高速铁路软土地基处理.ppt

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1、,李向国硕导、副教授石家庄铁道学院2006年5月,高速铁路路基技术,软土地基处理技术,前提：地基处理的目的、加固原理、施工程序、技术要求、质量标准和检测方法,软土地基处理技术,铁路系统常用的地基处理方法浅层处理：换填法，抛石挤淤法、砂垫层法、土工合成材料（土工格栅、土工格室）垫层法。排水固结法：袋装砂井、砂井、塑料排水板 堆载预压、真空预压、井点降水复合地基：水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、砂桩、碎石桩强夯：强夯置换,软土地基处理技术,高速铁路路基的地基条件不允许发生发生基底破坏，也不允许发生过大的工后沉降和沉降速率。以往只对基底强度作要求，不允许地基破坏，对地基变形未重视。提速后的铁路路基病害，

2、大部分为地基变形所致。高速铁路路基的设计理念正由强度设计向变形控制设计转变高速铁路路基地基，强度和刚度要求并重。,软土地基处理技术,日本东海道新干线：工后沉降小于10cm大秦铁路：工后沉降小于30cm广深准高速铁路：工后沉降小于20cm秦沈客运专线：工后沉降小于15cm京沪高速铁路：工后沉降小于10cm,软土地基处理技术,地基处理方法的选择软土层厚度小于3米时，浅层处理。一般路基，软土层较后，排水固结法。路桥过渡段：复合地基松软地基、液化地基：软土地基厚，施工受地域影响，采用粉喷桩。,软土地基处理技术,浅层处理法：1、换填法（1）加固原理：根据土中附加应力的分布规律、让垫层承受上部较大的应力，

3、软弱土层承受较小的应力。（2）作用：提高持力层承载力；减少沉降量；加速软土层的排水固结；防止冻胀；消除膨胀土的胀缩作用。,软土地基处理技术,（3）要求宽度；填料与压实标准（4）检验方法：压实系数、地基系数。2、抛石挤淤法石料要求、抛填顺序；检验方法。3、砂垫层法（含反滤层）4、土工合成材料垫层*搭接问题；多层铺设；砂垫层要求；压实问题,软土地基处理技术,排水固结法：原理：孔隙水排出，孔隙体积减小，地基产生固结变形。目的：解决沉降与稳定问题组成：排水系统：水平排水体：砂垫层 竖向排水体：砂井、袋装砂井、塑料排水板加压系统：堆载法、真空预压法、降水法、电 渗法、联合法,软土地基处理技术,设计方法堆

4、载预压设计分级加载：当前期荷载增加到足以承受下级荷载时。利用天然地基土抗剪强度计算第一级允许荷载P1计算第一级荷载下地基强度增长值Cu1计算P1作用下达到所需固结度所需时间t1根据Cu1计算施加的第二级荷载P2=5.52Cu1/K依此类推计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量，确定预压时间。,软土地基处理技术,砂井排水固结设计砂井设计 直径和间距；深度；排列方式；布置范 围；砂料砂井地基固结度设计太沙基一维固结理论地基稳定分析：瑞典条分法沉降计算：分层总和法,软土地基处理技术,施工方法袋装砂井：设备：履带式双管砂井机；门架式袋装砂井机；井架式袋装砂井机材料：砂袋聚乙烯、聚丙烯、聚酯施

5、工顺序：清理场地：开挖排水沟，清表填筑土拱坡：设计路幅宽度范围内回填至高出原地面20cm，以4%横坡形成拱，碾压密实。填筑砂垫层：均匀、等厚,软土地基处理技术,机具定位打设套管孔口检查起吊，下砂袋坝套管检查砂井入土深度质量控制：砂料质量及含泥量套管长度与直径，桩尖活门开启情况灌砂的饱满度垂直度砂袋的外露长度,软土地基处理技术,塑料排水板施工顺序：装靴定位插设上拔切断移位,复合地基,1、定义由两种刚度（模量）不同的材料（桩体与桩间土）所组成，在相对刚性基础上两者共同分担上部荷载，并协调变形的地基。2、分类桩体按成桩采用的材料分为：散体土类桩：碎石桩、砂桩；水泥土类桩：水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩混

6、凝土类桩：CFG桩,复合地基,按成桩后桩体的强度分：柔性桩：散体土类桩半刚性桩：水泥土类桩刚性桩：混凝土类桩3、复合地基的作用机理桩体作用垫层作用：桩土复合地基垫层加速固结作用 碎石桩，砂桩具有良好的透水性，加速地基固结。水泥土类桩与混凝土类桩也可加速地基固结。挤密作用 砂桩、碎石桩施工过程中由于振动，挤压，排土作用等原因，使桩间土起到一定的密实作用。,复合地基,加筋作用 复合地基提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。4、复合地基的破坏模式刺入破坏混凝土类桩鼓胀破坏碎石桩整体剪切破坏滑动破坏5、应力特性、承载力与变形特性桩土应力比复合地基承载力复合地基,复合地基,6、粉喷桩 6.1特点 通过

