（交通运输工程专业论文）“人工硬壳层”低路堤高等级公路工程实践.pdf

摘要 在长江漫滩地区修建低路堤高等级公路时，由于受地下水位、填 方高度等不利因素限制，造成路堤碾压困难，难以达到规范质量要求。 针对低路堤荷载作用机制，提出了利用水泥进行浅层掺拌加固原地表 土基构造“人工硬壳层 的方案，代替传统深层竖向加固体复合地基 方法，给路堤填筑提供相对坚实的“平台 ，确保路堤质量。为此， 针对江漫滩天然沉积软粘土与水泥改良固化规律进行了系统的室内 和易性试验，并提出水泥加固浅层软粘土的固化方案。同时，采用进 口d c p 、p f w d 对浅层固化层和路基填筑施工质量检测，直接可以得到 相关的路用性能指标，取得了良好效果。通过重车行驶荷载作用于路 基结构的影响深度研究表明车辆行驶荷载影响深度按2 o m 考虑是偏 于安全的，重车行驶荷载在“硬壳层”底面以上，对软粘土层的影响 不大。通过经济效益分析发现，利用水泥进行浅层掺拌加固原地表土 基构造“人工硬壳层”的方案在节约成本和提高公路建设的效率方面 具有十分重大的意义。 关键词：长江漫滩人工硬壳层浅层加固检测经济效益 a b s t r a c t b e c a u s eo fh i g hw a t e rt a b l e ，l o we m b a n k m e n t ，i ti sd i f f i c u l tt ob u i l d t h el o we m b a n k m e n t s u p e r h i g h w a y i n y a n g t z e r i v e r f l o o d p l a i n e s p e c i a l l yi n t h ee x c a v a t i o ns e c t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v e q u a l i t yr e q u i r e m e n t ss p e c i f i c a t i o n 1 0 we m b a n k m e n tl o a dm e c h a n i s m p r o p o s e dt h eu s eo fc e m e n tf o rt h es h a l l o wm i x i n gi ns i t us o i lt ob u i l d n o n n a t u r a lh a r d l a y e r r e p l a c i n g t h et r a d i t i o n a l p r o p o s e w h i c h g u a r a n t e e st h er o a d b e d sq u a l i t y a tt h es a m et i m e ，t h et e s t i n gf r o md c p a n dp f w dc a nb ed i r e c t l yr e l a t e dt op a v e m e n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s h e a v yv e h i c l e sl o a d so nt h es t r u c t u r eo ft h ed e p t ho fr o a d b e ds h o w st h a t t h ei m p a c to ft r a f f i cl o a dt oc o n s i d e rt h ed e p t ho f2 0 ma r eb i a s e db y s a f e t y h e a v yl o a d sa r ea b o v et h eb o a o m o f ”n o n n a t u r a lh a r dl a y e r t h es o f t l a y e rh a v el i t t l ee f f e c t t h ep r o g r a mo ft h eu s eo fc e m e n tf o rt h es h a l l o w m i x i n gi ns i t us o i lt ob u i l d n o n n a t u r a lh a r dl a y e r i sc o s ts a v i n g sa n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fh i g h w a yb u i l d i n g k e y w o d s ：y a n g t z er i v e rf l o o d p l a i n ；s h a l l o wm i x i n g ；n o n n a t u r a l h a r dl a y e r ；t h et e s t i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同同志对本研究所做的任何贡献均在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 7广 研究生签名：巡羔日期：兰翌：z 芷 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保量本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：互监导师签名： 第一章研究背景 第一章研究背景 1 1 研究背景 江苏省沿江区域，浅层天然沉积物一般为长江河漫滩相，沉积年代为第四 系全新统t 厚度一般1 0 余米到数l o 米，下卧层一般为河床相砂砾石层。