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深厚软土地基处理与路基设计实例分析

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建材世界 2012年第33卷第2期 DOI:10.3963/j.cn.42—1783.TU 2012.02.017 深厚软土地基处理与路基设计实例分析 肖雄杰 (中国市政工程中南设计研究院,武汉430010) 摘 要: 结合宁波市某城市道路深厚软土地基处理与路基设计工程实践,总结了路面面层、垫层与基层、路面结构 层的设计经验,从路基临界填土高度、桥头填土、工后沉降、塘渣填筑厚度、土工格栅和技术标准等方面就深厚软土地 基处理与路基设计等问题进行了探讨。 关键词: 深厚软土;路基设计;地基处理;工后沉降 Analysis of Practical Example for Deep and Thick Soft Foundation Treatment and Design of Subgrade XIAOXiong-jie (Central and Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute,Wuhan 430010,China) Abstract: Combined with a city road deep and thick soft soil foundation treatment and design of subgrade engineer— ign practice in Ningbo,the design experience of pavement surface layer,pad layer and grass-roots,and pavement structure layer was summarized.The problems of deep and thick soft foundation treatment and design of subgrade were discussed,from the aspect of subgrade critical filled soil height,bridgehead filled soil,post construction settle— ment,pond slag filling thickness,geogrid and technical standards. Key words:deep and thick soft soil foundation;design of subgrade; foundation treatment;post construction settlement 随着近年来沿海软土地区城市道路工程建设的飞速发展,道路软基处理手段日趋多样化,路基稳定和工 后沉降等已成为在软土地基上进行道路建设和高质量运营的关键问题,要解决好工期、投资与质量的矛盾, 建设者必须以科学态度面对工程实际_1]。在满足工期的前提下,应从技术可行、经济及工艺的配合与衔接合 理等方面,合理的选择地基处理方法_2]。目前我国城市道路深厚软基处理技术尚不成熟,各地区有各自不同 的习惯及经验。复合地基由于充分利用桩和桩间土共同作用的特有优势,以及相对低廉的工程造价得到了 较广泛的应用_3 ]。例如采用预应力管桩、筒桩、Y形桩、加长的浆喷桩等。但是,如果工后沉降或工后差异 沉降过大,仍可能造成桥头跳车、路面开裂、道路使用年限缩短等L5],因此有必要通过不断总结工程设计和施 工经验,深入分析现场实测资料,不断优化深厚软土地基处理与路基设计方案,逐步推广应用和发展软基复 合地基处理的新方法和新工艺,在满足工期和质量的前提下,尽可能节约投资,以提高经济效益和社会效益。 