（地质工程专业论文）南二环高速公路软土工程特性的研究及应用.pdf

南二环高速公路 软土工程特性的研究及应用 专业：地质工程 硕士生：黄宏 指导教师：汤连生( 教授) 摘要 本文研究的南二环高速公路位于珠江三角洲范围内，区内软土分布广，厚度 大，作为一个新建的工程项目，需要进行专门的软土工程特性的研究。 文中通过资料收集，分析软土的成分、微观结构特点及其沉积环境特征，了 解了南二环高速公路软土工程特性的形成原因。分析表明软土兼有海相和三角洲 相沉积的特点，并以海相为主，常夹有较多的粉细砂薄层或透镜体，呈三层状分 布在西南组、横栏组和灯笼沙组内，形成于距今2 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 年之间；其主要矿 物成分为高岭石和伊利石；其微观结构主要为粒状链接结构，部分为絮状链接结 构，软土结构基本单元体之间多为长链连接。 文中采用数理统计分析方法对大量的原位测试成果及软土样品的室内检测 成果进行分析，确定了软土的主要物理、力学性质指标范围值：含水量w 为 3 3 0 - 7 4 6 ，孔隙比e 为1 0 0 5 - 2 0 3 7 ，压缩模量e 。为1 2 1 3 5 6 m p a ，竖向固 结系数c ，为0 1 6 2 x 1 0 。3 3 8 3 x 1 0 。3 c m 2 s ，直剪快剪粘聚力c 口为1 0 - 1 4 o k p a ，内 摩擦角九为1 1 1 5 0 。；直剪固快粘聚力c 叼为3 3 - - 2 2 9 k p a ，内摩擦角吒为3 8 2 5 7 。；十字板剪切试验e 为7 2 2 6 o k p a ；静力触探试验锥尖阻力q 。为0 2 0 0 5 7 m p a ，摩阻比j 5 c ，为1 1 5 - - - , 2 2 2 。这些参数为设计及施工提供了可靠的地 质依据。 i 为了分析软土物理力学参数之间的关系，文中主要利用最小二乘法等基本数 值分析方法，对软土指标进行了分析，结果表明大部分指标间相关性不强，只有 含水率和孔隙比、孔隙比和湿密度、液限和塑限、液限与塑性指数、孔隙比与压 缩系数、压缩系数和压缩模量这几对指标间的相关性比较显著；对于大部分相关 的指标间还建立了相关回归方程。 分析软土的主要物理力学性质指标与深度的关系表明各指标与深度的相关 性极弱，从一定程度上说明了软土的工程特性主要受沉积环境及本身的物质成分 控制，并对软土的饱和度有了新的认识。 利用软土工程特性的研究成果，本文尝试运用模糊聚类的分析方法对南二环 高速公路某段路基软土的加固方案进行了分析，确定了最终方案为碎石桩，有效 地指导了设计及施工。 本文的研究涉及了多方面的数据收集和分析，客观全面地揭示了南二环高速 公路软土的工程特性，验证和揭示了指标间的一般性关系，为本项目的软土地基 处理提供了可靠的地质依据，研究成果也可以作为广州地区甚至珠三角地区深厚 软土地基加固的设计和施工的参考资料，具有一定的指导意义。但受研究工作的 投入及研究者本身知识水平的限制，本文的研究成果难免会与软土的实际工程特 性存在一定的偏差，因此有条件时宜进一步积累有关软土资料，完善已有研究成 果，使相关结论更切合软土的工程实际。 关键词：南二环高速公路，软土，工程特性，模糊聚类分析，软基处理 i v r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs o f ts o i le n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fn a n e r h u a nf r e e w a y m a j o r ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：h u a n gh o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gl i a n s h e n g a bs t r a c t t h en a n e r h u a nf r e e w a yi nt h ep e a r lr i v e rd e l t a , 、v i t hw i d ed i s t r i b u t i o no fs o f t s o i lw h i c hi sg r e a tt h i c k n e s s a san e w p r o j e c t ，t h en a n e r h u a nf r e e w a yn e e d sas p e c i a l s t u d ya b o u tt h es o f ts o i le n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a p e r , w ek n o wt h a ts o f ts o i lf o r m e di n2 0 0 0t o15 ，0 0 0y e a r sa g oh a s c h a r a c t e r i s t i c so fb o t hm a r i n ea n dd e h as e d i m e n t s b u tt h ef o r m e rm a i n