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第十四讲特殊土地区的路基施工一、特殊土概念二、各种特殊土的特性三、软土和泥沼地区四、膨胀土地区五、盐渍土地区六、多年冻土地区所谓特殊土是指具有特殊成分、结构、状态，形成特殊工程性质的土类。一、特殊土概念软土：抗剪强度低、压缩性高膨胀土：干缩湿胀，强度因湿胀而下降特殊土冻土：冻胀融沉盐渍土：含盐量越多，溶蚀作用越强，对路堤密实度的影响也越大。二、各种特殊土的特性1软土和泥沼定义地基中常见的软土，一般是指处于软朔或者流朔状态下的粘性土。习惯上常把淤泥、淤泥质土、软黏性土总称为软土，而把有机质含量很高的泥炭、泥炭质土总称为泥沼。三、软土和泥沼地区主要分布：在沿海平原，但山间盆地亦有分布。软土地区：指孔隙比大、含水量高、强度低的饱和粘性土地区。2软土地区路基临界高度概念：在天然的软土地基上，以最快速度进行填筑施工，修筑一般路堤所能达到的最大高度。软土上可修筑低路堤，但填筑高路堤超过临界高度时，会发生路基基底滑动。原因：填土荷载安全因素时间时间显然只是在填筑至设计高度的瞬间，稳定性是最低的。随着软土在荷载下的固结压密，稳定性又逐渐增高。因此稳定系数的最低限可以采用1.15。填土荷载安全因素时间时间对应为临界高度路堤高度时间临界高度重要性：临界高度是软土地基是否需要作特殊加固处理的界限，也是控制线路纵断面设计的重要依据。临界高度的大小，取决于地层的成层情况以及地层和填土的物理力学性质等。软土路堤的临界高度在以地基稳定为要求时，可分为填筑临界高度和设计临界高度，前者按地基上仅受堤身快速施工中形成的荷载得出。在路堤竣工后需立即铺轨并通行工程列车时，则软土地基应在能承受快速施工中形成的堤身荷载外，还应加上列车和轨道荷载，由此而得出的路堤临界高度即为设计临界高度。由于软土路堤在竣工后常需立即铺轨和行驶工程列车，所以，线路纵断面设计中常取设计临界高度。设计临界高度和填筑临界高度的高差由列车与轨道荷载形成，其值约在2m左右。因此，为使计算简便起见，临界高度计算常按填筑临界高度形式进行，而后将计算值减去2～3m为设计临界高度。为使筑成后的路堤沉降量小，在定临界高度时应视可能取低值。临界高度的大小取决于软土的性质和成层情况，软土表层硬壳的厚度与性质、填料的情况等等。路堤超过临界高度时，为确保路堤在施工和运营期的安全使用，必须进行路堤和地基加固处理。软土地基路堤的加固技术大致分为以下几类：3软土地基加固1）改变路堤的结构型式①反压护道它是通过在路堤两侧填筑一定宽度和高度的护道起反压作用，防止地基破坏，保证路堤稳定的一种有效工程措施。反压护道是一种行之有效的方法，施工亦简易，但占地面积多，土方量大。用于非耕作区和土源丰富的地区较为合适，在耕作区则不宜采用。②铺设土工合成材料它是在路堤底部铺设一层或多层土工合成材料，起柔性柴排的作用。土工合成材料铺设于路堤底层后，由于其具有较高的强度和韧性，能紧贴于地表，使上部填土荷载较均衡地分布到地层中，并能抵抗土坡滑动，阻止冲切破坏面的产生，提高地基承载力，增强路堤稳定性。③限制软土地基侧向位移的方法在路堤坡脚附近设置板桩、木排桩、钢筋混凝土桩或片石齿墙等限制软土地基侧向位移的方法。2）人工地基人工地基是在软土地基内设置各种材料制成桩，构成复合地基，或将地基土换成性能良好的土料，以保证路堤稳定的一类方法。①换土它是以人工、机械或爆破方法将软土挖除，换填强度较高的粘性土或砂、砾石、碎石等渗水材料。适用性：适用于软土层较薄（厚度小于3.0ｍ）、无硬土覆盖的情况和易于排水施工等情况。。换土是软土地基处理最彻底的一种方法。抛石挤淤适用于湖、塘、河流等积水洼地，水量大且不易排于，无硬壳，软土易挤开，片石能沉达底部者。②挤密砂桩其方法是将砂桩打入软土地基，使密实的砂柱体挤密软弱土层，形成复合地基。有外荷载作用时，应力向砂桩集中，使桩周围土层承受的压力减小，沉降也相应减小。