软土地基路堤的设计与施工毕业论文.doc

软土地基路堤的设计与施软土地基路堤的设计与施 工毕业论文工毕业论文 目录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 软土的定义 特点与工程特性 1 1 1 1 软土的定义及特点 1 1 1 2 软土的工程特征 1 1 2 国内外客运专线路基工程处理方法 1 1 3 国内外软土地基主要处理方法 1 1 4 我国新建客运专线路基对软土地基的要求 2 1 5 课题研究的主要内容 2 第第 2 章章 客运专线路基横断面设计客运专线路基横断面设计 3 2 1 路堤横断面设计 3 2 1 1 断面设计原始资料 3 2 1 2 路肩宽度设定 3 2 1 3 边坡坡率 3 2 1 4 填料选择 3 2 1 5 线间距 3 2 1 6 路基面宽度确定 4 2 1 7 排水沟设计 4 2 1 8 基床厚度 4 2 2 直线地段路基横断面设计 4 2 3 圆曲线地段路基横断面设计 4 2 4 缓和曲线段路基横断面设计 5 第第 3 章章 客运专线软土地基处理客运专线软土地基处理 6 3 1 软土路基常用的处理方法 6 3 2 袋装砂井法 6 3 2 1 袋装砂井的概念 6 3 2 2 袋装砂井的设计优点 7 3 2 3 袋装砂井的设计 7 3 2 4 固结度计算 8 3 2 5 袋装砂井的施工 9 3 2 6 袋装砂井的施工 9 3 3 CFG 桩复合地基法 9 3 3 1 概述 9 3 3 2 CFG 桩复合地基工程特性 10 3 3 3 CFG 桩复合地基设计计算 11 3 3 4 CFG 桩复合地基的施工 13 3 3 5 CFG 桩复合地基质量检验 15 3 4 两种软基处理方案的技术比较 16 3 4 1 工期方面 16 3 4 2 沉降量方面 16 3 4 3 造价方面 16 3 4 4 比选结论与最终方案选择 16 第第 4 章章 边坡稳定性检算边坡稳定性检算 17 4 1 稳定影响因素 17 4 2 条分法原理 17 4 3 稳定检算 18 4 3 1 计算参数取值 18 4 3 2 确定滑弧圆心位置 18 4 3 3 划分土条 19 4 3 4 稳定性计算 19 4 4 稳定计算的结论 20 第第 5 章章 软土地基沉降量计算软土地基沉降量计算 22 5 1 地基沉降概述 22 5 2 分层总和法简介 22 5 2 1 分层总和法基本原理 22 5 2 2 分层总和法计算步骤 22 5 3 未作处理的软土地基的沉降量计算 23 5 3 1 地基土分层 23 5 3 2 路堤基底附加应力计算 23 5 3 3 未处理的沉降计算 23 5 3 4 活载计算 27 5 4 CFG 复合地基工后沉降计算 28 5 5 工后沉降产生的原因 30 5 6 减少工后沉降的可采取的施工措施 30 5 6 1 超载预压 30 5 6 2 路堤填料处理 30 5 6 3 增加排水路径 30 5 6 4 加强基础的刚度和强度 31 5 6 5 其它注意事项 31 第第 6 章章 基床表层加固和路堤边坡防护基床表层加固和路堤边坡防护 32 6 1 基床表层加固 32 6 1 1 基床表层作用 32 6 1 2 基床表层加固措施 32 6 2 边坡防护 32 6 2 1 路基坡面防护 32 第第 7 章章 路堤施工方案路堤施工方案 34 7 1 路堤施工 34 7 2 路堤填料改良方法 34 7 3 路堤的填料 34 7 4 施工方法及工艺 35 7 4 1 施工方法 35 7 4 2 施工工艺 35 7 5 基床以下路堤填料的压实标准 36 7 5 1 压实度的保证措施 36 第第 8 章章 路基变形监测路基变形监测 38 8 1 路基变形监测的意义及目的 38 8 2 软土路堤施工监测 38 8 2 1 软基路堤施工监测的原则 38 8 2 2 软基路堤施工监测应注意的问题 38 8 2 3 软基路堤施工监测测量仪具 39 8 3 软土路堤施工变形监测技术 39 8 3 1 地表沉降观测 40 8 3 2 土体内部沉降观测 40 8 3 3 土体水平位移观测 41 第第 9 章章 总结与展望总结与展望 42 9 1 总结 42 9 2 展望 42 参考文献参考文献 43 致谢致谢 44 附录附录 45 附录 A 外文翻译 45 附录 B 设计图纸 56 第 1 章 绪论 1 1 软土的定义 特点与工程特性 1 1 1 软土的定义及特点 软土是指滨海 湖沼 谷地 河滩沉积的天然含水量高 孔隙 比大 压缩 性高 抗剪强度低的细粒土 主要是由天然含水量大 压缩性高 承载能力低 的淤泥沉积物及少置腐殖质所组成的土 具有天然含水量高 天然孔隙比大 压缩性高 抗剪强度低 固结系数小 固结时间长 灵敏度高 扰动性大 透 水性差 土层层状分布复杂 各层之间物 理力学性质相差较大等特点 1 1 2 软土的工程特征 1 颜色以深色为主 颗粒成分以细颗粒为主 有机质含量高 2 天然含水量高 孔隙比大 含水量在 34 72 之间 孔隙比在 1 0 1 9 之间 饱和度一般大于 95 液限一般为 35 60 塑性指数为 13 30 天然容重在 16 19kN m3 3 压缩系数为 属于高压缩性土 1 0 52MPa 4 透水性差 大部分软土的渗透系数在 压缩性高 86 1010 cm s 到 5 