软土路基加固与监测技术研究毕业论文.doc

南昌工程学院 NanChang Institute Of Technology 专 科 生 毕 业 设 计 论 文 论文题目 路软土地基加固与监测技术研究 学 生 学 号 指导老师 专 业 学 院 二零一二年六月 南南 昌昌 工工 程程 学学 院院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 一 毕业设计一 毕业设计 论文论文 题目 题目 公路软土地基加固与监测技术研究 二二 毕毕业业 设计设计 论文论文 使用的原始资料使用的原始资料 数据数据 及技术要求 及技术要求 1 1 课题原始资料 课题原始资料 1 工程名称 德昌高速公路 D10 标软土地基加固 2 建设地点 上饶地区 3 工程规模和技术方案 德兴至南昌高速公路全线采用双向四车道高速公路标准 路基宽 26 米 设计行车速度为 100KM h 沥青混凝土路面 汽车荷载等级为公路 I 级 设计洪水频率 特大桥 1 300 路基和其它桥涵 1 100 德昌高速公路软基 D 段软基试验段工点设计方案为 试验段里程共 300m 其中 150m 为粉喷桩处理试验段 150m 为 CFG 桩处理试验段 为了对比加固效果 试验段 对梁种加固方式的地基进行了加固效果检测和过程监控 2 2 技术要求 技术要求 课题要求学生独立完成某高速公路软土地基的加固方案的编制 包括软基 处理方案的措施 软基沉降的监测方法等 通过该课题的研究 使同学们对 软土地基的加固方法有所了解 知道每种软基加固方法的使用范围 每种加固方 法的优缺点等 同学们通过研究应该知道软基监测的重要性 知道监测数据的处 理方法和应用等 三三 毕毕业业 设计设计 论文论文 工作内容及完成时间 工作内容及完成时间 1 1 工作内容 工作内容 1 通过查阅资料 了解目前国内外公路软基处理的方法 以及每种加固软基的方 法适用范围 知道每种软基加固效果的优点和不足 了解软基处理和监测方法的发展动 态和最新的研究方向 2 根据任务书给定的公路软基地质情况和公路的等级 合理选择软土地基 的加固方法 如可以采用水泥搅拌桩加固软土 也可以选用水泥粉煤灰碎石桩加 固 CFG 桩 方法 3 对加固的软基进行地表沉降观测和数据处理 沉降观测的方法有沉降板 法 也有光纤传感器自动监测方法 同学们可以任选一种方法进行研究 4 对所采用的软基加固方法进行评价 主要是加固效果如地表沉降 孔隙 水压力消散 桩土复合地基的承载力 以及桩与土的应力分担等 2 2 进度及完成时间 进度及完成时间 本毕业设计可根据学生对专业知识掌握的熟练程度 可分为 4 个阶段进行 共 10 周 时间为 2012 年 4 月 9 日 2012 年 6 月 22 日 时间可根据实际情况进行调整 1 第一阶段 2 周 时间为 2012 年 4 月 9 日 2012 年 4 月 22 日 结合毕业实习了解该课题项目所涉及的范围 在毕业实习期间注意收集相关资料 熟悉公路工程软土地基施工等方面的技术规范 标准等 了解该课题国内外研究的最新 动态 2 第二阶段 2 周 时间为 2012 年 4 月 23 日 2012 年 5 月 6 日 根据课题项目的软土地质情况和工期要求 选定施工加固方案 也可以进行多方案 比选 选择一种较为适合该项目的软土地基加固方案 3 第三阶段 2 周 时间为 2012 年 5 月 7 日 2012 年 5 月 20 日 对所选的软土地基加固方案进行分析 从理论上解释其加固软土的机理 分析加固 后的复合地基强度形成过程 4 第四阶段 2 周 时间为 2012 年 5 月 21 日 2012 年 6 月 3 日 加固软土地基过程中及施工完成后 采用何种监测方法来监测软土地基的变形 以 确保路堤施工安全和确定路面加载时机 对监测数据进行加工处理和分析 预测工后沉 降是否符合规范要求 第五阶段 2 周 时间为 2012 年 6 月 4 日 2012 年 6 月 22 日 编制课题总说明 完善毕业设计有关内容 撰写毕业设计摘要 定稿及装订 四四 主主 要参考资料 要参考资料 1 交通部标准 公路工程质量检验评定标准 JTG F80 1 2004 人民交通出版社 2004 年 2 建筑地基基础设计规范 GB 5007 2002 3 建筑地基处理技术规范 JGJ 79 2002 4 公路软土地基路堤设计与施工技术规范 JTJ017 96 人民交通出版社 1996 年 5 交通部 公路路面基层施工技术规范 人民交通出版社 2000 年 6 交通部标准 公路路基施工技术规范 人民交通出版社 2000 年 7 交通部标准 公路沥青路面施工技术规范 人民交通出版社 2000 年 5 其他相关技术规范 土木与建筑工程学院土木与建筑工程学院 道路与桥梁工程道路与桥梁工程 专业 0909 道桥道桥 班 学生 姜 淳 吴 楠 武 禄 禄 黎 海 建 日期 自 2012 年 4 月 9 日 至 2012 年 6 月 22 日 指导教师 张 鸿 助理指导教师 并指出所负责的部分 教研室 道路与桥梁工程 教研室主任 目录 摘要摘要 5 ABSTRACT 6 第一章第一章 绪论绪论 7 1 1 软土的定义 7 1 2 软土沉积的环境 8 1 3 国内外研究现状 9 第二章第二章 软土地基软土地基 12 2 1 软土地基的物理力学特性 12 