适用性：适用于对沉降要求较严的工程。加固机理：挤密土层③碎石桩碎石桩的桩身由碎石充填。由于碎石桩的刚度大于地基中的软粘土，地基应力重分布，荷载大部分由碎石桩承担，桩土应力比值一般为3～5。加固机理：置换土层④生石灰桩它是用2～5cm的生石灰块填入软土孔眼中，形成生石灰桩地基。其加固软土机理：生石灰遇水反应成熟石灰，吸收占其重量32％的水，体积膨胀1倍，同时放出大量的热，使桩周土体含水量降低，土体压密；石灰与土之间的离子交换和胶凝反应使土的性质和结构得以改善，从而提高土的强度。生石灰桩的作用主要是土的挤密而不是桩的承载作用。⑤粉体喷射搅拌法它以生石灰粉或水泥等粉体材料作为加固料，通过特制的施工机械，用压缩空气将粉体呈雾状喷人土中，使粉体与原软土搅拌形成石灰(或水泥)粘土混合的柱体。粉体喷射搅拌法是近年国内外常用的一种深层软基加固技术。它的强度大，水稳性好，可提高软土地基的承载力，减小沉降量和增加路堤稳定。加固深度一般在10～15m。⑥旋喷桩旋喷法(又称高压喷射注浆法)是在静压化学或水泥注浆法的基础上采用高压水射流切割技术而发展起来的一种地基处理方法。其适应范围很广，从淤泥质土、粘性土、砂土直至砂砾土(粒径d50mm)等几乎适用于所有土质。机械名称：旋喷桩桩机型号规格：XP-20型功率：90kW施工桩径：φ600~φ1200⑦深层搅拌桩深层搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部就地将软黏土与水泥强制拌和，使软土地基硬结成具有一定强度的水泥加固土。水泥土深层搅拌桩既具有良好的挡土自立能力，同时其防水抗渗能力也相当优异。作为深基坑挡土结构时，其宽度一般要经过理论计算并结合经验确定，而用于隔水帷幕时，其宽度一般不小于1.2ｍ，且桩与桩之间的搭接不小于20cｍ。机械名称：深层搅拌桩机型号规格：SJB-1型功率：75KW施工桩径：φ500-φ7003）排水固结排水固结是在软土中设置垂直井，地表铺设砂垫层，以缩短孔隙水的流程，加速土体固结的一类方法。①排水砂井a作用原理软土地基在荷载作用下，孔隙中的水慢慢排出，孔隙水压力逐渐消散，有效应力渐渐提高，孔隙体积渐渐减小，地基发生固结沉降，地基强度相应增大。根据固结理论，粘性土固结所需的时间和排水距离的平方成正比。土层越厚，固结所需的时间越长。为了加速土层固结，最有效的方法是增加土层的排水通道，缩短排水距离。砂井(袋装砂井、塑料排水板)就是按照这个原理而设置的。b设置方法砂井是由打桩机具击入钢管，或用高压射水、爆破等方法在地基中形成按一定规律排列的孔眼(这些孔眼具有一定深度和直径)，在其中灌以中粗砂而成。砂井顶面铺设厚度不大的砂垫层以连通砂井，构成完整的地基排水系统。c效果软土地基设置砂井后，改善了地基的排水条件，在附加荷载作用下，排水固结过程大大加快，地基强度迅速提高，因而也增大了地基承载力与路堤的稳定性。②袋装砂井它是在合成材料编织袋内充填中粗砂构成的砂袋，装入地基孔内，以加速地基排水固结。袋装砂井的编织袋应具有良好的透水性，袋内的砂不易漏失，袋子的材料应有足够的强度，有一定的抗老化及耐地下水腐蚀的性能。③塑料排水板它是将预制的带状塑料排水板用插板机将其竖直插入土中，形成类似砂井的排水通道，使孔隙水沿塑料板的通道逸出，从而加固地基土的方法。④排水砂垫层它是在路堤底部的地面上铺设一层砂垫层，其作用是在软土层顶面增加一个排水面。在填土过程中，软土中渗出的水就可从砂垫层中排出，加速地基固结，提高软土的强度，增强路堤稳定。砂垫层是提供竖向排水通道。它适用于软土层较薄，也适用于软土层稍厚但中间或底部有透水层的地基。砂垫层施工简易，不需特殊的施工机具，但需放慢填筑速度，使地基有充分的时间进行排水固结。1概念膨胀土又称为裂土，即裂隙粘土，是一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性粘土。