（道路与铁道工程专业论文）高速公路沟谷型软基路堤稳定性研究.pdf

于葡要 随着我国西部大开发战略的实施，高速公路逐步进入山区，高速公路的建设 在中西部地区进入较快发展期。与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。为了与地方经济发展、自然旅游景观、环境条件 等相协调，导致许多高速公路需要穿越特殊的地形地貌。 软土强度低，压缩性高，加上山间谷地特有的地形地貌特征，使得这种软土 薄厚不均，工程问题突出。因此，在这种软基上进行高速公路设计要先对其采取 加固处理措施，并进行稳定、经济分析，最后才能确定方案。 本文首先回顾了塑料排水板、土工格栅及碎石桩加固软基路堤发展现状及作 用机理，根据所收集到的四川地区软基资料，总结了四川地区沟谷型软基特点及 常见病害形式。在此基础上对拟建高速公路使用塑料排水板、土工格栅、碎石桩、 砂垫层等处理措施使用b i s h o p 法进行计算比较，分析各措施对软基路堤稳定性、 工后变形量的影响程度，然后通过有限元法对土工格栅、塑料排水板及碎石桩加 固方法进行了验算。最后进行经济性比较，确定该地区最经济有效的处理措施为 土工格栅联合塑料排水板处理。结合地区软基特点、相关研究结论，总结出该地 区软基路堤稳定性设计与施工的一些规律。 关键词：沟谷软基稳定性分析土工格栅碎石桩极限平衡法有限元法 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew e s t e r nd e v e l o p m e n ts t r a t e g y si m p l e m e n t a t i o n i no u rc o u n t r y , t h e h i g h w a ye n t e r st h em o u n t a i n o u sa r e ag r a d u a l l y , a n dt h eh i g h w a y s c o n s t r u c t i o ne n t e r st h e q u i c kp e r i o do fe x p a n s i o ni nt h em i d - w e s ta r e a t h er o a d b e di nm i d - w e s ta r e ah a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h a ti nt h ec o a s t a lp l a i na r e a t oc o r r e s p o n dt ot h el o c a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h en a t u r a lt o u r i s ml a n d s c a p ea n dt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s t h es o f ts o i l si n t e n s i t yi sl o w , a n di t sc o m p r e s s i b i l i t yi sh i g h i na d d i t i o n ，t h ev a l l e yl a n d b e t w e e nm o u n t a i n sh a si t su n i q u el a n d f o i i nc h a r a c t e r i s t i c ，s ot h et h i c k n e s so ft h es o f ts o i lo n t h er o a di su n e v e n ，a n dt h ep r o j e c tp r o b l e mi sp r o m i n e n t s or e i n f o r c e m e n tp r o c e s s i n g m e a s u r e sm u s tb et a k e nb e f o r et h eh i g h w a yi se n 百n e e r e do nt h i sk i n do fs o f t b a s e ，a n dt h e e c o n o m i ca n a l y s i si sa l s on e c e s s a r y , f i n a l l y , t h ep l a nw i l lb ec o n f i r m e d a tf i r s t ，t h i sp a p e rr e v i e w e dt h ea c t i o nm e c h a n i s mo ft h ep l a s t i cd r a i n a g eb o a r d ，t h e g e o t e c h n i c a lg r i l i ea n dt h eg r a v e lp i l e ，a n dt h ed