软土地基处理技术毕业设计.docx
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软土地基处理技术毕业设计
软土地基处理技术毕业设计
第1章绪论1
11软土地基处理技术的发展现状1
com况1
com意义1
com方法2
com论3
12设计的主要内容及方法步骤3
第2章路堤横断面设计4
21设计资料选定4
com基资料4
com级比较5
22路基设计的参考规范6
23路堤横断面设计7
com计基本资料7
com断面7
24天然软土及工程特性8
com定义8
com工程特性8
25天然地基沉降计算与稳定性验算9
com降计算9
com验算12
第3章软土地基处理设计14
31处理原因14
32处理方案比选14
com方案14
com选17
33CFG桩处理软土地基方案18
com向承载力特征值18
com基承载力的计算19
34复合地基沉降计算及稳定性检算21
com参数计算21
com基沉降计算21
com基稳定性验算23
第4章路堤沉降与稳定观测设计24
41沉降及稳定性监测的目的24
42稳定监测的技术要求24
43路堤沉降及稳定性监测的方法25
44地表沉降量观测25
com的25
com具的埋设25
com法25
45地表水平位移量及隆起量观测26
com的26
com具的埋设26
com法26
46地下土体分层水平位移观测26
com的26
com具的埋设26
com法27
47孔隙水压力观测27
com的27
com具的埋设27
com法27
48工作基点桩和校核基点桩28
49其他注意事项28
第5章施工组织设计29
51CFG桩施工组织设计29
com况29
com求与措施29
com件分析29
com序30
com序30
com程图31
com施工中有关注意事项32
com常见的问题及处理措施33
comCFG桩效果检验33
com保证措施34
com文明卫生措施35
com工期保证措施35
52路堤施工组织设计36
com填筑前准备工作36
com施工组织部署36
com施工方法技术措施及工艺37
com试验段路堤填筑工艺流程40
com施工放样41
第6章结论与展望43
61结论43
62展望43
参考文献44
致谢46
附录A外文资料翻译47
附录B图纸64
第1章绪论
11软土地基处理技术的发展现状
com况
软土地基在工程上的定义即是强度低压缩性高的软弱土层地基主要是由淤泥淤泥质土冲填土或其他压缩性土层构成软土地基的特性主要表现为天然含水率高孔隙比大含水量在3472之间孔隙比在1019之间饱和度一般大于95液限一般为3560塑性指数为1330这是一种具有承载力低沉降量大具有振动液化性湿陷性胀缩性等不良工程性质的软弱地基
近30年来国内外软土路基处理技术方面发展十分迅速传统方法得到改进新的技术不断涌现例如20世纪60年代中期从如何让提高土的抗剪强度这一思路中发展了土的加筋发以及以后春笋般出现的土工聚合物沙井预压塑料排水带强夯法振动水冲法等
随着科技的发展人们在改造工程特性的同时不断丰富了对土的特性的研究和认识从而进一步推动了软土地基处理技术和方法的更新因而成为土力学基础工程领域中一个较有生命力的分支
随着国民经济的快速发展高速发展的社会使得人们的时间观念愈来愈强烈这就要求能在较短的时间内到达目的地因此客货分线发展客运专线成为铁路发展的方向高速行驶的客运列车目标是高速舒适安全对路基的要求愈来愈严格它不仅要求路堤的稳定更重要的是对工后沉降有严格的要求和标准因此需要在设计施工中对工后不均匀沉降量严格控制
从全国范围来看经济发达的城市主要分布在我国东南沿海长江三角洲以及平原地区这些地区大部分分布着含水量高压缩性大强度低透水性差覆盖层厚埋深浅的弱土层在路堤荷载作用下软土路基很容易发生承载力不足沉降量大不均匀沉降和固结完成时间长等问题因此在软土路基上修建铁路需要解决的关键问题就是满足路基的稳定性和沉降控制
