软基设计与施工技术细则宣贯(沉降稳定计算)郑治

《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》要点宣讲重庆交通科研设计院郑治研究员2013年05月讲座大纲一、软基设计步骤与基础资料的准备二、软土指标的鉴别三、沉降与稳定计算四、路堤设计软基设计的基本步骤接受任务--地质调查-道路设计-地勘工作--基础资料准备--处治原则的拟定--计算分析--确定处治技术方案--设计图纸与工程数量--施工技术交底--现场试验与工后服务.一、软基设计步骤与基础资料的准备路堤资料地基资料处治措施其他资料软基设计需要的基础资料路堤资料各段路基的高度；路基断面形式；填料类型；填料的密度和填料的力学指标；设计荷载；施工工期地基资料地层分布、厚度；地下水位高度，地下水的来源；土的渗透性；各层的物理、力学指标（和设计方法对应）(注意微地貌的识别和处治)处治措施处治措施的技术指标（碎石桩的摩擦角、容重；搅拌桩的无侧限抗压强度指标；气泡混合轻质土的技术指标；加筋材料的力学指标。。。）其它资料当地的地震力度等当地既有建(构)筑物的软土地基处治措施和经验等。资料整理和分段分段依据：设计资料、地勘资料（平原地区一般桥头路基30～50米，一般路基100～300米。沟谷型软基常常以一个沟谷为设计单位）。根据填方高度、地基土层分布等对地基进行分段（根据钻孔、根据软土的分布范围和分布规律，沿线微地貌与软土分布的关系）通过分段确定各段的控制性设计断面，拟定地层参数（注意地基排水层的确定）。确定工后沉降控制指标。处治措施的计算与比较分段计算天然极限填方高度。根据结构类型、荷载大小、施工工期及使用要求（处理目的），结合地形地貌、地层结构、土质条件、地下水特征、周围环境和相邻建筑物等因素，考虑当地的施工经验，初步选定几种可供考虑的地基处理方案。进行方案的计算分析。对初步选定的各种地基处理方案，应分别从处理效果、材料来源及消耗、机具条件、施工进度、环境影响等方面进行认真的技术经济分析和比较。根据安全可靠、施工方便、经济合理等原则，因地制宜地选择最佳的处理方法。选取经济有效的软基处理方案是一项系统工程，要考虑土的特性、产生压缩变形的机理、加固方案的成熟性和质量检测的难易程度以及施工队伍的素质条件等，只有这样才能确定合理的加固方法。二、软土指标的鉴别软土Softsoil天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。软土一般是指天然含水量大、压缩性高、承载力低的一种软塑到流塑状态的粘性土。它一般是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物、化学作用形成的。但含水量多少才谓之高、承载力多少才谓之低，国内外没有一个统一的标准，就连国内各部门之间也没有一个统一标准。淤泥：淤泥为在静水或缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成，其天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1.5的粘性土。淤泥质土：其天然含水量大于液限，天然孔隙比小于1.5但大于或等于1.0的粘性土或粉土。淤泥：有机质含量3～10%泥炭质土：有机质含量10～60%泥炭：有机质含量大于60%《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001)《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002)《公路工程地质勘察规范》（JTGC20—2011）《公路工程地质勘察规范》(JTJ064-98）关于软土的标准。该文术语一章的2.0.16条对软土的定义为:滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量大于液限，天然空隙比大于或等于1.0，压缩系数不小于0.5MPa-1，不排水抗剪强度小于30kPa的细粒土。《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》(JTJ017-96）用天然含水量、天然空隙比和十字板剪切强度三个指标划分软土，见下表。