（道路与铁道工程专业论文）武广客运专线深厚软土地基处理技术研究及沉降计算分析.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，旅客对于乘坐车辆 舒适度和速度的要求也越来越高，具体到铁路客运专线而言，对路基变形 的要求也越来越严格。武广( 武汉广州) 客运专线设计时速为2 0 0 k m h 以 上，要求全线一次性铺设无碴轨道，且地基工后沉降不大于1 5 e m ，其部分 区段为深厚软土地基，并且松软土及其表层硬壳分布不均匀，传统的地基 处理方法相对来说难以控制路基的工后沉降。因此开展严格控制软土地基 工后沉降的地基处理技术的研究课题十分迫切。 本文通过编程计算、有限元分析和模型试验，对武广线软土地基采用 的处理措施进行了研究和分析。 首先，详细介绍了软土地基的常用地基处理措施，并参考复合地基、 桩基础等沉降计算方法，研究不同地基处理措施的沉降计算方法，并用 v i s u a lb a s i c6 o 进行了编程实现。 进而分析研究武广客运专线深厚软土地基采用的地基处理技术，对实 际工点进行工后沉降计算与分析，为武广客运专线的路基设计提供参考。 然后通过在室内填筑的1 ：1 0 缩尺动态模型试验，对武广客运专线采用 的一种新型地基处理措施一桩板结构的沉降特性进行了研究分析，为今后 桩板结构的科研及设计提供了参考。 最后，研究分析地基沉降的预测技术。提出合理的预测方法，并根据 已有的沉降观测资料预测出将来某时的地基沉降及地基的总沉降。 关键词：软土地基；沉降计算；编程实现；动态模型试验；沉降预测 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n di m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，t h ed e m a n do fs p e e da n dc o m f o r to fv e h i c l ew a si n c r e a s i n g l y i m p r o v e d ，f o rd e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ，t h ed e m a n do fs e t t l e m e n to fs u b g r a d e w a ss t r i c t e ra n ds t r i c t e r t h ed e s i g n e ds p e e do fw u h a n g u a n g z h o ud e d i c a t e d p a s s e n g e rl i n ew a sm o r et h a n2 0 0 k i n h , w h i c hw a sr c q m r e di op a v eb a l l a s t l e s s t r a c ka tat i m e , a n dt h ep o s t - s e t t l e m e n to f g r o u n dw a sl e s st h a no re q u a lt o1 5 e m s o m eo ft h es u b g r a d ew a so nt h ed e 印s o f ts o i lg r o u n d , w h i l e ，t h es o f ts o i la n d t h e i n c r u s t a t i o no fb q l r f a c el a y e rd i s t r i b u t e da s y m m e t r i c a l l y t h ee n n v e n t i o n a l g r o u n dt r e a t m e n t sw e r eh a r d l yp o s s i b l et oe n n t r o lt h ep o s t - s e t t l e m e n to f s u b g r a d e s o ，t h es t l l d yw a sv e r ye x i g e n t g r o u n dt r e a t m e n t sa d o p t e di ns o f ts o l ls u b g r a d eo fw u h a n g u a n g z h o u d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e ，w e r er e s e a r c h e da n da n a l y s e dw i t hp r o g r a m m i n g , f i m t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dm o d e le x p e r i m e n t f i r s t l y , c o m m o ng r o 岫dt r e a t m e n t so fs o f t s o i lg r o u n dw e r ei n t r o d u c e d d e t a i l e d l y ，t h ec a l c u l a t i o n a lm e t h o d so fs e t t l e