（道路与铁道工程专业论文）去南低等级公路软土路基处治技术研究.pdf

重庆交通大学学位论文原创性声明 iyllllllll902111 111 1 111111 li 4ti i l l l l m 7 y 19 0 2 4 1 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： 亩l 欢 日期：f 年舻月坶日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名： 专i ia 久 日期：为l f 年年月储日 指导教师签名 日期： , o l l 年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k ! 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：专、彩l 日期：k l f 年印月8 日 指导教师签名： 日期：加f f 年 摘要 软土路基的稳定是低等级公路修筑的关键技术问题。对于高等级公路软土路 基稳定问题，我国十分重视，并开展了一系列的科学研究，目前已经形成了较系 统的高等级公路路基稳定成套技术。但对于低等级公路软土路基稳定性问题，所 做的工作却十分有限。论文通过对公路软土性质、软土地基处理方案的研究，综 合考虑影响公路软土地基处理的各种因素以及低等级公路的特点，建议换填垫层 法和加筋法结合处理低等级软土路基。 本文对换填法和加筋法各自进行了详细的分析。对换填法的作用机理以及其 换填垫层的厚度进行了讨论。通过应用a n s y s 有限元模型进行模拟计算，由砂垫 层厚度与最大竖向位移关系初步得出低等级公路的换填砂垫层厚度为 5 0 c m 1 5 0 c m 。对加筋法的加筋机理有了明确的阐述，应用土工格栅加筋砂垫层来 处理软基，它是在传统的砂垫层中加铺一层或多层土工合成材料而形成。通过加 筋与未加筋的对比可以看出，加筋后使最大竖向位移从1 8 6 m m 减小到1 5 3 m m ，沉 降减小约18 ，而且加筋后地基土最大水平位移减小约8 。 最后，结合实际依托工程，对比分析实际测量结果与a n s y s 有限元模型模拟 结果。实际沉降值与数值模拟结果最大差异不超过8 5 c m 。论文研究成果有利于提 高软基处理技术，并可为软基处理技术人员开展工作提供一定帮助。 关键词：软土路基；低等级公路；换填法；加筋砂垫层；有限元 a b s t r a c t s t a b i l i t yo fr o a de m b a n k m e n ti st h ek e yt e c h n i c a lt ol o w l e v e lr o a dc o n s t r u c t i o n w ea t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et os o f ts o i lf o u n d a t i o ns t a b i l i t yf o rh i g h w a y , a n dl a u n c h e d as e r i e so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，c u r r e n t l yh a sb e c o m eam o r ec o m p l e t et e c h n o l o g ys y s t e m f o rh i g h w a ye m b a n k m e n ts t a b i l i t y b u tf o rl o w g r a d eh i g h w a ys t a b i l i t yo fs o f t s o i l f o u n d a t i o n ，t h ew o r ki sv e r yl i m i t e d t h i sa r t i c l er e s e a r c ht h es o f ts o i lp r o p e r t i e so f h i g h w a y a n dt h et r e a t m e n ts c h e m eo fs o f tf o u n d a t i o n t h e nc o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o no ft h ei m p a c to fh i g h w a ys o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n