冲刷防护与湿软地基加固技术

1、项目四 冲刷防护与湿软地基加固技术本项目学习目标最终目标：能应用云南山区公路建设成果，按工程类比法处理路基防护与加固工程实际问题。促成目标：1.知道路基防护与加固工程的常用类型及作用；2.能处理山区常见路基防冲刷问题；3.能处理山区常见浅层软基加固问题。任务一 防护与加固 一、概述由岩、土填挖而成的路基，改变了原地层的天然平衡状态，裸露于空间并直接承受填土及行车荷载的作用。在各种错综复杂的自然因素、行车的长期作用下，路基可能产生各种变形和破坏。为保证路基的稳定和防治路基病害，除做好路基排水外，还必须根据当地水文、地质及材料等情况，采取有效的措施，对各类土、石边坡及软弱地基予以必要的防护与加固。

2、 路基防护与加固的意义，是防止路基病害、保证路基稳固、改善环境、保护生态平衡、美化路容。提高公路的使用品质。二、防护与加固工程的设施 路基防护与加固工程设施，按其作用不同，可分为边坡坡面防护、冲刷防护、支挡建筑物及湿软地基加固等四大类。 1.坡面防护坡面防护是指为防止边坡受冲刷在坡面上所做的各种铺砌和栽植的总称。主要用以防护易受自然因素影响而破坏的土质与岩石边坡。常用类型有植物防护、砌石防护和坡面处治。植物防护又称为“生命”防护，以土质边坡为主。砌石防护、坡面处治又称为“无机”防护，以石质路堑边坡为主。2.冲刷防护用于防护水流对路基的冲刷与淘刷，可分为直接防护和间接防护两类。直接防护类型有植物

3、防护、铺石、抛石、石笼等。间接防护主要指设置导治结构物，如丁坝、顺坝、防洪堤、拦水坝等，必要时进行疏浚河床、改变河道，以改变流水方向，避免或减缓水流对路基的直接破坏作用。3.支挡建筑物用以防止路基变形或支挡路基本体或山体的位移，以保证其稳定性，常用的类型有路基边坡支撑(挡土墙、土垛、石垛及其它具有承重作用的构造物)和堤岸支挡(沿河驳岸、浸水挡土墙)。驳岸与浸水挡土墙主要区别在于，前者主要起防水作用，后者既防水，又兼起支挡路基的土侧压力。4.湿软地基加固用各种有效方法处治含水量高、孔隙比大、承载力低的湿软地基，以防路基沉陷、滑移或发生其它病害。任务二 冲刷防护一、直接防护 直接防护是在稳定的边坡

4、上直接加固的一种措施，其特点是不干扰或很少干扰原来的水流性质。除了坡面防护和砌石护坡外，抛石、石笼、驳岸及浸水挡墙均属直接防护。由于坡面防护和砌石护坡已在前面介绍过，所以在本节只介绍抛石、石笼、驳岸（浸水挡土墙详见专门挡土墙书）。当水流流速为3.05.0ms时，宜采用抛石防护；流速5.0ms，或过多压缩河床，造成上游壅水时，则改用石笼防护或设置驳岸、浸水挡土墙等支挡结构物。1.抛石防护 图4-1 抛石防护（单位：m）抛石防护是指为防止和暗或构造物受水流冲刷而抛填较大石块的防护措施（图4-1）。图4-3 铁丝石笼防护图4-2 石笼的形式a) 箱形；b)圆柱形；c)扁形；d)柱形类似于陡坡路堤在坡

5、脚处设置石垛，其中：a)适用于新建公路；b)适用于旧路路堤抛石垛。流速大、水很深、波浪高的路段，抛石应采用较大粒径的石块。抛石垛的边坡坡度不应陡于抛石浸水后的天然休止角（1.251.3），最小石料粒径应大于0.3米（一般不超过0.5米）。抛石顶宽，不应小于所用最小石料粒径的两倍。2石笼防护 石笼防护是指为防止和暗或构造物受水流冲刷而设置的装填石块的笼子（图4-2）。一般河段，常用镀锌铁丝、高强度聚合物土工格栅或竹木石笼；急流滚石河段，可在铁丝笼内灌注小石子水泥混泥土，或采用钢筋混凝土框架石笼。用于防止冲刷淘底时，一般在河床上将石笼平铺并与坡脚线垂直；若防护岸坡或坡脚，则用垒码形式，但岸坡较缓时

6、，也可平铺于坡面,定于基底（图4-3）。图4-4 导流结构物综合布置图例1- 匝水坝；2-格坝；3-丁坝；4-拦水坝；5-导流坝；6-桥墩；7-路中线二、间接防护常用的间接防护类型有导流坝、防护林带及改河道等。导流结构物一般有丁坝、顺坝、格坝，及必要的改河工程。图4-4为导流结构物综合布置图例。 丁坝适用于宽浅变迁性河段，一般采用铁丝笼或相互铰接的预制混凝土块等柔性结构物，也可采用石砌或现浇混凝土等刚性结构物。坝体轴线与导线(河岸)正交或成较大角度的斜交的导流构造，其作用是将水流挑离河岸，丁坝形式较多，按长短分，有长丁坝、短丁坝。丁坝可由乱石堆砌而成。其横断面为梯形，坝身顶宽23m，坝头顶宽约

