铁道工程电子教材11特殊路段路基Word文档格式.docx
《铁道工程电子教材11特殊路段路基Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铁道工程电子教材11特殊路段路基Word文档格式.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
相反，填土速率慢，地基土发生固结，土的强度得以提高，路堤的稳定性得到提高。
软土地基稳定分析的方法较多，由于均质软土地基的滑动多呈弧形滑面，一般多采用圆弧法进行检算。
依据假设条件的不同，可分为固结有效应力法、宫川勇法、毕肖普法等，其中以固结有效应力法最为常用。
软土地基上的路堤破坏时，滑动面是一条通过地基及路堤的滑动圆弧，检算时应将路堤和地基分别进行考虑；
此外，填土荷载是逐渐施加的，地基受荷后将产生固结，强度得以提高，固结有效应力法就是针对软土地基的以上特点，将地基的原有强度与加荷后地基产生固结而增长的强度分别计算,如11-3所示图。
地基因加荷增长的强度随加荷时间、固结度大小而变化，加荷时间愈长，地基固结度愈大，则强度增长也愈多，反之则愈少。
这既符合软土的抗剪强度变化特性，又能分析地基在加荷后不同时期的稳定性。
软土路基稳定性最低的时期是在路堤竣工时，当填土经历了一个时期之后,地基将产生一定固结，经历的时间愈长,地基固结度愈大，因而强度愈大，路基稳定性也愈高。
除检算圆弧穿过土工合成材料的稳定性外，还应检算圆弧有在土工合成材料铺设范围以外产生滑动的可能性，即路堤整体滑动的可能性。
软基上的高路堤稳定性，经常在路堤未填到设计高度时发生问题，因此，计算中不仅要对最终填筑高度作稳定分析，而且必须对填筑过程中的稳定进行分析。
一般计算时，应予考虑路堤内滑动面上的抗剪阻力。
但对于软土层厚的地基上的路堤，由于地基的侧向位移，使路堤受拉，因而稳定分析
计算中，可以忽略路堤内的抗剪阻力，按路堤部分整个高度内产生竖向裂缝进行计算。
对于路堤高度比软土层的厚度大得多的高路堤的稳定性计算中，还要对整个路堤高度上开裂的滑动面进行计算。
危险滑弧的圆心轨迹，根据大量试算，并不在一般粘性土的辅助线上（36度线），而在一个四边形内，如图11-5所示，即沿路堤坡顶B作水平线GB及与GB线成36度角的FB线，再过坡脚A点及边坡中点E作两条铅垂线FA及HE，由这四条线所构成的梯形FGIH即为最危险滑弧圆心的范围,滑弧上缘在路肩C点附近，下缘与地面交于坡角之外。
列车活载可按"
中一活载"
荷重换算成土柱计入。
一般规定，当不考虑列车荷载时，稳定安全系数F≥1.15～1.25；
考虑列车荷载时,稳定安全系数F≥1.10～1.15；
有架桥机作业的桥头路堤,稳定安全系数F≥1.05。
（二）软土地区路基临界高度
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。
当软土下卧硬层顶面有较大横向坡度时，实际的临界高度将比计算所得值偏小一些。
3、非均质软土地基路堤的临界高度
非均质软土地基，土层性质各不相同，无法估算，只能按圆弧法进行稳定性检算确定路堤临界高度。
检算时地基的强度指标采用快剪法测定。
如果条件允许，根据工地填筑试验确定临界高度是最直接可靠的方法。
（三）软土地区路基沉降计算
对于以沉降为控制条件需进行处理的路堤。
沉降计算的目的为估算沉降的发展过程,以便调整设计。
对于以稳定控制的路基。
计算沉降可以估算施工期间由于地基沉降而增加的土石方量，估计工程完工后的沉降量（工期沉降），以便确定路基的预留加宽量。
3.路基面加宽及土方量增加计算
软土路堤基底沉降形状近似为一抛物线形（见图11-9），因此在施工期内由于基底沉降而增加的土方数量为
当边坡坡度为1:
m时,路堤顶面每一侧预留加宽值
为
由于软土地基的沉降速度很缓慢，有时甚至长达数十年之久，没有必要将数十年的沉降加宽值全部提前预留，一般乘折减系数0.5--0.6,既路堤一侧实际的加宽值为
（四）软土地区加固
路堤超过极限高度时，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。
关于加固处理措施,国内外均有丰富的经验,随着技术的进步，各种新的加固方法更是得到了蓬勃发展，不论是加速软土的渗透固结,改变地基土的性质,还是采用新材料等方面，都有新的突破。
