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岩土研究院

综述软土路基处理方法及软基设计关键问题

414 2020-11-24 13:04:37

让软基不成为“软肋”

软土地基的性质因地而异,因层而异,不可预见性大。在设计、施工过程中,稍有疏忽就会出现质量事故。本文详细综述软土路基处理方法及软基设计关键问题,工程从业者一定要懂!


软土地基路基设计原则

1、路基在施工期间和完工后使用期间应是稳定的,不因填筑荷载、施工机械和交通荷载的作用而引起破坏,也不应给桥台、涵洞、挡土墙等构筑物及沿线设施带来过大的变形。

2、为避免路基沉降给涵洞、挡土墙等构筑物造成变形破坏,应首先考虑提前填筑路堤、在其充分沉降后再修建构筑物的方案。如同时施工,则需设置达到持力层的基础,以防止过大的位移和沉降。

3、为避免路面的变形破坏,以及连接桥梁、涵洞等构筑物的引路路堤产生不均匀沉降,应严格控制工后沉降。

&工后沉降

& 公路工后沉降标准

& 市道路工后沉降标准

4、在软土厚且长期发生较大沉降的地区及大范围的软土地区,有时候很难使工后沉降控制在要求的标准内,或者虽能控制但极不经济时,应考虑设置桥头搭板、铺筑临时性路面或分期修建路面等方案。

5、在没有一定厚度硬壳层的软土地基上,不宜修建填土高度小于2.0~2.5m的低路堤,这种低路堤在交通荷载作用下,可使路面发生较大的不均匀沉降,特别是当软土地基不均匀、重型车辆交通较大时更加明显。

& 硬壳层的作用

&硬壳层的临界厚度

& 硬壳层与软土层的判别

6、为保证路基稳定或控制工后沉降,需采取相应的处理措施。在选择处理措施时应考虑地基条件、道路条件及施工条件,尤其要考虑处理措施的特点、对地基的适应性和效果,以确定符合要求的处理措施。

7、当软土地基比较复杂,或工程规模很大、沉降控制的精度要求较高时,应考虑在正式施工之前,在现场修筑试验段,并对其稳定和沉降进行观测,以便根据观测结果选择适当的处理措施,或对原来的处理方案进行必要的修正。

8、经济合理的软土地基路基设计依赖于准确的软土地基勘察。


软土地基路基设计一般步骤

一个中心:地基处理

两个基本点:沉降和稳定

四个步骤:

1)确定地基条件

2)确定地基是否处理

3)选择处理方法

4)细部设计

三个目的:降低地基总沉降

               加速地基排水固结

               保证路基稳定

设计程序流程图:

软基现场观测的主要内容:


软土地基处理方法分类及适用条件

公路工程(包括城市道路)中的地基处理方法可以划分为五类。


软土地基处理方法

一、浅层处理法

浅层处理方法主要有垫层法(包括换土垫层、换土加筋垫层、加筋碎石垫层等)、抛石挤淤法等,换土垫层一般不适用于垫层下地基持力层土的压缩模量低于2.5MPa的地基。

换土(加筋)垫层法(可提高地基承载力、减少沉降量、加速排水固结、阻隔毛细水上升

采用换土垫层法或换土加筋垫层法处理软基时,垫层厚度一般不小于500mm且不超过3.0m,并应与其它处理方法进行经济比较后再做优选。

加筋碎石垫层法

这种情况可以将表层有机质或腐殖质含量特别高的淤泥清除后采用加筋碎石垫层法进行软基处理,用以提高地基承载力、减小不均匀沉降、方便施工。采用这种方法进行软基处理的路段必须保证有一定的预压期。

