路基工程理论与计算

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1、路基工程理论与计算浅谈高速公路不良地基处理方法陈皓（华中科技大学土木工程与力学学院道交1103班）摘要：我国幅员辽阔，东西距离长，南北跨度大，公路建设特别是在高速公路建设中，由于地质成因、水文条件、气候因素等地域差异，造成的不良地基的危害，特别是由特殊的不良地基引起的公路病害、路基失稳等现象十分严重。因此必须采取必要的工程技术措施，使用新材料、新工艺、新结构等来满足工程的质量要求和运营要求。本文首先介绍高速公路中常见的三种不良地基，再对目前使用的各种常用的地基处理方法做全面的介绍，并对各种常用的地基处理方法的原理和适用性做简要的概括，之后以武汉天河机场第二通道第6标服务区的不良地基处理方法为例

2、，来谈谈高速公路的不良地基处理技术的应用。关键词：高速公路；地基处理方法；路基失稳；不良地基一、高速公路的不良地基由地质成因、水文条件、气候、环境等因素造成的不良地基有很多种。因此我们就选择性简单介绍以下几种不良地基：膨胀土地基、黄土地基、软土地基。（一）膨胀土地基膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种粘性土；其矿物质成分以强亲水性的矿石为主；在自然条件下，多成硬塑或坚硬状态并具有反复胀缩的特性。主要特征有胀缩性、裂隙性和超固结性。（二）黄土地基黄土是在第四季干燥气候条件下形成的具有多孔性有垂直节理的黄色粉末性土。其有湿陷性，即黄土受水浸湿后会产生较大的沉陷，属低液限粘土WL40。其主要特征

3、有肉眼可见性、无层理、富含碳酸钙成分。(三)软土地基软土是滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。其主要特征是灰色的细粒土、天然含水量不小于液限、天然孔隙比不小于1.0。二、常用的地基处理方法常用的地基处理方法有：孔内深层强夯法、换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等，下面对它们作简要的介绍。1. 孔内深层强夯法(DDC)孔内深层强夯法(DDC)是先在地基内成孔，将强夯重锤放入孔内，边加料边强夯或分层填料后强夯

4、。孔内深层强夯法(DDC)技术与其它技术不同之处是其通过孔道将强夯引入到地基深处，用异型重锤对孔内填料自下而上分层进行高动能、超压强、强挤密的孔内深层强夯作业，使孔内的填料沿竖向深层压密固结的同时对桩周土进行横向的强力挤密加固，针对不同的土质，采用不同的工艺，使桩体获得串珠状、扩大头和托盘状，有利于桩与桩间土的紧密咬合，增大相互之间的摩阻力，地基处理后整体刚度均匀，承载力可提高29倍；变形模量高，沉降变形小，不受地下水影响，地基处理深度可达30米以上。孔内深层强夯法(DDC)技术适用范围广，可适用于大厚度杂填土、湿陷性黄土、软弱土、液化土、风化岩、膨胀土、红粘土以及具有地下人防工事、古墓、岩溶

5、土洞、硬夹层软硬不均等各种复杂疑难的地基处理。该技术可根据不同的地质情况和设计要求，就地取材，如：建筑碴土、工业无毒废料、素土、砂、毛石、砂卵石、粉煤灰、土夹石、灰土和混凝土等材料均可做成各种DDC桩。大幅度降低工程造价，施工质量容易控制、地面振动小、施工噪音低、施工速度快；成桩直径0.63.0m,单桩处理面积1.014.0m2,不受季节限制，同时能消纳大量建筑垃圾，可在城区或危房改造居民区施工等特点。2. 换填垫层法当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰

6、)或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填法，适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理以及小面积的高速公路换土。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。3. 强夯法强夯法指的是为提高软弱地基的承载力，利用起吊设备，将1025吨的重锤提升至1025米高处使其自由下落，依靠强大的夯击能和冲击波作用夯实土层。强夯法主要用于砂性土、非饱和粘性土与杂填土地基。对非饱和的粘性土地基，一般采用连续夯击或分遍间歇夯击的方法；并根据工程需要通过现场试验以确定夯实次数和有效夯实深度。适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘

7、性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。4. 强夯置换法强夯置换法是在夯坑内填碎石和块石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。适用于高饱和度的粉土，软-流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程。强夯法和强夯置换法都是主要用来提高土的强度，减少土的压缩性，改善土体抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。对饱和粘性土宜结合堆载预压法和垂直排水法使用。5. 砂石桩法砂石桩法指用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入孔中形成的大直径密实柱体。适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基，提高地基的承载力和降低压缩性，也可用于处理可液化地基。对饱和粘土地基上变形控制不严的工程也

