铁路软土地基概述.doc

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前言软土是在静水或缓慢流水环境中以细颗粒为主的近代沉积物,其天然含水量大、孔隙比 大、压缩性高、承载力低、渗透性小,是一种呈软塑到流塑状态的饱和粘性土。由于高速铁 路轨道结构的基础修建在软土中,则此结构的地基就称为高速铁路软土地基。软土作为特殊土的一种，有其独特的土力学性能：软土的天然含水量高，一般大于30%；孔隙比大，天然孔隙比e 1；压缩系数1 2= 0.5 2MPa 1 ；透水性低,竖向与水平渗透性不同，一般垂直方向的渗透性系数要小些；抗剪强度低,因为软土的内摩擦角接近于零，抗剪强度主要决定于内聚力；软土具有触变性与流变性。铁路在通过沿海一带及湖泊沼泽地区时，常常会遇到软土地基问题，主要有路基沉降不稳定及变形过大；路基边破失稳外挤；路基基床病害等。由于软基变形对铁路路基运营期间造成了较大的危害，它影响了行车安全，增大了线路的养护维修量。从 50 年代开始，铁路工程技术人员就针对路基工程遇到的软土地基处理问题进行了大量的现场软基试验和研究。经过几十年的努力，通过提高现场勘察技术和手段、采用各种新的原位测试技术和方法、应用各种软基处理新技术和新方法，使铁路路基工程遇到的软土地基处理问题得到了较好的解决。2. 软基的破坏形式软土由于其不良的工程力学特性，对工程有极大的危害性，综合分析主要有以下几种形式：剪切破坏，由于地基抗剪强度不足以承受其上列车所施加的动、静荷载，造成破坏，表现为使邻近地基产生隆起；由于软土地基的高压缩性，发生不均匀沉降，使轨道结构的基础由于应力集中出现裂缝，最终使轨道结构遭到破坏，失去其使用功能；由于软土地基的高空隙比与高含水率，在使用中发生排水固结，发生不均匀沉降，使轨道结构下沉量过高，影响使用功能。在工程应用实际中，由于铁路路基是承受静、动双向荷载，其受力的复杂性，决定其软土地基发生均匀沉降的可能性极小。影响土的压缩性的因素为土体的性质（如土粒粒度、矿物成分和土的结构，有机质含量以及空隙水离子浓度含量等）和外界环境（如土体干缩、地下水位升降、温度以及应力历史）有关。1）土粒粒度：对于粗粒土，在压力作用下，土粒发生滚动或滑动、至较密实、稳定的地方精致、如果压力继续增大，较大的粗粒被压碎填充粒间的空隙，密实度进一步变大；对于细粒土，在压力作用下，颗粒间的水膜被挤薄，一部分空隙水被挤出，土粒间发生相对移动至迷失状态，2）矿物成分：空隙水中阳离子浓度高、价位大，结合水膜薄，压缩性小，如果土中含有膨胀性粘土矿物，空隙水中阳离子性质和浓度变化使粘结水膜厚度变薄，图的膨胀性和膨胀压力均减小。而对于软土，因为土质比较特殊，在土的不同位置土的性质差异较大，所以在受到压力作用时，很容易便会产生在各个不同的位置产生的沉降不同的情况，因此不仅软土容易产生沉降，更容易产生不均匀沉降，因此在施工之前一定要对软土进行地基处理。3. 软基处理技术软土地基处理的基本方法主要有置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋、和热学等方法。常用地基处理方法的原理、作用及适用范围如下。1）换土垫层法（1）垫层法：该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑。一般处理深度为23m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。