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【正文】 術(shù)。它以生石灰粉和水泥等粉體材料為加固材料，通過特定的施工機(jī)械，用壓縮空氣將粉體呈霧狀噴入土中，使粉體 與原土攪拌，形成石灰 (水泥 )黏土混合的柱體。它的強(qiáng)度大，水穩(wěn)性好，可提高軟土地基的承載力，減小沉降量。加固深度一般在 10～ 15m。 排水固結(jié) 排水固結(jié)是在軟土中設(shè)置垂直井，在地表鋪設(shè)砂墊層，以縮短孔隙水的流程，加速土體的固結(jié)的一類方法。這類加固方法，對(duì)提高土體強(qiáng)度和地基承載力，增強(qiáng)路堤穩(wěn)固性，效果十分顯著。 (1)排水砂井 軟土地基在荷載作用下，孔隙水慢慢排出，孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸提高，孔隙體積逐漸減小，地基發(fā)生固結(jié)沉降，地基強(qiáng)度相應(yīng)增大。根據(jù)固結(jié)理論，粘性土固結(jié)所需的時(shí)間和排 水距離的平方成正比。土層越后，固結(jié)所需的時(shí)間越長。為了加速土層固結(jié)，最有效的方法是增加土層的排水通道，縮短排水距離。砂井 (袋裝砂井、塑料排水板 )就是按照這個(gè)原理而設(shè)置的。 石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 22 圖 212 排水砂井 砂井是打樁機(jī)具在地基中擊入鋼管，或用高壓射水、爆破等方法在地基中形成按一定規(guī)律排列的孔眼 (這些孔眼具有一定深度和直徑 )，在輕重灌以粗砂而成。砂井頂面應(yīng)鋪設(shè)一定厚度的砂墊層以連通砂井，構(gòu)成完整的地基排水系統(tǒng)。 軟土地基設(shè)置砂井后，改善了地基的排水條 件，在附加荷載作用下，排水估計(jì)過程大大加快，地基強(qiáng)度迅速提高，因而也改善了地基承載力和路堤穩(wěn)定性。砂井直徑要能滿足地基排水固結(jié)的要求，在地基沉降過程中不至于被剪斷或被細(xì)土粒淤塞。雖然理論上需要的直徑很小，但在實(shí)際中，直徑過小難于施工，并且在使用過程中，容易發(fā)生側(cè)向位移造成上下錯(cuò)斷而失效。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，井徑采用 20～ 30cm 為宜，并視打樁機(jī)具的套筒尺寸而定。井距直接關(guān)系到排水固結(jié)的速度，井距愈小，固結(jié)愈快。采用小的井距，理論上是合理的。瑞恰特 ()通過理論證明，砂井有效間距縮短一半，將使地 基固結(jié)度達(dá) 90%所需的時(shí)間縮短為 1/6,；而砂井直徑增大 20 倍，是能使固結(jié)度達(dá) 90%所需的時(shí)間減少為 1/4。說明砂井應(yīng)采取小而密的原則。 井距應(yīng)保證在給定的施工期限內(nèi)達(dá)到要求的地基固結(jié)度，使路堤安全填筑。井距的大小用固結(jié)理論計(jì)算而確定，一般為井徑的 8～ 10 倍，常用 2～ 4 米。砂井在平面上的布置，有三角形和正方形兩種排列方式，一般采用三角形布置。砂井深度即砂井長度，應(yīng)根據(jù)地基土層情況及路堤高度而定。當(dāng)軟土層較薄時(shí)，砂井應(yīng)貫穿整個(gè)軟土。當(dāng)軟土層較厚時(shí)，砂井不必貫穿軟土，其長度通過穩(wěn)定分析而定。用砂井加固軟土地基時(shí) ，路堤底部必須鋪設(shè)砂墊層以溝通砂井，將砂井中滲透出來的孔隙水引到路堤坡腳之外。墊層的厚度應(yīng)保證地基沉降后不至錯(cuò)斷和便于施工。墊層和砂井的分布寬度稍大于路堤底面寬度。 (2)袋裝砂井 袋裝砂井是在合成材料編織袋內(nèi)充填中粗砂，裝入地基孔內(nèi)，以加速地基排水固結(jié)，其擊鼓原理、設(shè)計(jì)方法與砂井完全相同。