高速公路软土地基处理设计研究

1、高速公路软土地基处理设计研究 1机理各种天然地基土壤都由三相体结构比例关系决定其强度和变形特征的。季节性冻土因负温度的影响，下层水分向上集聚，形成冰晶。融化时，上层土壤含水量大增，单位体积内上颗粒所占比例相对减少，土壤强度大大下降。 多年冻土在热力作用下，上层土壤中的冰晶融化，含水量大增，地基强度严重衰减，热融引起路基下沉。湿陷性黄土，因孔隙率大，外界 水文条件变化，遇湿沉陷。盐渍土上层所含盐份因地下水位升降，雨水渗入，干旱季节盐份向地基上层集聚，使得土壤三相体结构比例发生变化，造成土体强度变化。自然界中的软土地基本来自处于天然平衡状态的，因路基填土荷载破坏了原来的天然平衡状态，水份部分释出，

2、 土壤孔隙率变小；地基因而沉降。也可由于自然界水文情况发生变 化，譬如：天然或人为引起的地下水位降落，使土壤三相体比例发生变化，产生沉降。和其 他地基土处理一样，软土地基处理的办法可分为两大类：（1）改善土壤三相体结构比例关系，使得经过处理的地基能够尽可能与新的外界环境条件（附加荷载和水文变化）相适应。土壤压实，土壤置换（静力），强夯（动力置换），堆载预压，各种排水措施（包括截水沟，纵横向盲沟，塑料排水板，砂桩，砂井，井点降水，真 空降水等）都是为了调整土壤三相体的比例关系，减少土壤中的空气和水份所占体积，增加土壤颗粒成份。（2）采取固化措施，增强地基抗变形能力。用水泥、石灰之类的材料，改善土

3、壤三相体自身的结构强度和变形特征。水泥搅拌桩，水泥粉喷桩，石灰桩等，均属此类。应该注意到上述各种措施都没有能改善环境水文条件。软土地基处理应采用措施防止环境水条件变化而引发的地基下沉。例如，地下水位剧升剧降。单纯采用轻质材料替代路基填土往往会因环境水条件变化而引起沉降。因为这种处理方案没有改善或固化地基土三相体结构。设计中，总沉降值和工后沉降值要计算，但不能过分拘泥于计算。总沉降计算值是不可靠的。现分述如下：（I ）总沉降值土 S=mSc规范规定“沉降系数 m是一经验系数，与地基条件，荷载强度，加荷速率因素有关，其范围值为1.11.7。应根据现场沉降观测资料确定。”不同的设计者有各自的理念，可

4、以 作为设计阶段“根据”的现场观测资料还未产生。取m范围值的上限、下限或中值，对总沉降值的影响不是一个小数目。再看Sc。主固结沉降以实验室得出的 e p曲线为根据进行计算。e p曲线的实验条 件（天然状态的应力释放，室内固结试验的排水条件，加载速率，土样侧向变形限制条件） 给我们启示，ep曲线只能分类区别各种土样压缩固结之差异，不可能真实地描述软土地 基的主固结沉降特征。现举一例来说明主固结沉降计算值的不可靠性。某地层土样，e。=0. 70 （地基土自重作用），e1 = 065 （地基土自重与附加荷载扩散 值联合作用），土层厚度350cm根据规范提供的计算办法，有：0.70-0.65 szSc

5、i= x35fel（t.3em主固结沉降值：1+67。总压缩量:S=mSc=( LJ-l.7)x! 03=11.317.5em压实系数0.88。要求地基土具有 0.88的压实度显然是过分的。e仁0.65相当于压实系数0.91，也是不可能的。另外，以附加应力扩散值对土壤自重应力之比等于或小于0.10.15 匕来决定固结沉降的计算深度，人为性大，依据也不甚充分。(2) 工后沉降值尽管可以用地基平均固结度等办法来计算工后沉降值，但其可靠性与否当然是不言而 喻的。(3) 路基填土是分层进行的。同“一次堆填”的计算模式，相去甚远。(4) 施工中的排水条件对总沉降值和工后沉降值的影响难干估计。综观以上各点

6、，总沉降值和工后沉降值可以计算，以划分不同软土地基的变形类别，但不能过于拘泥于具体的数值。3主固结沉降计算中的问题3.1减载和超载用粉煤灰填筑路堤和用填土超载预压，对其效果宜作具体计算分析。表1中列出粉煤灰夹填和超载填土的主固结沉降对比。计算中粉煤灰填筑路堤采取路堤最大范围内用粉煤灰来替换土(路槽顶面填上高度2*0.30m )。超载预压高度为路面标高以上1.50m。1誠就和超载主固培沆降对tt斷面議搭邊计离(ni斥通填土路ESc(CIT)妍煤荻最大范對超載钛土亦1S.74脸727.733525.74n.Q4LS3j.yf43,23X151.0从表1中可以看到，粉煤灰最大范围内夹填，使得设计高为

7、5.747.39m内路堤主固结沉降减小7.6 10.4cm，对工后沉降的影响更小。超载填土1.50m使得路堤主固结沉降增大15.3 17.2cm。可以较多地抵减工后沉降。应该认为超载预压是个好办法，但需注意 排水通道的通畅。粉煤灰夹填，造价高、效果有限，是个有争议的地基处理办法。3.2关于压缩模量有些计算文件将规范建议的用压缩模量计算法中的压缩模量Jflr = V * %) J知来代替。也就是说用的割线模量替代本应随而变化的 压缩模量。两种方法的计算结果有较大的差异。现就 表1中断面1进行比较计算，得出结果如下：按割线 计算，主固结沉降为 29.5cm ;按e p曲线所得压缩模 量计算为35

