季节性冻融环境下软土地基沉降分析.pdf
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1、东北林业大学硕士学位论文季节性冻融环境下软土地基沉降分析姓名:李洪峰申请学位级别:硕士专业:道路与铁路工程指导教师:单炜20050301摘要摘要随着东北地区基本建设的发展,柏:软上地基上兴建高等级公路F 1 益增加。尔,电卜的软土地基沉降除了具有变形大、小均匀沉降大、沉降稳定历时较长的特点外,曼J 世顼和气候因素影响也较大,这极大地影响了道路的长期稳定和安全使用,使得东北地卜近路建设的难度加大。因此,季节性冻融环境下软土地基沉降问题的研究对东I L S i L!Z I x,?路建设十分重要。本文首先研究了软i:的特性和软土地基沉降的特点,对软土地J,i 4 洲埽j,析所涉及的部分理论进行介绍,
2、对照东北地区的特殊地质和气候环境,有针对。m h 划软土地基沉降机理、应力应变f】I、影响凶素等进幸亍深入分析;其次,本文研究了软H 韭I:部分计算理论、计算方法和软土地基的处理方法,对比分析了塑料排水板在东北J!、I i _用研究的町行性和必要性,根据实测数据,找到了适合用于本文实例推求软l:地J i 蛐i?j沉降量和推算沉降规律的三种计算方浊;最后,本文结合塑料板排水法在东北球j 等级公路软上地基处理中的应用研究课题利用哈尔演绕城高速公路软土地綦D C 阶观渺j 资料,分析了影响沉降的主要原因,利川三种计算方法对软土地基进行沉降计算J 2r|J沧分析,得出较为符合工程实际的结论。在研究谍燧
3、对于计算方法的选择,认为分J 二,心和法、双曲线法和对数曲线法均能满足L:程需要。认为塑料板排水法在东北寒|1(:_ 一h _ 川j有徽广阔的前景。关键词软土地基,沉降,零节性冻融,塑秘排水授,沉降速率A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to ff u n d a m e n t a Ic o n s t r u c t i o nl nN o r t h e a s ta r e am o r eh i g h l e v e lr o a d sa r ec o n s t r u c t e do nt h eg r o u n
4、d w o r ko fs o f ts o i l S e d i m e n t a t i o no f s o f ts o i lg r o u n d x、o r ki l lt h i sa r e ah a st h ef e a t u r e so f b i g g e rt r a n s t b r m a t i o n,s e r i o u su n e v e ns e d i m e n t a t i o na n dl o n g e l。s t a b l es e d i m e n t a r yp e r i o d,a n da l s om
5、o r ei n f l u e n c e sf r o mg e o l o g ya n dc l i m a t e T h e s ei j a t u r e gs e r i o u s l ya f f e c tt h el o n gs t a b i l i t yo f t h er o a d sa n di t ss a f eu s e,a n dm a k ei tm o r ed i f f i c u l tf O l t h ec o n s t r u c t i o n i n N o r t h e a s t a r e a T h e r e f
6、 o r e t h er e s e a r c h o n t h es e d i m e n t a t i o n o f s o f ts o i ld l _ l l。i n gt h ep e r i o do f s e a s o n a lf r e e z et h a w i n gi Sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ec o n s t r u c t i o no f r o a d si 1 1l h i s。l l c aT h et h e s i sf i r s ta n a l y z e st h ec h a r
7、 a c t e r i s t i c so f t h es o f ts o i la n di t Ss e d i m e n t a r yg r o u n d、o l k c o n c e m i n gt h es p e c i a le n v i r o n m e n to fg e o l o g ya n dc l k m a t ei n 也i sa r e ai n t r o d u c e ss o m et h e o r i e sc o n n e c t e dw i t ht h er e s e a r c h,a n dm a k e sd
8、 e e pa n a l y s i sa i m i n ga ts e d i m e n t a r ym e c h a n i s m,s t r e s ss t r a i na n di n f l u e n t i a If a c t o r s;S e c o n d。t h et h e s i ss t u d i e ss o m eo f c a l c u l a t i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d so fs o f ts o i lg r o u n d w o r ka n dt h ew a y st od