具有触变性 一旦受到干扰 土的强度明显下降 甚至呈流动状态 6 抗剪强度低 软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关 7 流变性显著其长期抗剪强度只有一般土质抗剪强度的 40 80 从这些物理 力学特性上可以看出 在软土地区不宜建筑重型建筑物 对 一般建筑物和铁路路基基底应采取相应的处理措施 1 2 国内外客运专线路基工程处理方法 目前国内主要的处理方法有 1 碾压及夯实 2 换土垫层 3 排水固结 4 振密挤密 5 置换及拌入 6 土工聚合物 客运专线对软土地基地段采用复合地基处理方式 如粉喷桩 水泥搅拌桩 钢渣桩 碎石桩等 以减少地基沉降 提高地基刚度 同时在基床表层填筑级 配碎石并压实 国外主要的处理方法有 1 真空 堆载联合预压技术 2 轻型填方施工法 3 加固填方施工法 4 使用土工织物处理软土地基 5 冻结施工法和注入化 学药剂施工法 6 深层搅拌法 1 3 国内外软土地基主要处理方法 目前 国内外工程中软土地基处理方法主要包括密实法 换土垫层法 复 合地基法 加筋法和灌浆法 其中密实法包括 堆载预压法 真空预压法 降 水法 电渗法 静力碾压法 振动碾压法 重锤夯实法 强夯法 换土垫层法 又称置换法 包括 粗粒填土垫层 细粒填土垫层 复合地基法包括 挤密碎 石桩 干振碎石桩 砂桩 渣土桩 石灰桩 水泥土桩 CFG 桩 素混凝土桩 加筋法包括 土工织物 加筋土 灌浆法包括 压力灌浆法等 砂井是利用各种打桩机具击入钢管 或用高压射水 爆破等方法在地基中 获得按一定规律排列的孔眼并灌人中 粗砂形成砂柱 由于这种砂井在饱和软 粘土中起排水通道的作用 又称排水砂井 砂井顶面应铺设垫层 以构成完整 的地基排水系统 砂井适用于软土层厚度大于 5m 的软基处理 最大有效处理深 度 18m 比较常用的是袋装沙井 CFG 桩 水泥粉煤灰碎石桩 是指用振冲 冲击或水冲等方法在软弱地基 中成孔后 将水泥 粉煤灰 碎石 石屑 砂 加水拌和形成的混合料灌注压 入已成的孔中 形成较大直径的桩体 从而与周围软土形成复合地基 它是近 年来新开发的一种地基处理技术 1 4 我国新建客运专线路基对软土地基的要求 为了满足高速铁路设计速度的要求 必须严格控制路基的工后沉降量 按 照 时速 300 350km 客运专线铁路设计暂行规定 有砟轨道路基工后沉降量不 应大于 5cm 沉降速率应小于 2cm y 无砟轨道地段路基的工后沉降应满足扣减 调整和线路竖曲线圆顺的要求 工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量 15mm 而软土由于本身的大孔隙比和高压缩性 路堤建成后 不仅沉降量大 而且持续时间长 按照以前的处理标准 工后沉降是基本不满足要求的 所以 对软土地基的处理要更加严格 关键是要控制沉降和稳定性 满足规范的要求 1 5 课题研究的主要内容 根据铁路客运专线路基设计规范 充分考虑软土地基的工程特点 设计满 足规范要求的软土地区路基 对软弱土层进行加固地基处理 提出相应的处理 方案 对加固后的地基进行稳定性和工后沉降验算 并在一定程度上对方案进 行经济技术比较 本文主要采用 CFG 桩处理地基 对处理后地基进行稳定性检算 应用固结 理论进行沉降计算 并对工后沉降进行分析 第 2 章 客运专线路基横断面设计 2 1 路堤横断面设计 2 1 1 断面设计原始资料 客运专线 设计速度 350km h 轨道类型为重型 最小曲线半径为 8000m 地质条件 K551 460 K580 600 段均为松软地基 必须考虑软弱地基处理 沿线地下水发育 地表水丰富 大气降水补给充足 路基面形状应为三角形 并设计为由路基面中心向两侧有 4 的横向排水坡 选择三个断面分别位于直线 缓和曲线 圆曲线进行断面设计 2 1 2 路肩宽度设定 路肩虽不直接承受列车荷载作用 但它对保证路基受力部分的稳定十分重 要 路肩宽度取决于以下几个因素 1 路基稳定的需要 特别是浸水以后路堤边坡的稳定性 2 养护维修的需要 3 保证行人的安全 符合安全退避的要求 4 为路堤压密与道床边坡坍落留有余地 我国铁路客运专线路肩宽度确定 为两侧均为 1 4m 2 1 3 边坡坡率 依据软土路基规范 16 规定 设计整个路堤上部边坡坡率设为 1 1 5 下 部反压护道坡率设为 1 1 75 反压护道与路堤设计连接处设置反压护道平台 宽度设为 2m 2 1 4 填料选择 基床表层填料选用级配碎石 铁路客运专线路基基床底层填料只能使用 A B 组填料或改良土 设计中选 用 A 组填料 基床以下路堤应选用 A B 组填料和 C 组碎石类 砾石类填料 设计中采用 B 组填料 2 1 5 线间距 由于高速列车运行时会产生列车风 相邻线路高速列车相向运行所产生的 空气压力冲击波易振碎列车的玻璃 旅客感到不舒服 甚至影响列车运行的平 稳性 因此高速线路的线间距较普通铁路有所增大 确定线间距标准是个灵活 性相当大的问题 线间距窄 会车压力波大 对机车车辆的设计和制造提出了 很高的要求 但可以节省土建工程投资 根据我国铁路客运专线线间距根据所 采用机车车辆类型 运行速度等因素确定为 5 0m 2 1 6 路基面宽度确定 根据铁路客运专线路基设计规范的要求 双线铁路直线地段路基面宽度为 13 8m 曲线半径为 8000m 