山区公路低凹湿软地基处治技术及质量通病防治.doc

山区公路低凹湿软地基处治技术及质量通病防治1、概述岩土工程勘察规范中规定：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应判定为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭土等，其压缩系数大于0.5Mpa-1，不排水抗剪强度小于 30kPa。软土具有下述基本特性：高含水量、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点。地基的软土对象分类有：软土、淤泥及淤泥质土、冲填土、较软弱土和动力失稳土。本项目区软土主要为淤泥、淤泥质土和冲填土呈零星透镜体状分布于冲积平地和丘间洼地。顶面埋深0m，底面埋深1.5m4.1m，厚度一般为13m，局部深达4.1m，分布于浅表。2、软基处治方法软基处治方法很多, 归纳起来有五大类, 即置换、排水固结、振动挤密, 胶结和加筋等。在公路工程方面经过多年来的优选和实践,除在一些试验工程还选用一些新的方法外, 较多的工程则选用常规的、传统的方法, 即置换、固结排水和振动挤密等方法。这些方法的特点是技术可靠, 经济适用、施工容易、效果显著且不受时空限制, 故值得推广应用。2. 1浅层处治浅层处治适用于表层软土厚度小于3m 的软土路段。2. 1. 1砂垫层用于软土层距地面不深且厚度较薄时, 不必采用深层处治或仅用堆载加压即可使其达到沉降稳定的情况。砂垫层的作用是为了加固地基和增强排水, 因此砂垫层的质量很重要。它取决于砂粒大小和含泥量多少, 一般以中、粗砂和含泥量少于3% (质量分数) 为宜, 同时又应注意其厚度和设置位置, 目前厚度多控制在5080 cm , 改变了过去仅用30 cm 的状况。其原因是地基原地面施工前虽然平整, 但不一定理想, 如出现凹凸不平, 其厚度不尽人意等情况。因此, 为了保证处治效果, 应适当地增加厚度。同时处理路段地基湿软时, 应先在原地面上铺一层山土, 经轻压后, 再在其上铺砂垫层, 以便充分发挥砂垫层的排水作用。当路段采用砂路堤且砂本身粒径和纯净度良好时, 不必再专门铺砂垫层。同时原地面有硬壳层时应加以保护, 砂垫层可直接铺在硬壳层上。2. 1. 2换填当软土层距地面较近, 厚度较薄, 甚至地面上有鱼塘、虾池或稻田时, 往往表面存在有淤泥, 此时可直接将这些淤泥、软土挖掉, 换填以优质砂砾或适宜的选料, 以彻底消除其隐患。2. 1. 3抛石挤淤一般用于当泥沼及软土厚度小于3. 0m, 且其软层位于水下, 更换土壤施工困难或基底直接落在含水量极高的淤泥上的情况。抛石料一般以片石为宜, 所用片石一般不小于30cm , 挤淤的处治深度与抛石路堤自重所产生的地面变形有关。其实质是使土基产生整体剪切滑移破坏而达到置换软土的目的。抛石挤淤仅适用于极软塑、流塑的软土。为了在排淤中土基产生整体破坏性时, 不使路堤的整体性受到大的影响, 在抛石挤淤后, 还应在路堤底、地表上铺设网状土工织物, 为达到排水及隔离的作用, 网状材料或土工布应铺在砂或砂垫层下, 砂垫层一般为30 cm 厚。抛石挤淤简便、经济, 但淤泥较厚时, 选用此法需慎重。2. 2深层处治对于表层软土厚度大于3m 或软土层较厚、距地表较近时, 或路基范围内既有较厚软土又有土质良好的山丘从而产生差异沉降时, 应进行深层处治。2. 2. 1排水固结加固法其原理是在软基中设置袋装砂井或塑料排水板, 利用路堤重量分级加载, 使软土中的孔隙水排出后逐渐固结, 地基因而产生压密沉降, 同时地基强度也逐渐提高的一种方法。常用在人工构造物与路堤相邻的过渡段, 以达到控制严格的工后沉降的要求。(1) 塑料排水板是将带状塑料排水带用插带机将其插入软土中，然后在地基面上填土预压，土中水沿塑料排水带的通道逸出，从而使地基土得到加固的方法。