针对宁波湾头地区深厚软土工程地质条件的特点,总结某城市道路路面面层、垫层与基层、路面结构层 的设计经验,从多个方面来探讨深厚软土地基处理与路基设计等问题。 1工程场地自然条件 拟建场址属亚热带季风气候区,四季分明,温暖湿润,雨量充沛。工程所在区域为海积平原,地势平坦, 地面标高一般在1.6~3 m(黄海高程)左右;河岸自然岸坡稳定。工程周边大部分为稻田、菜地、农民住宅, 没有高层建筑。根据岩土工程勘察报告,典型土层厚度及地基土主要物理力学指标见表1。 收稿日期:2012—02—14. 作者简介:肖雄杰(1967一),硕士,高级工程师.E-mail:znyzjfy@163.corn 55 建材世界 3 0 4 5 2012年第33卷第2期 粘土 1.9O 0.984 1.274 1.144 0.65 0.45 4.5O 2.6O 2.8O 6.1O 3.1O 7.50 15.2 9.7 10.O 1O.8 1O.5 40.9 淤泥质粘土 11.1O 1.47 1.50 O.93 O.78 0.31 0.71 0.25 淤泥质亚粘土 1O.1O 亚粘土 3 4.2O 卯 蛆 ∞ ∞ 1 O 9 3 7 ∞ 4 0.884 1.156 O.818 0.97 1.27 1.31 淤泥质亚粘土 粘土 2.9O 5.8O O.47 1.1O 12.70 亚粘土 8 7 7 8 8 9 8 " " 5 5 9 9 O 6 5 0.41 5.O0 11.4 中细砂 11.70 该场址地震设防烈度为6度,地震动峰值加速度为0.05g,可不考虑软土震陷问题;场地土为软弱土类 型,建筑场地类别为Ⅳ类。场地埋深20 m范围内不存在饱和粉土、粉细砂层。场地地下水、地基土对钢筋 混凝土无腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋有弱~中腐蚀性。 场地属典型的软土地基,地下水位埋藏浅,路基施工时,应做好排水工作,可采用1—2层粘土作为填筑路 基后的天然地基基础持力层,施工中应挖除表层耕作土和顶部杂填土,尽量减小对其扰动。 管道线一般为开槽埋挖,其管底将置于第2层土中,应注意该层土为高孔隙、高压缩、高灵敏度、低力学 强度的软弱土,为防止不均匀沉降,可在管底铺设一定厚度的垫层,当垂直开挖时,应在支护条件下进行,可 采用悬壁式支护结构和内支撑式支护结构。 2路面结构设计 为了提供和保证良好的行驶条件,便于维修,减少车辆噪声对环境影响,并结合现状道路和桥面铺装统 一考虑,机动车道、非机动车道可采用沥青混凝土路面结构,由于路面等级高,荷载大,对沥青面层的水平抗 剪要求高,根据相关的科研成果,对交通量大、弯道多的高等级沥青路面的面层宜采用“三层改性沥青混凝 土”或“双层改性沥青混凝土”。 根据当地材料供应情况,垫层材料设计采用具有一定级配的塘渣,根据施工要求分层控制粒径,并在车 道上下垫层之间加铺一层双向钢塑格栅。为了加强基层强度和稳定性,基层采用水泥碎石稳定基层。 U ¨ 2 3 1 1 4 3 根据该地区已建道路的经验,确定道路路面结构层设计土基回弹模量E。为7 MPa,通过路基、垫层、基 层和面层的综合考虑,运用公路路面设计程序系统HPDS2003计算,最终可确定道路的结构层如下: 机动车道路面结构层由上至下为:4 cm细粒式改性沥青混凝土(AC_13C型);粘层沥青(0.5 L/m。); 6 cm中粒式改性沥青混凝土(AC-20C型);自粘型玻纤格栅;粘层沥青(0.5 L/m。);8 cm粗粒式普通沥青混 凝土(AC一25C型);沥青透层油(1.0 L/m2);40 CII1水泥稳定碎石基层(水泥含量4.0 ~5.0 ,分两层填 筑);沥青混凝土面层顶面容许回弹弯沉值为30(1/100 ram),压实度为98 ;水泥稳定碎石基层分两层填 筑,上层7 d(25℃条件下湿养6 d、浸水1 d)无侧限抗压强度为4.0 MPa,下层7 d无侧限抗压强度为 3.5 MPa,基层压实度均为97 。 