to fv a r i o u sf a c t o r sa n d c o m b i n e st h ef e a t u r e so fl o w - g r a d er o a d sp r o p o s e daa f f o r d a b l ew a y - - r e p l a c e m e n t c u s h i o nm e t h o da n dt h er e i n f o r c e m e n tm e t h o dt od e a lw i t hl o w - g r a d es o f ts u b g r a d e s e c o n d l y , r e p l a c e m e n tm e t h o da n dt h er e i n f o r c e m e n ta r ec a r r i e do u tad e t a i l e d a n a l y s i so ft h e i ro w n t h em e c h a n i s mo fr e p l a c e m e n tm e t h o da n dt h et h i c k n e s so fi t s r e p l a c e m e n tc u s h i o ni sd i s c u s s e d b yu s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n tm o d e ls i m u l a t i o n ， t h er e l a t i o n s h i po ft h et h i c k n e s so ft h es a n dc u s h i o na n dm a x i m u mv e r t i c a l d i s p l a c e m e n to b t a i n e dw i t h t h et h i c k n e s so fl o w - g r a d eh i g h w a yr e p l a c e m e n ts a n d c u s h i o ni sa b o u t5 0 c m 15 0 c m t h er e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mw a sc l e a r l ye x p l a i n e d ， u s eo fg e o g r i dr e i n f o r c e ds a n dc u s h i o nt oh a n d l es o f tg r o u n d ，a n di ti so n eo rm o r e l a y e r sf o r m e do fg e o s y n t h e t i c so v e r l a i e di nt h et r a d i t i o n a ls a n db l a n k e t b yc o m p a r i n g t h er e i n f o r e e da n du n r e i n f o r e e de m b a n k m e n tc a nb es e e nt h a t a f t e rr e i n f o r c e dt h e m a x i m u mv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tr e d u c ef r o m18 6 m mt o15 3 m m ，s e t t l e m e n td e c r e a s e d a b o u t18 a n da f t e rr e i n f o r c e dt h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to fs o i ld e c r e a s e d a b o u t8 f i n a l l y , r e l y i n go nt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h ea c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sc o m p a r e d w i t h 也ea n s y sf i n i t ee l e m