公路软土地基设计与施工技术

1、公路软土地基设计与施工技术2006年8月第一章软土地基工程地质勘察第二章 路堤稳定与沉降计算第三章 软土地基处理及路堤第四章 施工观测及沉降预测第一章软土地基工程地质勘察 软土是静水环境沉积的高含水量、大孔隙比、高压缩性和低强度的细粒土，一般软土的鉴别指标见下表。 软土鉴别指标表 特 征指 标名 称天然含水量（%）天 然孔隙比直剪内摩擦角（）十字板剪切强度（kPa）静力触探锥尖阻力（kPa）压缩系数a0.10.2（MPa-1）粘质土、有机质土35液限1.0宜5宜35宜750宜0.5粉质土300.9宜8宜0.3 在实际工程应用中，常常出现鉴别指标不能全部满足的情况，此时可将天然孔隙比（0.9、1

2、.0）和天然含水量（30%、35%）作为基本指标鉴别，只要这两个指标满足，即可划为软土。 若对软土按其成因类型、物理力学与化学性质等指标进行细分，还可划分为泥炭、泥炭质土、淤泥和淤泥质土等。成因类型代表区域一般特征海岸沉积滨海相连云港、天津、大连、湛江、香港、厦门等地分布范围较宽，常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗颗粒相掺杂，在沿岸与垂直岸边方向有较大变化，土质疏松且不均匀。泻湖相温州、宁波分布范围较宽，沉积颗粒细微表层有较薄的硬壳层，其下为较厚的淤泥层，在其边缘常有泥炭堆积。溺谷相福州、泉州、海南分布范围略窄，结构疏松，在其边缘常有泥炭堆积三角洲相长江下游的南通、上海、珠江下游广州地区在

3、海陆相交互作用下，软土层与砂层交错沉积，多形成尖灭或透镜体，分选程度差、结构疏松，软土层一般较厚。浅海沉积海相天津塘沽多位于海湾区域内，河流入海携带的动植物残骸经生物化学作用，形成灰色或灰绿色淤泥和淤泥质土。湖泊沉积湖相洞庭湖、太湖、洪泽湖、鄱阳湖四周地区、云南的滇池地区是近代盆地的沉积，其物质来源与周围岩性基本一致。淤泥结构松软，呈暗色、灰绿色或黑色，时而有泥炭透镜体河滩沉积河漫滩相牛轭湖相长江中下游地区、淮海平原、松辽平原范围相对较小，其成分不均一，厚度变化大，软土常呈带状或透镜体存在。丘陵谷地沉积丘陵谷地相贵州六盘水地区呈片状、带状分布，靠山边浅，谷中心深，具有较大的横向坡，颗粒由山前到

4、谷中心逐渐变细。沼泽沉积沼泽相分布内陆排水不畅的低洼地带，如京津塘高速公路通过的天津南淀多伴以泥炭，且常出露于地表。下部有淤泥层或与泥炭互层。人工吹填天津塘沽东突堤、深圳南油开发区颗粒成分与挖泥船作业区域的土质相同，但吹填沉积过程中又有局部的分选，靠近出水口处颗粒较粗，远离出水口处颗粒较细。 我国软土成因类型及在我国的分布初勘钻探点控制间距 环境类别公路等级钻探点间距（m）备注简单场地二级及二级以上7001000按路堤高度与工程位置采用二级以下10001500同上复杂场地二级及二级以上500700同上二级以下7001000同上注： 1、简单场地指软土埋藏较深、厚度较薄、地层较稳定的地质环境。

5、2、复杂场地指软土埋藏浅、厚度较大、地层变化显著的地质环境。3、设计填土高度大于极限高度的路段或桥头路段采用低限。初勘静力触探孔控制间距 环境类别公路等级触探点间距（m）备注简单场地二级及二级以上250300按路堤高度与工程位置采用二级以下500同上复杂场地二级及二级以上200300同上二级以下300同上注：1、简单场地每公里必须设置一个参数点；复杂场地设置两个参数点， 均未包括在表列点数中。 2、路基填土大于极限高度或桥头路堤用低限。初勘室内土工试验项目选定表 试验项目符号单位备注天然含水率%天然密度g/cm3颗粒密度S按土类选做粒径组成mm砂做筛分，土做颗分液限W%塑限W%有机质含量%选代