l y i t sm a i n m i n e r a l sa r ek a o l i n i t ea n di l l i t ea n do f t e nh a sm o r ef o l d e r st h i nl a y e ro fs a n d yo rl e n s i t sm i c r o - s t r u c t u r eo ft h em a i nl i n kf o rt h eg r a n u l a rs t r u c t u r e ，a sp a r to ft h ef l o el i n k s t r u c t u r e ，a n ds o f ts o i ls t r u c t u r eb e t w e e nt h eb a s i cu n i ta r el o n g c h a i nc o n n e c t i o n t h ea r t i c l ea n a l y s e dal a r g en u m b e ro fi n - s i t ut e s tr e s u l t sa n ds a m p l e so ft h es o f t s o i lo fi n d o o rt e s t i n gr e s u l t st h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，d e t e r m i n i n gt h e m a i np h y s i c a l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h et a r g e tv a l u eo fs o f ts o i l s t h e s ep r o p e r t i e s p a r a m e t e r sc a np r o v i d ear e l i a b l eg e o l o g i c a lb a s i sf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n b ya n a l y z i n gd i f f e r e n tp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h es o f ts o i l so f t h ef r e e w a y ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ep a r a m e t e r sw e r ea c h i e v e d t h er e s u l t ss h o w t h a t ：c o r r e l a t i o nb e t w e e nv a r i o u st y p e so fp a r a m e t e r sa r en o ts i g n i f i c a n t ，o n l yt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm o i s t u r ec o n t e n ta n dv o i dr a t i o ，t h ev o i dr a t i oa n dw e td e n s i t y ， t h el i q u i dl i m i ta n dp l a s t i cl i m i t ，l i q u i di n d e xa n dp l a s t i ci n d e x ，v o i dr a t i oa n d c o m p r e s s i b i l i t y ，c o m p r e s s i b i l i t ya n dc o m p r e s s i o nm o d u l u sa r es i g n i f i c a n t as e r i e so f r e g r e s s i o nf o r m u l a sw e r ef o u n d e df o rt h o s ep a r a m e t e r s v t h i sa r t i c l ea l s os t u d i e dt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa n dd e p t h t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o r r e l a t i o n i sn o ts t r o n g ，a n d e n g i n e e d n gp r o p e r t i e so fs o f tc l a ya r em a i n l yc o n t r o l l e db yd e p o s i t i o ne n v i r o n m e n t a n di t so w nc o n s t i t u e n t s b yu s i n gt h er e s e a r c hr e s u l t s , w ec a ni d e n t i f yt h em o s ta p p r o p r i a t eg r o u n d t r e a t m e n tp r o g r a m si nac e r t a i np a r to ft h ef r e e w a yb yf u z z yc l u s t e r i n ga n a l y s i s m e t h o d 。 