m e n tf o rc o m p o s i t ef o u n d a t i o na n d p i l ef o u n d a t i o nw e r ec o n s u l t e d , c a l c u l a t i o n a lm e t h o d so fs e t t l e m e n to fg o u n d t r e a t m e n tw e r er e a s e a r c h e d ，a n d p r o g r a m m e dw i t hv i s u a lb a s i c6 0 t h e ng r o u n dt r e a t m e n t sa d o p t e di ns o f ts o i ls u b g r a d eo fw u h a n g u a n g z h o u d e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ew e r er e s e a r c h e da n da n a l y s e d ，p o s t s e t t l e m e n tw e r e c a l c u l a t e da n da n a l y s e d ，w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g no fs u n g r a d eo f w u h a n g u a n g z h o ud e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n e a f t e r w a r d s 。an e wg r o u n dt r e a t m e n t - - p i l e - b o a r ds t 丌t l l f e a d o p t e d i n w u h a n g u a n g z h o ud e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ew a sr e s e a r c h e da n da n a l y s e dw i t h r e d u c e ds c a l e ( h l o ) d y n a m i cm o d e le x p e r i m e n t ，w h i c hp r o v i d e dr e f e r e n c e sf o r t h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dd e s i g no fp i l e b o a r ds t r u c t u r e l a s t l y ，f o r e c a s tt e c h n i co f s e t t l e m e n to f g r o u n dw a sr e s e a r c h e da n da n a l y s e d t h er e a s o n a b l ef o r e c a s tm e t h o d sw e r eg i v e d a n ds e t t l e m e n to fg r o u n do nat i m e i nt h ef u t u r ew a sf o r e c a s t e da c c o r d i n gt os o m eo b s e r v a t i o nd a t a k e yw o r d s s o f ts o i lg r o u n d ；s e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n ；p r o g r a m m i n gc a l c u l a t i o n ； d y n a m i cm o d e le x p e r i m e n t ；s e t t l e m e n tf o r e c a s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提 速建设方兴未艾。由于高速行车要求为其提供一个高平j 顿和稳定的轨下基 础，控制变形是路基设计的关键。以往，对路基可能产生的变形认识不 足，认为路基只要能保证有一定的强度，不致发生稳定破坏，就满足要 求。事实证明，路基的变形是制约列车速度的重要因素之一。在低速情况 下，路基变形造成的影响不太突出，即便有不均匀沉降，对于低速行车并 不构成严重影响，可以通过起道作业来改善这一问题，这也是长期以来路 基不被重视的一个症结所在。在高速情况下，路基在重复荷载作用下所产 生的累计沉降和不均匀下沉所造成的轨道不平顺将严重影响列车运行速 度、舒适度和线路养护工作量。此外，高速行车过程中路基所产生的弹性 变形直接反映到轨面的弹性变形，对列车的高速走行条件也有重要的影 响。弹性变形过大则车速不能提高，因而变形问题成为高速铁路路基的主 要控制因素。 路基沉降变形主要包括：列车行驶中对路基面的弹性变形：长期行车 引起的基床积累下沉( 塑性变形) ：路基本体填土及地基的压缩下沉。 参考国内外经验可知，列车行驶中弹性变形、运营阶段的塑性变形及 路基填土压实下沉，只要满足基床及路基本体填筑材质、压实标准，其值 都是有限的，丽且也可缛刭控制的。