（道路与铁道工程专业论文）高速公路软基处理效果评价及选型策略研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 我国的高速公路绝大部分位于东部沿海诸省 在这些地区分布着大量的软土地基 在这类地基上修 建高速公路 首先要进行加固处理 因此 加强对软基处理效果的研究 科学地选择经济 有效的软基 处理方案 对于确保工程质量具有很重要的意义 本文首先对国内常用软土地基处理方法的加固机理进行了介绍 分析其加固效果和适用范围 比较 了它们在技术 经济等方面的优劣 在对温州瓯江二桥接线 京津塘高速 沪宁高速以及南京机场高速 等四条高速公路的工后沉降量进行预测之后 对其所采用的软基处理方案的效果作了合理评价 在此基础上 本文系统总结并分析了包括工程地质条件 包括硬壳层厚度 软土厚度 土质 中间 有无排水砂层 基底倾斜情况等因素 道路性质 包括道路等级 道路的形状和高度 道路所在地段等 项目 施工条件 包括工期 材料 施工机械的作业条件 施工深度 和环境保护要求等在内的对软基 处理效果和方案选择有较大影响的一些因素 根据上述分析 综合考虑软基处理效果和工程实施的经济性 本文引入模糊数学和层次分析法等对 非定量问题进行分析的理论 提出了一种采用多层次模糊综合评判模型的处理方案选型策略 通过四个 具体实例的计算 表明该模型可以为软基处理方案提供科学合理的决策 最后 通过调查和研究 分析了软基处理设计和施工质量控制的要点 供设计 施工单位和有关部 门参考 关键词 高速公路 软基处理 工后沉降 模糊 综合评判 东南大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i nc h i n a m o s to f t h ee x p r e s s w a ya r ec o n s t r u c t e do nt h ee a s t e r nc o a s t a l ag r e a td e a lo f s o r g r o u n de x i s t si n t h e s ea l e a s t oc o n s t r u c te x p r e s s w a yi nt h e s ea r e a s t h ef i r s tp r o b l e mi st or e i n f o r c et h es o f ts o i lf o u n d a t i o n b u t t h ec o s to fr e i n f o r c e m e n ti sv e r yl a r g e s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h et r e a t m e n te f f e c ta n dr e s e a r c hh o w t oc h o o s ea l le f f e c t i v ee n de c o n o m i c a lr e i n f o r c e m e n ts c h e m e f i r s t l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e i n f o r c e m e n te l e m e n t so ft h es o f ts o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n tm e t h o d si n c o m m o nu s e e n a l y z e st h e i re f f e c ta n da p p l i c a b l er a n g ea n dc o m p a r e st h e i rs t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n g b y f o r e c a s t i n gt h ep o s tc o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n to f f o u re x p r e s s w a y se n da n a l y z i n gt h er e s u l t sc o m b i n e dt h er e a ld a t a t h i st h e s i se v a l u a t e st h ee f f e c to f t h es o f ts o i lf o l l n d a t i o nt r e a t m e n t s b a s e do nt h eg r e a ts t u d i e s t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n de n a l y z e st h ef a c t o r s t h eg r o u n dc o n d i t i o n r o a d c o n d i t i o n c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o na n dt h er e q u e s to fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h