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第五章 路基防护与加固
　　　　　　　　发表日期：2008-6-10
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§5-1 概述
  1.由岩土所筑成的路基发生的变化：
    浸水后湿度增大，土的强度降低；
    岩性差的岩体，在水温变化条件下，加剧风化；
    路基表面在温差作用下形成胀缩循环，在湿差作用下形成干湿循环，可导致强度衰减和剥蚀；
    地表水流冲刷，地下水源浸入，使岩土表层失稳，易造成和加剧路基的水毁病害；
    沿河路堤在水流冲击、淘刷和浸蚀作用下，易遭破坏；
    湿软地基承载力不足，易导致路基沉陷。
    所有这些均取决于岩土的物理力学性质及自然因素，且与路基承受行车荷载的情况密切相关。
  2.合理的路基设计：应在路基位置、横断面尺寸、岩土组成等方面综合考虑。
  3.为确保路基的强度与稳定性，路基的防护与加固，是不可缺少的工程技术措施。
  4.路基防护与加固设施：
    边坡坡面防护
    沿河路堤河岸冲刷防护与加固
    湿软地基的加固处治
  1）坡面防护：
    作用：保护路基边坡表面免受雨水冲刷，减缓温差及湿度变化的影响，防止和延缓软弱岩土表面的风化、碎裂、剥蚀演变进程，从而保护路基边坡的整体稳定性，在一定程度上还可兼顾路基美化和协调自然环境。
    特点：不承受外力作用，要求坡面岩土整体稳定牢固。
    分类：
    植物防护(种草、铺草皮、植树等)——有“生命”(成活)防护——土质边坡
    工程防护(抹面、喷浆、勾缝、石砌护面等)——无机物防护——石质路堑边坡。
    在一定程度上，有“生命”防护在边坡稳定和改善路容方面，优于无机物防护。
  2）堤岸防护与加固：
    作用：对沿河滨海路堤、河滩路堤及水泽区路堤，亦包括桥头引道，以及路基边旁的防护堤岸等。
    特点：主要针对水流的破坏作用而设，起防水治害和加固堤岸双重功效。
    分类：直接和间接两类。
    直接防护与加固设施——植物防护、石砌防护与加固两种——植树、铺石、抛石或石笼等。
    间接防护——导治结构物，如丁坝、顺坝、防洪堤、拦水坝等，疏浚河床、改变河道。
  3）湿软地基加固：
    作用：防止路基沉陷、滑移或产生其他病害。
    特点：湿软地基加固，规模大，造价高，应注意方案比较，研究技术和经济方面的可行性，力求从简，尽量就地取材。
    加固方法：换填土、辗压夯实、排水固结、振动挤密、土工格栅加筋和化学加固等五类。
§5-2 坡面防护
一、植物防护
    作用：可美化路容，协调环境，调节边坡土的湿温，起到固结和稳定边坡的作用。
    适用条件：坡高不大，边坡比较平缓的土质坡面。
    方法：种草、铺草皮和植树。
  1.种草：适用边坡坡度不陡于1：1，土质适宜种草，不浸水或短期浸水但地面径流速度≤0.6m／s的边坡。
  2.铺草皮：坡面冲刷比较严重，边坡较陡，径流速度＞0.6m／s，容许最大速度为1.8m／s时，采用平铺(平行于坡面)水平叠置、垂直坡面或与坡面成一半坡角的倾斜叠置草皮，还可采用片石铺砌成方格或拱式边框，方格或框内再铺草皮。
  3.植树：用在堤岸边的河滩上，用来降低流速，促使泥沙淤积，防水直接冲刷路堤。
  4.拉伸网草皮：在土工网或土工垫等土工合成材料上铺设3-5cm的种植土层，经过撒种、养护后形成的人工草皮。
  5.固定草种布(也可称植生带)：在土工织物纺织时将草种固定于土工织物中，然后到现场铺筑以促使草皮生长的一种土工合成材料草皮制品。
  6.网格固定撒种：先将土工网固定于需防护的边坡上，然后撤播草种形成草皮的一种边坡防护方法。
    多排林堤岸与水流方向斜交，可挑水改变水流方向。
    沙漠与雪害地区，防护林带可阻沙防雪。
二、工程防护
  1.抹面防护：
    适于：石质挖方坡面，岩石表面易风化，但比较完整，尚未剥落，如页岩、泥砂岩、千枚岩的新坡面。
    抹面材料：石灰浆。
    抹面厚度：一般2-10cm。
  2.喷浆：
    适用于：易风化而坡面不平整的岩石挖方边坡，厚度一般为5-10cm。
    经济的砂浆是用水泥、石灰、河砂及水，按重量比1：1：6：3配合。
