（道路与铁道工程专业论文）高速公路软土地基及其处理方法的研究.pdf

摘簦 摘要 近年来，我国交通事业发展迅猛，2 0 0 4 年底，我国高速公路里程已超过3 万 公里，居世界第二位。我国东部辽东半岛、山东半岛、京津地区、长江三角洲、 珠江三角洲是我国经济繁荣、资金、技术与智力高度密集的地区。上述地区对高 速公路的需求更迫切，目前绝大部分己建成和拟建的高速公路均在上述地区。然 而，我国沿海，除山东部分地段夕卜，大部分的海岸线为淤泥质海岸。建于此地的 公路大都面临着软土地基这一难题。 公路工程的软土地基问题概括起来主要有下列三个方面： ( 1 ) 强度及稳定性问题。 ( 2 ) 沉降变形问题。 ( 3 ) 地震、车辆震动等动力荷载可能引起软弱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、 冻融等电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述问题之一时，必须采取措施对 地基进行处理。否则会引起质量问题。 本文从软土地基的定义及公路工程特性；软土地基物理、力学指标的特性及 相关性分析；软基路堤施工期稳定性分析与评价；软土地基沉降计算及反演分析； 软土地基的处理方法；软土地基处理的工程实例等方面对软土地基问题进行了较 为全面和详细的论述。可为软土地基处理工程实践提供参考。 关键词软土地基；物理力学指标；稳定性；沉降计算；处理方法 a b s tr a c t n o w a d a y st h ed e v e l o p m e n t o fc h i n a st r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 1 8 e x 口e r i e n c i n gar a p i dp r o g r e s s b yt h ee n do f2 0 0 4 ，t h et o t a le x p r e s s w a y m n e a 2 ei nc h i n ah a dn e a r l y r e a c h e d3 0 ，0 0 0k i l o m e t e r s ，t h es e c o n d l a r g e s ti nt h ew o r l d m o s tc h i n a sc a p i t a l ，t e c h n o l o g y a n di n t e | l _ i g e n c e a c c u m u l a t ei nt h ef o l l o w i n gr e g i o n s ：l i a o t u n g p e n i n s u l a ，s h a n d o n g p e n i n s u l a 、b e i j i n g - t i a n j i nm e t r o p o l i t a na r e a ，y a n g t s er i v e rd e l t aa n d z h u j i a n gr i v e r d e l t a a st h ee c o n o m yo ft h e s er e g i o n sb o o m s ，1 t a l s o c r e a t e sm o r eu r g e n td e m a n df o re x p r e s s w a yd e v e l o p m e n t - c u r r e n t l y , m o s tc h i n a se x p r e s s w a y s ( i n c l u d i n g o n e si n p l a n n i n gs t a g 。) a r e c o n c e n t r a t e di nt h e s er e g i o n s h o w e v e r , m o s tg r o u n d si nt h e s el i t t o r a l s ， e x c e d ts o m ea r e a si ns h a n d o n g ，a r ec o n s i s t e do f s i l t t h es o f t 。s o i lg r o u n d i sap r e v a i l i n gd i f f i c u l t yf o re x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o ni nt h e s 。