i nt h i sp a p e r ，t h es t u d yi n v o l v e daw i d er a n g eo fd a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i s ， t h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fs o f tc l a yr e v e a l e do b j e c t i v e l ya n dc o m p r e h e n s i v e l y a n a c c u r a t eg e o l o g i c a lb a s i si sp r o v i d e df o rt h eg r o u n dt r e a t m e n t i tc a nb eg u i d a n c ef o r d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs o f tc l a yt r e a t m e n ti ng u a n g z h o uz o n ea n de v e np e a r l r i v e rd e l t ar e g i o n b yt h e u s eo ft h el e a s ts q u a r e s ，a n do t h e rn u m e r i c a la n a l y s i sw a y s ，t h e r e l a t i o n s h i p sa m o n gt h ep a r a m e t e r s w e r er e v e a l e d d u et o p o o rd a m s a n d u n c e r t a i n t i e sf a c t o r s ，t h e r er e m a i nac e r t a i nb i a sb e t w e e nr e s e a r c hr e s u l t sa n da c t u a l f a c t i ti sn e c e s s a r yf o rf u r t h e ra c c u m u l a t i o no fd a t aa n di m p r o v e dr e s e a r c hr e s u l tt o m a k et h er e s e a r c hm o r ei nl i n ew i t ht h ea c t u a l 。 k e yw o r d s ：n a n e r h u a nf r e e w a y ，s o f tc l a y , e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，f u z z y c l u s t e r i n ga n a l y s i s ，s o f tg r o u n dt r e a t m e n t v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：童旁 日期：阳口9 年，2 ，月2 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：熏雾 日期：矽口睥，月莎日 导师签名： 日期：年月 日 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 1 1 研究背景及意义 第一章引言 由于经济发展及对外开放的需要，软土的开发和利用以及围海造陆工程的不断 兴起，巨型的工程建筑如高速公路、港口、海堤、超大型油罐、机场等发展迅速。 这些工程多修筑于软土地基之上，给人们带来许多复杂的工程地质及岩土工程问题， 岩土工程建筑规模及复杂性的增大和人们对环境地质灾害时空预报的迫切需求，促 进了对软土工程特性的研究，特别是在软土的岩土体变形、强度的时间效应方面的 研究有了很大的进展，软土的工程地质及岩土工程研究正成为当前的热门研究课题 专_ l 】 “一 o 软土在我国的沿海和内陆地区都有相当大的分布范围，并且具有区域性，形 成软土沉积所需的地质和物理环境决定了大凡平坦的地方( 主要是沿海地区) ， 如滨海平原、河口三角洲、河岸等处，往往都有淤泥或淤泥质土的存在，而这些 地区往往又是经济发达的地区，沿海城市的新城区和工业园区多数要在软弱地基 上进行土建、水利和市政交通建设。软土地基在广东省东、南、西部尤为常见， 特别是在珠江三角洲地区普遍分布。现在珠三角地区城市中所能提供的建设场地 条件都比较复杂，广州向南延伸发展过程一些大的建设项目如番禺( 广州大学城) 和南沙新区，遇到的最大难题就是大面积软土地基问题。 