7、特殊装置将压缩空气和粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴送到搅拌叶片的喷嘴喷出。借助叶片的旋转，在叶片的背后产生孔隙，安装在叶片背后的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，混合气体在孔隙中压力急剧降低，使固化材料黏附在旋转产生孔隙的土中，转到半周另一叶片将土和粉体固化材料搅拌混合在一起。,复合地基,6.2 施工工具搅拌主机，粉体固化材料供给机，空气压缩机，搅拌翼，动力部分。6.3 施工工序开工钻孔对位钻孔至设计深度打开送料阀门，关闭送气阀门，喷粉。确认粉到达桩底，提升钻头，继续喷粉。提升至设计标高，停止喷粉。打开送气阀，关闭送料阀，空压机不停，搅拌钻头升至桩顶，停止提升，转2min。在钻至复搅

8、深度，反钻提升，复搅。提升至地面，停主电机，空压机,复合地基,6.4操作要点试桩不少于2根，确定施工参数：钻进速度，提升速度，搅拌速度，其流量，空气压力。必须钻到设计深度。复搅时（停止喷粉），重叠长度不小于1米。6.5 质量检测桩身无侧限抗压强度：抽检2%0，没工点不少于2根。成桩28天后，在桩径方向1/4初，桩头至2/3桩长。复合地基承载力：沿线路纵向每100米1处，不少于一处。载荷板试验。,复合地基,7、水泥搅拌桩7.1 施工程序钻机就位预搅下沉按设计确定的配合比，制备水泥浆提升、喷浆、搅拌重复上、下搅拌清洗移位,复合地基,7.2施工注意事项在顶端0.30.5m时，上覆压力较小，搅拌质量较

9、差，场地整平标高应比设计标高高出0.30.5m。制桩到地面，然后将上部0.30.5m差的桩段挖去。垂直度偏差1.5%，桩径偏差4%。试桩，确定施工参数。浆液不得离析，泵送应连续。搅拌下沉不易水冲。因故停浆，搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，恢复后喷浆提升。6.5 质量检测桩身无侧限抗压强度：抽检2%0，没工点不少于2根。成桩28天后，在桩径方向1/4初，桩头至2/3桩长。复合地基承载力：沿线路纵向每100米1处，不少于一处。载荷板试验。,复合地基,8、挤密砂桩 将砂桩打入软土地基，使密实的砂柱体挤密软弱土层，形成复合地基。有外荷载作用时，应力向砂桩集中，使桩周围土层承受的压力减小，沉降也相应减小

10、。根据我国在淤泥质粘土上打桩前后的荷载试验，其沉降量可比天然地基减小2030，因而适用于对沉降要求较严的工程。同时，砂桩与砂井一样，在土中形成排水通路，能加速地基土固结沉降的速率，改善地基的整体稳定性，提高地基的承载力。挤密砂桩采用中、粗混合砂料，含泥量不得大于5，也可用砂与角砾的混合料。设计规则规定，灌砂要密实，灌砂率不应小于90砂桩直径根据置换率要求以及施工机械、成桩方法等综合因素考虑，宜用较大直径。我国目前常用30cm，最大5070cm，国外多用6080cm，最大可达150200cm。桩在平面上布置成三角形或正方形；桩长不应小于危险滑弧的深度；对于厚度不大的软土，桩长应穿透软弱层。砂桩顶

11、面应铺以砂垫层以利排水。,复合地基,碎石桩 碎石桩的结构与砂桩相同，桩身由碎石充填，其加固机理与砂桩不同的是它不是挤密而是置换。由于碎石桩的刚度大于地基中的软粘土，地基应力重分布，荷载大部分由碎石桩承担，桩土应力比值一般为35。碎石桩受荷后，产生径向变形，且引起周围土体产生被动抗力。如粘土强度过低，碎石桩得不到所需的径向支持力，就不能达到加固的目的。因此天然地基的强度大小是形成复合地基的重要条件。根据经验，天然地基的抗剪强度大于20kPa，碎石桩加固地基才有较好的效果。碎石桩的直径较大(常用8090cm)，桩长设计方法与砂桩相同，当软土较厚桩身不穿软弱层时，复合地基可起垫层作用，将荷载扩散使应