塑料排水带应具有良好的透水性和强度，其排水功能的好坏, 取决于本身质量的优劣。因此应用原生塑料制成, 以免在施工时拉断或折裂; 其次是插入土中时应按设计要求位置和深度垂直而下, 不要让其偏斜和减短。(2) 袋装砂井一般用直径70 cm 塑料编制袋内装粗砂、中砂, 装实后直接打入土中。在砂料就地可取的地区, 是比较经济的, 但应注意其直径变化, 也应控制其插入长度, 防止长的袋装砂井因重量大发生拉断现象。若根据计算确定需要很长砂井时, 可考虑用塑料排水板或类似的复合排水体代替。砂桩中的砂粒要注意粒径粗些、杂质少些, 防止堆放场地的泥土污染砂源。采用上述两种材料一般均能起到排水固结作用, 且由于其单价低, 施工简单, 操作容易, 效果良好, 已成为公路软土地基深层处治的常用方法。2. 2. 2土工织物加强法采用编织土工布和土工格栅, 铺设于软基表面, 可单独使用, 也可以联合使用。更多地是在深层处治后铺设。其在土工中的主要作用有反滤、排水、隔离和补强4 种, 可以用来有效地解决软土地基加固的难题。施工时应先在地面填以厚度为30 cm 的中粗砂, 以增加土工织物摩阻力, 充分发挥其调整应力的作用。一般在铺设时采用张拉施工, 并将两端锚固为佳, 而且还要注意材料质量和工艺流程, 如接头处要衔接平整, 材料应检验合格后才能使用。土工织物的作用主要表现在增加软基的稳定性。同时还起着隔离过滤、保持路基填土纯净的作用, 而土工格栅的加强度和抗滑性, 也有其独到的特点。2. 2. 3复合地基法(1) 粉喷桩、旋喷桩都是用水泥(石灰或粉煤灰等) 作为固化剂, 通过深层搅拌机械, 在地下深层将水泥等浆液或粉体经搅拌后产生的化学固化和物理作用形成的桩体, 并与桩固的加强土体形成复合地基, 以增加地基承载力、压缩模量和抗剪切力, 以承担较大的荷载，以减少地基沉降量为目的。粉喷桩是用干粉与湿软土搅拌成桩, 其适用的加固范围为天然含水量大于30% 的淤泥质土、粘性土和粉性土地基。粉喷桩加固深度一般在1520m , 直径一般为50 cm , 水泥用量掺入比为15% 20% ,石灰粉用量掺入比为1215%，但最佳掺入比应根据室内试验确定。旋喷桩是用高压旋喷水泥浆液与软土拌和形成柱体, 旋喷桩直径可喷射成40200 cm 的柱体, 长度也可深些。复合地基法具有施工速度快、加固深度大、效果好、能有效地解决差异沉降、对周围环境污染少等特点。因而目前较多的用于公路中结构物及结构与路基过渡段地基处治工程, 尤其是工期紧迫, 要求限期通车的地段。(2) 碎石桩是利用振冲器, 在高压水流下边冲边振在软土中成孔, 并分批在孔内充填碎石形成桩体, 与挤密土体成为复合地基。为了保证桩基质量, 在施工前应作好地质勘探并取出当地土样, 做室内最佳配合比试验, 以确定合理固化剂掺入量。在施工时要加强监视以保证桩基位置、数量、长度, 以及材料质量和用量, 搅拌次数和冲振情况, 同时还要做取芯检查或其他测试手段, 如触探、荷载试验以了解其加固效果。(3) 强夯置换法适用于软塑至流塑的粘性土等软弱地基, 对于解决差异沉降效果理想。置换材料可用粒径不大于500 mm , 能配良好的碎石类土及砾砂粗砂等硬质材料, 其含量的质量分数不大于5% , 当处理不排水抗剪强度小于20 kPa 的土层时, 宜选用直径较大的块石或碎石等。墩位布置对于公路这样的条形基础来说, 宜按正方形、矩形或等腰三角形布置, 墩的间距一般为36m。处理范围应大于基底面积, 应在处理地基范围外缘增加一排墩。在墩顶应铺设一层厚度为0. 51. 0倍墩净间距的垫层, 最小厚度应大于500 mm , 垫层材料可采用块石、碎石等, 该方法的有效加固深度一般为49m。复合地基比之前几种方法施工时间快, 效果也不错, 但由于动用机械多, 使用材料贵, 相应造价也高。本文结合目前项目的实际情况仅对于常用的路基浅层软基处理中的换填垫层法来展开说明。