e n tm o d e ls i m u l a t i o n s a c t u a ls e t t l e m e n tv a l u eo ft h e m a x i m u md i f f e r e n c ew i t ht h en u m e r i c a lr e s u l t so fn o tm o r et h a n8 5 c m t h er e s e a r c h r e s u l t sw i l lh e l pi m p r o v et h es o f tg r o u n dt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a n dc a np r o v i d es o m e h e l pf o rt e c h n i c a ls t a f f k e yw o r d s ：s o f tg r o u n d ；l o w g r a d eh i g h w a y ；r e p l a c e m e n tm e t h o d ；r e i n f o r e m e n t s a n db l a n k e t ；f i n i t ee l e m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究状况2 1 2 2 国内研究状况4 1 3 研究目的、技术路线及主要研究内容5 1 3 1 研究目的一5 1 3 2 主要研究内容及技术路线5 第二章软土特性和处治技术6 2 1 软土工程性质6 2 1 1 软土的分类和组成6 2 1 2 软土的工程特性7 2 1 3 软土分布对路基的不利影响8 2 1 4 云南低等级公路软土特点9 2 2 目前软土路基处理方法1 0 2 2 1 软土路基处理原则1 0 2 2 2 换土垫层法l l 2 2 3 土工合成材料加筋1 2 2 2 4 排水固结法1 4 2 2 5 挤( 振) 密法1 4 2 2 6 反压护道法1 6 2 3 选用适合低等级公路软土处理方法的考虑因素1 7 2 3 1 地基状况1 7 2 3 2 道路性质1 8 2 3 3 施工条件1 8 2 3 4 周围环境1 9 2 4 本章小结。1 9 第三章换填法和加筋法处理软土路基的分析2 0 3 1 换填法处理软基的作用机理2 0 3 1 1 换填垫层的设计中的经济问题2 0 3 1 - 2 换填垫层强度取值与其侧而软土约束关系分析2 1 3 1 3 双层地基应力分布的特点2 3 3 1 4 换土垫层合理设计分析2 4 3 2 加筋结构的基本理论与设计原理2 5 3 2 1 加筋土的作用机理2 5 3 2 2 土工合成材料的加筋机理2 7 3 3 适用范围3 0 3 3 1 换填法适用范围3 0 3 3 2 加筋法适用范围3 0 3 4 本章小结3 2 第四章加筋法和换填法结合处理软土路基的数值模拟分析3 3 4 1 分析软件介绍3 3 4 2 加筋法和换填法结合处理软十路基的有限无分析3 5 4 2 1 建立有限元模型及分析假定3 5 4 2 3 有限元模型的建立与网格划分3 6 4 3 有限元模拟计算结果与分析3 7 4 3 1 不同模型变形和竖向位移分布下的影响3 7 4 3 2 不同模型水平位移分布下的影响4 1 4 3 3 不同砂垫层厚度对加筋法处理软基的影响4 3 4 4 本章小结4 4 第五章低等级公路软基处理依托工程的应用分析4 5 5 1 工程概况4 5 5 1 1 依托工程4 5 5 1 2 地貌4 5 5 1 3 气象4 7 5 1 4 地层岩性4 7 5 1 5 水文地质条件4 9 5 1 6 总体设计原则4 9 5 2 换填法软土路基施工5 0 5 2 1 换填垫层材料5 0 5 2 2 换填挚层的施工技术5 1 5 3 加筋法软土路基施工5 2 5 3 1 加筋材料5 2 5 3 2 土工格栅的施工技术5 3 5 4 方案经济性分析5 5 5 5 主要观测与分析5 6 5 5 1 观测点选择5 6 5 5 2 沉降观测结果5 6 5 5 3 沉降结果分析5 8 5 6 本章小结5 9 第六章主要结论及进一步研究的建议6 0 6 1 研究的主要结论6 0 6 2 进一步研究建议6 l 致谢6 2 参考文献6 3 在学期间发表的论文及参与的科研项目6 5 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 低等级公路承担着县际、县乡之间交通服务的重要任务，对于促进农村经济 发展具有举足轻重的作用。