公路湿地软基浅层处理技术研究

编号：交通运输科技项目申请书项目名称:公路湿地软基浅层处理技术研究主管部门:安徽省公路局承担单位:合肥市公路局协作单位:天津大学岩土工程研究所武汉广益交通科技股份有限公司安徽省交通规划设计研究院起止年限:2012.4～2014.3填报日期:2012.4.12.安徽省交通运输厅

(一)国内外现状、水平和发展公路是国民经济的重要命脉，公路建设又是国家最主要的基础产业之一，改革开放以来，我国公路建设事业蓬勃发展。公路是线状工程，它必然会穿越不同的工程地质单元，所历路线的岩土工程环境变化大，我国地域广袤，软土分布范围广，无论在沿海、内陆平原，还是在西部山区，在公路建设中都常遇到软土地基的处理问题，软土的成因、结构和形态虽然不同，但都有含水量大、压缩性高、强度低和透水性差的特点。公路软基处理是公路施工和正常营运质量保证的前提，很多公路因为软基处治不当而引起路堤失稳、沉降破坏，进而产生路面不平和不均匀沉降的路面早期损坏现象。正确认识不同软土地基的加固处理机理，根据工程条件选择先进合理的软基处理技术方案，是减少工程投资、加快工程进度和确保工程质量的必要保证。公路软土地基处理的方法从机理上分为置换法、挤密法、固结法和桩基承力法。目前国内外常用的公路软基处理方法一般包括：采用砂石材料置换、轻质材料置换、抛石挤淤、水泥搅拌桩固结、水泥土桩挤密、振动砂石桩挤密和排水固结、塑料排水板或砂井排水固结、强夯、打入预制桩、现浇混凝土桩、CFG桩复合地基处理。近年来在公路、铁路和工民建地基处理上还采用长短桩组合复合地基处理、粉喷桩组合塑料排水板或砂井排水处理法、强夯置换墩处理地基法。工程建设中各种不同的软土地基处理方案无非是为了提高地基承载力和减少地基的变形。日本对软土地基上的高速公路的观测表明,车辆动荷载可使软土地基强化软化,产生可观的附加变形。冯守中在公路软基处理新技术中结合软土地基特点，介绍了软土路基常见病害，并对其产生原因进行了分析，提出了软土路基不均匀沉降时导致路基一些病害地主要原因。阐述了各种软土地基病害的相应治理措施，总结了软土地基的各种治理办法，指出实际工程中应因地制宜选取合适的方法，以期减小软土路基病害造成的损失。王辉在关于高速公路软土路基沉降及稳定性监测中介绍了软土路基施工中存在的主要问题和路堤施工软土路基观测的目的和内容，总结了路基沉降的观测方法及具体步骤，并结合高速公路工程实例，说明了软土路基沉降的观测方法在实际工程中的应用。向先超，汪稔，朱长歧在海滩地区软土路基瞬时沉降分析中根据厦门滨海路基变形监测资料，对瞬时沉降进行了分析，在考虑围堰及潮汐等影响因素的情况下，建立了该类地区软基瞬时沉降的计算公式。其计算参数都是由厦门地区软基变形实测资料而得出，能较好地计算该地区软基瞬时沉降，对其他类似地区也有一定的参考作用。冯守中、闫澍旺提出土工织物散体桩处理地基的方法，针对处理淤泥土、泥炭土、盐渍土、粉土等特殊地质软土具有明显的先进性，并已开始在不同地域的高速公路中推广应用。近年来，冯守中、闫澍旺等人又提出了土工布袋活性材料桩在沿江、沿湖、沿海等深厚软土地区进行路基的浅层处理技术，其从地基处理的复合机理及适用条件上有较好的应用效果。以上研究内容从不同角度对软土路基的变形和加固方法进行了研究，代表了当前公路软土路基处理的发展现状。湿地一般被认为是陆地与水域之间的过渡地带，其表现特征为沼泽、滩涂，安徽地区湿地软基的深度一般小于30米。湿地被称为“地球之肾”，具有保持水源、净化水质、蓄洪防旱、调节气候和维护生物多样性等重要生态功能。但随着交通建设的发展，一些公路线路须穿越湿地，公路路基下的湿地软基处置应以提高地基强度，保证湿地地下水流的通畅和节约工程造价为最高技术指导原则。湿地软基处理针对性较强。厚度小于3米的浅层湿地软基，一般采用透性材料换填；厚度3～15米的中厚层湿地软基，可以根据具体情况采用强夯置换墩或土工织物散体桩进行处治，但大于15米以上的深后湿地软基，处理往往比较困难，很多情况下，设计单位往往采用破坏湿地周边环境的水泥搅拌桩法进行处治。水泥搅拌桩是传统的公路软基处理技术，其处理地基可最大限度的利用原土，施工机具轻巧，搅拌时无振动、无噪音，土体加固后重度基本不变。