路基路面工程第五章.ppt

路基路面工程,Subgradeandpavementengineering,河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室,主讲：徐平,5路基防护与加固,河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室,1,2,3,4,8,概述,坡面防护,冲刷防护,软土地基加固,目录（contents）,第一节概述,一、意义目的,1路基改变了原地层的天然平衡状态；2岩土在不利的水温状态条件作用下，物理力学性质将发生变化。如：浸水后湿度增大，土的强度降低；岩性差的岩，在水温条件变化下，加剧风化；路基表面在温差或湿差作用下形成胀缩或干湿循环，可导致强度衰减和剥蚀；地表水流冲刷，地下水源浸入，使岩土表层失稳，易造成和加剧路基的水毁病害；沿河路堤在水流冲击、掏刷和浸蚀作用下，易遭破坏；湿软地基承载力不足，易导致路基沉陷。因而可能会产生各种形态的破坏。,路基防护与加固的意义是：对维护正常的交通运输，确保行车安全，保证公路使用品质，提高投资效益，以及保持道路与自然环境协调。,5路基防护与加固,二、路基防护与加固分类按防护与加固的目的与作用分类：1、坡面防护保护路基边坡表面，以防受到自然因素的破坏（雨水冲刷、干湿及冷热循环作用，以及表面风化等）2、冲刷防护（堤岸防护与加固）主要使沿河路堤，不致受到水流的冲刷、淘空和浸软。3、支挡建筑指各类挡土墙，主要用以防止路基变形或支挡路基本体以保证其稳定性。4、地基加固指提高湿软地基的承载能力的措施。,5路基防护与加固,三、防护与加固的区别防护工程防止冲刷和风化，主要起隔离作用的措施。加固工程防止路基坍滑，主要起支撑作用的支挡结构物。区别：防护工程主要用于路基本身稳定，即防护工程本身没有或很少有承受外力作用的能力。加固工程主要用于路基本身不稳定，即本身具有承受外力作用的能力。,5路基防护与加固,路基防护分类图,5路基防护与加固,各种各样的防护与加固工程,5路基防护与加固,四、路基防护与加固的原则,因地制宜，综合治理；预防为主，防治结合；对于主要隐患和地下害源（如软弱基底和有害的地下水源等），宜先治患后筑路；对于某些附属设施，如坡面防护或路基用地范围以外的防护与加固设施，按其轻重缓急，分期实施，逐步完善；各项工程技术措施，尤其是造价高、工程技术复杂的措施，应作方案分析比较，讲究实效和经济效益；注意环境，配合景观，增进路容的美化与协调。,5路基防护与加固,路基边坡表面的防护：主要是防止地面水流的冲刷，而且将坡面封闭隔绝，可以避免与大气直接接触，阻止岩土进一步风化破坏。沿河路基的坡面防护：特别是浸水部分的坡面与坡脚防护兼有加固的作用，可防止水流的冲刷、冲击和淘空。干旱地区的路基坡面防护：主要目的在于防止风蚀或积沙。坡面防护设施，本身不承受外力作用，必须要求坡面岩土整体稳定。,第二节坡面防护,5路基防护与加固,坡面防护的前提：要求路基应有适合于边坡土质的断面形式及稳定边坡坡度。坡面防护设施有：植物防护（生命防护）和工程防护（无机物防护）各种坡面防护,5路基防护与加固,一、植物防护,植物防护（包括植草、铺草皮和植树）主要适用于较缓的土质或严重风化的岩质边坡。植物防护的原理：依靠比较发达的根系，深入土层，使表土固结；植物茎叶覆盖坡面，可以调节表土的湿度，保持湿润，防止扬尘风蚀；植被阻滞地面迳流，阻止冲刷，有利水土保持。,5路基防护与加固,植物防护的种类：1、种草：2、铺草皮：3、植树。,优点：美化路容，协调环境，调节边坡土温湿，起到固结和稳定边坡作用。适用条件：边坡较缓，坡度小，土质种草：i1：1,地表径流v0.6m/S草皮平铺，水平叠铺，垂直坡面方格,5路基防护与加固,二、工程防护,工程防护采用砂石、水泥、石灰等矿质材料进行坡面防护。主要采用隔离原理防止风化。1.