12、力分布均匀，提高地基的承载力并减小沉降及沉降差。选用碎石桩材料时若考虑级配，则形成的桩能起排水砂井的作用，因而它也能提高土的抗剪强度，增大路堤的稳定性。,复合地基,8.1施工方法：振冲挤密法：沉管法，干振法振动成桩：冲击成桩8.2加固机理：松散砂土挤密排水减压砂基预震粘性土置换加速排水易发生鼓胀,复合地基,8.3 质量检验时间：饱和粘土：12周；砂土：35天方法：液化地基：标准贯入试验N63.5(一米以下)；一米以内钎探。2%桩间土：动力触探，静力触探 5处/100米复合地基承载力：载荷板试验 1点/100米,软土地区路基施工观测与控制,在路堤施工中，由于附加荷载是逐渐起作用的，因此软土地基中

13、超静水压力的消散必须经历一定时间才能完成。为了使路堤填筑所产生的应力增加量与路堤底地基强度的增量相适应，就必须进行施工观测与控制。,软土地区路基施工观测与控制,（一）施工观测的范围 1、接近或超过临界高度的路堤；2、采用砂垫层、排水砂井加固的路堤；3、必须进行试压或预压的桥头路堤及采用加固措施的较高路堤；4、超过设计允许填土速度施工的路堤；5、对全面施工具有指导意义的代表性路堤。,软土地区路基施工观测与控制,（二）施工观测的主要项目 1、人工巡回观察地表变化 人工巡回观察是由有经验的施工人员沿着线路巡回观察路堤外貌的微小变形、微小裂缝及其他发展情况，观察路堤坡脚附近地面的微小隆起和出水现象等。

14、当发现上述现象时，应考虑缓填或停填。,软土地区路基施工观测与控制,2、边桩位移观测 在填土过程中，边桩用来观测土的侧向位移值及其发展趋势，从而判断地基的稳定性。（1）边桩设置。在路堤坡脚外侧210 m范围内，按顺线路方向布置12排（如仅布置一排则应距路堤坡脚外侧24 m范围)，桩间距以1020 m为宜。每排位移边桩两端，在不受荷重影响范围以外设置固定桩（用混凝土浇灌固定）。边桩多用100mm100mm1000mm的硬木制成。使用时按设计要求打入土中，其桩顶露出地面23cm，并在桩顶钉一小钉，以备观测用。,软土地区路基施工观测与控制,（2）位移观测。位移应用精度较高的经纬仪、水平仪进行观测。观测

15、精度应准确到1 mm。一般填土低于临界高度时，每两天观测一次即可；接近或超过临界高度时，应每天观测并绘制“填土高时间位移量”关系曲线图，随时分析填筑期间的稳定情况，以利指导施工。通常每上、下班时各观测一次，两次观测值之差除以观测时间（h）再乘以24（h）即可作为日平均沉降量、位移量。一般认为，日平均水平位移量小于15 mm，日平均垂直位移量小于10 mm是安全的。若连续数日平均位移量超过以上数值，应停止填筑，加强观测。特别要注意路堤中裂缝出现及发展情况，必要时应立即采取措施。,软土地区路基施工观测与控制,3、地面沉降观测 在填土过程中，地面沉降观测用来掌握地层表面的总沉降量及沉降量随填土增高和

16、时间的变化情况，以便判断地基在填筑中的稳定性。（1）地面沉降观测仪器。地面沉降观测仪器有沉降板、沉降杯、剖面沉降仪和水平测斜仪等几种。,软土地区路基施工观测与控制,沉降测试方法的优化与选择 为了提高沉降测试精度，严格控制施工质量，在过渡段的沉降测试中进行了多方案的选择和比较。课题组经过大量的调研和分析，选用了水平测斜仪进行过渡段的沉降测试。沉降桩虽然可测量地表面的沉降量，但对土体内部的沉降却无所作为。沉降板法是利用埋在路堤中的一刚性铁板，通过与其连接的观测杆进行沉降测试，虽然它可以测试路堤内部不同高度的沉降，但由于其附近压实机械难以靠近，影响其附近的路基压实质量，并且对施工进度也有一定的干扰。

17、沉降杯可以测量路堤内部不同位置、不同深度处的沉降值，但由于很难保证进、出水管的平顺性，从而形成的气泡会堵塞水管，使测试无法进行；另外，管内的积水必须在冻结以前将其排出，否则积水冻结，在寒冷的东北地区也不能进行冬季测试。剖面沉降仪虽可以进行路基的全断面测试，但由于精度较低以及测试复杂，不方便运输、受环境影响较大等缺点，在应用上受到限制。,软土地区路基施工观测与控制,ZCX水平测斜仪是由沉降管和二次仪器组成。它可以测量路基内部不同位置、不同深度处的全断面沉降值。通过把特制的PVC沉降管埋在路基中，用记录仪电缆把装有伺服加速度传感器的探头从沉降管的一段拉到另一端。由于地基沉降，探头处于倾斜方向，通过