该区 域水网发育，河、湖、沟藁星罗棋布，地下水位埋藏深度浅。高等级公路建设 中对路基工程影响较大的是表层长江河漫滩相天然沉积物。长江河漫滩褶天 然沉积物以细颗粒为主，多为厚层粘性土夹耪土或糟细砂，分布广、层位稳定。 天然状态下具有含水率高、孔隙比大、强度低、压缩性高、透水性低的特点， 多为 i 泥、淤泥质枯性土。沿江高等级公路，相当一部分位于软弱地基上。倒 如t 南京绕城公路约有 3 路段建在软土地基上，在建的江北沿江高等级公路( 南 京段) ，也有相当部分路段位于软弱土地基上。 圈1 1 扛黄特旺奇辱基公路路蛙示童啊 江北沿江高等级公路工程起于宁六公路与南京化学工业园区方水路的平交 口t 向东踌雍六高速公路、南钢铁路专线。进入南京化学工业同区后利用在建 及规划的园区中央大道及园区外环路。全线依次越过岳子河、皇厂河、划子河、 瓣扣至东沟镇东，经白马山、放牛山北与扬州江北沿江公路相接，沿线经过南 京化学工业园区和六合区。路线全长约4 3 公里，其中利用老路约7 公里，新建 路段全长约3 6 公里。全线采用一级公路建设标准，设计行车时速帅公里，小时。 路基宽2 5 5 米，汽车荷载等级为公路一i 级。全线路基平均填土高度12 8 米， 土方总量2 2 7 9 万方，特殊路基处理62 8 8 公里。 东南人学硕l j 学位论文 沿长江江边的区域，天然沉积软弱土层往往埋藏较浅，甚至直接出露于地 表，没有可供工程利用的硬壳层。而这些区域，又往往是水系发达、地下水位 较浅的区域。这就给高等级公路路堤填筑前的基底工作面施工带来困难。高等 级公路路基填筑，填前基底压实一般要求达到9 0 以上，局部河塘底层压实可放 宽至8 7 。这一标准是否偏低，仍存在较大争议。但是，这一看似很低的设计控 制标准，在含水量高、地下水位浅、表层土层松软时，直接碾压仍然很难达到。 因此，设计文件中，针对这一现状，往往要求采用超挖，掺拌石灰碾压的技术 措施，以确保填前基底压实度。事实上，即使采用石灰掺拌的方法，有些条件 下，仍不能达到预期的效果。 在建的江北沿江高等级公路( 南京段) ，位于长江沿江区域，天然沉积软弱 土层埋藏很浅，一层表面天然硬壳层厚度分布4 0 c m 一1 5 m ，部分路段软弱土层上 直接为耕植土，无工程可利用硬壳层。江北沿江高等级公路( 南京段) 位于江 北化工园区内，受园区规划设计标高的限制，全线采用低路堤结构( 平均填土 厚度1 2 m ) ，路堤填筑高度低，荷载水平较低，对于一般( 长) 路堤段，地基承 载力和变形控制相对良好。但是，低路堤结构对基底施工质量和路堤性能，提 出了更高的要求。江北沿江高等级公路( 南京段) 部分路段穿越区域，地表无 可利用硬壳层，需采取必要措施，确保基底施工质量要求。同时，部分路段路 堤填土高度小于路面结构层厚度和路床厚度之和，需根据重车影响深度，采取 超挖分层回填。因此，部分路段虽然地表分布有薄层硬壳层，但仍需根据路床 填筑技术要求，在超挖薄层硬壳层后，进行基底碾压施工和基底j ：的分层填筑。 同时，沿线分布肓大小河塘5 0 0 多个，河塘回填厚度分部在1 5 2 o m ，同样存 在清淤后，河塘底层回填质量控制问题。因此，填前基底施工与质量控制、确 保基底质量要求，为路堤填筑施工质量控制创造良好的施工工作i 面，成为工程 建设中路堤施工质量控制的关键问题。 江北沿江高等级公路( 南京段) 穿越区域，浅层软弱土层主：耍为淤泥质粉 质粘土夹粉土或粉细砂，粒组分布中，粉粒为主。同时，部分路段表层软弱土 层为介于粘性士和砂性土之间的粉质土，更是以粉粒粒组为主，这也是长江河 漫滩相天然沉积物的粒组分布的主要特矿。无机结合料稳定土的。午多研究成果 表明，粉粒含量勺主的士，尤其是粉质二f ，与工程中经常使用的机结合料一 第一章研究背景 一石灰的合易性较差，单纯采用石灰改良往往难以达到要求。同时，由于地下 水位较浅、天然含水量较高、土质松软等，基底碾压施工十分困难，甚至压路 机无法直接施工。 江北沿江高等级公路( 南京段) 路基宽度为2 5 5 m ，穿越区域水网密布，采 用简单挖设排水沟降水疏干技术，相对比较困难。由于采用了低路堤建设方案， 路堤填筑高度相对较低，采用常规深层地基处理方法，显然不够科学，更不经 济。因此，选择一种适用于水下或高含水量条件下的浅层加固技术，应用于基 底浅层土改良与加固施工，使得基底质量与性能达到高等级公路路堤填筑对其 性能所提出的技术要求，成为工程建设中亟待研究和解决的课题。 1 2 软土地基浅层处置国内外研究现状概况 目前对于低路堤公路软基问题的处理方法主要有，土工合成材料加固法、砂 垫层法、稳固剂表面处置法、开挖换填法、抛石挤淤法以及超载预压法等。 l 、土工合成材料加固法 国内第一条低路堤高速公路苏州市绕城公路使用了土工合成材料对软 土路馨进行处理，取得良好的效果。