8、7cm两者差值为6.2cm。用割线模量算出的结果比用曲线算出的结果小门17.44 %。3石主固结沉降计算的终结条件: 0-1 * 0-15主固结沉降计算的终结条件是按*月弘、还是以天然地基的压实系数为 宜，表2以表1为基础，列出了 3个计算结果。S2 玮同终塔条件所禅圭同培沉降值比较睹施说计商阿按 m i - o iij+M按 *S0,5ifW15.7+35.73LU5.74P33.Q3a17.3944.23”4关于地下水位和地表积水一般的设计文件都能以调查研究为基础，指出地下水位，雨水和地表积水的年度演变规律。这种演变规律正是软土地基外部环境条件的演变规律，对于指导设计有重要的作用， 尽管还

9、不能量化。这种演变规律对于指导施工也是十分重要的。设计文件中应强调尽量避免在地下水位接近地基表面，或在雨季迸行底层路基填筑。如果设计中在天然地基表面布置了 砂砾垫层，纵横向盲沟，则应授权监理工程师根据季节水文情况，在保证路基底层填土顺利迸行的条件下，调整垫层厚度（可以加大，也有可能取消），调整纵横向盲沟的布置方式和沟深、沟距。5从总体上把握软土、软粘上（过湿土），非软土地基的界限规范规定鉴别软土的标准是：天然含水量大于等于35 %或液限；天然孔隙比大于等于1.0；十字板抗剪强度小于 35kPa。泥炭，腐殖质土，有机质土（淤泥和淤泥质土）都属于软 土范畴。规范规定的三项指标都是软土的下界。软土下

10、界以下的土壤属什么呢？如何对待它？也就是说天然含水量小于35%或液限，天然孔隙比小于1.0 ,十宇板抗剪强度大于 35kPa的地基土属于什么呢？统统把它当作非软土 对待是不适当的。有的设计单位提出将其称为软粘土，也应该连同软土一并分析研究。这是一项很好的延续补充。但，没能指出软粘土的下限是什么标准？如何处理呢？我们将天然含水量大于 28%小于35%或液限，天然孔隙比大于0.75，小于1.0的土壤称之为过湿土。应该连同软土一并分析研究和处理。规定过湿土下限标准是根据现场调查和地基土压实系数不小于 0.85为条件的。凡以土壤压实系数） 大于085的地基土壤作为路 基的基础，应该认为是“坚实”的，即

11、非软土。因为从路槽顶面起算深度超过1.5的路基土压实系数K只有0.90。由下表可以看出各种不同压实系数K条件下的土壤孔隙率和孔隙比。以K=0 . 85作为过湿土的下界是可取的。*3 土悔翎理聲数相关关基表K0,93U.90孔淹牢（兀）,3血43.J0,610.67076注川算屮取上於比豐悽含木皿量件F的大干容ISkN/n从软土到软粘土 （过湿土），又从软粘土到非软土，给我们提供了一个完整的地基土的概念。6根据地质剖面资料来决定软上地基的处理意见通常可以见到四类不同的地质剖面，处理方法应该是不相同的。（1）非软土地质剖面：从上到下，地层土含水量小干28 %，孔隙比小于0.75。低液限 粘土处于半

12、坚硬、硬塑状态。对这样的地基不必进行沉降计算，也不必进行地基处理。(2) 软粘土(过湿士)表层：含水量大于28%,小干35%或液限，孔隙比在 0751.0 范围内。常为高液限粘土处于软塑状态。对这样的地层应视其厚度决定计算或不计算沉降， 可以采用砂砾垫层也可以置换或固化处理。使路基填土座落在强度较大的地基上。(3) 淤泥或软粘土在浅层(一般指深度1215m以内)：含水量大于28 %，孔隙比大于 0.75o 高液限粘土、淤泥或淤泥质高液限粘土处于软塑或流塑状态。对这样的地层要十 分重视,应采取排水措施,结合堆载疏干,以策安全。要注意排水通道畅通。固化措施也是 可以的,还仍然不能不注意排水疏干。用

13、轻质材料代替路基填土,虽然减轻了地基负荷,但地基似不稳固。(4) 淤泥或软粘土在深层 (一般指深度1215m以下)；由于破坏天然地基自然平衡的路基填土附加荷载，经地层扩散作用，已衰减不少。譬如：填土路基高度为5m,作用在地基表面的附加荷载约为 100kPa,而在15m深度处已衰减为 50kPa左右。深层淤泥和软粘土 产生的沉降和工后沉降均小于浅层的。 对这样的地层, 可采取排水措施。 超载填土对深层影 响不大。7 软土地基处理重点在中上层上层地基土要承受较大的附加荷载扩散值, 是软土地基沉降的主要贡献者, 是承托路基、 减少沉降的关键所在。因此,软上地基处理的重点在中上层。新强夯法不失为一种好办法, 改善了中上层土壤的三相体结构比例, 强度提高, 变形能力下降, 路基被强硬的地基中上层 土壤所承托。过分的深层排水是不必要的。它不能减少沉降,也不能产生承托路基的抗力。8 要求过长的堆载预压期是对业主的不尊重目前阶段,高速公路施工工期紧迫是客观形势的要求。总工期只有23 年的项目极多见。如果要求堆载顶压 1214 个月甚至 1618个月, 业主是无法接受的, 施工也是无法实 现的。遇有这种情况,应另提处理方法。9 在规定的总工期内尽量延长桥头堆