软土地基路堤的加固技术,归纳起来可大致分为以下几类:
1.改变路堤的结构型式；
2.人工地基；
3.排水固结。
1.改变路堤的结构型式 反压护道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，如图11-10所示。
反压护道施工简易,既不需特殊的施工机械和昂贵的材料，也不需控制施工速率,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。
为保证护道本身的稳定,其高度不能超过临界高度，多采用路堤高度的1/3～1/2较为合理,因此反压护道适用于路堤高度不大于临界高度2倍的情况。
反压护道的宽度用圆弧法检算确定，护道形式以单级式为佳。
2.铺设土工合成材料
在路堤底部铺设一层或多层土工合成材料,如图11-11所示,可起到柔性柴排的作用。
土工合成材料主要是聚脂类高分子材料的化合物,耐酸碱，耐腐蚀,并具有较大的抗拉强度。
土工合成材料的种类很多，用时可根据工程要求选用。
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。
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
换土是以人工、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。
因为彻底地改变了地基土的性质,效果较好.它适用于软土层较薄、无硬土覆盖的情况。
若软土被水淹没,施工时可在路堤两侧筑以围堰,以便于施工，并使填土过程不受水的浸泡,保证填土质量。
当软土的液性指数较大，水不易抽干时,可采用抛石挤淤的方法强迫换土。
直接抛石施工时,先抛中间部分,将淤泥挤向两侧,再向两侧抛石,挤出淤泥。
当软土埋藏较深,厚度不大，换土施工困难或路堤较高、工期紧迫的情况下，可利用爆破法排除淤泥以加速施工。
（2）生石灰桩
生石灰桩是用2-5cm的生石灰块填入软土孔眼中，形成生石灰桩地基，桩的平面布置与砂井相同。
桩径通常为20～40cm,桩距为桩径的3倍左右,桩长视软土层的厚度而定,一般不宜很长,常在10m以内。
生石灰桩加固软土地基的机理是生石灰遇水反应成熟石灰,吸收占其重量32％的水，且体积膨胀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。
由于石灰桩吸水膨胀,桩身含水量增加,桩的强度软化,而桩周土体被挤实压密，含水量降低,因而在桩周形成一圈较硬的土壳。
由此可见，生石灰桩的作用主要是土的挤密而不是桩的承载作用。
为解决桩身强度的软化问题,可在生石灰桩中掺入砂料以堵塞石灰块间的孔隙，改善桩身含水量及强度,而且这样更能充分发挥石灰的胀发力，挤密桩周土体。
也曾有人试验用粉煤灰代替砂料掺人石灰桩内,取得了成功。
生石灰桩加固软弱地基，可大量减小沉降量，较适合于对沉降要求严格的工程。
（3）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。
（4）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。
（5）粉体喷射搅拌法
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。
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。
此外，还有旋喷桩法、深层搅拌桩法等。
3.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。
这类加固方法,对提高土体的强度和地基承载力,增强路堤稳固性,效果十分显著,因而在国内外软基工程中广为采用。
（1）排水砂井
软土地基在荷载作用下，孔隙中的水排出，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。
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，如图所示。
3.排水固结
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。
砂井直径要能满足地基排水固结的要求，在地基的沉降过程中不致于被剪断和被细土粒淤塞。