因此，如何控制路基的沉降变形特别 是工后沉降值，关键在于控制支承路基的地基的沉降。现代铁路修筑经验 表明：作为支承路基的地基不允许发生地基破坏，也不允许发生不适应使 用要求的沉降量和沉降速率。以往的设计标准，多只考虑对地基不允许发 生基底破坏，而对变形虽有一定要求，但没给以重视。我国铁路路基主要 病害现象的下沉问题，除因填土压实度不够造成之外，不少也是基底变形 所致，特别是长期困扰我国在软土地基上修筑路基所存在的不断下沉病害 问题。 随着客运专线的大规模建设开展，地基沉降变形控制问题越来越得到 建设者的重视，地基的沉降变形标准也经历了认识、实践、再认识的发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 历程，沉降控制标准逐渐提高。客运专线路基工程设计应体现“先进、成 熟、安全、可靠、经济”的原则，高速旅客列车要求路基轨下基础提供高 平顺性的轨道系统，按照京沪高速铁路设计暂行规定i h , 路堤基底以 下2 5 m 压缩层内的地基土不符合基底条件( 对武广线主要是祜性土，标准比 贯入阻力大于1 2 m p a ，地基容许承载力不小于0 1 5 m p a ) 时，应作工后沉降 分析。路基工后沉降不应大于5 c m ，年沉降速率应小于2 c m 年，桥台台尾过 渡段路基工后沉降不应大于3 c m 。另外，在铺设无碴轨道的路基地段，轨道 高度调节器要求路基工后沉降不应大于2 c m 。 从德国针对我国高速铁路设计咨询的成果来看，德、法强调控制路基 的不均匀沉降，其追求沉降的目标为不均匀沉降为零；对于无碴轨道路 基，德国有更为严格的要求，要求路基的差异沉降为零。由于中德两国的 国情不同，德国采用较长的施工周期来达到工后沉降为零的目的( 德国 2 0 0 k i n 左右的高速铁路的工期可能达5 8 年) ，而我国只能采用金钱换时间的 办法来尽量消除工后沉降的影响( 加大对地基的处理力度) ，工后沉降2 c m 的 指标相对而言较为严格，如何确保路基沉降变形满足设计要求就成为路基 工程中的重点课题，特别是深厚软土路基，常规方法很难满足工后沉降要 求，迫切的需要逐步开发引入新型的更为有效的路基处理方式。 武广铁路客运专线是中长期铁路网规划中第一批经国务院审批立 项的铁路客运专线，也是我国铁路目前开工建设的线路罩程最长、技术标 准最高、投资最多的客运专线，全长9 9 5 公里，工程投资9 3 0 亿元，建设工 期4 年半。根据铁道部工程设计鉴定中心武广客运专线初步设计中问审查 意见( 初稿) 精神，武汉至广州客运专线正线轨道采用无碴轨道，无碴 轨道结构设计及线下基础的技术要求，执行相应的无碴轨道设计技术条 件。其中d k 2 0 6 2 + 2 6 0 d k 2 0 6 4 + 2 6 5 区段，上覆第四系全新统坡残积层及 坡洪积层粉质粘土和软土，软土厚3 4 0 m ，目前国内对不同类型的软土 特性及其工程措施已有研究，但对高速铁路尤其是武广线这种在深度 和分布上差异性很大的软土及松软土还没有深入的研究。 i 2 本论文的主要工作 本文主要研究武广客运专线软土地基的处理技术及其沉降计算与分 析。按照京沪高速铁路设计暂行规定，设计时速为3 5 0 k m h 的客运专 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 线，路基的工后沉降不应大于2 e r n 。武广( 武汉一广州) 客运专线设计时速 为2 0 0 k m h 以上，要求全线一次性铺设无碴轨道，其部分区段为深厚软土地 基，并且松软土及其表层硬壳分布不均匀，传统的固结排水法相对来说难 以控制路基的工后沉降，这对地基处理工程措施方案和施工机具的选择带 来难题。本文针对武广客运专线采用的不同工程措施进行分析研究，提出 了不同地基的沉降计算方法，并针对武广客运专线软土地基实际工点进行 了工后沉降计算与分析，为武广客运专线的路基设计提供参考。基于以上 认识，本文开展了以下方面的工作： ( 1 ) 收集国内外资料，研究分析软土的性质、软土地基的常用处理技 术及其沉降计算方法； ( 2 ) 对武广客运专线采用的工程措施进行分析与沉降计算； ( 3 ) 编程实现各种地基处理方法的沉降计算； ( 4 ) 在室内填筑1 ：1 0 缩尺模型试验，研究新型结构一桩板结构的沉 降特性； ( 5 ) 根据已有沉降观测资料，提出合理的预测方法，预测某一时刻的 地基沉降以及地基总沉降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章软土地基处理及沉降计算 2 1 软土的成因、分布、构造及性质 软土是一种特殊性岩土【2 】。根据我国新颁布的岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 例中的定义，凡天然孔隙比大于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、泥炭质土等。 软土是在静水或缓慢流水环境下沉积而成的。一般是指堆积在冲积平 原、湖泊沼泽地、山谷等处的冲积层，沉积年代近，属于第四纪沉积物。 基本上未经受过地形及地质变动，未受过荷载及地震动力等物理作用或颗 粒间的化学作用。我国软土的形成，绝大部分在全新世的中、晚期。一部 分软土层埋藏在密实的硬土层之下，如上海的软土层在暗绿色硬粘土之 下，广东肇庆在红色硬粘土层之下仍有软弱粘土层。