e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo ft h ee m b a n k m e n t o i l s o f tg r o u n d a c c o r d i n gt ot h ec o l l e c t e dm a t e r i a l so fs o f tb a s ei ns i c h u a na r e a , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe m b a n k m e n to nv a l l e y - t y p es o f tg r o u n da n dt h ec o m m o nd i s e a s ea n d b r e a k a g ef o r mw e r es u m m a r i z e d o nt h i sb a s i s ，s e v e r a lr e i n f o r c e m e n tp r o c e s s i n gm e a s u r e s ， w h i c hu s e dp l a s t i cd r a i n a g eb o a r d s ，g e o t e c h n i c a lg r i l l e s ，g r a v e lp i l e s ，a n ds a n dc u s h i o n ，w e r e c o m p a r e db yb i s h o pm e t h o d ，a n dt h e s em e a s u r e sw e r ec o m p a r e da g a i nb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o d a l s o ，t h e s et r e a t m e n t s sc o s t sw e r ec o m p a r e d a tl a s t ，m ec o n c l u s i o nw a st h a tt h e m o s te c o n o m i ca n de f f e c t i v ep r o c e s s i n gm e a s u r ew a st h a tc o m b i n e dp l a s t i cd r a i n a g eb o a r d s w i t hg e o t e c h n i c a lg r i l l e s b e s i d e s ，c o m b i n i n gt h ef e a t u r eo ft h ep r o j e c ta r e aw i t l lr e l a t i v e r e s e a r c hc o n c l u s i o n ，s o m er e g u l a r i t y so nd e s i g n m e n t sa b o u ts t a b i l i t ya n dc o n s t r u c t i o n so f e m b a n k m e n to nv a l l e y 却es o f tg r o u n do fh i g h w a yo ft h i sa r e aw e r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：e m b a n k m e n to nv a l l e y - t y p es o f tg r o u n d ，s t a b i l i t ya n a l y s i s ，g e o g r i d ， g r a v e lp i l e ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d i i 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：郑届论年年月2 君日 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： 郄侈诌 导师签名：位沦 硼7 年年月刁日 州年年月劢日 长安大学硕士学位论文 1 1 背景和意义 第一章绪论 高速公路的特点就是车辆行驶速度高，对安全性要求高，能够实现乘客、货物的快 速与安全运输。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，全世界已有8 0 多个国家拥有高速公路，通车总里程超过了2 3 万 公里，公路客货运输比例大大增加，甚至超过了铁路。据统计，1 9 7 0 - - 1 9 7 2 年有1 9 个发 达国家的公路与铁路客、货运输周转量年平均值之比分别为9 2 ：1 和2 9 ：1 。高速公路建 设已成为世界各国拉动经济发展，加速社会发展进程的重要一环。我国高速公路建设始 于2 0 世纪8 0 年代中期，1 9 8 4 年开工建设大陆第一条高速公路一沪嘉高速公路，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 7 年，我国 高速公路通车总里程已达到5 3 万公里。