r e 9 1 0 n 8 t h ee x d r e s s w a yp a v e m e n tb u i l to ns o f t s o i lg r o u n dw i l l f a c et h e f o l l o w i n gc h a l l e n g e s ： f1 ) s t r e n g t ha n ds t a b i l i t y ；( 2 ) s e d i m e n t a t i o na n dd i s t o r t i o n ；a n d ( 3 ) l i q u e f a c t i o n ，i n s t a b i l i t ya n ds i n k i n go fs o f tg r o u n d ，e s p e c i a l l y s a t u r a t e d n o n c o h e s i v es o i l ，c a u s e db yt h ed y n a m i cl o a d ss u c ha se a r t h q u a k e s ， 、，e h i c l ej o u n c e s ，e r e i na d d i t i o n ，p 谗血ga n df r o s tb o i t i n gc a u s e db yw a t e r c i r c u l a t i o na c t i v i t i e s a n d t e m p e r a t u r e v a r i a t i o n sc a na l s ol e a d t o s i g n i f i c a n tc h a n g e so fs u b g r a d es t r e n g t ha n dd i s t o r t i o n ，c r e a t i n gp r o b l e m 8 f o rp a v e m e n tp e r f o r m a n c e w h e na n yo ft h ea b o v es i t u a t i o n so c c t l r si nh i g h w a ye n g i n e e r i n g ， e s p e c i a l l y f o r h i g h w a y s o f h i g h c l a s s i f i c a t i o n s ，n e c e s s a r y c o u n t e r - m e a s u r e sa n d t r e a t m e n t sm u s t b et a k e n t o p r e v e n t t h e o c c u r r e n c e so fq u a l i t yp r o b l e m s t h i sp a p e rg a v ec o m p r e h e n s i v ea n dd e t a i l e dd i s c u s s i o n so fs o f t s o i l n a b s l r a c t g r o u n dp r o b l e m si nt h ef o l l o w i n ga r e a s ：d e f i n i t i o no fs o f t s o i lg r o u n d ， h i g h w a ye n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，p h y s i c a l a n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i ri n t e r r e l a t i o n s h i p ，e m b a n k m e n ts t a b i l i t ya n a l y s e s a n de v a l u a t i o n s d u r i n g c o n s t r u c t i o n s ，s e d i m e n t a t i o n e x p e c t a n c y c a l c u l a t i o n sa n dr e v e r s ea n a l y s e s ，s o f t s o i lg r o u n dt r e a t m e n t s ，a n dac a s e s t u d yo ns a m p l eh i g h w a yf o rs o f t s o i lg r o u n dt r e a t m e n t s t h ep a p e rc a n b eu s e da sar e f e r e n c ef o r e n g i n e e r i n gp r a c t i c e o fs o f t s o i l g r o u n d t r e a t m e n t s k e y w o r d ss o f t - s o i lg r o u n d ；p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s t a b i l i t y ； s e d i m e n t a t i o ne x p e c t a n c y ； i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 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 已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 繇耳噍学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雕誓 签名：三牛导师签名：艮日期：照! 