高速铁路软土地基处理

杨广庆博士、副教授石家庄铁道学院2004年6月高速铁路路基技术软土地基处理技术前提：地基处理的目的、加固原理、施工程序、技术要求、质量标准和检测方法软土地基处理技术铁路系统常用的地基处理方法浅层处理：换填法，抛石挤淤法、砂垫层法、土工合成材料（土工格栅、土工格室）垫层法。排水固结法：袋装砂井、砂井、塑料排水板堆载预压、真空预压、井点降水复合地基：水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、砂桩、碎石桩强夯：强夯置换软土地基处理技术高速铁路路基的地基条件不允许发生发生基底破坏，也不允许发生过大的工后沉降和沉降速率。以往只对基底强度作要求，不允许地基破坏，对地基变形未重视。提速后的铁路路基病害，大部分为地基变形所致。高速铁路路基的设计理念正由强度设计向变形控制设计转变高速铁路路基地基，强度和刚度要求并重。软土地基处理技术日本东海道新干线：工后沉降小于10cm大秦铁路：工后沉降小于30cm广深准高速铁路：工后沉降小于20cm秦沈客运专线：工后沉降小于15cm京沪高速铁路：工后沉降小于10cm软土地基处理技术地基处理方法的选择软土层厚度小于3米时，浅层处理。一般路基，软土层较后，排水固结法。路桥过渡段：复合地基松软地基、液化地基：软土地基厚，施工受地域影响，采用粉喷桩。软土地基处理技术浅层处理法：1、换填法（1）加固原理：根据土中附加应力的分布规律、让垫层承受上部较大的应力，软弱土层承受较小的应力。（2）作用：提高持力层承载力；减少沉降量；加速软土层的排水固结；防止冻胀；消除膨胀土的胀缩作用。软土地基处理技术（3）要求宽度；填料与压实标准（4）检验方法：压实系数、地基系数。2、抛石挤淤法石料要求、抛填顺序；检验方法。3、砂垫层法（含反滤层）4、土工合成材料垫层*搭接问题；多层铺设；砂垫层要求；压实问题软土地基处理技术排水固结法：原理：孔隙水排出，孔隙体积减小，地基产生固结变形。目的：解决沉降与稳定问题组成：排水系统：水平排水体：砂垫层竖向排水体：砂井、袋装砂井、塑料排水板加压系统：堆载法、真空预压法、降水法、电渗法、联合法软土地基处理技术设计方法堆载预压设计分级加载：当前期荷载增加到足以承受下级荷载时。利用天然地基土抗剪强度计算第一级允许荷载P1计算第一级荷载下地基强度增长值Cu1计算P1作用下达到所需固结度所需时间t1根据Cu1计算施加的第二级荷载P2=5.52Cu1/K依此类推计算预压荷载下地基的最终沉降量和预压期间的沉降量，确定预压时间。软土地基处理技术砂井排水固结设计砂井设计直径和间距；深度；排列方式；布置范围；砂料砂井地基固结度设计太沙基一维固结理论地基稳定分析：瑞典条分法沉降计算：分层总和法软土地基处理技术施工方法袋装砂井：设备：履带式双管砂井机；门架式袋装砂井机；井架式袋装砂井机材料：砂袋—聚乙烯、聚丙烯、聚酯施工顺序：清理场地：开挖排水沟，清表填筑土拱坡：设计路幅宽度范围内回填至高出原地面20cm，以4%横坡形成拱，碾压密实。填筑砂垫层：均匀、等厚软土地基处理技术机具定位打设套管孔口检查起吊，下砂袋坝套管检查砂井入土深度质量控制：砂料质量及含泥量套管长度与直径，桩尖活门开启情况灌砂的饱满度垂直度砂袋的外露长度软土地基处理技术塑料排水板施工顺序：装靴——定位——插设——上拔——切断——移位复合地基1、定义由两种刚度（模量）不同的材料（桩体与桩间土）所组成，在相对刚性基础上两者共同分担上部荷载，并协调变形的地基。2、分类桩体按成桩采用的材料分为：散体土类桩：碎石桩、砂桩；水泥土类桩：水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩混凝土类桩：CFG桩复合地基按成桩后桩体的强度分：柔性桩：散体土类桩半刚性桩：水泥土类桩刚性桩：混凝土类桩3、复合地基的作用机理桩体作用垫层作用：桩土复合地基垫层加速固结作用碎石桩，砂桩具有良好的透水性，加速地基固结。水泥土类桩与混凝土类桩也可加速地基固结。