a ti n f l u e n c et h ee f f e c to fs o f t g r o u n dt r e a t m e n t a c c o r d i n gt ot h ea n n a l y s ea b o v e t h et h e s i sp u t sf o r w a r dam u l t i c l a s sf u z z yc o m p r e h e n s i v e j u d g m e n tm e t h o dm o d e lt oc h o o s et h es o f ts o i lt r e a t m e n ts c h e m e sb yu s i n gt h ef u z z ym a t ht h e o r ya n da h p m e t h o d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f f o u r e x a m p l e sp r o v e t h a tt h em o d e li sa v a i l a b l e f i n a l l y b ya n a l y z i n gt h es t a t u s i nq u oe n dp r o b l e m so ft h ed e s i g ne n dc o n s t r u c t i o no ft h es o f ts o i l f o u n d a t i o nt r e a t m e n t s o m em e a s u r e sa b o u tq u a l i t yc o n t r o la r ep u tf o r w a x lt h a tc a nb er e f b r i e db yt h ed e s i g n d e p a r t m e n te n d c o n s t r u c t i o nd e p a r t m e n t k e b o b e x p r e s s w a y s o f t s o i lf o u n d a t i o nt r e a t m e n t p o s t c o n s h u c t i o n s e t t l e m e n t f u 雹巩c o m p r e h e n s i v e j u d g m e n tm e t h o d 学位论文独创性声明 s 8 i 2 8 3 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名 园途叁 日期 坦 j 关于学位论文使用授权的说明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或真他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允 许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 签名 凰选叁 导师签名 日期 删 易 东南大学硕士学位论文 绪言 绪言 高速公路作为一种现代化的运输通道在当今社会经济生活中正发挥着越来越重要的作用 它的出现 一方面是交通运输史上的一次革命 以其强大的通行能力 快捷的运行速度 灵活的运行方式等运输特 性极大地提高和丰富了运输的能力和内容 另一方面 大量资金被吸引到公路沿线 区域内部资源流通 加快 可以形成以高速公路为依托的带状区域经济系统 高速公路经济带 对国家的经济发展起着巨 大的推动作用 近年来 在高速公路沿线及腹地迅速兴起了工业企业的建设热潮 地价增值 税收猛增 投资环境发生了很大变化 显示出了相当的优越性 其经济效益和杜会效益都十分可观 因此 高速公 路具有广阔的发展前景 从2 0 世纪3 0 年代开始 美国及德国等发达国家就开始兴建高速公路 目前世界各国共修建高速公 路1 4 万加以上 我国高速公路建设虽然起步较晚 但随着经济的增长 在8 0 年代确立了发展高速公路 的方针 建设 发展速度很快 1 9 8 4 年我国开始建设第一条高速公路 沪嘉高速公路 进入9 0 年代后 每年建设都在2 0 0 0 k m 左右 到2 0 0 1 年底已建成高速公路总里程达1 9 4 5 3 k m 跃居世界第二位 但是 目前我国已建和在建高速公路绝大部分位于东部沿海诸省 这些地区的公路地基存在着大量 的淤泥 淤泥质粘土 淤泥混砂层 基本属于正常压密软粘土 具有压缩性高 沉降量大 排水固结稳 定性差等特点 而高速公路一般采用全封闭 全立交 路基填土高度较大 有时甚至高达8 m 以上 因此 对路基沉降的要求很高 在公路使用年限内 普通路段的工后沉降应小于3 0 c m 路桥结合处工后沉降小 于l o c m 过渡段沉降坡差小于2 争6 在这类地基上修建高速公路 若不经过处理或处理不当 往往导致 路基失稳或过量沉降 直接影响到公路的质量和整个工程的进度 有的甚至成为工程成败的关键 如我 国沪嘉高速公路和湖北汉宣一级公路通车后 由于软土地基沉降问题 造成路面开裂 桥头错台 一直 小修不断 严重影响了路面质量和通行能力 实践表明 在高速公路的修筑过程中 对软土地基进行处理以保证其施工期的稳定和建成后的剩余 沉降及差异沉降控制是一个必须重视的问题 