对软土地基进行加工改善地基土的剪切特性压缩特性渗透特性动力特性
提高软土地基的强度和稳定性降低地基的压缩性减少沉降和不均匀沉降
防止地震时地基的振动液化消除区域性土的湿陷性膨胀性和冻涨性
软土地基经过处理后防止各类建筑物倒塌下沉倾斜等恶性事故的发生确保上部基础和建筑物的使用安全和耐久性
代替造价深基础和桩基础具有较好的经济效益降低工后沉降量主要是对高压缩性的软土路基进行地基处理目前常用的处理方法包括垫层置换排水固结复合地基人工地基等地基处理应从实际出发因地制宜选择合理经济的处理方案
1排水固结法
排水固结法是利用饱和软粘土在外荷载作用下排水压实且卸载后仍基本维持密度不变的特性对软土地基进行预压加固处理的一种物理加固方法包括
排水沙井袋装沙井塑料板排水
2垫层和置换法
垫层和置换通常应用于路堤高度不超过3m软土层厚度小于3m对路基要求不高的线路地基处理主要有砂垫层浅层置换预压处理反压护道法土工织物加固地基法及轻质路堤采用粉煤灰EPSSLM轻质材料做路堤填料
3反压护道法
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施工方式
4强夯挤淤法
采用边强夯边填碎石边挤淤凡人方法再地基中形成碎石墩体可以提高承载力和减小变形
5人工地基换土挤密砂桩碎石桩
人工地基是在软土地基内设置各种材料合成桩构成复合地基或将地基土换成性能良好的材料以保证路堤稳定的一类方法
6水泥搅拌桩法
水泥搅拌桩是在地基中注入水泥硬化材料用特殊搅拌机械与原地基土就地混合搅拌加速固结地基的化学方法
7复合地基法
近年来出现了另一种复合地基CFG是指水泥粉煤灰碎石桩它是由中国建筑科学研究提出的一种新型桩体桩身材料是由素混凝土桩的基础上发展而来主要由碎石石屑粉煤灰掺和水泥和水搅拌而成具有良好的和易性通过调整水泥的掺量及配比可使桩体强度在C5-C25间变化1考虑土的变形机理将沉降分为三部分初始沉降固结沉降和次固结沉降对不同的沉降类型采用相应的分析理论加以计算
2考虑土体的实际应力状态如考虑三向应力状态下的沉降计算方法考虑地基中初始应力场对沉降的影响考虑土体各向异性等对沉降计算理论加以修正
3考虑地基土体的地质历史对欠固结状态超固结状态和正常固结状态的地基土分别进行计算从而提高沉降计算精度
4根据以往工程实例和沉降观测资料的统计分析采用经验系数来调整计算结果1通过查阅铁路设计规范及铁路设计标准图结合选题要求进行路堤横断面的选取与设计
2通过对土体进行总和法分层计算路堤基底的附加应力运用换算土柱法完成路堤沉降量计算
3学习同济启明星软件里正软件用瑞典法和简化毕肖普法分别对天然地基进行路堤稳定性验算
4比较国内外常见的软土地基处理的技术研究和应用现状以及其设计理论实施工艺适用条件等通过比较选择适用的处理方法对天然软土地基进行处理设计使其满足地基施工要求并进行处理后的路堤沉降量计算和路堤稳定性验算
5通过地表沉降量观测地表水平位移量及隆起量观测地下土体分层水平位移观测孔隙水压力观测工作基点桩和校核基点桩观测等多种途径对路堤沉降与稳定进行观测设计
6从CFG桩施工组织设计和路堤施工组织设计两方面入手完成假定的施工组织设计
1铁路路堤构造
路堤是指铺设轨道的路基面高于天然地面时路基以填筑方式而构成的路基路堤的构造是由路基本体和辅助设备路基本体是按线路设计要求铺设轨道而构筑的部分路基辅助设备是为确保路基本题的稳定性采用合理的辅助设施包括排水设备和防护加固设备
2路基本体
路基本体是由路基顶面路肩基床边坡路基基底组成
1路堤顶面是直接在路基上面铺设轨道的面
2路肩是路基面两侧自道床坡角至路基面边缘的部分主要保护路基土体防止其在列车振动的作用下侧向挤动以及防止路基面边缘部分的土体塌落影响道床的完整状态