一些规范的规定《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)，在第6.3条指出:天然空隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土应判为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。《铁路特殊路基设计规范》（TB10035-2006），软土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，天然含水量大于液限，天然孔隙比大于1.0，压缩性高（a0.1-0.2大于0.5Mpa-1，强度低（Ps=0.8Mpa）等特点的粘性土。2011年颁布的《公路工程地质勘察规范》（JTGC20—2011）中8.5.1条，利用天然含水率、天然孔隙比、压缩系数、标准贯入试验锤击数、静力触探比贯入阻力、十字板抗剪强度6项指标鉴别软土，指标考虑比较全面。因此，本细则对软土鉴别标准与其靠近；考虑到软土勘察中标准贯入试验锤击数的指导意义不大，改用了快剪内摩擦角指标。天然孔隙比和天然含水率两项物理指标测试方便，且变异性小，可作为基本指标对软土鉴别。特征指标名称天然含水率（%）天然孔隙比快剪内摩擦角（°）十字板抗剪强度（kPa）静力触探锥尖阻力（MPa）压缩系数a0.1～0.2（MPa-1）粘质土、有机质土≥35≥液限≥1.0宜小于5宜小于35宜小于0.75宜大于0.5粉质土≥30≥0.9宜小于8宜大于0.3表3.1.5软土鉴别指标表软土可按表3.1.5进行鉴别。当获得的指标不能完全满足表中情况时，可将天然孔隙比和天然含水率作为基本指标鉴别，经综合分析判定。本细则规定我国软基分布的特点按形成环境来说，软基大概可以分为湖泊沉积、滨海沉积和河滩沉积和沼泽沉积和山区沟谷相沉积，沿海地区（如天津、广东）分布的主要软基类型是滨海相沉积软基，平原湖泊地区（如昆明、杭洲、江苏）则主要分布湖泊沉积软基。而在我国的丘陵和山区，还分布着大量的山区沟谷相沉积以及河滩相沉积的软土地基。类型成因沉积特征分布概况滨海沉积滨海相三角相泻湖相溺谷相在软弱海浪暗流及潮汐的水动力作用下，逐渐停积淤成。表层有硬壳层0～3m，下部为淤泥夹粉性细砂透镜体，软土厚4～60m，常含有贝壳及海生物残骸，表层硬壳之下，局部中间含有薄层泥炭透镜体。滨海相有机质粘土常与砂粒相互混杂，极疏松，透水性强，易于压缩固结。三角洲相沉积分选性差，结构不稳定，带有粉砂薄层的交错层理，水平渗透性好。泻湖相、溺谷相沉积颗粒极细，空隙比大，强度低，多夹有薄层泥炭或腐殖质。泻湖相厚度大、分布广，溺谷相一般更深，但分布范围窄，松软沿海现代海岸地区；温州、乐清湾；连云港地区湖泊沉积湖相三角洲相淡水湖盆沉积物在稳定的湖水期逐渐沉积，沉积相带有季节性，粉土颗粒占较多，表层硬壳层厚0～5m，软土淤积厚度一般为5～25m，泥炭质或腐殖质多呈透镜体状，但不多见洞庭湖、江苏太湖、洪泽湖周边地带河滩沉积河床相河漫滩相牛轭湖相平原河流流速较小，水中夹带的粘土颗粒缓慢沉积而成，成层情况不均匀，以有机质土及粘土为主，含有砂夹层，厚度一般小于20m长江、黄河中下游、珠江下游及河口、汉江下游、淮河平原、闽江下游、松辽平原等谷地沉积谷地相在山区或丘陵区，地表水带有大量含有机质的粘性土，汇积于平缓谷地之后，流速减低，淤积而成软土。一般呈零星“鸡窝状”分布，不连续厚度小于5m居多。其主要成分与性质差异很大，上覆硬壳厚度不一，软土地层坡度较大，极易造成道路变形南方、西南山区或丘陵区。如广东、湖南丘陵区沟谷地带沼泽沉积沼泽相因地表水排泄不畅的低洼地带，且蒸发量不足以干化淹水地区的情况下形成的沉积物，多以泥炭为主，下部分布有淤泥或底部与泥炭交互层，厚度一般小于10m江苏盐城、泗洪一带表1-1五种软土的特征（按成因分类）我国区域性软土特点比较尽管软土地基都存在变形大、强度低的共性，但由于其地理环境、形成因素以及水文地质条件上的差异，其软基的特点、土性的参数也有较大的差异。我国软土分布，基本符合“北强南弱，依次变化”的总趋势。在我国沿海，除山东部分地段外，大部分的海岸线为淤泥质海岸。