挤密作用砂桩、碎石桩施工过程中由于振动，挤压，排土作用等原因，使桩间土起到一定的密实作用。复合地基加筋作用复合地基提高土体的抗剪强度，增加土坡的抗滑能力。4、复合地基的破坏模式刺入破坏——混凝土类桩鼓胀破坏——碎石桩整体剪切破坏滑动破坏5、应力特性、承载力与变形特性桩土应力比复合地基承载力复合地基复合地基6、粉喷桩6.1特点通过特殊装置将压缩空气和粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴送到搅拌叶片的喷嘴喷出。借助叶片的旋转，在叶片的背后产生孔隙，安装在叶片背后的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，混合气体在孔隙中压力急剧降低，使固化材料黏附在旋转产生孔隙的土中，转到半周另一叶片将土和粉体固化材料搅拌混合在一起。复合地基6.2施工工具搅拌主机，粉体固化材料供给机，空气压缩机，搅拌翼，动力部分。6.3施工工序开工钻孔对位钻孔至设计深度打开送料阀门，关闭送气阀门，喷粉。确认粉到达桩底，提升钻头，继续喷粉。提升至设计标高，停止喷粉。打开送气阀，关闭送料阀，空压机不停，搅拌钻头升至桩顶，停止提升，转2min。在钻至复搅深度，反钻提升，复搅。提升至地面，停主电机，空压机复合地基6.4操作要点试桩不少于2根，确定施工参数：钻进速度，提升速度，搅拌速度，其流量，空气压力。必须钻到设计深度。复搅时（停止喷粉），重叠长度不小于1米。6.5质量检测桩身无侧限抗压强度：抽检2%0，没工点不少于2根。成桩28天后，在桩径方向1/4初，桩头至2/3桩长。复合地基承载力：沿线路纵向每100米1处，不少于一处。载荷板试验。复合地基7、水泥搅拌桩7.1施工程序钻机就位预搅下沉按设计确定的配合比，制备水泥浆提升、喷浆、搅拌重复上、下搅拌清洗移位复合地基7.2施工注意事项在顶端0.3~0.5m时，上覆压力较小，搅拌质量较差，场地整平标高应比设计标高高出0.3~0.5m。制桩到地面，然后将上部0.3~0.5m差的桩段挖去。垂直度偏差《1.5%，桩径偏差《4%。试桩，确定施工参数。浆液不得离析，泵送应连续。搅拌下沉不易水冲。因故停浆，搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，恢复后喷浆提升。6.5质量检测桩身无侧限抗压强度：抽检2%0，没工点不少于2根。成桩28天后，在桩径方向1/4初，桩头至2/3桩长。复合地基承载力：沿线路纵向每100米1处，不少于一处。载荷板试验。复合地基8、挤密砂桩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。根据我国在淤泥质粘土上打桩前后的荷载试验，其沉降量可比天然地基减小20％～30％，因而适用于对沉降要求较严的工程。同时，砂桩与砂井一样，在土中形成排水通路，能加速地基土固结沉降的速率，改善地基的整体稳定性，提高地基的承载力。挤密砂桩采用中、粗混合砂料，含泥量不得大于5％，也可用砂与角砾的混合料。设计规则规定，灌砂要密实，灌砂率不应小于90％．砂桩直径根据置换率要求以及施工机械、成桩方法等综合因素考虑，宜用较大直径。我国目前常用30cm，最大50～70cm，国外多用60～80cm，最大可达150～200cm。桩在平面上布置成三角形或正方形；桩长不应小于危险滑弧的深度；对于厚度不大的软土，桩长应穿透软弱层。砂桩顶面应铺以砂垫层以利排水。复合地基碎石桩碎石桩的结构与砂桩相同，桩身由碎石充填，其加固机理与砂桩不同的是它不是挤密而是置换。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。碎石桩受荷后，产生径向变形，且引起周围土体产生被动抗力。如粘土强度过低，碎石桩得不到所需的径向支持力，就不能达到加固的目的。因此天然地基的强度大小是形成复合地基的重要条件。根据经验，天然地基的抗剪强度大于20kPa，碎石桩加固地基才有较好的效果。