时 圆曲线地段路基面外侧加宽值 0 4m 曲线加宽 值应在缓和曲线内渐变 因此 确定圆曲线地段路基面宽度为 14 2m 缓和曲 线地段路基面宽度为 14 0m 2 1 7 排水沟设计 依据客运专线铁路路基设计规范设计坡脚排水沟 排水沟的平面布置 必 须结合地形等自然条件 因势利导 平面上力求短捷平顺 以直线为宜 必须 转向时 尽量采用较大半径 徐缓改变方向 保证水流舒畅 排水沟一般底宽 为 0 4m 深 0 6m 排水沟至坡脚应该有一定的距离 这一位置称为天然护道 其宽度一般不小于 2m 设护道是为了使水沟或坑内的水不影响路堤的稳定性 2 1 8 基床厚度 客运专线一般采取基床厚度表层 0 7m 基床底层厚度 2 3m 本设计路堤厚 度采用 5 8m 2 2 直线地段路基横断面设计 根据现行有关铁路路基设计规范 直线地段路基面宽度取 13 8m 路堤填 土高度按 6m 设计 边坡坡度取 1 1 5 按照规范基床表层厚度取值 0 7m 应在 路基基床表层增设 5 10cm 沥青混凝土防排水层 表层总厚度不变 基床底层取 厚度 2 3m 基床表层填筑级配碎石 基床底层填料只能用 A B 组填料或改良 土 基床以下路堤应优先选用 A B 组填料和 C 组碎石 砾石类填料 当选用 C 组细粒土填料时 应根据填料性质进行改良后填筑 为有利于自然降水的排出 基床表层和基床底层应沿线路中心线向两侧设置 4 的排水横坡 直线地段路基 横断面图见附录 B 中 01 图纸 2 3 圆曲线地段路基横断面设计 在曲线地段 由于曲线轨道的外轨设置超高 外侧道床加厚 道床坡脚外 移 故曲线外侧的路基面应予加宽 其加宽值可按各级铁路的最大允许超高计 算确定 曲线外侧路基面的加宽量应在缓和曲线范围内向直线递减 圆曲线地 段线路路基顶面需要加宽值由参考文献 1 查得 级铁路 半径 8000m 圆曲线 外侧路基顶面需加宽 0 4m 即圆曲线的路基顶面宽度为 14 2m 其它尺寸与直 线段相同 曲线地段路基顶面加宽计算公式为 22 AB Wbc 2 1 式中 A 道床顶面宽度 道床顶面加宽值 b 道床边坡在水平面上的投影长度 c 路肩设计宽度 B 标准路基顶面宽度 曲线地段横断面图见附录 B 中 01 图纸 2 4 缓和曲线段路基横断面设计 在铁路线路上 缓和曲线的主要作用 过渡超高 过渡曲率 过渡加宽 路基面加宽值 从曲线直缓点到缓圆点之间呈线性变化 本设计缓和曲线段的 设计加宽值取为圆曲线地段加宽值的一半 即 0 2m 缓和曲线的路基面宽度 为 14 0m 其他尺寸与直线地段相同 缓和曲线地段横断面图见附录 B 中 01 图 纸 第 3 章 客运专线软土地基处理 软土是淤泥和淤泥质土的总称 它是在静水和非常缓慢的流水环境中沉积 经生物化学作用形成的土 在铁路客运专线中 软土路基在列车和轨道荷载在作用下 承载力低 不 均匀变形大 且变形稳定历时较长在比较深厚的软土层上 路基沉降往往持续 数年或更长时间 因此 要保持地基稳定 保证路基具有足够的承载能力 不 致产生过大沉降变形 就必须对软土地基进行加固处理 3 1 软土路基常用的处理方法 软土地基处理方法有很多种 常用的有换土垫层法 强夯法 复合地基 排水固结法 化学加固法和土工合成材料等 排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成的 排水系统包 括竖向排水体 普通砂井 袋装砂井 塑料排水板带 和水平排水体 砂垫层 加压系统包括堆载法 真空法 降低地下水位法 电渗法 联合法等 复合地基法又包括散体桩复合地基 碎石桩 渣土桩 砂桩 一般粘结强 度桩复合地基 灰土桩 石灰桩 水泥土桩 夯实水泥土桩 高粘结强度桩复 合地基 CFG 桩 素混凝土桩 碎石压力灌浆桩 3 2 袋装砂井法 3 2 1 袋装砂井的概念 袋装砂井 就是事先将柔性编织物按地基加固深度做成长袋 在地面上灌 砂后放入孔中 或将空袋放入孔中然后用压缩空气灌砂 其中砂井使用含泥量 小于 3 的砂粘土在地面上搭架灌入砂袋 成孔后放入孔中 砂袋高出地面 30cm 再铺一层 30cm 厚的砂垫层 最后铺土工格栅 其原理是土体的孔隙水通 过袋装砂井竖向排至路基表面 再经设置砂垫层作为横向排水通道将水排至路 基边沟 排水固结法是处理软土地基的有效方法之一 它可以解决沉降与稳定 问题 使地基的沉降在加载预压期间基本完成 减少工后沉降量 提高了路基 质量 现在工程中多采取袋装砂井 砂垫层和土工格栅配合使用来加固软土地 基 袋装砂井是近年来竖向排水井工艺的发展 是砂井排水法的延续 根据固 结理论 砂井的直径越大 间距越密 对某一固结度而言所需的时间越短 或 者某一时间内所达到的固结度越大 在同一井径的情况下 砂井间距减少一半 固结时间约缩短 3 倍 同一间距条件下 井径增大一倍 固结时间约只减少三 分之一 因此 缩短间距比增大井径对加速固结的效果更好 所以应采用 细 而密 的原则布置砂井 3 2 2 袋装砂井的设计优点 首先袋装砂井的直径细小 用砂量少 其费用约为普通砂井的 40 造价 低廉 并且由于编织袋是一个整体 能保证砂井的连续性和密实性 不会因地 基变形而切断 使用效果良好 其次沙井直径细小 施工时对土层扰动小 另 外由于砂井断面小 重量轻 减少施工设备的重量 提高了施工效率 3 2 3 袋装砂井的设计 3 2 3 1 