软土地基上路基沉降及稳定土设计和施工研究.docx

软土地基上路基沉降及稳定土设计和施工研究

⑨

THE oNTHE

RESEARCHDESIGN

CoNSTRUCTIoNoFBASE

STABILIZEDSOILoNSoFTSoIL

FoUNDATION

AThesisSubmittedto

Southeast

University

FortheAcademicofMasterofScientific

Degree Technology

BY

QINAN-LIU

Supervisedby

ProfessorⅪAOMING．HUANG

Schoolof

Transportation

Southeast

University

November2006

胂Y删1 四砖舢3Ⅲ嗍―● 删8啪7

东南大学学位论文独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外．论文中不包含其他人已经发表或撰写过

的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我

一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

；

研究生签名：左红殖及銎幻日期：＆壁坦垄：堑：

东南大学学位论文使用授权声明

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件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质

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子信息形式刊登 授权东南大学研究生院办理。

莎p押、弓．f6

研究生签名： 师签名

i

摘要

摘 要

随着社会经济的发展和交通现代化的需要，高速公路建设进入了一个新时期。由于

软土的高压缩性、低渗透性，固结变形需要的时间长，软土地区的高速公路常由于沉降

不均匀或工后沉降过大破坏了路面的质量。高速公路对营运期间的路基沉降量有严格的

要求，软土路基的设计以变形控制为主。关于路基沉降的研究已有了相当长历史，取得

了令人瞩目的成就，但也存在着许多不足。此外，被广泛用于公路工程的稳定土由于自

身性质的特点，决定了必然会出现温缩和干缩，这就要求必须从配合比的设计、施工过

程的质量控制等方面着手进行把关。因此，开展路基沉降计算和稳定土的设计和施工这

两方面的研究具有显著的经济效益和社会效益。

关系，基于Biot固结理论编制了沉降计算的有限元程序；并进行了算例验证。

其次，详细分析了软土地基上公路路基沉降观测中的关键问题；根据实体工程，同

时兼顾以上关键问题，确定了沉降观测的方案，并进行了实施。通过对许多沉降观测断

面收集到的资料分析来看，观测值与计算结果比较接近，从而表明了本文分析的沉降中

的关键问题是合理的，确定的沉降观测方案是可行的，可以应用于类似工程中。

然后，分析了水泥和石灰土的稳定机理；进行了稳定土的室内配合比试验，确定了

合理的水泥和石灰剂量，并对现场施工效果进行了评价。

最后，较为深入地分析了水泥和石灰稳定土施工中常见病害，并对成因进行了分析，

同时给出了相应的防治措施。

关键词：软土地基；沉降；Biot固结理论；有限元；配合比设计；稳定土

东南大学硕士学位论文

Abstract

the oftraffic，theconstructionof

Withthe of andmodernization expressway

developmenteconomy

hascomeintoanew andlow ofthesoft

period。Forhighcompressibilitypermeability

deformationlastsa time．The of onsoftfoundationbe

always long pavementexpressway maydestroyed

ofsoil．Thesettlementof inserviceis

becauseof settlementorexcessivesettlement expressway

unequal

ofembankmentis basedonthedeformationcontrol

limited；thedesign mainly

strictly

made

thereis intheresearchaboutthefactthattheembankmentsettlement，have

history great

quitelong

soilused intheroad

itismoreinsufficienttoexist．Moreover，thestabilized widely

progress．But

must crackand crackbecauseofitsfeature．So，weshould

shrinkage temperature

engineeringappear

settlement

mix andconstructionto anexcellent researchof

controlthe design get quality．Therefore，the

economicbenefitansocialbenefit．

calculationofsoftsoilfoundationandstabilizedsoilhasremarkable