软土是近代水下沉积的饱和粘性土，绝大部分生成于全新世的中晚期，也有 软土层埋藏在坚实的硬土层之下，生成期较早。但总的说来，在各种土中，软土 应该说是比较年轻的沉积物，甚至还存在正在继续沉积的欠固结软土。目前对软 土定义存在不同的意见，建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 2 1 中把 软土定义为“淤泥为在静水或缓慢的流水环境沉积，并经生物化学作用形成，其 含水率大于液限，天然孔隙比大于或等于1 5 的粘性土。当含水率大于液限而天 然孔隙比小于1 5 但大于或等于1 0 的粘性土或粉土为淤泥质土”；公路软土地 基路堤设计与施工技术规范( j t j0 1 7 9 6 ) 【3 】中定义软土为“滨海、湖沼、谷 地、河滩沉积的含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土 ；岩 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 - - 2 0 0 1 ) 1 4 j 中规定“天然孔隙比大于或等于1 0 ， 且含水率大于液限的细粒土应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土 等 。珠江三角洲地区软土一般指淤泥、淤泥质土。在第九届亚洲地区土力学基 础工程会议上，m k a m a n 在地基总结报告中把软土定义为“标贯击数小于4 、无 侧限抗压强度小于5 0 k p a 、含水量大于5 0 的粘性土和标贯击数小于l o 、含水量 大于3 0 的砂性土统称为软土”。不同的行业及标准对软土还没有统一的定义1 5 6 1 o 软土对工程的影响不言而喻，也是向来备受工程建设者的关注的。软土一般 具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、承载力低等工程特性，软土 地基的沉降大，易失稳，在修建高速公路时如处理不当易造成公路地基不均匀沉 降、桥头跳车等，影响高速公路的正常运营。 珠江三角洲地区是广东省乃至全国的经济发达地区，公路特别是高速公路的 建设对于区域经济的发展有着起足轻重的作用。而珠江三角洲地区处海陆交互相 沉积厚大区，软土分布广泛，厚度巨大，对公路工程建设的影响极大。高速公路 一般属重要工程，对地基的承载力和稳定性要求较高，需要对地基土特别是软土 的工程特性充分了解。因此，将先进的勘察手段与科学的数值分析方法相结合开 展勘察工作，科学分析软土的工程特性，为设计和施工部门提供准确合理的地基 设计参数，是具有非常重要意义的。 1 2 软土的工程特性研究现状 1 2 1 软土的结构特性研究现状 自太沙基在本世纪初首次提出土微观结构以来，随着电子显微镜及计算机图 像处理系统的发展，土微观结构研究达到了定量化的程度，土微观结构及其与工 程地质性质的关系研究已取得了一定的成绩。 温耀霖、潘健、吴湘兴【_ 7 】利用扫描电子显微镜对珠江三角洲地区的软土进行 了微观结构的研究，提出了珠江三角洲地区的软土微观结构主要为粒状链接结 构，部分为絮状链接结构，软土结构基本单元体之间多为长链连接，使人们对珠 江三角洲软土的微结构特征有了一个较清晰的认识。 2 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用 第一章前言 自谭罗容【8 1 研究结构定量分析以来，高国瑞【9 1 通过对黄土结构的研究，提出 了由颗粒的大小、形态、排列方式及结构连结的微观结构类型与湿陷性的分类； 吴义祥【1 0 1 对粘性土进行了计算机图像处理。曲永新1 1 1 】，施斌【1 2 】，王清、唐大雄、 李洪玉【1 3 j 在微观结构上采用d i p i x 图像处理技术和孔隙测定技术，使微观结构 定量研究进入一个新的阶段。 随着固体化学量子力学新理论的引进，土质学的定量研究取得令人瞩目的进 展。在国外以谢尔盖耶夫、o s i p o v 和k u h n m a t t h e w - r 1 1 4 1 、m i t c h e l l j a m e s k i l 5 】为 代表的，在岩土体变形与本质研究，尤其是土主固结研究方面做出了有价值的贡 献，但在微结构的研究与土力学相结合上，沈珠江【l6 】提出仍存在一定的问题， 即微结构的定量化指标难以直接应用于岩土工程的评价中，土质学理论研究与工 程实际的应用仍然存在严重脱节的现象。 1 2 2 软土的物理力学性质研究现状 软土的物理力学性质是软土研究的一个重要内容，主要以物理力学性质指标 试验值为基础来评价。土的物理力学性质指标通常由土工试验测得，其中物理性 质之指标如含水率w 、密度p 、孔隙比e 的精度相对较高，而力学性质指标如内 聚力c 、内摩擦角咖等随实验方法不同变化较大，因而软土物理性质指标，一直 采用常规实验方法来获取。 对于软土力学性质指标，现在常采用剪切试验方法来获取。该法先由美国 c a s a g r a n d e 1 7 】提出；兰姆和惠脱曼【1 8 】认为伏斯列夫理论的重要作用强调了有效应 力提高对软土骨架起着效应一增加粒间接触力就提高了摩擦阻力，由此，慢剪和 固结快剪剪裂土样的密度和强度也随压力不同而异。 