（地质工程专业论文）贵州西部部分路基软土特性与既有路基加固分析.pdf

贵州大学硕士学位论文 摘要 贵州地区丘陵、沟谷众多，地形地貌复杂，而公路又是一个线性构筑物， 占地广，里程长，因此不可避免会遇到软土地基。软土地基易造成路基路面 的过大沉降变形，影响行车安全和公路的运营质量，因此对软土地基的特性 研究和加固方法的分析显得极为重要。 本文以贵毕公路和省道2 0 1 公路的部分路段的软土地基为研究对象，根据 最小二乘法原理，对含水量、孔隙比与压缩系数之间的关系进多项式拟合， 总结了软土特性，研究了不同成因、土性软土的特点。 借助具体工程实例，对注浆加固既有路基的加固方法、加固机理和注浆 材料进行了研究分析。利用a n s y s 有限元软件中的d r u c k e r - p r a g e r 理想一弹塑性 模型对已有路基注浆加固前与加固后的土体的沉降变形进行数值分析，得到 了注浆加固前与加固后路基的最终沉降变形，通过与实测沉降变形的对比分 析该方法的可行性。根据数值分析的结果定量的评价注浆加固路基的加固效 果。 关键词：软土地基注浆加固 数值分析d r u c k e r - p r a g e r 沉降变形 贯州大学硕士学位论文 a b s t r a c t p h y s i o g n o m ya n d t e r r a i na r cm u l t i t u d i n o u s h i l la n dr a v i n ea 托c o m p l e x e si n g u i z h o ua r e a t h er o a di sa l s oal i n e a rs t r u c t u r e t h eo c c u p y i n go fa n da r e ai s b r o a da n dt h ec o u r s ei sl o n g , t h e r e f o r ei n e v i t a b l ec a nm e e tt h es o f tf o u n d a t i o n t h es o f tf o u n d a t i o ne a s yt oc r e a t et h et h eo v e r s i z e dd e f o r m a t i o na n ds u b g r a d eo f t h er o a d b e da n dm a ds u r f a c e ，a f f e c t st h et r a f f i cs a f e t ya n dt h er o a do p e r a t i o n q u a l i t y , t h e t e f o r ea p p e a r st o t h es o f tf o u n d a t i o nc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ha n dt h e r e i n f o r c e m e n tm e t h o da n a l y s i se x t r e m e l yi m p o r t a n t l y t h i sa r t i c l et a k et h eg u i b ip a r t i a lr o a da n dt h eg u i y a np a r t i a lr o a d ss o f t f o u n d a t i o na st h eo b j e c to fs t u d y , a c c o r d i n gt ot h el e a s ts q u a r e sm e t h o dp r i n c i p l e ， h a sc a r r i e do nt h e r e g r e s s i o na n a l y s i sb e t w e e nt h ew a t e rc o n t e n t ，t h ev o i dr a t i o a n dt h ec o e f f i c e n to f c o m p r e s s i b i l i t yr e l a t i o n s ，s u m m a r i z e dt h ef e a t u r e so f t h es o f t s o i l ，h a ss t u d i e dt h ed i f f e r e n to r i g i na n dt h en a t n r e o ft h es o i ls o f ts o i l c h a r a c t e r i s t i c w i t ht h ea i do ft h ec o n c r e t ep r o j e c te x a m p l e ，h a sc a r r i e do nt h er e s e a r c h a n a l y s i st ob e t w e e nt h em e t h o do fr e i n f o r c e m e n t ，t h em e c h a n i s mo fr e i n f o r c e m e n t a n dt h em a t