18、重力加速度在敏感水平轴上的投影，可精确测量探头的倾角，再根据探头的长度计算探头两端的高程差，从而得到探头两端电对应的沉降差，如此累积便可以计算出路基横断面中任一点处的沉降值。水平测斜仪的优点：精度高。试验证明，每次读数误差小于0.1mm，50m长的坡面测试的累积误差小于5mm；操作方便。整个测试系统（探头、电缆及拉线、记录仪）可由一人携带，移动非常方便。测试操作仅需一人即可完成；可以测量整个断面的沉降曲线。,软土地区路基施工观测与控制,=i,软土地区路基施工观测与控制,（2）沉降观测。路堤填土低于临界高度时每两天观测一次；在接近或超过临界高度时，每天观测一次。在沉降量急剧加大的情况下，每天观测

19、次数不应少于23次。观测精度应准确到1 mm。观测后应整理绘制“填土高时间沉降量”关系曲线图。一般认为，日平均沉降量在10 mm以内是安全的。如采用砂井加固地基的路堤，每天沉降量在20 mm以内仍是安全的。若数天连续超过上述数值，应加强观测，必要时采取措施。,软土地区路基施工观测与控制,4、孔隙水压力仪观测 孔隙水压力仪是测定不同时间、不同荷重作用下孔隙水的消散过程，以推算地基强度的增长情况，检算地基的稳定性，控制施工速度的一种主要仪器。但其构造复杂，只有在重要工程中才使用。,软土地区路基施工观测与控制,（三）软土路堤施工控制 1、软土地基处理前，除采用水下抛石挤淤方法外，均应于开工前疏干地表

20、水，有条件时可采用降低地下水位措施，如挖槽、井点抽水等。施工现场应按有关规定要求，做好取土、弃土、堆料及运土道的平面布置，安排好作业顺序及机械运行线路，施工中不得随意更改。2、软土路堤宜提前安排施工，以利加强预压固结效果，使路堤在铺轨通车前具有足够的稳定性，减少再加固费用。,软土地区路基施工观测与控制,3、路堤填筑材料以渗水性土或矿渣为宜，非渗水性土也可。在二者兼用时，应将渗水性土填在路堤底部。严禁用泥炭及有机质含量较多的土作为填料，亦不宜采用软土作填料。4、软土地面路堤应有足够的天然护道宽度。当路堤的施工路肩高程至取土坑或排水沟底的高程之差值小于临界高度时，护道宽度可按一般规定办理。若高差大

21、于临界高度，则取土坑应远离路堤。其位置应保证路堤稳定，可采用圆弧检算法确定。如缺乏资料时，天然护道的宽度不宜小于路堤高度的23倍。如不能保持稳定时，应考虑从远处取土填筑。,软土地区路基施工观测与控制,5、填筑软土路堤时，应按其地基和路堤的后期沉落量一并填筑预留沉落量所需的土方。地基后期沉落量可取值为预计总沉落量与施工阶段观测的沉落量之差。路堤本体的预留沉落量可按一般规定办理。6、为保证路堤在施工和运营期间的安全，对筑成后准备进行架梁作业的桥头路堤和已采取加固措施的较高路堤(指接近或大于临界高度的路堤)，其稳定性若无把握，应进行试压或预压。,软土地区路基施工观测与控制,7、在路堤接近临界高度或易

22、于丧失稳定时，应注意不将重物堆于堤顶。8、为了排除地表水和降低地下水，路堤两侧均应设置排水沟。,软土地区路基施工观测与控制,7 软土地基研究测试仪器布置：在测试断面上埋设水平测斜仪、竖向测斜仪、分层沉降仪、孔隙水压力计和钢弦式土压力盒。袋装砂井及水泥搅拌桩处理断面,软土地区路基施工观测与控制,测试仪器布置：在测试断面上埋设水平测斜仪、竖向测斜仪、分层沉降仪、孔隙水压力计。,软土地区路基施工观测与控制,五、试验成果内容总沉降填土高时间过程曲线地表沉降量；推算路基工后沉降；检验设计计算沉降量；加荷速率与沉降速率的关系；掌握路堤填土压密下沉量。分层沉降曲线掌握地基土中每层土的压缩量及在总沉降中所占比例；检验设计的压缩层计算深度。,软土地区路基施工观测与控制,路基的横向沉降差异曲线路基地表的横向沉降差；路基面的横向沉降差；掌握路堤横断面下地基以及路基面横向沉降分布规律。侧向位移时间过程曲线和沿深度分布线掌握侧向位移速率及最大侧移发生位置。侧向位移沉降相关分析检验设计临界填土高度。孔隙水压力消散曲线掌握地基固结程度、沉降速率，检验施工质量；,