袋装砂井直径的确定 砂井直径一般为 7 12cm 本设计中取砂井直径为 7cm 3 2 3 2 袋装砂井间距的确定 为满足地基排水固结的要求 沉降过程中不易被截断和被周围土淤塞 一 般要求袋装砂井的直径在 7 10cm 井径比 n 范围 15 30 见文献 4 根据 细而密 原则 砂井直径取 7cm 井径比公式为 3 1 de dw n 式中 de 有效排水范围内等效圆直径 cm dw 沙井直径 cm 井距是指两砂井中心间的距离 砂井间距为 1 0 2 0m 井距应保证在给 定的施工期限内达到要求的地基固结度 使路堤安全填筑 因为缩短间距比增 加井径对加速固结的效果更好 本设计砂井间距采用 1 5m 砂井的平面布置有 两种形式 正方形和三角形排列 在设计中采用三角形布置 砂井的有效排水 范围为三角形 在实际计算中 砂井的有效影响范围看作一等体积的等效圆柱 体 等效直径 de 与砂井间距 S 的关系式 3 2 1 05S de 等效圆直径和砂井间距分别是和 162 75cm de 155cm S 根据式 3 1 得井径比为 满足范围要求 25 237 75 162 n 3 2 3 3 袋装砂井长度的确定 路堤以下的软粘土层厚 15m 假设砂井刚好穿过软粘土层 取定砂井长度 为 15m 3 2 3 4 袋装砂井的平面布置及砂垫层 砂井的平面布置 采用等边三角形的较多 这种布置比正方形排列更为紧 凑 本设计中也采用三角形布置 其平面布置图如图 3 1 所示 为了保证袋装 砂井内渗出的水能够顺利排出 一般须在砂井的顶部铺设一层砂垫层 本设计 中砂垫层的厚度设为 0 5 砂井的上部外露部分应埋在该层内 图 3 1 袋装砂井平面布置图 3 2 4 固结度计算 3 2 4 1 竖向固结度计算 因为袋装砂井双面排水 垂直向最大渗径 H 15 2 7 5m 750cm 可得 026 0 750 360024302108 2 2 3 2 H tC T V V 0641 0 026 0 4 4 2 2 2 H tC N V 竖向固结度为 9 23 8 1 8 1 0641 0 22 eeU N V 3 2 4 2 径向固结度计算 砂井的平面布置为等边三角形 所以影响圆直径为 m6275 1 55 1 05 1 05 1 sde 井径比为 25 23 07 0 6275 1 d d n e 6263 0 75 162 360024302102 3 2 3 2 e r r d tC T 40 2 25 234 125 233 25 23ln 125 23 25 23 4 13 ln 1 2 2 2 2 2 2 2 2 n n n n n F n 间距155cm 60 所以径向固结度为 6 8711 4 2 6263 0 8 8 eeU nF T r R 袋装砂井处理该地基的平均固结度为 5 90 1 1 1 rV vrUUU 3 2 4 3 砂井底部以下部分固结度计算 砂井底部以下 12 6m 范围内均为中粗砂 且为双面排水 由于砂排水很快 两个月后沉降早已完成 这部分的沉降在工后沉降中可不用考虑 最终施工参数确定为 袋装砂井直径 7cm 袋装砂井长 15m 间距 排距 1 4m 1 3m 每排袋装砂井数 24 25 根 砂垫层厚度 50 cm 3 2 5 袋装砂井的施工 袋装砂井的施工流程 平整场地初压放样桩机就位振动沉管 投料振动拔管继续投料反插复打 扩桩 挤密成桩 3 2 6 袋装砂井的施工 1 应按规定做好砂的质量控制 抽查砂袋的物理力学性质的缝制尺寸 2 施工所用钢套管的内径宜略大于砂井直径 以减少施工进程中对地基 土的扰动 3 套管上应划出控制标高的刻划线 以保证砂井打入长度符合设计要求 当拔套管将砂袋带出长度约大于 0 5m 时 必须重新补打 4 砂袋应防止扭结 缩颈 断裂和磨损 砂袋灌制要饱满密实 5 袋装砂井施工允许偏差按表 3 1 的要求 表 3 1 袋装砂井施工允许偏差 序号项目允许偏差 1井位 纵横向 50mm 2井深符合设计要求 3井身垂直度1 5 4砂袋直径 5mm 5砂袋埋入砂袋层长度 100 mm 0 3 3 CFG 桩复合地基法 3 3 1 概述 CFG 桩是英文 Cement Fly ash Grave 的缩写 意为水泥粉煤灰碎石桩 由 碎石 石屑 砂 粉煤灰掺水泥加水拌和 用各种成桩机械制成的可变强度桩 通过调整水泥掺量及配比 其强度等级在 C5 C25 之间变化 是介于刚性桩与柔 性桩之间的一种桩型 CFG 桩和桩间土一起 通过褥垫层形成 CFG 桩复合地基 共同工作 故可根据复合地基性状和计算进行工程设计 CFG 桩一般不用计算 配筋 并且还可利用工业废料粉煤灰和石屑作掺和料 进一步降低了工程造价 CFG 桩的适用范围很广 在砂土 粉土 粘土 淤泥质土 杂填土等地基 均有大量成功的实例 CFG 桩对独立基础 条形基础 筏基都适用 CFG 桩加固软土路基 桩和桩间土一起通过褥垫层形成 CFG 桩复合地基 如图 3 2 所示 其加固软弱地基主要有三种作用 1 桩体作用 2 挤密作用 3 褥垫层作用 1 桩体作用 CFG 桩不同于碎石桩 是具有一定粘结强度的混合料 在荷载作用下 CFG 桩的压缩性明显比其周围软土小 因此基础传给复合地基的附加应力随地基的 变形逐渐集中到桩体上 出现应力集中现象 复合地基的 CFG 桩起到了 桩体 作用 2 挤密作用 