3、换填垫层法的原理换填法是浅层软土地基的一种处理方法。其方法是将基础地面以下一定深度范围内的软弱土层挖去, 然后以质地坚硬、强度较高、压缩性较小、料源丰富、性能稳定好、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土矿渣等材料分层换填, 同时用人工或机械方法进行表层压、夯、振动等密实处理至满足工程要求的全过程。通过换填处理后, 地基可以满足结构物的基底要求。垫层起的作用至关重大, 其主要表现在以下几点:1) 提高基底承载力。通过换填处理后的垫层, 上部荷载被扩散至垫层下的下卧层, 从而达到上部建筑所需的地基承载力。同时，承载力与地基下土层的抗剪强度有关，垫层材料的抗剪强度较软弱土层的要大得多, 换填后, 可以提高地基承载力, 避免地基破坏。2) 减少沉降量。一般而言, 地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占比例较大( 50 %左右) 。通过垫层置换软弱土层后, 可明显减少地基的沉降量。同时, 通过垫层的扩散作用, 使下卧层土上的压力较小, 这样又可减少下卧层土的沉降量。3) 加速软弱土层的排水固结。不透水基础或透水性差的路堤直接与软弱土层相接触，在荷载作用下, 软弱土层中的水被迫绕基础两侧排除, 从而使基底下的软弱土不易固结, 形成较大的孔隙水压力, 严重者还能造成塑性破坏的危险。当用渗透系数大的垫层材料置换后, 可形成良好的排水通道, 使基础下面的空隙水压力迅速消散, 加速了软弱土层的排水固结和强度的提高。4) 调整不均匀地基的刚度。当基底地质变化明显时, 因各地质层刚度不一, 容易造成不均匀沉降而破坏结构物。通过同一材料的垫层换填后, 利用其本身的刚度条件, 可以很好地改善地基刚度的不均匀性。5) 防止冻胀。寒冷地区的冻胀破坏历来是工程重视的现象之一。通过选用粗颗粒的垫层材料, 利用其孔隙大的优点, 不易产生毛细管现象, 因此可以有效防止寒冷地区土中结冰造成破坏。6) 消除膨胀土的胀缩作用。因垫层能起到不同作用( 可起换土作用, 排水固结作用等) , 并且可根据所换土层性质不同而相应地变化。所以, 垫层可起到消除膨胀土的胀缩作用。4、换填垫层材料的选用按换填材料的不同，垫层可分为素土垫层、砂和砂石垫层、灰土垫层、碎石垫层和废渣垫层等。4.1 素土垫层材料素土垫层的施工顺序是先挖去基础下的部分或全部软土，然后回填素土，分层压实。不宜用于回填地下水位以下土层。素土垫层土料一般宜粘性土为宜，但土料中有机质含量不得超过5%，也不应含有冻土或膨胀土；不应采用地表耕植土、淤泥、淤泥质土或杂填土。施工中基槽内不得地下水，夯（压）实施工时控制土料含水量使之接近最优含水量。分层填筑时，虚铺厚度为150mm300mm。施工中长根据压实系数来控制填土密实度。4.2 砂和砂石垫层材料砂垫层比较土有较大的强度和变形模量，基础底面的压力通过砂垫层的扩散作用分布到较大的面积上，以满足地基稳定和变形的要求。砂垫层的选用一般应选择强度高、稳定性较好的中砂、粗砂和砂砾等。宜选用级配良好、质地坚硬的粒料，使其不均匀系数大于10，材料含泥量不应大于5%，对于用作排水固结的垫层，含泥量不应大于3%，且不宜夹杂过大的石块，否则会导致垫层的不均匀压缩。但施工时，砂垫层中不得含有植物残体、垃圾等有机杂质；砂垫层较其他材料造价较高，应进行比较来使用。5、软土地区换填设计5.1 软土的判别方法高速公路软土一般采用荷兰式轻型动力触探仪以贯入20cm的锤击数小于表一所要求的锤击数进行判别，当采用此法有争议时，应取样进行含水量和孔隙比试验，当试验结果同时符合天然含水量大于或等于液限和天然孔隙比大于或等于1.0时，则判别为软土。