缈 第1 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 现代社会中，交通运输越来越发达。尤其近些年来，随着我国公路，特别是 高速公路的蓬勃发展，公路运输己经成为交通运输的主要力量。在各种公路中， 高速公路以其车速高( 最高时速一般为1 2 0 k m h ) 、行车安全、通行能力大、运输 成本低、货物耗损低而成为各国公路发展的首要发展目标。我国于1 9 8 8 年1 0 月建 成第一条高速公路沪嘉高速公路。不久之后，沈大、京津塘高速公路相继投 入运营，从此，我国高速公路建设进入了一个新时期。至1 9 9 9 年底，一大批高标 准高速公路相继建成通车，如沪宁、沪杭、济青、杭甬、京沈、泉厦等。高速公 路在短短的几年里己经显示出巨大的优越性，在已建成高速公路的沿线及腹地迅 速兴起了工业企业的建设高潮，地价增值，地方税收增加，投资环境发生巨大变 化，许多资金投向己建成和拟建的高速公路沿线，使原来落后地区的经济得到迅 速发展。 为了加快经济发展，满足各地日益增长的需求我国制定了国道主干线规划， 其主要内容是从1 9 9 1 年开始，用3 0 年左右的时削，建成1 2 条长度约3 5 万公里的 “血纵七横”国道主干线，将全国重要城市、工业中心、交通枢纽和重要陆上口 岸连接起来，逐步形成一个与国民经济发展相适应，与其它运输方式相协调，主 要由高速公路、一级公路组成的快速、高效、安全的国道主干线。至j 2 0 0 4 年底， 我国高速公路总里程已超过3 万公里，居世界第二位。 我国东部辽东半岛，山东半岛、京津地区、长江三角洲、珠江三角洲是我国 经济繁荣，资金、技术与智力高度密集的地区。该地区对高速公路的需求更迫切， 建成后的经济效益和社会效益更大。因此，目前绝大部分己建成和拟建的高速公 路均在此类地区。然而，我国沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥 质海岸。在地质上属于第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖 泊相的粘性土沉积物或河流冲击物，有的属于新近淤积物。大部分是饱和的，其 天然含水量大于液限，孔隙比大于i 0 。当天然孔隙比大于1 5 时，称为淤泥：当 天然孔隙比大于1 o 而小于1 5 时称为淤泥质土。软粘土的特点是天然含水量高， 一般为3 5 8 0 ：天然孔隙比大，一般压缩系数a v = o 5 1 o n ! p a ，最大可达到 4 5 m p a l ：渗透系数小，一般约为l 1 0 1 c m s l 1 0 。6 c m s 。在荷载作用下， 软粘土地基承载力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时比 较长，一般需要几年，甚至几十年n “1 。 北京工业大学工学硕上学位论文 公路工程的软土地基问题概括起来主要有下列三个方面： ( 1 ) 强度及稳定性问题。由于软土强度极低，当由软土构成的公路地基抗剪 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。由于软土具有高含水量、低密度、高压缩性的特性，所 以，一般软土地基在上部荷载及外载作用下往往会产生过大的沉降变形时，影响 道路的正常使用。特别是当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软弱地基土特别是饱和无粘性士的 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述问题之一时，必须采取措施对 地基进行处理，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 个月中平均每月修幸b 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，桥头错台达到7 8 c m ，使行车速度大为降低：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。 1 2 研究现状 稳定是路堤工程建设所需满足的必要条件，关系着工程的安全、施工进度、 工程质量等至关重要的问题。随着高速公路在软土地区的大规模兴建，工程要求 在深厚软基上填筑高填方路堤，又由于工程对工后沉降的严格要求，要求增加预 压时间而使得填筑时间的相对缩短，直接造成了工期紧迫，对路堤的稳定性问题 提出更高要求。如广东西部沿海高速公路台山段3 2 公里软基路段，9 8 年开工后有 7 处路堤出现开裂、跨塌等失稳事故：广东新台高速公路在施工过程中也有4 处稳 定性事故。严重影响了工程的进度、质量，给建设单位造成了很大的麻烦。