近年来以县乡道路为主体的低等级公路建设得到迅速 发展。就云南省而言，2 0 0 8 年预计用于县乡道路改造及农村公路建设的资金就达 近1 0 0 亿元。路基是公路工程的主体结构，路基的稳定直接影响公路的使用品质、 质量和公路的投资效益。因此，对公路工程而言，确保路基稳定十分重要。 过去我国对路基稳定性问题的研究主要是针对二级以上的高等级公路，针对 低等级公路路基稳定性问题的研究则几乎没有进行。低等级公路与高等级公路的 最大不同就在于低等级公路技术标准低和工程小，其投资十分有限，这就使得高 等级公路路基稳定的方法与技术不能适用于低等级公路。低等级公路的设计、施 工水平受到经济条件限制，也无法像高速公路、国省道那样遵循严格的材料标准， 这些都增加了低等级公路的建设、管理的难度。因此，开展低等级公路路基稳定 技术研究，提出技术可靠、投资低廉、使用方便的路基综合稳定实用技术对确保 低等级公路路基稳定，提高低等级公路使用品质，具有十分重要的意义。 由于资金等方面的原因，对于低等级公路的建设，常常重视路面而轻视路基。 致使修建的低等级公路，常常出现大面积的早期破坏。路基稳定已成为低等级公 路修筑的关键技术问题之一，急待研究解决。对于高等级公路路基稳定问题，我 国十分重视，并开展了一系列的科学研究，目前已经形成了较系统的高等级公路 路基稳定成套技术。但对于低等级公路路基稳定性问题，所做的工作却十分有限。 由于高等级公路无论是技术标准和工程投资，都与低等级公路明显不同。因此， 高等级公路路基稳定措施、方法就不能套用于低等级公路。例如对于软基处治， 高等级公路要求处治后的软土路基的沉降必需达到规定的沉降标准，如果低等级 公路也按如此要求，则可能是工程建设费用仅仅能够进行软基处治。由于高等级 公路路基稳定许多措施不适宜应用于低等级公路，而低等级公路路基稳定措施、 方法又没有适时开展研究。在低等级公路建设中，缺乏路基稳定性实用技术与措 施，使得许多低等级公路今年修建明年就出现大量破坏。这不仅影响交通运输， 而且也影响社会主义新农村建设。同时，对交通系统声誉造成不良影响。 软土在云南省分布广泛，地质情况复杂多变。在软土地基上修建公路，由于 软土层变形沉降大、稳定性差，在荷载作用下极易造成道路沉降变形的隐患，严 重影响道路使用功能，由此造成的经济损失是巨大的。因此，软土地基上修建公 2 第章绪论 路，对软土地基的处理是尤为关键的工程技术。低等级公路路基工程中，特别是 软基处治方案的选择，应遵循费用经济性和施工可操作性等特点考虑。 有鉴于此，本项目以县乡二级及其以下等级公路为主要研究对象，以普洱市 澜沧至西盟( 勐梭) 公路为依托，研究低等级公路建设中存在的局部软基处治路 基稳定问题。通过研究，使云南省低等级公路筑路技术达到新的水平，同时达到 节约工程投资，延长道路使用寿命，建设道路养护费用的目的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究状况 1 9 2 6 年m o r a n 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。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1 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。m e o o w n 和h u g h e s ( 1 9 8 1 ) 将竖向排水体按外形分为圆形排水体( r o u n dd r a i n s ) 和扁平的板式排水体 ( b a n d t y p ed r a i n s ) ，或称排水板( b a n dd r a i n s ) 2 1 。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【3 】。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。 合成纤维在岩土工程中的应用始于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挚层，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 第一。章绪论 3 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l 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，塑料排水带己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；聚丙烯土工带己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。 