1、为不至于荷载增加过大而加大沉降,加筋垫层厚度宜为0.7~1.0m。

2、如采用土工格栅作为加筋材料,在垫层底部及以上500mm处铺设两层加筋土工格栅,底层土工格栅包裹垫层并保证不小于2.0m的锚固长度。

3、如采用土工格室作为加筋材料,则在垫层下部铺设一层土工室。

4、加筋碎石垫层每侧宽出路基1.0m。

抛石挤淤法

抛石挤淤法适用于常年积水的洼地,排水困难,泥炭呈流动状态,厚度较薄,表层无硬壳,片石能沉达底部的泥沼或厚度小于3m的软土,尤其适用于石料丰富,运距较近的地区。采用抛石挤淤法施工的路基,需要一定的沉实稳定时间,宜修建过渡式路面。抛填的片石应大于300mm,抛填时从路堤中部开始,中部向前突进后再渐次向两侧扩展,以使淤泥向两旁挤出。

二、排水固结法处理

排水固结法常用于解决软粘土地基的沉降和稳定问题,同时,可增加地基土的抗剪强度,从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结法适用于饱和软粘土(如沼泽土、淤泥及淤泥质土、水力冲填土等)、有机质粘土的地基处理。 

水平排水砂垫层

1、砂垫层一般厚50cm,采用洁净的中砂或粗砂,有机质含量不大于1%,不得含有粘土块和其它杂物,含泥量不得超过3%,渗透系数大于5×10-5m/s。    

2、水平砂垫层应宽出两侧路基下坡脚各1.0m,并保证排水出路的畅通。

竖向排水体常选用袋装砂井和塑料排水板。

1、袋装砂井

(1)袋装砂井的砂袋采用透水性大、抗拉强度高的聚丙烯编制布制成,砂采用洁净的中砂或粗砂,含泥量不超过3%,大于0.5mm的砂的含量占总重的50%以上,渗透系数不小于5×10-5m/s。

(2)袋装砂井直径采用70mm,正三角形布置,砂井长度和间距通过计算确定,最大间距按井径比不大于25控制。

2、塑料排水板

塑料排水板采用正三角形布置,板长和间距通过计算确定,最大间距按井径比不大于25控制。塑料排水板技术指标要求如下:

塑料排水板抗拉强度:≥13kN/m

自由透水面积:≥0.15m2/m

渗透系数:≥5×10-5m/s

排水量:周围土体压力在15m深度范围内不大于250kPa或在大于15m范围不大于350kPa条件下,排水能力不低于 3×10-5m3/s。

塑料排水板应有足够的韧性,180°反复弯折不出现髭裂。塑料排水板使目前最常用的竖向排水体。

竖向排水体与水平砂垫层的连通(工程量计算时要考虑砂垫层内的80cm塑料排水板

堆载预压排水固结法

1、砂垫层的横坡要大。

2、塑料排水板搭接采用滤套内平接的方法,芯板对扣,凹凸对齐,搭接长度不小于200mm,滤套包裹,用可靠措施固定。 

3、塑料排水板与桩尖锚定要牢固,防止拔管时脱离将塑料排水板带出。 

4、加载要分级以适应地基强度的增长。

真空预压排水固结法


三、粒料桩处理

碎石桩或砂桩的适用范围:适用松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土以及对变形控制要求不十分严格的饱和软粘土地基的加固或置换,对十字板抗剪强度小于10kPa的饱和软粘土地基应慎用。


四、加固土桩处理

加固土桩包括水泥搅拌桩、粉喷桩和高压旋喷桩。高压旋喷可采用单管旋喷、二重管旋喷和三重管旋喷。

水泥搅拌桩或粉喷桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、饱和粘性土地基。当地基土天然含水量小于30%、大于70%或地下水的PH值小于4时不宜采用粉喷桩。旋喷桩适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑饱和粘性土地基,特别适宜在施工场地狭窄、净空低、上部土质较硬而下部软弱时采用。

加固土桩处理软基设计:水泥搅拌桩和粉喷桩桩桩径一般取500mm,宜采用正三角形布置,桩长及桩间距通过计算确定。桩长一般为8~12m,最大不超过15m,相邻桩净距不超过4倍桩径。 高压旋喷桩桩径一般取600mm,宜采用正三角形布置,桩长及桩间距通过计算确定。桩长一般为10~18m,最大不超过20m,相邻桩净距不超过4倍桩径。