CFG 桩身具有一定的粘结强度 在垂直荷载作用下桩身不会出现压胀变形 桩承受的荷载通过桩周的摩阻力和桩端力传到深层地基中 CFG 桩采用振动沉 管法施工 对土体产生振动和挤压 使土得到 挤密作用 使加固后桩土的力 学性能大为改善 从而使复合地基的承载力显著提高 3 褥垫层作用 基础 褥垫层 桩 土层 图 3 2 CFG 桩复合地基示意图 3 3 2 CFG 桩复合地基工程特性 1 承载力提高幅度大 可调性强 CFG 桩桩长可以从几米到 20 多米 并且可全桩长发挥桩的侧阻力 桩承担 的荷载占总荷载的百分比可在 40 75 之间变化 使得复合地基承载力提高幅 度大并且具有很大的可调性 当地基承载力较高 荷载又不大时 可将桩长设 计得短一点 荷载大时可设计得长一些 特别是天然地基承载力较低而设计要 求的承载力较高时 用柔性桩复合地基一般难以满足设计要求 CFG 桩复合地 基则比较容易实现 2 适应范围广 对于基础形式而言 CFG 桩既适用于条形基础 独立基础 也可用于筏基 和箱形基础 就土性而言 CFG 桩可用于填土 饱和及非饱和粘性土 既可用 于挤密效果好的土 又可用于挤密效果差的土 当 CFG 桩用于挤密效果好的土时 承载力的提高既有挤密分量 又有置换 分量 当 CFG 桩用于不可挤密土时 承载力的提高只与置换作用有关 3 刚性桩的性状明显 对柔性桩 特别是散体桩 如碎石桩 砂石桩 它们主要是通过有限的桩 长 6 10 d 传递垂直荷载 当桩长大于某一数值后 桩传递荷载的作用已显 著减小 CFG 桩像刚性桩一样 可全桩长发挥侧阻 桩落在好的土层上时 具 有明显的端承作用 4 桩体的排水作用 CFG 桩在饱和粉土和砂土中施工时 由于沉管和拔管的振动 会使土体产 生超孔隙水压力 较好透水层上面还有透水性较差的土层时 刚刚施工完的 CFG 桩将是一个良好的排水通道 孔隙水将沿着桩体向上排出 直到 CFG 桩体 结硬为止 这样的排水过程可延续几个小时 5 时间效应 利用振动沉管机施工 将会对周围土产生扰动 特别是对灵敏度高的土 会使结构破坏 强度降低 施工结束后 随着恢复期的增长 结构强度会有所 恢复 6 复合地基变形小 复合地基模量大 沉降量小是 CFG 桩复合地基的重要特点之一 3 3 3 CFG 桩复合地基设计计算 3 3 3 1 确定桩径 桩径取决于设计时所选用的施工设备 一般设计桩径为 350 600mm 设计 中定为 500 mm 3 3 3 2 确定桩间距 一般桩间距 s 3 5 d 桩间距的大小取决于设计要求的复合地基承载力 和变形 土性与施工机具 在桩长 桩径确定后 计算桩间距之前需确定天然 地基承载力标准值 计算单桩承载力和计算复合地基承载力标准值 k f k R ksp f 3 3 3 3 确定桩长 从地质条件和土的物理力学指标可以看出 路堤标高 15m 以下为砂粘土 厚度为 12m 是较理想的桩端持力层 设计时把 CFG 桩端落在这一层上 桩长 l 初步确定为 15m 3 3 3 4 确定天然地基承载力 由路堤标高可以看出 路堤基底落在亚粘土层 层 该层承载力标准值 为 90 kPa k f 3 3 3 5 计算单桩承载力 查文献 13 中的附表 1 确定各土层 CFG 桩的极限侧阻力标准值 亚粘土 50 kPa 软土 20 kPa 粘土 66 kPa 桩端落在中粗砂 层上 极限端阻力标准值取 2000 kPa 单桩承载力标准值可按式 3 1 计算 KAqhqUR ppkisikpk 3 3 式中 CFG 桩单桩承载力标准值 kN k R p U 桩的周长 m sik q 第 i 层土与土性和施工工艺有关的极限侧阻力标准值 kPa i h 第 i 层土厚度 m pk q 与土性和施工工艺有关的极限端阻力标准值 kPa K 安全系数 取 2 0 p A CFG 单桩截面面积 m 2 m57 1 5 015 3 d p U 2 2 m196 0 4 d Ap k R709 7kN 0 196 2 2000 6 4 66 6 6 20 2 50 1 57 3 3 3 6 计算复合地基承载力标准值 复合地基承载力标准值可由下式 3 4 计算 ksp f k P k ksp fm A R mf 1 3 4 式中 复合地基承载力标准值 kPa ksp f k f 天然地基承载力标准值 kPa m 面积置换率 p CFG 单桩截面面积 m 2 桩间土提高系数 为加固后桩间土承载 k ksp f f k f 力标准值 取 1 0 桩间土强度发挥系数 宜按地区经验取值 无经验时可取 0 75 0 95 取 0 9 k R CFG 桩单桩承载力标准值 kN 桩间距初步设为 1 4m 布桩形式采用正方形 2 2 4 s d Ae A m P 式中 CFG 单桩截面面积 m p A2 e A CFG 单桩影响面积 m 2 0 10 1 4 0 196 1 4 m ksp f kPa 435 0 90 0 1 1 0 9 1 0 0 196 709 7 0 10 3 3 3 7 褥垫层厚度及材料的选用 褥垫层技术是 CFG 桩复合地基的一个核心技术 复合地基的许多特性都与 褥垫层有关 褥垫层有如下作用 1 保证桩 土共同承担荷载 刚性桩复合地基通过设置褥垫层 在上部荷载作用下 桩体一定程度 刺 入 褥垫层中 使桩间土充分发挥作用 保证桩 土共同承担荷载 如不设置 