e r i a lo fg r o u t i n gi nt h cm e t h o do fg r o u t i n gw h i c hu s e x ii nr o a d b e d s r e i n f o r c e m e n t u s i n g d r u c k e r - p r a g e rm o d e li nt h e 丘n i t ce l e m e n ts o f t w a r ew h i c hi s i d e a l - e l a s t o p l a s t i c ，h a sc a r r i e do nt h en u m e r i c a la n a l y s i so i lu m e i n f o r c e ds o i l b o d ya n dt h er e i n f o r c e ds o i lb o d y , o b t a i n e dt h ed a t ao f f i n a ls e t t l e m e n ta n d d e f o r m a t i o no nu n r e i n f o r c e ds o i lb o d ya n dt h er e i n f o r c e ds o i lb o d y , t h r o u g ht h e c o n t r a s tw h i c ha c c o u n t e dw i t ht h ea c t u a ls e t t l e m e n ta n dd e f o r m a t i o nt oa n a l y z e t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o d ，a c c o r d i n gt on u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l tt oq u o t a a p p r a i s a lr e i n f o r c e m e n t se f f e c ti nt h em e t h o do fg r o u t i n gw h i c hu s e di nr o a d b a d s r e i n f o r c e m e n t k e yw o r d ： s o f tf o u n d a t i o n g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i s d r u c k e r - p r a g e r d e f o r m a t i o na n ds u b g r a d e 赞州大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 伴随着加入w t o 的契机，中国迎来了2 l 世纪新的经济发展时期。公路作为 经济发展的重要手段，亦将以前所未有的步伐进入新的建设阶段。西部开发 战略实施以来西南地区的公路建设成为中国公路网络中最为重要的一环。 贵州省地处祖国西南腹地，位子云贵高原东部，平均海拔1 1 0 0 米。山地 和丘陵占9 2 5 ，是全国唯一没有平原支撑的内陆山区省份，是四川、重庆南 。 下出海的必经之地和西南通往华中、华南地区的门户，也是大西南重要的公 路、铁路交通枢纽，全省9 6 7 的综合客运量和8 4 4 的综合货运量依靠公路 运输承担。由于该地区丘陵、沟谷众多，地形地势复杂等特殊的自然地理条 件，而且公路又是一个线性构筑物，占地广，里程长，不可避免会遇到软基 路堤、高填方路堤、斜坡路堤。 路基作为公路的主要结构组成之一，对于整条道路的使用质量、时间、 行车安全、修建和运营经济性等，都起着至关重要的作用。对于路堤软土地 基，由于其压缩沉降量大、稳定性差，势必会影响路基、路面的质量。因此 有必要对软土的特性进行分析，对软土地基的过大沉降变形进行研究，对其 加固方法进行探讨。 1 2 软土地基加固处理的研究现状咖 软土地基处理技术由来已久，随着现代工程技术的进步和不断发展已趋 于完善。由于目前加固技术和新型材料的不断发展，软土地基处理的方法多 种多样，许多软土地基处理方法同时兼有几种不同的处理效果。软土地基处 理有许多种不同的方法，如按处理效果可分为临时处理和永久处理；按处理 深度可分为浅层处理和深层处理；按处理对象土性射分为砂性土处理和粘性 土处理，饱和土处理和非饱和土处理；按处理的方式又可分为化学处理和物 理处理等。目前软土地基的处理方法主要为表1 1 所示。 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 软土地基的处理方法 分类 软土地基处理方法 排水固结法 堆载预压法、真空预压法、降水预压法、电渗排水法、袋装砂井 胶结法 水泥搅拌桩法、高压喷射注浆法、注浆法、水泥土夯实桩 加筋土 加筋土、工织物法、树根桩、锚固法 振冲置换法、c f g 桩、钢渣桩、石灰桩、强夯置换法、挤密碎石磕、换填 置换、挤密法 法等 天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地 基中设置加筋材料，加固区由基体( 天然地基土体) 和增强体二部分组成人工地 基，亦称为复合地基( c o m p o s i t eg r o u n d ) 。