在世界上处于第二位，仅次于美国的l o 万公里。 修建高等级公路时，地基变形和路堤的稳定是主要问题。我国软土分布较广，已建 和在建的高速公路，软基段都占有较大的比例。软基处理在整个高速公路建设中占有非 常重要的地位。我国高速公路大部分位于沿海经济较发达地区，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。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的科 研成果。但为适应国民经济发展和满足路网完善的需求，随着中央西部大开发战略的实 施，高速公路逐步进入山区，高速公路的建设在中西部地区进入较快发展期。与沿海平 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。为了与地方经济 发展、自然旅游景观、环境条件等相协调，中西部地区高速公路的选线需要兼顾经济、 技术、环境等方面，这就导致许多高速公路需要穿越特殊的地形地貌。因此，发展特殊 地区的公路软基处理技术对于我国高速公路建设发展具有重要意义。 公路工程的地基问题概括起来有下列三个方面： ( 1 ) 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荷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、 第一章绪论 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 中遇到上述问题之一时，必须采取地基处理措施，否则会引起质量问题。 四川地处中国西南内陆，地质条件复杂，气候特殊，同类工程问题突出，因此针对 四川软基特点、破坏机理，进行不同方法计算分析比较，探讨适合当地特点的设计计算 方法具有十分重要的意义。 1 2 研究现状 1 2 1 路堤边坡稳定性分析研究现状 土坡稳定性分析理论的发展经历了一个较长的时期，大致可分为以下几个阶剧l 】： 2 0 世纪初，对边坡稳定和土压力计算只考虑土体的内摩擦角，并假定滑动面为平面。 1 7 7 3 年法国工程师库仑和1 8 5 7 年英国学者朗肯分别提出的库仑土压力和朗肯土压力就 是这类方法的代表。1 9 1 6 年彼德森氏提出了圆弧面分析法，该法只涉及土的内摩擦力， 并且不考虑土体内部土条间的相互作用力，这就是最初的瑞典圆弧法。后经f e l l e n i u s 修改成为著名的瑞典条分法，被誉为现今岩土工程界的一个里程碑，现在仍被作为一种 古典方法列入各国高校土力学教材。 因瑞典条分法没考虑滑动土体内部各土条间的相互作用力，将滑动面简化为平面应 变问题中的圆弧面，因而其安全系数较实际情况偏低。2 0 世纪4 0 年代，不少学者致力 于改进瑞典圆弧法。一方面探索最危险滑弧的位置，制作数表、曲线以减少计算工作量， 如泰勒、比肖普、拉姆里和包洛斯等通过研究揭示了最危险滑弧圆心位置的某些变化规 律。另一方面研究滑裂面的形状。1 9 4 1 年太沙基指出：土体破坏时的滑动面更接近对数 螺旋线。但这种假设使得计算工作繁琐，计算量大却没有必要，因为安全系数k 值在真 正的最危险滑面附近变化十分迟钝，利用圆弧滑面假设仍然可以获得满意的结果。不过， 土体越不均质，真正的最危险滑面偏离圆弧面越远，此时对数螺旋线并非能够逼近真实 情况。 2 0 世纪5 0 - - - 6 0 年代，人们研究的主攻方向为：一是如何在计算中考虑滑动土体内部 土条问的相互作用力；二是研究如何将此法推广应用到任意形状的滑动面。1 9 5 4 年简布 提出了普通条分法的基本原理，将最初的圆弧法推广到任意滑面情况，并通过假定土条 2 长安大学硕士学位论文 间推力的作用点位置使问题得到比较合理的解决。1 9 5 5 年，毕肖普明确了土坡稳定安全 系数的定义： k = 0 r ( 1 1 ) 式中r ，为沿整个滑面的平均抗剪强度， f 为滑面上的平均剪应力。 1 9 6 5 年摩根斯顿普赖斯提出了“多余未知函数假设的合理性要求 2 1 ，从而使分 析的结果更趋合理。 2 0 世纪7 0 年代以后，我国学者在边坡稳定分析方法的改进方面做出了重要的贡献。 潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理一极大值原理和极小值原理，他指出：滑坡 体如有可能沿许多滑面滑动，则失稳时它将沿抵抗力最小的那一个滑面破坏( 极小值原 理) ：滑坡体的滑面肯定时，则滑面上的反力及滑坡体内的内力皆能自行调整，以发挥 最大的抗滑能力( 极大值原理) 。这是对边坡稳定分析力学原理的最精辟的总结和最重要 的发展。1 9 7 8 年，张天宝通过按瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析全面归 纳了最危险滑弧的变化规律。他补充了前人研究成果的不足，制成了可供查用的数表和 曲线，提出了在确定最危险滑弧位置方面较费兰斯的m m 线，方捷耶夫的扁形面积等经 验方法更为准确的方法。