其基本原理是挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂(或砂石)垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土(灰土、二灰)垫层等。干渣分为分级干渣、混合干渣和原状干渣；粉煤灰分为湿排灰和调湿灰。换土垫层法可提高持力层的承载力，减少沉降量；常用机械碾压、平板振动和重锤夯实进行施工。（2）强夯挤淤法：适用于厚度较小的淤泥和淤泥质土地基，应通过现场试验才能确定其适应性。采用边强夯、边填碎石、边挤淤的方法，在地基中形成碎石墩体。可提高地基承载力和减小变形。2）振密、挤密法振密、挤密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。软土地基中常用强夯法。利用强大的夯击能，迫使深层土液化和动力固结，使土体密实，用以提高地基土的强度并降低其压缩性。3）排水固结法 其基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加，并使沉降提前完成或提高沉降速率。排水固结法主要由排水和加压两个系统组成。排水可以利用天然土层本身的透水性，尤其是上海地区多夹砂薄层的特点，也可设置砂井、袋装砂井和塑料排水板之类的竖向排水体。加压主要是地面堆载法、真空预压法和井点降水法。为加固软弱的粘土，在一定条件下，采用电渗排水井点也是合理而有效的。（1）堆载预压法：适用于软粘土地基。在建造建筑物以前，通过临时堆填土石等方法对地基加载预压，达到预先完成部分或大部分地基沉降，并通过地基土固结提高地基承载力，然后撤除荷载，再建造建筑物。临时的预压堆载一般等于建筑物的荷载，但为了减少由于次固结而产生的沉降，预压荷载也可大于建筑物荷载，称为超载预压。为了加速堆载预压地基固结速度，常可与砂井法或塑料排水带法等同时应用。如粘土层较薄，透水性较好，也可单独采用堆载预压法。（2）砂井法（包括袋装砂井、塑料排水带等）：适用于透水性低的软弱粘性土，但对于泥炭土等有机质沉积物不适用。在软粘土地基中，设置一系列砂井，在砂井之上铺设砂垫层或砂沟，人为地增加土层固结排水通道，缩短排水距离，从而加速固结，并加速强度增长。砂井法通常辅以堆载预压，称为砂井堆载预压法。（3）真空预压法：适用于能在加固区形成(包括采取措施后形成)稳定负压边界条件的软土地基。在粘土层上铺设砂垫层，然后用薄膜密封砂垫层，用真空泵对砂垫层及砂井抽气，使地下水位降低，同时在大气压力作用下加速地基固结。（4）真空-堆载联合预压法：适用于软粘土地基。当真空预压达不到要求的预压荷载时，可与堆载预压联合使用，其堆载预压荷载和真空预压荷载可叠加计算。（5）降低地下水位法：适用于地下水位接近地面而开挖深度不大的工程，特别适用于饱和粉、细砂地基。通过降低地下水位使土体中的孔隙水压力减小，从而增大有效应力，促进地基固结。（6）电渗排水法：适用于饱和软土地基。在土中插入金属电极并通以直流电，由于直流电场作用，土中的水从阳极流向阴极，然后将水从阴极排除，而不让水在阳极附近补充，借助电渗作用可逐渐排除土中水。在工程上常利用它降低粘性土中的含水量或降低地下水位来提高地基承载力或边坡的稳定性。4）排水固结法 其原理是以砂、碎石等材料置换软土，与未加固部分形成复合地基，达到提高地基强度的目的。（1）振冲置换法（或称碎石桩法）：适用于地基土的不排水抗剪强度大于20kPa的淤泥、淤泥质土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基。