andBiot’Sconsolidationale and

consolidation analyzed．

TerzagIli’S theory theorycompared

Firstly,the

element basedonBiot’Sconsolidationare the

Thefinite equations theory

calculationofsettlement

modeltodescribethestress??strainoffoundation

Duncan．Chang soil，the program

basedonBiot’Sconsolidationis itisverifiedseveralcalculation

theory by examples．

compiled，and

ale

ofsettlementmonitorof onsoftsoilfoundation

Secondly，thekeyproblems subgrade analyzed

onthe andconsideredthe schemeof

comprehensively．Basedpracticalproject keyproblems，the

and thesettlementdataofseveral

settlementmonitorisdecided intoeffect．After

put comparing monitoring

wecan

sectionsand calculationresults，itisobviousthat areconsistent．So，say

corresponding they

Canbecarriedout，whichcanbe

the alereasonableandthe scheme

that monitoring

safely keyproblems

usedinsimilar

projects．

testsofmixture

ofcementandlimestabilizedsoilarestudied．The

Then，thestabilizedmechanisms

are thesametime，thefieldeffects

are andthe ofcementandlime obtained．At

ratio completeddosages

areevaluated．

stabilizedsoil caused

common constructionofcementandlime andtheir

diseases

Finally，the during

are

ale andthe methods

analyzedthoroughly， correspondingcuring given．

soil consolidation elementmethod；

Words：Softfoundation；Settlement；Biot’S

Key theory；Finite

Stabilizedsoil

n

目 录

目 录

摘要……………………。 ．．I

Abstract．．…．…．．．…………………．． II

目 录

第一章绪论……………………………………………………………………．

1．1弓I言…………………………………………………………………………………………………………………．．1

1．2软土地基沉降计算方法…………………………………………………………………2

1．2．1软土地基沉降计算的经验公式法………………………………………………．2

1．2。2软土地基沉降量的数值分析……………………………………………………．3

1．2．3基于实测数据收集和处理的沉降预测法………………………………………．7

1．3公路工程中稳定土的应用………………………………………………………………7

1．4研究的主要内容和技术路线……………………………………………………………．8

第二章基于Biot固结理论的沉降计算…………………………………． ¨10

2．1土体固结理论…………………………………………………………………………．．10

2．1．1线弹性固结理论…………………………………………………………………lO

2．1．2土体的非线性固结理论…………………………………………………………ll

2．2土体本构模型的选择…………………………………………………………………．1l

2．3Biot固结理论的有限元解析……………………………………………………………12

2．4算例说明………………………………………………………………………………．．14

2．4．1计算参数………………………………………………………………………．．15

2．4．2实体工程数据分析………………………………………………………………20

2．5本章小结………………………………………………………………………………．26

第三章软土地基上公路沉降观测………………………………………………………………27

3．1路基沉降观测的必要性与目的………………………………………………………．．27

3．2软土地基上公路沉降观测中的问题分析………………………………………………27

3．2．1高速公路观测项目………………………………………………………………28

3．2．2沉降观测点的布设原则…………………………………………………………28

3．2．3沉降观测精度的确定……………………………………………………………30