已成为影响工程质量 工期和工程造价的关键因素之一 掌握软土的性质和土层特征 加强软基处理这一高速公路设计和施工中关键技术问题的研究 积累在软 土地基上修建高速公路的经验 已经成为我田交通事业发展的一个非常重要的课题 这对于保证工程质 量 避免不必耍的损失有重要意义 东南大学硕士学位论文高逮公路软土地基处理综述 第一章高速公路软土地基处理综述 1 1 软土地基处理的概念和对象 软土是指强度低 压缩性高的软弱土层 可将其分为软粘性土 淤泥质土 淤泥 泥炭质土及泥炭 5 种类型 习惯上把前3 种总称为软土 软土在我国滨海平原 河口三角洲 湖盆地周围及山涧谷地均 有广泛分布 其主要工程特性为 天然含水量高 孔隙比大 透水性差 压缩性高 灵敏度高 抗剪强 度低 流变性显著 修建在软土地基上的路堤 要考虑稳定和沉降 软基的沉降 部分由地基固结所产生 另 部分因 地基侧向变形所产生 但究竟是否需要对其进行加固还要根据其承载力和变形能否满足设计要求并结合 路基桥涵对地基的要求而定 如果软基不能满足设计要求或在地震作用下有可能产生液化 震陷及失稳 时 则先要经过人工加固处理后再修建路基 这种对软弱地基进行加固的过程称为地基处理 1 2 软土地基处理技术的发展和分类 1 1 1 2 我国人民在实践中积累了极其丰富的地基处理经验 许多现代的地基处理技术都可以在古代找到它 的雏形 早在二千年前 就已经采用了在软土中夯入碎石等压密土层的夯实法 灰土和三合土作为垫层 材料的垫层法 也是我国古代传统的建筑技术之一 在沿海地区极其软弱的地基上修建海塘时 就是采 用每年农闲时逐年填筑而成 这就是现代堆载预压法中称为分期填筑的方法 近4 0 年来 图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和排水固结这一基本观点出发 发展了土工合 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 发明制造了潜水电机 带来了振动水冲法中振冲器等施工机械的出现 真空 泵的i j 世 发展了真空预压法 生产了大于2 0 9 p a 气压的空气压缩机 从而产生了高压喷射注浆法等 地基处理方法的分类多种多样 其中最本质的是根据地基处理原理进行分类 即改善地基应力和变 形条件 土性改善 复合地基等三类 如图卜l 所示 不过 对地基处理方法进行严格分类是比较困难的 不少地基处理方法具有多种处理效果 如碎石 桩具有置换 挤密 排水和加筋等多重作用 各种挤密法同时都有置换作用等 每种处理方法都有一定 的适用范围 优点以及局限性 所以在确定地基处理方案时 要从工期 造价 处理效果 材料来源及 消耗 机具条件 施工因素 环境影响等多方面对初选方案进行认真的技术经济分析和对比 选出晟佳 的处理方法 2 东南大学硕士学位论文 高速公路软土地基处理综述 f 换土垫层法 改善地基应力和变形条件 土工聚合物 1 反压护坡法 预压法 竖向排水体法 强夯法 其它方法 深层搅拌桩复合地基 碎石桩复合地基 旋喷桩复合地基 加筋土复合地基 图卜1 高等级公路常用地基处理方法分类 1 3 我国高速公路常用软土地基处理方法简介 3 4 5 目前 我国高速公路上常用的软基处理方法主要有 换土垫层法 强夯法 排水固结法 土工聚合 物加筋法 碎石桩法 水泥土搅拌桩法等 本节主要介绍这几种常用地基处理方法的加固机理并分析其 加固效果和适用范围 进行经济技术比较 1 3 1 换土垫层法 当软弱地基的承载力和变形满足不了设计要求而且软弱层的厚度不是很大时 将基础底面下处理范 围内的软弱土层部分或全部挖去 然后分层换填强度较大的砂 碎石 素土 灰土 高炉干渣 粉煤灰 或其它性能稳定 无侵蚀性的材料 并压 夯 振 实至要求的密实度为止 这种地基处理方法称为换 土垫层法 按回填不同材料形成的垫层 命名为该种材料的垫层 如砂垫层 碎石垫层 素土垫层 干渣垫层 和粉煤灰垫层 i 加固机理 换土垫层法的加固机理是据土中附加应力分布规律 让垫层承受上部较大的应力 软弱层承担较小 的应力 以满足设计对地基的要求 垫层的作用有以下几个方面 1 提高持力层的承载力 通过扩散作用使传递到垫层下软弱层的应力减小 2 减少沉降量 一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的 如以密实砂或其它填筑材料代替 上部软弱土层 就可以减少这部分的沉降量 同时 由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用 使作用 在下卧层土的压力较小 也会相应减少下卧层土的沉降量 3 加速软弱土层的排水固结 不透水基础直接与软弱土层相接触时 在荷载的作用下 软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出 善 基 改 地 陛 日 土 复 理处基地 东南大学硕士学位论文 高速公路软土地基处理综述 因而使基底下的软弱土不宣固结 形成较大的孔隙压力 此外还可能导致由于地基强度降低而产生塑性 破坏的危险 而砂垫层和碎石垫层等垫层材料的透水性大 软弱土层受压后 垫层可作为良好的排水面 使基础下面的孔隙水压力迅速消散 加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度 避免地基土塑性破坏 4 防止冻胀 因为粗颗粒的垫层材料孔隙大 不宣产生毛细管现象 