8、可采用砂石桩置换处理，使砂石桩与软粘土构成复合地基，加速软土的排水固结，提高地基承载力。6. 振冲法振冲法又称振动水冲法，是以起重机吊起振冲器，利用潜水电机使振动器产生高频振动，同时通过水泵喷射高压水流，在边振边冲的共同作用下，将振动器沉到土中的预定深度，经清孔后，从地面向孔内逐段填入碎石，使其在振动作用下被挤密实，达到要求的密实度，在地基中形成一个大直径的密实桩体与原地基构成复合地基，提高地基承载力，减少沉降。振冲法分加填料和不加填料两种。加填料的通常称为振冲碎石桩法。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振

9、冲碎石桩主要用来提高地基承载力，减少地基沉降量，还可用来提高土坡的抗滑稳定性或提高土体的抗剪强度。7. 水泥土搅拌法水泥土搅拌法是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。水泥土搅拌法分为浆液深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。8. 高压喷射注浆法高压喷射注浆法就是利用钻机钻

10、孔，把带有喷嘴的注浆管插至土层的预定位置后，以高压设备使浆液成为20Mpa以上的高压射流，从喷嘴中喷射出来冲击破坏土体。部分细小的土料随着浆液冒出水面，其余土粒在喷射流的冲击力，离心力和重力等作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例有规律地重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体与桩间土一起构成复合地基，从而提高地基承载力，减少地基的变形，达到地基加固的目的。适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土地基。当地基中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高的有机质时，应根据现场试验结果确定其适用性。对地下水流速度过大、喷射浆液无法在注浆套管周围凝固等情况不宜采用。高压旋

11、喷桩的处理深度较大，除地基加固外，也可作为深基坑或大坝的止水帷幕，目前最大处理深度已超过30m9. 预压法预压法指的是为提高软弱地基的承载力和减少构造物建成后的沉降量，预先在拟建构造物的地基上施加一定静荷载，使地基土压密后再将荷载卸除的压实方法。适用于处理淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基。按预压方法分为堆载预压法及真空预压法。堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。当软土层厚度小于4m时，可采用天然地基堆载预压法处理，当软土层厚度超过4m时，应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。对真空预压工程，必须在地基内设置排水竖井。10. 夯实水泥土桩法夯实水泥土桩法是用人工

12、或机械成孔，选用相对单一的土质材料，与水泥按一定配比，在孔外充分拌和均匀制成水泥土，分层向孔内回填并强力夯实，制成均匀的水泥土桩。适用于处理地下水位以上的上淤泥质土、素填土、杂填土、粉土、粉质粘土等地基加固。该法施工周期短、造价低、施工文明、造价容易控制。11. 水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）法水泥粉煤灰碎石桩是以一定配合比率的石屑、粉煤灰和少量的水泥加水拌和后制成的一种具有一定胶结强度的桩体。这种桩是一种低强度混凝土桩，由它组成的复合地基能够较大幅度提高承载力。适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。12. 石灰桩法石灰桩指的是为加速软弱地基的固结，在地基上钻孔并灌入生石灰而成

13、的吸水柱体。适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土和素填土等地基。用于地下水位以上的土层时，可采取减少生石灰用量和增加掺合料含水量的办法提高桩身强度。13. 灰土挤密桩法和土挤密桩法灰土挤密桩法和土挤密桩法是利用打入钢套管（或振动沉管、炸药爆破）在地基中成孔，通过挤压作用，使地基土得到加密，然后在孔中分层填入素土（或灰土）后夯实而成土桩（或灰土桩）。适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基，可处理的深度为515m。当用来消除地基土的湿陷性时，宜采用土挤密桩法；当用来提高地基土的承载力或增强其水稳定性时，宜采用灰土挤密桩法；当地基土的含水量大于24%、饱和度大于65%时，不

14、宜采用这种方法。灰土挤密桩法和土挤密桩法在消除土的湿陷性和减少渗透性方面效果基本相同，土挤密桩法地基的承载力和水稳定性不及灰土挤密桩法。14. 柱锤冲扩桩法柱锤冲扩桩法是指反复将柱状重锤提到高处使其自由落下冲击成孔，然后分层填料夯实形成扩大桩体，与桩问土组成复合地基的地基处理方法。适用于处理杂填土、粉土、粘性土、素填土和黄土等地基，对地下水位以下的饱和松软土层，应通过现场试验确定其适用性。地基处理深度不宜超过6m。15. 单液硅化法和碱液法单液硅化法是指将硅酸钠溶液注入地基土层中，使土粒之间及其表面形成硅酸凝胶薄膜，增强了土颗粒间的联结，赋予土耐水性、稳固性和不湿陷性，并提高土的抗压和抗剪强度