袋裝砂井的直徑按其排水及施工工藝的 砂墊層 臨時(shí)性填土 永久性填土 砂井 石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 23 要求確定。一般采用 7～ 12cm，我國采用較多的是 7cm 直徑。 袋裝砂井的編織袋應(yīng)有良好的透水性，袋內(nèi)的砂不易流失，袋子的材料應(yīng)有足夠的透水性，有一定的抗老化、抗地下水腐蝕性。與普通砂井相 比的一些優(yōu)點(diǎn)： ①袋裝砂井直徑小，用砂量小，其費(fèi)用僅為普通砂井的 40%～ 50%，造價(jià)低廉。 ②由于編織袋是一個(gè)整體，能夠保持砂的連續(xù)性和密實(shí)性，不會(huì)因地基變形而切斷，使用效果良好。 ③砂井直徑小，施工時(shí)對(duì)土層擾動(dòng)小。 ④由于砂井?dāng)嗝嫘?，重量輕，減小了施工設(shè)備的質(zhì)量，提高了施工效率。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，袋裝砂井已經(jīng)被普遍采用，幾乎完全代替了普通砂井。 (3)塑料排水板 塑料排水板法是將預(yù)制的帶狀塑料排水板用插板機(jī)將其豎直地插入土中，形成類似砂井的排水通道，使孔隙水沿塑料板的通道流出，從而加固地基土的方法。 塑料板 的結(jié)構(gòu)形式可分為多孔制單一結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)型兩大類。多孔制單一結(jié)構(gòu)用聚氯乙烯經(jīng)特殊加工而成，由于其素材本身能形成連通的孔隙，固透水性極好。復(fù)合結(jié)構(gòu)型是指由塑料芯板 (起豎向排水作用 )外套既透水又擋泥的濾膜組成，芯板用硬質(zhì)聚氯乙烯和聚丙烯制成，斷面成回字形或十字形等，使其能縱向排水，透水擋泥濾膜由透水性好的滌綸類或丙烯類合成纖維制成。如圖： 圖 213 塑料排水板 石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 24 (4)排水砂墊層 排水砂墊層是在路堤底部的地面上鋪設(shè)的一層砂墊層，其作用是在軟土層頂面增加一個(gè)排水面。在填土過程中，軟土中滲出來的水就可以從砂墊層排出來，加速地基固結(jié)，提高軟土的強(qiáng)度，增強(qiáng)路堤的穩(wěn)定。 圖 214 排水砂墊層 膨脹土地區(qū)路基處理技術(shù) 膨脹土的概念 膨脹土指的是具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限黏土。特征是吸水膨脹、軟化、崩解、失 水急劇收縮開裂，并能產(chǎn)生往復(fù)變形。膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石 ,為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定。常使建筑物產(chǎn)生不均勻的豎向或水平的脹縮變形，造成位移、開裂、傾斜甚至破壞，且往往成群出現(xiàn)，尤以低層平房嚴(yán)重，危害性很大，裂縫特征有外墻垂直裂縫，端部斜向裂縫和窗臺(tái)下水平裂縫，內(nèi)、外山墻對(duì)稱或不對(duì)稱的倒八字形裂縫等；地坪則出現(xiàn)縱向長條和網(wǎng)格狀的裂縫。一般于建筑物完工后半年到五年出現(xiàn)。 膨脹土的工程特性 膨脹土粘粒 成份主要由強(qiáng)親水性礦物質(zhì)組成，并且具有顯著脹縮性的粘性土。該土具有吸水膨脹，失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)，對(duì)路基的破壞作用不可低估，并且構(gòu)成的破壞是不易修復(fù)的。為了保證道路在較長時(shí)間內(nèi)路基的穩(wěn)定和路面的平整度，達(dá)到安全、舒適行車的目的，必須處理好施工維護(hù)過程中的一些問題 。 ~ ~ 砂墊層 石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 25 (1)脹縮性 膨脹土吸水體積膨脹，使其上部建筑物隆起，如膨脹受阻即產(chǎn)生膨脹力。失水體積收縮，造成土體開裂，并使建筑物下沉。膨脹土在塑限和液限含水率的收縮量與膨脹量，稱為極限脹縮潛勢。土中有效蒙脫石含量越高，脹縮潛勢越大。土的初始含水率越低，膨 脹量與膨脹力越大。 (2)崩解性 膨脹土浸水后體積膨脹，在無側(cè)限條件下則發(fā)生吸水濕化。不同類型的膨脹土其崩解性是不一樣的，強(qiáng)膨脹土浸入水中后，幾分鐘內(nèi)就能完全崩解；弱膨脹土浸入水中后，則需要較長時(shí)間才能完全崩解。 (3)多裂隙性 膨脹土中的裂隙，可分垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三種類型。這些裂隙將土體分割為具有一定幾何形態(tài)的塊體，破壞了土的完整性。裂隙面光滑有擦痕，且大多充填有灰白或灰綠色黏土薄膜、條帶或斑塊，其礦物成分主要為蒙脫石，有很強(qiáng)的親水性，具有軟化土體強(qiáng)度的顯著特征。膨脹土路基邊坡的破壞，大多與土 中裂隙有關(guān)，且滑動(dòng)面的形成主要受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面所控制。 (4)超固結(jié)性 膨脹土大多具有超固結(jié)性，天然孔隙比較小，干密度大，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。超固結(jié)膨脹土路基開挖后，將產(chǎn)生土體超固結(jié)力釋放，邊坡與路基面呈現(xiàn)卸荷膨脹，并常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和較大的塑性區(qū)，使邊坡容易破壞。 (5)強(qiáng)度衰減性 膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度，具有峰值強(qiáng)度極高、殘余強(qiáng)度極低的特性。由于膨脹土的超固結(jié)性，其初期強(qiáng)度極高，一般現(xiàn)場開挖都很困難。然而，由于土中蒙脫石礦物的親水性以及多裂隙結(jié)構(gòu)，隨著土受脹縮效應(yīng)和風(fēng)化作用的時(shí)間的增加，抗 剪強(qiáng)度將大幅衰減。 膨脹土的路基的病害 (1)溜坍 路基邊坡上局部表層土體，由于降水下滲含水率過大以及土的脹縮作用，強(qiáng)度降低而溜坍。 (2)滑坡 和一般滑坡相同，斜坡土體沿土中軟弱面而滑動(dòng)。這一軟弱面多為裂隙面、層面或其他結(jié)構(gòu)面。由于土體存在滑坡趨勢，當(dāng)失去前部支撐時(shí)，便產(chǎn)生滑動(dòng)。膨脹土地段的滑坡，其滑動(dòng)面土體含水率較大，強(qiáng)度低，有時(shí)雖然土體邊坡已經(jīng)放緩，但仍易產(chǎn)生滑動(dòng)。 (3)坍滑 路堤邊坡坍滑是膨脹土地段的路塹、路堤邊坡經(jīng)常發(fā)生的一種變形現(xiàn)石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 26 象。不少地段的坍滑體厚度不大，但在邊坡上卻不易擴(kuò)展 。 影響脹縮變形的主要因素 影響膨脹土脹縮變形的因素，可以歸納為內(nèi)部和外部兩種，其中，內(nèi)因是根據(jù)，外因是條件，外因通過內(nèi)因起作用。其主要因素有 5 種： (1)土的黏粒含量 膨脹土的黏粒含量高，多達(dá) 35%～ 85% ，其中粒徑 mm 的膠粒含量一般也在 30%～ 40% 。液限一般為 40%～ 68% ，塑性指數(shù)多在 20～ 35。因此，一般膨脹土均屬于高塑性黏土。黏土顆粒小，分散性大，比表面積大，則表面能大，故其遇水對(duì)水分子的吸附能力高。因此，土中黏粒含量愈多，土的塑性指數(shù)愈高，則土體的脹縮性愈大。 (2)土的含水率 在工程施工中，建造在含水量保持不變的黏土上的構(gòu)造物不會(huì)遭受由膨脹而引起的破壞。當(dāng)黏土的含水率發(fā)生變化，立即產(chǎn)生垂直和水平兩個(gè)方向的體積膨脹。含水率的輕微變化，僅 1%～ 2% 的量值，就足以引起有害的膨脹。土中含水率的變化而發(fā)生相應(yīng)的膨脹或收縮變形，特別是在場地膨脹性土層厚度不一，均勻性不一，不同部位處含水率的變化以及建筑物基底壓力不等時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致地基土不均勻的隆起或下陷，使得建筑物產(chǎn)生墻體開裂、地面隆起或下陷等破壞。 一般來講，很干的黏土表示有危險(xiǎn)。這類黏土能吸收很多的水，其結(jié)果是對(duì)結(jié)構(gòu)物 發(fā)生破壞性膨脹。反之，比較潮濕的黏土，由于大部分膨脹已經(jīng)完成，進(jìn)一步膨脹將不會(huì)很大。但應(yīng)注意的是，潮濕的黏土在水位下降或其它的條件變化時(shí)，可能變干，顯示的收縮性也不可低估。 (3)土的密度 土的密度大，孔隙比就小，浸水膨脹強(qiáng)烈，而失水收縮小；相反，土的密度小，孔隙比就大，浸水膨脹小，失水收縮大。而孔隙比處于中間值時(shí)，土的脹縮變形都較大。 (4)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受膨脹或收縮變形，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈大的土，抵制脹縮變形的能力也愈大。 (5)地形地勢條件 在丘陵區(qū)和山前區(qū)，不同地形和高程地段地基土的原始條 件及其受水蒸發(fā)條件不同。因此，地基土產(chǎn)生脹縮變形的程度各不相同。高曠地帶蒸發(fā)條件好，地基土易干縮，建造的單層淺基建筑物裂縫多；而建在低洼處附近有水田水塘的單層房屋裂縫少，石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 27 是因?yàn)榈屯莸貛У鼗林兴植灰咨⑹В醒a(bǔ)給來源，較能保持相對(duì)穩(wěn)定濕度的緣故。 膨脹土地基處理 膨脹土的這種遇水膨脹、失水收縮開裂且反復(fù)變形的特殊工程性質(zhì)，給工程帶了較大的危害，準(zhǔn)確地了解膨脹土的特性及變化的條件，就能夠知道地基將會(huì)產(chǎn)生怎樣的變形，從而采取相應(yīng)的地基處理措施。膨脹土地基常用的處理方法有 5個(gè)： (1)換土 可采用非 膨脹性材料或灰土，換土厚度可通過變形計(jì)算確定。平坦場地上 I、 II級(jí)膨脹土的地基處理，宜采用砂、碎石墊層，墊層厚度≥ 300 mm，墊層寬度應(yīng)大于基底寬度，兩側(cè)宜采用與墊層相同的材料回填，并做好防水處理。換土法能夠得到比其他處理方法更大的地基承載力，從根本上改變地基土的性質(zhì)，工期也比較短。 (2)改良土質(zhì) 在膨脹土中添加石灰、水泥等非膨脹材料或添加化學(xué)劑使膨脹土失去膨脹性的材料。在膨脹土中拌合一定量的石灰或水泥可降低或消除膨脹土的膨脹性；同時(shí)，有機(jī)和無機(jī)的化學(xué)劑也已經(jīng)在膨脹土改良中得到應(yīng)用，可以降低膨脹土的塑性 指數(shù)和膨脹潛勢。 (3)采用樁基 膨脹土層較厚時(shí)，應(yīng)采用樁基，樁尖支承在非膨脹土層上，或支承在大氣影響層以下的穩(wěn)定層上。 (4)預(yù)濕膨脹 施工前使土加水變濕而膨脹，并在土中維持高含水率，則土將基本上保持體積不變，因而不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。 (5)隔水法 根據(jù)膨脹土的特性，土體的含水率的變化是膨脹土產(chǎn)生危害的根本條件，采用綜合措施切斷基底下外界滲水條件，就可以保證地基的穩(wěn)定性。各種處理措施，有時(shí)單獨(dú)采用，有時(shí)需綜合采用。 