2 2 软土处理的目的和意义 12 2 3 软土地基的危害 13 2 4 软土处理的一般原则 14 第三章第三章 软土地基加固方法软土地基加固方法 15 1 软土地基加固方法 15 2 适用范围 17 第四章第四章 路基沉降及验算路基沉降及验算 19 4 1 沉降的一般规律 19 4 2 沉降计算 20 4 3 沉降系数的影响因素 23 第五章第五章 德昌高速公路加固方案德昌高速公路加固方案 25 方案一 粉喷桩加固处理 25 方案二 CFG 桩加固处理 29 第六章第六章 监测分析监测分析 32 第七章第七章 结论结论 42 参考文献参考文献 43 公路软土地基加固与监测技术研究 摘要摘要 所谓软土 是指强度低 压缩性较高的软弱土层 多数含有一定的有机物质 由 于软土强度低 沉隐量大 往往给道路工程带来很大的危害 如处理不当 会给公 路的施工和使用造成很大影响 软土根据特征 可划分为 软粘性土 淤泥质土 淤泥 泥炭质土及泥炭五种类型 路基中常见的软土 一般是指处于软朔或者流朔 状态下的粘性土 其特点是天然含水量大 孔隙比大 压缩系数高 强度低 并具 有蠕变性 触变性等特殊的工程地质性质 工程地质条件较差 选用软土作为路基 应用 必须提采取出切实可行的技术措施 一般软基加固方法有 表层处理法 置换法 加载法 竖向排水法等 一般监测方法有 高程测量 表面沉降监测 分层沉降监测 孔隙水压力监测 静力触深 边桩移位监测 水位监测 十字板剪切 沙土密实度等 关键词 软土地基 加固方法 监测方法 Abstract The so called soft soil refers to the low strength high compression of soft soil Most contain some organic substances Due to the soft soil strength low heavy hidden amount is large often to road engineering brings very great harm if processing is undeserved will give the highway construction and the use of great influence According to the characteristics of soft soil which can be divided into soft clay silt silty soil peat soil and peat five types Soft soil roadbed in common generally refers to in the soft moon or flow back under the condition of cohesive soil Its characteristic is the natural water content void ratio high compressibility low strength and high with the creep thixotropy and other special engineering geological characteristics poor engineering geological conditions Selection of soft soil as roadbed application have to take the feasible measures General soft base reinforcement methods are surface treatment method displacement method loading method vertical drain method General monitoring methods are height measurement surface subsidence monitoring settlement monitoring monitoring of pore water pressure static contact deep pile side shift monitoring level monitoring vane shear sandy soil compactness Key words soft soil reinforcement method monitoring method 第一章第一章 绪论绪论 1 1 软土的定义软土的定义 一般而言 软土是指近代水下沉积的饱和粘性土 是淤泥 淤泥质粘土 泥质 粉土 泥炭 泥炭质土等一类土体的简称 广泛分布在我国沿海内陆平原或间盆地 不同地域软土的成因 结构和形态各不相同 但都具有基本相同的物理力学特征 天 然含水量高 天然孔隙比大 渗透系数小 压缩性高 强度低 可呈灵敏性结构 软土作为工程建筑特的地基 由于其承载力低 往往会产生不同程度的坍滑或沉降 陷 具体该如何定义软土 各行业部门如建筑 铁路 公路 港工等 根据行业特 点和习惯 给出的定义或判定条件不尽相同 文献 1 认为软弱土是指淤泥 淤泥质土 充填土 杂填土或其他高压缩性土 其中淤泥是在静水或缓慢流水环境中沉积并经生物化学作用而形成 