一方 面说明我们对软土的认识仍然不够，在加固方法及施工工艺方面需要改进：另一 方面也说明应用在软土地基的稳定性计算方法理论方面亟待进一步深入研究。 目前评价软基路堤稳定性的方法很多，理论上多采用极限平衡法，用稳定系 数作为评价标准。但是，在高等级道路工程施工设计和施工过程中，由于滑动面 的位置及其强度参数难以准确确定，新技术和新材料的采用，使计算结果与实际 情况存在较大的差别。为了保证软基路堤既安全又经济地顺利施工，常采用现场 观测和试验资料对软土地基的稳定性进行综合分析评价，以使结果更符合实际。 2 第1 苹绪论 沉降问题历来是土力学中的主要研究课题之。自从 e r z a g h i ( 1 9 2 3 年) 的 一维固结理论问世以来，路基沉降的理论研究己取得了长足的进展，并且在工程 建设中发挥了巨大的指导作用。此后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重 要的贡献。随着整个土力学学科的发展，路基的沉降计算也得到了发展，最近二、 三十年来，许多学者都提出了新的计算方法”。 目前，路基沉降的计算方法有：理论公式法、数值分析法、观测资料的回归 分析法。理论公式法是建立在t e r z a g h i 等人创立的经典土力学基础上，其中引 入了许多简化假定。但这类方法具有简便、直观、计算参数少且易取得等优点， 因而在工程中得到了广泛的应用。数值分析法是近代土力学研究的产物，上个世 纪7 0 年代以来，随着计算机和存限元应用技术的发展，人们可以将复杂的土工 计算问题编制成有限元计算程序，通过计算机运算，从而得到较精确的计算结果。 利用数值分析法，可以较全面地考虑土体的变形特性及其边界条件，理论上较严 密。但这种方法有一定的难度，缺乏理论公式法所具有的许多优点，因此，在工 程中未能得到广泛应用“。观测资料的回归分析法是一种重要而有实际意义的方 法，但须有足够时间的观测资料才具有较高的价值。 然而，从工程建设的发展与要求来看，仍需对现有的路基沉降理论作进一步 的研究和改进。正如b a l a s u b r a m a n i a m 和b r e n n e r 所指出的那样“ ，路基的沉降计 算理论尽管有了很大改进，但沉降的预估值比一般的土工计算更具技术性，在高 速公路施工中，沉降量的变化与路堤填筑、预压、路面结构层施工及竣工后运行 等四个阶段相关。现在，在许多情况下己经能够预测出不超过1 0 一2 0 的最终沉 降量( a k a g i ，1 9 7 9 年) ，但是，预估沉降与时间关系的能力仍然相当差“。 自上个世纪7 0 年代以来，随着计算机技术的进步，采用有限元分析法计算地 基沉降已成为可能，但时至今日，路基沉降课题仍然困扰着土木工程技术人员。 在实际应用中，工程人员的经验和技术往往起着关键作用。这一方面是因为新的 理论与技术尚不成熟，且对技术人员的素质及工程测试手段提出了很高的要求； 再者由于路基沉降的分析需要理论与实践密切结合，所需的试验参数少面易确 定，对各种工程情况均有良好的适应性，这就使路基沉降分析中难免加入一定的 经验成分。近十几年来，在软土地区高等级公路建设中，路基沉降的预估成了一 大技术难题，因此，各地相继开展了规模较大的沉降观测工作，积累了大量的数 据、资料。但是，对这些分散的资料进行汇总分析的并不多。大多数观测是在路 基施工过程中取得数据用来作为决定如何才能加速沉降稳定的依据：而如果能把 施工过程中及竣工后继续进行过观测的资料进行统计与分析，相信对同样或类似 土质路段高速公路施工软基处理提供借鉴。 尽管对软土性质已有较深入的认识，在计算上也有了较系统的方法，但由于 软土的复杂性，其理论分析预测结果与实际仍存在较大的差距。特别是对于高等 北京丁业大学工学硕上学位论文 级公路路堤丁程路面工后沉降计算精度要求甚高的这一类问题，由于不可避免地 存在各种假定地基处理施工过程对软土特性和整个地基变形的影响等，使预测 结果很难达到设计要求，不利于指导和控制施工。公路软土地基路堤设计与施 工技术规范( j t 50 1 7 - 9 6 ) 中规定：软土地基上高速公路与一、二级公路路堤在 施工过程中应进行沉降观测和稳定观测，并根据观测结果对路堤填筑速率和预压 期等作必要调整；修建前应结合工程提前修筑试验路堤，以达到检验设计、指导 施工的目的。要充分有效地做到以上两点就必须将现有的理论分析方法同现场观 测信，g 结合起来，对软土地基变形作出更为准确的预测，才能进一步指导和控制 施工。这一过程的关键技术是岩土工程反分析理论的研究和应用，因此，研究软 土地基变形的反演分析方法对在软土地基上进行高等级公路路堤旌工具有重要 的理论价值和实践意义。 软土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 软弱地基土进行加固，以改善地基土的剪切性、压缩性、振动性和特殊土地基的 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，选择好的地基处 理设计，采取先进的软土地基处理手段对节约基本建设投资，保证公路正常营运 具有重要意义。 