高速公路填筑路堤地基承载力要求表 表一路堤高度（m）022668812121616地基承载力要求fo（kPa）130125130145155170标准轻型动力触探击数N30（击）181718202123荷兰轻型动力触探击数N20（击）109101112145.2 软土换填深度的确定荷兰式轻型动力触探仪对软土的判别及其范围和深度的调查。贯入深度为h时所对应的锤击数N20（击次/20cm）大于或等于表一中所要求的软土锤击次数标准时，则此时的贯入深度h即为软土深度。荷兰动力触探试验应在开挖纵、横排水沟后至少连续三个晴天后进行。考虑到荷兰动力触探判断软土深度的误差，如果按要求深度清楚软土后目测仍有软土存在，则必须继续触探以确定重新清楚软土的深度。5.3 软土路基换填处理方案1）、当软土深度在3m以内，且分布范围较小时，作为一般软土地基对待，可采用清除所有软土，回填监理工程师认可的材料（砂砾或碎石土、碎石等）进行处理。2）、当软土深度大于3m，且分布范围较大时，作为特殊软土地基对待。其处理方案视实地情况并参照设计图纸和现场技术办公会议纪要的方案确定。6 、软弱土层的垫层设计垫层设计要求满足对地基变形、强度及稳定性的要求，同时还应具有良好的经济性。垫层设计的主要内容是根据承载力的要求来确定垫层断面的合理厚度和宽度：要求有足够的厚度以置换可能被剪破的软弱土层；有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。对于排水垫层则还要求形成一个排水面，以促进软弱土层的固结。软弱土层的垫层设计主要是通过检测地基承载力来验算置换垫层的厚度。6.1 常用的地基承载力测试方法目前,在公路路基桥涵地基承载力的检测与评定过程中,存在不少问题。主要表现在依据不统一,检测设备混淆,检测结果过于简单,对于重要工程或地质条件复杂时,没有进行必要的室内外试验,简单得出地基容许承载力,使构造物地基承载力无法评定。通过分析比较,并结合公路工程实践,提出了相应的地基承载力检测方法,可作为路基桥涵地基检测的依据。1）、检测方法静载荷试验静载荷试验是在一定面积的承压板上向地基逐级施加荷载,测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。它反映了压板下数倍承压板直径或宽度范围内地基土强度、变形的综合性状,可以测求地基土和各种复合地基的承载力。静载荷试验被认为是检验地基承载力是否满足工程要求的最可靠方法,也是规范规定的标准方法。但是该方法也存在一些问题:第一,设备笨重,试验周期长,受场地条件限制,一个工程只能做少数几个点的测试,主要用于为设计提供资料,不能满足地基处理过程中对施工质量跟踪检测的要求,也不能对地基处理效果做出全面评价；其二,单桩复合地基静载荷试验结果的准确性与载荷板的形状和尺寸密切相关,当载荷板的形状与尺寸与实际复合地基单元块不符时,就相当于改变了桩的布置方式和置换率,试验结果就不具代表性；其三,由于载荷板的大小和加载值的限制,静载荷试验影响的深度范围有限,地基的浅部情况对承载力影响较大；其四,由于试验本身的荷载分级问题,使静载试验的误差在5%10%之间；其五,静载荷试验承载力的取值也存在较大的随意性。触探方法触探分静力触探和动力触探。静力触探是将一定规格的圆锥形探头,按一定的速率压入土中,量测土对探头的阻力,借以推测土的性质;动力触探是利用一定能量的落锤,将与探杆相联接的一定规格的探头打入地基土中,根据探头贯入土中的难易程度来探测地基工程性质的一种现场测试方法。触探是检验地基处理效果的较好手段之一,具有效率高、成本低等优点,适用于软土、一般粘性土、砂土及类似柔性地基的承载力预估,但是它不能模拟地基的实际受力状态,影响成果的因素较多,是较为粗略的定量方法,存在标准化和定量化的问题,另外该方法对于水泥土桩、CFG桩、大块的碎石桩复合地基不易贯入,致使该方法的使用受到限制。波速测试法弹性波在土中的传播速度是反映土的动力特性的一项重要参数。