应用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 l 4 j 。加固后的实际沉降量只有加固前的四分 之一。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，并用来处理柏林一 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 加同软土地基的方法称为振冲置换法。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。 加筋砂垫层的研究，以前多集中在地基承载力的提高。b i n q u e t 5 1 ，于1 9 7 5 年 首先对土工合成材料应用于地基处理做了重要的探索，他通过6 5 组模型试验的对 比分析，发现筋材使传统的滑动面向深处发展，筋材的作用提高了地基承载力， 改善了荷载和沉降关系，得到加筋和未加筋地基的极限承载力之比在其它条件相 同时为2 - - 4 倍，并且根据地基破坏模式的假设提出了加筋地基承载力公式，其主 要思路是：横跨于剪切带的筋材发生弯曲变形，该处筋材的竖向分量提高了地基的 承载力。c c h u a n g 和f y m e n g t 6 认为，这种计算方法对筋材较短的情况不适应， 4 第一章绪论 承载力提高的原因在于加筋的存在增大了地基内的应力扩散角，影响扩散角的主 要凶素是加筋的间距与基础宽度之比，其次是布筋率，然后是筋材长度与基础宽 度之比和加筋层数。由于影响加筋垫层地基承载力的因素较多，不同的试验者得 到的结果有时差异较大。 在日本常用的软基处理方法主要有9 种：置换法：排水固结法；砂桩法：化 学加固法；挡提法；加筋法；空心管填法；桥台台背处理；桩板法 7 1 。日本在软基 处理方面与中国相比，目前日本取消了工后沉降的限制，并认为控制工后沉降足 不现实的。 1 2 2 国内研究状况 地基处理在我国有着悠久的历史，早在3 0 0 0 年前就有采用竹子、木头以及麦 秸等材料加固地基的史料记载。近几十年来，国内外在地基处理技术方面发展十 分迅速。在2 0 世纪6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度出发，发展了土的加 筋法：从如何有利于土的排水固结这一基本观点出发，发展了土工聚合物、砂井预 压和塑料排水板，从如何进行深层密实处理和方法考虑，采用加大击实功的措施， 发展了强夯法和振动水冲法等。另外，现代工业的发展，也为地基工程提供了强 大的生产手段，如能制造重达几十吨的强夯起重机械：发明制造了潜水机，带来 了振动水冲法中振冲器等施工机械的出现：真空泵的问世，发展了真空预压法；生 产了大于2 x 1 0 4 k p a 的空气压缩机，从而产生了高压喷射注浆法等。新中国成立后， 特别在近些年来得到了迅猛发展，回顾近5 0 年我国地基处理技术的发展历程大体 经历了两个阶段。 第一阶段：2 0 世纪5 0 年代6 0 年代为起步应用阶段，这一时期大量地基处理 技术从前苏联引进国门，最为广泛使用的是垫层等浅层处理法，主要为砂石垫层、 砂桩挤密、石灰桩、灰土桩、化学灌浆、重锤夯实及井点降水等地基处理技术。 由于是起步阶段，既有成功之经验，又有盲目照搬之教训。 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代至今为应用、发展、创新阶段。大批国外先进技术 被引进、开发，并结合我国自身特点，初步形成了具有中国特色的地基处理技术， 许多领域达到了国际领先水平。可以说，公路软土地基处理的方法可涉及到所有 的地基处理方法。软土地基加固技术由最早的采用填土缓速平衡碾压、生石灰桩、 浅层换填等发展到旋喷灌注、深层混合处理、轻型填料、化学方法、土工织物等 加固技术。不论采用哪种方法，就其原理上说不外乎分为以下几类：改良土质；换 填；补强。过去在公路工程中的建筑实践，一般选用下述方法：置换法、固结法、 降低应力法、反压护道、挤密法、土的加筋( 土工布、加筋土、土工格栅) ，以及 化学加固法等。另外，在日本的高速公路中曾使用桩承结构，效果较好，但就目 第一章绪论 5 前情况来看，此法用得不多也不普遍。从以上的软基处理方法在工程实际中的应 用情况来看，对其效果评价不一，由此看来，在如此众多的软土地基处理方法中， 要采用哪一种效果较好、施工方便、又节省资金，这无疑是软土地基处理中的一 个关键问题。 