近4 0 年来，国外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进，新 方法不断涌现。在2 0 世纪6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中， 发展了土的加筋法；从如何有利于土的排水和排水固结这一基本观点出发，发展 了土工合成材料、砂井预压和塑料排水板；从如何进行深层密实处理的方法考虑， 发展了强夯法和振动水冲法等。另外，国外现代工业的发展，对地基工程产生了 强大的生产手段。如能制造重达几十盹的强夯起重机械，潜水电机的出现，带来 了振动水冲法中振冲器等施工机械：真空泵的问世，建立真空预压法：生产了大 于2 0 m p a 气压的空气压缩机，从而产生了高压喷射注浆法。 我国地基处理技术可以追溯到很久以前，但现代地基处理技术是伴随着我国 现代化建设而大量发展起来的，特别是改革开放以后得到了飞速发展。目前地基 处理己成为土力学和岩土工程领域的一个主要分支学科，国际土力学与岩土工程 协会下有专门的地基处理学术委员会。中国土力学与岩土工程学会1 9 8 4 年成立 了地基处理学术委员会，并于1 9 8 6 ，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ，1 9 9 5 ，1 9 9 7 ，2 0 0 0 年分别召 开了六届全国地基处理学术讨论会。1 9 8 8 年编著出版了地基处理手册，1 9 9 0 年又开始出版了地基处理杂志，提供了推广和交流地基处理新技术的园地。 我国建设部已颁发了建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) ，交通部l 9 9 7 年颁发了公路软土地基路堤设计与施工技术规范，对公路工程中软土地基处 理设计、施工起到了重要指导作用。此外，对湿陷性黄土、膨胀土等也己出版了 第1 苹蹭诧 相应的规程。 总之，地基处理己成为土木工程建设中的热点之一，并己得到工程勘察、设 计、施工、建设、教学、科研和管理部门的重视。地基处理技术的进步己产生了 巨大的经济效益和社会效益，我国的地基处理水平总体上已处于国际先进水平。 1 3 本文主要研究内容 1 软土地基的定义及公路工程特性； 2 软土地基物理、力学指标的特性及相关性分析 3 软基路堤施工期稳定性分析与评价； 4 软上地基沉降计算及反演分析； 5 软土路基的处理方法； 6 软土地基处理的工程实例。 1 4 本章小结 本章作为论文的第一章，提出了研究的问题，对研究相关现状进行了综述 并列出了论文的研究内容。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章软土地基概述 2 1 软土地基的定义及公路工程特性 软土地基是指主要由淤泥、淤泥质土、充填土、杂填土或其它高压缩性土层 构成的地基。“1 7 “” 2 ，1 。1 软 岩土工程勘察规范中认为天然孔隙比大于或等于1 o ，且天然含水量大 于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压 缩系数宣大于0 5 m p a 1m p a ；不排水抗剪强度小于3 0 k p a 。 软土按沉积环境分为下列四类：滨海沉积、湖泊沉积、河滩沉积和沼泽沉积。 软土的主要特征是： 具有高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特 点，一般含水量高达4 5 - 5 0 ，大于液限，孔隙比大于1 0 ，塑性指数为2 0 左右， 强度为1 0 3 0 k p a ，压缩系数为0 5 一1 o m p a ，固结系数( 0 1 1 0 ) 1 0c 群s ， 灵敏度为4 8 。因此，该类土压缩沉降量大，固结排水缓慢，地基稳定性差。 具有一定的结构性。结构性的形成随土的矿物成分、沉积环境、孔隙水的 成分及沉积年代而不同。除南方湛江一带有商结构土外，软土均具有一定的结构 性。结构性的强弱可以用固结比来表示，结构性的主要作用是增大了土骨架的刚 度，因此其力学特性与应力水平密切相关。应力水平较低时，土会呈现较好的力 学特性：应力水平超过某临界值后，土的结构性破坏，使力学性质明显恶化，而 这种恶化是不可逆的，短期内很难恢复。此外，结构性粘土还具有剪胀性。 往往存在硬壳层。这是由地表部分风化、淋洗作用形成的，该硬壳具有中 等或低的压缩性、较高的强度、较强的结构性。硬壳层破坏后，加荷初期沉降、 侧向位移、差异沉降均较大，因此在路堤高度为2 3 米时，可充分利用硬壳层而 不处理软土。 2 ，1 2 冲填土 冲填土是人工填土之一。它是在疏浚江河航道或从河底取土时用泥浆泵将已 装在驳船上的泥砂，直接或再用定量的水加以混合成一定浓度的泥浆，通过输泥 6 第2 章软七地基概述 管送到四周筑有围堤并设有排水挡板的填土区内，经沉淀排水后而成。冲填土有 别于素土回填，它具有一定的规律性。其工程性质与冲填土料、冲填方法、冲填 过程及冲填完成后的排水固结条件、挣填区的原始地貌和冲填龄期等因素有关。 其主要工程性质： 冲填七有的以沙粒为主，也有的以粘粒或粉粒为主。