在地质上属于第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的粘性土沉积物和河流冲击物，有的属于新近淤积物。大部分是饱和的，其天然含水量大于液限，孔隙比大于1.0。一般来说，滨海相沉积软基特点是组成颗粒细微、均匀，一般处于流塑状态，土层较为均匀、软基深度较深，土层变化不多、排水固结速率较慢，天然极限填土高度较低。湖泊沉积软基土层变化较为复杂、透镜体、间灭现象较多，和沼泽沉积一样，有机质含量高，呈现天然孔隙比高、含水量大的特点。海相、湖相沉积的特点是天然含水量高，一般在35%～100%，最大的含水量可达200%以上，天然孔隙比大，最大的可达到3以上，一般压缩系数=0.5～1.0Mpa-1，最大可达到4.5Mpa-1；渗透系数小，一般约为1×10-6～1×10-8㎝2/s。在荷载作用下，软粘土地基承载力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定历时比较长，一般需要几年，甚至十几年。由于上述地区软基深度较深，强度低，较多采用了塑料排水板、搅拌桩、管桩、真空预压、土工合成材料加筋等措施。沟谷相软土地基，天然含水量较高，一般在20%～70%，略低于其他沉积软土；天然孔隙比一般在0.7~1.0之间，很少超过2.0以上，一般压缩系数=0.3～1.0Mpa-1；固结系数约为1×10-2～1×10-４㎝2/s。软基天然含水量和快剪指标和其他软土差不多，但其后期固结快剪指标明显高于海相沉积和湖相沉积软土，软基天然强度明显好于东部，从四川、重庆的多条高速公路的沟谷相软基的土性指标看，软基的天然极限填高一般在8m以上，明显较海相、湖相沉积软土高。由于大部分路段的软基天然孔隙比一般在0.7~1.0之间，按照目前的软基分类标准，应该不属于软土，而属于软弱地基。我国的沟谷相软基，大多分布在冲沟、谷地、河流阶地。山区沟谷相软基主要是由于当地的软岩风化物和地表的有机物质经过流水的搬运,沉积于地形的低洼处,并经过长时间的饱水软化,以及微生物的分解作用而形成。它在我国南部、西南部的山区或丘陵区的广泛分布，由于环境、成因等因素的不同，山区沟谷相软基呈现出自身的特点。根据西南地区沟谷相软基的特点，挖淤换填、清表后片石挤淤换填、片石盲沟、土工格栅加筋、反压护道、塑料排水板、碎石桩（包括CFG桩）等成为常用的处治措施。山区沟谷相软基常常达不到软土标准，目前习惯上称为软弱土。公路工程的软土地基需要进行处治，软弱土地基同样需要进行处治，处治的方法由公路工程的标准和构筑物的类型决定。插入破坏图片一些软基路堤破坏变形情况三、路堤沉降稳定计算在软土地基上修建公路会遇到路基不稳定、沉降过大、不均匀沉降等问题。软基处治的主要目的确保软基路堤的稳定，在营运期间不产生过大的沉降变形不产生过大的不均匀沉降。软基路堤的控制指标沉降指标稳定指标4.1路堤沉降和稳定计算的一般规定4.1.1软土地基路堤应根据软土层厚度、土层强度以及路堤高度的差异，分段进行稳定验算与沉降计算。4.1.2稳定验算与沉降计算应按成层地基进行，不得简化为均质地基。4.1.3软土地基沉降应计算至附加应力与有效自重应力之比不大于0.15处。4.1.4稳定验算应按路堤施工期及道路运营期的荷载分别计算稳定安全系数。施工期荷载可仅考虑路堤自重；运营期荷载应包括路堤自重、路面的增重及行车荷载。地震力计算可仅考虑水平向地震力。4.1.5稳定验算时行车荷载可按静止的土柱作用考虑，换算土柱高度应选择路堤上车辆荷载最不利的作用位置计算。路堤高度小于或等于2.5m时，应考虑行车动荷载对沉降的影响。4.2.6当稳定安全系数小于表4.2.6规定的容许值时，应针对稳定性进行处理设计。4.2稳定验算指标固结有效应力法改进总强度法简化Bishop法、Janbu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大量的实践证明，安全系数与所采用的计算方法及采用的抗剪强度指标有关，也就是说对不同的设计计算方法和强度指标应该采用不同的安全系数。本条中稳定安全系数容许值考虑了固结度的因素，实际上是对施工期和营运期给出了不同的安全系数。日本《高等级公路设计规范》中要求施工中的安全系数达到1.1，通车后的安全系数达到1.25；它认为快速施工中的路基为临时工程，破坏的