公路涵洞软地基的研究与处理

河南质量工程职业学院

毕 业 论 文

题 目：公路涵洞软地基的研究与处理 系 别：建筑工程系 专 业：建筑工程技术

班 级：10级工程技术（1）班 学生姓名：王政 指导教师：聂华

完成日期：2012年10月

河南质量工程职业学院 毕业设计任务书

班 级

建筑工程技术一班 学生姓名 王政 指导教师 聂华

设计（论文）题目

公路涵洞软地基的研究与处理 主要 研究

内容

研究公路桥涵软地基的危害，以及怎样做好公路桥涵软地基的预防和处治。 主要技 术指标 或研究 目标

能够阐述出公路桥涵软地基的现状，和软地基的危害性、等，能对安全隐患进行处理，减少损失。 基本 要求

1.收集文献资料，做好开题报告准备工作； 2.加工整理论文相关文献，完成开题报告；

3.根据文献资料，运用所学知识，撰写论文初稿、修改稿和终稿。要求论文结构严谨，逻辑性强，论述层次清晰，语言准确，文字流畅，对研究问题有独到之处，论文符合毕业论文撰写规范；

4.准备并完成论文答辩工作；

5.本论文全部完成后，完成论文的整理、装订工作，圆满完成毕业论文的全过程。 主要参 考资料 及文献

[1]中华人民共和国交通部. JTJ 024-85 公路桥涵地基与基础设计规范.1986 [2]涵洞. 人民交通出版社

[3]黄林青，朱凡. 地基基础工程. 2003

[4]凌治平.基础工程. 第一版.人民交通出版社 1995

[5]刘玉卓.公路工程软基处理.人民交通出版社 2003

[6]陈虔礼，林有贵. 高填土涵洞的病害处理和加固设计. 1995 [7]朝拴奎.涵洞土压力与沉降.山西交通科技.2000 [8]赵立岩.混凝土圆管涵的病害分析与预防.公路.2001 [9]欧阳伟.道路施工技术.东北大学出版社 目录

摘 要 I Abstract II 前言 1

1.病害及其机理浅析 1 1.1\"驼峰\" 1 1.2 沉降量过大 1 1.3 涵洞中部凹 1 1.4 节段错台 1

1.5 涵洞结构本身的破坏 2 1.6 洞口建筑的破坏 2 2.病害的预防和处治 2 2.1 病害预防措施 2

2.1.1通过软土地基的处理、提高地基强度的措施减小工后沉降 2 2.1.2结构与构造措施 2 2.2 病害的处治方法 3 2.2.1地基劈裂注浆 3

2.2.2混凝土或砂浆找补平顺 3 2.2.3结构加固 3 2.2.4生石灰处理 3

2.2.5石灰搅拌桩身的排水固结作用 4 2.2.6石灰剂量对石灰搅拌桩强度的影响 6 2.2.7灰搅拌桩适宜的土质条件 6 结束语 8 参考文献 9 致谢 10

摘 要

随着我国国民经济的飞速发展，在软土地基上修建公路、城市道路的数量越来越多。因此，在软土地基上修筑众多的涵洞构筑物成为必然。软土地基包括软粘土、冲填土、有机质土、腐殖质土、可液化土、湿陷性黄土、膨胀土等，地基不能满足工程设计要求和变形要求，在地震作用下而有可能产生液化、震陷及失稳，需要经过人工加固处理后再修建构造物和路基。鉴于软土地基的上述性质，在其上修筑涵洞结构物将可能产生一系列的不利变化，发展到一定的程度后就会影响甚至丧失使用功能。因此有必要对软土地基上修筑的涵洞病害进行调查，分析原因并对新建涵洞采取有针对性的病害预防措施，具有重要的现实意义，本文就针对公路涵洞软地基进行研究，探讨一些处理软地基的方法，为以后的工作做准备。 关键词：公路工程；软地基；危害；病害预防措施

Abstract

A question of practical significance with the rapid development of China's national economy in the soft ground construction of roads, urban roads, more and more. Therefore, in the soft ground construction of numerous culverts structures inevitable. Soft, including soft clay, red fill, organic soil, humus soil, can be liquefied soil, loess, expansive soil, etc., foundation can not meet the design requirements and deformation demands under earthquake liquefaction, which may arise, seismic subsidence and instability, and then go through the construction of artificial reinforcement structures and roadbed. Soft light of the above properties, Zai culvert structure on which construction will likely produce a series of adverse changes, developed to a certain of the degree will be affected or even loss of use function. Therefore it is necessary to build a culvert on Soft investigation, analyze the causes and the new culvert to take a targeted disease prevention measures.