由此可以确定地基的动剪切模量和动弹性模量,进而求出地基承载力。通过对加固前后弹性波速度的比较,可检验地基的加固效果。该方法主要是通过用测试桩和桩间土的剪切波速或瑞利波速,进而求出复合地基承载力的一种方法。瑞利波是在地表进行施测,具有方便、快速、成本低的特点,随着电子技术和计算机技术的发展,近十年在国内得到了迅速的发展,该方法是利用桩和土动力学性质,测得桩和桩间土的瑞利波速,利用地基承载力与波速的相关关系,推算出地基承载力。由于瑞利波速度反映某一频率波长深度内地层的平均波速,因此可用平均值来表示地层的物理力学性质,改变激振器的振动频率,瑞利波的波长也随之改变,频率增大,波长变小;频率降低,波长增大,勘探深度加深,所以瑞利波法可以分层计算某一深度地层的平均物理力学参数,瑞利波法测试地基的剪切波速度的理论和方法技术已趋成熟,然而如何把波速参数转换成承载力值,仍需要针对不同的地基类型,做大量的实验研究工作,建立其数学物理方程以及经验数据库,提高该方法的实用性。动力参数法该方法是根据动力学原理,分别测出复合地基中桩和土的自振频率和初速度,计算出桩和土的抗压刚度系数,再根据抗压刚度系数和承载力的关系计算出桩土各自的承载力,最后按桩土承载力分担公式,计算出复合地基承载力。利用动力参数法检测桩基承载力,已有可靠的理论和较为成熟的经验及应用实践,但是用于检测复合地基承载力尚处在试验阶段,欲保证承载力的测试精度,必须保证参数和动静关系的可靠性。在动参数中,自动频率及参数质量的确定至关重要,但是在频谱分析图中,有效频率幅值不一定是最大的,因而不一定形成频谱分析图中的主频峰,另外带宽不合适,会使有效频率隐藏或模糊,也会给有效频率的确定带来困难。有效频率确定不准,会给承载力的计算带来很大的误差,故该方法在确定有效频率时,需要有相当的经验。在动参数可靠的基础之上,应根据不同的地基类型,通过相当数量的动静实测对比,进行统计分析,以确定可靠的动静转换系数,以保证检测成果的可靠性。附加质量法附加质量法,在形式上是载荷板试验的模拟,即通过在载荷板上附加一定的质量块,用重锤激振旁土,测出每级荷载作用下 “附加质量载荷板地基”所组成体系的自振频率,建立自振频率与附加质量之间的关系,进而求出地基动刚度或刚度系数,再根据动静关系求出地基承载力。附加质量法是建立在单自由度线性振动体系模型之上的一种方法。故实体与模型是否有较好的等效性是决定该方法能否应用的关键。凡是实测地基系统与该方法的理论型模型足够相似或等效,采用该方法就能获得良好的效果,故该方法适用于弹性较好,满足单自由度体系的天然地基,各种复合地基及单桩承载力的测定;对于橡皮土、板结层、横向弹性不对称等类地基,效果不太理想,但是该方法可以利用自身的特点,检验方法的有效性,“多级附加质量法”可以利用自振频率(f)随附加质量(m)增大而减小的规律去检验具体的测点与模型的等效性,如果这种规律明显,证明等效性是好的,测出的参数是可靠的。这种方法具有广泛的适用性、足够的可靠性、设备简单、测试速度快等优点。但是附加质量法毕竟是一种间接方法,是通过测定动参数去测定承载力的,不能测出相应某一承载力的地基静变形,因此它不能替代静载荷试验,相反它还必须借助于静载荷试验,去建立其动静关系,方可提供较准确的承载力值。6.2 项目实际中常使用的检测方法项目一般常采用标准轻型动力触探仪按承载力标准的要求进行试验和验算，通过公式fo=N308-20(kPa)和在预估换填垫层厚度Z深度下标准轻型动力触探仪的锤击数N30进行验算。6.3 路基基底垫层厚度的确定垫层厚度的确定以垫层底面处土自重压力与附加压力之和不超过同一标高处软弱土层的地基承载力设计值为标准， 换填垫层厚度Z应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求： Pz + Pcz faz （1）式中 Pz-垫层底面处的附加应力设计值（kPa）；Pcz-垫层底面处土的自重压力值（kPa）；faz-经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。