用岩石锚杆，六十年代开始大量采用锚固技术，特别是矿山巷道、 铁路公路隧道、排水隧洞等地下工程中，近年来随着高速公路的迅猛发展，在公 路边坡、大型滑坡治理中更多的采用预应力锚索加固技术。 锚索加固在原理上和加固机理上与锚杆相同，但和锚杆相比具有一些突出的 优点，这些优点是锚索可施加很高的锚固预应力；锚索加固深度比锚杆大， 且能在很大范围内变化，从而既可加固边坡的局部稳定，又可加固大型深层滑坡； 锚索对各种岩体结构及岩体介质都可适用且效果良好：锚索的埋设及施工方 便。锚索加固边坡其效果在很大的程度上取决于施工工艺，实践证明合理的施工 方法和完善的质量保证。 天津大学博士学位论文第一章概述 1 6 论文的主要研究内容 公路软基处理和路基、边坡病害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、边坡病害的勘测与整治，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、设计施工工艺和质量检测方法进行 了详尽的分析，并提出了高原地区各种路基、边坡病害的勘探、稳定性分析方法 和整治技术，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、边坡病害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，并提出设计施工工艺； 3 、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，在重型重力触探的基础上，利用瑞雷波技术进行碎石桩 施工质量的大面积、快速检测； 4 、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； 5 、开发高原湿地地区路基病害的检测技术，利用工程物探方法探明病害产 生原因，并提出具体的处治技术； 6 、在地质勘察的基础上，对试验段内几处重大滑坡进行分析，建立高速公 路边坡病害的预测方法，提出具体的处治措施，并对处治措施的合理性、科学性 进行验证； 7 、总结高原湿地地区膨胀土滑坡和由于滑坡复活导致的高速公路路基、边 坡病害处治技术，提出其需要改进的主要方面，以更好的服务于工程实践。 天津大学博士学位论文 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 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l1 0 0 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，l 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 1 5 1 。 2 1 1 湿地的基本特征 2 1 1 1 湿地的概念 对许多人来说，湿地是一个十分生疏的概念，只是近年来，随着环境问题的 突出，媒体开始介绍湿地。其实我国古人早就注意到湿地。古人将常年积水的沼 泽地或浅湖称为沮泽，将季节性积水或过湿的沼泽化地带称为沮沼，将滨海沼泽 或盐沼称为斥泽。 “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 天津大学博士学位论文第二章高原湿地地区软基处理方案 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。”目前我国迸未对湿地下定 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： l 、湿地的确定是以水的出现为标准的； 2 、湿地通常具有独特的土壤； 3 、湿地生长着适应潮湿生态环境的植被