3．2．4沉降观测频率的确定……………………………………………………………31

3．2．5沉降观测条件的统一性问题……………………………………………………3l

3．2．6沉降观测异常情况的处置………………………………………………………23

3．3路基沉降与稳定观测布置方案………………………………………………………。32

3．3．1路堤填筑期原地面沉降观测点的布置…………………………………………32

3．3．2预压期沉降点的布置……………………………………………………………32

3．4路基沉降与稳定观测实施………………………………………………………………32

3．4．1沉降标的制造和埋设……………………………………………………………32

3．4．2水准点布设及转置………………………………………………………………．34

3．4．3水准仪及水准尺使用……………………………………………………………34

3．4．4观测执行标准……………………………………………………………………35

3．4．5观测频率…………………………………………………………………………35

III

3．6．1路堤填筑期原地面沉降观测结果………………………………………………35

3．6．2路堤总沉降……………………………………………………………………。43

3．7本章小结………………………………………………………………………………。45

第四章稳定土设计及施工研究

4．1前言…………………………………………………………………………………………………………………．46

4．1．1软土地基上结构层的设计………………………………………………………46

4．1．2稳定土的强度特性………………………………………………………………47

4．2稳定土的配合比设计…………………………………………………………………．．50

4．2．1强度标准………………………………………………………………………。50

4．2．2原材料的试验…………………………………………………………………．．50

4．2．3混合料的设计步骤………………………………………………………………50

l

4．3稳定土室内试验及分析………………………………………………………………．5

4．3．1材料试验………………………………………………………………………。5l

4．3．2击实试验………………………………………………………………………．．53

4．3．3无侧限抗压强度试验……………………………………………………………53

4．3．4回弹模量试验…………………………………………………………………．．56

4．4稳定土路基的施工………………………………………………………………………57

4．4．1稳定土厂拌施工工艺……………………………………………………………57

4．4．2质量管理………………………………………………………………………．．58

1

4．4．3检验及验收……………………………………………………………………．．6

4．5现场评价………………………………………………………………………………。62

4．6石灰稳定土常见的工程质量问题、原因及预防措施………………………………。63

4．6．1常见的工程质量问题及原因……………………………………………………63

4．6．2预防措施…………………………………………………………………………64

4．7本章小结………………………………………………………………………………．65

第五章结论与展望………………………………………………………………………………。66

5．1主要结论………………………………………………………………………………．66

5．2需进一步研究的问题…………………………………………………………………．67

致谢……．．．…．．…．．．…．．………．……．．．…．．…．．．…．．．．…．………．……．．…．…………………．．．．．……．1；8

主要参考文献…………………………………………………………………………………………69

攻读硕士期间发表的论文和参与的主要科研工作………………………………………．72

第一章绪论

第一章绪 论

1．1引言

自20世纪80年代中期开始，中国大陆开始兴建高速公路，陆续投入运行的高速公路

一标志着我国公路运输事业和科学技术水平进入了一个崭新的时代。路基和路面是道路的

主要工程结构物，路基是在天然地表面按照道路的设计线形 位置 和设计横断面 几何

尺寸 的要求开挖或堆填而成的岩土结构物；路面是在路基项面的行车部分用各种混合

材料铺筑而成的层状结构物。路基是路面结构的基础，坚强而又稳定的路基为路面结构

长期承受汽车荷载提供了重要的保证。若过早铺筑路面，可能会导致路面出现断裂、路

基路面结构出现沉陷、路面表面出现波浪或车辙，使路况恶化、服务水平下降n1。因此，

路基填筑后，掌握其沉降规律和趋势、控制与安排施工进度，对于保证工程质量十分重

要。而工程实例表明，软土路段及桥头路基的处理是高速公路建设成败的关键，为使高

速公路建成通车后，确保路面的使用质量，必须重视软土路段路基的处治，而路基的沉

降估算，是决定软土地基是否需要处理的重要步骤。

理论问世以来，路基沉降的理论研究己取得了长足的进展，并且在工程建设中发挥了巨

大的指导作用。此后又有很多人为该方法的改进和完善做出了重要的贡献。随着整个土

力学学科的发展，路基的沉降计算也得到了发展，最近二、三十年来，许多学者都提出

了新的计算方法口圳。然而，从工程建设的发展与要求来看，仍需对现有的路基沉降理论