1 3 研究目的、技术路线及主要研究内容 1 3 1 研究目的 本文研究将通过调查研究、理论分析、室内试验、实体工程试验、总结分析 等五种途径，以云南省特别是普洱市县乡公路建设为依托，有针对性地开展云南 低等级公路软十路基处治技术研究，包括软土工程物理、力学特性研究；低等级 公路软基处治关键指标的研究；低等级公路软基处治实用技术措施及施工工艺研 究。其意义主要表现在： 提出低等级公路路基综合稳定实用技术，可以较好地解决低等级公路软基 处治问题； 提出的工程措施具有适应于低等级公路经济、廉价、实用的特点。这既可 以节约工程投资，同时有利用保护自然环境，由此将产生巨大的社会经济和环境 效益； 低等级公路软基处治关键指标的提出将对今后相关研究提供依据。 1 3 2 主要研究内容及技术路线 公路软基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。 本文研究的主要内容： 通过查阅国内外文献，了解当前课题的研究动向和研究成果，分析当前存 在的问题，设定云南低等级公路软土路基处治技术研究的目标； 研究加筋路基结构的理论和设计原理，并通过模型计算综合分析不同处治 方法下的工程效果； 研究换填法处理软基的理论，并通过有限无模型分析，确定低等级公路软 基处治适用的换填法的技术标准。 6 第二章软土特性和处治技术 第二章软土特性和处治技术 2 1 软土工程性质 软土一般是指在静力或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物，其直径 小于o 1 m m 的颗粒一般占土样重量的5 0 以上。这类土的物理特性大部分是饱和 的，含有机质，天然含水量大于液限，孔隙比大于1 。当天然孔隙比大于1 5 时， 称为淤泥，天然孔隙比大于1 而小于1 5 时，则称为淤泥质土。工程上将淤泥、淤 泥质土、泥炭、泥炭质土、冲填土、杂填土和饱和含水黏性土统称为软土。软土 地层还包括软土与砂土、碎石土、角砾土及块土等形成的互层。因此软土地层还 可包括除岩石以处的所有含有软弱土层的地层1 8 】。 软土是自然历史的产物，是随着地理、气侯、沉积环境的变化而形成的。我 国地域辽阔，从沿海到内地、由山区到平原，各地区的软土由于形成的环境、年 代、地质等条件千差万别，其分布、厚度、性质也各不相同。 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l 刿见表2 1 表2 1 软土鉴别指标 1 a b 2 1i n d i c a t o r so fs o f ts o i l 十字板压缩系数 土类 天然含水量( ) 天然空隙比 直剪内摩擦角( 。)剪切强度a o 1 柚2 ( 1 ( p a ) ( m p a 1 ) 粘质土、 3 51 o宜小于5 宜大于0 5 有机质土 液限 3 5 粉质土3 0o 9宜小于8 宜大于0 3 2 1 1 软土的分类和组成 我国沿海地区、内陆平原以及山区沟谷等广泛分布有各种成因的软土，因此， 工程设计中按地域地质特点将软土分为五个类型f 1 0 】，分别为滨海沉积( 滨海相软 土、溺谷相软土、泻湖相软土、三角洲相软土) ；河滩沉积( 河漫滩相软土、牛扼 湖相软土、河床相软土) ；谷地沉积( 谷地相软土) ；湖泊沉积( 湖相软土和三角 洲相软土) ；沼泽沉积( 沼泽相软土) 等。然后又根据土质的不同，更进一步分为 第二章软土特性和处治技术 7 五种类型：泥炭、腐殖土、有机质土、粘性土、粉性土。 软土的矿物组成除少量原生矿物、石英、方解石、长石、云母、角闪石外， 还有大量次生粘土矿物。粘土矿物呈薄片状、管状或板状存在于粘土中，它是非 晶态或微结晶的水化铝、水化镁或水化铁的硅酸盐。我同软土矿物所含粘土矿物 以伊利石、高岭石为主，也含有蒙脱石、绿泥石等。 2 1 2 软土的工程特性 尽管国内外对软土的描述和指标各有不同，由软土的物质组成和微观结构， 工程特性主要表现在以下几个方面： 软土的天然含水量都大于3 0 ，且大于液限，软土的液限大部分在3 4 - 4 3 的范围内，塑性指数大部分在1 5 2 0 之间； 高孔隙性是软土的一个重要特征，它直接决定了土体的压缩性、渗透固结 特性。软土的天然孔隙比大于1 0 ，山间洼地生成的含植物根系的软土孔隙比甚至 达到6 0 。由于每个孔隙极其微小而孔隙总体积占土的体积比例很大，形成了渗透 性很差而具高压缩性的特征。软土的这一特点与其缓慢沉积过程中颗粒接触点形 成一定的胶结从而阻止其进一步压密有关。根据土体中孔隙的存在方式和所起的 作用。