    干砌片石护面：单层或双层护面。
    护面厚度一般不小于20cm，干砌要勾缝。
  3.护面墙：
    适用于：浆砌片石的坡面覆盖层，用于封闭各种软质岩层和较破碎的挖方边坡。
    注意：护面墙除自重外，不承受其他荷重，亦不承受墙背土压力。
    设置：护面墙高一般不超过10m，纵向每10m设一条伸缩缝，墙身应预留泄水孔。
§5-3 冲刷防护
一、直接措施
    直接措施：植物防护、石砌防护或抛石与石笼防护及支挡(驳岸等)。
    植物防护、石砌防护：同坡面防护。
  1.抛石防护：类似在坡脚处设置护脚，亦称抛石垛。
    适用：抛石垛的边坡坡度，不应陡于抛石浸水后的天然休止角；石料粒径视水深与流速而定，一般为15～50cm。
  2.石笼：
    作用：设在坡脚处，防止急流和大风浪破坏堤岸，加固河床，防止淘刷。
    铺设：用碎(砾)石垫层铺平，底层各角，可用铁棒固定于基底。
  3.土工织物软体沉排
    定义：在土工织物上以块石或预制混凝土块体为压重的护坡结构。
    适用：水下工程及预计可能发生冲刷的河床和岸坡土面上。
    主要种类：单片垫、双片垫。
    单片垫是利用土工织物拼接成大面积的排体；
    双片垫是将两块单片垫重叠后按一定距离和型式将两片垫连接在一起而构成管状或格状空间，其中再填充透水性土石料(如砂卵石等)，起到防冲与反滤的作用。
  4.土工模袋：
    定义：是一种双层织物袋，袋中充填流动性混凝土或水泥砂浆或稀石混凝土，凝固后形成高强度和高刚度的硬结板块。
    材料：
    满足技术要求，袋内可充填混凝土或砂浆。
    充填混凝土时，粗骨料最大粒径应符合要求。
    适用：坡度不得陡于1：1。水流速度不宜大于1.5m/s。
二、间接措施
  1.设置导治结构物作用：
    改变水流方向——消除和减缓水流对堤岸直接破坏——减轻堤岸近旁淤积——解除水流对局部堤岸的损害——安全保护作用。
  2.导治结构按其与河道的相对位置，一般可分为丁坝、顺坝或格坝。
  1)顺坝：
    大致与堤岸平行，主要作用为导流、束水、调整流水曲度、改善流态。
    顺坝——导流坝。
  2)格坝：
    作用：在平面上成网格状。设于顺坝与堤岸之间，防止高水位时水流溢入冲刷坝内岸坡和坡脚，并促进格间的淤积。
  3)丁坝：
    作用：大致与堤岸垂直或斜交，将水流挑离堤岸，束河归槽，改善流态。
    丁坝——挑水坝。
  3.横断面：顺坝与丁坝均用石块修建成梯形横断。
    坝体分为：坝头、坝身和坝根。
  4.公路工程中的改河的主要目的：
    将直接冲刷路基的水流引向旁处；
    路基占用河槽后，需要拓宽河道；
    挖滩改河，清除孤石，改移河道，以保护路基；
    裁弯取直，有利布置路线或桥涵。
§5-4 地基加固
一、换填土层法
    换填土层法：
    定义：将基底下一定深度范围的湿软土层挖去，换以强度较大的砂、碎(砾)石、灰土或素土，以及其他性能稳定、无侵蚀性的土类，并予以压实。
    按砂垫层的方法计算。
    砂垫层：
    作用：可提高承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀，消除膨胀土的胀缩作用，亦可处理暗穴。
    厚度：0.6-1.0m，以中粗砂为宜，级配良好。
二、夯实法
  1. 重锤夯实法：以钢筋混凝土制成截头圆锥体(底部垫钢板)，重量宜1.5t或稍重，锤底直径为1-1.5m，起重设备的能力为8-15t，落距高一般为2.5-4.5m。
    非粘性土及松散杂填土——振动压实法效果良好。
    重锤夯实法加固地基，可提高地基表层土的强度。
    湿陷性黄土——降低地表的湿陷性。
    杂填土——减少表层土的强度不均一性。
    适用：地下水位0.8m以下稍湿的一般粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土等。
  2.强夯法：
    定义：亦称动力固结法，以8～12t(甚至20t)的重锤，8-20m落距(最高达40m)，对土基进行强力夯击，利用冲击波和动应力，达到土基加固的目的。
    原理：可压缩的微气泡——产生几十厘米的沉降，——液化——结构破坏——强度下降至最小值——出现径向裂隙——加速孔隙水压力消散的主要通道——粘性土的触变性——士基的强度得到恢复和增强。