15、的地基处理方法。碱液法是指将加热后的碱液（即氢氧化钠溶液），以无压自流方式注入士中，使土粒表面溶合胶结形成难溶于水的，具有高强度的钙、铝硅酸盐络合物，从而达到消除黄土湿陷性，提高地基承载力的地基处理方法。适用于处理地下水位以上渗透系数为0.12m/d的湿陷性黄土等地基。在自重湿陷性黄土场地，对II级湿陷性地基，应通过试验确定碱液法的适用性。三.软弱地基处理方法软弱地基的处理方法，按其原理和作法的不同，可分为以下四类：（1）排水固结法排水同结法是指软粘土地基在荷载作用下，慢慢排出土中孔隙水，使得孔隙比减小，从而地基发生固结变形，同时，随着超静水压力逐渐消散，土的有效应力增大，地基土的强度逐步增长

16、。其可使地基的沉降在加载预压期间基本上达到稳定,同时可增加地基土的抗剪强度，从而提高地基的承载力和稳定性。排水固结法由排水系统和加压系统两部分组合而成的。根据排水系统和加压系统的不同，排水固结法可分为堆载预压法、超载预压法、真空预压法、电渗排水法、降水预压法、真空与堆载联合作用法、降低地下水位法和电渗法等多种方法。2）振密、挤密法其指采用一定措施，通过振动和挤密使深层土密实，使地基土孔隙比减小，强度提高。振密、挤密法有表层原位压实法、强夯法、振冲密实法、挤密密实法、爆破挤密法和土桩、灰土桩等多种方法。（3）置换及拌入法置换法将软弱土层挖除，回填砂、碎石等材料性质较好的材料，分层夯实，形成坚硬垫

17、层，利用垫层本身的高强度和低压缩性，以及扩散附加应力的性能减少沉降，提高地基承载力。拌入法是在部分软弱土地基中掺入水泥、石灰或砂浆等形成加固体，与未被加固部分的土体一起形成复合地基，从而达到提高地基承载力减少沉降量的目的。置换及拌入法有换填垫层法、振冲置换法、高压喷射浆法、深层搅拌法、褥垫法等多种方法。（4）加筋法加筋法是指在地基土体中设置水平向筋体，增强土体与筋体间的摩擦作用，使筋体承受拉力，而筋间土体则承受压力及剪应力，进而使加筋土中筋体和士体都能较好发挥自己的潜能，达到提高地基稳定性、减小沉降目的的一种软基处理方法。加筋法有加筋土法、锚固法、树根桩法、低强度砼桩复合地基法、钢筋砼桩复合地

18、基法等多种方法。（5）注浆加固法注浆是指用压送设备将具有冲填和胶结性能的浆液材料注入地层中土颗粒的间隙、土层的界面或岩层的裂隙内，使其扩散、胶凝或固化，以增强地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行托换技术的地基处理技术。注浆法适用范围广、加固效果显著，但其成本较高。常用的注浆加固法有：深层搅拌法、高压喷射注浆法，渗入性灌浆、压密灌浆法、通过钻孔，劈裂灌浆法、电化学灌浆法。四武汉天河机场第二公路通道第6标服务区不良地基处理方法1 工程概况武汉天河机场第二公路通道地处武汉市西北部，设计速度100km/h，双向六车道高速公路，紧临府河，路线所经区域隶属于武汉市江汉区、东西湖区和黄陂区。路线起于

19、武汉市三环线姑嫂树立交，与武汉三环线连接，沿途高架经姑李路、跨越府河，在长咀岗附近跨现有机场路，沿府河西湖苑堤向西北前行，在黄花涝附近跨绕城高速公路，于马家湖接入规划机场南入口，路线全长16.007km，是连接武汉市区与天河机场的快速通道，同时也是武汉市环线上的一条放射线，是武汉市西北部的重要出口通道，在整个区域公路网中占据较为重要的地位。除满足城市圈进出机场交通快速进出天河机场外，同时兼顾武汉市出口公路的性质。本项目建成后，将为武汉市及其周边地区进出机场车辆创造较好的交通条件，使航空与公路有机地协调起来；同时增加了武汉市西北部地区进出城通道，使得武汉市出口公路分布更加合理，能更多地节约资源。

20、武汉天河机场第二公路通道地处位于江汉平原东部边缘，属低垄岗倾斜平原，地貌单元多属第四系冲湖积平原，相间垄岗、剥蚀残丘地貌，多为相当于长江中游一级或三级阶地地貌。路线沿途地形起伏不大，较为平缓，地势较开阔，多为农田、湖汊、鱼塘等。沿线桥梁众多，高架、互通、跨河（湖）等，特大桥13129m/7座，大桥516m/1座，互通式立体交叉3处。路桥过渡段多且密集，平均不到500m一处过渡段，且桥台多为高填方桥台，一般达78m,有的高达10m。武汉天河机场第二公路通道第6标服务区区域有一个小型鱼塘，里面有大量沉积多年淤泥。2 .地基处理方案选定在确定地基处理方案时，应该根据地质情况、构筑物的承载条件以及各种