非机动车道路面结构层由上至下为:4 cm改性沥青混凝土(AC_13C型);粘层沥青(O.5 L/m );8 cIn粗 粒式普通沥青混凝土(AC-25C型);沥青透层油(1.0 L/m );20 cm水泥稳定碎石基层(水泥含量5 )。 人行道路面结构层由上至下为:6 cm彩色路面砖(1O cmX20 cm);3 cm厚1:3干拌水泥砂浆;15 cm厚 水泥稳定碎石基层;人行道各结构层主要设计标准为:彩色路面砖抗压强度为30 MPa;水泥稳定碎石基层 7 d无侧限抗压强度为2.0 MPa,压实度为93%。 要满足的其它技术标准有:1)自粘型玻纤格栅技术要求:经、纬向抗拉强度≥50 kN/m,最大负荷延伸率 56 建材世界 ≤3 ,弹性模量≥67 GPa,网格尺寸为2O mmX20 mm,耐温性能为一100 ̄280℃, 2012年第33卷第2期 表2沥青混凝土路面技术要求 耐腐蚀性必须优异,表面处理为改性沥青。 2)改性沥青为70号道路石油沥青(A级) 掺加5 SBS改性剂。3)沥青混凝土路面 其它技术要求见表2。 3路基设计 过湿状态的路基不利于铺筑路基路面,一般应经过认真和有效的处理。该工程为了确保路基及路面质 量,要求全线路基处于干燥或中湿状态。 合理确定机动车道、非机动车道塘渣最小填筑厚度,有利于排水,保证路基的稳定,并确保道路沥青混凝 土面层容许回弹弯沉值在合理范围内,使运营期间路面状况良好,道路平稳舒适,而且在造价上经济合理,施 工期间方便可行。 根据路面结构计算,机动车道塘渣填筑厚度为80 cm时,沥青混凝土面层顶面容许回弹弯沉值为 30(1/100 mm),可满足设计要求。 该地区表层覆盖了厚度1~1.5 m的硬壳层,其下为深厚的软土层,在路面结构设计中,正是考虑到硬 壳层对路堤附加荷载的分散传递作用,一般会避免将“硬壳层”挖穿。“硬壳层”以下约50 ̄100 cm处,强度 指标降低,但仍处较硬状态,是硬壳层与软土层之间的“过渡层”,应设法保留。路基的下挖深度以30~5O cm为宜,场地标高为1.6~2.0 m,塘渣底面标高约为1.3 m,可得机动车道外侧塘渣填筑厚度为80 cm。 机动车道路基由上至下为:塘渣最小填筑厚度为80 cm,分为两层;40 cm塘渣上垫层(粒径≤15 cm); 双向钢塑格栅;≥40 cm塘渣下垫层(粒径≤20 cm)。其技术标准为:塘渣顶面容许弯沉值为 240(1/100 mm),弯沉值测定车为黄河JN-150,塘渣下垫层顶面容许弯沉值为310(1/100 mm),对应回弹模 量Eo≥30 MPa,重型击实标准的压实度为95 。 非机动车道路基由上至下为:塘渣最小填筑厚度为50 cm;50 cm塘渣垫层(粒径≤15 cm,顶面10 cm 用级配碎石找平)。其技术标准为:塘渣顶面容许回弹弯沉值为310(1/100 mm),对应回弹模量 ≥ 30 gPa,压实度为95 。 人行道路基由上至下为:塘渣最小填筑厚度为30 cm;30 cm塘渣垫层(粒径≤15 cm);夯实塘渣(粒径 ≤20 cm)。其技术标准为:塘渣垫层容许弯沉值为310(1/100 mm),对应回弹模量E0≥30 MPa,压实度为 93 。 另外,钢塑土工格栅技术要求:纵向拉伸屈服力≥100 kN/m;横向屈服力≥80 kN/m;屈服延伸率≤ 3 。 4 软土地基处理 4.1地基处理的设计标准 当高速公路路面设计使用年限内工后沉降不满足以下要求时:1)桥台与路堤相邻处≤0.1 m;2)涵洞或 箱形通道处4o.2 m;3)一般路段4o.3 m等,应对地基进行处理。 