1 9 8 0 年，张天宝通过对复合土坡稳定系数函数的分析和数值计 算研究阐明了复合土坡最危险滑面分布的多极值规律：( 1 ) 只有对滑出点相同的滑弧在k 等值曲线图中研究极值区个数才具有实际意义；( 2 ) 滑出点相同时，滑弧穿越不同土层的 组合数一般就是理论上安全系数k 的极小值个数。与此同时，阎中华也指出过类似的规 律。1 9 8 1 年，孙君实利用虚功原理，根据杜拉克公设，证明了潘家铮的极大值定理；利 用模糊数学工具建立了土坡稳定安全系数的模糊函数和模糊约束条件，并与传统的安全 系数和最小安全系数相对应，提出了安全系数的模糊解和最小模糊解集的概念。他在土 坡稳定分析的理论和方法方面进行了全面的研究，做出了重要的贡献：( 1 ) 较好的解决了 长期来人们在计算中尚无法合理处理的滑动土体内土条间相互作用力的大小、方向和作 用点问题；( 2 ) 在滑面形态的构成和形成最危险滑面方法方面提出了行之有效的数值计算 方法；( 3 ) 深刻地揭示了土坡稳定问题的力学原理，推动了土坡理论的深入发展。1 9 8 5 年张天宝根据索科洛夫斯基推导的边坡极限稳定原理，提出了“等k 边坡”概念，建立 了利用现行边坡稳定分析方法求解工程实用合理边坡的计算方法和程序。他于1 9 8 6 年 论述了产生粘性土土压力时的合理滑面形状，提出了求解粘性土土压力的圆弧滑面整体 3 第一章绪论 平衡法。 2 0 世纪8 0 年代初，有限元在边坡稳定问题上的应用处于探索之中。应用有限元法 计算边坡内部的应力，然后假定滑动面，滑动面上的法向力和切向力直接从有限元应力 成果上获得。这样既可避免人为的粗糙假设，又考虑了土的应力一应变关系，比极限平 衡法更精确合理，开辟了边坡稳定分析的新途径。 2 0 世纪9 0 年代后出现了概率分析法。由于电子计算机的普及，借助计算机程序使 以前手算难以完成的分析方法变得简单易行，b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e m 和p r i c e 法、s p e n c e r 法等计算程序应运而生，可考虑各种附加外力，计算出边坡最小安全系数， 并可采用试算法随机搜索最危险滑弧的位置。 目前软基的主流计算方法有以瑞典法、毕肖普法为代表的极限平衡法和以 a b a q u s 、m a r c 为代表的有限元数值算法。极限平衡算法以其简单、易学已被大众 所广泛接受。极限平衡法的基本原理是先假定一个潜在的滑动面，然后通过对滑动面上 滑动土体进行静力平衡分析，求出作用于滑动面上的法向应力和剪应力，并假定土体符 合摩尔一库伦破坏准则，从而求出滑动面上土体的抗剪强度，而将滑动面上平均抗剪强 度与平均剪应力之比定义为该滑动面的稳定安全系数。假定若干个滑动面，取这些滑动 面中安全系数最小的滑动面为最危险滑动面，其对应的最小安全系数也就是土坡的整体 稳定安全系数。有限元数值解法是随着计算机技术及有限单元法计算软件的发展而发展 起来的。计算机的发展使得一般的微机即可完成之前看起来根本不可能完成的计算任 务，而它又促进了有限单元求解软件的快速发展。a b a q u s 是一套功能强大的基于有 限元法的工程模拟软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到最富有挑战性的非 线性模拟问题。a b a q u s 具有十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库及适合模拟 土、石、软土及其它土工材料等的丰富材料模型库。有限元法进行工程力学问题数值模 拟的基本思路是： ( 1 ) 首先建立与实际情况相吻合的计算模型，并将计算区域离散成若干有限元的组合 体； ( 2 ) 选取恰当的形函数，用以表征单元内力分布的初始应力分布规律，试图通过单元 节点的应力特征值来描述单元内任意点的应力； ( 3 ) 从力学问题满足的基本的微分方程和定解条件出发，采用变分法或加权余量法建 立单元节点满足的单元支配方程； ( 4 ) 对单元支配方程进行整体组装，建立计算区域内待求量为未知值的整体有限元方 4 长安大学硕士学位论文 程组，并对方程组求解，即可得节点待求量，从而获得整个区域内的待求未知量的分布 情况。 1 2 2 提高软基路堤稳定性方法研究现状 1 2 2 1 竖向排水体发展现状 1 9 2 6 年m o m a 获得砂井专利，1 9 3 4 年美国第一次用砂井排水法加固了公路软土路 基【1 1 。仅几年后，1 9 3 7 年k j e l l m a n 第一次使用了排水板，但他所用的纸板透水性差，耐 久性型4 1 。上世纪6 0 年代末发明了袋装砂井，得到广泛应用；同时板式排水体的材料得 到不断改进，外包聚合物滤膜塑料板芯的塑料排水板与砂井相比具有多种优点，在工程 中的应用也越来越广。 在国外将砂井、塑料排水板等统称为竖向排水体( v e r t i c a ld r a i n s ) ，而国内一般将它 们称为竖向排水井或竖井，没有形成一个统一的术语。本文中为了叙述的简便也使用竖 向排水体( 简称排水体) 作为对打设于软粘土中起加快排水作用的所有形式的排水物体的 总称。 