可将土中孔隙划分为孤立孔隙、粒间孔隙和粒内孔隙三种类型。其中孤立 孔隙的直径较大，数量不多，它们无法连通或连通性极差，对渗透性影响甚微， 但对土的压缩性影响较大。粒间孔隙存在于粒状集合体和粘粒组成的微集合体之 间，分布广，数量多，连通性也较好，对土的孔隙性、压缩性、渗透固结性等起 着至关重要的作用； 软土为高压缩性土，压缩系数大于o 5 m p a - 1 ，其压缩性随液限的增大而增 大； 渗透性小，渗透系数大都在l o 一1 0 。7 c m s 之间，所以在荷载作用下固结很慢， 强度1 i 易提高； 软土的抗剪强度与排水条件有密切关系，在荷载作用下，如果土层有条件 排水固结，则它的强度随着有效应力的增加而增加：反之，如果土层没有排水条 件固结，随着荷载的加大，它的强度加大，能随着剪切变形的加大而衰减。软土 的抗剪强度还与加荷速率、时间有关； 软土有显著的流变性，一种是在外加荷载不变的条件下，变形随时间的增 加而增加；种是在外加荷载不变的情况下，剪切强度随时问的增加而降低，前 者为固结流变，后者为剪切流变； 软土具有结构性，一旦受到扰动，其结构受到破坏，土的强度明显下降， 甚至发生流动。软土扰动后，随着静置时间的增长，其强度又会逐渐有所恢复， 8第二章软土特性和处治技术 但一般不能恢复到原来结构的强度。其原因是：天然结构土的各组构如颗粒相对 位置、孔隙大小、吸附阳离子和水分子的排列等均处于一种相对平衡状态，当土 体遭受扰动后，颗粒间产生滑动位移，吸附阳离子和水分子的定向排列以及胶结 物和孔隙状态等受到破坏，打破了原来的相对平衡，土的结构变成了某种程度的 分散结构，从而减弱了颗粒之间的结构连结，导致结构强度的降低，静置了一段 时间后，颗粒和水分子以及其他结构因素重新排列，逐渐恢复原来的结构，因而 强度也逐渐恢复；土的结构性是指土颗粒及孔隙的性状及排列形式，以及颗粒之 间的相互作用。软土结构性受许多因素的影响，土颗粒的矿物成分、沉积条件及 孔隙水的化学成分都会影响十的结构性。在地层形成后，由于物理、化学的作用， 如次固结、卸载、风化及淋洗等因素都会改变原来的结构而形成新的结构。所以， 由于成因不同，结构性的强弱程度和稳定性也有所差异。从力学特性来看，结构 性的主要作用是增大了土骨架的刚度。结构性越强，土骨架的刚度越大。在土体 受荷后，外荷载首先由土骨架承受，随着结构性的屈服和破坏，外荷载转移到孔 隙水上去。结构性软土有如下特征【l l 】： 1 ) 应力应变曲线的初始段呈现明显的弹性特征，当应力超过一定值后才 会逐渐以塑性变形为主； 2 ) 固结曲线具有较高的视先期固结压力，超过其上覆压力o 。o ，当应力超 过视先期同结压力后，孔隙比才急剧降低，而且视先期固结压力越高，超过屈服 应力后压缩性也越大。我们一般把的比值称为超固结比。o s o ； 3 ) 孔隙压力应变曲线的初始段呈缓慢的增长，随着结构性的破坏，孔压 力逐渐增大到最大值，或达到峰值后随着剪胀而降低； 4 ) 现场的沉降线有明显的转折点，在外荷载较小时沉降很小，只有超过一定 荷载后，沉降量才突然增大。与此同时，侧向位移及孔隙压力也突然增大。 软土是自然历史的产物，是随着占地理气候、沉积环境的变化而形成的。我 。国地域辽阔自从沿海到内地、由山区到平原，各地区的软土形成的环境、年代、 地质等条件千差万别，其分布、厚度、性质也各不相同。同时，软土水平方向上 的差异性和垂直方向上的不均匀性，造成各地区软土所表现出的抗剪强度、压缩 性和透水性等特性也不一样。 2 1 3 软土分布对路基的不利影响 软土地基在我国公布很广( 见软土类型及分布表) ，大都成型于天然，如第四 纪沉积物等。在我国南方地区，江河湖泊、稻田、沼泽等处，往往成为工程的软 地基。 第二章软土特性和处治技术 9 表2 2 我国软土分布 t l b 2 2d i s t r i b u t i o no fs o f ts o i l 类犁分布情况 滨海沉积主要分布在东海、黄海、渤海等沿海地区 湖泊沉积洞庭湖、太湖、鄱阳湖、洪泽湖周边 河滩沉积长江中下游、奥江下游河u 、淮河平原、松辽平原、闽江下游 谷地沉积西南、南方山区或庀陵区 长期受水浸蚀浸泡北方地区 根据上述软土的特点，以软土作为建筑物的地基是十分不利的，它可造成构 造物不同程度的破坏，严重者不但影响使用，甚至造成建筑物的彻底报废。由于 软土的强度很低，承载力不足，不能承受较大的建筑物荷载，否则就可能出现地 基的局部破坏乃至整体滑动。由于软土的压缩性较高，建筑物增加的沉降和不均 匀沉降是比较大的，对于一般四层至七层的砌体承重结构房屋，最终沉降约为 0 2 0 5 m 。