为天然含水量 大于液限 天然孔隙比大于或等于 1 5 的粘性土 天然含水量大于液限而天然孔隙比 小于 1 5 但大于或等于 1 0 的粘性土或粉土称为淤泥质土 文献 2 中将软土解释为天然含水量大 压缩性高 承载力低的一种软塑到流塑 状的粘性土 如淤泥 淤泥质土 以及其他高压缩性饱和粘性土 粉土等 淤泥和 淤泥质土的特征解释为 在静水或缓慢流水环境中沉积 经生物化学作用而形成的 饱和粘性土 含有机质 天然含水量大于液限 当孔隙比大于 1 5 时称为淤泥 天然 孔隙比小于 1 5 而大于 1 0 时称为淤 泥质土 当土的烧失量大于 5 时 称有机质 土 大于 60 时称为泥炭 文献 3 中将软土定义为 含有大量亲水的胶体颗粒 具有海绵状结构的松散体 其性质为天然孔隙比大 含水量高 透水性小 强度低 压缩性大 文献 4 中对软土给出的定义为 在静水或缓慢的流水环境中沉积 经生物化学作 用形成的饱和软弱粘性土 对软土的主要特征描述为 天然含水量高 接近或大于液 限 孔隙比大 一般大于 1 0 压缩性高 强度低 渗透系数小 文献 5 中定义软土为滨海 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 天然含水量 35 天然孔隙比 1 0 十字板剪 切强度 35Pka 或静力触探总贯入阻力小于 75kPa 文献 6 中将软土定义为天然孔隙比大于或等于 1 0 且天然含水量大于液限的 细粒土 包括淤泥 淤泥质土 泥炭 泥炭土等 其压缩系数大于 0 5MPa 1 不排 水强度小于 30kPa 关于软土定义 除以上所述外还有一些 但大同小异 在此不一一叙述 概而 言之 工程界通常口语称呼的软土指天然含水量高 孔隙比大 压缩性高 承载力 低的土 1 2 软土沉积的环境软土沉积的环境 第四纪全新世是以北半球大陆的冰川融化和由此导致的全球普遍性的海浸为特 征的 由于海平面的大幅度上升 致使原来陆地上的大量细粒物质或者在海中和沿 海沉积 或者在内陆湖泊 河谷及海水漫及的盆地中发生沉积 这个时期沉积的大 部分软土厚度不超过 20m 且通常位于透水性较好的粗粒沉积物之上 但在局部地 区 软土厚度很大 例如在突尼斯 有的软土厚度达 120m 软土的来源主要是岩石的风化产物 因此其成分直接取决于母岩 而软土的沉 积类型 以及它们沉积后的物理化学演化 则与下述的沉积环境有着密切的关系 1 河流相沉积环境 通过河流的搬运作用和沉积作用形成的沉积物称为冲积物 Kukal 1971 年 将 河流沉积环境分为 1 河床 它包括邻近流线的区域 河床边缘的浅滩和沙嘴 2 天然冲积堤 河岸沉积物 它由河床侧向泛滥形成的全部沉积物组成 3 泛滥平原 漫滩沉积物 它包括溢出河床的泛滥期沉积物和河岸沉积物 在河流下游靠近河口处 冲积物可具有很大的厚度和范围 因而常被称为冲积 平原 这类冲积平原的大部分沉积物由高洪水位期间的泛滥平原堆积物组成 并逐 渐过渡到河流三角洲 往往不容易分辨出陆上的和水下的环境 大部分河流沉积物由粗粒土所构成 但在泛滥平原区则有细颗粒沉积物堆积 已报道过的其典型的粒径分布为 砂粒 5 10 粉粒 20 40 粘粒 35 60 泛滥平原沉积物的中间粒径材 d 在 0 005 0 06mm 之间 有机质含 量为 1 10 它们多为含粘粒的悬液搬运 在适宜条件下凝聚沉积 泛滥平原沉积物都具有层理和纹理特性 有时夹细砂层 因此不会遇到很厚的 均匀粘土沉积 例如在密西西比河冲积平原上就有大范围的泛滥平原沉积物 这类 粘土一般经受过干湿周期变化 这种干湿变化引起了诸如干燥 风化 收缩裂缝等 沉积后的变化 因此 当泛滥平原沉积物在每一薄层形成后的几个月内遇到连续于 燥时 它们就并不保持 软 的特性 与泛滥平原粘土不一样 在牛轭湖中沉积的 粘土则是一种河道淤塞沉积物 通常处于正常固结状态 液性指数接近 1 0 牛轭 湖沉积物只是在表面变干 硬壳下的粘土依然很软 以后 硬壳又可被泛滥平原沉 积物所覆盖 软土层仅在重力作用下固结 因此 牛轭湖沉积物是埋在硬粘土和粉 土下的高压缩性土 2 湖相和冰湖相环境 湖相沉积物不仅含有碎屑物质 而且在很多情况中还含有大量的化学成因物质 碳酸盐 蒸发盐 和生物成因物质 淤泥 腐殂泥等 湖通常按照其中存在的氧气 和养料的数量分为三类 1 微营养的湖 2 营养丰富的湖 3 缺乏营养的湖 在微营养的湖 即含氧很多但含养料很少的湖 中碎屑物质占绝大多数 其粒径 分布很大程度上由湖水动力条件 湖底的形状和深度 以及外界地形的起伏和支流 对沉积物质的输送等决定 在湖相沉积物中通常含有相当多的粘土 不过湖边缘处 的沉积物质 般是较粗的粒料 冰湖相沉积物常常主要由含粉粒的浅色土层和含粘土的深色土层交替组成 具 有这种层理的粘土沉积物称为纹泥 一层纹泥相当于一年的沉积 即由夏季沉积的 粉土和冬季沉积的粘土组成 夏季沉积的上层平均约有 80 的粒径大于 2um 而冬 季沉积的含粘土很多的土层平均有 80 左右的粒径 JxT 2gm 在不再与冰川沿接触的冰后期冰湖中 悬浮的沉积物质大大减少 一般少于 o 1g L Quigley 1979 年 指出在这种情况下 水流作为溢流和混合流进入冰湖 而高密度的底流仅作为水下崩塌的产物或在洪水冲刷期间发生 这种沉积物的沉积 作用是全年发生的 粉土和细砂在夏季沉积 粘土则在冬季沉积 