软土地基处理的主要目的是控制工后沉降,参考当地相关设计规定,该设计采用如下标准:1)沥青路面 设计使用年限(沉降计算基准期)为15年;2)容许工后沉降,桥台与路堤相邻处≤10 am,一般路段≤30 am; 3)采用总应力法计算路堤稳定安全系数F,地基抗剪强度用直剪快剪指标,确保路堤稳定安全系数>1.25; 4)路基填土沉降控制,沿路堤中线地面沉降速率<1.0 cm/d,坡脚处水平位移<O.5 cm/d,5)软土地基处理 后应填土预压,若连续两个月观测的沉降速率小于5 mm/月时称为路基稳定,以此控制和确定填土的施工 工期。 4.2路基临界填土高度及工后沉降 在软土地基上修筑路堤,需进行地基承载力验算、路基稳定性验算及沉降计算,根据该工程地质特点,并 结合该地区已建其它工程的实际情况,确定清表后原始地基上填土的极限高度。在满足地基承载力、路基稳 57 建材世界 2012年第33卷第2期 定性及沉降三项指标和规范规定限值的前提下,判定是否需要进行地基处理和确定路堤临界填土高度。 该场地的工程地质特点为:1)场地浅层遍布1~2层黄褐色粘土层,该层层厚较薄,约1.0~1.5 m,强度 一般,容许承载力0"o=-90 kPa,中等偏高压缩性,可作为道路路基的持力层;2)硬壳层以下为淤泥质粘土,层 厚约32 ̄36 m,容许承载力 一60 kPa,压缩模量Es一2~3 MPa,高压缩性,垂直渗透系数为1.4×10'1 cm/s,在路基填土附加荷载作用下,沉降量大,固结缓慢,为主要压缩层,是该工程软基处理的重点;3)其下 各层为粘土、亚粘土或砂类土,压缩模量Es一6~9 MPa,中低压缩性,承载力较高,工程性质较好。 以1~2层黄褐色粘土层作为路基持力层,该层容许承载力O'o 7---90 kPa,填土容重为19 kN/m。,填土极 限高度为4.7 m。 采用总应力法计算稳定安全系数F,地基抗剪强度采用直剪快剪指标,Cq为13.1 kPa,‰为3.2。,考虑由 交通荷载引起的超载,稳定安全系数F容许值1.25,反算可得填土极限高度为4.9 m。 软土地基在荷载作用下,总沉降量s是瞬时沉降量Sa(tO称初始沉降)、主固结沉降s 及次固结沉降s 3部分之和。在实际计算中将瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降三者截然分开是困难的。如次固结并非是 在主固结完成之后才发生的,而是与主固结同时发生的,此外,由于瞬时沉降尚无成熟的计算方法,大多采用 半理论半经验的方法。在设计时往往用沉降经验修正系数M 乘以主固结沉降量得到总沉降量s。这里的 Ms除与土层的软硬程度有关外,还与计算S 的方法、软土厚度的大小、填筑荷载即附加应力的大小有关,它 综合反映土的特性及施工条件等因素。在不考虑次固结沉降的情况下,可以将Ms简单地理解为反映瞬时 沉降与主固结沉降关系的量。根据经验,对淤泥质软土,Ms取1.3;对粘土Ms取1.2~1.25;对亚粘土Ms取 1.O5~1.1。 采用分层总和法求地基的主固结沉降。各层土的压缩量为该层平均附加应力乘以土层厚度再除以压缩 模量,计算压缩层总厚度按计算点深度地基的附加应力与自重压力之比小于0.15确定。 由于淤泥质软土渗透系数小,在附加荷载作用下固结时间很长,根据固结度计算及相关工程经验,施工 期间沉降占总沉降量的20 ,15年使用年限的工后沉降约占总沉降量的6o ,路面设计使用年限以后剩余 沉降占总沉降量的2o 。当填土高度为2.1 m时,压缩层计算至(4)一2层,工后沉降为29.5 cm,即按沉降 计算临界填土高度为2.1 m。因此,得到路段填土最高处、各桥桥台与路堤相邻处的工后沉降值,并决定各 处是否需要进行地基处理,详见表3。 表3路段、桥头填土工后沉降及软基处理判定 4.3桥头软基处理方法及处理后工后沉降 路桥衔接段(桥头)计算工后沉降约为20 ̄35 cm,超过桥台与路堤相邻处允许工后沉降的规范规定。 根据台后填土高度和地质条件,采用预制薄壁预应力混凝土管桩处理台后软土地基。通过单桩桩顶设置桩 帽,疏化桩间距,并在桩帽顶铺设一定厚度的褥垫层起传递和分配上覆荷载作用,从而形成带帽刚性组合单 桩复合地基,既可保证带帽刚性组合单桩承担荷载,又能充分利用桩帽间土体的承载作用。 