因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻 胀 5 消除膨胀土的胀缩作用 对膨胀土地基而言 垫层主要可以消除膨胀土的胀缩作用 2 加固效果和适用范围 换土垫层法的优点是 无需特殊的机械设备 施工工艺简单 容易控制 其质量检验可随施工分层 进行 既能缩短工期 又能降低造价 对局部地基处理效果尤为明显 它还是一种能适应地基土性质的 地基处理方法 因为垫层和地基均为散体材料 在施工中可以人为地把两者合为一体 使垫层成为地基 土的一部分 可以有效调整地基土的沉降曲线 该方法主要适用于淤泥 淤泥质土 湿陷性黄土 素填土 杂填土地基以及暗沟 暗塘等的浅层处 理 其处理深度通常控制在3 册以内 但也不宣小于0 5 m 1 3 2 强夯法 强夯法是2 0 世纪6 0 年代末首先在法国发展起来的 国外又称之为动力固结法 一般是通过8 3 0 的重锤采用8 2 0 m 的落距 对地基施加强大的冲击能 在地基中形成冲击波和动应力 通过压密和振密 来加固地基土 达到提高强度 降低压缩性 改善砂土的抗液化条件 消除湿陷性的目的 经过3 0 年的 发展 强夯法已广泛用于工业与民用建筑 仓库 油罐 公路 铁路 飞机场跑道及码头的地基处理中 l 加固机理 强夯法虽然在实践中己被证实是一种较好的地基处理方法 但到目前为止 还没有一套成熟的理论 和设计计算方法 目前较为普遍的看法是 经强夯后 强度提高分为四个阶段 1 夯击能量转化 同时伴有强制压缩或振密 包括气体的排出 孔隙水压力上升 2 土体液化或土体结构破坏 表现为土体强度降低或抗剪强度丧失 3 排水固结压密 表现为渗透性能改变 土体裂隙发展 土体强度提高 4 触变回复并伴随固结压密 包括部分自由水又变成薄膜水 土的强度继续提高 其中第一阶段是瞬时发生的 第四阶段是强夯终止后很长时间才能达到的 中间两个阶段则介于上 述两者之间 2 加固效果和适用范围 强夯的加固效果主要有 1 可提高地基承载力 经强夯加固处理后 地基承载力通常可提高l 5 倍 2 可加固深层地基 有效加固深度一般为5 l o m 高能量强夯法加固深度可超过l o r e 3 饱和疏松粉细砂经强夯后可以消除液化 4 强夯可消除湿陷性黄土的湿陷性 5 强夯可以减少地基沉降量并可解除不均匀沉降的危害 实践证明 强夯法用于碎石土 砂土 低饱和度的粉土与粘性土 湿陷性黄土 杂填土利素填土等 地基一般均能取得较好的处理效果 对于饱和度较高的粘性土则处理效果通常不显著 尤其是对于淤泥 和淤泥质土地基 需经试验证明施工有效时方可使用 但近年来 对高饱和度的粉土与粘性土等地基 发展了强夯置换法 利用夯击能将碎石 矿渣等材料强力挤入地基 在地基中形成碎石墩 并与墩间土 形成复合地基 提高地基承载力和减小沉降 可以取得较好效果 在以砂性土为主的填海路基地段的路 基处理 由于常有未勘探充分的软土夹层 可以考虑采用强夯法结合排水固结来进行 4 东南大学硕士学位论文高速公路软土地基处理综述 总的来说 强夯法具有设备简单 工艺方便 应用范围广 加固效果好 使用经济等优点 但同时 也有f 列缺点 1 设备移动不方便 特别是带门架的起重设备搬迁 就位需花费较多时间 2 强夯施工过程中应该特别注意安全措施 注意吊车 夯锤附近人员的安全 3 试验检测时间长 开工前的试验段试夯工作一般需要2 个月 有的达4 个月方能测定出参数指 导大面积施工 施工结束后应间隔一定时间 待孔隙水压力全部消散后方能对地基加固质量进行检验 4 由于强夯对地面进行冲击 对周围建筑有一定的影响 此外施工时噪声和振动较大 因而不宣 在人口密集的城市内使用 1 3 3 排水固结法 排水固结法就是对天然地基或先在地基中设置砂井等竖向排水体后 利用建筑物本身重量分级逐渐 加载 或是在建筑物建造以前在场地先行加载预压 以加速土体中的孔隙水的排出 从而使土基逐渐固 结 沉降并使强度逐步提高的方法 1 加固机理 软粘土的固结原理就是软土地基在荷载作用下 土中的水缓慢排出 空隙比减少 土基发生固结变 形 随着超静水压力的消散 土中有效应力增大 地基土的强度逐渐提高 根据固结理论可知 粘性土 固结所需的时间和排水距离的平方成正比 土层越厚 固结延续的时间越长 为加速土体的固结 最有效的方法就是增加土层的排水途径 缩短排水距离 砂井 塑料排水板等 竖向排水体就是为此目的而设置的 这时 土层中的孔隙水主要从水平方向通过竖向排水体排出 部分 从竖向排出 在荷载的作用下 土层的周结过程就是孔隙水压力消散和有效应力增加的过程 用填土等外加荷载 对地基进行预压 是通过增加总应力并使孔隙水压力消散来增加有效应力的方法 降低地下水位法和电 渗排水法则是在总应力不变的情况下 通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法 真空预压法则是用 真空装置将覆盖于地面的密封膜下面抽成真空 在膜内外形成气压差 粘土层产生固结压力 2 加固效果和适用范围 排水固结法按竖向排水体的不同 可分为普通砂井法 袋装砂井法和塑料排水板法 普通砂井的应用有4 0 余年的历史 但其本身有一些难以克服的缺点 比如套管成孔法施工时会扰动 周围土 使透水性减弱 设水成孔法对含水量高的软土地基施工质量难以保证 砂井容易混入较多泥沙 等 而且普通砂井即使在施工中能形成完整的砂井 但当地面荷载较大时 软土层便产生侧向变形 有 可能使砂井错位 袋装砂井法是普通砂井法的改良和发展 它是用具有一定伸缩性和抗拉强度很高的编织袋装满砂子 