1 3 国内外研究现状国内外研究现状 近 年来 国外的地基处理技术发展的十分迅速 老方法得到改进 新方法 不断涌现 在 世纪 年代中期 从如何提高土的抗拉性质这一思路上 发展 到土的加筋法 从如何有利于土的排水和排水固结这一基本观点出发 发展到了土 工合成材料 砂井预压和塑料排水带 从如何进行深层密实处理的方法考虑 采用 加大击实工的措施 发展到了强夯法和振动水冲法等 另外 国外现代工业的发展 对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 潜水电 机的出现 带来了振动水冲法中振动器等施工机械 真空泵的问世 建立真空预压 法 生产了大于 MPa 气压的空气压缩机 从而产生了高压喷射注浆法 目前地基处理已成为土力学与岩土工程领域的一个主要分支学科 国际土力学 与岩土工程协会下有专门的地基处理学术委员会 中国土力学与岩土工程协会 1984 年成立了地基处理学术委员会 并于 1986 1989 1992 1995 2000 年分别召开了 六届地基处理学术讨论会 1988 编著出版了 地基处理手册 1990 又开始出版了 地基处理 杂志 提供了推广和交流地基处理新技术的园地 我国建设部已颁发 了 建筑地基处理规范 JGJ79 91 交通部 1997 年颁发了 公路软土地基路堤 设计与施工技术规范 对公路工程中软土地基处理设计 施工起到了重要的指导作 用 此外 对湿陷性黄土 膨胀土等也已出版了相应的规程 总之 地基处理已成 为土木工程建设中的热点之一 它已得到工程勘测 设计 施工 监理 教学 科 研和管理部门的重视 地基处理技术的进步已产生了巨大的经济效益和社会效益 我国的地基处理水平总体上已处于国际先进水平 一 软土地基加固处理的现状 软土地基加固就是将低承载能力和大 压缩性的原装土加固到足以承担地基所需的强度和施工后沉降要求 又是为了较小 地基的渗透性 为了达到上述目的 通常有二类方法 一类是对天然地基土进行土 质改良 另一类是在天然地基中插入 也包括置换 采性较好的材料 如砂石 土 工合成材料 混凝土 钢管等 土质改良的方法又可以分为下述几类 预压使软粘 土产生排水固结 振密 挤密松散土体 灌入固化物使之与天然地基土体形成复合 土体 如水泥 冻结或烧结天然地基土体以改善其物理力学性质 由各种地基处理方法获得的人工地基可以分为两类 一类是对天然地基土体全 部惊醒改良 如预压 排水固结 法 强夯法 原位压实法 换填法 另一类是形 成复合地基 它可以可以由复合土与天然地基土形成 如低强度桩复合地基法 树 根桩复合地基 也可以由插入的塑料与得到改良 如挤密 的天然土体形成 如振 冲挤密碎石桩复合地基 软土地基加固方法主要有换填土法 排水固结预压法 强 夯法 砂石桩法和搅拌桩法等 二 软土地基处理的心技术 高压水切割消瘀 水渠 水塘 河道的底部大多都有一定厚度的浮泥 如不清除会使路堤处产生 渗透差别 而严重阻止空隙水排出 延长固结时间 并对周围地基抗滑稳定性起到 破坏作用 况且淤泥中的有机质经分解后 部分产物以沼气形式泄出会使路堤下沉 加大工后沉降 因此 这些浮泥必须清除干净 高压水切割清淤法是用高压喷射水 枪沿水平方向切割浮泥 形成泥浆后 再用泥浆泵抽到堆放的低洼处 此种方法质 量可靠 施工简单 效率高 易于推广 薄层轮加法填筑路堤 薄层轮加法不是采用把预压划分为几级的方法 而是充分利用每次填土后地基 强度的增长 根据沉降 位移等观测数据确定填土速率和停歇时间 时间证明 该 方法一方面增加了路堤施工的稳定性 同时也争取了更多的预压时间 是一种经济 实用 合理的科学施工方法 该方法首先要确定路基的极限填土高度 在极限填土高度以下可以采取较快的 填土速度 在极限填土高度以上 为了确保路堤的稳定 应适当放慢加载速度 在 施工中着重控制侧向位移速率 使侧向位移速率基本在允许范围内变化 该施工法 的关键是要保证准确连续的动态观测 通过观测数据的分析 掌握路堤在施工中的 变动态 确定合理的控制标准来控制填土速度 以保证是施工的安全稳定 CFG 桩 近年来 复合地基理论的研究和发展较快 一些新的桩型 施工设备和施工工 艺应运而生 复合地基可分为两大类 一类是由散体材料 如砂 碎石 土 钢渣 等 组成的桩与天然地基复合 另一类是由水泥与土结合而成的桩与天然地基复合 CFG 桩按其性质属于后者 适用于软土处理且是一种较为经济合理的地基处理方法 砂石桩与低强度混凝土组合型复合地基 散体桩主要靠桩间土的被动约束 特别是桩顶 2 4 倍桩径范围内 桩间土将承 受很大的径向应力 容易使桩体产生膨胀破坏 因而在软弱粘性土中的砂石桩复合 地基承载力难以有效提高 为了改变这种状态 对散体桩复合地基中的部分砂石进 行桩体增强 在砂石桩中增加一定量的 及粉煤灰与少量水泥 使其成为一种 粘结强度较高的半刚性体 由此构成部分散体砂石桩与部分低强度混凝土组和型复 合地基 组和型复合地基特点是既能发挥砂石桩的优点 又由于低强度混凝土桩的插入 而使砂石桩的侧向约束作用得到加强 从而减少散体桩顶部分的压胀变形 同时发 挥半刚性桩能向深部传递荷载的作用 使复合地基的承载力大幅增加 提高了复合 地基的整体稳定性 为使两种不同刚度桩体的作用 变形协调一致 需在桩顶设置 一定厚度的砂石料垫层 以保证不同刚度桩体与土共同承担荷载 第二章第二章 软土地基软土地基 2 1 