7、34m，迎面边坡1:21:3,背面边坡1:0.51:2, 丁坝要求设置多个形成坝群。顺坝指坝轴线基本沿导流线边缘布置，使水流较顺缓地改变流向，起疏导水流作用。顺坝坝长与被防护段长度基本相等,一般采用石砌或混凝土结构,横断面为梯形,坝顶宽度应根据稳定性计算确定,迎面边坡1:1.51:2.5,背面边坡1:1.01:1.5。图4-5 顺坝与格坝的布置图例a)非封闭顺坝；b)格坝；c)开口式格坝当顺坝较长，距离河岸间距较大时，为防止水流冲走沉积泥沙，使坝体与河岸相连，在顺坝与河岸之间设置一道或几道横格，形成格坝。格坝一端与顺坝相连，另一端嵌入河岸，相当于构成勾头丁坝，如图4-5所示。改河移道可以将直接

8、冲刷及淘刷路基的水流引离路基。挖滩改河，清除孤石，有利布置路线，减少桥涵。但改河移道涉及水流改向，影响大且投资高，故改河通常在较短的河道上进行，并力求顺河势，使新河槽符合自然河流特征，不致使水重归故道。这些措施，需经多方论证，慎重考虑，确有必要时方可按设计实施。任务三 地基加固 在土木工程中，地基加固极为重要，常是各种建筑物成败的关键。湿软地基主要指天然含水量过大，胀缩性高，具有湿陷性，承载力低，在荷载作用下容易产生滑动或固结沉降的土质地基，如软土、泥沼、泥碳、湿陷性黄土、人为垃圾、松散杂填土、膨胀土、海(湖)沉积土等。路基直接填筑在这些地基上，往往会因地基承载力不足，或在自然因素作用下产生过

9、大的变形，导致路基产生各种破坏。因此，有必要采取措施对湿软地基予以加固。湿软地基加固关键是治水和固结。一、换填土层法 换填土层法是采用人工、机械或爆破等方法，将基底一定深度及范围的湿软土层（厚度小于3米）挖除，换以强度大、稳定性好的砂砾、卵石、碎石、石灰土、素土等回填，并分层压实至规定的密实度。如当地石料丰富，亦可直接在路基基底抛投片石，将湿软土层挤出基底范围，以提高路基强度，这种方法称为抛石挤淤法。换填砂垫层，可起到加速软弱土层排水固结，提高承载力，减少沉降量。各种回填材料，其应力分布规律、极限承载力、沉降特点，基本上与砂砾垫层相接近。因此，换填土层厚度、宽度以砂砾垫层作为计算模型。砂垫层厚

10、度，可按直线变形体理论计算；或者假定应力通过基础按30刚性角向下扩散，砂垫层底面呈梯形分布。一般地，砾垫层厚度在0.61.0m之间，坡脚两侧各多铺筑50cm100cm宽的襟边。二、碾压夯实法 采用压实功能较大的振动压实方法，对非粘性土及松散杂填土、地表松散土，如矿渣、碎砖瓦等建筑垃圾填土，予以碾压，可提高地基强度，降低压缩性。振动时间愈长，效果愈好，但时间过长对压实无明显提高。对细颗填土，振动时间以35分钟为宜；对建筑垃圾，振动碾压时间略大于l分钟合适。 重锤夯实加固地基，是利用起重设备将锤体直径为11.5m，重量为1.5t左右的钢筋混凝土截头圆锥体(底部垫钢板)，提升2.54.5m高度后，重

11、锤自由落下，锤体夯实土基。这种方法可显著地提高地基表层土的强度，降低湿陷性黄土的湿陷性，使杂填土表层强度一致。重锤夯实次数，以最后两次的平均夯沉量不超过规定值来控制，一般粘性土和湿陷性黄土为12cm；砂土为0.51.9cm。实践表明，一般为812遍，作用厚度可达锤底直径的一倍左右。 在重锤夯实的基础上，60年代以来研制出现了强夯法。它的夯锤重达812t(甚至200t)，自由落差820m(最高达40m)。经过对土基的强力夯击，利用冲击波和动应力，使地基土密实，达到土基加固的目的，可显著地提高承载力(25倍)，降低压缩性(210倍)。加固厚度达1020m。该项技术尽管迄今仍没有一套成熟、完善的理论