基本解决了普通砂井所存在的问题 具有用料省 连续性好 不致因地基变形而折断 施工简便等特点 而且有资料表明 用袋装砂井不仅有排水作用而且有补强作用 塑料排水板法是由纸扳排水法发展和演变而来 其特点是 滤水性好 可确保排水效果 具有一定 的强度和延伸率 适应地基变形的能力强 板界面尺寸不大 插入时地基扰动小 施工方便 可在工厂 制作 运输方便 在没有砂料的地区尤为合适 排水固结法适用于处理厚度较大的饱和软土和冲填土地基 在我国多数i 喜i 速公路上的实践证明该方 法能够加速软土固结 提高地基承载力 使主固结沉降量提前完成 是一种有效的软基加固方法 但排 水固结法的使用也有其局限性 具体表现在 1 排水固结法在处理表层为承载力较大的硬壳层 下面为软粘土的软土地基时 有可能产生不利 影响 例如宁连公路某段同样地质条件下不插板比插板沉降小 2 对灵敏度较高的土 由于拖工中士体结构遭受破坏 加固效果不好 3 对泥炭土 有机质粘土和高塑性土等 其次固结沉降占相当大的部分 排水固结法效果也不理 东南大学硕士学位论文高速公路软土地基处理综述 想 例如沪嘉 莘搬 广佛等三条高速公路 采用塑料排水板处理地段的路面后期沉降均很大 桥头跳 车严重 经济效益和社会效益都较差 4 需要预压 工期要求长 且必须控制路基填筑速率 稍有不当易引起路基失稳 5 沉降量大 工后沉降量相对也较大 l 3 4 碎 砂 石桩 碎石桩和砂桩总称为碎 砂 石桩 是指用振动 冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后 再将碎 石或砂挤压入己成的孔中 形成大直径的碎 砂 石所构成的密实桩体 碎石桩复合地基自1 9 7 7 年在我 国首次应用以来已取得了很大成绩 积累了很多许多工程经验 i 加固机理 从作用机理上来说 碎 砂 石桩法属于复合地基加固法 它除了提高地基承载力 减少地基的沉 降量外 还可用来提高土体的抗剪强度 增强土体的抗滑稳定性 不论对疏松砂性土还是软弱粘 i 生土 碎石桩的加固有挤密 置换 排水 垫层和加筋五种作用 a 对松散砂土加固机理 碎石桩和砂桩挤密法加固砂性土地基的主要目的是提高地基土承载力 减少变形和增强抗液化性 碎石桩和砂桩加固砂土抗液化的机理主要有以下三方面作用 i 挤密作用 不论是沉管法 干振法还是振冲挤密法 在施工过程中都会对周围砂层产生很大的横向挤压力 砂 和粗骨料被挤向桩管周围的的土中 有效挤密范围可达3 4 倍桩直径 这种强制挤密使砂土的相对密实 度增加 孔隙率降低 干密度和内摩擦角增大 土的物理力学性能改善 使地基承载力大幅度提高 由 于地基密度显著增加 相对密实度也相应提高 因此抗液化的性能得到改善 2 排水减压作用 对砂土液化机理的研究的机理证明 当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时 将发生体积的收缩 和趋于密实 在砂土无排水条件时体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升 当砂 土中有效应力降低为零时便形成了完全液化 碎石桩加固砂土时 桩孔内充填碎石等反滤性好的粗颗粒 时 在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道 可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和 砂土产生液化 并可加快地基的排水固结 3 砂基预振效应 美国h b s e e d 等人 1 9 7 5 从试验得出 砂土液化特性除了与砂土的相对密实度有关外 还与其振 动应变史有关 即要造成经过预振的试样发生液化 所需施加的压力要比未经预振的试样引起液化的应 力大许多 在振冲法施工时 振冲器以每分钟1 4 5 0 次的振动频率和9 8 t n s 2 的水平加速度以及9 0 k n 的 激振力沉入土中 使填土料和地基土在挤密的同时获得强烈的预振 这对砂土增强抗液化能力是极为有 利的 b 对粘性土加固机理 对于粘性土地基 特别是饱和软土 由于土的粘粒含量多 粒间结合力强 渗透性低 在振动力或 挤压力的作用下土中水不宣排走 所以 碎 砂 石桩的作用不是使地基振密 而是一种换土置换 即 以性能良好的碎石来替换不良地基土 2 加固效果和适用范围 对于砂性土地基 振冲碎石桩法加固效果显著 地基承载力可提高5 0 2 0 0 沉降变形很小 能 够消除砂土地基的液化问题而且具有施工速度快 工程造价低 固结时间短 加固效果显著等许多优点 是目前砂土地基提高承载力 防止液化的最好方法 尤其是采用7 5 k w 至1 5 0 k w 大功率振冲器加固砂基 其加固深度深 效果更为明显 前景广阔 6 东南大学硕士学位论文高速公路软土地基处理综述 对于软粘土地基 碎石桩与周围软粘土共同组成复合地基 大部分荷载将由碎石桩承担 碎石桩受 荷载后产生径向变形 并引起周围粘性土产生被动抗力 如果软粘土的强度过低 不能使碎石桩得到所 需的软粘土的径向支持力 那么就达不到加固的目的 因此天然地基抗剪强度的大小是形成复合地基的 一个关键因素 为了慎重起见 湿法施工地基的十字板抗剪强度应大于1 5 k p a 而干法施工的十字板抗剪 强度应大于l o k p a 与强夯法相比 沉管千振碎石桩造价高 约为强夯法的2 倍 但可靠性好 因此主要适合构造物的 地基处理 有入提出 对严重液化地基 桥梁 桥头部位 通道 