m e o o w n 和h u g h e s ( 1 9 8 1 ) 5 1 将竖向排水体按外形分为圆形排水体( r o u i l dd r a i n s ) 和扁 平的板式排水体( b a n d 1 y p ed r a i n s ) ，或称排水板( b a n dd r a i n s ) 。国内一般按材料分为砂 井( 包括普通砂井和袋装砂井) 、塑料排水板与排水管两大类【6 1 。现在国内外使用较多的 是用聚合物制成的口琴式条带状复合型结构，中间是挤出成型的塑料芯板，是排水带的 骨架和通道，其断面呈并联十字，两面以非织造土工织物包裹作滤层，芯带起支撑作用 并将滤层渗进来的水向上排出。塑料排水板用插板机插入软土地基，在上部预压荷载作 用下，软土中空隙水由塑料排水板向上排到上部铺垫的砂层或水平塑料排水板中，向下 游排出，以加速软基固结。排水体虽然形式多样，但其处理软粘土地基的原理是相同的， 用于分析各种排水体处理软粘上地基的理论也是通用的。其作用都是为含水量大，排水 性差的软土提供排水通道，通过毛细作用将地基内的水排至路基之外，使软基得到固结， 强度提高。本文主要研究的排水固结法主要是塑料板排水法。 1 2 2 2 土工合成加筋材料发展现状 土工合成材料是以人工合成的聚合物，如纤维、塑料、合成橡胶等为原材料制成的 新型岩土工程材料，将其置于土体内部、表面或土、砂、碎石等之间，发挥排水、反滤、 隔离、加筋、保护或防渗等作用。现代土工合成材料的发展是与人工合成聚合物的发展 密切相关的。合成纤维的问世，给土工织物开辟了广阔的前景。合成纤维在岩土工程中 5 第一章绪论 的应用始于2 0 世纪5 0 年代末，1 9 5 8 年美国b a r r e t 在f l o r i d a 用聚氯乙烯机织型土工织 物作为海岸块石护坡的垫层，一般认为这是现代土工织物的开端。在6 0 年代，所用的 土工织物大部分是有纺土工织物，多数用于次要的或临时性的工程。由于有纺土工织物 具有方向性，同时价格较高，限制了它的发展。6 0 年代末无纺土工织物的应用给土工织 物带来了新的革命，无纺土工织物首先在欧洲开始应用，相继用于英国无路面道路、德 国护岸工程、法国土坝的上游护坡垫层和下游的反滤排水。整个7 0 年代是土工织物从 幼年成长为壮年的时代，应用范围发展到水利、公路、海港、建筑等各个领域。无纺土 工织物很快地从欧洲传播到美洲、西非洲和澳洲，最后传播到亚洲。从7 0 年代末开始， 为了更好地满足不同工程的需要，以合成聚合物为原料的特种土工合成材料，如土工格 栅、土工网、土工席垫和土工格室等纷纷问世，同时各种复合型的土工合成材料也有了 长足的发展，已经远远超出了单纯“织物 和“膜的概念。我国在6 0 年代中期开始 应用塑料防渗膜，首先应用于渠道防渗，以后推广到水库、水闸和蓄水池等工程。合成 纤维土工织物在我国的应用较晚，但发展较快。7 0 年代末，使用聚丙烯扁丝织成的编织 布的软体排防止河岸冲刷。进入8 0 年代，编织布的应用日渐增多，同时开始应用无纺 土工织物，铁路部门利用无纺土工织物防止基床翻浆冒泥，针刺型无纺土工织物在水利 工程中的应用发展更为迅速，主要用作反滤排水层。8 0 年代中期以后，无纺土工织物逐 渐推广到储灰坝、尾矿坝、水坠坝、港口码头、海岸护坡以及地基处理等工程。其它的 土工合成材料在我国发展也很快，塑料排水带已广泛地用于高速公路、铁路、飞机场和 港口码头等工程的软基处理中；化纤模袋用在河口护岸、航道护坡等工程；塑料低压输 水管道已广泛地用于灌区；聚丙烯土工带已大量地用于加筋挡土墙和桥台：合成橡胶、 泡沫塑料、土工格栅等已经开始应用。 1 2 2 3 碎石桩发展现状 碎石桩加固软弱地基起源于1 9 3 5 年，开始用来加固砂土地基，后来才用来加固粘 性土，根据h u g h e s 和w i t h e r s - z s 的资料介绍，在法国b a y o n n e 地区建造兵工厂时使用 过，该兵工厂坐落在海湾沉积的软土上，当时的设计桩径为0 2 m ，桩长2 m ，每根桩承 担的荷载为1 0 k n 。加固后的实际沉降量只有加固前的四分之一。这是应用碎石桩加固 地基的最早实例【7 】。此后直至1 9 3 6 年，由德国s s t e u e r m a n 提出用振动水冲法( 简称振 冲法) 挤密砂土地基。1 9 3 7 年j o h a n nk e l l e y 公司研制成功第一台振冲器，并用来处理柏 林幢建筑物下厚7 5 m 的松砂地基。随后，振冲法作为加固松砂地基的首选方法而被 广泛推广，取得了良好的工程效果。5 0 年代初，振冲法开始用于加固粘性土地基，并成 6 长安大学硕士学位论文 为碎石桩。从此，一般认为以振冲法在粘性土中形成的密实碎石柱为碎石桩。用振冲法 加固软土地基首先开始于英德两国。1 9 5 9 年德国的k e l l e r 公司在n u r e m b e r g d 地区的一 项基础工程中，用振冲器在软土中造孔2 0 m 后填入碎石，使承载力大为提高。1 9 6 0 年 英国c e m e n t a t i o n 公司在尼日利亚首都l a g o s 建造一幢六层楼房，采用振冲法加固了2 0 m 厚的淤泥层，效果良好。