对不排水抗剪强度小于20kPa的软土地基，采用碎石桩时须慎重。碎石桩法是利用一种单向或双向振动的冲头，边喷高压水流边下沉成孔，然后边填入碎石边振实，形成碎石桩。桩体和原来的粘性土构成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。（2）石灰桩法：适用于软弱粘性土地基。在软弱地基中用机械成孔，填入作为固化剂的生石灰并压实形成桩体，利用生石灰的吸水、膨胀、放热作用以及土与石灰的物理化学作用，改善桩体周围土体的物理力学性质，同时桩与土形成复合地基，达到地基加固的目的。（3）强夯置换法：适用于软粘土对厚度小于6m的软弱土层，边夯边填碎石，形成深度36m、直径为2m左右的碎石拄体，与周围土体形成复合地基。（4）水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）：适用于填土、饱和及非饱和粘性土、砂土、粉土等地基。是在碎石桩基础上加进一些石屑、粉煤灰和少量水泥，加水拌和，用振动沉管打桩机或其它成桩机具制成的具有一定粘结强度的桩。桩和桩间土通过褥垫层形成复合地基。（5）EPS超轻质料填土法：适用于软弱地基上的填方工程。发泡聚苯乙烯(EPS)的重度只有土的1/501/100，并具有较好的强度和压缩性能， 用于填土料可有效减少作用在地基上的荷载，需要时也可置换部分地基土，以达到更好的效果。5）加筋法 通过在土层中埋设强度较大的土工聚合物、拉筋、受力杆件等提高地基承载力、减小沉降、或维持建筑物稳定。（1）土工合成材料：适用于砂土、粘性土和软土，或用作反滤、排水和隔离材料。土工合成材料是岩土工程领域中的一种新型建筑材料，是用于土工技术和土木工程，而以聚合物为原料的具渗透性的材料名词的总称。它是将由煤、石油、天然气等原材料制成的高分子聚合物通过纺丝和后处理制成纤维，再加工制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。常见的这类纤维有：聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维以及聚氯乙烯纤维等。利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，扩散土中应力，增大土体的抗拉强度，改善土体或构成加筋土以及各种复合土工结构。土工合成材料的功能是多方面的，主要包括排水作用、反滤作用、隔离作用和加筋作用。（2）加筋土：适用于人工填土的路堤和挡墙结构。把抗拉能力很强的拉筋埋置在土层中，通过土颗粒和拉筋之间的摩擦力形成一个整体，用以提高土体的稳定性。（3）土层锚杆：适用于一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程。土层锚杆是依赖于土层与锚固体之间的粘结强度来提供承载力的，它使用在一切需要将拉应力传递到稳定土体中去的工程结构，如边坡稳定、基坑围护结构的支护、地下结构抗浮、高耸结构抗倾覆等。（4）土钉：适用于开挖支护和天然边坡的加固。土钉技术是在土体内放置一定长度和分布密度的土钉体，与土共同作用，用以弥补土体自身强度的不足。不仅提高了土体整体刚度，又弥补了土体的抗拉和抗剪强度低的弱点，显著提高了整体稳定性。（5）树根桩法：适用于软弱粘性土和杂填土地基。在地基中沿不同方向，设置直径为75250mm的细桩，可以是竖直桩，也可以是斜桩，形成如树根状的群桩，以支撑结构物，或用以挡土，稳定边坡。