苏州市绕城公路地处长江三角洲水网地带、 河塘密布，属滨海、太湖相沉积相地貌，表层1 0 m 2 0 m 为低液限粘土，下层为 深厚的含有机质低液限粘土，天然土基的回弹模量仅9 m p a 1 1 m p a 。苏州市交通 设计研究院设计对软土路基采用c e l 3 1 土工格栅+ 2 0 c m 碎石垫层进行处理，在深 达1 7 m 的软土上摊铺c e l 3 1 土工格栅+ 2 0 c m 碎石垫层后，铺筑第一层石灰土，压 实度t i 丁达8 5 ，铺筑第二层石灰土，压实度达到9 5 ，效果良好。 2 、砂垫层法 沪杭高速公路第六合同段，处于杭嘉湖平原区，沿线无山丘，地形平坦，河 网密佰，湖池星点。该合同段浅层软基处理，采用了砂砾排水挚层、塑料排水板、 土工i f l 物挚层和超载预压4 种堆本方案，均取得了良好的结果。对于水田、陆地 等原地面过湿，又地处陆地无法采用丌沟降水疏干技术，且施工机械无法进入作 业面施工时，路堤填前基底浅喔处置施工时，先填筑军。渣5 0c m ，用轻型机具适 当碾f i ，待宕渣压实度验收合恪后，下挖验收原地面儿实度。第一层碾压发生强 簧迹袋时，应及时停止，铺筑二层宕渣，厚度为3 0c n q ，碾压并验收压实度，芦 丌挖收第一层及原地面压复，复。 东南大学硕1 ：学位论文 3 、稳固剂表面处置法 湖北荆州至东岳庙高速公路第一合同段，路线经过地区呈略有起伏的河谷及 湖泊地形，上部多为淤泥，下部为淤泥质土，中间夹杂粉砂及粘性土，含水量在 4 0 6 0 之间，具高压缩性。对于含水量超过规定容许值，不可能压实到规定 的密实度，施工中采用掺生石灰并结合翻耕晾晒的方法，对过湿土进行处理，效 果较好。与之类似，3 1 2 国道合六路改建工程，对于软土地基采用了掺入5 的生 石灰进行基底浅层处理，达到了很好的效果。此外，苏州市交通设计研究院根据 试验及理论计算表明，在原状土土基回弹模量为9 m p a 的基础上，采用7 0 c m 厚度 的6 一8 的石灰改良土基底浅层处理，其顶面路堤填筑工作面的当量回弹模量 可达到5 8 m p a 。 很多专家在复合型固化材料，主要产品为土壤固化剂，有很多研究，如徐日 庆、邵玉芳对温州半岛工程海堤淤泥质土地基进了试验研究，得出当土壤固化剂 掺入量为6 时，固化土强度满足基底填料强度要求；当固化剂掺入量为l o 1 2 时，固化土强度满足地基承载力的要求。并提出了两种施工方法，一是取海中 淤泥与土壤固化剂搅拌均匀后填入封闭的区域内，并达到一定的深度2 m 3 m ，在 富水环境条件下进行固化土试验；二是考虑在四周封闭的情况下，先吹填淤泥质 土，然后将底基层与地基一起用深层搅拌法进行整体加固，这两种方法无疑对于 道路工程也是适用的。 其他软土地基浅层处置法如开挖换填法、抛石挤淤法、超载预压法使用也很 广泛，因与论文研究关系不大，在此不赘述。 1 3 软土硬壳层概念及研究现状 l 、硬壳层定义及作用 硬壳层是一个相对于软土的概念提出的，并没有具体的物理、力学指标。张 效俭这样描述硬壳层：滨海相沉积的软粘土，当其表面暴露到空气中时，由于蒸 发失水，引起地下水位下降，有效应力增加，孔隙比减少，而后经过雨水的淋滤 及不断的物理化学变化，形成不同于下部土层，但与下部土层成渐变的硬壳层。 他还指出地下水位、化学分化、淋滤、胶结等是硬壳层形成的主要原因，气候条 件、土的结构构造与土的颗粒组成是影响硬壳层厚度的主要因素。 大量研究表明，硬壳层的存在，使该层承担了更多的荷载，从而减小了软弱 4 第一章研究背景 下卧层所承担的荷载比例，有助于提高低路堤地基的承载力，并具有扩散应力、 减少不均匀沉降、减少地基沉降量及增加固结度的作用。 2 、硬壳层研究现状 太沙基和佩克( 1 9 4 8 ) 尝试计算覆盖在软弱土层上的硬层承载力，他们假定上 面土层的主要作用是把基础荷载扩散在其下卧层上，由此来减少基础荷载的强 度。h e l e n e l u n d ( 1 9 5 3 ) 也考虑了土硬壳层对承载力所起的作用，他建议在计算中 只考虑取用实际硬壳层的一半厚度。他也发现较薄软土和泥炭软土硬壳层的存 在，大大有助于提高低路堤地基的承载力。陈国靖( 1 9 8 6 ) 根据京津塘高速公路的 资料，提出硬壳层具有扩散应力、减少不均匀沉降、减少地基沉降量及增加固结 度的作用。郭灿华( 1 9 9 0 ) 曾根据莘淞公路软土地基沉降观测资料提出，当表层存 在1 5 - - 3 0 m 的硬壳层时，天然地基上的最佳填土高度为2 5 m 左右，即在此情况 下可不对地基进行处理。王善庆认为硬壳层处于超压密状态，提出了2 , - - , 3 米高的 路堤不作地基处理，更不能因施工而扰动原地基的观点。李善波( 2 0 0 0 ) 认为当软 土上存在硬壳层时，下卧软土层并不是孤立存在的，而是与硬壳层形成一个整体 的承载体系，其实际承载力与硬壳层有着密切的关系。硬壳层本身具有相对较大 的密实度，而且有一定的刚度，因此可以分担荷载产生的一部分剪力。即在一定 的荷载剪力作用下不产生剪切变形或变形极小，这就使得硬壳层与下卧软土层间 的荷载传递方式有了本质的变化，已不同于传统的扩散概念。此时的硬壳层己具 有了类似于梁的作用，它可以承担部分弯矩、剪力并抵抗变形。这种类似于梁的 作用可称为硬壳层的“壳体效应”。