后来这两家公司将振冲加固软土地基的方法称为振冲置换法【8 】。 振动沉管碎石桩5 0 年代首先在日本应用，6 0 年代初，日本也将此法广泛用于加密砂基， 取得良好抗震效果。 国内应用振冲法加固软土地基始于1 9 7 7 年南京船舶修造厂船体车间的软土地基加 固【9 1 。1 9 8 3 年，北京勘测设计院振冲公司仅用2 8 d 既成功的处理了宫厅水库大坝下游 2 3 0 0 m 2 的可液化砂层。1 9 8 1 年他们又在援建非洲喀麦隆共和国的拉格都水库工程中， 用振冲法加固了1 0 0 0 m 2 的软弱淤泥质土【1 0 】。现在，振冲碎石桩法已应用于全国各地的 建筑、水利、交通、石油等行业的许多工程项目的地基加固工程中。这种方法适用于处 理松砂、粉土、素填土、粘性土、湿陷性黄土等地基。对碎石桩加固软土地基的研究， 不外乎就是对它的沉降计算理论、承载力、承载机理、桩土应力比等几方面的研究。就 碎石桩沉降计算而言，2 0 0 0 年，范燕红等人对碎石桩复合地基沉降计算方法进行了对比 分析1 1 】，2 0 0 3 年，邓修甫等人对碎石桩复合地基沉降计算方法进行了更深入的探讨【1 2 】。 而对碎石桩承载力，2 0 0 1 和2 0 0 2 年，刘杰等人对碎石桩极限承载力进行了计算【1 1 , 1 3 ， 2 0 0 3 年，张卫红又进一步对碎石桩复合地基承载力进行了研究【1 4 】。对于碎石桩承载机 理，1 9 9 9 年，张定对碎石桩复合地基的作用机理进行了分析【l5 】；2 0 0 0 年，经米旺对碎 石桩复合地基承载特性进行了研究【1 6 】；2 0 0 1 年，梁军对碎石桩复合地基受力机理进行 了探讨【1 7 】；2 0 0 2 年，叶观宝等人对碎石桩处理砂性土和粘性土的机理进行了探讨与对 比分析【1 8 】；2 0 0 3 年，刘义怀等人对碎石桩材料变形特征进行了试验研列1 9 】；2 0 0 5 年， 蒋红英等人对碎石桩内部拱效应进行了分析【2 们。就桩土应力比的研究，2 0 0 0 年，龚文 惠对碎石桩复合地基桩土应力比进行了试验研究【2 l 】；随后，赵明等人建立了桩土应力比 新的计算方法【2 2 】；2 0 0 2 年，刘杰等人进行了碎石桩复合地基桩土应力比的计算【2 3 】；2 0 0 4 年，贺会团等人又建立了一种新的桩土应力比的计算方法【2 们。 加固松砂地基的工作机理主要是振冲挤密，而处理粘性土地基的工作机理主要是振 冲置换。另外，碎石桩与其它桩如粉喷桩、砼桩等相比，由于成本低廉和制桩工艺要求 相对较低而一般又能满足设计的要求，因此在工程中被广泛采用。已有的研究成果认为， 碎石桩在处理软土地基时，为了使其能够正常地发挥作用，一般要求地基土的不排水抗 7 第一章绪论 剪强度c u 2 0 k p a ，但是，也有的一些研究成果和工程实践也表明，当c u ( 2 0 k p a 时， 碎石桩加固软土地基也有很多成功的实例，取得了较为满意的加固效果。 目前常用的提高软基路堤稳定性的方式有土性改善法、复合地基法及其他方法。常 用的提高软基路堤稳定性方法见图1 1 。土性改善法是通过排水、使用可与软土发生固 化作用的试剂等方法使原状土含水量降低、强度提高的方法。上面介绍的竖向排水体法 就是典型例子，另外还包括预压法、强夯法等方法。堆载预压是历史悠久行之有效的处 理方法，在工期允许的情况下，一般可用超载预压法解决桥头跳车问题及消除路堤过大 的工后沉降。预压法和竖向排水体法联合使用是目前最广泛应用的软土地基处理方法之 一。强夯法被用来处理软弱地基时间尚不长，这方面经验也较少，但从已有的工程实例 来看，也是一种较为有效的地基处理手段。复合地基法是指通过地基处理，在地基中加 入某种建筑、土工材料或化学试剂的方法，使原地基形成强度更高的复合地基，包括深 层搅拌桩、碎石桩、旋喷桩或加筋处理等加固措施，可有效提高地基承载力，减少工后 沉降，已被广泛使用。这些方法各有优缺点，实际应用中会根据实际情况将两种或以上 处理方法结合起来以达到更好处理效果。如地基处理与减轻路堤荷载相结合，竖向排水 体与等载、超载、欠载预压相结合，加筋处理与竖向排水相结合等。 1 3 论文的研究内容 通过对四川地区高速公路软基路堤病害的调查，针对某高速公路路线走廓带地形地 貌的特点，利用地质勘察资料，研究了全线的不良地质现象；采用极限平衡方法中的毕 肖普( b i s h o p ) 法和数值分析方法，结合设计资料，对沟谷型软基路堤稳定性设计进行 评价。优化路基稳定的设计及施工方法，保障公路本身质量更高、更稳定，促进其成果 更有利于该地区高速公路设计与施工。 8 长安大学硕上学位论文 土性改善 竖向排水体法 强夯法 其他方法 譬 深层搅拌桩复合地基 深层搅拌桩处理 l ir 挤密砂桩处理 i 碎石桩复合地基 ii 挤密碎石桩处理 地基处理弋旋喷桩复合地基 旋喷桩处理 l， if 土工格栅加固 il l 加筋土复合地基 土工格室加固 l l 土工布加固 其他方法 图1 1 提高软基路堤稳定性方法分类 9 压 压 压 预 预 预 载 载 载 等 超 欠 厂一， 法压 预 提高软基路堤稳定性方法 第二章四川沟谷软基特点与常见病害 第二章四川沟谷软基特点与常见病害 沟谷内修筑的高速公路路堤所处地基和地形变化往往较大，稳定和变形更直接取决 于所处位置的地貌特征和路堤填筑材料的特性，这些特点构成了其与一般路堤的显著区 别，这也是软基路堤稳定设计所面临的基本问题，其解决有赖于对软基路堤破坏形态的 充分认识。