目前，水泥搅拌桩比较广泛的使用在公、铁路地基处理上，但近年来，上海、武汉、天津等地出台相关文件限用水泥搅拌桩，其主要问题可归纳如下：（1）水泥搅拌桩的施工机械设备气压恒定，成桩时容易随深度增加，喷浆（粉）量减少，造成桩身搅拌上下不均匀的现象；（2）水泥搅拌桩桩体的无侧限抗压强度随地层含水量的增减而发生较大变化，有关文献资料表明，当原土体含水量增加1%，水泥搅拌土的无侧限抗压强度会降低10%左右；（3）当地层不均匀时，对于水泥土桩相同的喷浆量，水泥土搅拌桩的桩身强度不均匀，同样的参入比、同样的工艺，淤泥和砂类土中桩身强度可差1倍以上，当桩体穿越不同的土层，很难避免桩身强度的差异；（4）水泥搅拌桩桩机的施工监控系统不完善，钻头升降与供料系统非联动操作，加上堵管等因素的影响，单位桩长的供灰量不准确，常常会造成沿桩长方向，桩身强度有过大差异；（5）水泥搅拌桩不适宜处理泥碳土、有机质淤泥土、塑性指数大于25的粘土及地下水有腐蚀的地基，在泥碳土和有机质淤泥土中，会出现水泥不凝固的现象。（6）当处理湿地软基时，因其属化学固结处理的机理，故会对湿地的周边环境有一定的破坏影响。故此，针对安徽地区的湿地软基特点，开展公路湿地软基浅层处理的技术研究，在湿地表面形成合适厚度的超固结硬壳层，保证公路运营中基础的稳定性；同时，不破坏硬壳层下的湿地环境结构，湿地中的地下水可以在超固结硬壳层下互相连通。这样，保证了公路在湿地上穿过，但湿地的周边环境不会受到任何破坏；同时减少了工程造价、加快了工程进度，并避免运营后耗用大量的人力、物力和财力进行道路整治。这对确保道路工程质量、保证行车安全和节省工程投资的意义重大。(二)研究内容和目标（包括阶段目标、最终目标）及主要技术经济指标2.1研究内容和目标针对湿地软基的特点，通过对软土地基方案的调研、分析，并通过变形特性的研究，提出软土路基沉降发展的组成部分，分析不同阶段沉降的原因，提出合适的公路湿地软基浅层处理的新技术方法。主要研究内容包括：（1）调研、分析现有软土路基的变形规律，提出软土路基的沉降组成部分，变形后的形状，分析产生这些变形的原因及机理，为提出相应的计算方法和加固措施提供理论支持。（2）通过分析软土的变形特性，根据实际工程实测资料，提出瞬时沉降的计算方法。（3）通过室内动三轴试验，研究在车辆动荷载作用下，不同深度、不同固结度下软土路基残余变形的规律及计算方法。（4）通过数学分析的手段，分析在有初始缺陷情况下，车辆冲击荷载作用对软土路基变形的影响。（5）提出合适的湿地深厚软基浅层处理的技术方法及计算模型、设计参数。（6）总结土工布袋活性材料桩处理软土的施工工艺及检测方法。本课题依托安徽省环巢湖大道工程S316省道一级公路改建，具体可解决其线路中深厚软基及湿地软基处理的设计难题，以到达节约工程造价，加快工程进度的目的。2.2主要技术经济指标（1）搞清软土地基公路变形的机理和影响因素；（2）处理后的路基满足公路路基的沉降指标要求；（3）施工方法快、适用性强；（4）节约工程投资。(三)达到的科学技术水平、经济、社会效益及其推广应用范围本课题的研究成果将整体达到国际先进水平。本课题的成果经济、环保、施工速度快、工艺简便、软土加固效果好，可解决深厚软基的公路路基变形问题，其社会经济效益巨大。本技术丰富了公路软基处理的技术方法，填补了深厚软土不须进行深层基础加固的可适应性耐变形路基处理措施方法的空白。其不仅适用于公路地基处理，也可在铁路、市政、水利、工民建等土木工程行业推广应用。(四)研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）（1）分析研究软土路基的变形规律，搞清影响软土路基的沉降的原因。（2）通过有限元分析，分析公路软基在施工期和固结度较低时的变形特性。（3）通过室内动三轴试验，研究在车辆动荷载作用下，不同深度、不同固结度下软土路基残余变形的规律及计算方法。（4）通过数学分析的手段，分析在有初始缺陷情况下，车辆冲击荷载作用对软土路基变形的影响，从而研究软土地基上道路发生波浪破坏的机制。（5）通过有限元分析计算结果提出土工布袋活性材料桩处理深厚软基的公路路基建议的加固深度及计算模型。（6）通过试验段试验对加固方法进行验证。