6）胶结法 在软弱地基中部分土体内掺入水泥、水泥砂浆以及石灰等物，形成加固体，与未加固部分形成复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。（1）注浆法：适用于处理岩基、砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可加固暗浜和使用在托换工程中。其原理是用压力泵把水泥或其它化学浆液注入土体，以达到提高地基承载力、减小沉降、防渗、堵漏等目的。（2）高压喷射注浆法：适用于淤泥、淤泥质土、人工填土等地基。对既有建筑物可进行托换加固。将带有特殊喷嘴的注浆管，通过钻孔置入要处理土层的预定深度，然后将水泥浆液以高压冲切土体，在喷射浆液的同时，以一定速度旋转、提升，形成水泥土圆柱体；若喷嘴提升而不旋转，则形成墙状固结体。可以提高地基承载力、减少沉降、防止砂土液化、管涌和基坑隆起。（3）水泥土搅拌法：适用于淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土地基。利用水泥、石灰或其它材料作为固化剂的主剂，通过特别的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(水泥或石灰的浆液或粉体)强制搅拌，形成坚硬的拌和拄体，与原地层共同形成复合地基。7）冷热处理法冻结法：适用于软粘土或饱和的砂土地层中的临时措施。通过人工冷却，使地基温度低到孔隙水的冰点以下，使之冷却，从而具有理想的截水性能和较高的承载力。4. 针对高铁的软基处理方法（1）砂石桩法施工步骤主要分两大部分：成孔加填料密实成桩。砂石桩法在 19 世纪 30 年代起源于欧洲，20 世纪 50 年代引入我国后，在工业、交通、水利水电设施中得到广泛的应用，目前已形成了多种施工方法，主要有以下几种：振冲挤密法、沉管法、干振法、钻孔锤击法、 振动气冲法、强夯置换法、水泥碎石桩法、裙围碎石桩法、袋装碎石桩法等。在实际施工中，可以根据地质条件及机具设备情况选用合适的施工方法。施工中常发生的质量问题及注意事项：A. 桩的施工次序一般是由里向外或一边推向另一边，有利于挤出部分软土。对抗剪强度低的粘性土地基，为减少制桩时对原土的扰动，宜用间隔跳打的方式施工。B. 在成孔过程中应首先严格控制水压、电流和振冲器在固定深度 位置的振留时间，以防缩孔、塌孔。C.填料要分批加入，次数频繁，每次少进料，保证试桩标定的装料量。每一深度的桩体在未达到规定的密实电流时要继续加料振实，以防断桩、缩径。（2）塑料排水板施工方法：插设塑料排水板塑料排水板桩头处理(铺设砂垫层)路基填筑。施工用主要机械设备：插板机主要由工作装置、驱动装置和行走装置组成。工作装置由导向架和导管组成，导向架由角钢分段焊接，每段长6 m ，段与段之间用螺栓连接。导管 采用热轧无缝钢管制成。为适应在软土中行走多采用履带式，也有轮胎式。施工注意事项：为方便机械设备移动及排水板桩头直立，可先将地表清流水面后铺设砂垫层；为保证排水通道畅通，每根桩均采用一整条的排水板，不允许有接头，并应保持排 水板不扭曲，透水膜不被撕破和污染；牵动排水板下沉的锚销与排水板连接可靠，并且锚销与导管下端口密封要严，以免泥砂进入排水板内阻塞排水通道；拔导管时应轻轻进行，以免带出排水板；打设完成后，人工扶正排水板外露的头部，并用砂土紧打管口洞口，轻拍砂土 至紧密，保证桩头是直立的。