我国软土的沉积类型 基本上可分为两大类型：第一类属于海洋沿岸的淤积，例如长江口和珠江 口地区的三角洲相，天津塘沽、连云港等地区的滨海相，温州、宁波地区 的泻湖相，闽江口地区的溺谷相等；第二类属于内陆和山区河湖盆地及山 前谷地淤积，主要分布于洞庭湖、洪泽湖、太湖流域、昆明滇池等湖泽地 区，各大河流古河道以及冲沟口和山间坡积、洪积扇边缘、山间盆地等低 沣地带。 软土在我国分布十分广泛，滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围、山 间谷地均有分布。我国软土的主要分御区，按工程性质结合自然地质环 境，可划分为三个地区，即沿秦岭走向向东至连云港以北的海边一线，作 为i 、i i 地区的界线；沿苗岭、南岭走向向东至莆田的海边一线，作为 i i 、i i i 地区的界线。 软土的矿物组成除少量的原生矿物石英、方解石、长石、云母、角闪 石外，还含有大量次生矿物。我国软土所含粘土矿物，以伊利石、高岭石 为主，也含有蒙脱石、绿泥石等。如天津渤海湾软土矿物成份为伊利石4 9 ，蒙脱石1 9 2 7 ，高岭石1 2 。粘土矿物呈片状、板状、管状。软土 常具有层理结构，软土和薄层的粉砂、泥炭层等相互交瞀沉积、或呈透镜 体相形成性质复杂的土体。电子显微镜可直接观察到软土的结构，是由单 粒及大小不同的团粒组成的组构单元按一定的方式排列而成，软土主要的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 微观结构为絮状结构，软土是由单粒及大小不同的团粒组成，各团粒内更 小一级的团粒和颗粒也有一定的排列方式，骨架问的大小孔隙总体积很 大，即颗粒的比表面积很大，大小孔隙中除极少数外其余都被水充满。这 种结构通常称为细胞状结构或絮状结构，这正是软土具有大孔隙比、高含 水量、高压缩性、高灵敏度及低强度的根本原因。 虽然我国各地软土成因各不同，但都具有近于相同的特性【4 】四： ( 1 ) 天然含水量高，孔隙比大。含水量在2 0 7 2 之间，其值一般 大于液限，属于流动状态，天然孔隙比在1 o 1 9 之间，饱和度一般大于 9 0 ，液限变化在3 0 6 0 之间，塑性指数变化在1 3 3 0 之间，天然容重 在1 5 1 9 k n m 3 之间。 ( 2 ) 渗透性小。渗透系数大部分为t o - s1 0 r e m s 之间，所以在荷载作 用下固结很慢，强度不易提高。当中有机质含量较大时，甚至会产生气 泡，堵塞排水通道，降低其渗透性。 ( 3 ) 压缩性大。压缩系数一般在0 0 0 5 0 0 2 e m 2 n 之间，属于高压缩 性土，其压缩性往往随液限的增大而增大。由于软土大多为第四纪后期的 沉积物，通常属于正常固结土。但一些近期沉积的软土，则为未完全固结 土，即为欠固结土。 ( 4 ) 抗剪强度低。一般在快剪情况下，黏聚力在1 0 k p a 左右，内摩擦 角在0 0 5 。之间。 ( 5 ) 具有触变性。软土的触变性表现一旦受到扰动( 振动、搅拌或搓 动等) ，其絮凝结构受到破坏，土的强度明显下降，甚至产生流动状态。 ( 6 ) 流变性显著。在剪应力作用下，土体产生缓慢的剪切变形，剪应 力愈大，剪切变形愈明显，当剪应力达到一定值后，长期作用下土体可能 会剪坏，此时的剪应力值称为长期抗剪强度，它一般为常规试验方法抗剪 强度的4 0 8 0 。 从广义上说，软土就是强度低、压缩性高的软弱土层。所以在软土地 基上修筑路基，如果处理不当，往往会引发路基失稳或导致路基过量沉 陷，继而导致路基病害的产生，严重影响列车的正常运行。 2 2 软土地基常规处理方法 为满足高速铁路路基的工后沉降标准，对软上地基应采取适当的处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 措施。目前常规的软土地基处理方法主要有以下几类【6 j 【7 l ： ( 1 ) 排水固结法。这是一种使用多年的方法，至今仍被普遍采用，其 主要特点是理论成熟，施工设备简单，费用低。但由于排水固结法需要预 压荷载，且预压时间长，对工期紧迫、缺乏压载条件的工程是难以采用 的。此外，排水固结法只能加速固结沉降而不能减少固结沉降量，对于对 沉降和不均匀沉降要求严格的工程必须慎重选择。大量的工程实测资料表 明，排水固结法的有效处理深度约1 2 1 5 m ，超过这深度，孔隙水压力消散 相当困难和缓慢，故设计时应加以考虑。排水固结法主要有下列几种方 式： 1 ) 加( 超) 载预压：在建造建筑物之前进行预压，以消除大部分沉 降。当预压荷载超过建筑物永久压力时，可以消除部分次固结沉降为超载 预压。 2 ) 真空预压：通过增设于地面砂挚层中的吸水管不断抽气造成负压而 使软土层排水固结，砂垫层下如设砂井或塑料排水带，效果更佳。真空预 压法利用大气加固上体，不需要大量的堆载预压材料，在真空吸力的作用 下易使上中的封闭气泡排出，从而使土的渗透性提高、固结过程加快，有 利于在有限的时间内最大程度消除工期沉降和工后沉降，同时有利于路基 稳定性控制，是一种值得推广的软基处理方法。适用于能在加固区形成( 包 括采取措施后形成) 稳定负压边界条件的软土地基。 3 ) 真空预压与堆载联合作用法：原理是当真空预压达到要求的预压荷 载时，可与堆载预压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压荷载可叠加计 算。