五、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)处理

公路工程CFG桩桩顶褥垫层合理厚度在50~60cm。采用长螺旋钻管内泵压施工时,碎石粒径多采用6~25mm;采用振动沉管施工时,碎石粒径多采用30~50mm。含泥量不大于5%。 桩顶垫层应采用级配良好的碎石或砂砾,最大粒径不超过30mm,不含植物残体、垃圾等杂质。CFG桩桩径一般取400~600mm,宜采用正三角形布置,桩长及桩间距通过计算确定。桩长一般为12~18m,最大不超过20m,相邻桩净距不超过4倍桩径。CFG桩需按成桩后桩身强度不得低于设计要求(一般为C10~C20,标准图集规定成桩强度不低于C15)进行配合比设计。


六、其它处理方法

其它处理方法有气泡混合轻质土、EPS轻质填料、


软基设计处理关键问题

1 加筋垫层:

垫层厚度H一般取0.7~1.0m。土工格栅设在垫层底部及底部以上50cm处。土工格栅加筋垫层能有效减小软土地基在上部路堤荷载作用下的沉降变形。在地基土层和路堤填筑基本相同的条件下,土工格室加筋垫层的效果最好,双层土工格栅加筋垫层的效果次之,再次之为单层土工格栅加筋垫层。与无筋垫层相比,加筋垫层能减小10%~31.5%的单位路堤沉降量。

土工格栅加筋垫层中,将土工格栅由单层增加到双层不仅能减小沉降变形,而且能降低土工格栅承受的拉力。与单层土工格栅加筋垫层相比,双层土工格栅能减小18.2%的单位路堤高沉降量,单位路堤高的土工格栅最大拉力能减小27.8~47.8%。双层土工格栅加筋垫层中,上层土工格栅拉力减小约28%。

土工格栅加筋垫层具有一定程度的均化基底压力的作用。与无筋垫层方案相比,加筋垫层方案的压力比值能减小6.1~12.1%。压力比值:路堤中线的压力值与路堤两侧边坡位置的压力值之比,反映路堤基底压力集中的程度。

加筋垫层应用的几个注意点:

   (1)加筋垫层上最好设置30~40cm(两步)的10%石灰土层。

   (2)压实度的控制:一般应控制灰土位于路床以下。下层灰土压实度可以控制在91%左右,上层灰土压实度需达到94%。

   (3)加筋垫层的碾压:铺土工格栅前用推土机排压,填筑50cm碎石(山皮土)后用小型压路机(如12吨)静压,垫层全部填筑完毕后,先用重型压路机静压,然后可以开振。

   (4)槽底含水量较大时:晾晒或戗灰。


2 软土地基加固处理段分区设计

从适应路基应力分布特性、实现工后沉降渐变以及节约工程造价角度出发,在高填土路堤复合地基设计时应对复合地基加固处理段进行分区设计。 

1)桥头采用复合地基处理

桥头路基采用放坡形式时加固处理段分区设计

桥头路基采用挡墙形式时加固处理段分区设计

路段路基放坡时加固处理段分区设计

城市道路按桥台与路堤相邻处的工后沉降要求为10cm,涵洞或箱型通道处的工后沉降为20cm,而一般路段的工后沉降为30cm。按这个要求进行计算来确定桥台连接处软基处理的长度。可采用以下计算公式:

假定一般路堤许可30cm沉降,从这里进入处理段,当车速为100 km/h和120km/h,处理段长度为5m,10m,15m时:

加固处理段分区桩长及桩间距的确定:


3 复合地基设计中的几个问题

1)设计与计算

路基填土本身的压缩变形S1、褥垫层压缩变形S2、加固区(水泥搅拌桩桩长范围)沉降S3及水泥搅拌桩下卧层沉降S4。

S=S1+S2+S3+S4

以上组成总沉降的四个部分中,对路基填土本身的压缩变形讨论较少,而对加固区的沉降计算则讨论较多。

路基填土压实度提高1%,填土本身沉降接近填土高度的1%,从这一点说,在桥头高填土路段不考虑路基填土本身的沉降是不合理的。由于施工完成以后路基填土压实度在车辆荷载作用下经过多长时间会提高1%是很难定量研究的,因此建议在沉降计算中可以不考虑路基填土本身的压缩变形,为了减少路基填土本身的压缩变形对工后沉降的影响,可以对路基填土压实度要求在规范规定数值的基础上提高1~2个百分点。