褥垫层 在桩体沉降很小的情况下 上部荷载主要由桩体本身承担 与桩基可 作用机理相近 桩间土不能充分发挥作用 2 调整桩 土应力比 随着褥垫层厚度的增加 复合地基桩 土应力比变小 直至接近于 1 3 减少基础底面的应力集中 当不设褥垫层或褥垫层较薄时 桩对基础的应力集中很显著 需要考虑桩 对基础的冲切破坏 当褥垫层厚度大到一定程度时 基础反力接近于天然地基 的反力分布 已不存在基础底面的应力集中 无需考虑桩对基础的冲切破坏 4 调整桩 土水平荷载的分担 刚性桩复合地基不设置褥垫层时 水平荷载主要由桩来分担 随着褥垫层 的设置和增厚 桩枯承受的水平荷载逐渐减小 当褥垫层厚度大到一定程度时 水平荷载主要由桩间土来承担 这样桩体发生水平折断的可能性就很小 在复 合地基中失去工作能力的机会就很小 褥垫层的合理厚度为 50 60cm 一般为路基填高的 10 20 褥垫层材料 宜采用中砂 粗砂 级配碎石或碎石等 最大粒径不宜大于 30cm 本设计中褥 垫层厚度取 50cm 褥垫层材料采用中砂 最终施工参数确定为 CFG 桩直径 500mm CFG 桩长 15m 间距 排距 1 4m 1 4m 每排 CFG 桩数 22 23 根 褥垫层厚度 50cm CFG 桩处理软土路基的布置图见附录 B 02 号图纸 3 3 4 CFG 桩复合地基的施工 3 3 4 1 施工准备 1 核查地质资料 结合设计参数 选择合适的施工机械和施工方法 2 测量放样 平整场地 清除障碍物 3 选用的水泥 粉煤灰 碎石及外加剂等原材料应符合设计要求 并按相 关规定进行检验 4 按设计要求进行室内配合比试验 选定合适的配合比 5 施工前进行成桩工艺试验 确定施工工艺和参数 试桩数量应符合设计 要求且不得少于 2 根 3 3 4 2 施工方法 CFG 桩常用的施工方法有振动沉管灌注施工法和长螺旋钻管内泵压混合料 灌注施工法 本设计中拟用振动沉管灌注施工法 下面只介绍这种施工方法 1 机械按设计桩位就位 2 振动沉管至设计深度 沉管过程中每沉 1m 计录电流表电流一次 并对 土层变化处予以说明 3 用搅拌机拌合水泥 粉煤灰 碎石混合料 检查其坍落度 坍落度 拌 合时间应按工艺性试验确定的参数进行控制 且拌合时间不得小于 1min 4 拔管速率应按试桩确定参数进行控制 拔管过程中不允许反插 如上 料不足 须在拔管过程时空中加料 不允许停拔再投料 拔管至桩顶 施工桩 顶标高宜高于设计标高 50cm 浮浆厚度不超过 20cm 5 桩顶采用湿黏土封顶 6 机械移位 7 施工流程如图 3 5 所示 图 3 5 CFG 桩振动沉管灌注施工流程图 3 3 4 3 施工控制 1 原材料的控制 原材料是否合乎技术规范要求 直接影响桩体质量的 好坏 因此 必须严格控制原材料的质量 碎石必须满足 5 40 mm 的连续级 配要求 黄砂必须满足 区中砂要求 含泥量 3 水泥宜采用 3215 级以上 普通硅酸盐水泥 粉煤灰质量标准应达到二级以上 烧失量 8 2 配合比的控制 施工前应按设计要求由试验室进行配合比试验 施工 时按配合比配制混合料 长螺旋钻孔 管内泵压混合料成桩施工的坍落度宜为 160 200mm 振动沉管灌注成桩施工的坍落度宜为 30 50mm 振动沉管灌注成 桩后桩顶浮浆厚度不宜超过 200mm 3 沉管垂直度的控制 垂直度是衡量 CFG 桩质量的一个重要指标 一般 要求桩倾斜度 l 若倾斜度过大 势必减小有效桩长 同时更影响桩体的受力 情况 满足不了既定桩体承载力的要求 因此 CFG 桩施工前 应对作业面进行 平整 对桩位及高程进行测量放样 桩管套入的预制钢筋混凝土尖或桩管下端的 活瓣尖在下沉前 其轴线与桩管轴线应竖直一致并处于桩孔中心 这一点可在塔 架上端悬挂一测锤进行校核 同时成孔设备就位后 必须平正 稳固 确保在施 工中不发生倾斜移动及 CFG 桩的垂直度 4 控制拔管的速度 实践表明 拔管速度控制在 112 115 m min 是最 适宜的 应该指出 这里的拔管速度不是指平均速度 除启动后留振 5 10 秒钟之外 拔管过程中不再留振 也不得反插 5 桩距 桩长的要求 试验表明 在其它条件相同时 桩距越小 复合 地基承载力越大 当桩距小于 4 倍桩径时 随桩距的减小复合地基承载力的增 长率明显下降 从发挥桩 土作用考虑 桩距大于 4 倍桩径较适宜 桩距的大 小也与土性有关 通常若土的挤密性良好 则桩距可小一些 设计桩顶标高离地表的距离不大时 15 m 保护桩长取 50 70 cm 桩顶 标高离地表的距离较大时取 70 100 cm 6 控制合理的褥垫层厚度 褥垫层材料多为级配砂石 碎石最大粒径一 般不超过 3 cm 粗砂或中砂等褥垫层厚度一般为 10 30 mm 由设计给定 虚 铺后多用静力压实 当桩间土含水量不大时 亦可夯实 当桩间土含水量较大 特 别是灵敏度较高的土 要注意施工扰动对桩间土的影响 以免产生橡皮土 褥垫 层宽度比基础宽度要大 其宽出的部分不宜小于褥垫层的厚度 7 控制跳打施工 在饱和软土中成桩 桩机的振动力较小 但当采用连打 作业时 由于饱和软土的特性 新打桩将挤压已打桩形成椭圆或不规则形态 产生 原 地 面 处 理 测 量 放 样 沉 管 机 就 位 下 沉 至 设 计 深 度 停 机 混 合 料 入 管 均 匀 拔 管 至 桩 顶 沉 管 机 移 位 严重的缩颈和断桩 此时 