6、表性样品做酸碱度PH选代表性样品做易溶盐含量%对盐渍化软土做无侧限抗压强度qukPa选代表性样品做固结试验压缩系数0.10.2Mpa-1固结系数cVcm2/sCV必做，同时并选代表样做CH前期固结应力pCkPa选代表性钻孔做快剪内聚力cqkPa内摩擦角q（）剪切试验固快内聚力cgkPa固快应与快剪配套内摩擦角g（）固快应与快剪配套三轴剪切内聚力cuukPa按路段、土类选做内摩擦角uu（）按路段、土类选做内聚力ccukPa按路段、土类选做内摩擦角cu（）按路段、土类选做内聚力ckPa按路段、土类选做内摩擦角（）按路段、土类选做详勘钻探点间距控制 环境类别公路等级钻探点间距（m）备注简单场地二级及

7、二级以上500700按路堤高度与工程位置采用二级以下7001 000同上复杂场地二级及二级以上300500同上二级以下5001 000同上注：1、设计填土高度大于极限高度的路段或处于桥头路段用低限。 2、特殊条件下，尚应视具体情况适当加密。详勘静力触探点间距控制 环境类别公路等级静力触探点间距（m）备注简单场地二级及二级以上200300按路堤高度与工程位置采用二级以下300500同 上复杂场地二级及二级以上100200同 上二级以下200300同 上注：1、路堤设计高度大于极限填土高度或处于桥头路段采用低限值。 2、特殊条件下，尚应视具体情况适当加密，厚层软土处桥台后50m布设静探孔。 3、另

8、选具有典型或软土有倾斜层位路段，设置横断面孔，勘探点不少于2个。第二章 路堤稳定与沉降计算 1 稳定验算2. 沉降计算 4 地基平均固结度修正 3. 地基平均固结度计算1. 稳定验算 软土地基路堤的稳定验算一般采用瑞典圆弧滑动法中的固结有效应力法、改进总强度法，有条件时也可采用简化Bishop法、Janbu普遍条分法。1.1 固结有效应力法考虑了软土地基路堤施工的实际情况，即路堤荷载并非瞬间填到设计高度，而是按照一定的施工速率逐渐填筑。当遇到在强度很差的地基上需要修筑高路堤的情况时，可以按照这一计算模式对采取分期加载的方法逐渐使地基固结强度提高后的安全系数进行验算，以保证路堤填筑过程中的稳定满

9、足要求。采用固结有效应力法验算时，稳定安全系数计算式为：式中：cqi、qi地基土或路堤填料快剪试验测得的内聚力和内摩擦角；地基土固结快剪试验测得的内摩擦角；地基平均固结度，其余符号见图2.1-1。(2.1-1)图2.1-1 安全系数计算图式1.2 改进总强度法是以=0法为基础发展来的，它是基于=0法利用原位测试资料（采用静力触探试验的贯入阻力（单桥探头）或锥尖阻力（双桥探头）换算的十字板抗剪强度或直接由十字板试验得到的抗剪强度）的优点，借用固结有效应力法计算地基强度随固结增加的思想，采用强度增长系数计算固结过程中强度的增量。采用该方法与静力触探试验相结合，为软土地基路堤稳定验算提供了一种高效可