适用于软粘土、粉土、杂填土、冲填土、泥炭土地基等。 4 ) 砂井及各种塑料排水带：增加土层排水通道，缩短固结沉降时间， 同时提高强度。砂井是加速软土地基排水固结的最有效措施，在地基中灌 注圆柱形的砂排水体，形成以砂井为中心的辐射向渗流体系。塑料排水带 的排水性能低于砂料，但其耐压，透水性强，耐腐蚀，化学稳定性高；不 易于折断或剥脱，对软土变形适应性强；施工速度较快，经济效益高。适 用于透水性低的软弱粘性上，但对于泥炭土等有机质沉积物不适用。 5 ) 电渗排水：在土中插入金属电极并通以直流电，在电场作用下，土 中水从阳极流向阴极，在阴极抽水排除。 6 ) 降低地下水位：通过与透水层联系的排水井( 管) 中直接抽水降低 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 地下水位，使土层固结。适用于地下水位接近地面而开挖深度不大的工 程，特别适用于饱和粉、细砂地基。 7 ) 砂垫层：换土和横向排水。排水砂垫层一般小于l m ，最薄0 4 m ，通 常直接铺设于地表，有时也可以挖除表层极软土层或薄层硬壳，部分在地 表以下，使兼有换土的作用而又借以缩短软土中孔隙水的渗流途径。由于 软土的渗透性弱，常须为加速排水固结而采取措旌，排水砂垫层是一项最 简单的方法。该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工 程，一般适用于处理浅层软弱土层( 淤泥质土、松散素填土、杂填土以及已 完成自重固结的冲填土等) 与低洼区域的填筑。一般处理深度为2 3 m 。适 用于处理浅层非饱和软弱土层，素填土和杂填土等。 ( 2 ) 振密法。主要指强夯法。 强夯法：利用高锤击功能使地基受冲击力和振动力使土体密实。强夯 法施工设备简单，不需加固材料，费用低、周期短。但强夯法有严格的土 质适用范围，主要适用于处理素填土、杂填土、砂土、低饱和度粘性土、 粉土和黄土地基。软土的饱和度接近于1 ，是不宜使用强夯法的。 ( 3 ) 置换拌入法。主要有下列几种方式： 1 ) 开挖置换：挖除一定深度的软土层，回填工程性质好的砂砾石，石 渣、粉煤灰等分层夯实，提高持力层承载力，减小下卧层附加应力。 2 ) 振冲置换或干振碎石桩：利用振冲器在高压水流作用下边振边冲 ( 或干振) 使地基成孔，在孔内填入碎石、卵石振密成桩，桩与桩间土组 成复合地基。振冲置换法适用于不排水抗剪强度大于2 0 k p a 的粘性土、粉 土、砂土和填土地基。对于软土地基，由于软土侧向约束作用微弱，透水 性差，高灵敏度的软土被“挤密”破坏了原结构，以致达不到预期的加固 目的，失败的工程颇不鲜见，所以采用时必须十分慎重，并进行仔细的方 案必选。 3 ) 高压喷射注浆：将注浆通过钻孔置入预定深度，然后高压喷射浆液 ( 常用水泥浆) 冲切土体，同时旋转提升注浆管，生成水泥一土桩。适用 于淤泥、淤泥质土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。 4 ) 水泥土搅拌法：用水泥或石灰通过深层搅拌机与土搅拌成桩、柱可 布置成连续墙或格栅构造，可分为喷浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。水泥搅 拌桩复合地基是一种处理软土、粉土和含水量较高且地基承载力较低的粘 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 性土等地基的处理方法。水泥搅拌桩是通过特制的深层搅拌机械，在地基 深处就地将水泥浆和软粘土强制搅拌，在一定的时间内，通过土与水泥浆 间的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强 度的地基。水泥搅拌法不仅可以较大地提高地基土的承载力，而且在加固 深度内可以减少原地基沉降量的三分之一至三分之二，沉降较快趋于稳 定，在方案选择时，具有明显优势。但与其他处理方法相比，水泥搅拌法 一般造价较高，水泥用量大。 5 ) 石灰桩：机械成孔，填入生石灰碎块或在石灰中再渗入水硬性材料 压实成桩，利用石灰的吸水膨胀及与土间的离子交换作用改善桩周土的性 质，桩一土组成复合地基。利用生石灰加固土体在我国具有悠久历史，在 盛产石灰的地区，当是一种首选方法，但石灰桩法在国内仍未推广使用， 其原因是施工机具和施工工艺不能满足要求。适用于软弱粘性土地基。 6 ) 钢渣桩：利用管内或管外投料的方式在地基中制成钢渣桩，由于钢 渣成份很接近水泥，与土中水作用后能自凝成桩，与桩周土组成复合地 基。 7 ) 粉喷桩：粉喷桩处理软基是利用粉喷桩成桩机械将粉体固化剂( 水 泥、石灰等) 喷出后在地基深处就地与软基强制搅拌，利用固化剂和软土 之间产生的一系列物理化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的桩 体，桩与桩间土体形成复合地基共同承担外荷载。在施工中一般用于桥 头、涵洞结构物等地段的地基加固，其目的是解决桥头、涵洞等结构物与 路堤连接处的不均匀沉降问题，在施工工期紧张的路段有时也采用粉喷桩 处理，以提高路堤填筑速度。 8 ) c f g 桩：c f g 桩是水泥粉煤狄碎石桩的简称，它是由水泥、粉煤 灰、碎石、石屑或砂加水拌合形成的高粘结强度桩，与桩间土、褥挚层一 起形成复合地基。该类桩型在工民建、市政、高速公路等工程中已有广泛 应用。