虽然理论上需要的直径很小，但在实用上，直径过小难于施工，并且在使用过程中容易发生侧向位移造成上下错断而失效。
根据实践经验，井径采用20～30cm为宜，并视打桩机具的套筒尺寸而定。
井距是指两砂井中心的间距。
井距直接关系着排水固结速度，井距愈小，固结愈快。
采用小的井距,在理论上是合理的。
瑞恰特（F·
E·
Richart）通过理论计算证明，砂井有效间距缩短一半,将使地基固结度达90％所需的时间缩短为1/6；
而砂井直径增大20倍。
只能使固结度达9%所需的时间减少为1/4。
说明砂井设计应采取小而密的原则。
井距应保证在给定的施工期限内达到要求的地基固结度，使路堤安全填筑。
井距的大小用固结理论计算确定，一般为井径的8～10倍，常用2～4m：
砂井在平面上的布置，有三角形和正方形两种排列形式，一般采用三角形布置。
砂井深度即砂井长度，应根据地基土层情况及路堤高度而定。
当软土层较薄时，砂井应贯穿整个软土。
当软土层较厚时，砂井不必贯穿软土，其长度通过稳定分析确定。
用砂井加固软土地基时，路堤底部必须铺设砂垫层以沟通砂井，将砂井中渗透出来的孔隙水引到路堤坡脚之外。
垫层的厚度应保证地基沉降后不致错断和便于施工，垫层和砂井的分布宽度稍大于路堤底面宽度。
（2）袋装砂井
袋装砂井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,其加固原理、设计方法与砂井完全相同。
袋装砂井的直径按排水及施工工艺要求确定,一般采用7～12cm,我国目前较多采用7cm直径。
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。
与普通砂井相比，袋装砂井有如下一些优点：
①袋装砂井的直径小,用砂量少，其费用仅为普通砂井的40％～50％，造价低廉。
②由于编织袋是一个整体，能保持砂井的连续性和密实性，不会因地基变形而切断，使用效果良好。
③砂井直径细小，施工时对土层的扰动小。
④由于砂井断面小，重量轻，减小了施工设备的重量，提高了施工效率。
基于以上优点，袋装砂井已被普遍采用，几乎完全代替了普通砂井。
（3）塑料排水板
塑料排水板法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。
塑料板的结构型式可分为多孔质单一结构型和复合结构型两大类。
多孔质单一结构型用聚氯乙烯经特殊加工而成，由于其素材本身能形成连通的孔隙，故透水性极好。
复合结构型是由塑料芯板（起竖向排水作用）外套既透水又挡泥的滤膜组成,芯板用硬质聚氯乙烯和聚丙烯制成，断面成回字形或十字形等,使其能纵向排水,透水挡泥滤膜由透水性好的涤纶类或丙烯类合成纤维制成，如右图所示。
（4）排水砂垫层
排水砂垫层是在路堤底部的地面上铺设一层砂垫层，如左图所示，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。
三、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。
（一）施工观测的范围
1.接近或超过临界高度的路堤；
2.采用砂垫层、排水砂井加固的路堤；
3.必须进行试压或预压的桥头路堤及采用加固措
施的较高路堤；
4.超过设计允许填土速度施工的路堤；
5.对全面施工具有指导意义的代表性路堤。
（二）施工观测的主要项目
1.人工巡回观察地表变化
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。
2.边桩位移观测
在填土过程中，边桩用来观测土的侧向位移值及其发展趋势，从而判断地基的稳定性。
（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以外设置固定桩（用混凝土浇灌固定）。
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。
（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。
3.地面沉降观测
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，以便判断地基在填筑中的稳定性。
（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。