复合地基总沉降可视为加固范围内的压缩变形S 和下卧层变形Sz两部分组成。可采用分层总和法分 别计算加固区和下卧层的变形量,并乘以各自的沉降计算经验修正系数。加固范围内的计算采用复合模量, 考虑桩土面积置换率的影响。 据有关研究资料,在上覆荷载较小时(台后填土高度<4 m),加固区沉降量减少85 以上,按照管桩复 合地基设计理论计算加固区及下卧层工后沉降,并根据预制管桩桩长模数(6 m、8 m、10 m)确定该工程桩长 为26 m;桩径与桩长的比值(细长比)按D;L>1.25 9/6控制,据此桩径取40 cm,根据该地区预制管桩供应 情况选用PTC 400(60)。桩帽采用C25钢筋混凝土,尺寸为140 cmX 140 cm×30 cm。为充分发挥桩土共 58 建材世界 2012年第33卷第2期 同作用,在桩帽顶部设置50 cm级配碎石垫层,层间加铺钢塑土工格栅,以形成强大的带帽刚性组合单桩复 合地基。 桥头软土地基纵向处理范围通过控制差异沉降确定,该工程计算行车速度50 km/h,容许差异沉降6.3 cm,容许坡差0.72 ,由于该段道路范围地基软土层较为深厚,路段工后沉降大,结合该地区类似工程实践, 确定预制管桩纵向处理范围:路桥衔接段为台后40 m(分成两个区,邻近桥台的15 ITI范围内为I区,邻近道 路的25米范围内为Ⅱ区),各区采用不同的桩长与桩间距,形成桥头与路面的沉降差平稳过渡,避免桥头跳 车现象。 由于道路填土较高,应确保路基和垫层有6~9个月的预压期。 桥头路段应进行沉降观测,各桥头设置2~3个观测断面,若沿路堤中线地面沉降速率≥1.0 cm/d,或坡 脚处水平位移≥0.5 cm/d,标志着不稳定状态的出现,应立即停止加载,继续观测;预压期间第1个月每3天 观测一次,第2个月至第3个月每7天观测一次,从第4个月起每半个月观测一次,直至预压期结束,预压期 若连续两个月的观测的沉降速率小于5 arm/月时称为路基稳定,可进行下一步施工。 该工程的软基处理和道路建设已完工了6年,现场观测结果显示,除极少数桥头路段观测点外,绝大部 分沉降观测结果满足了设计规范的要求,软基处理及路基设计起到了预期的好效果。 5 结 语 深厚软土地质条件变化差异大,软基处理施工难度大,费用高,软基沉降的规律性还不是很明显,沉降量 大,沉降速率较慢,桥头高路堤很难达到工后沉降小于10 cm的规范标准要求。采取何种软基处理方法,应 对地层地质情况、施工场地条件等进行综合分析,根据软土处理的目的、范围及指标要求,通过技术、经济比 较及环境影响评价后合理选用。各种软基处理手段使软土在较短时间内改善了物理一力学性能,满足了道路 施工工程对地基的基本要求,保证了整个工程连续施工及顺利投入使用,缩短了工程建设周期。用预制薄壁 预应力混凝土管桩复合地基技术处理桥头台后深厚软土地基,可有效地控制路基沉降,显示了其良好的应用 前景。 参考文献 Eli<<211程地质手册》编委会.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007. [2]徐中泽.公路软土地基路堤设计与施工关键技术[M].北京:人民交通出版社,2007. [3]JGJ79—2o02.建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002. [4]JTJO177--1996.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,1997. [5]JTG D30--2004.中交第二公路勘察设计研究院公路路基设计规范[s].北京:人民交通出版社,2004 59 

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