Key word：Highway Engineering；Soft Ground；Harm；disease prevention measures ,

前言

随着我们国民经济的飞速发展，现在国家也在大力的建设基础建设。修建大量的道路，那么在软地基上修建公路，常人很难故事道路的数量越来越多。因此，在软地基上修筑众多的涵洞构建物成为必然。鉴于软地基的众多性质，在上面修筑涵洞可能一系列的不利变化。随后会影响甚至丧失使用功能。因此有必要对软地基上修建的涵洞危害进行调查，分析原因并新将涵洞采取有针对性的危害预防措施，具有很重要的现实意义，现在本文就对于公路软地基上的涵洞进行分析，了解他们对建设物的危害，并去解决这一系列的问题,探讨出一种可以通用简单的方法，对公路涵洞软地基处理做出理性的做法 1、病害及其机理浅析 1.1\"驼峰\"

由于涵洞背面填土偏压作用，土压引起地基变位的同时，涵洞也产生变位，软土地基之上这种变化尤其明显。当涵洞自重较其占据体积的土重量小且涵洞较之于土的不可压缩性，必然造成涵洞处的沉降量小于相邻路堤土的沉降量，使得路线实际纵坡发生变化，在纵断面上形成\"驼峰\"，涵洞顶部为驼峰的峰顶。路堤填土越低，\"驼峰\"越明显，填土越高，\"驼峰\"越不明显。但只要有\"驼峰\"存在，涵顶土压力就会不同程度地比设计计算结果要大。路堤与涵洞衔接处易产生\"错台\"，出现跳车现象，影响道路行车舒适性和行车安全。 1.2 沉降量过大

由于涵洞软弱地基土涵洞施工前未充分固结、软弱地基未处理或者处理不当，在使用过程当中，由于涵洞基础施加的压应力，致使涵洞在使用过程当中发生的沉降逐渐积累，达到一定的程度便会使涵洞的有效净空，涵底发生积水、淤塞。严重时，涵底土体甚至可能产生剪切破坏，涵洞洞身发生相当严重的沉降，涵洞失去其使用功能，路基、路面也随之产生相关连的破坏。 1.3涵洞中部凹

根据有关涵洞基底土压应力的有限单元法计算数据，涵洞从洞口至涵洞中心，其基底压应力逐渐增大，因而在使用过程当中从洞口至涵中心的沉降量也逐渐增大，若软土涵洞地基处理不当，随着沉降的不断积累和洞口、涵中部沉降差距的加大，涵洞洞口高，中间低的现象将越来越明显。这将降低涵洞的有效净高，造成涵洞中部淤塞、积水等。 1.4节段错台

涵洞相临节段之间难免出现不均匀沉降而产生错台，在一般情况下错台并不明显、不影响使用，但在软土地基上修筑的涵洞，这种现象就可能要严重得多。由于涵洞在纵向的受力不均匀，导致相邻两节段基础对软土地基的压应力不均等，造成相临两节段的沉降值不均等而出现错台；涵洞在沉降缝处相邻两段分别位于不同土质的基础之上，在基底压力作用下，不同土质表现出不同的压缩性，两节段的沉降量就不同，从而导致两节段错台。 1.5涵洞结构本身的破坏

由于地基的不均匀沉降，导致涵洞的附加应力增加，附加应力达到一定的程度便会造成涵洞结构本身的开裂破坏；若因涵洞的地基变形造成涵洞的节段之间边角刚性接触，还会造成应力集中而产生局部破坏。 1.6洞口建筑的破坏

由于在涵洞的设计和施工时，洞口建筑的基础处理往往容易被忽视，因而容易造成洞口建筑发生大的沉降、在土压力作用下发生滑移甚至倾覆等病害现象，虽然洞口建筑病害较涵洞本身容易处理，但也会增加维修费用、影响其使用功能甚至使路基局部因失去洞口建筑的支撑而发生小规模的破坏。 2、病害的预防和处治