（2）沉降观测。
路堤填土低于临界高度时每两天观测一次；
在接近或超过临界高度时,每天观测一次。
在沉降量急剧加大的情况下,每天观测次数不应少于2～3次。
观测后应整理绘制“填土高—时间—沉降量”关系曲线图。
一般认为,日平均沉降量在10mm以内是安全的。
如采用砂井加固地基的路堤,每天沉降量在20mm以内仍是安全的。
若数天连续超过上述数值，应加强观测，必要时采取措施。
4.孔隙水压力仪观测
孔隙水压力仪是测定不同时间、不同荷重作用下孔隙水的消散过程，以推算地基强度的增长情况，检算地基的稳定性，控制施工速度的一种主要仪器。
但其构造复杂，只有在重要工程中才使用。
5.十字板剪切试验
十字板剪切试验是在路堤填高超过临界高度后，随着路堤的继续增高，通过测定不同时间和不同荷载作用下地基上的强度的增长情况，检算路堤的稳定状态,借以指导砂垫层加固的路堤施工的一种试验方法。
（三）软土路堤施工控制
1.软土地基处理前，除采用水下抛石挤淤方法外，均应于开工前疏干地表水，有条件时可采用降低地下水位措施，如挖槽、井点抽水等。
施工现场应按有关规定要求，做好取土、弃土、堆料及运土道的平面布置，安排好作业顺序及机械运行线路，施工中不得随意更改。
2.软土路堤宜提前安排施工，以利加强预压固结效果，使路堤在铺轨通车前具有足够的稳定性，减少再加固费用。
3.路堤填筑材料以渗水性土或矿渣为宜，非渗水性土也可。
在二者兼用时，应将渗水性土填在路堤底部。
严禁用泥炭及有机质含量较多的土作为填料，亦不宜采用软土作填料。
4.软土地面路堤应有足够的天然护道宽度。
当路堤的施工路肩高程至取土坑或排水沟底的高程之差值小于临界高度时，护道宽度可按一般规定办理。
若高差大于临界高度，则取土坑应远离路堤。
其位置应保证路堤稳定，可采用圆弧检算法确定。
如缺乏资
料时，天然护道的宽度不宜小于路堤高度的2～3倍。
如不能保持稳定时，应考虑从远处取土填筑。
5.填筑软土路堤时，应按其地基和路堤的后期沉落量一并填筑预留沉落量所需的土方。
地基后期沉落量可取值为预计总沉落量与施工阶段观测的沉落量之差。
路堤本体的预留沉落量可按一般规定办理。
6.为保证路堤在施工和运营期间的安全，对筑成后准备进行架梁作业的桥头路堤和已采取加固措施的较高路堤（指接近或大于临界高度的路堤），其稳定性若无把握，应进行试压或预压。
试压一般采用轻型机车进行。
预压可在筑成的路基面上逐层堆叠钢轨、土料或其它重物。
预压的总荷载一般相当于“中一活载”的轴重，最小不小于轴荷载的2/3。
进行预压时，要特别加强边桩观测工作，严格控制预压荷载的增加速度。
预压总荷载堆叠完毕，需待边桩位移一时间关系曲线的坡度趋向平缓之后方可卸载。
7.在路堤接近临界高度或易于丧失稳定时，应注意不将重物堆于堤顶。
8.为了排除地表水和降低地下水，路堤两侧均应设置排水沟。
第二节膨胀土（岩）地区路基
膨胀土（又名裂隙粘土，简称裂土）是一种以蒙脱石和伊利石为主的亲水粘土矿物组成的，具有明显的高塑性粘性土。
在工程上主要表现为失水收缩开裂,吸水膨胀软化,反复变形和强度大幅度衰减等特性。
对工程建筑物、尤其是轻型建筑物的危害很大,且不易修复,常被称为工程建设的“癌症”。
一、膨胀性土（岩）的工程特性
1、胀缩性
膨胀土（岩）吸水体积膨胀,使其上建筑物隆起,如膨胀受阻即产生膨胀力；
失水体积收缩，造成土体开裂,并使其上建筑物下沉。
膨胀土在缩限与液限含水量的收缩量与膨胀量,称为极限胀缩潜势。
土中有效蒙脱石含量越多,胀缩潜势越大,膨胀力越大。
土的初始含水量越低,膨胀量与膨胀力越大。
击实土的膨胀性远比原状土为大,密实度越高,膨胀量与膨胀力越大，这是在膨胀土（岩）路基设计中特别值得注意的问题。
2、崩解性
膨胀土（岩）浸水后体积膨胀，在无侧限条件下则发生吸水湿化。
不同类型的膨胀土（岩）其崩解性是不一样的，强膨胀土（岩）浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；
弱膨胀土（岩）浸入水中后，则需经过较长时间才逐步崩解，且有的崩解不完全。
此外，膨胀土（岩）的崩解特性还与试样的起始湿度有关，一般干燥土试样崩解迅速且较完全，潮湿土试样崩解缓慢且不完全。
3、多裂隙性
膨胀土（岩）中的裂隙，主要可分垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。
这些裂隙将
升级会员 