在高速公路工程的应用与研究结果显示，c f g 桩比较适合用于桥头 和涵洞结构物等地段的地基加固，主要解决不均匀沉降问题。c f g 桩是一 种在铁路客运专线工程建设中应用潜力很大的软基处理方法。 ( 4 ) 注浆法。适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘 土、粘土和一般人工填土，也可加固暗滨和在托换工程中使用。主要有下 列几种方式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 ) 电化学注浆：加固用的化学溶液在电渗作用下渗入土中或胶体在电 泳作用下渗入土孔隙中。 2 ) 劈裂注浆：浆液在高压作用下，使原有的孔隙或裂隙扩张，使低透 水性土的可灌性和浆液扩散距离增大。 ( 5 ) 加强。主要有下列几种方式： 1 ) 加筋：在土体中埋置土工合成材料( 土工织物、土工格栅等) 、金属 板条等形成加筋土垫层，增大压力扩散角，提高承载力、减少沉降，也可 用于形成加筋土挡土墙。使用的主要材料：各种筋材，如土工格栅、土工 织物等，根据不同目的采用的材料可以反滤、渗透、防渗、隔离等。加筋 土法适用于堤坝软土软基处理、挡土墙。 2 ) 锚固：将锚杆一端锚圆于土坡或地基中稳定的地层中，另一端与结 构物联结以抵抗结构物所承受的侧向作用力或浮力。适用于一切需要将拉 应力传递到稳定土体中去的工程。 3 ) 树根桩：在地基中沿不同方向，设置直径为7 5 2 5 0 m m 的细桩，可 以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用 以挡土，稳定边坡。适用于软弱粘性土和杂填地基。 随着现代工程技术的进步和不断发展，软土地基处理技术亦趋于完 善。新的加固技术和新型材料不断发展，软土地基处理的方法也多种多 样，每种方法都有其适用范围，许多软土地基处理方法同时兼有几种不同 的处理效果。以下将介绍四种新型的软土地基处理技术。 ( 1 ) 管桩 1 ) 预应力混凝土管桩嘲1 9 】1 1 0 】 在软土地基上修筑高速公路，堆载预压排水处理是最为常用的一种处 理方法，但是对于软土层厚软土性质差的软土路段，堆载施工期的路堤稳 定常常无法保证，同时容易造成工期长、沉降大、桥头跳车等问题。随着 我国公路建设对建设质量和工期要求的不断提高，预应力混凝土管桩( 简称 p h c 管桩或管桩1 加固软土路基所具有的取材方便、现场施工便于管理、施 工工期短、处理效果好、质量好控制且较为经济等优点逐渐体现出来。人 们开始使用p h c 管桩处理桥头跳车等病害或作为常规软土地基预压处理的 补救措施，并己开始大规模地与其他类型桩组成组合桩复合地基以加固软 土地基。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 管桩复合地基由以下5 部分组成：( 1 ) 上部填土；( 2 ) 褥挚层，由土工格 栅及填料组成；( 3 ) 桩体( 4 ) 桩间土，对于管桩加固路基为受过管桩挤压且 超孔隙水压力消散完毕的桩间土；( 5 ) 下卧持力层。 管桩加固软土路基是通过打设预应力混凝土管桩，并在桩顶铺设一层 褥垫层而形成桩土协同工作，以共同承担荷载作用的刚性桩复合地基的形 式。桩土共同作用是通过应力和变形调节来完成的。路基荷载相对于建筑 荷载较小，一般工程条件下，预应力管桩加固可以很好地解决路基的承载 力和稳定性问题。管桩加固软土路基主要是解决沉降问题，尤其是不均匀 沉降的问题。设计一般要求管桩打入硬土层，这样可以有效地减小总沉 降，从而控制了大范围的不均匀沉降。 2 ) 现浇混凝土薄壁管桩【1 2 l 【1 3 】 现浇混凝土薄壁管桩( 以下简称p c c 桩) 是河海大学岩土工程科学研 究所自行研制开发的一项专利技术，它吸收了预应力混凝土管桩、振动沉 管桩和振动沉模薄壁防渗墙等技术的优点。p c c 桩是一种全新的桩型，与 预应力管桩的区别主要在于成桩方法。该方法采取自动排土振动灌注而成 管桩，它依靠管腔上部锤头的振动力将内外双层套管所形成的环形腔体在 活瓣的保护下打入预定的设计深度，在腔体内浇注混凝土，之后振动拔 管，从而形成沉管、浇注、振动提拔一次性直接成管桩的新工艺，保证了 混凝土在槽孔内良好的充盈性和稳定性。与实心混凝土桩和预制桩相比， 该桩具有施工实用性强、施工质量控制方便加固效果好且经济性优越等突 出的优点，具有较大的推广应用价值。通过现场测试表明，p c c 桩承载力 满足了设计要求；p c c 桩工艺设备简单，操作方便，施工效率较高，成桩 质量可靠，可用低应变检测法和现场开挖法对其成桩质量进行检测。 现浇薄壁管桩根据内外套管的直径不同，形成的p c c 桩的直径在 1 0 1 5m 之间，壁厚1 2c m 左右，调整内外套管的直径还可以获得更大的 壁厚，目前已有打设2 5 m 深桩的成功经验。与c f g 桩不同，p c c 桩是一 种薄壁结构，该桩型单方混凝土所提供的摩擦力便有了较大地增长，从而 使混凝土的抗压得到了充分的发挥，由示p c c 桩桩径较大，软基处理时在 保证承载力和沉降满足要求的前提下，可以采用较大的桩距，所以其经济 性得到了极大地提高。 现浇薄壁管桩复合地基是一种新的软基处理技术，该技术可显著减小 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 地基的沉降量，加固后地基的承载力较高、地基的刚度大、路堤稳定性 高，具有可快速加载的特点，同时该技术加固后的地基还具有沉降收敛 快、工后沉降小的特点，在节约工期的同时，还可大大节约了后期的维护 费用。