软土地基的物理力学特性软土地基的物理力学特性 1 高含水量和高孔隙性 高含水量和高孔隙性 软土的天然含水量一般为 50 70 最大甚至超过 200 液限一般为 40 60 天然含水量随液限的增大成正比增加 天然孔隙比在 1 2 之间 最大达 3 4 其 饱和度一般大于 95 因而天然含水量与其天然孔隙比呈直线变化关系 软土的如 此高含水量和高孔隙性特征是决定其压缩性和抗剪强度的重要因素 2 渗透性弱 渗透性弱 软土的渗透系数一般在 i 10 4 i 10 8cm s 之间 而大部分滨海相和三角洲 相软土地区 由于该土层中夹有数量不等的薄层或极薄层粉 细砂 粉土等 故在 水平方向的渗透性较垂直方向要大得多 由于该类土渗透系数小 含水量大且饱和状态 这不但延缓其土体的固结过程 而且在加荷初期 常易出现较高的孔隙水压力 对地基强度有显著影响 3 压缩性高 压缩性高 软土均属高压缩性土 其压缩系数 a0 1 0 2 一般为 0 7 1 5MPa 1 最大达 4 5MPa 1 例如渤海海淤 它随着土的液限和天然含水量的增大而增高 由于土质 本身的因素而言 该类土的建筑荷载作用下的变形有如下特征 1 变形大而不均匀 2 变形稳定历时长 4 抗剪强度低 抗剪强度低 软土的抗剪强度小且与加荷速度及排水固结条件密切相关 不排水三轴快剪所 得抗剪强度值很小 且与其侧压力大小无关 排水条件下的抗剪强度随固结程度的 增加而增大 5 较显著的触变性和蠕变形 较显著的触变性和蠕变形 2 22 2 软土处理的目的和意义软土处理的目的和意义 自 20 世纪 30 年代美国及德国开始兴建 至 50 年代世界各国大力发展高速公路 以来 目前 在全世界 60 多个国家共修建高速公路 14 公路客货运速比例大大 增加 甚至超过了铁路 我国在 80 年代中期确立了发展高速公路的方针 1984 年 开工建设大陆第一条高速公路 沪嘉高速公路并于 1988 年建成通车 之后 沈大 京津唐 沪宁高速公路相继建成投入使用 至 1999 年底 全国通车里程达到 11605 在世界高速公路排行榜列第三位 但绝大部分建于东部沿海诸省 我国沿海诸省 除山东部分地段以外 大部分为泥质海岸 土层多为淤泥 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软粘土 这种土类压缩 性高 沉降量大 排水固结慢 地基稳定性差 在我国长江 淮河流域 还经常分布有膨胀土 液化地基等 这些软弱地基 特殊地基的存在常导致高速公路的质量问题 往往是高等级公路设计 施工的关键 问题 公路工程的地基问题该快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基及路面外荷载时 敌 机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在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 构筑 物与路堤衔接处差异沉降 会引起桥头跳车 涵身 通道凹陷 沉降缝拉宽而漏水 路面横坡变缓 积水 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 当公路工程特别是高等级公路工程中遇到上列问题之一是 必须采取地基处理 措施 否则会引起质量问题 如日本常磐高速公路神田桥从 1986 年 9 月 20 日通车 后 19 个月中平均每月修补一次错台 严重影响了路面质量和通行能力 我国沪嘉 高速公路通车 4 5 月后桥头错台大者至 7 8 使行车速度大为下降 江苏宁连 一级公路 由于软基沉降等问题 使路面开裂 桥头错台 通车几年来一直小修不 断 地基处理的目的是利用夯实 置换 排水固结 加筋和热力学等方法对地基土 进行加固 以改善地基土的剪切性 压缩性 振动性和特殊地基的特性 使之满足 道路工程的要求 显然 对于交通量大 养护时间难的高等级公路 地基处理的恰 当与否直接关系到工程质量 投资和进度 因此 地基处理对节约基本建设投资 保证公路正常运营具有重要意义 2 32 3 软土地基的危害软土地基的危害 软土路基可能导致出现一些的问题 当路基的抗剪强度不足以支承上部结构的 自重及外荷载时 地基就会产生局部或整体剪切破坏 当路基 在上部结构的自重及 外荷载作用下 产生过大的沉降和 不均匀沉降变形时 会影响结构物的正常使用 特别是超过结构物所能容许的不均匀沉降时 结构可能开裂破坏 路基的渗漏量超 过容许值时 会发生水量损失导致事故发生 软土地基在公路工程中造成的危害 1 勘察设计不详细或不准确 导致对应该做软基处理的地段未做处理设计 2 已知是软土地基 但是未做好软土地基处理 造成路堤失稳或危及线外建筑物 3 虽然做了软土地基处理 但是措施不力 施工不当造成路堤失稳 4 堆料不当 未按规定分层填筑 填土过快 碾压不当 造成路堤失稳 5 扰动 硬壳层 或填筑不当 使 硬壳层 遭受破坏 导致路堤失稳 2 4 软土处理的一般原则软土处理的一般原则 对于新建工程 原则上首先应考虑利用天然地基 对于淤泥和淤泥质土利用 其上覆较好土层作为地基持力层 当上覆土层较薄 应注意避免施工时对淤泥和淤 泥质土的扰动 对于冲填 杂填建筑垃圾和性能稳定的工业废科 当均匀性和密实度 较好时 均可利用作为地基 持力层 