在冲填土的入口处沉 积的土粒较粗，甚至有石块，顺着出口处逐渐变细，除出口处及接近围堰的局部 范围外，一般尚属均匀，但在冲填过程中间歇时间过长，或土料有变化则将造成 冲填土纵横向的不均匀性。 冲填土料粗颗粒比细颗粒排水固结快，在下层土质具有良好的排水固结条 件下所形成的冲填土地基的强度和密实度随着龄期增长而加大。 冲填土料很细时，水分难以排出。土体形成初期呈流动状态，当其表面自 然蒸发后，常呈龟裂，下面水分难以排出，处于半圆结状态，较长时间内可能仍 处于流动状态，稍加扰动，即呈触变现象。 如原始地貌高低不平或局部低洼，冲填后水分更不易排出，固结极为缓馒， 压缩性高。而冲填在斜坡地段上，则其排水固结条件就较好。 冲填土与自然沉积的同类土相比，强度低，压缩性高，常产生触变现象。 2 1 3 杂填土 其主要工程性质： 一般承载能力不高，压缩性较大，且不均匀，具体来说： a 填料物质不一，颗粒尺寸悬殊，颗粒间孔隙大小不一； b ，回填前地貌高低起伏，形成填土厚薄不一； c 回填时间常常先后不一； d 取样不易，勘察工作困难，通常无法提出地基承载力值。 当杂填土加到某级荷载时浸水，变形剧增，有湿陷性。 建筑年代是评定杂填土的一个重要指标。填土层的密实度随年代而增加， 但随外界因素如雨水、填土顶上的随机荷载等而有较大的变化。通常沙性杂填土 的填筑年代在5 年以上，粘性杂填土则需更多时闻，才能粗略地认为填土层自身 压密已趋于稳定。另外，饱和松散粉细砂( 包括部分粉土) 也应属于软土地基范畴， 在动力荷载( 机械震动、地震等) 重复作用下将产生液化，基坑开挖时也会产生管 涌。 7 北京工业人学工学硕七学位论文 2 2 软土地基物理、力学指标的特性及相关性分析 2 2 1 软土物理指标的定义 土的物理性质是指土中固相( 土颗粒) 、液相( 水) 、气相( 空气) 的质量与 体积间的相互比例关系以及固液两项相互作用表现出来的性质。前者称为土的基 本物理性质，主要研究土的密实程度和干湿状况，主要指标有：天然含水量、天 然单位重、土粒密度、孔隙比、饱和度等：后者主要研究粘性土的可塑性、涨缩 性、土的透水性及毛细性等。 2 2 1 1 土粒密度 土粒密度是指土中固体颗粒的质量与其体积之比。土粒密度仅与组成土粒的 矿物密度有关，由于大多数造岩矿物的密度相差不大，土粒密度一般在2 6 5 8 2 8 0 9 c m 。之问，土质学表明粘土的土粒密度稍高，多在2 7 2 7 5g c m 之间， 实际工作中一般采用其平均值进行计算，较少试验确定。 2 2 1 2 天然含水量f ) 天然含水量是指天然状态下，土体中所含水的质量与土粒质量之比，常以百 分率表示。 天然含水量是通过加热土体使土中水分挥发干净，用称量出的水的质量与剩 余的粒质量之比求得，是土体各项指标试验中操作过程最简单、试验成果正确 性最易检验、试验偏差最小的一个指标。 2 2 1 3 天然孔隙比如) 天然孔隙比是指天然状态下土体中的空隙率体积与土粒体积之比值。空隙比 的试验确定依赖于含水量试验和土粒密度试验， e = v r v = i m p * ) t m t ，p ) = ( w s r ) 希p p 才( 2 1 ) 式中：pt 、p 扩土粒与水的密度 、册厂土与水的质量 ，r 一土的饱和度，饱和粘土s t = 1 ，非饱和粘土曲 6 0 )下 注：h 为竖向排水距离：c v 为竖向固结系数；c h 为水平向固结系数；n 为井 径比：d c 为等效圆直径；f ( ”) = 丢备l n r 一等i q ：q 为砂井长度与压缩层厚 以一l斗 度的比值；r 为土柱体半径。 4 4 1 2 均质地基多级荷载时 设t 时己经施加n 级荷载，则t 时的沉降量为： 月 s i = ( s 。s d ，) ( 卜船西) ( 4 7 ) f = 】 t 时的沉降速率为： 妇= ( 瓦，- s 。，) a e 珊 ( 4 8 ) t 时的剩余沉降为： s r = ( s 。，- s d ，) a e ( 4 9 ) 由( 47 ) 、( 4 - 8 ) 式得到( 4 5 ) 式。 等速加载可以等同于若干级瞬时施加的荷载，其推导过程与多级瞬时施加荷 载情况相同。 4 4 1 3 均质地基砂井未贯穿压缩层时 设鼠、总分别对应砂井长度和砂井以下黏土层厚度；。，、，和口。、。分别 北京工业人掌工掌硕士掌位论文 对应砂井范围、砂井以下黏土q = 百毒去对于一级瞬时施加荷载t 时的沉降量 为： s t = ( s 。一s o ) q ( 1 一口1 p 一甜) + ( 1 一q ) ( 1 一口2 p 一岛7 ) 】 ( 4 一l o ) t 时的沉降速率为： v s = ( s 。一s o ) 卢l q 口l p a + 屉( 1 一q ) a 2 p 一岛】 ( 4 1 1 ) t 时的剩余沉降为： s r = ( s 。- s d ) 【q 口l p 一岛+ ( 1 一q ) a 2 e 一岛 因此，此时式( 4 - 5 ) 不成立。多数工程q 较大，近似有 v s = ( & 一s d ) 卢l q 口l g 9 s r = ( s 。一s o ) q a l e 一印 ( 4 1 2 ) 由式( 1 2 ) 、( 1 3 ) 可得到式( 5 ) 。对于多级荷载，推导过程类似，此略。 