“壳体效应”的存在有可能使传到下卧软土层 的单位面积荷载低于按传统扩散方法计算出来的单位荷载，且分布更加均匀，这 就相当于提高了整个地基的承载能力。 3 、人工硬壳层的应用现状 上面讲的硬壳层主要是软土地基上天然形成的硬壳层，然而在一些软土地基 上根本不存在硬壳层，或由于路基标高等原因不得不把硬壳层挖除，重新构造硬 壳层。相对于天然的硬壳层，人工的硬壳厚度较薄，强度相对较高。李善波( 2 0 0 0 ) 认为构造人工硬壳层的最好方法是用粘土分层碾压或填土后用重锤夯实，也可以 采用强夯法加固。该种方法在南京禄口机场的软基处理中有过应用。卢廷浩等人 ( 1 9 9 9 ) 在宁通一级公路南通段软基处理中采用：二灰土桩对软土地基进行处理，他 东南人学硕一l 学位论文 们指出二灰土桩初期具有排水作用，因其可压密性和水硬性，后期强度增高，形 成硬壳层。陈凯等研究指出，当地表软弱土层为透水性较好的砂土或亚粘土等时， 常采用表层压实法形成硬壳层，并进一步指出，该种方法的处理效果主要取决于 土质、含水量、分层厚度、压实机械性能和压实遍数等。他们还指出当表层软弱 土层为饱和淤泥质粘土时，一般可以通过挖除后换填砂( 砾) 土、碎石、石渣、矿 渣、粘土等透水性良好的材料，分层填筑并压实后形成硬壳层。 1 4 本论文的研究内容 依托在建的江北沿江高等级公路( 南京段) 建设项目，通过开展相关现场试验 和室内试验，以及理论分析与数值分析工作，拟就以下主要问题丌展研究。 1 、软土工程性质及构造“人工硬壳层可行性 针对低路堤荷载条件下，荷载水平相对较低的特点，开展软土地基的强度问 题和地基沉降问题研究，主要有：软弱地基承载力和低路堤的整体稳定性评价； 地基总沉降和地基沉降历时规律计算分析。研究对象为长江河漫滩相天然沉积物 固结排水特性和基底浅层加固层对软弱土地基上路堤结构稳定性。 试验研究中，拟采用工程勘查与高质量原状试样室内土工试样，结合土力学 结构性研究的相关理论、传统土力学计算方法和数值分析计算方法。论证低路堤 条件下，采用浅层有限厚度水泥固化技术，形成人工硬壳层的可行性。 2 、 “人工硬壳层试验研究及实践 针对长江河漫滩相浅埋厚层软土地基，首先对天然沉积浅层软粘土水泥改良 规律进行研究，同时就浅埋厚层软土地基浅层处置的工作机制进行分析，在此基 础上就浅埋厚层软土地基的填前基底浅层水泥改良加固施工工艺与控制进行研 究。浅层处置工作机制包括低路堤填筑施工条件改善，工作性能影响机制，以及 浅埋厚层软土地基浅层加固层对低路堤路床性能影响机制。施工工艺组织设计、 施工质量控制标准研究，主要为水泥改良基底浅层软弱土的摊铺、翻拌、成型等 的工艺流程，以及施工过程中主要质量控制指标和相应控制标准研究。 试验研究拟采用室内水泥改良和易性试验，在此基础上进行试验段现场试验 研究。浅埋厚层软土地基浅层加固层的 ：作机制研究，拟采用弹性理论和数值分 析方法。 3 、 “人工硬壳层 基底质量综合评价技术 6 第一章研究背景 基于高等级公路低路堤方案中行车荷载作用下，对路基、基底的性能要求， 围绕路基、基底路用性能评价核心内容，展开路基、基底施工质量多种检测方法、 指标、评价方法与标准体系的研究，以建立基于路用性能的基底、路堤质量检测 评价系统。 4 、重车荷载作用下低路堤与基底响应机制 针对低路堤重车荷载作用下，路堤、基底响应机制的试验与理论分析研究。 主要包括：重车行驶的影响深度，路面结构层使用性能对低路堤路堤、基底路用 力学性能的要求。 试验研究拟采取现场重车行驶原位动态相应测试，理论分析拟采用弹性层状 体系解析解和弹性数值分析方法，分析确定基底浅层加固质量、厚度对低路堤路 床性能的影响。针对低路堤特征，合理确定重车荷载作用下影响深度，以及低路 堤路床性能与基底质量关系。 东南人学硕i ：学位论文 第二章软土工程性质及构造“人工硬壳层 可行性 2 1 软土层分布与软土基本性质 1 、路线工程地质概况 江北沿江高等级公路( 南京段) 场地所在区域地貌类型属长江漫滩，地势平坦 开阔，地面标高一般5 5 0 8 5 0 m ，地形微向长江倾斜，地表岩性为第四纪全新统 粘性土。人工改造的沟、渠纵横交错，沿线地貌为长江低漫滩。根据工程地质资 料显示深度内地层均为第四系全新统和上更新统冲积物，土层自上而下可分为： 素( 杂) 填土、淤泥质粉质粘土、淤泥质粉质粘土与粉砂互层、淤泥质粉质粘土、 粉砂、细砂、圆砾等层组成。 江北沿江高等级公路( 南京段) 主要地表水系为南侧的长江、东侧的滁河、皇 厂河以及零散分布于场区的沟塘。区域地下水主要为松散岩类孔隙微承压水，该 含水层孔隙较大，连通性较好，赋水性和透水性均较好，与长江水力联系密切， 主要接受径流及降水入侵补给，排泄以径流为主。埋藏较浅，地下水稳定水位一 般埋深0 3 0 一3 3 0 m 之间，平均1 4 0 m ，地下水位标高2 5 0 6 3 0 m ，平均4 9 0 m 。 1 ) 区域地层概况 江北沿江高等级公路( 南京段) 区域属下扬子区，前第四系主要出露于六合东 沟镇大塘湖一带，主要为第三系粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，勘区基底则为白垩系 赤山组红色粉砂质泥岩一泥质粉砂岩，表层主要为第四系冲积相淤泥质土一亚砂土 一粉细砂一中粗砂，具上细下粗特点，其间分布多个沉积韵律。 