3基床是指铁路路基面以下受列车动荷载作用和受水文气候四季变化影响深度范围内的路堤直接关系到列车运行速度和平稳性
4边坡是指路堤路肩边缘以下至坡脚一段的斜坡面路堤的边坡高度是指路肩高程与坡脚高程之差边坡坡度直接影响着路堤本体的稳定和费用因此边坡坡率受到一定的限制和规范
5路堤基底是指路堤填土的天然地面以下受填土自重及轨道列车荷载作用的部分基底的稳定性直接影响路堤的整体稳定性特别是在软弱土体上修建路堤必须对路基基底进行严格的控制
3路基辅助设备
1路基排水设备
路基排水设备分地面排水和地下排水设备地面排水设备包括天沟排水沟侧沟及跌水等主要是用于拦截地面径流汇集路基范围内的雨水并排到天然排水沟以防止地面水对路基基底的浸蚀地下排水设备包括明沟暗沟渗井等主要疏导地下水和降低地下水位以改善地基土和路基的工作条件
2路基防护设备
路基防护设备是指路基坡面防护包括坡面防护和冲刷防护坡面防护主要是防止路基边坡和坡脚受坡面雨水冲刷防止日晒雨淋引起干湿循环防止气温变化引起的土体冻融变化影响边坡的稳定冲刷防护主要是防止河水对坡脚的冲刷和浸蚀
1中国国铁的等级是依据《中国铁路工程技术规范》来确定的确定铁路等级主要考虑以下因素
1铁路线路在全国路网中的意义
2国家对该线路的远期年运输能力的要求
3该线路在路网中的作用和担负的运输量
4I级铁路的标准是在全国路网体系中具有重要政治经济国防意义的在路网中起骨干作用的
5II级铁路的标准是在路网体系中具有一定政治经济国防意义的在路网中起联络辅助作用的
6III级铁路的标准时为某一地区服务具有区域性意义年运输能力小于500万吨的铁路
2新建客货共线铁路设计暂行规定
1铁路等级的划分应根据其在路网中的作用性质和客货运量确定I级铁路在铁路网中起骨干作用或近期年客货运量大于或等于20Mt者II级铁路在铁路网中起联络辅助作用且近期年客货运量小于20Mt且大于或等于10Mt
2旅客列车设计行车速度应根据运输需求和地形条件等因素合理选定旅客列车设计行车速度I级铁路可选120200kmhII级铁路可选80120kmh
3铁路开通运行速度按有关规定和运输需要应达到设计速度在困难条件下I级铁路设计速度为200kmh的开通运行速度不低于160kmh设计速度为160kmh的开通运行速度不低于120kmhII级铁路开通运行速度不低于80kmh
3铁路客运专线
客运专线是以客运为主的快速铁路目前在我国铁路等级除ⅠⅡⅢ级外又增加了客运专线等级时速200至350kmh的铁路统称为客运专线曲线半径一般在2200m以上
铁路提速线路规划
1997年以来中国铁路连续进行五次大面积提速取得了显著成绩2007年4月18日将实施的第六次大提速时速≮160km线路延展长度可达到近万公里京沪京广京九和陇海线部分区段京哈胶济浙赣武九广深等延展长度约6000km的线路将实现时速200km到250公里的运行目标
在铁路客运专线网和铁路提速线路规划中符合新建铁路列车最高运行速度≮250km改建铁路列车最高运行时速≮200km铁路的集合即形成高速铁路网规划
实施《中长期铁路网规划》两年多来由于社会广泛的重视和支持铁路客运专线建设快速有序高效地推进在新建时速≮250km铁路客运专线3000余km拟建铁路客运专线里程将突破规划阶段目标这是经济社会发展需要和市场需求所致
1964年日本建成世界上第一条时速210公里的高速客运专线后法德西意韩中国台湾等国家和地区纷纷修建高速客运专线设计速度从210kmh到270300350kmh1985年5月欧洲经济委员会ECE对铁路最高运行速度的观点是高速客运专线为300kmh既有线提速改造为160～200kmh国际铁路联盟UIC高速部在速度320～350kmh的新线设计科技发展动态第一部分2001年10月25日版本