四、膨胀土地区2膨胀土的工程特性①膨胀性膨胀土的干缩湿胀十分强烈与粘土颗粒的含量高和粘土矿物的成分构成及其晶格构造特性有关。②裂隙性膨胀土普遍发育各种形态的裂隙。裂隙的形成与它的成土过程、胀缩效应、风化作用等许多因素有关。③超固结性膨胀土在其形成的地质历史过程中，曾受过比现在自重应力更大的上覆荷载，呈超固结状态，因此深层原状土具有较高的初始强度。由于先期固结压力的作用，膨胀土在开挖后，已形成的应力平衡被破坏，常会出现土体松胀。3膨胀土路基病害①溜坍路基边坡上局部表层土体，由于降雨下渗含水量过大以及土的胀缩作用，强度降低而溜坍。②滑坡斜坡土体沿土中裂隙面、层面等软弱面滑动。滑动面土体含水量较大、强度低，虽然边坡放缓，但仍易产生滑动。③坍滑路基边坡坍滑是膨胀土地段的路堑、路堤边坡经常发生的一种变形现象。④路堤和基底的不均匀沉降及变形i)它不仅具有压缩变形，而且还有湿胀干缩变形，故施工中难以破碎、压实，是路堤经常发生不均匀沉降的重要原因；ii)它作为地基，本身承载力就较低，在受到外界干扰之后，必须考虑其强度的衰减，它是导致基底变形、路堤破坏的又一重要因素。正是以上原因，后期的维修养护也难以妥善解决运营中可能出现的危害。1概念地表下1m内易溶盐平均含量0.5％的土层称为盐渍土。含盐量以烘干土样中含盐量％表示之。五、盐渍土地区①压实性——土中含盐量增大，干密度减少，最佳含水量的水份降低。含盐量5％时须加强辗压才能达到标准密度。②膨胀性——氯盐渍土无松胀现象而硫酸盐和碳酸盐则有。③力学性质——土中含有盐分，粘聚力和摩擦角都变小。④腐蚀性——线路经过盐渍土地区，宜选地势较高，含盐量较少、排水条件较好的地方以路堤通过。2工程性质①控制填料的含盐量和压实密度②控制路基最小高度（一般情况下路堤最小高度不应小于1.5m。）③加固地基：一般采用挤密砂桩法以加固地层。④隔断毛细水⑤防止溶蚀⑥加强排水3处理措施六、多年冻土地区1概念在高纬度和高海拔地区，气候严寒，地面以下一定深度的地温，经常保持在0℃以下，含冰的土持续三年或三年以上不融化，称为多年冻土。正常的涵洞冻融后的涵洞2冻土的工程性质冻土冻害的形式只有冻胀和融沉，但其影响因素却比较复杂，可归结为温、土、水、力四个因素。①温度温度的变化直接影响土的冻融变化。天然的多年冻土顶面，常常覆盖着一层季节融冻土层，这层土的地温，随季节而变化，暖季融化，寒季冻结，循环不已，但它能保持多年冻土层的顶面经常处于负温状态，使其有一个较稳定的上限，所以这个季节融冻层是天然的保温层。如果破坏了它，或在上面加土覆盖，都将引起多年冻土的上限温度升高或降低。在路基施工中，总要改变这季节融冻层的状态，融冻层改变后，常以人工保温层来恢复原有的温度，防止可能产生的冻害。②土土和水是决定冻土的工程性质的内因，是起决定作用的要素。土的颗粒大小，矿物成分和化学成分，直接关系到冻害的轻重，尤其是土的颗粒大小影响最大。粗颗粒土叫做非冻胀性土，其排水性好，不产生冻胀或融沉；细颗粒的粘性土叫做冻胀性土，其排水性差，毛细水作用引起的水分迁移强烈，最易聚冰，冻胀和融沉都严重。③水是指冻土中含水量多少，冻土中无水就没有冻胀和融沉问题。含水量大，土中冰就多，冻害亦严重。④力力的因素主要为外荷的大小。冻土本身很像坚硬的岩石，承载力是很大的，问题在于季节融冻层，冻胀时要求外荷大于冻胀力，才能使冻胀病害不致发生。如将建筑物基础埋在多年冻土内，建筑物基础周边与冻土中的冰胶结在一起，还能产生冻结力，可以抵消一部分冻胀力。故建筑物的稳定性计算可以考虑这个有利因素。基础冻胀稳定性计算（如果τ1＜τ2+p，则建筑物安全。）路堤的滑坍在路基工程中破坏了多年冻土的热平衡条件后，常用人工建筑材料保持多年冻土的冻结，叫做保温法。在多年冻土地区的边缘，若多年冻土层不厚，温度高而不稳定，则挖除冻土，使路基坐落在可靠的基底上，叫做破坏冻土法。3破坏冻土法和保温法多年冻土地区挡土墙示意图