2.1 病害预防措施

2.1.1通过软土地基的处理、提高地基强度的措施减小工后沉降

一般涵洞不采用桩基础，因此其沉降量会比较大，除会产生不均匀沉降外，其自身沉降导致积水、淤塞、破坏等丧失使用功能。涵洞能够允许多大的沉降量难以一概而论，有关规范规定，当为刚性涵洞时，沉降量不超过30-40cm，柔性涵洞沉降量不超过50-60cm时，不会造成涵身的破坏。一般通过如下方法控制沉降：

1、对涵洞软土地基进行处理的方，对于厚度比较小的软土地基，可以采用换填的方法提高地基承载力，使地基状况彻底改善；对于含水量较低的软弱地基，可以采用夯实（重锤夯实、强夯）的方法提高地基密实度；挤密碎石桩、粉喷桩等方法也可用于软土涵洞地基的处理。

2、预压法（反开槽法：先填筑路堤，利用路堤荷载，对涵洞处软土地基进行预压，使地基发生固结沉降。待沉降稳定后，再开挖路堤，修筑涵洞。）此法常常与超载预压、铺筑砂垫层、砂桩、排水板等结合使用，以加快软基沉降，缩短预压时间，提高预压效果。 涵洞预压法能消除不均匀沉降，避免出现\"驼峰\"，节省投资。缺点是需要预压时间，延长工期；对于涵洞需设临时管道。尽管如此，预压法仍是一种行之有效的好方法，并得以大量推广使用。

2.1.2 结构与构造措施

1、设置预拱度或扩大涵洞断面 当涵洞沉降量可能超过允许沉降量时，可设置预拱度进行调整。图中填土中央为残余沉降量△S，路肩处为0.8△S，坡脚处为0.2△S。通过设置合理的豫拱度，可以抵消大部分的沉降值，对于沉降能够日趋稳定的地基土适合用这种方法处理；扩大断面法通过对涵洞断面尺寸的加高，使涵洞基础沉降稳定后仍然保持涵洞的有效使用断面。在涵洞的结构设计中，设计人员一般都根据实际情况对涵洞的断面尺寸进行了加大。 2、支承桩法

当工期紧，预压法难以实施时，并且地基沉降量又较大，超过了涵洞沉降允许范围，可采用打入桩或灌注桩作为涵洞的基础。在浙江杭（州）甬（宁波）高速公路中采用了打入桩加固地基，使用过程中地基沉降量比较小。 3、筑刚性扩大垫层 在修筑涵洞基础之前，浇筑一层刚性的混凝土或其他混合物垫层，其平面尺寸较涵洞的平面尺寸有一定的扩大量，通过刚性垫层可有效分布基底压应力，通过刚性垫层的传力作用消除涵洞的节段错台。此种方法应用得较多，处理起来简单有效，如在京沈高速公路上就有应用。

4、铺设土工材料

在涵洞的地基土中铺设土工格栅等土工材料，通过将土工材料铺入涵侧路基土中一定的长度，使涵底应力通过土工材料有效扩散，从而减小涵洞的沉降、节段错台等现象的发生。此种方法可以与其它一些方法结合使用，可取得良好的效果。此外，将涵洞洞口建筑的基础与涵身基础作相同处理是防止其发生病害的有效措施。 2.2病害的处治方法

若涵洞软土地基未作适当处理，就很容易发生病害；即便是软土地基作了较好的处置，因某些不确定性的因素存在，也还有可能出现某些病害。病害出现以后，应及时作好处治，以免继续发展、恶化，以维持涵洞的正常使用功能。针对前面提到的各种病害，可作以下一些处治：

2.2.1地基劈裂注浆

涵洞地基出现较大的沉降、错台等病害，为了防止其继续发展，可在涵底钻孔并对一定

深度和一定范围的土体进行劈裂注浆以加固地基，提高其承载力和应力扩散能力。 2.2.2混凝土或砂浆找补平顺

对于地基变形已趋稳定的涵洞，其错台、沉降等可通过在其底板上加铺水泥砂浆或混凝土找补平顺，以维持其正常使用功能。 2.2.3结构加固

在涵洞内跨沉降缝加设一圈钢筋混凝土衬砌，通过提高结构整体刚度来达到涵洞地基应力均匀分布，从而消除不均匀沉降、减小沉降值。 2.2.4生石灰处理

根据设计确定石灰搅拌桩钻机的位置，启动搅拌机，钻进时喷射压缩空气，准备加固的土在原位受到扰动。随着钻进到设计标高，钻机钻头反向旋转，边提升，边由压缩空气输送生石灰，向着由钻头搅拌叶片旋转产生的空隙部位喷入被搅拌的土体中，使土体和石灰进行充分拌和，形成具有整体性好，水稳定性好和一定强度的石灰土桩。