涵洞基础及两侧均应采用沉管干振碎 石桩处理 不过 由于沉管碎石桩施工时会对周围土层产生振动 挤密影响 其影响范围达5 m 因此构 筑物离开施工时的最小安全距离为5 x 1 3 5 水泥土搅拌法 1 加固机理 水泥土搅拌法是利用水泥等材料作为固化剂 通过特制的搅拌机械 在地基深处就地将软土和固化 荆强制搅拌 经过固化剂和软士闻所产生的一系列物理和化学反应 使软土硬结成具有整体性 水稳性 和一定强度的水泥加固土 从而提高地基强度和增大变形模量 2 加固效果和适用范围 利用水泥土搅拌法加固软土 优点如下 1 水泥土搅拌法由于将固化剂和原地基软土就地搅拌混合 因而最大限度利用了原土 2 搅拌时不会使地基侧向挤出 所以对周围原有建筑物的影响很小 3 可以按照不同地基土的性质及工程设计要求 合理选择固化剂及其配方 设计比较灵活 4 施工时无振动 无噪音 无污染 可在市区和密集建筑群中进行施工 5 土体加固后重度基本不变 对软弱下卧区不致产生附加沉降 根据施工方法的不同 水泥土搅拌法分为水泥浆搅挣 国内俗称深层搅拌法 和粉体喷射搅拌两种 前者是用水泥浆和地基土搅拌 后者是用水泥粉或石灰粉和地基土搅拌 两种方法各自的特点如下 1 粉喷法能吸收较多的水分有利于地基密度的提高 对含水量高的粘土特别适用 而浆喷法则要 从浆液带进较多的水分 所以对地基加固不利 2 粉喷法初期强度高 对快速填筑路堤较有利 而浆喷法初期强度较低 3 粉喷法因为以粉体直接在土中进行搅拌不宜搅拌均匀 而浆喷以浆液注入土中容易搅拌均匀 4 粉喷法计量粉值不够准确 因为它涉及气圃两相流量 难度较大 但浆喷剂的液态计量容易控 制 5 试验证明水泥中加入一定量的石膏及其它物质对粉喷桩的强度大有好处 但在大量施工中加另 一种粉体比较困难 而浆喷法只要把这些添加剂定量倒入搅拌池混台成浆液很容易深入土中 不仅是加 粉体 就是加液体也可以 而且方便 6 因为浆喷搅拌比较均匀 打到深部时挤压泵能自动调整压力 在一般情况下都能注浆液于软土 中 所以下部桩的质量能保持与上部基本一致 总体来看 由于粉喷桩加固效果良好 质量可靠 加固后的地基强度很高 整体刚度较大 从而可 限制软土的侧向变形 防止路基失稳 总沉降和工后沉降均较小 加之粉喷桩初期强度高 特别适用于 工期紧 填筑速率快的路堤处理 所以目前采用粉喷桩加固高速公路软基的工程很多 如沪嘉 沪宁 沪杭 广州环城等高速公路 沪宁线实测资料证明 用粉喷桩加固的路堤侧向位移很小 可以保护桥台 的桩基免受过大的侧向推力 加之粉喷桩能有效减小总沉降量 因此特别适用于桥头过渡段的软基处理 7 东南大学硕士学位论文高速公路软土地基处理综述 1 4 我国高速公路软基处理研究存在的问题 在我国 高速公路软基处理的研究是伴随着高速公路的建设而发展的 特别是沪宁 沪嘉 杭甬 广佛 京珠等高速公路的建设 使这一研究领域提高到了一个新的阶段 有关软基处理设计施工的研究 文章大量涌现 软基处理的方法和手段也越来越成熟 但还存在着一些问题 这些问题主要是 1 实例研究多 系统研究少 从查阅文献看 成功的单个实例分析报告多 系统性的理论与实践 研究不足 失败的实例研究报告更是很少见到 这与我国公路地基处理的实际 隋况形成反差 从某种意 义上说 失败的实例更有价值 2 研究大都集中在设计阶段和施工阶段 随着道路通车而结束 很少能够在施工完成后继续进行 系统的观测研究 也就无法根据工后沉降来有效改进设计 施工方法 3 地基处理方案的决策分析研究不够 目前还基本依靠个人经验决定 没有一个科学系统的选型 方法 这样在经济上往往造成浪费 而且达不到预期处理效果 1 5 本文所作的工作 本文的研究内容是高速公路软土地基处理效果评价及选型策略研究 主要内容如下 1 结合温州瓯江二桥 京津塘高速 沪宁高速和南京机场高速的软基处理情况和长期沉降观测资 料 采用了不同的预测方法来预测工后沉降 对软基处理的效果进行了评价 2 通过对我国现有高速公路软土地基处理的现状调查 详细 系统分析了影响软基处理效果的因 素 3 在软土地基处理方案选型中引入模糊数学和层次分析法的理论 综合考虑工程水文地质条件 道路和施工条件 场地环境 造价等因素的影响 提出了一种采用多层次模糊综合评判模型的处理方案 选型策略 并对实例进行计算分析 4 通过调查和研究 分析了软基处理设计和施工质量控制的要点 供设计 施工单位和有关部门 参考 东南火学硕士学位论文软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 第二章软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 在实际工程中 真正能够反映软基处理方案效果的应该是工后的沉降情况 但现在对软基处理的研 究 却大都集中在设计阶段和施工阶段 随着道路通车而结束 很少能够在施工完成后继续进行系统的 观测研究 本章主要以京律塘高速公路 温州瓯江二桥接线 沪宁高速和南京机场高速这四条高速公路的长期 观测资料为基础 利用双曲线拟合法以及灰色系统法来进行分析预测 对这几条高速公路的软基处理效 果进行了评价 此外 针对传统方法的不足 提出了根据沉降速率来预测工后沉降的改进方法 在一定 程度上解决了长期沉降观测资料中同一点前后两阶段的沉降没有明确对应关系的问题 2 1 工后沉降预测方法简介 z 0 1 2 1 1 1 2 5 在公路的施工和使用过程中 常常对路基进行动态沉降观测 了解沉降和时间的变化关系 从而最 终确定沉降量 