10、靠的途径。采用改进总强度法验算时，稳定安全系数计算式为： (2.1-2) 式中：Sui由静力触探试验的贯入阻力（单桥探头）或锥尖阻力（双桥探头）换算的十字板抗剪强度或直接由十字板试验得到的抗剪强度；地基土层强度增长系数，按表2.1-1取值。其余符号意义同前。地基土层强度增长系数 表2.1-1 土名描述泥炭在潮湿和缺氧条件下，由未充分分解的喜水植物遗体堆积而形成的泥沼覆盖层。呈纤维状，深褐色至黑色。有机质含量大于60%，含水量大于300，孔隙比大于10。0.35泥炭质土喜水植物遗体大部分完全分解后形成的有臭味、呈黑泥状的细粒土。有机质含量在1060之间(尚可细分为弱泥炭质土、中泥炭质土、强泥炭质

11、土)，含水量不超过300，孔隙比大于3。0.20有机质土在多水环境下由不同分解的植被植物所组成的细粒土，其中混有矿物颗粒。有机质含量在310之间，淤泥、淤泥质土属于此类。0.25粘质土塑性指数（76g锥）大于17的土。0.30粉质土塑性指数（76g锥）大于10，但小于或等于17的土。0.251.3 采用简化Bishop法验算时，稳定安全系数计算式为： (2.1-3)式中： 分别为地基土三轴试验测得的有效内聚力和有效内摩擦角；分条的水平宽度，即滑动面上的孔隙水压力。其余符号同前。 由于公式（2.1-3）右端中含有F，所以安全系数计算需要采用迭代法。1.4 采用Janbu普遍条分法验算时，稳定安全

12、系数计算式为：(2.1-4) 式中：土条两侧边界上的剪力增量，可以根据土条两侧边界上法向力作用点位置的假定计算出来。其余符号同前。因为公式（2.1-4）右端中含有F， 简化Bishop法和Janbu普遍条分法都是较精确的计算方法，简布普遍条分法还常用于非圆弧滑动面的稳定验算。由于两种计算方法采用有效抗剪强度指标，取样试验的工作量比较大，设计中全部采用这种方法计算有一定困难，可以在路堤的重点部位有选择性地应用。计算过程中也含有F，所以安全系数计算需要采用迭代法。2. 沉降计算2.1 主固结沉降Sc采用分层总合法计算，压缩试验资料可用e-p曲线、压缩模量Es或elgp曲线（1）用e-p曲线计算（2

13、.2-1） 式中： Sc最终固结沉降量； n压缩层内土层分层的数目； e0i地基中各分层在自重应力作用下稳定孔隙比； e1i 地基中各分层在自重应力和附加应力共同作用下稳定孔隙比； hi 地基中各分层的原始厚度。 （2）用压缩模量计算 (2.2-2)式中：Esi地基中各分层的压缩模量； pi地基中各分层中点的附加应力。（3）用elgp曲线计算 1）正常固结土、欠固结土的沉降计算公式(2.2-3)式中：p0i地基中各分层中点的自重应力； pci地基中各分层中点的前期固结压力； Cci土层的压缩指数。2）超固结土的沉降计算公式 当ppc-p0时， （2.2-4） 当ppc-p0时，（2.2-5）

14、式中：Csi土层的回弹指数。2.2 总沉降宜采用沉降系数ms与主固结沉降计算：S msSc (2.2-6) 沉降系数ms为一经验系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关，其范围值为1.11.7，应根据现场沉降观测资料确定，也可采用下面的经验公式估算： (2.2-7) 式中: H 路堤高度(m)； 路堤填料的密度(kN/m3)； 地基处理类型系数, 地基用塑料排水板处理时取0.951.1,用粉体搅拌桩处理时取0.85； V填土速率修正系数,填土速率在27cm/d之间时，取0.025,采用分期加载(速率小于2cm/d时) 取0.005；采用快速加载(速率大于7cm/d时)取0.05； Y 地