对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有腐 蚀性的工业废料等杂填土 未经处理不宜作为地基持力层 若地基软弱不能满足要 求 则需进行处理 根据 工程情况及地土质条件或组成的不同 处理的目的可以 是 1 提高土的抗剪强度 使地基保持稳定 2 降低土的压缩性 使地基的沉降和不均匀沉降低至允许范围内 3 降低土的渗透性或渗流的水力梯度 防止或减少水的渗漏 避 免渗流造成地基破坏 4 改善土的动力性能 防止地基产生震陷变形或因土的震动液化 而丧失稳定性 5 消除或减少土的沉陷性或胀缩性引起的地基变形 避免建筑物 破坏或影响其正常使用 对单一工程来讲 处理目的可能是单一的 也可能需同时在几个方面达到一定 要求 地基处理除用于新建工程的软弱和特殊土地基外 也作为事后补救措施用于已 建工程地基加固 对于泥沼地区的选线原则 尽量选择泥沼窄 浅及沼地横坡平缓的地段通过 尽可能绕避陡坡上的泥沼 古湖盆的泥沼以及中间聚水地带的泥沼 应利用隆起的微地貌 以缩短通过泥沼积水和软弱地段的长度 对于纵断面设计要考虑泥沼土层的性质和厚度 泥沼的地下水位和地面上的 积水水位 使路堤高出水位一定高度并有一定的填土高度 第三章第三章 软土地基加固方法软土地基加固方法 1 软土地基加固方法 软土地基加固方法 a 砂垫层法 砂垫层设置于路堤填土与软土地基之间的透水性垫层 可起排水 的作用 从而保证了填土荷载作用下地基中孔隙水的顺利排出 既加快了地基的固 结 还可以保护路堤免受孔隙水浸泡 设置砂垫层要注意防止被细粒污染而造成排 水孔隙堵塞 在砂垫层的上下应设反滤层 砂垫层适于施工期限不紧 路堤高度为 极限高度的二倍以内 砂源丰富 软土地基表面无隔水层的情况 当软土层较薄 或软土垫层底层又有透水层时 效果更好 轻质路堤及加筋路堤 达到减轻路堤自重 以减少路堤沉降及提高路堤稳定安全系 数的目的 加筋路堤指用变形小 老化慢的土工格栅 土工织物等抗拉的柔性材料 作为路堤的加筋体 可以减少路堤填筑后的地基不均匀沉降 又可以提高地基承载 能力 同时也不影响排水 大大增强路堤的整体性和稳定性 b 浅层处治 表层分布厚度小于 3m 的软土时 可采用浅层拌和 换填 抛石 等方法进行处治 浅层拌和添料可用石灰等无机结合料 换填材料宜用水稳性好的 材料 换土能根本改善地基 不留后患 效果较好 适用于软土层不厚且易于排水 的情况 但因软土地区地下水位较高 挖掘困难 换土深度一般不宜超过 2m 抛石 挤淤是强迫换土的一种形式 它不必抽水挖淤 施工简便 爆破挤淤也是一种浅层 处治的换土方式 利用炸药爆破时的能量将软土扬弃或压缩 然后填以强度较高的 渗水土或一般粘性土 达到换土的目的 爆破挤淤法的换填深度较深 工效较高 适用于软土层相对较厚 稠度大 路堤较高 施工期紧迫的情况 c 竖向排水体 软土地基中设置竖向排水体 可大幅度缩短排水距离 再配合 预压 可加速地基的固结 明显地提高预压效果 所以当超载预压高度受到稳定性 制约时 多应用竖向排水体与预压结合的处治措施 常用的地下排水体有砂井 袋 装砂井 塑料排水板等 排水体深度依土层厚度而定 对软薄软土层宜贯通 对较 厚软土层 排水体深度据计算确定 d 加固土桩 用某种深层拌和的专用机械 将软土地基的局部范围用固化材料 以改善 加固 形成加固桩 使加固桩与桩间土形成复合地基 设计加固土桩只考 虑其置换与应力集中效应 不考虑其固结排水与挤密作用 加固土桩的深度 直径 间距应经稳定性计算 并应满足工后沉降的要求 桩的直径与深度除受地址条件的 制约 还受机械设备能力的限制 e 粒料桩 粒料桩是为提高软土低级的承载力 在需要进行地基处理的范围内 由碎石 沙砾 矿渣 砂等松散粒料做桩料 采用专用机械设置成交大直径的桩体 专用机械一般为振动沉管机 水振冲器等 设置粒料桩后桩与桩间土形成复合地基 粒料桩是通过置换软土 加速地基排水固结作用 桩的应力集中作用共同来提高稳 定系数的 通常不考虑它对地基土的挤密作用 粒料桩复合地基的稳定计算 设有粒料桩的复合地基的路堤整体抗剪稳定系数按有关公式计算 且当第 i 土条的滑裂面处于地面线以下复合地基区域深度内时 应考虑桩体对土的置换率 桩土应力比 复合地基的抗剪强度按以下公式计算 ciwwicciiiiciiiisuii hhhumhuc tancos1 1111 式中 i h1 i 1 分别为在第 i 土条中路堤部分的高度 m 及容重 3 mkN ci h c 分别为在第 i 土条中桩料部分的高度及容重 桩对土的置换率 桩在平面上宜为等边三角形布置 三角形分布时 2 22 907 0 32 BDBD 当桩在平面上为正方形布置时 2 2 2 785 0 4 B D B D D 桩的直径 B 桩位布置正方形或三角形的边长 s 桩间土的应力折减系数 其值为 111 n s c 桩的应力增加系数 其值为 111 nn c n 桩土应力比 宜为当地或类似实验工程的试验资料确定 无资料时 n可取 2 5 当桩底土质好 桩间土质差时取高值 ui c 第 i 土条滑裂面以下时 该滑裂面所处土层的天然不排水抗剪强度 c 桩料的内摩擦角 当桩料为碎石时可取 38 当桩料为沙卵石时 取 35 当桩料为砂时可取 28 土条底部滑裂面对水平面的夹角 若按公式 Tjjii Ppsss 计算设有粒料桩的复合地基上路堤整体 抗剪稳定安全系数 且当第 i 