9、e a iw i t h,h a sac o m p a r a b l ea n a l y s i so nt h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo ft h ea p p l i c a t i o no f p l a s t i cd r a i nb a r si nt h ec o h la l L C i i b a s e da tt h ep r a c t i c a ld a t af i n d so u tt h et h r e ew a y so f c a l c u l a t i o nw h i
10、c ha r eu s e f u jt Oa S C lY m。j i f】t h ef i n a la m o u n to fs e d i m e n t a t i o na n di t sr u l e s;f i n a l l y,c o m b i n i n gw i t ht h er e s e a r c ho fa p p l i c a t i o no f t h em e t h o do f d r a i n a g ew i t hd r a i nb a r sd e a l i n gw i t ht h es o f ts o i lg r o
11、 u n d w o l ki nt h eh i g h-l e v e lm a d si nN o r t h e a s tc o l da r e a,b a s e d0 1 1t h eo l 挪a w a t o r ys e d i m e n t a r ym a t e r i a l so l、s o f ts o i lg r o u n d w o r ki nt h er i n gh i g h w a yo fH a r b i n,t h et t 黼i sa n a l y z e st h em a i nr e a s o n sa f f e c t
12、 i n gs e d i m e n t a t i o n,c a l c u l a t e st h es d i m e n t a t i u no fs o f ts o i lg r o u n d w o r kw i t ht h et h r e ew a y sa n dm a k e sd i s c u s s i o n sa n da n a l y s i s a n dg e t sr e m i t sw h i c ha c c o r dw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t s C o n c e r n i n g
13、、i t l lt h es e l e c t i o no f t h ew a y so f c a l c u l a t i o nt l l et h e s i si n d i c a t e sa l (1 rt h e mi n c l u d i n g l a y e r w i s es u m m a t i o nm e t h o d,d o u b l ec l l r v,em e t h o da n dl o g a r i t h mc u r、em e t h o dc a l lm e e tt h ed e m a n d so f t h ep
14、 r o j e e l s T h et h e s i si n d i c a t e sav e r yb r i g h tf o t u r ef 0 1-t h ea p p l i c a t i o no f t h ew a yo f d r a i n a g ew i t hd r a i nb a r si nN o r t h e a s tc o l da r e a K e y w o r d ss o f ts o i lg r o u n d w o r k s e d i m e n t a t i o n,s e a s o n a lf r e e z
15、 et h a w i n g p l a s t i cdJH l nb a r,s e d i m e n t a r ys p e e d秘绪论1 1 引言1 绪论我国幅员辽阔,地质情况复杂多样,软土在我国有着广泛的分布。软土足由天然含水量大,压缩性高,承载力低的淤泥沉积物及少量腐植质所组成的土,主要有淤泥、淤泥质土和泥炭。软t 的特点是含水量高、孔隙比大、渗透系数小、抗剪强度底、压缩性大、灵敏度高,在荷载的作用下,地基承载力低,容易发生事故。软土地区的许多民用建筑、道路和水利等工程常常不得不修在软土地基上,需要进行人工处理。软土地基沉降变形犬,不均匀沉降也大,而且沉降稳定历时较长,沉降
16、控制对于预估增加土方量、路堤底宽、顶坡和边坡变化情况;处理加固地基方法选用;预估工后沉降量、合理确定预压期和基层、面层施:时间有重要影响,季节性冻融环境下的软土地基沉降受气候、地质条件等影响较大,是个更为复杂的过程,是软地区道路修建的技术难题之一,关系着工程的安全、施工进度、工程质量、工程造价等重要的问题。随着北方地区大规模高速公路的修建,工程要求高速公路在软土地基上也有大量兴建,由于设计因素、施工因素和环境因素等的影响对软土地基的沉降分析和稳定性问题提出了更高的新的要求。在黑龙江省部分地区的很多工程都遇到了软土地基沉降问题(哈双高速公路、哈同高速公路、鹤伊公路【2 等),严重影响了工程的进度
17、和质量,给设计和建设单位造成了很大的麻烦,给工程使用造成了很大的障碍,对我困季节性冻融环境下的软土地基的深入研究已经成为项追在眉睫的课题。我们应该对软土地基的沉降进一步加强认识,在计算理论、沉降分析、加固方法及施工工艺方磋加以改进。1 2 软土分类和工程特性1 2 1 软土的定义国内外对软土均无统一定义,我国铁路、港翻、建筑部门对软土的定义也不近相同。有的把软土视为软粘土的简称,有的把软土视为整个软弱土质(高压缩性的有机、可液化的砂土、软粘土等)的简称,有的则把软土视为软弱士的简称。我国交通部行业标准公路软士地基路堤设计与施工技术规范(J T J 0 1 7 9 6)将软士定义为“滨海、湖沼、