客运专线安全可靠安全是人们出行选择交通运输方式的首要因素据中国经济景气检测中心日前对北京上海广州三座城市居民的随机抽样调查问卷显示现在有669％的居民外出首选火车其中一条重要原因就是看中铁路运输安全铁路客运专线是最安全的现代高速交通运输方式它采用了先进的列车运行控制系统能够保证前后两列车必要的安全距离有效防止列车追尾及正面冲撞事故信息化程度很高的行车设施诊断监测预警设备和科学的养护维修构成了客运专线现代化的完善的安全保障系统
高速铁路是指通过改造原有线路直线化轨距标准化使营运速率达到每小时200公里以上或者专门修建新的高速新线使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统早在20世初前期当时火车最高速率超过时速200公里者寥寥无几直到1964年日本的新干线系统开通是史上第一个实现营运速率高于时速200公里的高速铁路系统高速铁路除了在列车在营运达到速度一定标准外车辆路轨操作都需要配合提升广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统
1《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
2《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002
3《铁路路基设计规范》2005
4《铁路特殊路基设计规范》2006
5《岩土工程勘查规范》GB50021-2001
7《地基基础实用设计手册》
23路堤横断面设计
com计基本资料
1铁路技术标准客运专线单线铁路时速200-250公里
2铁路选线地质条件软土地基考虑软弱地基处理沿线地下水发育地表水丰富大气降水补给充足地震基本烈度在6度以上考虑风化作用及冻害对软土地基的影响
II级中型单线铁路渗水土路基com路基面宽度82m路堤填料重度18kNm3见图2-1
图2-1路基横断面图
2填料选择
1基床表层填料选用A组优质填料即硬块石细粒石含量小于15的漂石土级配良好的中粗砂
2基床底层填料选用B组填料或经过处理后的C组填料
3路堤底层采用C组填料或经过处理的D组填料如加入土工格栅加固土体
3边坡坡率
依据软土路基规范规定设计整个路堤上部边坡坡率设为1154排水与防护设计
依据铁路路基设计规范设计为路基两侧设置有边沟采用植草进行绿色防护
软土一般是指由细粒土组成的天然含水量较高孔隙比较大压缩性强抗剪强度低和承载力较低的软塑到流塑状态的土层
我国地域辽阔从沿海到内地由山区到平原各地区的软土由于形成的环境年代地质条件等千差万别其分布厚度性质也各不相同国内建设部规定外观以灰色为主的细颗粒天然含水量大于或等于液限天然孔隙比大于或等于10的土划分为软土铁道部以物理力学指标划分软土天然含水量大于或等于液限孔隙比大于1压缩模量小于4000kPa标准贯入击数N6352静力触探贯入阻力ps700kPa不排水强度Cu25kPa
1高孔隙比
天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出02～04
2较强透水性
天然粘土多具有架空的结构大孔隙之间形成透水通道因此在高孔隙比的同时必然具有较强的透水性不少试验资料表明在结构破坏以前天然粘土的固结系数可以达到同样条件下重塑土的10～15倍
3陡降形压缩曲线
天然粘土压缩曲线的初始段是很平缓的当压力超过某一σpc值时出现陡降段并向重塑土的压缩曲线靠近如图强度指标小软土的快剪凝聚力小于10kPa快剪内摩擦角小于5°固结快剪的强度指标高凝聚力小于15kPa内摩擦角小于10°
e软土的灵敏性高灵敏度在210之间有时大于10具有显著的流变性
软土地基的变形时间长一旦软土受到扰动就会发生变形破坏因此软土的1分层界面
为了沉降计算的方便必须确定沉降范围内得分层界其确定依据为
1压缩性不同的天然土层的界面应取为沉降计算得分层面
2由于孔隙水压力的作用导致土的容重不同所以地下水面的上下也作为沉降计算的分层界面