本文将针对加固软土地基的方法之 一注浆加固路基的方法展开分析研究。 1 3 路基沉降变形国内外研究现状 路基沉降变形主要分为两部分：一是在动荷载的作用下的瞬时沉降变形， 二是在动荷载作用期间由于孔隙水压力消散，有效应力增加丽产生的圃结沉 降变形。 由于在路基加载的不同时刻将产生瞬时沉降，因此这部分沉降与对问有 关；对于同一填土荷载和厚度，瞬时沉降的大小及其随时间的变化与填土加 载历程线有关。目前，大多数瞬时沉降的理论计算没有考虑加载速率与加载 时间的影响。 地基最终沉降固结的计算公式有很多种渊。有按一维沉降计算的公式( 如 w e - p ，p - l o g p 压缩曲线建立的公式；根据压缩模量e 。或压缩系数口l - 2 建立的 公式等) ，也有按二、三维沉降计算的公式( 黄文熙( 1 9 5 7 ) ，d a v i s 和p o u l o s ( 1 9 6 3 ，1 9 6 8 ) 以及魏汝龙( 1 9 7 9 ) 根据广义虎克定律得出的公式，l a m b e ( 1 9 6 4 ) 等人提出的应力路径法等) 。此外，还有根据半无限均质线弹性体推导得出 的弹性理论公式。上述这些公式中，除了弹性理论公式假定地基为半无限直 2 费州大学硕士学位论文第一章绪论 线变形体，应用布西奈斯克的竖向位移解答外，其它公式的共同特点是对地 基采用分层综合法计算变形；主要区别在于采用的本构关系不同。 1 3 1 瞬时沉降变形理论 瞬时沉降变形“8 是地基土在不排水加载期间产生的。对于严格的土体一 维变形情况，瞬时沉降很小。当土体完全饱和时，由于土中水及土颗粒本身 的变形可忽略不计，故瞬时沉降接近于零。对于土体的二维( 平面应变) 或 三维变形情况，则瞬时沉降在地基总沉降量中占有相当大的比例。瞬时沉降 与加载方式和加载速率有很大的关系，如采用瞬时一次加载方式时，地基的 瞬时沉降比均匀慢速加载的情况要大得多。这主要是由于在不同增量加载的 时刻，土中有效应力随着土体的固结而增大，土体的变形模量也相应增大 s i m o s ( 1 9 7 1 年) 曾用伦敦原状粘土在三轴仪上进行了各种应力路径的不排水 压缩试验，试验结果表明，土体的不排水变形模量随主应力比! 望及平均有效 o r3 应盯。的变化而变化。当主应力比一定时，变形模量与施加偏应力前土体上受 到的平均有效应力成正比；当平均有效应力一定时，变形模量随主应力比的 增大而减小。瞬时沉降的理论计算主要有如下几种： ( 1 ) 根据土体的不排水变形模量接线弹性理论计算，也包括d a p p o l o n i a 等人 的( 1 9 7 1 ) 经有限元分析提出的修正方法； ( 2 ) l a m b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出的应力路径法； ( 3 ) 徐少曼( 1 9 8 3 ) 提出的根据三轴不排水试验的归一化曲线进行计算。 在这几种方法中只有l a m b e 等人( 1 9 6 7 ) 提出的应力路径法可以考虑加载 方式和加载速率的影响，但该方法过多的依赖室内实验，实验的工作量相当 大，且对试验的要求很高，造成了在工程应用中的不便。 1 3 2 固结理论 1 9 2 4 年嘲t e r z a g h i 就在其著作中提出了著名的有效应力原理，并建立了一 维固结理论，为一维固结沉降计算奠定了理论基础。t e r z a g h i 一维固结理论假 3 贵州大学硕士学位论文第一章绪论 定啪1 土体是完全饱和；土颗粒和水是不可压缩的：土的压缩和空隙水流动都 是垂直方向的( 一维) ；土的应变是微小的且应力应变关系是线性的；达西渗 流定律成立且渗透系数为常数；荷载一次施加。 t e r z a g h i 固结理论的推出，极大的促进了土力学理论的发展，强有力的指 导了土工结构物的施工与设计。但它只有在一维的情况下才是较精确的。在 多维固结问题中，它忽略了变形协调条件对固结过程中总应力的影响，因此 只能得到近似解。r e n d u l i c ( 1 9 3 5 ) 将t e r z a g h i 的一维固结理论推广到二维、三 维情况，提出t t c r z a g h r e n d u l i c 理论，其数学表达式又称为扩散方程。 b i o t ( 1 9 4 0 年) 根据土的连续体力学方程提出了b i o t 固结理论。b l o t 固 结方程考虑了土体固结过程中孔隙水压力消散和土骨架变形之间的耦合作 用，其与t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论的主要区别在于：b i o t 固结理论认为固 结过程中法向总应力和( 仃。+ 口，+ ：) 随时间而变化，而后者假定其保持不变。 若在b i o t 方程的推导过程中增加此假定，将会得到与t e r z a g h i 方程一致的形 式。因此可以说t e r z a g h i 方程是b i o t 方程在法向总应力和不随时问而变化的 假定下的一种简化。由于t e r z a g h i r e n d u l i c 固结理论关于孔隙水压力变化和 土骨架变形无关的假定使其求解和计算大为简化，故在实际工程中仍然得到 广泛的应用。