石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 28 第 3 章 路基排水與防護(hù) 概況 水對(duì)土體的浸濕、飽和及沖刷作用，常常會(huì)造成土體的 強(qiáng)度降低，導(dǎo)致路基的各種病害，如基床產(chǎn)生翻漿冒泥、下沉和凍害，路基邊坡產(chǎn)生滑動(dòng)和坍塌的，影響線路的正常運(yùn)營。為了保持路基的正常穩(wěn)定，使路基能經(jīng)常地處于干燥和堅(jiān)固狀態(tài)，應(yīng)將可能停滯在路基范圍內(nèi)的地表和地下水及時(shí)排除，并防止路基范圍以外的水流入或滲入路基范圍內(nèi)。因此，必須建立良好、完善的排水系統(tǒng)，做好路基范圍內(nèi)的地面水和地下水的排除工作。 路基屬于完全暴露在大自然下的露天工程，不可避免的受到自然環(huán)境的影響。易于沖蝕的土質(zhì)邊坡和易于風(fēng)化的巖石路塹邊坡，在施工完成后，經(jīng)長期的自然風(fēng)化和雨水沖刷的作用，可發(fā)生溜坍、掉 塊和沖溝等坡面變形和破壞；而在修建河灘上和水庫邊上的路堤，必然經(jīng)常地或者周期性的受到水流的沖刷作用，路基的邊坡和穩(wěn)定性必然受到很大的影響而遭到破壞。因此必須及早的采取相應(yīng)的防范措施。坡面破壞的輕重程度，除與邊坡的巖土性質(zhì)有關(guān)，還與當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境以及地層、地質(zhì)構(gòu)造及邊坡所處的方位有關(guān)，必須綜合考慮這些因素，并結(jié)合現(xiàn)場的材料條件，選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)類型。 路基排水的目的及原則 路基排水的目的就是把路基工作區(qū)內(nèi)的填料含水量降低到一定的范圍內(nèi)。填料含水量過大，會(huì)引起強(qiáng)度降低，邊坡坍塌，路基下沉或滑動(dòng)，影響線路 的使用功能。因此，必須做好地面水和地下水的排除工作，使路基有良好、完善的排水系統(tǒng)，確保路基具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。排水設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)與橋涵、隧道、車站等排水設(shè)備銜接配合，有足夠的過水能力，并且應(yīng)與水土保持和農(nóng)田水利的綜合利用相結(jié)合，同時(shí)應(yīng)遵循以下原則： (1)設(shè)計(jì)前必須進(jìn)行充分的調(diào)查研究，使排水系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)做到正確合理。 (2)各種路基排水溝渠的設(shè)置應(yīng)盡量少占農(nóng)田，并與水利規(guī)劃和土地使用規(guī)劃等相配合進(jìn)行綜合規(guī)劃。一般情況下，不應(yīng)利用邊溝作農(nóng)業(yè)灌溉用，但不得已時(shí)，應(yīng)采取加固措施以防水流危害路墓。 (3)排水 設(shè)汁應(yīng)經(jīng)濟(jì)適用。排水溝渠應(yīng)選擇在地形地質(zhì)較好的地區(qū)范圍內(nèi)通過，石家莊鐵道大 學(xué)畢業(yè)論文 29 以 節(jié)約加固工程量。對(duì)于排水困難和地質(zhì)不良地段應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。 (4)排水溝渠的出水口應(yīng)盡可能引接至天然河溝，以減少橋涵工程，不應(yīng)直接使水流入農(nóng)田，損害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。 (5)排水設(shè)施的設(shè)計(jì)，應(yīng)貫徹因地制宜、就地取材的原則，以減少造價(jià)，要能迅速有效地排除“有害水”，以免影響