算理论尽管有了很大改进，但沉降的预估比一般的土工计算更具技术性，在高速公路施

工中，沉降量的变化与路堤填筑、预压、路面结构层施工及完建后运行等四个阶段相关。

现在，在许多情况下己经能够预测出不超过10％一20％的最终沉降量 hkagi，1979年 ，

但是，预估沉降与时间关系的能力仍然相当差H1。自上个世纪70年代以来，随着计算机

技术的进步，采用有限元分析法计算地基沉降已成为可能，但时至今日，路基沉降课题

仍然困扰着土木工程技术人员。在实际应用中，工程人员的经验和技术仍往往起着关键

作用．这一方面是因为新的理论与技术尚不成熟，且对技术人员的素质及工程测试手段

提出了很高的要求；再者由于路基沉降的分析需要理论与实践密切结合，所需的试验参

数少而易确定，对各种工程情况均有良好的适应性，这就使路基沉降分析中难免加入一

t‘

东南大学硕士学位论文

定的经验成分。近十几年来，在软土地区高等级公路建设中，路基沉降的预估成了一大

技术难题，因此，各地相继开展了规模较大的沉降观测工作，积累了大量的数据、资料。

所以，从工程的建设与需求来看，对现有的路基沉降计算理论作进一步的研究与改进，

充分利用现有的来之不易的实测资料，使沉降的计算值与实测值更为接近，更好地为工

程建设服务，是一件很有意义的工作。

此外，稳定土材料具有稳定性好、抗冻性强，结构本身自成板体等特点，但耐磨性

差点，被广泛用于修筑路面结构的基层和底基层。不过，由于其自身性质决定了该材料

不可避免地会出现干缩和温缩，这就要求施工时稳定剂剂量准确、施工工艺合理，并能

对各种病害的成因有深刻的了解，从而采用有效措施进行处治。因此，结合具体实际工

程，对广泛用于公路工程的水泥和石灰稳定土的稳定机理、配合比设计、常见病害及处

治进行详细分析具有重要的现实意义。

1．2软土地基沉降计算方法

自1923年Terzaghil司结理论问世以来，对软土地基沉降机理和计算方法层出不穷，

从简单的半经验公式和图表法到应用计算机的数值分析，不一而足。应该说，每一种计

算方法都有其实效性和可操作性，回顾这些方法的发展和目前对软土沉降计算的现状对

实际问题的解决有着重要意义。

1．2．1软土地基沉降计算的经验公式法

软土地基沉降计算传统采用压缩曲线法【6J，将压缩试验中应力与应变的关系转换为

应力与孔隙比的关系，得l岛e-p或e―l印曲线。在计算时又将其化为应力与应变的关系。

一些学者建议采用P节曲线，可减少计算误差。工程上常用的分层总和法是将地基分为若

干层，利用压缩曲线求每一层的压缩量，然后将各分层的压缩量盛加起来，则为地基的

总沉降量。

利用e―l印曲线来计算沉降方法我们称为传统方法，也是现在软土路基沉降设计中现

有设计规范采用的计算方法。实际上，地基中的土受附加应力后，变形并不是那样简单，

并不像在固结仪中这样简单地沿一个垂直方向压缩，侧向变形对固结沉降的影响甚大。

特别是当地基中粘性土层的厚度超过基础面积的尺寸时，这影响更大171。

应力影响，提出了用不排水三轴应力条件下所得的三维孔隙压力计算最终主固结沉降量

2

第一章绪论

＆’的计算公式。取一个修正系数C’，乘上单向固结变形＆，就得到考虑侧向变形的固

结沉降。它考虑了三维应力条件下固结所产生的体积变化，但是在将体积变化与竖向沉

降联系起来时，仍按一维压缩条件下测出的压缩系数。在某种意义上讲，其逻辑是欠严

密的。

为方便的方法，应力路径法。应力路径法的基本概念是用应力轨迹表示现场在施工前、

施工期间及其完工后地基内部的应力变化情况。这种方法中，估计和模拟所选单元的应

力路径要与室内试验尽可能地接近。用模拟现场实际应力路径的室内固结试验的方法获

得固结过程相应的体积应变，再对预估沉降量作最后分析。应力路径法特别要求高标准

的取样和试验，这就使它的实际应用受到了很大的限制。

1．2．2软土地基沉降量的数值分析

现行的沉降方法分析及现行规范推荐的沉降计算都是采用分层总和法。其中，土的

附加应力和土体固结度仍按线变形理论计算，此外还引用了一些假定条件，所得出的理

论公式具有一定近似性。它的主要优点是：公式简便、直观、所需实验参数少且易通过

实验得出，而它所依赖的沉降修正系数m随不同路基情况而变化，在工程应用中取值困

难，使这种传统方法也就存在着较多的人为因素影响而造成对结果的准确性。为此，就

提出了软土沉降计算数值方法。随着科学技术水平的不断提高和工程建设规模的不断扩

大，在土木建筑，水利工程和路桥工程中，软土地基沉降量大小和堤坝稳定性等力学问

题变得十分复杂。这些问题己很少能用数学方法求得精确解或通过模拟试验得到定量

解。原因是软土路基呈现出空间非线性沉降变形规律，土体的变形协调条件和应力平衡

条件十分复杂，边界条件非常复杂和土体非均质，非线性导致了偏微分方程的变系数，

单一的数学方法难以求解。当土体的应力应变关系及其相应的实验多数得到合理确定

时，借助于计算机和计算数学用数值分析的方法求出近似解更为符合实际这些方法可归

纳成如下5种形式，即：差分法、有限元法、边界元法、变分法和加权余量法。

目前用于软土地基沉降分析的数值方法主要是差分法、有限元法和边界元法，其发

展趋势是有限元法与差分法或与边界元法相结合解决课题，以期发挥各种方法的优越

性。

1 软土地基沉降的差分解法

3

l

东南大学硕士学位论文

太沙基建立的饱和土体一维固结基本微分方程，是在一定初始条件和边界条件下获

得的。因此太沙基固结理论研究的只是一维固结中一种简单而特殊的情况。实际上，若

边界条件复杂或多维固结问题时，固结方程的解析解是很难得到，而常用差分法数值求

解。