但b i o t 周结理论可以解释m a n d e l - c r y e r 效应，显然比t e r z a g h i - r e n d u l i c 固结理论合理。文献“1 中在计算软土路堤的固结沉降时，将b i o t 固结 理论与边界面理论加以耦合。要明伦等研究了渤海湾近海海底的饱和软粘土 的模量软化规律，并提出相应的计算软粘土的动变形的计算模式。 1 4 计算方法 近年来随着计算机技术的迅速发展，许多无法求解或难以求解的数学模 型得到有效的解决。数值分析法等计算方法得以在工程中广泛的应用。 1 4 1 数值分析方法 4 贵州大学硕士学位论文 第一章绪论 数值分析方法主要有差分法、有限元法、边界元法、变分法和加权余量 法。目前应用于地基沉降计算的数值分析方法主要有差分法、有限元法和边 界元法。 1 差分法 目前法国、加拿大和美国的一些学者在常规计算方法的基础上，用差分 法把土层的不均匀性，性参数的非线性变化等因素纳入到计算程序中。因 而它是传统计算方法的改进。 差分法求解土工问题就是将研究区域用差分网格离散，对每一个节点通 过差商代替导数把问题的微分方程转化为差分方程，然后结合初始条件和边 界条件，求解线性方程组得到数值解。使用这种方法必须注意边界条件的变 化( 渗水或不渗水边界) ，同时注意固结系数的选取，应用到平面或轴对称问 题时需要加以校正。 2 有限元法 有限单元法可以考虑复杂的边界条件、土体应力应变关系的非线性特性、 土体的应力历史、水与骨架上应力的祸合效应，可以模拟现场逐级加荷和处 理超填土问题，能考虑侧向变形、三维渗流对沉降的影响，并能求得任一时 刻的沉降、水平位移、孔隙应力和有效应力的变化，使得计算所得总沉降量 及沉降速率等结果越来越接近实测结果。 有限元法计算路堤沉降时，将路基路面作为一个整体来分析，将其划分 网格，形成离散体结构，在荷载作用下算得任一时刻地基和结构各点的位移 和应力。其中基础底面的竖向位移就是所要求的沉降。它所依据的试验是压 缩试验。有限元法可以将地基作为二维甚至三维问题来考虑，反映了侧向变 形的影响。它可以考虑土体应力应变关系的非线性特性，采用非线性弹性的 本构模型，或者弹塑性本构模型：它也可以考虑应力历史对变形的影响，。若应 力低于或高于前期固结应力，则采用不同的弹性模量计算公式：它还可以考虑 土与结构的共同作用，考虑复杂的边界条件，考虑施工逐级加荷，考虑土层 的各向异性等。有限元法对土体的固结计算，可以用b i o t _ 三维固结理论，避 免了一维固结计算的许多弊端。从计算方法上来说，有限元法是一种较为完 善的方法，但它的缺点是计算工作量大，参数确定困难，目前主要用于重要 5 贵州大学硕士学位论文第一章绪论 工程、重点地段的计算啪。 1 5 研究内容及意义 本课题主要研究贵州省部分软土地基材料的士性特征，并根据有限元原 理，利用d m c k e r - p r a g e r 进行最终沉降量的计算。 1 主要研究内容： ( 1 ) 分析部分路段软土地基土的物理力学性质。 ( 2 ) 将d r u c k e r - p r a g e r - 至g _ 想弹塑性模型应用到软土地基加固前与加固后的沉。 降计算中，计算最终沉降量。 ( 3 ) 分析注浆加固软土地基的加固机理，分析其应力场的分布规律。 2 研究意义： ( 1 ) 得出贵州部分软土地基的主要土性特征，与平原地区软土地基的主要差 别。 ( 2 ) 结合现场检测的沉降变形数据评价d r u c k e r - p r a g e r - 理想弹塑性模型应用 到软土地基沉降分析中的可行性。 ( 3 ) 应用( 2 ) 中的研究成果评价注浆法在既有路基加固中的合理性与适用性。 研究思路和技术路线如图1 1 所示： 图i 1 研究思路和技术路线 6 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 第2 章软土地基的工程性质 软土在我国沿海和内陆地区都有相当大的分布范围，对于软土的定义在 各行业中也不尽相同。 2 1 不同行业对软土的定义 公路行业在交通部公路工程名词术语( j t 7 0 0 2 - 8 7 ) 中定义软土主要是 由含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土， 并解释淤泥为“在静水或缓慢的流水环境中沉积并含有机质的细粒土，其天 然含水量大于液限，天然孔隙比大于1 5 ；当天然孔隙比小于1 5 而大于1 0 时成 为淤泥质土”。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 ) 中定义软土是滨海、 湖沼、谷地河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大，压缩性高、抗剪强度低的 细粒土。 铁路工程设计技术手册中，对软土的解释为：“软土是指在静水或缓 慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的饱和软弱粘性土。”对软土的 主要特征描述为：“天然含水量高( 接近或大于液限) ，孔隙比大( 一般大于1 0 ) ， 压缩性高( 压缩系数口l 。，0 5 m p 1 ) ，强度低( 快剪的内摩擦角伊t 5 。