21、处理方案的成本等比对，选择既能达到要求，成本又较低的处理方法。（1）武汉天河机场第二公路通道第6标服务区地质状况武汉天河机场第二公路通道第6标服务区地处位于江汉平原东部边缘，属低垄岗倾斜平原，地貌单元多属第四系冲湖积平原，相间垄岗、剥蚀残丘地貌，多为相当于长江中游一级或三级阶地地貌。路线沿途地形起伏不大，较为平缓，地势较开阔，多为农田、湖汊、鱼塘等。武汉天河机场第二公路通道第6标服务区区域有一个小型鱼塘，里面有大量沉积多年淤泥，并且该区域属于高填路基。高填土路基与一般路基相比具有以下几个特点：（ 1）填方高、荷载大，要求路基本身具有足够的整体强度和边坡稳定性；（ 2）对于均质填土由于高路堤填筑

22、断面面积很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相对较多，填筑质量保证较为困难;3）土坡稳定的安全应有足够的安全系数，坡面还应满足防冲刷的要求,荷载相对较大，要求地基承载力高、稳定性好。（2）武汉天河机场第二公路通道第6标服务区地基处理方案的选择经过现场实地勘察以及专家评审会议的讨论提出采用换填垫层法和强夯置换法两种方案。现将换填垫层法和强夯置换法两种方案的作用机理与适用范围进行简要的对比与分析，再结合武汉天河机场第二公路通道第6标服务区的实际地质条件选择最佳的地基处理方案。换填垫层法：当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或

23、全部挖除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止的这种地基处理方法称为换填垫层法。其适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理以及小面积的高速公路换土。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。葭强夯置换法：在夯坑内填碎石和块石等粗颗粒材料，用夯锤夯击形成连续的强夯置换墩。适用于高饱和度的粉土，软-流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程。强夯法和强夯置换法都是主要用来提高土的强度，减少土的压缩性，改善土体抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。由于武汉天河机场第二公路通道第6标服

24、务区地处位于江汉平原东部边缘，属低垄岗倾斜平原，地貌单元多属第四系冲湖积平原，相间垄岗、剥蚀残丘地貌，多为相当于长江中游一级或三级阶地地貌。路线沿途地形起伏不大，较为平缓，地势较开阔，多为农田、湖汊、鱼塘等。武汉天河机场第二公路通道第6标服务区区域有一个小型鱼塘，里面有大量沉积多年淤泥，并且该区域属于高填路基。其中池塘里面沉积多年淤泥的深度为5m左右，在武汉天河机场第二公路通道第6标服务区旁边黄花涝镇上有充足砂石，由于该区域属于高填路基，其对路基的变形控制要求较严，对路基的地基承载力、整体强度和稳定性都要求较高，最后通过进行现场试验发现换填垫层法处理该区域地基的效果比强夯置换法效果要好，因此我

25、们选择使用换填垫层法处理该区域地基。（3）换填垫层法处理该区域的效果将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止的这种地基处理方法称为换填垫层法。其适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理以及小面积的高速公路换土。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。我们将武汉天河机场第二公路通道第6标服务区的基础底面下范围内的沉积多年淤泥全部挖除，然后分层换填强度较大的砂、碎石等性能稳定、无侵蚀性的级配良好的材料，通过压路机等施工机械压实至要

26、求的密实度后，进过室内外试验测定该地区地基承载力符合设计要求。五结束语由于处理高速公路不良地基最主的是解决地基的变形与稳定性，而高速公路一般路堤高度为3m5m,因而其稳定性一般符合要求，故不良地基的处理主要控制该区域的地基沉降，为此我们应该根据该区域的实际工程地质状况和水文条件等来选择最佳的处理方案。由于沉降变形往往是地基处理设计控制因素，不良地基的公路路堤的设计与施工质量在很大程度上取决于地质资料的真实性和代表性，因此在设计和施工之前，须认真钻探，获取该区域地层的地质状况，并用十字板、静力触探仪等仪器进行现场测试，且室内试验尽可能采用自动化程度高的试验手段来取得有代表性的地层资料。五参考文献1 建筑地基基础设计规范GB50007-20022 建筑地基处理技术规范JGJ7920023 秦勤，徐建东，程华龙公路工程特殊地基处理技术M合肥：合肥工业大学出版社。2007。4 汪双杰张留俊，刘宋玉高速公路不良地基处理理论与方法M北京：人民交通出版社，2004。5 陈荣凤，张吉伟地基处理的目的及一般程序与方法科协论坛(下半月)2007年6期6l顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，汪时敏地基与基础M北京：中国建筑工业出版社2003(15)