4 4 1 4 均质地基未设砂井时 无砂井，仅有竖向排水固结时，一级瞬时施加荷载的平均固结度精确公式为 3 0 时，式( 4 - 1 5 ) 可以近似表达为式( 4 1 ) ，从而得到式( 4 5 ) ；矾 3 0 时，存在多个不同的b 值，式( 4 5 ) 不成立。 4 4 ，1 5 地基内存在多种土层时 ( 1 ) 压缩层内存在强透水层时 由于砂层等强透水层压缩变形完成迅速，可以计入s d 中，因此，强透水层 不影响式( 4 5 ) 的成立。 ( 2 ) 压缩层内存在n 种黏性土层时 压缩层内存在n 种黏性土层时，对于一级瞬时施加的荷载，t 时的沉降量为： m 等 烈 强 上 雏矿 卜。d 西 叫 第4 章软土地基沉降计算及反滨分析 s t ：主( s 。，一s 。，) ( 1 一口e - 3 , t ) ( 4 - 1 6 ) l 时的沉降速率为： v s = ( s 。一s o , 碱q g 谓7 1 = 1 t 时的剩余沉降为： 肼= ( s 。一s 。e 啊 ( 4 1 8 ) 此时式( 4 5 ) 不成立。如果除第i 种黏土外，其他黏土层厚度较小时，沉降 速率和剩余沉降近似简化为： v s = s 。? 一sd ? ) p i a e 一。4 s r = ( s 。，一s d 。) a e 一肿 ( 4 。1 9 ) ( 4 2 0 ) 由式( 4 一i 9 j 、( 4 2 0 ) 可得到式( 4 5 ) 。 如果各种黏性土固结系数差别不大，可按各种黏性土的厚度进行加权平均求 得固结系数，视作均质土，式( 4 5 ) 也近似成立。 对于多级荷载，推导过程类似，此略。 4 4 2v s - - s r1 3 关系式影响因素 由上述推导可知，砂井下部压缩层较厚时，压缩层由厚度差别不大、固结系 数差别较大的黏性土层组成时，未设砂并且固结度小于3 0 时，式( 4 - 5 ) 不成立， 其他情况式( 4 5 ) 成立或近似成立。强透水层的存在不影响式( 4 5 ) 的成立。 由上述推导过程可知，当式( 4 - 5 ) 成立或近似成立时，沉降速率与剩余沉降 的关系与最终沉降、加载情况、地层结构等无关，只需根据沉降监测资料即可较 可靠地确定剩余沉降。如果已知允许剩余沉降量，可以计算得多j x , f 应的沉降速率 标准，施工监测可以根据该沉降速率标准判定是否满足工后沉降的要求。根据目 前的沉降速率也可以得到剩余沉降量。 由式( 45 ) 等可见，沉降速率标准与允许工后沉降、砂井间距、井径比、固 结系数等有关。 上述分析均未考虑次固结的影响，根据式( 4 5 ) 确定的沉降速率控制，实际 北京工业大学工学硕士学位论文 工后沉降可能大于允许工后沉降，因此，实际沉降速率标准应适当小于式( 4 5 ) 计算所得沉降速率。 4 4 3 1 3 计算方法 4 4 3 1 根据固结系数计算 根据室内试验或原位试验确定的固结系数e 和巴，计算得到p ，应选取厚度 较大的黏性土层中的固结系数或各种黏性土的固结系数进行小值平均。 4 4 3 2 根据沉降资料反算p 可以根据前几级荷载下的沉降监测资料反算。设田，韶和8 3 ；分别是施 加第月级荷载后t ，、屯和如时的沉降，第1 ，2 ，i ，n 级荷载施加至“时 刻的持续时间为r ，r 。，r ，r 。，则有： s i = ( s 。，- s d ，) ( 1 一伽邓叫1 “) 可得到 s 2 = ( s 。- s 。，) ( 1 - a e 似2 吲) ( 4 2 1 ) f = 1 s ，= ( s 。一s 。) ( 1 n s 2 - s 【= p 叩“2 训( s 。，- s n ) 一4 ；1 s 3 一s 2 = b 祁”。( s 扩s o , ) ( 伽一9 如果l ：t t z = i ：s - l ，由式( 4 - 2 2 ) 可得： 盟：8 9 ( z 2 - t 1 ) s ，一s 2 ( 4 2 3 ) 因此，由第力级荷载后间隔时间相同的3 个时刻的沉降可以计算出口。 从上述推导过程可知，该方法适用于多级加荷，但f ，如和如之间不得有加 荷。时间间隔= 如一t - 广乙一。；较大时，计算b 的准确性增大。当压缩层内含有多 第4 章软七地基沉降计算及及演分析 种黏性十- 层时，该方法计算得到的b 综合反映了各种黏性土的固结特性。因此， 以废种方法得到的p 最为合理。 由第2 节推导可以看出，如果q = ，似7 l 剧较小，存在两个不同的卢， 式( 1 5 ) 1 ：再成立。此时，可以分别测定砂井部分、砂井以下部分的压缩量和压 缩速率，分别确定口和剩余沉降等。 4 4 3 3 根据孔压资料反算鼻 可以根据前几级荷载下的孔压监测资料反算口。设1 1 2 分别是施加第门级 荷载后t ，和如时的孔压，第l ，2 ，i ，n 级荷载施加至“时刻的持续时 间为r ，tp ，r ：，r 。，则有： = u m a x ，邓扣l “1 g 邓“1 1 ，船咱 n n “2 = 。，g e 叩托“) - p 邓“2 ，伽唱 ( 4 - 2 4 ) i = il = i 由式( 42 4 ) 可得 生：p 一弛一r - ) “， ( 4 2 5 ) 因此，由施加第门级荷载后的r ，和如时的7 l 压可以计算出。 