，凝聚 力c 2 0 妇口) ，渗透性小( 渗透系数k 1 1 0 4 1 0 4 c m $ ) 。”对软土的成因类 型描述为：“在沿海地区为滨海相、三角洲相；在内陆平原或山区为湖塘相等。” 中国建筑工业出版社工程地质手册( 第三版) 对软土的解释为：“软 土是指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性 土，如淤泥、淤泥质以及其它高压缩性饱和粘性土、粉土等” 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，0 5 m p a 一，不排水抗剪强度t3 0 k p a 。 港口、建工部门一股把淤泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高、透 7 贵州大学硕士学位论文 第二章软土地基的工程性质 水性小的一般粘性土统称为软土或软粘土，丽在港1 ：1 2 1 2 程技术规范 ( j t j 2 1 9 - 8 7 ) 中则详细描述为“近代水下沉积形成的天然含水量大于液限， 天然孔隙比大于1 0 而小于1 5 的亚粘士、粘土分别称为淤泥质亚粘土、淤泥质 粘土；近代水下沉积形成的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1 5 的亚粘 土、粘土称为淤泥”。 交通部颁布的公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 - 9 6 ) ， 在总结经验的基础上，软土的划分标准采用天然含水量大于3 5 或液限、天然 孔隙比大于1 0 ，十字板剪切强度小于3 5 k p a 等3 项指标。凡符合以上三项指标 的粘性土均为软土。 尽管各行业对软土的定义有所差别，但都体现了软士的共同特征：天然 含水量高，压缩性高，强度低，渗透系数低。 本文所研究的软士按中国建筑工业出版社工程地质手册( 第三版) 对软土的定义指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状 态的粘性土，包括淤泥土以及其它高压缩性饱和粘性土。 软土具有以下工程性质： ( 1 ) 触变性：软土具有触变特征，当原状土受到振动以后，破坏了结构连 接，降低了土的强度或很快地使土变成稀释状态。触变性的大小常用灵敏度s 。 来表示。rl - n s , 一般在3 - 4 之间，个别可达8 9 。为此软土地基受振动荷载后， 易产生侧向滑动、沉降等现象。 ( 2 ) 流变性：软土除排水固结引起变形外，在剪应力作用下，土体还会产 生缓慢而长期的剪切变形。这对构筑物地基的沉降有较大影响，对斜坡地基 的稳定性不利。 ( 3 ) 高压缩性：高压缩性反映在构筑物的沉降方面为沉降量大。 ( 4 ) 低强度：反映在构筑物的稳定方面，易造成地基的破坏或过大的变形。 由于软土具有以上的工程性质，在其上修筑公路时容易产生路堤失稳或 过大沉降等问题，从而影响公路的正常使用，因此有必要对软土地基的性质 及沉降变形进行研究分析。 2 2 贵州西部部分路基软土剖面特征 贵州大学硕士学位论文第二章较土地基的工程性质 不同的环境、成因、物质组成的软土表现出的工程特性不同，选取的最 优处理方案也就不同。因此对软土成因及物质组成的研究和评价显得极其重 要。以下以贵州西部部分公路路基软土为例，分析贵州西部常见软土区的地 形地貌特征及土性特征。 2 2 1 贵毕公路五合同段k 7 9 + 3 6 畦- 5 8 0 软土剖面特征 2 2 1 1 地质环境 该区属湿润中亚热带季风高原丘坝区，为丘原地貌类型，多由岩溶丘陵 和大小不等的丘伺溶蚀盆地组成，丘陵高出盆地一般在1 0 0 米以下，山丘顶部 浑圆，里孤立状或基部相连状分布。k 7 9 + 3 6 0 _ - 5 8 0 段位于一小盆地中部，碳 酸盐岩地层产状变化大，节理裂隙及溶蚀、侵蚀作用发育，形成溶丘及丘问 盆地和谷地、洼地，地形起伏较小。受其地形的影响，地表水大量富集且地 下水丰富。此段软土路基在土层剖面上表现为流塑、软塑、可塑状的层状特 征。 2 2 1 2 土层特征 该段软土路基主要为填土层q “、新生界第四系泥沼沉积淤泥层矿、残 积层q “。由上至下分为： 填土层q “：人工填筑层，杂色砂土、碎石、粘土混杂堆积层。厚度为 0 5 0 一3 o o 米。 淤泥层矿；黑色流塑状有机质淤泥土，饱水，富含腐殖质及植物残根， 强度极低，厚度为2 o o _ q 3 0 米。 残积层q 4 ：土黄、褐黄、深灰色红粘土，土质细腻均匀，其稠度状态分 别为软塑状和可塑状。厚度为1 1 0 1 1 5 0 米。 地基土物理力学性质指标统计见表2 1 ： 贵州大学硕士学位论文 第二章软土地基的工程性质 表2 i 贵毕公路k 7 9 + 3 5 0 5 8 0 土的基本物理性质指标 t a b l e 2 1 g u i b ir o a d 堕盟5 8 0b a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so f s o i l 2 2 2 贵毕公路六合同段k 8 0 + 3 0 0 - - - k 8 1 + 2 5 5 软土剖面特征 2 2 2 1 地质环境 该段的路基均处于一条宽缓谷地中，谷宽1 0 0 5 0 0 米，谷地与两侧山丘相 对高差小于5 0 米，谷底发育多处下降泉点且存在小溪、小山塘、小水库，地 表地下水丰富。 