然而，所有研究软土某一或某些物理力学性质的试验，都往往只重视软土某 些方面的性质，所以对软土的研究都缺乏系统性，该问题直到软土固结、变形模 型产生后才得以解决。现在，在底特律、墨西哥城和我国的上海、天津等地都建 立起了软土研究模型，当地软土的物理力学性质、固结变形模式以及沉降量的研 究都取得了突破性成果。 在某些工程中，由于设备条件等方面的限制，只能根据地质定性和有限的半 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 定量指标进行经验性判别，随意性较大。由于软土是在一定的自然环境中的堆积 物，后期还会受到不同程度不同性质的改造，受众多因素的影响，组成是不均匀 的。而在取样、代表性样品的选择、试验、成果整理分析等各个环节都会引起许 多问题，带来一系列不确定性，增加了测试值的变异性。 对繁多的物理力学性质指标试验资料进行整理分类，并达到预定的目的，是 评价软土工程特性时必须解决的问题。基于影响软土物理力学指标的不确定性原 因，选用合理的特征指标是统计分析的关键。另外，给出评判精度高、便于掌握 的指标间相关性计算公式，是系统研究软土工程特性，正确应用统计成果的前提。 随着地基规范的修改，岩土工程应用可靠度理论和概率极限状态设计的研究 已不断深入，如何恰当地对岩土特征参数进行概率特征和空间相关性分析，是进 一步开展软土工程可靠度分析研究及地基基础设计必备的技术基础。除了最基本 的回归方法，概率统计随机过程理论和灰色关联度理论【1 9 】越来越多地被应用于 分析中，常用的数值方法有边界单元法、有限单元法和差分法等1 2 0 1 ，在软土工 程设计由定性向概率特征设计发展中取得了较好效果。 近年来，由于软土工程建设的迅速发展，一些新的本构模型和新的计算理论 相继被提出来，在软土特性、变形机理研究和计算方法等方面取得了较多的成果， 包括软土的渗透固结特性2 1 1 、软土的结构性1 2 2 1 、软土的本构模型【2 3 1 、软土的固 结模型 2 4 2 5 1 、软土的屈服应力【2 6 】等，使得软土工程特性的研究有了较大的发展， 不仅极大的丰富了土力学理论，而且较好地指导了工程实践。 从己有的研究成果分析，笔者认为各区域的软土都各有其某些特点，因此在 工程建设中比较清楚的了解拟建区域软土的工程特性是非常重要的，对工程的设 计、施工都有重要的指导意义。 1 3 软土的处理方法研究现状 我国现代地基处理技术的发展历程，大体上可划分为两个阶段。 第一阶段为2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，当时为了满足新中国建设的需要，大量地基 处理技术从前苏联引进国内。随着当时工业建设和城市建设发展的需要，出现了 一个地基处理技术引进的高潮。这个时期，砂石垫层法、砂桩挤密法、石灰桩、 化学灌浆法、重锤夯实法、堆载预压法、挤密土桩和灰土桩以及井点降水等地基 4 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 处理技术先后被引进和发展使用。但是，受到当时对地基加固机理的研究和认识 水平以及地基处理实践经验的限制，在地基处理中主要是参照前苏联的规范和实 践经验，仍有一定的盲目性。 第二阶段是从2 0 世纪7 0 年代末至今，这是我国地基处理技术发展的最主要阶 段。大批国外先进的地基处理技术被引进我国，大大促进了我国地基处理技术的 应用和研究。石灰桩、碎石桩、动力固结法( 强夯) 、高压喷射注浆法、深层搅 拌法、真空预压法、砂井法、塑料排水板法等都得到了广泛的研究和应用发展。 土工织物在工业与民用建筑中特别是在堤坝和道路修筑中也得到重视和使用。近 年来，由于环境保护意识的增强，利用工业废渣废料和城市建筑垃圾处理地基的 研究也取得了可喜的进步，如采用生石灰和粉煤灰开发成二灰复合地基，利用废 钢渣开发成钢渣桩复合地基，利用城市建筑垃圾开发成渣土桩复合地基。这些废 料的开发利用，不仅节约了大量的资源和建设费用，同时还为人类争取更大更好 的生存空间创造了条件。 f 1 2 0 世纪8 0 年代中以来，在土木工程建设中遇到需要进行加固的不良地基也 越来越多，对地基提出了越来越高的要求。地基处理己成为土木工程中最活跃的 领域之一，地基处理技术在我国得到了飞速发展【2 7 3 7 1 。地基处理技术最新发展 反映在地基处理技术的普及与提高、施工队伍的壮大、地基处理机械、材料、设 计计算理论、施工工艺、现场监测技术以及地基处理新方法的不断发展和多种地 基处理方法综合应用等各个方面。由于基本建设规模的不断扩大，在建筑、水利、 港口、铁路、公路和市政等土木工程建设中遇到需要进行加固的不良地基也越来 越多。随着工程实践的增加，地基处理技术在普及和提高两个方面都有了长足的 进步。目前，在我国应用的地基处理方法主要有：由多种施工方法形成的各类砂 石桩复合地基、水泥土桩复合地基、低强度桩复合地基、土桩灰土桩复合地基、 刚性桩复合地基、加筋土地基、复合桩基等。 在我国，高速公路软基处理的研究，是同高速公路的建设发展相适应的，特 别是沪宁、沪嘉、杭甬、广佛、京珠等高速公路的建设，使这一领域的研究达到 了个新的阶段，1 9 9 7 年交通部颁布了公路软土地基路堤设计与施工技术规范 ( j t j 0 1 7 9 6 ) 。