土条的滑裂面处于地面线以下的复合地基区域深度时 上式中的 i s i s 应按下式计算 i s Cjwiciiqiqiioi WWLCW tancostancos1 i s CiiisgiiiiS UWUW tancostancos1 11 式中 icicci XhW 其他符号意义同前 若按公式 Tji PkkF 计算设有粒料桩的复合地基上路堤整体抗剪稳 定安全系数 且当第 i 土条的滑裂面处于地面线以下的复合地基区域深度时上式中 的 i k 应该按下式计算 cicisisisii mMmMZk 1 其中 iiiswioisi UWWWM tan 1 ciicwicici UWWWM tan 1 iiisi m sintancos icici m sintancos 一般要求 为了能较好的排除地基内的水分 设有料粒桩的路堤底面应按照垫层与浅层处 治的方法设置排水垫层 料粒桩的桩料不应使用单一尺寸的粒料 其最大粒径不应 超过 5 对十字板剪切强度低于 20 kPa 的软土地基的桩料 最大粒径可放宽到 10 且 5 10 的粒料质量应占总质量的 50 60 料桩的含泥量 小于 0 074 不得超过 5 f 预压 在软土地基上修筑路堤 如果工期不紧 可以先填一部分或全部 使 地基经过一段时间固结沉降 然后在填足或铺筑路面 拟建桥涵等构造物处 先填 土预压 待地基强度提高到一定程度后 挖去填土 再建造构造物 称之为预压 预压分等载预压和超载预压 目的在于减少工后沉降 提高地基固结度 预压效果 与预压期及预压体高度有着重要关系 g 反压护道 反压护道是在路堤一侧或二侧填筑一定宽度和高度的护道 运用 力学平衡原理 平衡路堤自重作用而产生的滑动力矩 以提高路基的稳定性 反压 护道虽然简易 但占地过多 在路堤填料来源困难地段也难于应用 况且 反压护 道只能解决软土地基上路堤的稳定问题 对于沉降问题非但无益 往往还加大沉降 量 h 强夯法 就是将几十吨的重锤从几十米的高处自由落下 对湿软地基进行强 力夯实 以提高其强度 它是在重锤夯击法的基础上发展起来又与之截然不同的一 种新技术 用强夯法加固的土基 承载力会明显提高 沉降量也会降低 这种方法 如采用大的单击夯击能量 可使地基的加固深度达 10 20m 甚至更深 2 适用范围 适用范围 排水固结法 包括堆载预压法 真空预压法 降水预压法 电渗排水法 它 们的适用范围 适用于处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基 但对于较厚的泥炭 层要慎重对待 胶结法 包括如下方法 A 水泥搅拌桩 它的适用范围为淤泥 淤泥质土 含水量较高地 地基承载力 不大于 120KPa 的粘性土 粉土等软土地基 B 高压喷射注浆法 它的适用范围为淤泥 淤泥质土 粘性土 黄土 砂土 人工填土和碎石土等地基 对于陷性黄土以及土中含有较多的大粒径块石 坚硬性 粘性土 大量植物物根茎或过多有机质时 应根据现场试验结果确定其适用程度 对地下水流速较大或涌水工程以及对水泥有严重侵蚀的地基 应慎用 尤其适用于 软弱地基的加固 C 送浆法 适用于处理淤泥 淤泥质土 粉土和含水量较高 且地基承载力标 准值不大于 120KPa 的粘性土等地基 当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时 宜 通过试验以确定其使用程度 D 水泥土夯实桩法 适用于地下水位以上的素填土 淤泥质土和粉土等 加筋土法 包括如下方法 A 加筋土 适用范围为人工填土 砂土的路堤 挡墙 桥台等 B 土工积物 适用于砂土 粘性土和软土的加固 或用于反滤 排水和隔离的 材料 C 树根桩 适用于各类土 主要用于既有建筑物的加固及稳定土坡 支挡结构 物 D 锚固法 它能可靠锚固土层和岩层 对软弱粘土宜通过重复高压灌浆或采用 多段扩体或端头扩体以提高锚固段锚固力 对液限大于 50 的粘性土 相对密度小 于 0 3 的松散砂土以及有机质含量较高的土层 均不得作为永久性锚固地层 置换法 挤密法及挤密置换法 A 振冲置换法 它适用于不排水剪切强度 20KPa CU 50KPa 的饱和软粘土 饱和黄土和冲填土 对不排水剪切强度小于 20KPa 的地基 应慎重对待 能使天然 地基承载力提高 20 60 左右 B CFG 桩法 对于淤泥 淤泥质土 杂填土 饱和及非饱和的粘性土 粉土 能使天然地基承载力提高 70 以上 C 钢渣桩法 适用于淤泥 淤泥质土 饱和及非饱和的粘性土 粉土 D 石灰桩法 适用于渗透系数适中的软粘土 杂填土 膨胀土 红粘土 湿陷 性黄土 不适合地下水位以下的渗透系数较大的土层 当渗透系数较小时 软土脱 水加固效果不好的土层慎用 E 强夯置换法 适用于饱和软粘土 一般适合于 3 6m 底浅层处理 F 砂桩法 适用于软弱粘性土 但应慎用 且需要较长的时间 对不排水剪切 强度小于 15KPa 的软土应采用袋装砂井桩 G 夯坑基础法 适用于软粘土非饱和的粘性土 夯填土 湿陷性黄土 H 强夯法 适用于碎石土 砂土 杂填土 素填土 湿陷性黄土和低饱和度的 粉土与粘性土 对于高饱和度的粉土和粘性土 需经试验论证后 方可使用 且应 设置竖向排水通道 该法最大处理深度达 40m 强夯的震动可能会对周围环境造成 不良影响 因此 使用时要求考虑周围环境因素 i 振冲法 是一种不添加砂 石材料的振冲挤密法 