应采用隔桩跳打施工方案 跳打应在相邻成型的桩达 到设计强度的 60 以上时进行 对松散性和流态淤泥质土 不宜多振 以边振边 拔为宜 而在饱和的松散粉土中施工 由于松散粉土振密效果好 打桩施工后土 体密度会显著增加 而且桩打的越多 土的密度越大 在补打新桩时加大沉管难 度 非常容易造成已打桩断桩 此时 隔桩跳打不宜采用 当整面布桩时不宜从 四周向内推进 须从中心向外或从一边向另一边推进施工 但仅凭打桩顺序的改 变不能完全避免新打桩的振动对已打桩产生影响 应采用螺旋钻引孔的方案 避免新打桩的振动造成已打桩的断桩 此外 还应注意 1 冬期施工时混合料人孔温度不得低于 5 对桩头和桩间 土应采取保温措施 2 清土和截桩时 不得造成桩顶标高以下桩身断裂和扰动桩间土 3 3 5 CFG 桩复合地基质量检验 施工质量检验主要应检查施工记录 混合料坍落度 桩数 桩位偏差 褥 垫层厚度 夯填度和桩体试块抗压强度等 水泥粉煤灰碎石桩地基竣工验收时 承载力检验应采用复合地基载荷试验 水泥粉煤灰碎石桩地基检验应在桩身强度满足试验荷载条件时 并宜在施 工结束 28d 后进行 试验数量宜为总桩数的 0 5 1 且每个单体工程的试验 数量不应少于 3 点 并应抽取不少于总桩数的 10 的桩进行低应变动力试验 检测桩身完整性 3 4 两种软基处理方案的技术比较 3 4 1 工期方面 袋装沙井需要的排水固结时间长 对于施工工期要求短施工紧张的路段不 适用尤其现在的客运专线要求工期比较紧张 而 CFG 桩则能在较短时间内达到 所需强度满足施工要求 3 4 2 沉降量方面 砂井沉降量远大于搅拌桩 一般达到搅拌桩沉降量的 2 倍以上 在当前工 程建设对工后沉降要求越来越高的情况下 特别是客运专线 高速铁路 砂井 是无法满足的 而 CFG 桩则能满足工后沉降的要求 3 4 3 造价方面 CFG 桩和袋装砂井加固软土地基对的方法都要使用成孔机械 所以在机械 使用方面 两种方法造价差不多 3 4 4 比选结论与最终方案选择 1 在当前工程建设周期短 见效快的建设指导思想下 对工期的要求越来 越高 CFG 桩加固软土地基无疑是一种比较好的方法 2 对工后沉降要求严格的工程 在资金条件允许的情况下 应优先选择 CFG 桩加固软土路基 3 袋装砂井加固软基造价最便宜 但其要求的工期长 在工期不受限制 的条件下 可以考虑采用 本设计为铁路客运专线软基路堤设计 工后沉降要 求十分严格 需控制在 5cm 之内 且工期需尽量缩短 综合各个因素考虑 本 设计中选用 CFG 桩加固软土路基 第 4 章 边坡稳定性检算 4 1 稳定影响因素 因软土地基松软 在软土地区修筑路堤 可能会产生各种破坏现象 如施 工期发生路堤开裂 坍滑 施工及运营期间出现长期不断的路堤下沉 或突然 大量的下降 滑移等现象 这主要是由于地基中土体应力状态发生变化 在土 体自重及外荷载作用下 土坡丧失其原有稳定性 一部分土体相对另一部分土 体产生移动 这种现象称为失稳 土坡在发生滑动之前 通常在坡顶首先出现 明显的裂缝 坡脚附近的原地面则有较大的侧向位移并微微隆起 随着坡顶裂 缝开展和坡脚侧向位移的增加 部分土体突然沿着某一滑动面急剧下滑 造成 工程事故 决定软土地基稳定的因素有很多方面 不仅取决于路堤的断面形式 填土 高度 加荷速率 地基土性质 而且与软土成因类型 地层成层情况 地层经 历历史等有关 软土地基稳定分析的方法较多 由于均质软土路基的滑动多呈 弧形滑面 多采用圆弧法进行检算 圆弧滑动面法在路堤中应用最多的是条分 法 4 2 条分法原理 条分法为检算设计断面路堤边坡的稳定性 可在路堤体内作假想的圆弧滑 动面 检算土体的稳定安全系数 当滑动面为圆弧面时 应先求得作用在圆弧 面上各点的抗滑力和下滑力 因圆弧面上各点的抗滑力和下滑力均切于圆弧面 以极限平衡理论作稳定分析时 便可用圆弧面上各点的抗滑力矩之和的比值来 确定检算滑动面上的土体的稳定性 条分法就是为了实现上述的检算要求而提 出来的 具体做法是把滑动面以上的土体 分为许多竖直条 为了保证检算的 精度 土条宽应不大于 2 4m 在分条确定后 便可按各分条的断面面积 以 纵向延长为 1m 求体积 根据已知路基土的密度求各分条的重量 作通过重 i Q 心的垂线和圆弧段相交 求交点切线与水平面的夹角 便可得出土条在该圆 i a 弧面段的法向分力和切向分力以及圆弧面段土的计算指标和 取圆弧 i N i T i i c 面段的段长为 则抗滑力为 将各土条圆弧面上土的抗滑力与下 i ltan iii i Ncl 滑力分别乘以对滑动圆弧圆心的力臂 可得表示滑动面上土体稳定性的稳定 R 安全系数为 K 4 1 n i nn iiii T lcN K 1 11 tan 公式 4 1 是条分法稳定检算的基本公式 当通过圆心的铅垂线可把滑动圆 弧面分为两部分时 在圆心垂线外侧部分的圆弧面上 其土条的切向分力和半 径相乘形成的力矩 因切向分力的作用方向与滑动力方向相反而成为抗滑力 R 矩 所以 在符合以上情况时 式应改写成下式 n i nnn n iiiii T TlcN K 1 11 tan 4 2 式中 切向分力为负值的各条分号 n n i T 圆心垂线外侧分条的切向分力 以条分法作边坡稳定检算时 为求得设计边坡的最小稳定安全系数 需进 行大量的试算才能得出 在以圆弧滑动面法作边坡稳定检算时 第一要寻求危 