在国外，软土特性和软基处理的研究也有相当丰富的研究成果 可为我们的研究提供帮助。 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 近几年，随着高速公路大规模的建设，工程中遇到的软基问题愈来愈多，软 基处理设计、施工的研究文章大量涌现，公路软基处理的方法可涉及到所有的地 基处理方法，但由于公路是一种延伸距离很长的带状构筑物，其处理方法也有其 特点。在公路工程建设中常用的处理方法主要有下列几类： ( 1 ) 排水固结法：因为软土是一种含水量、孔隙比很大，渗透性很差的土。 要减小孔隙，减小工后沉降，必须经过一定的时间，排除其中的水，在工期允许 情况下排水固结法被公认为一种好方法而在高速公路的一般路段得到广泛的应 用，常用的有包括预压法( 堆载预压法、真空预压法等) 、袋装砂井法等。 ( 2 ) 置换法：多为利用强度高于软土的其它材料置换出相应的软土体以增 强地基的抗剪强度，常见的有砂石桩、褥垫法、换土垫层法、挤淤置换法、c f g 桩法等。 ( 3 ) 灌入固化物法：通过一定的压力向软土中灌入化学固化剂使软土固结 增强，常见的有高压喷射注浆法、深层搅拌法等。 各种地基处理方法都有其各自的机理和适用范围，在选择处理方法时，须根 据地质条件、上部结构类型、使用要求、对周围环境的影响、材料供应情况、施 工条件以及技术经济指标等因素作综合考虑，做到技术先进、经济合理、安全适 用、确保质量。以往由于对这些受主观判断的影响因素很难进行定量分析，因此 大部分软基处理工程都依赖于工程人员的经验判断，从而增加了地基处理效果的 不确定性，因此采用合理的方法进行地基处理是目前地基工程中普遍面临的难 题。近些年国内外学者提出的灰色理论、模糊理论、a i i p 理论等，由于可以合理 地将上述主观因素定量化并进行综合分析，因此在软基处理方法的优化选择上得 到了应用。国内祝启坤、张小敏【3 8 】等利用模糊数学理论，通过专家调查及工程 类比分别给出一些影响处理方法的因素的影响程度，然后通过对评价指标的排序 决定施工工艺；而刘挺，蔡升华【3 9 】等采用层次分析法，根据地基处理的性质和 所要达到的目标，将影响处理方法的因素分解为不同的组成因素，并按照因素间 的相互影响将其按不同层次聚集组合，形成一个层次分析模型，并最终把系统分 析归结为最低层相对于最高层的相对重要性权值的确定或相对优劣的排序，进而 可以确定最合适的处理方法。但是目前己有的这些研究工作都是从宏观方面进行 讨论的，实际上地基处理成功与否的根本问题在于地质条件的改变即土层性质 6 南= “、高速2 路软ll 栏特性的酬究训* 第$ 前。i ( l 性指标) 的改变4 ”。 1 4 珠三角地区软土工程特性研究现状 南二环高速公路“2 1 全称为“固道主十线广州绕城公路南环段”( 义称“珠江三 角洲经济区环形公路南环段”或“南环段”高速公路) ，起点位丁广州市番禺区东涌 镇石排村附近，与广珠东线高速公路相接，往西经鱼窝殳镇大围、雁沙卜、下围 之问，榄核镇牛角、冠牛围，跨越洪奇沥水道进入顺德后经鸡洲北、南水、众 涌、北水、南兴，终止于顺德市龙i h 镇人河湘村附近与国道主干线广州绕城公路 ( 珠汀三角洲经济区环形公路) 西环段九江互通立交工程相接，路线整体旱哥 西 向，起止里程- k 0 - - 0 3 4 k 4 9 + 3 1 7 ，全长约4 93 k m ( 局部有断链) 。具体位置详 见图1 1 。 幽1 1 项日地理位置凹1 删 ? 予 南二环高速公路作为一个新建的太型工程项目，尚未进行专项的软士工程特 性的研究。因此在勘察工作完成之前，对其范闱内软士的工程特性只能通过项目 所处区域一殊江三角洲的丁程建设过程中对软土的归纳进行局部或零星的了解 慧 影 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用 第一章前言 对软土路基及桥台的设计没有针对性。 从2 0 世纪9 0 年代初开始，学者们对广东省的软土结合一些具体的软土工程， 进行了有针对性的研究，内容涉及到软土的强度特性【4 3 】、应力一应变关系1 4 4 1 、 软土的蠕变一固结特性【4 5 】等，这些研究成果从不同的方面揭示了珠江三角洲软 土的某些特性。 周翠英、牟春梅i 倒通过研究，对珠江三角洲海相沉积软土的分布范围进行 了探讨，并按含水率和孔隙比进行了软土分区，同时对各分区具有代表性的软土 的微结构特征进行了分析和研究，获取了相关的微结构类型和特征，为软土的变 形和破坏研究提供基础。 秦志光、李志、罗嗣海【4 7 】等选取两种不同的方法，以中山香山和顺德杏坛 地区的软土为例，分析了珠江三角洲地区软土的结构性，认为杏坛的软土属结构 性软土，而香山变电站软土属非结构性土。研究珠江三角洲软土的结构性，对正 确认识本地区软土的工程特性，对合理分析工程建设中的变形与强度问题具有重 要的理论和实践意义。 温耀霖、潘健、吴湘兴【_ 7 】通过对珠江三角洲内几个地区软土的试验分析认为： 珠江三角洲软土微观结构多为粒状链接结构或絮状链接结构，土的结构基本单元 体距离较大，单元体间多为长链连接；软土中粘粒的矿物成分以伊里石和高岭石 为主，属高岭石一伊利石型或伊利石一高岭石型；珠江三角洲软土多属正常固结 型，但某些地方浅层存在欠固结软土；软土的力学特性取决于土的微观结构特征、 排水条件、先期固结压力和固结程度，具有絮状链接结构的土，其压缩性高，次 固结量大，抗剪强度和透水性较低，具有粒状链接结构的土，其次固结量相对较 小，抗剪强度和透水性有所提高；软土的抗剪强度与排水条件的关系密切。 