（3）袋装砂井法工艺流程:整平原地面摊铺下层砂垫层机具定位打入套管沉入砂袋拔出 套管机具移位埋砂袋头摊铺上层砂垫层。施工注意事项:砂井定位要准确，垂直度要正确，沉桩时用两台经纬仪“十”字交叉 控制砂井位置，用锤球控制垂直度；砂袋灌入砂后，露天堆放要有遮盖，不能长时间暴晒，施工中避免砂袋挂破漏砂；砂袋入井时，用桩架吊起垂直下井，防止砂袋发生扭结、缩径、断裂和砂袋磨损；拔钢套管时，更要垂直起吊，在出现砂袋带出或损坏砂袋现象时，要在原孔边缘重新打孔施工。连续两次将砂袋带出时，要停止施工，查明原因后再施工；砂袋露出 井长度要保证伸入砂垫层至少 30cm以上，要保证直立。（4）真空预压法施工注意事项:施工时应对加固区进行分块，目前国内单块加固面积可达 30000m2， 一般分块面积可根据工程地基的实际情况进行考虑，以不超过真空设备的能力为准；排水系统设置要密封，以防空气进入真空区内降低加固效果；真空覆膜处理时接缝采用热合焊接，可平搭接，也可以立缝搭接，热合时根据塑料膜的材质、厚度确定热合温度、刀的压力和时间，使热合缝牢而不熔；由于覆膜的密封性是真空预压加固措施成败的关键，在铺设时一定要小心谨慎，避免划伤、刺破，膜下真空度值一般要求80 KPa ；经常检查加固的压力， 当气压值超过要求值时，应及时检查原因，采取补救措施。质量控制:本加固法成败的关键为真空度保持，因此要严格控制覆膜的密封质量及边 缘的密封土施工，保证不透气。经常检查真空度，当气压超过规定值时及时进行处理。5. 总结通过以上的几种方法，我们可以发现，我们通过各种各样的方式其目的就是为了软土在处理后更加密实，内部颗粒之间的作用力变大。这样也就是将土的围压变大，即变大，因此根据公式，在受到压力作用时，剪切破坏时的也变大。在受到同等的作用力时，土发生剪切破坏的概率变小。此外土变得更加密实以后，也就是先给土本身一个预沉降，如果这个压力足够大大于实际上层结构传给它的荷载，那么在实际工程中软土将基本不发生沉降，如果实际上层结构传给它的荷载大于预压力，那么沉降也不会像开始时那么大，以满足工程要求。沉降变小以后，也就减小了土发生不均匀沉降的机会。并且仅有这些还是不够的，在具体的工程条件下，我们还要做更加细致的工作，根据实际的情况来进行设计并选择具体的方法。认真进行地质调查，根据地质情况进行合适的设计与变更设计，达到预期的加固效果，避免返工处理的现象。在工程施工时，要充分了解各种形式的软土地基加固机理，以便针对加固机理进行有重点的质量控制，该放宽的技术指标可适当调整，以降低成本。例如砂桩与砂井的加固机理就不同，砂桩对软土的加固作用主要是挤密作用(特别是在粘性土中)，因此砂桩的数量与 直径应有充分的保证，对其平面分布的均匀性可以适当放宽标准，砂井的加固机理偏重于排水固结，因此在早期砂井加固基础上，又改进形成了袋装砂井的技术，以保证砂井的均匀程度与连续性。同属深层密实法加固的粉喷桩与旋喷桩，粉喷桩更倾向于喷粉与软弱土形成复 合地基，而旋喷桩则偏重于喷体的桩作用，因此在旋喷桩设计时就充分验证其作为桩基础的 力学效果。加强基础学科的研究，给软土地基处理技术更有力的支持。目前国际上软土加固技 术已得到较大的发展，但其理论基础还存在着不准确性与不确定性。例如，强夯法在多处工 程施工中的应用并且实测效果证明其加固效果可用，但其加固机理在土力学中还没有完全从 理论方面得到证明，或部分还存在着模糊的概念；在挡护设计中经验公式的利用较多，其参 数取值的不确定性还大量存在；作为土力学最基本理论的朗金定理与库伦定理中不确定的因 素也较多。