18、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒士”。1 1】其鉴定标准见表1 1。表I 一1 软土将别表:=:一:=一=:耋些型:奎塑:垫:堡鎏奎:!:!:=:=:=:=:1 2 2 软土的主要物理力学特征尽管翻外及国内各行业对软土的描述和指标各不相同,但归纳起来,天然软土具有以下特性4 l:l、含水量高淤泥和淤泥质土的含水量多为3 5 7 0,液限一般为4 0 6 0,天然含水量随液限的增大而增加。2、孔隙比大天然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O 2 0 4 倍。3、渗透性小其渗透系数般在1 1 0-4 l 1 0“c m s 之间。而大部分淤泥和淤
19、泥质土地区,由于浚土层中夹有数最不等的薄层或极薄层粉砂、细砂、粉土等,故在垂直方向的渗透性比水平方向要小。4、压缩性高淤泥和淤泥质土的压缩系数口-z 一般为O 7 一1 5 M P a,最大达4 5 M P a,且随着土的液限和天然含水量的增大而增高。5、抗剪强度低软土的抗剪强度与加荷速度及排水固结条件密切相关。不排水三轴快剪所得抗剪强度值很小,且与其侧压力大小无关,即其内摩擦角为零,粘聚力一般都小于2 0 K P a;直剪快剪内摩擦角一般为2。5。,粘聚力为l O 1 5 影陬;排水条件下的抗剪强度随固结度的增大而增大,固结快剪的内摩擦角可达8 0 一1 2。,粘聚力为2 0 K P a 左
20、右。6、触变性由于软土的结构性在其强度的形成中占有相当重要的地位,所以触变性也是软土的一个突出的特点。软土的触变性是指土体强度因受到扰动而降低,又因静置而增长的特性。1 2 3 软土的分类和主要工程性质软土一般具有以上所提到的物理力学特性,但随着其成因类型的差异又有不同的特点【】鄙”。按淤泥和淤泥质土的形成和分布,我国软土基本上可以分成两大类别:第类是属于海洋沿岸的淤积;第二类是内陆、山区以及河、湖盆地和山前谷逾的淤积。大体上蜕,前者分布较稳定,厚度较大,后者常呈零星分布,沉积厚度较小,东北地区的软土属于后者。表l 一2 和表1 3 列出了软土的主要物理力学特征和我国软土的类型、特征及主要分布
21、概况。1 3 软土地基对高等级公路危害通过上面介绍,软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低、触变性等不利的工程性质【,所以在软土地区修建高等级公路,因稳定性差、沉降过大,在荷载作用下常使高等级公路发生变形,功能受到破坏,同时还危害到通道、桥i 绪论表1 2 软土的主要物理力学特征天然容重古水量孔隙比有机质压缩系数渗透系数快剪强度标准贯含量口卜2入值类型r(g N m 2)()ek(c m,s 1函N 6 5()(M P a“)。(七R)软粘士 l0 3淤泥质土1 6 1 9跳 0,31 1 0 6 2 0(1 0。15 3l O S O(1 1 0-3 2,0 3 0 0
22、l O 5 01 x 1 0 2表1 3 我国软土的类型、特征及分布概况类型厚度(m)特,怔分布概况面积广,厚度大,常夹有砂层,授豌松,透水性滨海相6 2 0 0较强,易于压缩固结滨三角洲相分选性差。结构不稳定,粉砂薄层多。有交错层海5 6 0理,不摁则尖灭层及透镜体沿海地区沉泻湖相5 6 0颗粒极细孔隙比大,强度低,常央有薄层泥炭积溺咎相颗粒极细,孔隙比大,结构疏松,含东量亮,分布范【吾较窄湖相粉土颗粒占主要成分层理均清晰,泥嶷层多是澜庭湖、太湖、鄱刚5 2 5内透镜体,但分布不多,袁层多有小于5 m 的硬壳湖、洪泽湖周边陆河床相、河漫长江中F 游、珠扛下平滩相、牛轭湖 2 0成层情况不均匀
23、,以淤泥及软粘土为主,音砂与原相坭炭夹层游及河口、淮河平原、松辽平原i 山陲昝地相呈片状、带状分枕、各底有较大的横向坡,颗粒西南、南方山区或丘 0 5,孔隙比e 1 0,压缩系数倪l _ 2 1 0 0 0 0 k P a,C B R 2 5 2,凝聚力G 1 5 k P a 的表土层,可看成硬壳层。当其厚度火于1 5 m 时,才有利用价值。由于硬壳层的强度相对较高,自然就成了软基工程研究利用的目标。郭灿华(1 9 9 0)2 0 1 根据葶松公路软地基沉降测试资料提出,当表土层存在】5 3 O m的硬壳层,天然地基上的最佳填土高度为2 5 m 左右,即在此情况下可不对地基进行处理。金吉寅等人
24、(1 9 8 9)口l】针对上海地区软土地基的情况,将低路堤沉降较小的原因归结为三方面:一是由于地表以下4 O e m 土层处于超固结状态,超固结比有时可达8 左右:二二是由于粘土中的初始水梯度较大,当外荷载较小时,粘土中的超静水压力很难完全消失,所以沉降较小;三是由于硬壳层的存在,使其传到软弱下卧层的附加应力大大地减少。郝传毅等人(t 9 9 3)2 2 1 则认为,即使路堤填土高度较大时,硬壳层对地基沉降仍具有一定的影响,这是因为硬壳层的存在,使该层承担了更多的荷载,从而减小了软弱下卧层所承担的荷载比例。王善庆认为硬壳层处于超压密状态,提出2 3 米高的路堤不做处理,更不能因施工而扰动原地
25、基的观点。张留俊(1 9 9 9)根据石安高速公路试验工程指出:硬壳层在高路堤作用下,随着变形的增大对应力扩散作用在减小,但对路堤稳定作用不因其变形而丧失,变形后硬壳层起到反压护道作用。综上所述。大部分研究结果说明的问题可归结为硬壳层的扩散作用或支撑作用。尽管目前对硬壳层的作用机理以及对沉降的影响尚未取得一致意见,但硬壳层具有以下方面的作用I l o】:(1)硬壳层可以提高地基极限承载力并具有扩散应力作用。(2)硬壳层可以显著提高淤泥质软土的承载力,两对于硬壳层与软性质相近的一般软粘土,其作用不很明显。(3)硬壳层具有限制侧向变形的作用。(4)硬壳层在前期具有减小沉降的作用,但随着填土高度的增
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