k 8 i + 2 1 5 2 5 5 段软基主要分布于北侧小型水库附近。k 8 0 + 3 0 0 - - 6 0 0 位于 谷地北侧泥沼( 烂田) 发育区，成条带状分布。谷坡上的地表地下水汇集于 近谷底的土层中，经长期浸泡，降低了土的粘聚力，使土层软化而成。在土 层剖面上表现为上部呈软塑状，下部为可塑状的分层特征。k 8 0 + 8 5 0 - - - 9 1 0 段 位于谷底开阔低洼处沼泽地，泉点密布，且发育一条小溪，处于地下水丰富 区，土层长期处于地下水位线以下，呈软塑状。 2 2 2 2 土层特征 本路段土层时代属新生界第四系沼泽淤泥层和残积层。由上至下分为： 1 0 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 淤泥层q ：黑褐色流塑状淤泥土，土质均匀，饱水，富有机质，含有植 物残根，厚度为0 6 0 - 1 6 0 米。 软塑状红粘土粘土q 。：土质均匀，富水，细腻，褐黄、黑及土黄色红粘 土，厚度0 7 0 一3 。7 0 米。 可塑状粘土q “：致密细腻，土质均匀，黑褐、褐黄、土黄色红秸土，厚 度0 5 0 一7 8 0 米。 地基土物理力学性质指标统计见表2 1 ： 表2 2 责毕公路k s 0 + 3 0 0 - k s l + 2 5 5 土的基本物理性质指标 堕望曼鱼j b i r o a dk 8 0 + 3 0 0 k 8 1 + 2 5 5 b a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so f s o i l 2 2 3 贵毕公路六合同段k 9 4 + 5 4 5 - - 7 0 0 软土剖面特征 2 2 3 1 地质环境 该路段位于缓斜冲沟中上部左侧，所处地段碳酸岩岩层产状受断层的影 1 1 贵州大学硕士学位论文 第二章较土地基的工程性质 响变化较大，节理裂隙及溶蚀发育，受上述地层岩性及构造控制形成本区现 在的溶蚀洼地、溶蚀沟谷、溶蚀小盆地与溶蚀峰林、残丘相同分布的地貌， 地形起伏较小，相对高差小于5 0 米，溶蚀峰林及残丘呈基部相连状。 本区是典型的湿润中亚热带季风常绿阔叶林黄壤高原丘坝区，年降雨量 1 0 0 6 毫米。该路段处于冲沟下部水车富区，由于水的作用，路基土层里流塑、 软塑或可塑状，雨季这种软化作用更强烈。 2 2 j 2 土层特征 本路段分布土层主要为填土层q “、新生界第四系残坡积层q “埘、淤泥 层q “。由上至下分为： 填土层q “：人工填筑层，黄色、褐黄色含白云岩碎块石夹粘土，结构松 散，厚度l 米。 残坡积层q “埘：呈带状分布于宽缓冲沟下部，按其密度和强度分为两层， 上部为土黄灰、褐黄色软至可塑状红粘土，夹少量白云岩残块，厚度0 7 0 2 米。 淤泥层q ：残坡积层下部为灰黑灰绿色软流塑状淤泥土，富有机质，丰 水，夹少量白云岩风化残块。 地基土层物理力学性质指标统计见表2 3 ： 表2 3 贵毕公路k 9 4 + 5 4 5 - 7 0 0 土的基本物理性质指标 墅! ! 坚曼鱼! ! 皇! 竺! 竺丝! 箜：型塑坐旦监! ! 竺! 婴竖堂坚竺! 稠度重力 委篓雪蓍液 塑 塑性液性 霆 窭 压缩 状态密度警訾最螽指数指数蓁秀系数 贵州大学硕士学位论文第二章软地基的工程性质 2 2 a 贵毕公路第二十二合同段k 1 8 5 + 6 0 0 。8 0 0 软土剖瓦特征 2 241 地质环境 。 该段路基位于一北西转西走向的大型冲沟底的中上段偏左侧，冲沟底坡 降较缓，比降3 ，冲沟底宽1 2 0 - 2 5 0 米，具有下游窄坡降陡，上游宽坡降缓的 特征。冲沟两侧为走向平行基部相连的溶蚀峰林，与沟底相对高差8 0 1 3 0 米， 溶蚀峰林下部山坡上发育有与冲沟垂直的若干小冲沟。 2 2 4 2 土层特征 本段路基土层主要为填土层q “、新生界第四系泥沼沉积淤泥层q 、残 坡积层q “4 。由上至下分为： 填土层q “；杂色人工填筑含碎块石粘土混杂堆积层，碎块石成分杂，主 要为碎屑岩或碳酸盐岩，直径2 - 1 0 c m 不等，成份复杂，层理不清，结构松散， 孔隙比大，透水性强，该层主要为前期路堤填筑土及涵洞基坑开挖、修筑便 道等弃方，厚度0 5 - 6 5 米。 泥沼沉积淤泥层q 6 ：褐黄、灰黑淤泥土，饱水，富含腐植质，有腥臭味， 软塑至流塑状，强度极低。 残坡积层q “埘：褐黄、灰黑、红粘土，含碳酸盐岩原岩残块，成次棱状， 残块直径2 - 1 8 c m 。 地基土层物理力学性质指标统计见表2 4 ： 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 表2 4 贵毕公路k 1 8 5 + 6 0 0 - 8 0 0 土的基本物理性质指标 t a b l e 2 4g u i b | r o a dk 1 8 5 + 6 0 0 - 8 0 0b a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so f s o i l 2 2 5 省道2 0 1k 2 3 0 + 2 3 2 5 一+ 2 9 2 5 段软土剖面特征 2 2 5 1 地质环境 该路段所处地区地貌类型以峰丛高山为主，常以峰丛盆地和峰丛峡谷的 形式出现。