一般宜用于 0 75mm 以上 颗粒占土体 20 以上的砂土 而添加砂 石材料的振冲挤密法宜用于颗粒小于 0 005mm 的粘性含量不超过 10 的粉土和砂土 J 挤密碎石桩法 适用于松散的非饱和粘性土 杂填土 湿陷性黄土 疏松的 砂性土 对饱和软粘土 应慎重使用 第四章第四章 路基沉降及验算路基沉降及验算 4 1 沉降的一般规律沉降的一般规律 在软土地基上兴建高等级公路通常需要填筑一定高度的路堤 填高路基 路堤 是为了一方面满足抗洪和排涝要求 另一方面还要满足结构物通航和线性顺直通畅 要求 在路堤荷载作用下 地基土中的应力状态发生变化 从而引起地基变形 出 现路基沉降 由于路堤高度差异和地基不均匀等原因 路基各部分的沉降或多或少总是不均 匀的 使得路面相应产生不均匀变形 路基不均匀沉降超过了一定的限度 将导致 路面的功能性 结构性破坏 使得公路不能满足设计要求 因此研究路基沉降 对 于保证公路的正常使用和经济 都具有很大的意义 通常 路基沉降的一般规律路堤高 附加荷载大 沉降大 反之 路堤低 附 加荷载小沉降也小 软土层厚的沉降大 而软土层薄路段则沉降较小 由于造成公 路纵 横向沉降不均匀 路面排水和平整性也受到影响 汽车无法高速行驶 尤其 在桥头过渡段 不均匀沉降问题更加突出 桥梁一般采用桩基础或扩大基础 沉降 较小 与其相连的公路路堤一般较高 由此造成的沉降大 会在桥头附近产生较集 中的沉降差 汽车过桥就会跳动 严重的会产生翻车撞车等交通事故 4 2 沉降计算沉降计算 土在压力作用下体积缩小的特征称为土的压缩 试验研究表明 在一般压力 100 600kPa 作用下 土粒和水的压缩与土的总压缩之比是很微小的 因此完全 可以忽略不计 所以把土的压缩看作为土中空隙体积的减少 其孔隙的较少主要是 土中空气压缩 水和空气从土体中排出 对于饱和的软土 土体的压缩主要是孔隙 水被排出 因此其压缩稳定所需时间较长 计算路基沉降时 必须取得土的压缩性指标 无论是用室内试验或原位试验来 测定它 应该力求实验条件与土的天然状态及其在外荷载作用下的实际应力条件相 适应 在公路工程中 常用不允许土样产生侧向变形的室内压缩试验来测定土的压 缩性指标 4 2 1 压缩试验与压缩曲线压缩试验与压缩曲线 单项压缩试验所用的仪器叫做压缩仪 土样放在压缩仪中 受到刚性金属压缩 环的限制 竖向加载时无任何侧向变形 试验时 先在底座上放一块透水石 再将 切好的试样放入压缩环 在试样上再放一块透水石 然后放金属加压帽 在加压帽 上逐级加载 通过透水石传给试样 为了防止土体表面部分地潜入透水石孔隙 通 常还在土样和透水石之间放滤纸 滤纸和透水石都是为了加速土样排水 每级荷载施加后用测微表测读各时刻试样压缩的压缩量 直至变形稳定后加下 一级 用各级荷载下测读的压缩量随时间的变化关系可推出固结系数 用各级荷载 下变形稳定后的压缩量可推出相应孔隙比 在 e p 坐标系里点绘孔隙比 e 随荷载 0 e p 变化的关系曲线 成为 e p 曲线 它反映了土体的压缩性 可推出相应的压缩指 标 试验直接测读的是试样高度的改变量 由于试样的横截面自始至终不变 高 h 度的变化自然反映试样体积的变化 由和初始试样及初始孔隙比可推得变形 h 0 h 0 e 后的孔隙比为 0 0 0 1e h h ee 根据上式 只要测定土样在各级压力 p 作用下的稳定压缩量后 就可计算相 h 应的孔隙比 从而绘制土的压缩曲线 压缩曲线可按两种方式绘制 一种是采用普通直角坐标绘制的 e p 曲线 在常 规试验中 一般按 p 50 100 200 300 400 kPa 五级加载 另一种的横坐标则取 p 的常用对数值 即采用半对数直角坐标绘制成曲线 试验时从较小的压力 pelg 开始 采取小增量多级荷载 并较大的荷载为止 4 2 2 压缩性指标压缩性指标 1 压缩系数 为了说明软土压缩性的高低 要有一个指标 最常用的压缩性指标为压缩系数 习惯上以小写字母 a 来表示 其意义是增加一个单位的竖向压力所产生的孔隙比的 改变量 减小量 用数学式表示为 p e a 孔隙比 e 是随压力 p 的增加而减小 为了使参数为正数 上式右端有一负号 A 实际就是 e p 曲线上割线某一斜率的绝对值 A 是右因此的 常用单位 1 MPa 也可以为 上式也可表示为 1 kPa 12 21 pp ee a 式中 初始应力 或 1 pMPakPa 终了应力 或 2 pMPakPa 所对应的孔隙比 1 e 1 p 所对应的孔隙比 2 e 2 p 由于 e p 关系是一条曲线 其割线斜率是变化的 故压缩系数不是一个常数 它随压力而变 压力愈大 压缩系数愈小 为了比较各种土压缩性的大小 就需要 规定一个统一的压力范围 为了便于应用和比较 通常采用压力间隔有 100 1 p 增加到 200时所得的压缩系数来评定土的压缩性 kPa 2 pkPa 21 2 压缩指数 孔隙比 e 与压力 p 的试验关系也可以在半对数上点绘 e 用普通坐标 p 用对数 坐标 则成为曲线 研究表明 初始下弯段的范围与土体历史上曾经受到过pelg 的压力大小有关 如果历史上曾经受到过较大的压力 那么在试验压力小于该压力 时 曲线都是下弯的 既初始曲线段范围大 如果是新沉积的土 历史上没pelg 有受过任何压力 则开始的下弯段很短 整个试验曲线差不多就是一条直线 把历 史上曾经受到过的最大有效压力称为前期固结压力