12、和设计方法，但已在土木工程中得到广泛应用，且在加固饱和软粘土地基方面取得了新的成果与经验。此外，还有机械碾压和振动压实法等技术。三、排水固结法 排水固结法是在湿软地基中设置垂直排水井，缩短排水距离，运用堆载预压，挤出土中过多含水量，加速土体固结，达到挤紧土粒，提高土体的抗剪强度。因此，该法适用于含水量过大，土层较厚的软弱地基。按垂直排水井材料的不同，可分为砂井法和排水板法。 1.砂井法 用锤击、震动、螺钻、射水等方式成孔，在孔内灌砂而形成砂井。射水法成孔称为水冲法，其它称为沉管法。砂井表面铺设0.51.0m厚的砂垫层或砂沟。排水固结速度与堆载量大小，加载速度，砂井直径、间距、深度等因素有关。就

13、路基而言，加载工作往往直接填土取代。填土速度根据施工工期、地基强度增长情况分级填筑，以每昼夜地面沉隆量不超过1.5cm、坡脚侧向位移不超过0.5cm来控制。砂井直径多为3040cm，间距24m，平面上呈三角形或正方形布置，尤以三角形布置效果为佳；其深度以穿越地基可能的滑动面为宜。砂井用砂为中粗砂，含泥量不宜大于3。 为了缩短砂井排水距离，往往预先在直径约7cm的圆筒状编织袋里装满砂，然后放人成孔中。此法称袋装砂井法，该法能保证砂井的密实性和连续性，成孔时对土层挠动少，并具有施工机具简单、成本低等优点。袋装砂井井距一般为114m，其它与普通砂井相同。 2.排水板法用纸板、纤维、塑料或绳子代替砂井

14、的砂做成排水井。其原理和方法完全与砂井排水法一致。目前基本上以带沟槽的塑料芯板作为排水板，因此，又称塑料板法。四、挤密法 土基成孔后在孔内灌以砂、石、土、石灰土或石灰等材料，捣实而成直径较大的桩体。利用桩体横向之间的相互挤紧作用，使地基土粒相互紧密，减少孔隙，桩体与原土组合而成复合地基，提高地基承载力，达到加固地基。桩孔内填石灰而形成石灰桩，主要是利用生石灰的吸水、膨胀、发热及离子交换作用，使桩体硬化，达到挤密软土，加固地基。因此，要求生石灰是新鲜的，灰块必须粉碎。 砂桩加固范围，一般要求各边比基础宽1.0m左右。桩径0.20.3m。砂桩间距与要求将地基土加密的程度有关。经验表明，群桩面积约占

15、松散土加固面积的20，通常间距为桩径的35倍。桩的平面布置以梅花形较好。桩的长度与加固土层厚度及加固要求有关。软土层较薄，砂桩可穿透软土层。如软土层过厚则通过计算桩底处软土的应力，要求其值小于或等于软土容许承载力。砂桩和砂井相比，虽然形成相似，但两者有着本质的区别。砂桩是分散体，承载力较低，其主要作用是挤密地基土。砂桩主要适用于处理松砂、杂填土和粘粒含量不大的普通粘性土。砂井主要作用是排水固结，因而适用过湿软土层。五、化学加固法化学加固一般是用压力将化学溶液或胶结剂通过注浆管均匀地注入软基土层中，经过短暂时间后，使土颗粒胶结起来凝成个整体，达到对土基加固的目的，并能起到防渗作用。目前化学溶液主

16、要有下列几类：水玻璃溶液为主的浆液，价格昂贵；丙烯酸氨为主的浆液，效果较好，价高难以推广；水泥浆；以及纸浆废液为主的浆液等。 化学加固施工工艺主要有压力灌注、电动硅化和高压旋喷法几种。压力灌注及电动硅化法一般是将浆液注入土中赶走孔隙内的水或气体，从而占据其位置，然后将土胶结成整体。高压旋喷法是利用高压(2025MPa)射流的强度使浆液与土混和，从而在射流影响的有效范围内使土体速凝成一圆柱形的桩，桩径达0.51.0m。 以上仅简略地介绍了几种常见地基加固方法，有的已在国内公路路基工程中运用，有的新技术还在研讨。六、土工合成材料加固法土工合成材料是以人工合成的聚合物制成的各种类型产品，是岩土工程中

17、应用的各种合成材料的总称。有土工网、土工格栅、土工织物、土工垫、土工复合排水材料等等。由于土工合成材料具有强度高、韧性好等力学性能，因此，它能增强土的强度，承受拉应力，并均匀分布结构物所承受的应力，从而有效地防止局部破坏，解决松软地基的加固问题。思考题：1、 为什么要对路基进行必要的防护？2、 路基防护与加固工程，按作用不同，可分为哪几类？各类的作用是什么？3、 直接防护与间接防护的本质区别是什么？4、 常见的地基加固的措施有几种？各种方法的原理是什么？J*Xmt6qhPUvOE04O*Tfh#6$mn&9&nm$5ZgeT*N30DNvTOgp5slW%I%Wlr4ofNSuMC-2M%Rd

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