碎石桩的直径较大(常用80～90cm)，桩长设计方法与砂桩相同，当软土较厚桩身不穿软弱层时，复合地基可起垫层作用，将荷载扩散使应力分布均匀，提高地基的承载力并减小沉降及沉降差。选用碎石桩材料时若考虑级配，则形成的桩能起排水砂井的作用，因而它也能提高土的抗剪强度，增大路堤的稳定性。复合地基8.1施工方法：振冲挤密法：沉管法，干振法振动成桩：冲击成桩8.2加固机理：松散砂土挤密排水减压砂基预震粘性土置换加速排水易发生鼓胀复合地基8.3质量检验时间：饱和粘土：1~2周；砂土：3~5天方法：液化地基：标准贯入试验N63.5(一米以下)；一米以内钎探。2%桩间土：动力触探，静力触探5处/100米复合地基承载力：载荷板试验1点/100米软土地区路基施工观测与控制在路堤施工中，由于附加荷载是逐渐起作用的，因此软土地基中超静水压力的消散必须经历一定时间才能完成。为了使路堤填筑所产生的应力增加量与路堤底地基强度的增量相适应，就必须进行施工观测与控制。软土地区路基施工观测与控制（一）施工观测的范围123、必须进行试压或预压的桥头路堤及采用45、对全面施工具有指导意义的代表性路堤。软土地区路基施工观测与控制1人工巡回观察是由有经验的施工人员沿着线路巡回观察路堤外貌的微小变形、微小裂缝及其他发展情况，观察路堤坡脚附近地面的微小隆起和出水现象等。当发现上述现象时，应考虑缓填或停填。软土地区路基施工观测与控制2在填土过程中，边桩用来观测土的侧向位移值及（1）边桩设置。在路堤坡脚外侧2～10m范围内，按顺线路方向布置1～2排（如仅布置一排则应距路堤坡脚外侧2～4m范围)，桩间距以10～20m为宜。每排位移边桩两端，在不受荷重影响范围边桩多用100mm×100mm×1000mm的硬木制成。使用时按设计要求打入土中，其桩顶露出地面2～3cm，并在桩顶钉一小钉，以备观测用。软土地区路基施工观测与控制（2）位移观测。位移应用精度较高的经纬仪、水平仪进行观测。观测精度应准确到±1mm。一般填土低于临界高度时，每两天观测一次即可；接近或超过临界高度时，应每天观测并绘制“填土高—时间—位移量”关系曲线图，随时分析填筑期间的稳定情况，以利指导施工。通常每上、下班时各观测一次，两次观测值之差除以观测时间（h）再乘以24（h）即可作为日平均沉降量、位移量。一般认为，日平均水平位移量小于15mm，日平均垂直位移量小于10mm是安全的。若连续数日平均位移量超过以上数值，应停止填筑，加强观测。特别要注意路堤中裂缝出现及发展情况，必要时应立即采取措施。软土地区路基施工观测与控制3在填土过程中，地面沉降观测用来掌握地层表面的总沉降量及沉降量随填土增高和时间的变化情况，以便判断地基在（1）地面沉降观测仪器。地面沉降观测仪器有沉降板、沉降杯、剖面沉降仪和水平测斜仪等几种。软土地区路基施工观测与控制沉降测试方法的优化与选择为了提高沉降测试精度，严格控制施工质量，在过渡段的沉降测试中进行了多方案的选择和比较。课题组经过大量的调研和分析，选用了水平测斜仪进行过渡段的沉降测试。沉降桩虽然可测量地表面的沉降量，但对土体内部的沉降却无所作为。沉降板法是利用埋在路堤中的一刚性铁板，通过与其连接的观测杆进行沉降测试，虽然它可以测试路堤内部不同高度的沉降，但由于其附近压实机械难以靠近，影响其附近的路基压实质量，并且对施工进度也有一定的干扰。沉降杯可以测量路堤内部不同位置、不同深度处的沉降值，但由于很难保证进、出水管的平顺性，从而形成的气泡会堵塞水管，使测试无法进行；另外，管内的积水必须在冻结以前将其排出，否则积水冻结，在寒冷的东北地区也不能进行冬季测试。剖面沉降仪虽可以进行路基的全断面测试，但由于精度较低以及测试复杂，不方便运输、受环境影响较大等缺点，在应用上受到限制。软土地区路基施工观测与控制ZCX水平测斜仪是由沉降管和二次仪器组成。它可以测量路基内部不同位置、不同深度处的全断面沉降值。通过把特制的PVC沉降管埋在路基中，用记录仪电缆把装有伺服加速度传感器的探头从沉降管的一段拉