    特点：至今还没有一套成熟和完善的理论和设计方法，但实践证明，它具有施工简单、加固效果好、使用经济、运用面较广等优点。
三、排水固结法
    加固目的：饱和软土在荷载作用下，排水固结后，抗剪强度可得到提高，则达到加固的目的。
    适用：加固软弱地基，包括天然沉积层和人工冲填的土层，如沼泽、淤泥及淤泥质土，水力冲积土等。
    排水固结法的实际效果，取决于土层固结特性、厚度、预压荷载和预压时间。
    排水固结：运用堆载预压，挤出土中的过多含水，达到挤紧土粒和提高强度的目的。
  1.砂井堆载预压：需进行地基固结计算，以确定加载以及砂井布置的有关数据。
    砂井成孔，有沉管法和水冲法两类。
    沉管法：用锤击或振动方式将带靴的钢管沉人地基，管内灌砂，在振动作用下拔出钢管，最后在土中形成砂井。
    水冲法是利用高压水冲孔，孔内灌砂，此法施工速度快，但难以保证孔径匀称，质量较差。
  2.降水预压
  3.真空预压技术。
四、挤密法
    加固目的：土基中成孔后，在孔中灌以砂、石、土、灰土或石灰等材料，捣实而成直径较大的桩体，利用横向挤紧作用，使地基土粒彼此靠紧，孔隙减少，而且孔被填满和压紧，形成桩体，桩体具有较高的承载能力，群桩的面积约占松散土加固面积的20％，以致桩和原土组成复合地基，达到加固的目的。
    砂井的作用：排水固结，井径较小而间距较大，砂井适用过湿软土层 ；
    砂桩的作用：将地基土挤紧，井径较大，而间距宜小。砂桩适用于处理松砂、杂填土和粘粒含量不大的普通粘性土，亦可有效地防止砂土基底的振动液化。
    石灰桩作用：挤密，生石灰的吸水、膨胀、发热及离子交换作用、使桩体硬化，改善了原地基土的性质，此外还可减小因周围土的蠕变所引起的侧向位移。
    砂桩和石灰桩的布置与尺寸：
    计算而定；
    桩径约20-30cm；
    间距约为桩径的3.5倍；
    在平面上按梅花形布置。
    施工方法：有冲击和振动力等法，在湿陷性黄土中还可用爆扩成孔法。
五、化学加固法
  1.定义：利用化学溶液或胶结剂，采用压力灌注或搅拌混合等措施，使土颗粒胶结起来，达到对土基加固的目的，称为化学加固法，又称胶结法。
  2.化学溶液主要有：
  (1)以水玻璃溶液为主的浆液，其配方较多，常用的是水玻璃浆液和氯化钙浆液配合使用，价格昂贵，使用受到限制。
  (2)以丙烯酸氨为主的浆液，我国研制的丙强是其中一种。加固效果较好，因价高亦难以广泛采用。
  (3)以水泥浆为主的浆液，是由高标号的硅酸盐水泥，配以速凝剂而组成的浆液。
  (4)以纸浆溶液为主的浆液，如重铬酸盐木质索和木铵，加固效果好，但有毒性，且易污染地下水。
  3.化学加固的施工工艺有：注浆法、旋喷法和深层搅拌法。
  1）注浆法(灌浆)：
    定义：利用机械压力将浆液通过注入管，均匀注入地层，浆液以填充和渗透方式，排挤土粒间或石隙中的水分和空气，占据其位置，一定时间后，浆液凝固，可使原土层或缝隙固结成整体。
    特点：用途甚广，除用于防护坡面和堤岸外，亦可用于加固土基和整治滑坡等病害，用于加固流砂或流石地基可以提高强度和不透水性，改善地下工程的开挖条件等。
    浆液：无机和有机。
    以水泥为主的浆液为无机类：其料源多、价格较低．但不易灌入孔隙细微的土内，一般常用于砂卵石及岩石较大裂隙的地质条件中。
    为了改善浆液性能，可加掺外加剂。如速凝时，加水玻璃或氯化钙等；缓凝时，加岩粉或木质亚酸等。
    化学浆液的种类：以水玻璃和纸浆废液为主剂。
    水泥及化学浆液均属无机化学材料。
    其他化学浆液中有丙强、木铵、丙烯酰胺及碱液等，各自适用于—定条件。
  2）旋喷法
    定义：用钻机钻孔至设计深度，用高脉冲泵、通过安装在钻杆下端的特殊喷射装置，向土中喷射化学浆液，在喷浆的同时，钻杆以一定速度旋转并逐渐往上提升，高压射流使一定范围内的土体结构破坏，强制破坏的土体与化学浆液混合，胶结硬化后在土层中形成直径较匀称的圆柱体。 旋喷的浆液以水泥浆液为主。
  3）深层搅拌法
    定义：用于加固饱和软粘土地基的一种方法，利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。