李榴芬【4 8 1 通过研究认为：珠江三角洲地区天然状态的软土呈松散蜂窝状或 海绵状结构，加压处理后的样品的结构显得更加致密有序，呈基质状和紊流状结 构，并且发现此时软土的强度明显增加。因此可以从微结构角度说明加压处理地 基能收到很好的效果，并可以确定处理的程度，这对珠江三角洲地区的建设以及 其他软土地区的建设具有一定的工程意义。 刘勇健1 4 9 】以混沌理论为基础，对珠江三角洲软土地基的变形特性进行了研 究，结果表明：珠江三角洲地区的天然地基及处理后的复合地基的最大l y a p u n o v 8 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 指数九i 均大于0 ，软土地基的变形具有明显的混沌性。混沌理论为软基变形研究 提供了一种新的途径，在工程领域具有广阔的应用前景。 陈嘉鸥、叶斌、郭素杰【5 0 】通过对珠江三角洲有关工地的粘性土土样加载试 验计算出的微结构各项参数与相关的工程各阶段观测数据作对比，得到工程的有 关沉降量、工后沉降、沉降速率和强度变化及发展趋势，并以此指导工程。 陈晓平、黄国怡、梁志松【5 l 】根据在珠江三角洲内收集到的近千个软土土样 的试验成果，对其基本物理、力学指标进行了统计和分析，并根据实测资料和室 内试验成果，分析了软土的非线性特征和蠕变特征。通过非线性弹粘性模型的计 算，分析了蠕变特性对软土地基变形和孔压消散的量化影响。 赵有明、江辉煌、张惠明1 5 2 j 根据深圳地区1 5 个软土处理工点的4 0 0 0 多组试 验数据，对软土的物理指标和变形指标进行统计分析，认为：压缩系数、变形模 量和压缩指数的变异系数很大，其算术平均值的误差较大，不宜直接用于工程计 算；含水量的变异系数很小，且与压缩参数有良好的相关性，可以较好地推算软 土变形参数。因此，建议在实际工程中，如果没有软土的变形实验数据，可以直 接根据软土的含水量进行估算；对于有实验数据的情况，将实验得到的变形参数 和根据土样含水量估算的变形参数进行比较，剔除与估算参数相差较大的试验数 据，将余下的数据取平均作为所需要的变形参数。 张芳枝、陈晓平、黄国怡 5 3 1 通过数十组原状饱和软粘土的室内一维固结试 验，探讨了珠江三角洲饱和软粘土的固结特性和反映蠕变压缩的固结特性问题， 得出了一些有益的结论。 潘钦生、张可能、周波【刊等分析评价了广州南沙开发区淤泥质粘土的工程 性质，归纳了南沙地区软土某些性能指标之间的关系表达式，对软土的三轴试验 数据进行了分析，从其应力应变曲线中得出了南沙软土结构性等特点。 周龙翔、童华炜、王梦恕【5 5 】等通过对大量广州软土的试验资料分析，总结 出广州软土的工程特性并与上海软土进行对比认为：广州软土具有厚度变化大、 含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、夹有较多的粉细砂、与其它地区 软土相比固结速度快的特点。 南二环高速公路位于珠江三角洲且大部分位于广州市范围，因此上述的研究 为本论文提供了良好的借鉴，从某个角度上说也是本论文研究的基础。 9 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第一章前言 1 5 本文的主要研究工作及意义 在本文之前，针对南二环高速公路软土的研究较少，区内主要软土类型划分 至今仍未解决，各类型软土的物理力学性质不很清楚，无法建立合适的软土研究 模型。软土物理力学性质及其各参数间的相关性是研究软土工程性质，防治其引 起的地质灾害的基础。由于南二环高速公路软土问题研究程度低，数据多而控制 性参数不明确，采用的研究手段和方法因具体工程要求的不同差异很大，遵从常 规的技术路线很难完成系统的研究工作。 本文通过收集整理有关文献资料及利用南二环高速公路工程勘察成果，通过 数理统计的相关理论与方法对区内软土作以下研究： ( 1 ) 对区内软土类型进行系统划分，阐明软土的物质成分、结构构造以及 各类软土的分布特征； ( 2 ) 系统分析研究各类型软土物理力学性质参数间的相关性，验证部分物 理力学性质参数间的理论关系； ( 3 ) 对软土的物理力学性质参数间相关性较好的，模拟其相关方程； ( 4 ) 针对南二环高速公路软土地基处理的特殊性，应用模糊数学理论进行 了地基处理方案分析。 希望通过本文的深入研究，能够为广州地区甚至珠三角地区深厚软土上进行 道路建设提出较为合理的设计、施工建议，对以后广州地区甚至珠三角地区道路 建设起到指导性的作用。 1 0 南= 环高述公路软tl 程特性的研究投应用第= 章南二环高进* 路轼1 ：的0 l # 特征 第二章南二环高速公路软土的沉积特征 软土的工程特性与其沉积特征关系密切，沉积的物质来源直接影响了软土的 物理力学性质，而沉积环境控制了软土的空间分布特性从而影响软土的工程特 性。 2 1 南二环高速公路区域地质概况 2 1 1 区域地质构造概况 南二环高速公路t 4 2 1 路线经过地区在区域地质上属珠江三角洲断陷区。