3分层后各层的厚度不能相差太大
具体分层情况如图2-2所示
2路堤基底附加应力及沉降计算
基底附加应力是指引起地基沉降的压力基底附加应力包括两部分活载产生的基底应力和路堤本身自重产生的基底应力即式2-1
2-1
在路堤活载应力计算时以无限长条形三角棱体代替路堤三角棱体顶点作用有连续集中荷载设每延米长的路堤上列车及轨道重量之和为P见式2-2
-2
式中
P列车与轨道荷载1836kNm
b路基顶面宽度一半m
m路基边坡坡率
γ路堤填筑容重kNm3
由设计资料可知设计的路堤高度H5m边坡坡率m115路堤顶面宽度82m路堤填料重度18kNm3
所以集中荷载P0
等效高度H0
集中荷载P0传到地基顶面路堤中心线处的垂直应力分量
路堤自重应力
路堤基底附加应力q
中轴线上地基中各点附加应力随深度Z的计算考虑列车荷载路堤地面的受力分布为三角形则
地下水位为05米05米以下用浮容重
中轴线上地基中各点应力计算表2-1如下
Zmaz
bzIσzkPaPikPa
kPaEsMpacm05158204991373951375401723752050495136223136840516125068042511705512663016910075041035096387106730142140540290295812117888605918042023025688147756050210360200222611172565080242403101702005501985818022280270150171471230511100203102401301504132544421001334022012013537227839310012说明①附加应力随深度而降低
②I应力系数源于地基内垂直应力计算简图
由于第6层底部1m的压缩量小于压缩层范围内总压缩量的25因此沉降深度可确定为34m即H34m
各层沉降量公式△S见公式2-3
所以垂直总沉降量S为
55912671cm
3路堤底面工后沉降计算
本工程施工中工期为15年则要填筑完整个路堤所需时间固结历时
t15年
天然孔隙比e114e213e315e412渗透系数
压缩系数a1eEs
Es14MpaEs23MpaEs36MpaEs48Mpa
土层下方沙层厚度10m软土厚24m双面排水H12m
固结系数
由此可得Cv247Cv394Cv4125
加权平均得Cv63247894812562886835
时间因数
固结度
该层最终压缩量为
51412617cm
施工过程中的压缩量为
5140346178cm
该层施工过程中路堤底面总沉降为
617-178439cm
大于规定时速200-250Kmh工后沉降不得大于10cm故需要进行软土地基处理
1验算软件同济启明星
2验算方法瑞典法简化毕肖普法
3验算模式有效应力模式
4验算结果见图2-2
5验算结论天然地基安全系数小于125其稳定性不符合要求需要进行软土地基处理
图2-3天然地基稳定性验算结
第3章软土地基处理设计
31处理原因
在上述客运专线设计中软土本身具有含水量高渗透性小孔隙比大压缩性高抗剪强度低以及触变性等不利的工程特性这就决定了软土地基的不稳定易变形的特点又由于在本设计地段中地下水发育地表水丰富且大地降水补给充足加上地震基本烈度在6度以上风化作用及冻害对软土地基的影响使得软土地基处理显得更加复杂问题更加突出因此在路堤施工中对软土不稳定性和易变形的控制显得尤为重要经第2章中路堤底面总沉降计算和天然地基稳定性验算此客运专线单线铁路设计均需要进行软土地基处理
地基处理的目的是提高地基承载力降低其压缩性确保基础稳定减少基础的不均匀沉降根据《地基处理工程实例应用手册》主要方法有
1振动沉管砂石桩法就是振动机的作用下把套管打入规定的设计深度套管入土后挤密了套管周围土体然后投入砂石再排砂石于土中振动密实成桩多次循环后就成为砂石桩桩与桩间土形成复合地基从而提高地基的承载力和防止沙土振动液化也可用于增大软弱粘性土的整体稳定性