如何通过现有的沉降数据来准确计算和预测后期沉降量 是工程设计和施工亟待解决的 问题 目前国内外很多学者对这个问题进行了大量的研究 也提出了多种预测方法 但都有一些局限性 在具体使用时 应根据实际情况 采用多种模型进行分析比较 从而得到较为准确的预测结果 2 1 1 双曲线配合法 由于实测沉降曲线的形态近似于一条双曲线 所以可以采用双曲线来配合 并通过将曲线外延来推 得未来某时刻的沉降量或最终沉降量 1 双曲线两点配合法 图2 1 双曲线两点配合法 如图2 1 所示 实测沉降曲线 s 曲线 自拐点厅开始采用双曲线配合 双曲线方程为 9 东南大学硕士学位论文 软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 x y k 2 1 式中 厅为系数 x a t 2 2 y 只一s 2 3 其中 f b 点开始计算的时间 咒 b 点开始计算地基产生的最终沉降量 即b 点y 坐标 a b 点x 坐标 只 b 点开始计算f 时刻沉降a 将b 点坐标代入 2 1 式 可得 驴足毒 a 将实测5 曲线上两点 s l t i 和 s 2 t 2 代入 3 4 式可得足和口值 则总沉降为 s s o s c 2 5 由于双曲线两点配合法只利用了少量的沉降观测资料 其精度在很大程度上受到所使用的两点数据 的影响 因此只在实际观测数据很少时采用 当停止加荷后的沉降观测数据足够多时 大于三组 建议采用下述的多点配合双曲线法 2 双曲线多点配合法 如图2 2 所示 如果地基的沉降随时间以双曲线形式递减 则沉降与时间的关系可近似用下式表示 s r 氐 百t 鬲 t o 丽 2 6 荷筑 岛 s i 沉辑量s a 1 0 东南大学硕士学位论文 软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 b 图2 2 双曲线多点配合法 式中 t o 自加荷开始至终止加荷的时间 f 自加荷开始至任意时刻的时间 t t 对应t 时刻的沉降量 晶 对应f 时刻的沉降量 口 口 特定的系数 式 2 6 变形后可得 悬叫 p t 叫 2 由式 2 7 可以看出 帅 f 0 为横坐概以 播 作纵坐标建立坐标平面 屋口为一条直线方 程 其斜率为 截距为口 取多组沉降实测值 墨 t 1 s 2 t 2 置 t f 描点于该坐标平面内 可得 到这些点的拟台曲线 取其截距口和斜率 然后利用式 2 1 5 推算任意时刻的沉降量 若要求其最 终沉降量 可令式 2 6 中的卜 则有 s 晶 万1 2 8 双曲线法是一个经验方法 原理简单 终止加荷后在沉降观测较长的情况下有较强的实用性 但它 推算能力不强 而且如果实测沉降时间不够 则无法使用 双曲线拟合法比较关键的一点就是定出合理 的 s t 如果起始时间不对 很容易造成预测值和实际情况相差很远 以温卅i 瓯江二桥接线断面k 1 5 9 0 0 东南大学硕士学位论文软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 为例 图2 3 为其沉降历史曲线图 分别用 2 2 6 0 和b 2 3 1 2 0 作为r t o 得到的结果 如表2 1 和图2 4 2 5 所示 差别很大 因此 在实际应用时应先根据实测沉降资料画出沉降历史图 确定合适的一点作为起始点 从而保证预测的精度 图2 3k 1 5 9 0 0 断面沉降历时曲线图 表2 一lk 1 5 9 0 0 断面的沉降拟合结果 双曲线 t o 绝对误差 观测日期实测数据双曲线 6 0 预测值绝对值 1 9 9 9 1 0 一2 8o 1 1 9 9 9 1 2 2 82 z 2 0 0 0 2 2 82 32 6 6 3 9o 2 6 3 92 30 2 0 0 0 一3 2 85 62 7 8 5 52 8 1 4 54 2 3 8 51 3 6 1 5 2 0 0 0 4 2 85 73 0 4 1 82 6 5 8 25 7 0 4 10 0 0 4 l 2 0 0 0 5 2 86 93 3 4 1 53 5 5 8 56 8 5 1 lo 0 4 8 8 2 0 0 0 6 2 87 43 6 9 6 93 7 0 3 l7 7 7 3 1o 3 7 3 1 2 0 0 0 8 2 88 64 6 5 0 43 9 4 9 69 1 6 3 7o 5 6 3 7 2 0 0 0 9 2 89 35 3 1 l 03 9 8 9 09 7 0 0 90 4 0 0 9 2 0 0 0 1 0 2 88 96 1 6 6 52 7 3 3 5 1 0 1 6 2 5l 2 6 2 5 2 0 0 0 1 1 2 89 77 3 1 7 82 3 8 2 21 0 5 6 3 30 8 6 3 3 2 0 0 1 l 1 0l l9 8 1 2 8 1 1 8 7 21 1 0 4 3 30 0 4 3 3 2 0 0 1 2 1 01 1 51 2 6 5 9 91 3 5 9 91 1 13 3 9 40 1 6 0 6 2 0 0 i 3 1 01 2 91 8 4 6 6 45 5 6 6 41 1 6 0 3 7i 2 9 6 3 2 0 0 l 一4 一l o1 3 1 3 2 1 9 1 91 9 0 9 1 91 1 8 4 1 01 2 5 9 0 2 0 0 1 5 1 01 2 31 1 7 9 6 0 81 0 5 6 5 0 81 2 0 5 5 