著名的意大利比萨斜塔，建筑已数百年，塔身完好无损，但严重倾斜， 其原因即是地基不均匀沉降所致，且至今无好的解决方法。 公路是一条带状的、承受动静两种荷载的特殊人工建筑物，由于它分布较广、 使用要求较高，因而对地基有较高的要求。同时公路不可避免地要经过火量的软 土地质地区，对软基处理不当，将会使路基沉降过大，导致路堤失稳，路面开裂； 桥台与路基的沉降不同而产生桥头错台；路的中心沉降过大引起涵管弯曲和路基 路面横坡变小等问题，严重者甚至彻底破坏。因此，从高标准、高质量的使用要 求出发，合理、可行地处理好软土地基，已成为公路建设必不可少的一个环节。 2 1 4 云南低等级公路软土特点 在许多情况下，尤其是在中西部地区，公路选线需要穿越山区沟谷。本项目 所研究工程沟谷众多，地形地势复杂等特殊的自然地理条件，而且公路又是一个 线性构筑物，占地广，里程长，不可避免会遇到软基路堤。这种软土大都分布在 冲沟、谷地、河流阶地和各种洼地处，属于“沟谷型”软土。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，在这种软基上进行低等级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。云南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： 山间沟谷软土多分布于多雨地区的山间谷地、冲沟、河滩阶地和各种洼地里。 与平原地区不同的是山区软土的分布零星，范围不大，但厚度及深度变化悬殊， 1 0第二章软土特性和处治技术 多呈透镜体状，土质不均，土的强度和压缩性变化不大。通过大量的资料收集及 笔者取样室内实验分析，可以得出以下云南低等级公路软土的工程特点： 不均匀性，即软弱层厚度的不均匀性。往往在较小的范围( 如2 0 3 0 c m 范 围) 内，但软土厚度急剧变化。 和地下水的隐患同时存在，这些路段一般泉水较发育，地面有间断性流水。 软土底部往往有一倾斜面，这一倾斜面有时可能与路线平行，有时可能与 路线斜交，增加了处理的难度。 由于软土分布在路线低洼处，公路路线从该处通过时，多为高路堤或半填半 挖路堤，而且这些路段一般交通极不方便，大型机械很难进场，在选择处理方案 时受到限制。 下表2 3 为云南软土常见的物理性质： 表2 3 云南软土物理性质 t a b 2 3p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o f ts o i li ny u n n a np r o v i n c e 饱和度( )孔隙比含水率( )土粒比重 湿密度( g e r a 3 ) 9 51 6 7 4 02 6 91 6 2 2 2 目前软土路基处理方法 地基处理的目的是针对软土地基上建造建筑物可能产生的问题，采取人工的 方法改善地基土的工程性质，达到满足上部结构对地基稳定和变形的要求，这些 方法主要包括提高地基土的抗剪强度，增大地基承载力，防止剪切破坏或减轻土 压力；改善地基土压缩特性，减少沉降和不均匀沉降：改善其渗透性，加速固结 沉降过程；改善土的动力特性防止液化，减轻振动；消除或减少特殊土的不良工 程特性( 如黄土的湿陷性，膨胀土的膨胀性等) 。 2 2 。1 软土路基处理原则 软基的处理方法多种多样，每一种地基处理方法都有其适用范围、针对性和局 限性，不存在任何条件下都是最合理的万能的处理方法。地基处理方案的选择， 需要了解地基处理的目的、填筑路堤对地基的具体要求、设计要求的地基承载力、 土的性质、施工工艺及设备、对施工周期的要求，以及当地积累的施工经验、地 方材料来源及单价、周围环境对施工的特定要求。 一般来说，地基处理方案的选择必须具有地质报告等基本资料，必须了解周 第二章软士特性和处治技术 同环境对地基处理施工的要求，了解类似场地上同类工程地基处理经验，提供对 地基处理设计的要求。 软基处理方案的选择应本着以下几个原则： 根据场地工程地质条件、建筑结构类型、使用要求、场地环境特点、施工 设备、建筑材料来源及单价，以及设计对承载力和变形的要求，初步选定几种可 供考虑的地基处理方案【l2 1 。 对初步选定的几种方案按技术可靠性、施工可行性、工期及造价进行分析 比较，并结合当地已有经验，确定最佳方案。 注意软基处理方法的联合使用。特殊情况下，单靠某一种处理方法难以满 足工程要求，必须根据实际情况选择某两种或几种处理方法联合使用。 2 2 2 换土垫层法 在冲刷较小的软土地基上，地基的承载力和变形达不到基础设计要求，且当 软土层不太厚( 如不超过3 m ) 时，可采用较经济、简便的换土垫层法进行浅层处理。 即将软土部分或全部挖除，然后换