稳定与变形是相互关联的，目前用于计算稳定性的极限平衡法难以将两者有 机地结合起来。而以有限元为代表的数值分析法，从材料的基本应力应变关系入手，可 较全面地分析各种情况下、不同时刻软基路堤所处的破坏形态，是寻求软基路堤破坏规 律、合理加固处治层位、指导实际施工的科学手段。 2 1 软土鉴别指标 软土是指水下沉积的软弱饱和黏性土层，它具有压缩性高，天然含水量大、强度低 和透水性差等特点。根据软土的多种物理化学指标的变化又可将软土进一步细分为软粘 性土、淤泥质土、淤泥、淤碳质土、泥炭等。在多种指标中，天然孔隙比和有机质含量 是两个较为重要的指标。软土的鉴别依据【2 5 】见表2 1 。 表2 1 软土鉴别指标 天然含水量 天然孔直剪内摩擦角十字板剪切 压缩系数a o 卜 土类 ( ) 隙比 ( o )强度( k p a )o 2 ( m p a - 1 ) 粘质土、有 机质土 3 5 1 0宜小于5宜大于0 5 液 1 0 ，塑 性指数2 0 左右，压缩系数o 5 1 o m p a 1 ，灵敏度系数和8 【3 1 。山区软土也不例外，同样 具有压缩沉降量大、排水固结慢、地基稳定性差的特点。但是，对于以软粘性土、淤泥 性土为主，淤泥和泥炭土较少的山区软土来说，由于其成分和分布的不均匀性以及特殊 的地域性，使得其与别的成因类型软土的物理力学性质有所差异，如表2 2 。 表2 2 山区软土与其他成因类型软土物理力学性质比较 泄湖相滨海相三角洲相河漫滩相山区软土 成因类型 温州连云港上海南京秦巴山区华南谷地 含水量w 6 34 0 6 15 04 0 5 0 4 4 3 5 0 6 7 孔隙比e 1 7 91 0 4 1 6 31 3 70 9 3 1 3 21 3 81 2 0 1 8 0 液限w l 5 34 7 5 34 33 5 - 4 43 4 94 3 5 8 塑性指数i p 3 02 0 2 9 2 0 1 7 2 02 0 31 6 2 3 压缩系数 1 9 30 9 1 51 2 4o 5 o 8o 6 70 9 1 7 a 1 2 m p a 1 第二章四川沟谷软基特点与常见病害 2 4 四川沟谷软土特点 在许多情况下，尤其是在中西部地区，高速公路选线需要穿越山区沟谷。山区沟谷 地区受地形地貌和气候降水等自然因素的影响，具有区别于东部沿海平原地区的几个鲜 明特点。四川山间谷地型软土多以稻田、水塘形式存在于山间沟谷之中，有以下几个特 征： ( 1 ) 软土多分布于较为狭窄的沟谷中。软弱土层为冲沟中淤积，从而一般呈一条狭长 的软弱带；沟谷宽一般在2 0 m 1 0 0 m 之间。而在一些宽阔的山谷中，软土较少。这主要 是由于在近代那些较为狭窄的沟谷中植被生长茂盛，经后期腐烂炭化和流水搬运来的粘 土粒、粉粒沉积在一起，经过漫长而复杂的物理化学过程而形成软土。四川盆地位于亚 热带，近代以来降水量大，气候炎热潮湿，极适于植被生长发育，故植被十分茂密。该 地区地貌上多为低山丘陵区，沟谷广泛分布，这些沟谷中大多流水不畅。因此该地区既 有形成软土的物质条件，也有适宜的外部环境。 ( 2 ) 表层硬壳较薄，且较软。该地区软土由于农田灌溉水的影响，又加上该地区降水 量较大，故表层硬壳既薄又软。硬壳厚度一般在l m 左右，比贯入阻力p s 值在 9 0 0 - - 1 5 0 0 k p a 之间，个别达到2 0 0 0 k p a 。有些区段甚至没有硬壳，表层即为软土。 ( 3 ) 硬底坡度平缓，边缘深度变化大。该地区软土厚一般在3 m l o m 之间，软土以下 硬层主要为泥质砂岩，褐红、紫红色，碎石状。在同一条沟中软土的厚度变化较小，一 般在l m 以内。不论是沿沟谷的纵向或横向，硬底都较为平缓，起伏不大，在两侧边缘 地带，软土厚度发生较大变化，而过渡为残积层或基岩风化层。 ( 4 ) 软土以软粘性士、淤泥性土为主，含少量泥炭，部分为粘土、亚粘土，一般呈褐 灰、深灰色，局部夹亚砂土，软、可塑状。孔隙比o 1 1 ，含水量2 0 , - - 6 0 不等，差 别较大。 2 5 沟谷软土路基常见病害类型 通过对山区软土分析可知，山区软土成因及其工程性质有其特殊性，从而使山区软 土路基在破坏形式上也有别于一般内陆平原和东部沿海地区的软基。在山区，大多路段 一侧在山坡上，一侧与沟谷或河道并行，许多还经过冲、洪积扇的前缘，使软土路基很 容易遭水的浸透和冲蚀，尤其是暴雨、滑坡和泥石流等灾害的频繁发生，更使软土路基 遭到严重毁坏。针对此类状况，对山区软土路基毁坏形式进行了分析和总结，将山区软 1 6 长安大学硕士学位论文 土路基破坏的主要类型初步归纳为软基沉陷破坏、剪切拉裂破坏【2 6 】、坍塌和滑动破坏3 种类型。 2 5 1 软基沉陷破坏 在山区，雨水较集中，且在地表易于汇集，因此在排水不畅的路段，水很容易浸入 地基，在土体自重、行车荷载及水温变化等诸多因素作用下，地基发生不均匀沉陷变形， 引起路面破损开裂，水渗入裂缝后常导致路面“翻浆 ，形成“橡皮路 。常表现为路面 局部凹陷，行车震颤、颠簸及桥头错台跳车等现象。