15、质因素修正系数，满足软土层不排水抗剪强度小于25 kPa、软土层的厚度大于5m、 硬壳层厚度小于2.5m三个条件时，Y=0，其它情况下可取Y=-0.1。2.3 总沉降还可以由瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc及次固结沉降Ss之和计算，即S=Sd+Sc+Ss (2.2-8) 式(2.2-8)中的瞬时沉降Sd系由土体的侧向变形引起；对处于弹性变形阶段的地基，其瞬时沉降宜按下式计算： (2.2-9) 式中： p路堤底面中点的最大垂直荷载； E由无侧限抗压强度试验得到的弹性模量的平均值(按分层厚度加权平均）； F路堤中线沉降系数，由图2.2-1查得； B换算荷载的宽度，计算示于图2.2-1中，当缺少实测资料

16、时，可取泊松比=0.40.5查图。图2.2-1 梯形荷载中线地基沉降系数式(2.2-8)中的次固结沉降Ss是土骨架上的有效应力基本上保持不变的条件下，地基土随时间的增长而发生的沉降，可按从主固结完成后开始，由时间-压缩曲线的斜率近似求得。采用次固结系数计算时，次固结沉降可按下式计算：式中：hi各土层的厚度； tci主固结完成所需要的时间； eci主固结完成时土的孔隙比； tA计算次固结变形所要求的总时间； Iai次固结系数，又称灵敏性因子，由土层取样进行室内高压固结试验得到的e-lgt曲线确定， 系该曲线反弯点以后直线段的斜率。(2.2-10)2.4 任意时刻地基的沉降量，考虑主固结随时间的变

17、化过程，按下式计算：St=（ms-1+U）Sc (2.2-11)或St =Sd+ScU+Ss (2.2-12)上式中地基平均固结度U采用太沙基一维固结理论解计算，对于砂井、塑料排水板等竖向排水体处理的地基，固结度按巴隆给出的太沙基-伦杜立克固结理论轴对称条件固结方程在等应变条件下的解答来计算。3.地基平均固结度计算3.1地基固结度一般包括竖直向固结与水平向固结两部分，两部分固结度的计算，采用太沙基固 结理论。 竖直向固结条件下，地基平均固结度按以下各式计算: （2.3-1） （2.3-2）（2.3-3） （2.3-4） 式中：Uv地基竖向平均固结度； 排水面处的附加应力与不透水面处的附加应力之

18、比； Cv竖向固结系数； H孔隙水的最大渗径，单面排水时取压缩层的厚度，双面排水时取压缩层厚度的一半； t固结时间。3.2 地基中设有砂井（或其它形式的竖向排水体时）, 径向固结度按巴隆给出的(太 沙基固结微分方程)解析解计算(等应变理论下理想砂井)：(2.3-5) (2.3-6) (2.3-7)式中：Ur地基的径向平均固结度； Cr土的径向固结系数； n井径比，即砂井的有效排水直径与砂井的直径之比； de砂井的有效排水直径，它与砂井在平面上的布置形式和砂井的间距d有如下关系： 正方形布置时de=1.128d，等边三角形布置时de=1.05d。3.3 设有砂井（或其它形式的竖向排水体时），砂井

19、区地基总的平均固结度U是由竖向平均固结度Uv和水平向平均固结度Ur共同作用的，按下式计算： （2.3-8） 对于砂井底面以下地基的固结度按U=Uv计算，此时计算Uv的排水距离为： （2.3-9） 式中：分别为砂井深度及砂井以下压缩土层厚度； 4 地基平均固结度修正 根据路堤的实际填筑情况,路堤荷载不是瞬时施加，而是分级施加的，分级加载条件下需要对式(2.3-8)计算的地基平均固结度进行修正，常用的两种修正方法是改进的太沙基法和改进的高木俊介法。 2.4-1 改进的太沙基法（参见图2.4-1）图2.4-1 二级等速加载的固结度和时间关系曲线 该方法的基本假定是：每一级荷载增量所引起的固结过程是单