此项技术目前应用最多的是填海工程，如码头、护岸海堤、海岸疏 导等。随着国内外高频大激振力振动锤的出现，它必将逐渐取代大部分的 钻孔灌注桩、预制类桩和沉管灌注桩，在海洋、水利的防波堤、护堤和围 海工程、航运码头、铁路、公路的软地基处理、机场跑道软地基处理、工 业民用建筑工程的基础和围护等工程具有广阔的开发前景。 ( 2 ) y 型沉管灌注桩【1 4 】【1 ，】 y 型沉管灌注桩是一种新型的软土地基处理技术，它已通过了浙江省省 级科技成果鉴定。y 型沉管灌注桩很好地结合了国外y 型桩和国内成熟的沉 管灌注施工技术，形成了有自主知识产权的新型基础施工技术。目前，我 国高速公路建设中软基处理大都采用预应力管桩、粉喷桩和塑料排水板等 技术，但存在造价高或后期沉降大等缺陷。 y 型沉管灌注桩是根据等截面周边扩大的原理发展起来的。众所周知， 圆形与正方形、正三角形的等截面积周边比率为l ：1 1 3 ：1 3 0 ，而与y 形相 比可达1 ：1 6 0 。周边长增加，相应侧摩力增加，总承载力虽不成正比增 加，但增加幅度亦很可观，等截面、等桩长的y 形桩比圆桩的单桩承载力提 高幅度为3 0 0 o - - 5 0 ，这就是说至少4 根桩能省去1 根桩，这还是在等承载力 的前提下，如果能将桩端放黄在最佳持力层，经济效益必将超过上述结 果。 y 型灌注桩仅仅将桩模形状改变，桩机等设备和工艺基本不变，当然相 应参数必须匹配，包括桩尖的形状，但这些技术难度不大。y 形沉管灌注桩 桩模的结构采取用三块凹面向内的弧形钢板以及三条角钢组成一个y 形空腔 ( 见图2 1 ) ，三个角内纵向设制三条中隔板，使三块模壁承受的土压力通过 三块中隔板彼此平衡、部分抵消。同时，中隔板与y 形桩模的尖角部分组成 一个箱梁，在桩模和桩靴配合较密贴的前提下，桩壁钢板可视为幕结构， 钢板不仅受弯，而且受拉，这就充分发挥了钢板的材料力学性能，从而进 一步使钢板减薄，减少桩模的自重。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 1y 形桩模断面示意图 y 型沉管灌注桩采用钉鞋的“鞋钉”原理，即打入时不易弯曲，钉进后 被鞋体材料裹住不易脱落，这种原理被有效地运用到了y 型沉管灌注桩对软 基处理上，y 型桩的桩身带有突起的三条侧棱，加上桩顶配有一个桩帽，整 个桩的外形就像一个巨大的鞋钉，更重要的是，它的这种造型具有较大的比 表面积，大幅提高了单桩承载力，从而达到既提高地基承载又降低造价的 功效。由于y 型桩具有比普通圆管桩更大的侧表面积，因此，它不仅秉承了 一般沉管桩的优点，而且在消耗等量混凝土的情况下，y 型桩承载力比一般 沉管桩可提高2 0 0 一2 5 ；在同等的设计承载力要求下，y 型桩可比一般沉 管桩节省投资2 0 。在施工中，y 型沉管灌注桩也无需专用打桩设旌，只需 将模具更换成y 型钢模即可，机具更为轻型化，施工方便，垂直打入软土地 基，达到设计深度后，灌注混凝土并小幅度间隙振动，拔出桩模后，在地 下留下一个y 型的砼桩。 ( 3 ) x 型薄壁管桩” x 型薄壁管桩是一种派生于y 型沉管灌注桩和薄壁管桩而集它们的优 点于一体的异形灌注桩。其断面形状为四段弧线，弧面向内组成的曲边四 角形，它采用普通沉管桩的成桩工艺，仅将原有y 型桩模改为x 型桩模。这 样既保持了传统沉管灌注桩施工快捷，价格低廉的优势，又发挥了y 型沉管 灌注桩等截面积非圆形，桩侧表面积增大，摩阻力提高的特点。据理论计 算，在同样的灌注量下，y 型沉管灌注桩比普通的圆形灌注桩侧摩阻力的提 高量可达6 0 ，而x 型又比y 型沉管灌注桩提高侧摩阻力达2 5 左右。另 外，x 型薄壁管桩又继承了薄壁管桩的优点，从而在等工程量的前提下，除 大副提高了桩基的承载能力外，还大大降低了基础的造价。所以，x 型薄壁 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 管桩是一种较优的桩基础施工方法。 与y 型沉管灌注桩的相比，它的侧摩阻力有所提高，更关键的是它克服 了y 型沉管灌注桩造价相对较高的缺点。而与薄壁管桩相比，它叉大大提高 了侧摩阻力。由此可见，x 型薄壁管桩是一个大大值得推广的软基处理方 式。 图2 2x 型薄壁管桩断面设计图 ( 4 ) s m c 劲性复合桩及复合地基【1 7 l 采用单一地基处理方法加固较为复杂的软土地基，很难取得理想的经 济技术效果。将常用的柔性散粒体桩( s ) 、半刚性的水泥土类桩( m ) 、刚性高 强度桩( c ) 进行复合，可形成s m ，s c ，m c ，s m c 等多种组合的复合桩 型。将常用的粉喷桩工法结合微型振动沉管桩工法，且后一工法在前一种 工法形成的桩体中心进行，形成几种粉喷复合桩型：水泥土砂石复合桩： 素砼劲芯或钢筋砼劲芯水泥土复合桩( 或劲芯水泥土砂石复合桩) 。它们避免 了单一桩型的缺点，而综合了各自工法、各种桩型的优点，质量可靠，刚 度、强度、密度均较高而有较高的单桩承载力，同时大幅度改善了桩问软 土的软弱状态，可作为复合地基中的竖向增强体与砂石桩、粉喷桩形成多 元复合地基，其中钢筋砼劲芯粉喷复合桩也可作为单桩使用。具有施工方 便、造价低廉等优点，对周围环境影响小，性价比高，因而在软基加固中 应有着广阔的应用前景。 