2 ) 软土分布及特性 施工图设计详细勘查报告揭示，软土( 淤泥及淤泥质土) 主要为土层3 淤泥 质亚粘土、土层5 一a 淤泥质亚粘土夹粉砂。其中，土层3 淤泥质亚粘土全线路段 均有分布，总体东薄西厚，东浅西深，夹较多极薄层状粉砂或亚砂土层，系低强 度高压缩性不良软土层。土层5 a 呈透镜体状，平面呈不连续状分布，厚度变化 较大。土层主要物理力学指标，参见表2 1 。 从表2 1 可以看出，江北沿江高等级公路( 南京段) 路线区域主要软土层3 ， 为低液限粘性土，即粉质粘土。土性很不均匀，室内土工试验中强度指标c 、( p 离散性偏大，具有明显的混合土特征。软土地基中部软土层5 a 与上层软土层3 类似，指标离散性较大。 第二章软十i ：程性质及构造“人i ：硬壳层”可行性 最人值 5 a 最小值 平均值 3 0 1 6 1 1 8 3 4 3 3 1 9 5 1 3 4 3 5 9 4 2 8 8 7 4 2 1 5 2 9 1 1 2 4 2 0 o 1 4 4 2 7 6 7 接上表2 - 1 3 最人值 最小值 平均值 6 0 1 8 6 2 6 6 2 5 6 0 0 3 2 5 1 9 4 1 7 8 0 0 0 7 1 6 2 9 2 5 a 最人值 最小值 平均值 4 8 1 1 3 - 3 2 9 5 6 7 4 o 1 5 1 7 7 0 8 5 0 4 1 o 6 7 2 4 1 0 1 7 o 5 1 3 0 3 7 0 0 4 l l 1 0 4 1 0 4 1 0 4 1 8 1 8 1 8 2 、试验段补充勘查分析 试验段位于里程k 6 + 9 5 0 。k 7 + 1 0 0 ，长度1 5 0 m ，路基高度2 0 m 。根据详细 工程勘察报告有关资料，进行了原位c p t 补充勘察。补充静力触探试验成果， 参见表2 2 。试验段钻孔勘察标准贯入试验成果，参见表2 3 。试验段补充勘查 资料表明，上层软土层2 出露于地表i 酊，表层几乎无天然沉积良好土层，厚度相 9 东南人学硕上学位论文 对较薄，厚度仅仅约1 0 m 。地表层下卧软土层3 ，为典型江漫滩天然沉积物，该 软土层层底埋深一般超过1 3 m ，局部超过2 0 0 m ，层厚超过1 0 0 m ，试验场区内 厚度变化较大，工程性质较差，具有淤泥质粘性土与粉细砂互层结构组成特征， 且平均静力触探指标相对较高。该土层在试验段中广泛存在，在整个软土地基中 层厚、层位分布有一定变化，对软土地基整体工程性质有重要影响。 试验场区原位c p t 勘查成果表2 。2 q c m p a 传l ( p a 0 6 9 0 2 8 7 0 0 0 8 7 1 2 5 7 0 0 o 7 8 1 2 7 2 0 0 厚度m 1 0 0 00 9 0 0 0 9 5 0 试验场区标准贯入试验成果汇总表2 3 l o 第二章软j 卜：样性质及构造“人j ：硬壳层”可行性 试验段补充勘察得到软土层3 的粒度成分中胶粒含量分布在2 0 2 3 3 7 ，液 限含水量w l = 4 4 6 4 6 7 ，为典型低液限粘土，参见图2 1 。 。 -0 0 2 02 53 03 54 04 55 05 56 0 液限w l 图2 1 试验场区软土3 的塑性图 2 2 软土地基沉降分析 1 、现场沉降观测数据分析 江北沿江高等级公路( 南京段) 试验段，全长1 5 0 m 。试验段沉降观测工作从 2 0 0 6 年9 月份开始，截止2 0 0 6 年1 2 月份，共选择了7 沉降观测剖面，每个观 测断面左、中和右各布设1 个观测点，试验段累计2 1 个沉降观测点，历时3 个 月，前后累计进行了7 次沉降观测。 根据沉降数据资料，整理得到了各沉降观测剖面的沉降历时曲线，参见图 2 2 图2 9 。可以看出，试验段的2 1 个观测点的累计沉降分布在1 2 7 r a m 1 8 5 m m 之间，参见表2 4 。 大量的工程实践和研究文献均表明，要准确地计算软土地基的沉降，目前还 比较困难。沉降计算方法采用根据实测资料推算沉降量与时间关系的曲线拟和 法。曲线拟合方法属于经验方法，即采用与沉降预测曲线相似的曲线进行拟合，然 后外延求出后期沉降量。其推算原理简单，且有一定的理论基础，当实测沉降时 i 、日j 较长时，预测的结果较为理想。 如 ” 加 b m 5 o di搽颦赶，剽 东南人堂堡! 兰垡垒奎 2 1 8 0 1 8 0 - l 舳 第一二章软十一i ：稃性质及构造“人r ：硬壳层”可行性 图2 5k 7 + 0 4 0 沉降观测成果曲线 图2 6k 7 + 0 6 0 沉降观测成果曲线 图2 7k 7 + 0 8 0 沉降观测成果曲线 加。珊舶柳铷 恒。野 加 g格进蛙 加。珈狮莉渤 恒叫野 加 e基、窖墼蜉 加。珈枷和渤 印 恒刊野 巨ui瑙篷蟋 东南人学硕i ：学位论文 恒2 0 聋之。0 _ 4 0 - 6 0 8 0 g - 1 0 0 毒一1 2 0 篷- 1 4 0 糖1 6 0 1 8 0 f 日q a 8 0 图2 8k 7 + 1 0 0 沉降观测成果曲线 曲线拟合方法用有限时间内的沉降观测资料，预估地基沉降的发展趋势，并 推求未来沉降发展规律和最终沉降量。主要有双曲线法、三点法和泊松曲线法进 行计算和对比分析，得到各相应断面的最终沉降量。从图2 2 图2 9 各断面实测 沉降历时曲线基本为抛物线型沉降曲线，实践中采用双曲线法。 