场区位于发耳蜂丛盆地东侧山坡中上部，地形呈l o _ 屯o 。缓倾斜， 东高西低。 2 0 1 省道i ( 2 3 0 + 2 3 2 争_ + 2 9 2 5 段路基位于水城县发耳镇过镇路段，地形东高西 低，东上侧分布有多家民房并有一个约2 0 m 2 水坑，下伏基岩为二迭系上统汪家寨 组煤系地层。地表地下水发育，地下水为含于煤系地层内的孔隙水、裂隙水、粒 间水及滞水，以下降泉及渗水形式出露并软化路基填筑层及残坡积土层；地表水 为右侧位置相对较高的多家民房生活用水及冲沟汇集地表水排泄至该段路基，对 路基浸泡软化。受地表地下水软化、托浮作用影响，本段经历年大修改造后路基 均变形失稳，局部不均匀下沉，路基斜坡已发生蠕变位移。 2 2 s 2 土层特征 本段路基场区分布地层，填筑层土体为第四系路基、残坡积土粘土层， 1 4 贵州大学硕士学位论文 第二章软土地基的工程性质 岩体为上古生界二迭系上统汪家寨组煤系地层。由上至下分为： 路基填筑层矿1 ：部分路面面层、基层已被破坏，局部下沉0 2 _ 曲7 m 。 填筑层主体为深灰色、褐黄色粘土、碎块石土、砂土及煤系碎块混杂分层碾 压层，厚度约2 9 3 7 9 0 m ，结构稍密至中密，孔隙比大，含水性及透水性好。 残坡积粘土层q “1 ：灰褐、灰黑色粘土，厚度1 o 4 2 5 m ( 顶部为0 5 m 厚植物土) ，结构松散至稍密，孔隙比大，由于地表地下水对残坡积层所含粘 土的软化作用，在外荷载和土体自重作用下，使上覆填筑土层沿顺坡倾斜的 接触面发生蠕动位移滑移，路基的变形失稳程度加剧。 强风化煤系地层p 州灰，灰褐、灰黑色强风化薄至中厚层状砂质泥岩、 炭质页岩，厚度1 5 2 5 4 6 m ，水解粘土化强烈，原岩风化呈碎石土状及碎块 状，结构密实至中密，整体稳定性较好。该层孔隙比较大，透水性及含水性 较好。 地基土层物理力学性质指标统计见表2 4 ： 衷2 52 1 1 刳f x 2 3 0 + 2 a 2 5 - + 2 9 2 。5 士的基本物理性质指标 t a b l e 2 52 1 1r o a d1 ( 2 3 0 + 2 3 2 5 _ _ + 2 9 2 5b a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so f s o i l 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 从环境分析，软土多分布在沟谷的开阔地段、山问洼地、冲沟与河流汇 合地段、河流两侧山洼地段，河漫滩地段等处。从地表特征分析来看软土多 分布在地势相对低洼，排水条件不良，地表易于积水，往往出现湿地、沼泽 等积水地形。 此外，软土表层一般存在一层o 一3 m 的中压缩性或低压缩性粘土( 俗称软 土硬壳层或表层土) 。在2 2 卜2 2 5 土层分析中，软土的层理构造主要分为 以下两种类型： ( 1 ) 表层为o 一2 m 左右的褐黄色粉质粘土，第二层为淤泥土，属高压缩 性土。第三层为中至高压缩性的粘土层。 ( 2 ) 表层由人工填土及较薄的粉质粘土组成，第二层为中一高压缩性的 淤泥层和粘土层组成，基岩离地表较近，起伏变化较大。 ， 同时，在所研究的贵毕公路各路段软土地基中存在高压缩性的淤泥层， 压缩系数在0 6 5 8 7 5 m p a ，含水量在4 4 7 - 1 4 7 5 之间，孔隙比在1 2 - 4 ，2 之间。对比软塑至可塑的红粘土，淤泥土的孔隙比、含水量、压缩系数以及 内摩角粘聚力有明显的差异。针对两种土层土性差异、物理力学性质的较大 差异，在本章2 3 节中分为两类进回归分析。 对于2 1 1 省道k 2 3 0 + 2 3 2 5 _ _ + 2 9 2 5 的软粘土，由于考虑到下伏岩性不同 引起的土性特征的差异，未将其与贵毕公路各路段的红粘土归为一类进行分 析。其特点是流塑状粘土的含水量低，在4 0 左右，压缩系数较大在1 - 1 9 之间。同时其软至可塑状粘土含水量在小于4 5 时，压缩系数已大于 0 5 m p a 一。相比之下，在含水量小于4 5 时，贵毕公路各段的软至可塑状红 粘土均小于0 5 m p a 。对照工程地质手册给出的贵州六盘水软土的物理 性质指标见表2 6 。2 0 1 省道l ( 2 3 0 + 2 3 2 5 + 2 9 2 5 的软粘土含水量小、孔隙比 较小，小于表2 6 中经验数据的最小值。 1 6 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 表2 6 ( 贵卅六盘水地区) 软土的物理性质指标 ， 缈e o ) l o j p，p fl妒c 口1 2 名称 l o ：m 3 磊度印4 坳4 软 最 粘 大 1 7 69 32 3 87 13 43 8l6 0 2 6 最 土1 5 85 31 4 25 62 62 60 8 7 0 6 小 2 3 数据分析与总结 综合以上资料应用最小二乘法原理分别针对覆盖于各岩相之上土层的压 缩系数4 。：与天然含水量w 、孔隙比e 的关系进行回归分析。并分析其不同类 型土体的物理力学性质的规律和差异。 2 3 1 最小二乘法原理 假设x 和y 是具有某种相关关系的物理量，它们之间的关系可以表示为： y 一( x ，c l ，c 2 ，c ，一j ) ( 2 1 ) 式中，c 。