珠江三 角洲为一弯头复合三角洲，三角洲本身底积层、前积层不明显，由于受基底断陷 毓地影响，基底不平，形成多个沉降中心( 如沙沼、小榄、杏坛、北淄打顷沙 等) ，沉积了厚度为2 0 3 0 m 的第四系沉积层( 最厚可达6 0 7 0 m ) 。珠江三角 洲断陷区以沉降为主周边山地以抬升为主的差异性地壳活动特点，控制珠江三 角洲断陷区北界以近东西向罗浮山断裂，东西两侧分别为白坭一沙湾断裂、珠江 口断裂和西江断裂( 图2 1 ) 。 雾 猡 幽2 - 1 厦域构造纲要示意图忡1 鹣 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第二章南二环高速公路软土的沉积特征 ( 1 ) 大良一市桥断裂：为珠江三角洲中部一条n e 向推测断裂。南西自顺 德大良延至番禺市桥，黄玉昆等人认为该断裂延伸至江门及新会等地，大部分地 段被第四系覆盖，连续性较差。总体产状n f a 0 - - - 6 0 0 s e z 6 0 - - 一7 0 0 。中更新世晚 期或晚更新世早期有过多次强烈活动，对上新统和全新统分布有明显的控制作 用。 ( 2 ) 西江断裂：它基本上沿西江河谷延伸，大部分被水系或第四系覆盖， 全长约1 5 0 k m ，走向3 1 0 3 3 0 0 ，总倾向北东，倾角么4 5 0 ，它由多条平行断裂 组成断裂束，呈斜列式排列。断裂控制了珠江三角洲晚第四系沉积，东盘厚度大， 等厚线呈北西向展布。 ( 3 ) 白坭一沙湾断裂：又称炭步一大沥断裂，控制三水盆地的北东边界， 呈n 3 3 0 。w 延伸，长约1 0 0 k i n ，推测南西倾，倾角z 5 0 。，在沙湾以南隐伏于第 四系之下。从沙湾至鱼窝头的第四系2 5 - - - ，4 0 m 等厚线呈北西延展，说明挽近期 具有的活动性。 ( 4 ) 广从断裂：它是珠江三角洲断陷盆地一条重要的边缘断裂，北起从化 良口，往南基本上沿流溪河方向顺着东岸进入广州，在盘福路附近隐伏于第四系 之下，直至南海虫岗和顺德龙江附近才偶尔出露，总体产状n e 2 0 - - 一5 0 0 ，倾向 n w ，倾角4 0 - - 7 0 0 ，延伸1 0 0 k i n 。 ( 5 ) 小塘一龙江断裂：它位于三水盆地中部，又称吉利墟断裂，基本上沿 三水西南镇以南的北江断裂两侧分布，大致与西江断裂走向平行，呈n w 3 1 0 - 3 2 0 0 ，倾向n e 或s w 。它控制了三水盆地的中新生代火山活动。南段截切喜山 期玄武岩，同时控制第四系沉积，南西盘晚更新世至全新世沉积厚度达3 0 - - 4 0 m ， 并呈n w 向带状展布；北东盘第四系厚度比较薄。 2 1 2 沿线主要地层岩性概况 本项目段沿线的地层岩性如下： ( 1 ) 第四系( q ) ：广泛分布于沿线地表，为第四系全新统三角洲相沉积 ( q 4 眦) ，由灰色，灰白色灰黑色，褐黄色，淤泥、淤泥质土，粉细砂，粘土， 亚粘土及底部第四系更新统( q 3 a 1 ) 砂砾、卵石、亚粘土等组成。 ( 2 ) 下第三系( e ) ：主要为灰白色，紫红色，暗红色，灰色，岩性有凝灰 1 2 南二环高速公路软土工程特性的研究及应用第二章南二环高速公路软土的沉积特征 质砾岩、含砾砂岩、页岩、凝灰岩、凝灰质砂岩，厚度 1 0 0 0 m 。这套地层分布 于平原中残丘( 如达岗、灵山、东涌等地) 和台地及构成大部分路段，在第四系 覆盖层之下基底红色岩系。 ( 3 ) 白垩系( k ) ：可见上统南雄群( k 2 ) 砖红色砂砾岩、含砾粗砂岩、细 砂岩、粉砂岩及泥岩夹石膏层。零星分布于残丘( 如达洲等地) 。 ( 4 ) 侏罗系( j ) ：可见中上侏罗系( j 2 3 ) 百足山群凝灰质砾岩、细砂岩。 分布于路线周边零星山头或平原区残丘。 ( 5 ) 二迭系( p ) ：可见龙潭阶泥岩、粉砂岩、砂岩，零星分布于九江等地 孤山。 ( 6 ) 下古生界( p ：1 ) ：可见古老变质岩系，由斜长片麻岩、片麻石英岩、 石英岩组成。分布于沙湾、马岗等地孤山。构成本路段局部基底岩层( 如容奇镇 附近) 。 ( 7 ) 岩浆岩( 丫5 2 ( 3 ) ：可见燕山三期花岗岩，在珠江三角洲平原区以残丘或 部分台地及隐伏岩体产出。 2 2 珠江三角洲软土的沉积环境特征 珠江三角洲主要由西江、北江、东江在湾内堆积复合而成，洲内丘陵、台地、 残丘突起，基岩落露，低洼部分第四系覆盖层不整合于第三系、白垩系红色岩系、 震旦系变质岩、燕山期花岗岩上，第四系土层平均厚度约为2 5 1 m 。按珠江三角 洲第四系沉积三旋回观点，第四系地层分六组，自下而上有石排组( q 3 2 。1 ) 、西 南组( q 3 2 2 ) 、三角组( q 3 3 、q 4 1 ) 、横栏组( q 4 2 - 1 ) 、万顷沙组( q 3 2 也) 和灯笼 沙组( q 4 3 ) 。以海相为主的软土分布在西南组、横栏组和灯笼沙组内，埋藏于陆 相的砂砾和粘土层之间，这反映珠江三角洲发育演变经历三次海侵、三次海退的 过程。根据珠江三角洲软土的c 1 。年龄数据，西南组软土形成距今1 5 0 0 0 年，而 灯笼沙组软土形成距今约2 0 0 0 年【7 j 。 珠江从云贵高原经广西进入广东后，河流坡降陡然降低，流速减慢，大量泥 砂沉积造陆。珠江总计有8 个出海口，几乎都不够畅通，因此，造成珠江三角洲 目前河岔纵横、泥沙堆积的河网现状，这些地区人口密集，活动频繁，给土质中