双曲线法 双曲线法预测地基沉降的表达式如下 s 。：j l s 。 ( 2 1 ) s r2 s 。 【：z l ， 式中：j 。一地基的最终沉降量s m m ； s 。一在时间，时地基的实测沉降量s m m ； 口一待定的经验系数。 类似地在沉降与时间实测曲线的最后部分，取任意3 组已知的沉降变形实测 值& i 、和，以及相应时间，卜t 2 和t 3 ，代入双曲线预测地基沉降的计算公 式( 2 - 4 1 ) 中，可以得到 s t l ：j l _ ( 2 2 ) ) 。赢 【2 。2 ) ， s t 2 2 再吒口十f 一，2 焘t 气 f ， 口+ ， 联立方程( 2 2 ) ) 和( 2 3 ) ，可以得到 1 4 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 第一二章软士i ：程性质及构造“人一r = 硬壳层”可行性 叫n = 赫鲫。 联立方程( 2 3 ) 和( 2 4 ) ，可以得到 一z2 赫娜。 将表达式( 2 5 ) 式除以( 2 6 ) 式，可以得到 垒二垒：生玉竺生 s t 3 - - s f 2口+ r lr 3 一r 2 整理后，最后可得a 的值 。一( j f 3 一j r 2 ) 0 2 一，1 ) x t 3 一( j ，2 一s f l ) 0 3 一t 2 ) f l“一 ( s f 2 一s ，1 ) ( ，3 一f 2 ) 一( s f 3 一s ，2 ) 0 2 一f 1 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 将表达式( 2 7 ) 代入表达式( 2 5 ) 或者表达式( 2 - 6 ) ，就可求得对应的最终沉降量s 。： 或 j ： 垒二垒 ，2，l a + t 2a + q s ： 垒二垒 t 3t 2 a + t 3a + t 2 ( 2 - 8 ) 采用双曲线法所得的最终沉降量表2 - 4 2 、天然地基固结系数反演计算 在排水井未穿透地基压缩层时，砂井打入深度与整个压缩层厚度的比值为 q ，则整个压缩土层的平均固结度u ( 钱家欢，殷宗泽，1 9 9 6 ) 可以根据砂井深 度范围内地基平均同结度u ，：( b a r t o n ，1 9 4 8c a r i l l o ，1 9 4 2 ) 和砂井以下部分 东南人学硕f ：学位论文 压缩土层固结度u ，( 钱家欢，殷宗泽，1 9 9 6 ) 按下式计算： u = g u ，：+ ( 1 一g ) u ： ( 2 。9 ) 不同土层归一化，可假定k 。k ：= 止j 石成立，按h ：= h ：止j i 进行 ( a i f r e d o ，2 0 0 2 ) 。采用砂井固结理论计算u 圮和t e r z a g h i 一位固结理论计算u ：， 代入上式后，可以得到 u = 去小9 薹去e 卅 e x p 焉 - ( i - q ) 荟o o 矿2 时 当u 3 0 时，可以利用连续两个时间f 川，f 。的沉降值s 川，s 。变换上式，可 以得到 一s u l t - - s n ：竺二三竺竺竺! 二互万2 c v 2 t n ! 协 4 爿2，1n 、 一= 一 一li ， 叫川q e x n - l 】+ ( 1 吲唧( 一警 热凡2 面7 - 1 - 鬲2 + 赤 研究成果( l a i ，2 0 0 1 ) 表明，吒c 们的比值对反演的c 值影响较小，可以 把该比值作为一个常数，同时，时间间隔的选取对结果同样影响较小。对于表达 式( 2 1 0 ) 中的未知数，可通过m a t l a b 6 5 中的s l o v e ( e ，v a r ) 命令即可求 得。 根据上述原理，若土层中没有砂井，为一般土层时，反分析可直接得到天然 地基整体的平均固结系数 铲蠢h 嚣 协 同理，针对竖向和径向排水同时发生的情况，但不考虑砂井下卧层固结时， 即典犁砂井模犁下的固结度反分析，同样可盲接采用下式计算。 c。：=志-n。s。ult-。s。n： c 2 一2 ， 1 6 第二章软十j ：程性质及构造“人t j 硬壳层”可行性 采用上述理论，结合试验段累计7 个断面，共2 l 沉降观测点实测沉降资料， 反演分析得到软土层的固结系数，参见表2 5 。可以看出，如果仅仅考虑竖向排 水固结，试验段软粘土层的固结系数较高。表明同时央粉砂、粉土的软粘土层的 排水固结速度相对典型软粘土偏快。在低路堤荷载水平作用下，该软粘土基本不 会发生屈服，而导致较大变形或路堤结构失稳。 试验段软粘土层固结系数反演分析结果表2 5 2 3 本章小结 ( 1 ) 通过施工图设计详细勘查报告和试验段补充勘查分析，区域土质具有淤泥 质粘性土与粉细砂互层结构组成的特点，且平均静力触探指标相对较高，为典型 江漫滩天然沉积物。 ( 2 ) 根据沉降数据资料整理得到的各沉降观测剖面的沉降历时曲线，采用双曲 线法拟合预估地基沉降发展规律和最终沉降量发现路基沉降稳定且收敛，通过固 结系数反演发现，试验段软粘土层下卧粉砂层是上覆软土层固结排水的良好的排 水通道，在低路堤荷载水平相对较低时，不会产生明显的地基土层屈服。 ( 3 ) 试验段工程地质条件既具有深厚软粘土层直接出露于地表( 无良好天然硬 壳层) ，使浅层加固处置研究具有重要工程意义；同时，软粘土地基的整体工程 性状，强度稳定，排水固结条件良好，是用于浅层加固替代深层竖向加固体复合 地基研究的良好场址。 