在实际设计中，一般根据下卧层承载力确定垫层厚度。垫层厚度先根据经验初步拟定，然后按照式（1）校核。厚度值一般在0.5m3m范围内，若太小则垫层作用不显著，若太大则施工较困难且不经济。垫层底面处的附加应力值Pz可按压力扩散角进行简化计算：条形基础： Pz=b(P-Pc)b+2ztan （2）矩形基础： Pz=bl(P-Pc)(b+2ztan)(l+2ztan) （3）式中 b-矩形基础或条形基础底面的宽度（m）； l-矩形基础底面的长度（m）; P-基础地面压力的设计值（kPa）； Pc-基础底面处土的自重压力值（kPa）； z-基础底面下垫层的厚度（m）; -垫层的压力扩散角（0），可按下表1采用。表1 压力扩散角（0）z/b 换填材料中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石、碎石粘性土和粉土（8IP14）灰土0.25206280.503023注：当z/b0.25时，除灰土仍取=28o外，其余材料均取=0o； 当0.25z/b0.5时，值可内插求得。6.4 路基基底垫层宽度的确定 垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法一般按下式计算或根据当地经验确定。 bb+2ztan （4）式中 b-垫层底面宽度（m）； -垫层的压力扩散角（0），可按表1采用；当z/b0.25时，仍按z/b=0.25取值。垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。6.5 涵洞基底垫层厚度的确定垫层厚度一般根据垫层底部下卧层的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力而确定。其值应符合下式要求: H (5)式中：H-垫层底面处的计算压应力, kPa;-垫层底面处软土地基的容许压应力, kPa。对矩形基础, 可按下式计算: H=abab+(a+b+34hstan)hstan+h+s hs （6）式中：-有荷载引起的基础底面的平均压应力，kPa; -原地面至垫层顶面之间的土层容重，kN/m； s-垫层容重，在地下水位以下时应扣除水的浮力，kN/m。6.6 涵洞基底垫层底面尺寸的确定垫层的底面尺寸应满足应力扩散的要求，矩形基础垫层的底面尺寸可按下式确定：A=a+2 hstan ， B=b+2 hstan其中，a，b为基础的长度和宽度，m；A,B为垫层的长度和宽度，m；hs为垫层的厚度；为垫层的扩散角。7 、换填垫层的施工1）换填垫层施工时应注意基坑排水，除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采用降低地下水位的措施。2）基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再挖至设计标高。严禁扰动垫层下的软弱土层，防止其被践踏或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150300mm厚的砂垫层或铺一层土工织物，以防止软弱土层表面的局部破坏，同时必须防止基坑边坡坍土混入垫层。3）垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。4）垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾。粉煤灰宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。垫层的压实标准可按表二选用：施工方法换填材