从上述推导过程可知，该方法适用于多级加荷，但，和乙之间不得有加荷。 时问川隔t = 幻一，较大时，计算的准确性增大。该法可以根据不同深度处的 孔压资料反算0 ，应选取厚度度较大的黏性土层中的或进行小值平均。 由不同时段的沉降、孔压资料反算的卢不完全相同，可以采用统计理论处理 后确定。 4 5 本章小结 本章主要对软土地基沉降分析的研究现状、常用计算方法及软土地基沉降反 演分析进行了沦述。 北京工业大学工学硕士学位论文 第5 章常用软土地基处理方法 5 1 地基处理方法概述 5 1 1 地基处理技术的发展 近4 0 年来，国外在地基处理技术方面发展十分迅速，老方法得到改进，新 方法不断涌现。在2 0 世纪6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一思路中， 发展了土的加筋法；从如何有利于土的排水和排水固结这一基本观点出发，发展 了土工合成材料、砂井预压和塑料排水带；从如何进行深层密实处理的方法考虑， 发展了强夯法和振动水冲法等。另外，国外现代工业的发展，对地基工程产生了 强大的生产手段，如能制造重达几十吨的强夯超重机械，潜水电机的出现，带来 了振动水冲法中振冲器等施工机械：真空泵的问世，建立真空预压法；生产了大 于2 0 m p a 气压的空气压缩机，从而产生了高压喷射注浆法。 我国地基处理技术可以追溯到很久以前，但现代地基处理技术是伴随着我国 现代化建设而大量发展起来的，特别是改革开放以后得到了飞速发展。目前地基 处理己成为土力学和岩土工程领域的一个种主要分支学科，国际土力学与岩土工 程协会下有专门的地基处理学术委员会。中国土力学与岩土工程学会1 9 8 4 年成 立了地基处理学术委员会，并于1 9 8 6 ，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ，1 9 9 5 ，1 9 9 7 ，2 0 0 0 年分别 召开了六届全国地基处理学术讨论会。1 9 8 8 年编著出版了地基处理手册，1 9 9 0 年又开始出版了地基处理杂志，提供了推广和交流地基处理新技术的园地。 我国建设部已颁发了建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) ，交通部1 9 9 7 年颁发了公路软土地基路堤设计与施工技术规范，对公路工程中软土地基处 理设计、施工起到了重要指导作用。此外，对湿陷性黄土、膨胀土等也己出版了 相应的规程。 总之，地基处理己成为土木工程建设中的热点之一，他己得到工程勘察、设 计、施工、建立、教学、科研和管理部门的重视。地基处理技术的进步己产生了 巨大的经济效益和社会效益，我国的地基处理水平总体上已处于国际先进水平。 f 5 3 一j ” 5 1 2 常用地基处理方法 地基处理的历史可追溯到占代，我国劳动人民在地基处理方面有着极其宝贵 第5 章常用较土地基处理方法 的丰富经验，许多现代的地基处理技术都可在古代找到它的雏形。根据历史记载， 早在二千年f ； 就己采用了在软土中夯入碎石等压密层的夯实法：灰土和三合土 的垫层法，也是我国古代传统的建筑技术之：我国古代在沿海地区及其软弱地 基上修建海塘时，就是采用每年农闲时逐年填筑而成，这就是现代堆载预压法中 称为分期填筑的方法，利用前期荷载使地基逐年固结，从而提高土的抗剪强度， 以适应下一期荷载的施加，这是我国劳动人民在软土地基上从实践中积累的宝贵 经验。 地基处理方法的分类多种多样，如按时间可分为临时处理和永久处理：按处 理深度可分为浅层处理和深层处理；按处理土层对象可分为砂性土处理和粘性土 处理，饱和土处理和非饱和土处理；也可按照地基处理的作用机理进行分类。实 际上严格地按照地基处理的作用机理进行分类也是困难的，很多地基处理的方法 具有多种处理的效果，如碎石桩具有置换、挤密、排水和加筋等多重作用。可见， 每一种处理方法可能具有多种处理的效果。对每种地基处理方法，在使用时必须 注意其加固机理、适用范围、优点和局限性。 5 1 2 1 换填土法 当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是 很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层回填强 度较大的砂( 碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰) 或其它性能稳定、无侵蚀性 的材料，并压( 夯、振) 实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填法， 它多用于公路构筑物的地基处理。 机械碾压、重锤夯实、平板振动可作为压( 夯、振) 实垫层的不同施工方法， 这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。 按回填不同材料形成的垫层，命名为该种材料的垫层，如砂垫层、碎石垫层、 素土垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层。 虽然填不同材料的