险圆弧滑动面在路堤横断面形成的部位 第二要寻求与危险圆弧滑动面形成部 位相应的圆心点的规律 圆弧滑动面形成和许多因素有关 可参考经验 双线 路基的危险圆弧端点在填料强度较高时会向两线的中部移动 危险圆弧的半径 与地基良好与否和路堤填料性质有关 这在下面有说明 4 3 稳定检算 4 3 1 计算参数取值 本路段路堤填土高度 6m 填土容重 19kN m3 换算土柱容重 19kN m3 粘 聚力为 0 摩擦角 35 换算土柱宽度 2 8m 高度 3 4m 基床表层和基床底层 填土容重在实际工程中是不同的 设计计算中统一按 19kN m3 计算 计算所得 到的稳定系数偏于保守 但对于运营后路基稳定只有好处没有坏处 假设滑弧 通过边坡坡脚 4 3 2 确定滑弧圆心位置 确定滑弧圆心位置 按 线法 确定滑弧圆心位置 经验证明 从换算 36 土柱的顶缘直接引一条与水平面成的直线为检算圆心的轨迹线 常称线 36 36 其绘法如图 4 1 所示 图 4 1 360线法示意图 360 具体做法是 沿坡顶直接引 一条与水平面成 36 的直线 假设该条直线为 检算圆心的轨迹线 然后连接坡脚与假定破坏点 再作该条连线的垂直平分线 使其与 36 圆心轨迹线相交 交点即为破坏滑弧圆心 连接圆心与假定破坏点 以连线长度为半径做圆 即得到了滑动圆弧 4 3 3 划分土条 以通过划弧圆心的铅垂线为基准线 向两侧以 1m 为宽度划分土条 划分至 滑弧两端后 如果剩余土条宽度不足 1m 就仍划分为一个土条 由于破坏点所 在位置对土条划方式分影响不大 见图 4 2 图 4 2 条分法 4 3 4 稳定性计算 在解题时可将土柱重量单独计算 视其为独立土条 与其它土条同样计算 其结果见表 4 1 表 4 1 边坡稳定检算 条分法 数据表 倾角函数下滑力 i kN m T抗滑力 kN m 分 条 号 分条 面积 2 m 分条 重量 k N m x msin i cos i isini Q isini Q icosi Q fcos iii Q 10 030 61 140 0710 10 6 20 5610 60 50 030 990 310 5 31 2323 40 50 030 9924 9223 2 41 84351 50 090 993 234 7 52 3945 52 50 140 996 445 62 8954 93 50 190 9810 453 8 73 3363 24 50 240 9715 261 3 83 7070 35 50 290 9620 467 5 94 0076 16 50 340 9425 971 5 103 8372 97 50 390 9228 467 113 3363 38 50 440 927 857 122 7552 39 50 490 8725 645 5 132 0739 410 50 530 8520 933 5 141 2924 511 50 570 821420 1 152 5247 812 80 60 828 738 2 Tan35o 629 4 440 7 251 820 4629 4 440 7 根据公式 4 2 最后得 75 1 82 251 4 0 7 440 K 借助于最危险圆心辅助线 用上述检算方法 可求出圆心辅助线上 4 个圆 心 O1 O2 O3 O4 相应的稳定系数 用同一比例尺作 K1 K2 K3 K4 垂直圆 心辅助线 得四点联成 K 曲线 作圆心辅助线的平行线切 K 曲线与一切点 切 点处作圆心辅助线的垂直 其长度即为 Kmin 与圆心辅助线的交点 O 即为最危 险圆弧的圆心 其所对应的圆弧为最危险圆弧 4 4 稳定计算的结论 规范要求的稳定安全系数为 1 15 通过验算一个稳定安全系数远大于要求 值 就代表其他也满足 故忽略不算 因此 通过设置护堤 挡土墙 抗滑桩 及其他加固措施 可以提高路基稳定性 第 5 章 软土地基沉降量计算 5 1 地基沉降概述 软土地区路堤的沉降主要由地基沉降造成 地基沉降量的大小与地基土的 性质 路堤修筑引起的附加应力大小等因素有关 地基沉降一般用分层总和法 进行分析计算 5 2 分层总和法简介 5 2 1 分层总和法基本原理 分层总和法是目前最常用的地基沉降计算方法其基本原理为 1 分别计算基础中心点下地基中各分层土的压缩变形量 Si 认为基础的 平均变形量 S 等于 Si 的总和 即 i n i SS 1 5 1 2 计算 Si 时假设土层只发生竖向压缩变形 没有侧向变形 因此可用上 式计算 5 2 2 分层总和法计算步骤 1 在地质剖面图上绘制基础中心下地基中的自重应力分布曲线和附加应力 分布曲线 自重应力分布曲线由天然地基底面算起 基底压力 p 由有作用于基 底上的荷载计算 2 确定计算深度 亦称受压层深度 对于一般建筑物按下列经验公式计算 深度 Zn 为 BBZnln4 05 2 5 2 式中 B 基础宽度 m 需要注意的是 如果在确定计算深度以下尚有压缩性较大的土层时 沉降 应继续算到该土层地面为止 3 确定沉降计算深度范围内的分层界面 沉降计算深度范围内压缩性不同 的天然土层的界面均应取为沉降计算分层面 地下水面上下 土的容重不同 也应取为界面 这是不言而喻的 此外 由于附加应力随深度变化是非线性的 为避免沉降计算产生加大误差 分层厚度不宜过大 一般要求分层厚度不大于 基础厚度的 0