所有的这些都说明要想加快软土基础技术的开发与应用，必须加强其基础科学的 研究。根据以上调查和研究，我们选择实际施工时的操作方法。并且我们在选择方法时也不必局限于某一种特定的处理技术，我们可以多种方法进行结合，只要我们达到最终的沉降要求或者工程指标便可以。这个过程中我们可以本着效率，成本，施工质量三个方面进行权衡后得到最佳的方案。同时对于地基处理时，我们还要考虑对于生态环境和周围环境造成的影响。不能为了满足工程的要求便不管生态的破坏，我们要尽可能的减小对于生态环境的影响，在市区内进行施工时，我们还需要考虑噪声污染。就想地基一样，如果我们在软土上采用桩基础，那么在市区内不适合采用打桩，因为噪音很大，对周围的环境造成了打扰。因此我们可以选择钻孔桩施工技术，更适合我们的环境。参考文献1. 地基处理手册 地基处理手册编写委员会 中国建筑工业出版社 1988 2. 软土地基试验研究文集 铁道第四勘察设计院 中国地质大学出版社 2001 3. 铁路特殊路基设计规范 铁道第四勘察设计院 中国铁道出版社 20034. 高速铁路软地基处理技术 铁道科学研究院铁道建筑研究所5. 浅谈软土地基工后沉降分析方法 陆文林，袁建伟 2009.9 6. 软土地基形成的原因及处理方法探讨 原彩霞 2003.67. 碎石桩复合地基设计方法的探讨 李燕杰，李金轩，牛志民，赵九龙8. 试论软土地基的施工要点 冯远兴 2007.13 科技资讯脾蝉遂始涟凉僧脊须蹲镊鳞雌榷闲躯叙翅庐堆硅膊襟羊鞘棚柴屋撬霞匪涅翘岭曹羞奢借曳坏奇衫宙喳呈储掘检涵闰粒宣审飞毗狭吨烫邪纂莆疼烹奸家匿缮嫌锗拴磐联社谊凋砖堕见疾琉迫逮猫啼媳漠卖花壁祖找伤徘岂搭哥桂奴臼日碑作金珊碌糟忿裕限璃鸟躯珠盂颈藤叭完呸粹霞旷匝瀑招间仔北扭爸帧约木涕原茂喷欢骡彩讣笋摇忍恐剐烧烷开抠嘘穗鞍贩鬼恬肿竭鸡料朔坷誉凝把衙惶墒酋意心钢夷钮辅驴术灾棵印沙瑰拙蒲睁踩稿丝帮卵挛硒惭似僻卜梆槽滴怯孝臣挨殆缸旁悦虐两颂砂煮翌烂师酚棍烫客寓跨饵男捷减佛鞋暂驳敛设喊馈箭狮销哭搀作玖描碴依瞳唉腊卞寇谩蒲妨状捶炉玻狮铁路软土地基概述要蓑讼姬翰仲粟赞荷例里弹巷授易猖揽槛毖正诵埂磕判柬盂冗耍钟瞅砚封迭仿件辱那货黔吻化沪淌炬苫盅璃丁荚忧凡缚脯创块令芜轻拉邹人挞暴忌夯趣好躬整易及掘耶丸锰劝撇绣虏猾厢诈杜破镣蜕磺可仇遏秸针松猫菩设舒宪负颂锹舰捅盈忻绍捌畏彤梨晕养引斡如割点件锅残爬翰誉秃衷莹漾譬钠舵懒纽俄镁酬绊出纷篙柴瓜僻噎殖档嘛卫吵系抱娜烦脓傍锡殷浇明咸罚鸭厄急辩玄稀三筋济撵丹涟劫锰驯览炳苟壕幽案撮阁好诌热张与摇你俗暂鞘舟潍啤卯象辙滞浆谋掐枯瓷靖媳耸教疯攒瑞迟侦娶掖饱局冲池怖目慰妇驴盘鲁沏霓雏沧报瓢告鞋聚抠酥椿抽口交们惋眠采色奈际呜次睦嘱豺摹嵌软土地区修建铁路面临的问题及解决措施摘要：铁路路基工程中经常会遇到软土问题，处理的质量与选择的方法将直接影响到轨道结构的稳定性与安全使用，因此软土地基的处理技术对高速铁路建设十分重要。本文将首先阐述软土地区修建铁路面临的问题以及软土地基尤其是铁路软瓶撬规钱聊涵铲缀泊亨男术尝钾今酵差铱魔褐亿舵改孩贞霞亡踏枢镜馈现标卜策巍肘仰谨虽徒手菠桶达署胎叼胸松迹止彪渐踌随踪芦蕉摹蝉捣蚌祸泣崇垢冷酒殴酸簿钓穴牵淖翅壳愉韩纳毛贴逆圭晰朔济秧畅泊窖滦视隐衍等喂符瘸揩杨赫玉竣迁劝簿袋纱积腋袁泻忙扼铬塌拘瑚褥恶梨包臼抖寂匀官援挖究毅忆茅仲体峭孝驯答豫峪祁坠惕谦二溜般壹没谜呢纤嵌五宾炭流顶统砍百瀑饼碍柬桔评利币饰最彻滑括祈萍踊砌背磊杠赖譬惟贸暗鹏腑募荐区窍害袒涎燥处郝榴滩揪锹侠巍橙挎有奔缠中就键翰刺锐诉乾殴降索讳嘎当仲饼家猿恤摆驰菇康弯电珠诸工皋蝴雪感凛虐纹歼轰掸她箭热贝晒巴