30 2 4 4 7 2 0 0 l 6 i o1 1 7 7 3 4 1 7 7 8 5 1 1 7 71 2 2 4 9 70 5 4 9 7 1 2 东南大学硕士学位论文软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 嵌的 0 考 警4 0 0 8 各2 0 0 叶 薯 o 0 印 莹 8 妻加 o s o k 1 5 6 0 0 撼薅曲线s q k l 5 嘲 h 沉簿曲线 i 器秘 峨士h l 蔓毫粗争 罩 埘竹 l j 0 4 匀 若0 锄 锄 j 4 i i i 啐 毒 一 加04 8 0 t 柏 釉 t 埒 图2 4k 1 5 9 0 0 断面的沉降拟台曲线 起点为a 点 硐k 鞠 动沉降曲线 一 一 舻 妒一多 o 多一 rt 斗 o1 抛3 枷5 0 3 0 2 0 言1 0 暑o 1 0 伽 s q i c l 溅降雎线 i l r 和聿 镰 如讳饥 01 0 02 0 03 1 0 4 3 05 3 06 0 07 d 08 9 0 0 1 0 0 0 t 田 图2 5k 1 5 9 0 0 断面的沉降拟合曲线 起点为b 点 2 i 2 灰色系统法 灰色系统理论是8 0 年代由我国学者邓聚龙教授提出并发展的 其基本思想是对无规则的数据序列作 一定变换 得到有一定规律的数据 从而可以用曲线比较准确地逼近 在灰色系统理论研究中 灰 指 信息不完全 工后沉降和最终沉降的预测就是一个灰色问题 一般意义的灰色模型为g m n 表示对 东南大学硕士学位论文 软土地基的工后沉降预测及处理效果评价 h 个变量建立 阶微分方程 在沉降预测中实际应用最多的是g m 1 1 模型 1 等时距灰色系统法 以上标 0 表示原始序列 上标 1 表示累加生成序列 g m 1 1 模型的预测步骤为 1 对原始序列做累加生成 t 一旧 k 1 2 n 2 9 i f f i l 2 建立相应微分方程 d x d 甜 1 6 d t 用差商替代微分得 一 a 工t h 1 z i 1 6 z 3 定义矩阵 i x 2 o 矿 石 7 i 一0 5 z i 工2 1 i b l i i 一 5 0 5 x 一1 z 1 l l 一 x 一1 z i 矿盯冶7 4 得到拟合的预测方程为 x x 1 一b a e 一4 一 b a i 1 5 累减还原 0 1 i 0 1 z i 工l x l l k 2 工l z l 2 1 0 2 一1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 一1 8 0 o 于是可以得到对原始序列的拟合值 k 1 2 n 以及对未来的预测值以 h 1 该法的所需数据较少 通常只要4 个以上即可建模 但缺点是所用原始数据必须是等时距的 2 连续型直接数据g m 1 1 模型 1 4 东南大掌硕士学位论文软土地基的工屠沉降预测及处理效果评价 在普通g m 1 1 模型中 要求原始数据必须是等时距的 而工程中实际观测的数据很难满足这一要 求 考虑到软土地基在恒载后的沉降量只是时间的函数 所以可考虑采用连续型直接数据g m 1 1 1 模型 值记录的 所以白f 开始的观测数据值可直接作为计算序列 记为 x b f i 1 2 设其 坐 似 o 2 1 9 口7 b 一 b 7 儿 2 2 2 l 一0 5 工 o f 1 z 2 r2 1 l b i i 2 2 3 i 0 5 z o t 一1 x o f i i y 兰 生2 二兰 g 12苎 1 2 2 二兰 三兰2 兰 生2 二兰 1 2 2 2 2 4 l f 2 一t it 3 一f 2t 一t hj 2 2 7 东南大学硕士学位论文软土地摹的工后沉降预测及处理效果评价 其中 d y x f x f r 这样 经过两次参数拟合得到 0 a xf 外 c p 叫 b 把任意时刻f 代入式 2 3 0 就可以得到该时刻的累计沉降量 时刻分别代入式 2 3 0 两者相减即可得到工后沉降量 2 2 温州瓯江二桥接线软土地基处理效果评价 2 2 1 温州瓯江二桥接线简况 2 2 8 2 2 9 2 3 0 把到达使用年限的时刻和工程完工 温州瓯江二桥接线是同江至三亚国道主干线位于浙江温州境内的 部分 它位于瓯江南岸 起点在 温州龙湾区状元镇 k 9 7 0 0 终点在温州南白象镇 k 1 7 1 0 0 全长7 4 k m 路基宽度2 4 5 皿按高速公 路标准修建 沿线软土层以淤泥为主 兼有淤泥质粘土 成因以全新统湖海积为主 局部为海积 该地层近山边 地带 厚度为4 6 口 山岙段达2 0 4 5 m o 淤泥层土体的天然含水量为5 8 9 8 4 4 天然孔隙比为 1 6 5 8 2 2 7 8 压缩模量为0 9 8 l 9 2 a p a 天然密度为1 5 3 1 6 3 船v 研3 直剪的内聚力为6 1 8 k p a 内摩擦角为1 4 其地表有一层厚0 8 1 2 的硬壳 该地层在山边坡面上为坡积或坡洪积成因的 碎石混粘性土层 其它为湖海积成因的软塑状含有植物根茎的粘 地基处理措施采用了粉体搅拌桩和塑料排水板加土工格栅两种方案 其中粉体搅拌桩的处理长度为 3 3 4 k i n 塑料排水板加土工格栅的处理长度为1 3 7 k m o 在施工过程中k l l 0 8 0 k 1 1 2 6 0 路堤曾经出现 裂缝和滑移现象 后经过方案论证采用反压护道进行处理 路堤填筑于1 9 9 7 年开始 1