20、独进行的，和上一级或下一级荷载增量所引起的固结无关；每级荷载是在堆荷起迄时间的中点一次堆足的；每级荷载pi在施工起迄时间ti-1和ti以内任何时间t的固结状态与t时相应的荷载增量（如图4-1中的p）瞬间作用下经过时间（t- ti-1）/2的固结状态相同，时间t大于ti时的固结状态和荷载Pi在施工时间ti-ti-1的一半时瞬间作用下的情况一样；某一时间t时的总平均固结度等于该时每级荷载作用下的固结度的叠加。 根据上述假定，对于二级等速加载的固结度和时间的关系曲线C1、C2可按下式一次计算出修正后的总固结度曲线C：当t0tt1时， t1tt2时， t2tt3时， + t330%径向排水固结竖向和径

21、向排水固结(砂井贯穿土层)砂井未贯穿土层固结1注：；分别为砂井深度及砂井以下压缩土层厚度。式（2.4-2）在推导过程中，竖向固结度UV只取了太沙基一维固结理论解级数的第一项。当UV30%时，计算结果误差较小；当UV30%时，计算结果有一定误差。在实际工程中，砂井对渗流是有一定阻力的，同时在砂井的施工过程中，砂井周围的土体对砂井表面会产生涂抹作用。考虑井阻和涂抹作用的砂井（称为非理想砂井）的径向固结度应乘以折减系数，其一般取值为0.800.95。第三章 软土地基处理及路堤 当计算的稳定安全系数小于表3-1规定的容许值时，应针对稳定性进行处理设计。 方法 安全系数指标固结有效应力法改进总强度法简化

22、Bishop法、Janbu普遍条分法不考虑固结考虑固结不考虑固结考虑固结直接快剪1.11.2静力触探、十字板剪1.21.3三轴有效剪切指标1.4稳定安全系数容许值 3-1 注：当需要考虑地震力时，稳定安全系数减少0.1。 当路面设计使用年限内的残余沉降（简称工后沉降）不满足表3-2的要求时，应针对沉降进行处理设计。沉降稳定控制标准除工后沉降外，还要满足连续两个月的沉降每月不超过5mm。 容许工后沉降 3-2 工程位置道路等级桥台与路堤相邻处涵洞、箱涵、通道处一般路段高速公路、一级公路0.10m0.20m0.30m二级公路（干线公路）0.20m0.30m0.50m1 垫层与浅层处理a） b）图

23、3-1 垫层与浅层处理a）排水垫层；b）浅层处理2 粉煤灰路堤 图3-2 粉煤灰路堤结构型式 1-泄水孔；2-盲沟；3-封顶层；4-土质护坡；5-土质路拱；6-粒料隔离层； 7-粉煤灰；8-反滤层3 土工泡沫塑料路堤图3-3土工泡沫塑料路堤结构图4 气泡混合轻质土路堤原料土搅 拌解泥加入固化剂加入水起泡剂稀 释发 泡混 合浇 筑气泡混合轻质土的制作流程图3-4 气泡混合轻质土的浇筑方法5 加筋路堤图3-5 加筋路堤的结构形式图3-5 加筋路堤的结构形式图3-5 加筋路堤的结构形式6 吹填砂路堤图3-6分层吹填围埝图式7 反压护道图3-7反压护道和多级反压护道8 堆载预压图3-8欠载预压、等载预压和超载预压的预压高度示意图图3-8欠载预压、等载预压和超载预压的预压高度示意图9 竖向排水体预压10 真空预压图3-9 真空预压施工图图3-10 真空管路主管和滤管布置形式11粒料桩12加固土桩13水泥粉煤灰碎石桩14刚性桩刚性桩施工的压桩机已压入地基的管桩15爆炸挤淤爆炸排淤填石示意图1-超高填石； 2-爆前剖面； 3-爆后剖面； 4-补填剖面； 5-石舌； 6-药包16 路堤地基隔离墙隔离墙形成方式17强夯与强夯置换18 路堤断面设计路堤加宽计算模式预压路堤的边坡n按下式计算：第四章 施工观测及沉降预测1施工观测2