2 3 软土地基稳定性分析 在软土地基上修建铁路客运专线，面临着稳定与变形的问题【1 8 1 1 9 1 ，需 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 要对地基进行适当地加固和处理。软土地基处理的主要目的有二：一是稳 定性控制，二是变形( 主要是沉降) 控制。稳定性控制一股不是难题，对 此已积累了丰富的设计与施工经验。根据许多实测证明，在较均匀的软土 地基中，失稳的堤坝多是呈圆弧形滑面移动，因此，目前多用圆弧滑动法 来检算其稳定性，也有用塑性区的大小评价地基稳定性的。随着近代计算 技术的发展，用有限元法来分析堤坝破的应力和变形，以及用有限元法结 合圆弧法进行稳定检算的也日益多起来了。用圆弧形滑面进行土坡稳定分 析的具体方法很多。常用的有瑞典圆弧法、毕肖普法等1 2 0 1 1 2 ”。 2 4 软土地基沉降计算 沉降控制是一大难题，也是一项复杂的系统工程，需要从勘察、设 计、施工、维护等多个方面共同加以控制和研究。铁路客运专线对线路的 平顺性要求极高，因而对工后沉降、差异沉降的要求也极其严格，使得在 软土地基上筑路问题变得异常复杂，同时也对勘察、设计、施工提出了更 高的技术要求，使其工作难度加大。我国铁路系统对工后沉降控制要求比 较晚，为此付出了沉痛的代价。武广线要求地基工后沉降不大于1 5 c m 。 客运专线软土地基处理及沉降控制需综合考虑地质与环境条件、工期 要求、施工条件与施工能力、设计标准与控制目标、经济效益等因素，根 据各种软土地基处理方法的适用性，经比选确定软基的处理方案。应该将 勘察、设计、施工、监理等多个方面有机地结合起来，共同构筑成一个系 统工程，以此保证经处理的软土地基满足铁路客运专线对于路基的稳定性 和平顺性的要求。 地基沉降是土力学中的重要研究课题之一f 2 2 】i 2 3 1 i 2 4 1 【2 5 11 2 6 2 7 】1 2 8 】。自从 t e r z a g h i ( 1 9 2 3 年) 的一维固结理论问世以来，地基沉降的理论研究已取得 了长足的进展，并且在工程建设中发挥了巨大的指导作用。然而，从工程 建设的发展与要求来看，还需对现有的地基沉降计算理论作进一步的研究 和改进。 2 4 1 计算参数 地基受到荷载作用所产生的沉降可近似地当作弹性变形，并按弹性理 论计算，一般方法是把地基当成弹性半无限体。计算地基沉降时，地基土 的压缩模量和变形模量是两个很重要的计算参数。对于压缩模量e 。可以通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 过室内压缩试验求得，而变形模量e 0 不宜用一般无侧限压缩试验方法直接 量取，多在天然地基上进行荷载试验或旁压试验求得，也可以利用三轴压 缩仪对地基土的原状土样进行试验来确定。 ( 1 ) 压缩试验 该试验采用压缩仪，把原状土样置入仪器钢环中，土样上下加透水 石，在透水石上加一钢压板，在压板中心分级加垂直荷载，伴随着土中孔 隙水的挤出，土样仅产生垂直压缩而无侧向膨胀。每级荷载待土样沉降稳 定后，用百分表测土样下沉量，并由此可计算出对应的孔隙比，由孔隙比 和压力可计算出压缩系数。某一压力范围内的压缩模量，应按下式计算： 8 。= 三旦 ( 2 一1 ) p f + l p i e ：兰鱼( 2 2 ) 。 口p 按现行国家规范，沉降是由附加应力产生的。因此，压缩模量的压力 段范围应该取有效自重应力到有效自重应力与附加应力之和段的压缩模 量。 ( 2 ) 现场荷载试验 荷载试验的方法，是在要研究的土层上挖试坑，坑底标高与基底设计 标高相同。试验用的加载设备，最常见的是液压千斤顶加载设备。在分级 加压过程中，要不停的测量压板的沉降量，每级荷载相当于压板极限荷载 的1 1 0 1 1 5 。这样一级级加下去，直到地基破坏。地基破坏时的荷载叫 “破坏荷载”，其前一级荷载叫“极限荷载”。以荷载压力为横坐标，压 板沉降量为纵坐标，可绘成压力一沉降曲线。 由于荷载试验可反映出地基土的弹性性质，若合理利用压力一沉降曲 线直线段的实测资料，并借助弹性理论公式，可算出土的变形模量e o 。对 于剐性圆形压板( d 为直径) ： e 、：! 生二d d ”4s 。 ( 2 3 ) 对于刚性方形压板( b 为边长) ： 广- 鼠：竺上生邸” 2s 4 ( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在p 一 曲线的直线段上，可以任选一点p 和对应的s ，代入上述公式， 即可算出压板下压缩土层( 大概3 b 或3 d 厚) 内的平均值e o 。 ( 3 ) 旁压试验 旁压试验是利用旁压仪在原位测试不同深度土的变形性质和强度指标 的试验方法。梅纳德设计了预钻式旁压仪，它是预先在地基中钻一孔，然 后把旁压仪插入孔中进行试验。 通过试验得出的旁压曲线，求出土的旁压剪切模量g 。土的变形模量 e o 和剪切模量g 。有着对应关系，根据试验统计，对于黏性土其关系可按下 表求得： 表2 - 1黏性土的g 。与e o 的关系 i 怎。 0 51 o1 52 o2 53 o3 54 05 06 o7 08 0 l 晨。 2 0 3 ，3 4 3 5 8 7 2 8 7 1 0 1 1 1 6 1 45 1 7 4 2 0 3 2 3 ，2 2 ，44 87 29 61 2 01 4 41 6 81 9 22 4 o2 8 83 3 63 8 4 对于砂性土，其关系式可按下式估算： e o = k g 。 ( 2