灌缝：借助灰浆的粘结力，使坡面胶结成整体，防止岩块坠落或坍塌；同时阻止雨水及有害杂质浸入缝穴，以防边坡失稳破坏。2.勾缝：防止坡面水流入缝隙而引起病害。3.喷浆：将表面封闭，阻止面层风化，以防止边坡剥落和零星碎落。,5路基防护与加固,4.抹面：将表面封闭，阻止面层风化，以防止边坡剥落和零星碎落。5.护面墙：浆砌片石坡面覆盖层。6.砌石防护（干砌和浆砌）：防止地面水流或河水冲刷。,5路基防护与加固,第三节冲刷防护,沿河路堤，因河道变迁与水位涨落，经常受到冲刷作用，因此路基必须防护，才能确保其稳定。水流冲刷作用，包括动水压力、波浪压力、冰体压力，及其他要素（如壅水高度、冲刷深度、防护层厚度），均需在设计时予以计算与分析，据此选择相应的防护措施。因水流性质变化较大，防止冲刷的方法有多种。各种方法大致可以归纳为直接防护和间接防护两大类。,5路基防护与加固,第三节冲刷防护,冲刷防护包括直接防护和间接防护。直接防护加固堤岸边坡。间接防护改变水流性质。冲刷防护的前提是搞好事前的水文地质勘察，亦包括风浪作用及附近河段两岸现状的有关资料收集。,5路基防护与加固,一、直接防护,直接防护是指对河岸或路基边坡所采取的直接加固措施目的：抵抗水流冲刷和掏刷作用特点：尽可能不干扰或很少干扰原水流的性质，因而对防护地段的上下游及河对岸影响轻微。应有足够的强度和稳定性，并能够经得住最不利情况的考验。如情况估计不足，或单纯为了减少投资而采用不适当的简易防护措施，往往产生防护失效和破坏，因此，可以认为此类防护是被动式的措施。,5路基防护与加固,适用场合：在水流速度较缓，流向与堤岸接近平行，或在宽阔的河滩、凸岸、台地边缘等水流破坏作用较弱的地段优先选用。山区河流有时河槽呈“V”形，其纵坡较陡、流速较大，水流的破坏作用强烈，如果由于受地质的限制而难以人为改变水流性质时，则不得不采用直接防护措施，此时必须着重考虑防护体的坚固稳定。直接防护措施：植物防护、砌石防护流速较小抛石、石笼、石垛、柔性板河抗滑桩流速较大、浸水部分,一、直接防护,5路基防护与加固,直接防护包括：植物防护、石砌防护或抛石与石笼防护，以及必要时设置的支挡（驳岸等）。植物防护、石砌防护（同前，但要求高）；抛石：适用于水流方向较平顺，无严重局部冲刷而被水浸的路堤边坡和河岸；石笼：适用于受洪水急流冲刷和风浪侵袭的地段；浸水挡土墙：在峡谷急流地段，为防止路基挤占河床。,5路基防护与加固,二、间接防护,采用导流或阻流的方法，改变水流性质，或者迫使主流流向偏离被防护的路段，也可减小流速，缓和水流对被防护路段的作用，改变河槽中冲刷和淤积部位，以及必要时改变河道等，均属于间接防护。特点：间接防护构造物侵占一部分河床断面，因而不同程度上压缩和紊乱原来的水流，使得当冲部位受到特别强烈的冲刷和掏刷作用，因此这些部位应有比较坚固的加固措施。间接防护实际上是转移目标。适用场合：当河床较宽，冲刷和淤积大致平衡，水流性质较易改变，且有条件可以顺河势布置横向导流构造物时，宜采用间接防护措施。如果需要防护的路段较长，则更宜采用。因为在此条件下，采用间接防护不仅效果好，比较主动，而且经济效益往往高于直接防护。,5路基防护与加固,第三节冲刷防护,二、间接防护,常用的间接防护措施有：丁坝、顺坝、格坝丁坝（挑水坝）：坝根与河岸相连接，坝头伸向河槽，与水流成一角度；作用：将水流挑离河岸或路基，改善流态顺坝（导流坝）：坝根与河岸相连接，坝身与导流线基本重合或平行；作用：导流、束水、调整流水曲线，改善流态。格坝：格坝在平面上成网格状，设与顺坝与堤岸之间。作用：防止高水位时水流溢入冲刷坝内岸坡或坡脚，并促进格间的淤积。,5路基防护与加固,第三节软基处理,一、处理方法种类以及选择,处理目的：a、沉降处理：加载预压法、竖向砂井（插塑料板）、挤密砂桩b、稳定性：换填土、反压护道、加石灰桩,二、选择处理方法,1、考虑地基土质、土层结构层；2、道路性质、路基高度与宽度；3、考虑施工工期、材料的供应情况、施工机械实力。