东南大学硕l ：学位论文 第三章构造“人工硬壳层 实践 3 1 水泥固化软土工作机理 水泥固化软土是指向软土中添加水泥并进行搅拌混合，通过固化材料( 水泥) 与孔隙水发生水解和水化反应，使得孔隙内的自由水变成固化土的结合水，同时 加强了土颗粒之间的粘聚力，从而提高了软土的强度。固化土水泥一土骨架结 构的形成主要是由于水泥的水解水化反应，使大孔隙的淤泥得到胶结和填充，骨 架结构得到加强。 ( 1 ) 水泥土骨架结构的形成 水泥的水解水化反应。普通的硅酸盐水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三 钙和铁铝酸四钙等与水发生如下水解和水化反应，在土中形成水泥石骨架。 水泥的水解反应如下： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 _ 3 c a o 2 s 1 0 2 3h 2 0 + 3 c a ( o h ) 2 2 ( 2 c a o s i 0 2 ) + 4 h 2 0 - * 3 c a o 2 s 1 0 2 3h 2 0 + c a ( o h ) 2 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 _ 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 水泥的水化反应如下： 4c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 2 c a ( o h ) 2 + 10h 2 0 - - * 3 c a o 。a 1 2 0 3 。6 h 2 0 + 3c a o f e 2 0 3 6 h 2 0 3 c a s 0 4 + 3 c a o a 1 2 c 3 + 3 2h e o 一3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2h 2 0 水泥水化反应的生成物主要为氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁 酸钙和钙矾石( 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2h 2 0 ) 等化合物。所生成的氢氧化钙、水化 硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样 周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继续渗入颗粒内部， 但新生成物不能再继续溶解，只能以胶体析出，悬浮在溶液中。 ( 2 ) 土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架，有的则 与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。 离子交换和团粒化作用 淤泥和水结合时就表现出一定的胶体特性，如土中二氧化碳遇水后，形成胶 体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中钙离 第二章构造“人一l 硬壳层”实践 子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体的强度提 高。水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生很 大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合，形成固化土的 团粒结构，并封闭各团粒的孔隙，形成坚固的联结，从宏观上看也能使固化土的 强度大大提高。 硬凝反应 随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交 换需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部 分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，增大固化 土强度，反应式为： s i 0 2 + c a ( o h ) 2 + nh 2 0 - - - 3 c a o s i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 a 1 2 0 3 + c a ( o h ) 2 + nh 2 0 - - * 3 c a o a 1 2 0 3 ( n + 1 ) h 2 0 碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化 作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使固化土增加强度，但增长强度较 慢，幅度较小。 3 2 室内水泥固化试验分析 ( 1 ) 土工试验 对试验段的土质进行了液塑限、含水量、颗粒分析等试验，试验结果如下： 该软土的液限3 7 - - 4 4 、塑性指数1 6 2 4 ，天然含水量为3 8 - 4 6 。