加固区沉降S3:

复合地基加固区下卧层的沉降采用分层总和法计算,计算中作用在下卧层土体顶面的荷载或土体中附加应力是难以精确计算的,目前工程上通常采用应力扩散法或等效实体法计算。

目前水泥搅拌桩单桩承载力可以通过以下几种方法计算:由复合地基承载力反算单桩承载力、根据桩径、桩长、侧壁摩阻力等估算单桩承载力、根据桩身强度确定单桩承载力。

2)桩顶褥垫层设置

桩土荷载集中系数:刚性基础下由0.674逐渐上升至0.733后下降至复合地基破坏时的0.518;柔性基础下由0.225持续下降到0.162然后回升。

桩土荷载比:刚性基础下由2.065上升至2.750后下降至复合地基破坏时的1.075;柔性基础下由0.290下降至0.193后回升。

桩土应力比:刚性基础下由11.708上升至15.592后降至复合地基破坏时的6.095;柔性基础下由1.644下降至1.094后回升。

许多专家学者都认为刚性基础下“桩+桩间土+桩顶柔性垫层”构成复合地基的理论应用到柔性基础(如道路路基)下应扩展为“桩+桩间土+桩顶柔性垫层+刚性垫层”构成复合地基。对水泥搅拌桩,格栅向每根桩转移的荷载占桩顶荷载的70%。对管桩(长桩),土工格栅向每根桩转移的荷载占桩顶荷载的21.6%,对管桩(短桩),土工格栅向每根桩转移的荷载占桩顶荷载的11.2%。

3)桩长与桩间距的经济组合

假定地基处理面积为A,桩长为L,置换率为m,桩径为D,桩间距为S,处理后的工后沉降刚好满足规范要求,如果每延米桩长造价为C,则地基处理费用F可按下式计算:

假定桩采用正三角形布置,把置换率m=0.907×D2 /S2带入1式得:

桩的形式一旦确定,则C为定值,要想使地基处理费用最省,L/ S2必须最小,即:满足工后沉降要求、桩长与桩间距平方的比值最小的桩长与桩间距的组合就是经济组合。

4)复合地基的检测

密实度检测频率为总桩数的5%,用重II型动力触探检验,贯入量100mm时击数不小于5次。

对于水泥搅拌桩、粉喷桩和旋喷桩,需在成桩龄期7d内用轻便触探器进行N10检测,检测频率为总桩数的10%。(10是指轻型重力触探的穿心锤锤重10kg。1天龄期成桩的N10击数大于15击时为满足要求。7天龄期成桩的N10击数大于原天然地基N10击数一倍以上者为满足要求)

用于抽芯检验的桩的数量为总桩数的1%,且每个施工工点不少于6根。一般应按比例随机抽取,且分布基本均匀,对怀疑有问题的桩及结构设计为关键部位的桩应重点抽取。抽芯检验不合格的桩应在其附近加倍进行抽芯检验,以判断是否为个别现象,如仍出现不合格桩,则应查清范围,采取必要的补救措施。 

水泥粉煤灰碎石桩低应变检测频率为总桩数的10%。

对碎石桩、砂桩、水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、水泥粉煤灰碎石桩,应进行载荷试验以判断其承载力是否满足要求。载荷试验分为单桩载荷试验和复合地基载荷试验两种。用于单桩载荷试验的桩的数量应不低于总桩数的0.3%,且每个施工工点不少于3根。一般应按比例随机抽取,且分布基本均匀,试验得到的单桩承载力不得低于设计要求。用于复合地基载荷试验的桩的数量应不低于总桩数的0.3%,且每个施工工点不少于3根。一般应按比例随机抽取,且分布基本均匀,试验得到的复合地基承载力不得低于设计要求。