,5路基防护与加固,在路堤设计时应考虑：1.地基的承载力是否足以保证路堤的稳定性；2.由压缩性土的固结变形而引起的路堤沉降（沉降量和沉降速率）是否影响路基路面结构的正常使用及其使用寿命。为提高路堤稳定性或减少沉降量或加速固结，需要采取的地基处理措施。,第三节软基处理,5路基防护与加固,各种地基处理方法,5路基防护与加固,一、砂垫层法,砂垫层在软土地基上铺设厚度为0.51.2m的砂层。适用于软土层不厚，当地有砂运距不远，施工期不紧迫作用：1)作为软土层固结所需要的上部排水层（配合其它固结排水措施）；2)作为路堤内的底部排水层，以降低路堤内水位或疏干路堤内湿度；3)改善路堤和地基处理工程施工时的机械作业条件；4)软土层薄时，单独用作地基处理（固结排水）措施。,5路基防护与加固,材料：以透水性好的砂或砂砾为宜。垫层处理方法,5路基防护与加固,二、换填土法,换填土法用好土（强度较高和透水性好的材料）全部或部分替换软土的方法。适用于软土层较厚，稠度大，路堤高、施工期紧迫作用：提高地基的承载力和降低沉降量。施工方法：开挖和强制挤出。开挖方法：全部开挖换填在路堤全宽范围内将需要处理的软土层挖除，并置换以好土。适用于软土层厚度为3m以内，路堤需在短期内填筑完成的情况。,5路基防护与加固,部分开挖换填仅挖除表层最软弱部分的软土，换填以好土，使沉降量减少到可接受程度（挖填深度为2m以内）。强制换填法利用路堤填土重力将软土从路堤下向两侧或前方挤出；或者将炸药装入软土层内，通过爆破将软土挤出。换填材料：宜选用排水性能好，处于地下水以下能保持有足够承载力的砂、砂砾及其它粗粒料。,5路基防护与加固,三、反压护道法,反压护道当路堤填筑高度超过地基不作处理时所能容许的安全高度（极限高度或临界高度）时，路堤和软土层达不到要求的滑动破坏安全系数。可在路堤两侧填筑一定高度和宽度的护道。作用：利用护道的填土重量增加稳定力矩，以平衡主路堤的滑动力矩。适用条件：非耕作区，路堤高度不大于（5/32）倍极限高度的情况。,尺寸：反压护道高度是整个路堤高度1/21/3,反压护道边坡与原路堤边坡一致。,5路基防护与加固,四、分阶段施工,分阶段施工路堤填筑到一定高度，放置一段时间，再进行第二阶段的施工，重复多次，填到设计高度为止。原理：利用土的固结特性。适用条件：在软土层初始剪切强度太低，不足以保证路堤稳定性时，采用分阶段施工方法。但总工期很长，特别是土固结很慢的情况下。同时，这种方法有一最大限度的填土高度，超出此高度，分阶段施工仍然不能保证路堤的稳定性。,5路基防护与加固,五、超载预压法,超载预压法路堤填筑到超过设计标高的高度，使软土地基受到超载的作用而加速固结沉降。目的：较早地达到设计路堤荷载的沉降量，并减少路面铺筑后的剩余沉降量（控制在容许范围内）。其它方法：采用真空预压法或降低地下水位法等。,5路基防护与加固,六、竖向排水固结法,竖向排水固结法在地基内设置排水井，缩短排水距离，加速固结排水。目的：运用堆载预压，挤出土中的过多含水，达到挤紧土粒和提高强度。适用条件：均匀的厚粘土层而渗透性小、路堤较高。排水材料：砂井、预制芯板等。,5路基防护与加固,引入排水单元，降低地下水位，使土固结方法：a、砂井法施工方法：强行打入法，螺旋钻法形状：正方形、三角形深度：1520m直径：2030cm井间距：(810)db、塑料板法:带宽10cm，厚几个毫米5cm砂井，最小间距0.6m,5路基防护与加固,七、挤密桩法和加固土桩法,挤密桩用冲击或振动方法，将砂或碎石等粒料挤入软土地基内，形成直径较大的桩体，并同原地基一起形成复合地基。作用：1)使桩周围的土体变密实；2)支承路堤很大一部分重量；3)加速周围软土的固结；4)防止液化（砂土地基时）。,5路基防护与加固,挤密桩（砂桩）砂桩作用：a、使周围土体变密实；b、承担部分路堤荷载；c、加速软土固结。