(五)计划进度（总的研究期限、进度及年度计划进度）本课题计划研究进度24个月，具体研究计划如下：2012.4.～2012.5.调研，立项，完善可研报告，制订课题研究实施方案。2012.7.～2012.8.进行室内模型试验，提出依托工程软基设计处理方案。2012.9～2012.12.依托工程施工、实体工程试验、监控量测、理论分析计算。2013.1～2013.12.位移、沉降观测，资料分析。2014.1～2014.3资料整理，鉴定验收。(六)现有的技术条件及预试验情况（本课题已做了哪些工作）、现有的仪器设备本课题主要采用土工布袋活性材料桩对湿地软基进行处理，达到在地表层形成一个超固结硬壳层的效果，以满足公路地基承力与变形的要求。土工布袋活性材料桩处理软基包纳了轻质材料置换、挤密、吸水固结、桩基承力的几大机理于一体，这是一种新型的地基处理方法，其造价底、适用性强、施工速度快。课题组的主要研究者在土工布袋活性材料桩的开发研究中已系列发明了“土工布袋活性材料桩处理软基的方法”、“土工布袋活性材料桩打桩机”。在本课题研究之前，课题组主要成员曾研究完成了省部级课题“天津港吹填土地基浅层加固方法研究”、“高寒季冻区盐渍土软基处理技术研究”、“高寒湿地公路软基处理技术研究”、“山区高速公路沟谷软基处理技术研究”。以上的研究成果已阶段性完成了本课题的前期研究试验工作。课题组现有土工布袋活性材料桩打桩机2台，具有岩土工程实验室，拥有各种地基勘测、试验和检测仪器设备，并有大型商用软件FLAC2D、FLAC3D、ABAQUS、ANSYS。这为本课题的研究提供了有力的技术保障。(七)承担单位、协作单位的分工，课题负责人及课题组主要人员本项目承担单位为合肥市公路局，研究协作单位为天津大学岩土工程研究所、武汉广益交通科技股份有限公司、安徽省交通规划设计研究院。合肥市公路局是合肥市公路建设建、管、养单位，其技术力量雄厚，有一批公路建设的专业人才，同时，具有在建及改建的公路可进行依托、总结，在依托工程中使用将可大大节约地基处理费用。天津大学是国内首批“985”大学，其水工港口学科国内排名第一。多年来，天津大学参加了国家、行业的历次港口、水利工程规范的编写和修订工作。在本课题研究中负责收集国内外资料、试验、制订研究大纲和技术路线，纂写研究报告，协助组织课题的鉴定验收。武汉广益交通科技股份有限公司（原武汉广益工程咨询有限公司）是专门从事公路、水运等交通行业咨询、科研和监理的单位，公司拥有交通科研所与工程质量检测中心等部门，自2002年以来完成多项省部级公路水运重大科研攻关，并先后荣获8项省部级科技进步奖，已负责主持或参加编写完成了6部行业和地方规范，已获国家知识产权局授权的专利技术13项。在本课题研究中负责研究大纲、科研实施方案的编写，提出实体工程的设计施工技术方案，负责课题的室内外试验、施工实施、监测、理论分析计算、试验数据分析、研究报告的纂写工作，协助组织课题的鉴定验收。安徽省交通规划设计研究院，其始创于1960年，是安徽省唯一的公路工程、交通工程、建筑综合甲级勘察设计单位，技术力量雄厚，各类专业技术人员、技术设备配套齐全。现有道路工程、桥梁工程、隧道工程、交通工程、岩土工程、建筑工程、环保工程、工程经济等各类专业技术人员220余人，其中教授级高级工程师10人，高级工程师50人，工程师86人。长期从事公路工程设计及相关科研工作，并获得十余项国家级优秀设计奖和省部级科技进步奖。在本课题研究中负责大纲的审核、课题的立项、课题的研究组织、地基处理方案的设计，参加研究报告的编写，负责课题的检查和组织鉴定验收。项目负责人:周增华序号姓名年龄专业职务职称所在单位1周增华49公路工程高工合肥市公路局2张定方49公路工程高工合肥市公路局3冯守中49岩土工程教授/博士生导师天津大学4何子平49公路工程高工合肥市公路局5汪为奇45公路工程高工合肥市公路局6陈修和47公路工程正高工安徽省交通规划设计研究院7吴文东41公路工程高工合肥市公路局8戴向阳41公路工程工程师合肥市公路局9张胜46岩土工程正高