从试验结果 看，初步判定该软土为低液限粘土。见表3 1 、表3 2 。 试验段原状土土质物理力学性能汇总表 表3 1 取样位置天然含水量( )液限( )塑限( )塑性指数 l4 6 74 1 7 2 2 8 1 8 9 k 6 + 9 5 024 5 24 0 12 0 12 0 0 34 5 84 3 11 9 72 3 4 k 6 + 9 8 0 14 0 74 1 8 2 1 o 1 9 9 23 8 83 9 - 42 0 11 9 3 1 9 东南人学硕i j 学位论文 34 1 04 0 12 0 71 9 4 14 0 03 8 02 1 9 1 6 1 k 7 + 0 5 023 9 13 7 52 0 o1 7 5 33 9 73 9 21 9 71 9 5 颗粒分析试验结果汇总表表3 2 士样编号测定粒径各粒组百分数 0 0 7 4o 1 0 0 0 5 - 4 ) 0 7 45 8 5 k 6 + 9 8 0 0 0 0 2 - 4 ) 0 0 51 4 9 o 0 0 2 2 6 5 ( 2 ) 外掺材料性能试验 通过调查和南京地区工程中的实际应用经验，结合江北沿江高等级公路工程 所在地原材料分布状况，选择了天宝山水泥厂生产的天宝山牌p 0 3 2 5 普通硅酸 盐水泥。外掺材料的性能见表3 3 。 水泥试验结果汇总表 表3 3 试验项目试验数据或结果指标值试验检测方法 r f = 4 3 水泥胶砂强度( 3 d ) ( m p a ) g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 r c = 2 0 8 r f = 8 2 水泥胶砂强度( 2 8 d ) ( m p a ) r c = 3 9 1 水泥细度( ) 2 5g b1 3 4 5 9 l 标准稠度用水量f 12 7 4g b t 1 3 4 6 2 0 0 l 初凝： 1 3 0 r a i n 水泥凝结时间 终凝：2 0 0 m i n 水泥安定性( r a m )= 0 5 合格 ( 3 ) 物理力学性能试验 参照水泥搅拌桩所用剂量，初定以1 0 、1 2 、1 4 0 6 0 、1 6 为水泥的掺加比 例。软土地基的旌工方法是否町行耿决于外掺剂能否均匀的分散到软七中( 既外 2 0 第三章构造“人i ：硬壳层”实践 掺剂和土的和易性能) ，基于此出发点，根据江北沿江试验段土的天然含水量进 行了室内和易性试验。室内试验结果表明在目前试验段的土的含水量状态下水泥 能够均匀的分散到土中，和土很好的结合，具有良好的和易性能。由于软土的特 点及目前施工机械方面的限制，无法对处理过的软土进行全深度内碾压及压实度 控制，混合土的成型过程同一般路基改良土区别较大，而更类似于水泥搅拌桩的 成型过程。因此，参照水泥搅拌桩的室内强度试验设计了混合土的室内强度试验 方法，强度试验数据汇总见表3 4 。 水泥土无侧限抗压强度试验结果汇总表( 土的初始含水量为4 0 )表3 4 外掺比例 无侧限抗乐强度( m p a ) 取样位置 ( ) 7 ( d ) 2 8 ( d ) 1 00 2 3 3 0 3 0 1 1 20 3 0 90 3 8 3 k 6 + 9 5 0 1 40 3 3 3 0 3 6 8 1 60 2 7 40 3 6 1 1 0o 1 9 5 0 3 2 5 1 2o 1 9 60 4 0 6 k 6 + 9 8 0 1 40 2 5 70 5 4 5 1 60 4 1 20 6 l l l o0 2 4 7o 3 6 1 1 20 2 6 80 3 5 9 k 7 + 0 5 0 1 40 3 0 50 5 7 8 1 60 3 4 40 8 9 4 ( 4 ) 混合料对含水量的敏感度研究 软土地基处理效果的好坏与软土的含水量高低有关。虽然可以采用如抽水等 办法降低软土中的含水量，但由于施工工艺的限制，并不能完全控制含水量，在 施工中很可能会出现在高含水量的情况下进行掺拌的情况。因此结合含水量检测 试验的结果又进行了混合料强度对含水量的敏感度研究，选用1 2 的水泥上以3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 的含水量进行水泥i ：的抗压强度试验，试验结果见 表3 5 。 东南人学硕 ：学位论文 表3 5 强度( m p a ) 混合料类型取样位置含水量( ) 7 d2 8 d 3 00 2 8 80 3 1 3 4 0 0 3 0 90 3 8 3 k 6 + 9 5 05 0 0 1 1 70 2 3 7 6 0o 1 0 30 2 4 9 7 00 0 6 90 0 7 4 3 00 3 3 2 0 9 1 5 4 00 1 9 60 3 5 9 1 2 水泥土k 6 + 9 8 05 00 2 0 60 3 0 6 6 00 1 1 7o 1 7 2 7 00 0 9 lo 1 2 4 3 00 3 2 20 8 5 4 4 00 2 6 80 3 5 9 k 7 + 0 5 05 00 2 0 00 3 5 l 6 00 0 9 00 2 2 3 7 00 0 5 4o 1 6 3 从试验结果来看，当含水量在5 0