，c ：，c ，? 一，c 是n 个待定常数。为求得具体曲线，可同时测定石和 y 的数值，设共获得m 对观测数据： b ，y 。) ，g ：，y ：) ，k ，) ，) ( 2 2 ) 根据这些观测值来确定常数c 1 ，c ：，c ， 勺。设x ，y 的最佳形式为： 夕= f ( x ，乞，：，“j 0 ) ( 2 3 ) 式中，c 2 ，乞，靠是c ，c ：，c ，的最佳估计值。且有； 岛一乃一允 ( f - - 1 ，2 ，3 ，m )( 2 4 ) 1 7 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 如果珊对观测值中有较多的y 值落到曲线式( 2 3 ) 上，则所得曲线就能较 为满意地反映被测物理量之问的关系。如果误差服从正态分布，则概率 p ( e i ，e 2 ，e ，) 为： 缈，以卜忑1 e 印随别 p ( e l ，e ：，e ，一j ) 最大时，求得的曲线就是最佳形式。显然，此时下式应最 小： s 。善( y ，一岁；) 2 。荟q 2 ( 2 6 ) 即残差平方和最小，这就是最d - 乘法原理。 2 3 - 2 数据回归分析 根据最小二乘法原理，对压缩系数4 。：与天然含水量w 、孔隙比e 分别进 行回归分析。此外对贵毕公路各段的软土地基而言，其流塑状软土多为淤泥 土，软塑和可塑状土为红粘土，考虑到士性差异分为两类进行拟合。 流塑状淤泥土压缩系数口。：与天然含水量w 拟合曲线： 1 0 8 三6 籁 谣4 躲 幽2 o - 2 - f t 。 - 5 01 0 01 5 02 c 含水量” ， 图2 1 含水量与压缩系数关系拟和曲线 f i 9 2 1 s i m u l a t e d c u i o f t h e r e l a t i o n o f w a t e r c o n t e n t a n dc o e f f i c i e n t o f c o m p r e s s i b i l i t y 压缩系数4 。：与天然含水量之间的关系拟合的函数为： 口1 - 2 0 0 8 3 1 w 一4 0 9 9 1( 2 7 ) 相关性系数r o 9 7 4 7 ，相关性系数接近于1 ，说明拟合效果较好。压缩系数 贵州大学硕士学位论文 第二章软土地基的工程性质 与含水量成线性增长的关系，且压缩系数随含水量增大而增大的速度较快。 含水量主要集中在5 0 - 7 5 之间。 软塑、可塑状红粘土压缩系数4 ，2 与天然含水量w 拟合曲线： ： 赫 倏 螺 田 j ：。一 ： 一一 ： 01 02 03 0 4 0 5 06 07 0 含水量 图2 2 含水量与压缩系数关系拟和曲线 f i g2 2 s i m u l a t e d c b r v e o f t h er e l a t i o n o f w a t e r c o n t e n t a n d c o e f f i c i e n t o f c o m p r e s s i b i l i t y 压缩系数a 。：与天然含水量之间的关系拟合的多项式函数为： 口l 一2 - 一0 7 p 4 一( 4 e 0 5 p 3 + o o l m l w 2 0 1 4 2 3 w + 1 8 7 0 5( 2 8 ) 相关性系数r 一0 7 4 5 1 ，拟合效果一般。压缩系数均小于1 2 m p a 一，且压缩 系数随含水量增加而增大的速度较慢。 流塑状淤泥土压缩系数a 。与孔隙比p 拟合曲线： 1 0 8 芏6 嫠t 蓄z o 一2 ： o 。 、 。j i t 。 一 j 12 3 4 孔隙比e 图2 3 孔隙比与压缩系数关系拟和曲线 f i g2 3s i m u l a t e dc r ，eo f t h er e l a t i o no f v o i dr a t i oa n dc o e f f i c i e n to f c o m p r e s s i b i l i t y 压缩系数口。：与孔隙比g 之间的关系拟合的函数为： 4 l - 2 2 8 3 2 0 e - 3 7 4 4 5 ( 2 9 ) 1 9 贵州大学硕士学位论文第二章软土地基的工程性质 相关性系数r 一0 9 7 2 4 ，拟合效果较好。孔隙比大，压缩系数高。压缩系数与 孔隙比成线性增长的关系。孔隙比主要集中在1 2 - 2 之间，且孔隙比对压缩系 数的影响较为明显，压缩系数随孔隙比的增大而增大的速度较快。 软塑、可塑状红粘土压缩系数毛- 2 与孔隙比p 拟合曲线： ： 瓤 垛 嫱 田 ，a ： + i 一 一 厂 oo 5l 1 52 孔晾比e 图2 4 孔骧比与压缩系数关系拟和曲线 f i 9 2 4s i m u l a t e d c u r v e o f t h e r e l a t i o n o f v o i dr a t i o a n dc o e f f i c i e n t o f c o m p r e s s i b i l i t y 压缩系数0 1 - 2 与孔隙比e 之间的关系拟合的多项式函数为： 口l _ 2 一一6 2 5 7 3 e 4 + 2 9 6 8 8 e 3 5 0 5