与砂井的区别：a、形状相同，作用不同；b、砂井主要用于排水，故井径较小，间距较大，而砂桩间距较小；c、砂井适用于过湿软土层，而砂桩适用于松砂、乱填土及普通软粘土。石灰桩：a、化学反应原理起作用b、施工方法：旋转喷浆法c、桩的直径0.30.5m，间距0.751.5m，深度可达dmax30m,5路基防护与加固,石灰桩采用螺旋钻在软土层内开孔或用末端闭合式套管压入软土层内，而后将水泥、生石灰、粉煤灰等加固材料灌入孔内，利用加固材料的吸水消解和生成水化物等，降低周围粘性土中的含水量，从而提高地基的强度和减小沉降量。,5路基防护与加固,挤密桩法和加固土桩施工现场,喷射粉体搅拌法,深层拌合法,5路基防护与加固,八、重锤夯实法,重锤夯实法以钢筋混凝土制成截头圆锥体（底部垫钢板），重量宜1.5吨左右，落高2.54.5m，对地基进行夯实（812遍）。适用条件:地下水位0.8m以下稍湿的一般粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土等。目的：提高地基表层土的强度。,5路基防护与加固,强夯法（动力固结法）以812t（甚至200t）的重锤和820m（最高达40m）的落距，对地层表面进行强力夯击，利用冲击波和动应力使地基土密实，达到加固的目的。,5路基防护与加固,重锤夯实施工现场,5路基防护与加固,九、化学加固法,化学固结法利用化学溶液或胶结剂，采用压力灌注或搅拌混合等措施，使土颗粒胶结起来，达到对土基加固的目的。目前采用的化学溶液有：1)以水玻璃溶液为主的浆液2)以丙烯酸氨为主的浆液3)水泥浆液4)以纸浆溶液为主的浆液,5路基防护与加固,工艺有：注浆法利用机械压力将浆液通过注入管，均匀注入地层，浆液以填充和渗透方式，排挤土粒间或石隙中的水分和空气，占据其位置，一定时间后，浆液凝固，可使原土层或缝隙固结成整体。旋喷法和深层搅拌法,5路基防护与加固,本章习题,一、名词解释1.排水固结法2.换填土层法3.重锤夯实法4.坡面防护5.堤岸防护6.冲刷防护7.强夯法8.化学加固法二、思考题1.路基防护与加固的目的和意义是什么？2.路基直接防护与间接防护主要有哪些区别？3.路基防护与加固工程，按作用不同，可分为哪几类？4.试述植物防护的作用、类型及适用条件。5.试述工程防护的作用、类型及适用条件。6.试述堤岸防护与加固的用途及措施。7.试述换填土层法、砂井堆载预压法的原理。8.常见的地基加固的方法主要有那些？各适用于什么场合?,5路基防护与加固,高压旋喷在桥梁基础加固中的应用研究,徐平,河南理工大学土木工程学院道路与桥梁教研室,高压喷射注浆的基本原理,1,高压喷射注浆法的特征与适用性,2,高压旋喷桩的加固机理,3,4,高压旋喷桩的施工工艺,5,工程实例,6,1,高压旋喷桩的技术指标,1高压喷射注浆的基本原理,1.1高压喷射注浆的定义与种类,高压喷射注浆就是用钻机把带有喷嘴的注浆管钻进至土层预定深度后，以2040MPa的浆液或水从喷嘴中喷出，形成喷射流冲击破坏土层，一部分细粒土随浆液或水冒出地面，其余土在射流的冲击力、离心力和重力的作用下与浆液搅拌混合，并按一定浆土比例有规律的重新排列，浆液凝固后，便在土层中形成固结体。,高压喷射注浆最早在日本出现，历经发展变化，现在技术日趋成熟。,高压喷射注浆法分类,按旋转方式可分为：定喷、摆喷和旋喷,单管旋喷,二重管法,三重管法,2高压喷射注浆法的特征与适用性,特点,特点,适用范围广,安全无公害,施工方便,材料广、价格低,可以垂直喷射也可以水平喷射,可控制固结体形状,应用范围：,已有建筑物和新建建筑物的地基处理，提高地基强度，减少或整治建筑物的沉降或不均匀沉降；深基坑侧壁挡土；隧道、边坡加固等,意大利比萨斜塔,江苏虎丘塔,高压旋喷法加固地基机理主要体现三方面：高压旋喷流切割破坏土体作用，喷流以脉冲形式冲击土体，使土体结构破坏出现空洞；混合搅拌作用，钻杆在旋转和提升的过程中，在射流后面形成空隙，在喷射压力作用下，迫使土粒向与喷嘴移动相反的方向（即阻力小的方向）移动，与浆液搅拌混合后形成固结体；压密作用，高压喷射流在切割破碎土体的过程中，在破碎带边缘还有剩余压力，这种压力对土层有压密作用。