2高压喷射注浆法先利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻入土层的预定位置然后将浆液或水以高压流的形式从喷嘴里射出冲击破坏土体高压流切割搅碎的土层层颗粒状分散一部分被浆液和水带出钻孔另一部分则与浆液搅拌混合随着浆液的凝固组成具有一定强度和抗渗能力的固结体固结体形状取决于喷射流的方向当喷射流以360度回转且喷射流由下而上地提升时固结体的截面形状为圆形成为旋喷而当喷射流的方向固定不变时固结体的形状如板状或壁状称为定喷
3碎石桩和砂桩由1937年德国凯勒公司的Steuerman设计制造出具有现代振冲器雏形的机具用来挤密沙土地基获得成功它指振动冲击或水冲等施工方式在软弱地基中成孔后再将碎石或砂等粗骨料挤压入土孔中不论采用湿法成孔振冲法干法成孔干振法或振动沉管成孔填料后形成大直径的由碎石或砂等构成的密实的桩体
4土桩及灰土桩是利用沉管冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔然后向空内夯填素土或灰土成桩成孔时桩孔部位的土被侧向挤出从而使桩周土得以加密所以也可称之为挤密桩法
5预压法在建筑物或构筑物建造前先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载使土体中孔隙水排出孔隙体积变小土体密实以增长土体的抗剪强度提高软基的承载力和稳定性同时可减小土体的压缩性消除沉降量以便在使用期不致产生有害的沉降和沉降差
6置换法当地基的上表层部分为承载能力低的软弱土如淤泥杂土时可将软弱土层全部挖走换成坚土即以砂碎石等材料置换软弱地基中部分软弱土体形成复合地基或在软弱地基中部分土体内掺入水泥水泥砂浆或石灰等物质形成加固体与未加固部分形成复合地基达到提高地基承载力减少压缩量的目的
7挤密压实法挤密压实法的原理是采用一定的手段通过振动挤压使地基土体孔隙比减小强度提高达到地基处理的目的根据采用的手段可分为以下方法
1强夯法这是一种快速加固软基的方法将很重的锤提起从高处自由落下以冲击荷载夯实软弱土层使地基受冲击力和振动土层被强制压密从而提高地基土强度降低土层的压缩性以达到地基加固的目的强夯法施工设备简单不需要加固材料费用低周期短但是强夯法有严格的土质适用范围而主要适用于处理素填土杂填土砂土低饱和度粘性土和黄土地基
2表层压实法采用人工或机械夯实机械碾压或振动对填土湿陷性黄土松散无粘性土等软弱或原来比较疏松表层土进行压实也可采用分层回填压实加固分层压实的填料也可适量添加石灰水等适用于含水量接近于最佳含水量的浅层疏松粘性土松散砂性土湿陷性黄土及杂填士
3振冲挤压法通常用以加固砂层其原理是一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化颗粒重新排列孔隙比减少另一方面依靠振冲器的水平振动力形成垂直孔洞在其中加入回填料使砂层挤压密实
4桩柱法使用桩柱挤压地基是由桩柱挤密土和填夯的桩体组成的人工复合地基土桩主要适用于消除湿陷性黄土地基的湿陷性灰土桩主要适用于提高人工填土地基的承载力适用于湿陷性黄土人工填土非饱和粘性土在松散砂土或人工填土中设置砂柱能对周围土体产生挤密或振密作用可以显著提高地基强度改善地基的整体稳定性并减少地基沉降量适用于松砂地基或杂填土
8浆液灌注加固法灌浆法的实质是用气压液压或电化学原理把某些能固化的浆液注入各种介质的裂隙或孔隙以改善地基的物理力学性质加固松软地基土的浆液材料主要有水泥浆液和各种化学浆液水泥浆液采用的水泥应是标4号以上的普通硅酸盐水泥但由于含有水泥颗粒是粒状浆液故对小空隙的土虽在压力之下
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