有些路段位于冲、洪积扇的前缘， 往往是地下水溢出带，若路基处理不当，很容易被水浸入而导致公路毁坏( 图2 6 ) 。 图2 6 浸水沉陷破坏 2 5 2 剪切拉裂破坏 该类型破坏主要指软土路基在强烈行车荷载及自重作用下发生的破坏。具有高触变 性的软土在振动荷载或自重力的作用下，强度下降，表现出很强的流变性，导致软土层 侧向滑动挤出，路基发生不均匀沉降( 图2 7 ) 。主要表现为临空面一侧或两侧的车道发生 沉陷，道路出现隆起现象；在剪切和拉裂作用下，路面形成裂缝，裂缝不断发展，并不 断贯通，最终导致公路毁坏。尤其在公路弯道处，路面受力极不均匀，更易发生此类破 坏。 1 7 第二章四川沟谷软基特点与常见病害 软土路基 图2 7 剪切拉裂破坏 2 5 3 坍塌滑动破坏 山区公路路基的坍塌滑动破坏由剥蚀作用引起，如风蚀、流水冲蚀、泥石流剥蚀等， 主要是以水的冲蚀作用为主。软土松散，抗蚀能力弱，在雨季期，洪水或泥石流不断冲 刷沿河路基，严重的侧淘蚀作用常使路基边坡被淘空，导致路基边坡下滑和坍塌，毁坏 临河路基。尤其是高填土路堤，在不全防护的情况下，裸露部位更易遭流水冲刷，造成 路堤滑塌和路面损坏，甚至整段路基被毁掉( 图2 8 ) 。 图2 8 坍塌滑动破坏 综上所述，由于山区软土的特殊性以及地形地貌的因素，使得山区软土路基的破坏 形式也有别于内地平原区和滨海区。因此，必须针对山区软土进行有关研究工作，在山 区软土地基处理方面，也很有必要提出新的适宜于山区软土特性、施工条件的方法。 1 8 长安大学硕士学位论文 2 6 沟谷软土路基病害调查 软弱地基引起的路堤的破坏现象多种多样，为抓住关键问题，分别对成都一雅安高 速公路、成都一南充高速公路、内江一宜宾高速公路等山区高等级公路出现病害的路堤 进行了调查与分析。 2 6 1 成都一雅安高速公路 成雅高速公路全长1 4 0 多公里，地处潮湿多雨地区，路面为沥青混凝土路面，1 9 9 9 年年底建成通车。全线8 m 以上( 中心填高) 高路堤3 0 多处，在北段( 成都一蒲江) 6 0 多公 里范围内遇到的路堤填筑问题主要是沟谷相软土地基问题。对全线3 0 多处路堤进行了 调查，因软土地基引起路面裂缝和不均匀沉降的路堤有多处，表2 - 3 列出有代表性的5 处路堤，这5 处路堤均位于成雅高速公路北段。 从破坏现象上看，主要是路堤变形较大引起的路面开裂和路面不平整( 不均匀沉降) 。 从原因上分析，主要是由于北段施工期紧迫，对沟谷相稻田软土地基未按照实际施工工 期调整处理方案，仍按原定设计采用塑料排水板，且在施工中未严格控制好路堤填筑速 率，造成路面出现纵向开裂、填挖交界处出现横向裂缝和路面不均匀变形，个别路堤甚 至在施工中出现了滑动破坏。 对出现路堤稳定问题的段落，后来进行了灌浆处理，并延后一年铺筑沥青路面上面 层。从目前的情况看，效果良好。 表2 3 成都一雅安高速公路路堤稳定和不均匀沉降情况 中心填高 段落桩号 断面型式 破坏现象 病害类型主要原因分析 ( 蛐 k 4 3 + 4 5 0 + 7 2 0 2 5 0一般路堤路面不平整剪切拉裂破坏沟谷相稻田软基 k 4 9 + 0 0 0 + 2 2 01 6 0一般路堤 路面不平整 软基沉陷破坏沟谷相稻田软基 路面严重不平整，剪切拉裂破坏 k 4 9 + 6 2 0 + 8 8 02 0 0一般路堤沟谷相稻田软基 且有纵向裂缝软基沉陷破坏 k 51 + 2 6 0 + 4 7 09 0 一般路堤路面不平整软基沉陷破坏沟谷相稻田软基 路面严重不平整，剪切拉裂破坏地基中存 k 5 3 + 5 2 0 桥头填方 7 o 一般路堤 且有纵向裂缝软基沉陷破坏在软弱层 1 9 第二章四川拇谷软摹特点常见病害 图2 9 成雅路出现的不均匀沉降情况 2 6 2 成都一南充高速公路 成南高速公路全k2 0 8 公旱，为沥青混凝土路面。1 9 9 9 年1 1 月开工建设，2 0 0 2 年 底建成通车。全线8 m 以上( 中心填高1 高路堤2 0 0 多处，2 0 1 1 1 以上高路堤2 0 多处，填料 主要为页岩。在这2 0 0 多处高路堤中，大多数为沟谷相软基路堤。为保证软基路堤的稳 定性，对设讨中确定为软基的路堤段落，进行了填筑速率的监测控制，取得了良好效果 使绝大多数软基路堤未出现滑动破坏。表2 4 为施工中出现了开裂和滑动破坏的段落。 从破坏原因上分析，地基情况未认识清楚、未处理好是导致路堤破坏的丰要原因。 表2 4 成都一南充高速公路路堤破坏情况段 中心填高 段落桩号断面型式破坏现象病害类型土要原因分析 m 1 ) 般路堤 纵向裂缝剪切拉裂破坏 软弱地基处理不好 纵横向裂缝， k 1 5 1 + 5 0 01 9般路堤 剪切拉裂破坏淘谷相软基，变形较大 纵向为主 k 1 6 8 十2 6 0 原始地基覆盖十层为残坡积 、 填、 挖路堤滑动破坏坍塌和滑动破坏 土，地下水丰富，清理不彻底 填筑1 3 m 高时， 地基来勘探靖楚 一般路堤坍塌和滑动破坏 来进行地基处理 出现捐动破坏 k 1 7 9 + 1 0 0 向咎相软基，对地基强度估计 1 6 0 一般路堤滑动破坏坍塌和滑动破坏过高，采州塑料排水扳处理， 术控制好填筑速率 长安大学硕士学位论文