,3高压旋喷桩的加固机理,（1）高压喷射流高压水喷射流是通过高压发生装置，使它获得巨大能量后，从一定形状的喷嘴，用特定的流体运动方式，以很高的速度持续喷射出来的、能量高度集中的一股液流。高压水经过喷嘴形成高速水流，其能量由潜能变为动能，其速度和功率可按下列水力学公式计算：,（2）高压喷射流对土体的作用高压喷射流冲切破坏土体的作用，随着土的物理力学性质和喷射环境的不同而不同，其高压喷射破坏土体的机理可分解为喷流动压、喷射流的脉动负荷、水块的冲击力、空穴现象、水楔效应、挤压力和气流搅动等7种作用力。7种作用力在喷射流的冲击点上同时产生作用，并使高压喷射流高能、高速集中和连续地作用于土体上，压应力和冲蚀等多种因素总是同时密集在压应力区域内发生效应，当这些外力超过土体结构的临界值后，土体便道到破坏，由整体变成松散状，随着喷射流的连续冲切和移动，土体破坏的深度和范围不断扩大。,（3）旋喷成桩原理在旋喷注浆过程中，高压喷射流在慢速旋转的同时缓慢上升，把土体切削破坏，扩大钻孔，其加固的范围就是喷射距离加上渗透部分或挤压部分的长度成为半径的圆柱体。剥落下来的一部分细小的土颗粒被喷射的浆液所置换，在喷射动压、离心力和重力的共同作用下，在横断面上土粒按其质量大小有规律的排列起来，小颗粒土在中部居多，大颗粒土多在外侧和边缘部分(四周未被剥落的土粒则被挤密压缩)，成为一种新型的水泥土网状结构。经过一定的时间便凝固成强度高、渗透系数小的旋喷桩固结体。固结体各部分的水泥含量和强度不同。经实测资料表明，旋喷桩的平均抗压强度为半径的0.8倍处的强度。,（4）水泥与土的固化原理旋喷固结体是一种特殊的水泥土网络结构。水泥土的水化反应比纯水泥浆反应复杂的多。由于水泥土是一种空间不均匀材料，在高压旋喷搅拌过程中，水泥和土被混合在一起，首先是土体被粉碎，随着压力的增加，土被打碎成各种粒径的颗粒，在颗粒间被水泥浆所填满。水泥水化后，在土颗粒的周围形成了各种水化物结晶，它们不断的生长、伸延，特别是钙矾石的针状结晶很快地生长交织在一起，形成空间的网状结构，土体被分割包围在这些水泥的骨架中间。随着土体逐渐被挤密，自由水也逐渐减少、消失，形成了种特殊的水泥土骨架结构。,5高压旋喷桩的施工工艺,（1）施工准备1、施工前必须进行地面构筑物、地下管线（水、电、油、通讯等）的调查、拆移，特别是处理好桥下铁路的关系，确认无障碍物后方可进行场地清理工作。2、施工场地清理、平整，保证工作位置土层平整密室。3、挖设排浆沟和临时泥浆存放池，同时必须挖设临时排水沟，疏干地表水，使其保持干燥状态。4、准备旋喷桩机具、设备及材料。5、试桩，确定旋喷速度、喷射压力、提升速度、喷浆量和泥浆水灰比等，确保成桩质量符合设计要求。,（2）施工工艺要求,1）施工机具和材料的选择,2）旋喷桩单管成桩施工顺序,3）旋喷桩单管成桩施工工艺要求,施工机具和材料的选择旋喷注浆机主要由：旋转钻机、卷扬机、旋喷管、高压泥浆泵（SCN-H300型）、高压水泵、泥浆搅拌机、贮浆罐、注浆管、输浆管、流量计等组成。,旋喷桩浆液材料：水泥：使用前必须经试验符合质量要求。进场水泥必须离地存放，并加以遮盖，防止受潮、雨淋。水必须经化验符合混凝土拌合用水标准。添加剂为氯化钙（早强剂），三乙醇胺0.03%。水泥浆液稠度应适宜，防止过稠堵喷嘴、过稀影响质量，由试验根据现场各层土样优选出最合理浆液配方。浆液宜在旋喷前1小时内配制，使用时必须滤去硬块、砂石等，以免堵塞管路和喷嘴。,（3）旋喷桩单管成桩施工顺序在旋喷桩施工前，须先对每个桩孔进行钻探引孔，旋喷机喷杆才能进入引孔插入地层进行旋喷施工。旋喷桩施工顺序为：孔位放样引孔钻探造孔高喷机台就位地面试喷高喷射旋管下到设计深度旋喷提升换杆喷射提升终喷清洗器具移位。,施工工艺要求及质量控制,6