通过机构搅拌，将软土重塑的同时掺入适量的石灰，石灰与软土矿物发生化学反应，形成一种复杂的不溶于水的、将土颗粒粘结在一起的硅酸钙凝胶，硅酸钙凝胶起到包裹和联结的作用，形成网状结构，在土颗粒间相互穿插，使土颗粒联系得很牢固，改善了土的物理力学性质，发挥了石灰固化剂的强化作用。 要形成硅酸钙凝胶，只有在有足够的水使钙离子和氢氧根离子能够转移到粘土颗粒表面时才能实现，利用土颗粒、水和石灰之间的化学反应达到这一目的，以改善土的性质，具体来说，石灰对软土的基本作用如下：

1、生石灰与地基软粘土通过强制做拌均匀，很快产生水化作用，形成氢氧化钙。在这生石灰变为熟石灰的过程中，产生的热量促进水分蒸发，使软土地基的含水量降低，同时石灰体积产生膨胀，此时膨胀力所作的功转化为周围土的变形位能。例如广东省云浮硫铁矿专用线有一座4-5m盖板涵基础采用石灰喷粉深层搅拌处理软基，钻头直径为500mm，形成石灰桩之后，在粉细砂层直径增大为520mm，在软土层直径内直径增大为600-700mm，桩体体积增大，对周围土起了压密作用。

2、熟石灰的钙离子在水的作用下与软土颗粒产生絮凝反应作用，这一反应过程使软土颗粒结合水膜厚度减簿，土的塑性降低，土粒间的粘结力增加，土体强度和水稳定性提高。 上述两种化学反应过程，主要发生在生石灰与软土强制搅拌混合后的数小时内，是石灰对软粘土的早期基本作用。

3、熟石灰与粘土颗粒中的活性硅铝矿物进一步缓慢地产生化学作用，过程中又吸收熟石灰浆中的水分，形成结晶和生成铝酸盐和水化硅酸钙，改变了粘土的结构。这一反应过程将持续数年，是石灰对软粘土的后期作用。 2.2.5石灰搅拌桩身的排水固结作用

通过对一些工程施工的石灰搅拌桩观测，发现施工期桩体含水量总是很高，直观表现在桩顶的垫层上有明显的圆形湿痕，表明桩体含水量及渗透系数均大于桩间土。由于桩身材料拌合不均匀，以及配合比、掺合料不同，涮得桩身渗透系数在4.07×10-3-10-5cm／s之间，相当于粉砂、细砂的渗透系数，较粘土、亚粘土的渗透系数大10倍至100倍，说明石灰桩身排水固结作用较好。

表示软粘土地基经石灰搅拌后渗透增长情况，K为渗透系数。取10％

生石灰作为固化剂时，软粘土的渗透性系数随着时间而直线上升；而用10％的水泥作为固化剂时，软粘土的渗透系数随着时间而直线下降。石灰适合于塑性指数较高的软粘土地基，水泥适合于塑性指数较低的软土地基。在相同条件下，用石灰处理的临时加固效果在前数小时内比水泥处理的要明显来得快。

值得注意的是，当石灰搅拌桩渗透系数K值足够小（如软粘土地基），而桩的直径d又

足够大（例d≥50cm时），即使桩处于水下，也不能形成充分供水的条件，石灰搅拌桩的含水量仍然较初始含水量大幅度减小．在天津塘沽软土路基试验中，于五年后挖出石灰桩，也发现桩身仍非常坚硬，日本的一份资料谈到，即使在含水量高达100％的软土中，石灰桩身强度也比周围土的强度高达10倍以上。 生石灰加固软弱地基后，石灰搅拌与未加固部分地基土形成复合地基，复合地基的强度包括搅拌桩桩体的强度和桩周土粘聚力增加后的强度，石灰搅拌桩与周围地基相比具有更高的抗剪强度。与生石灰搅拌桩邻接的桩周土，由于拌合时产生的高温和凝聚反应形成厚度达数厘米的高度硬壳，此层硬层的存在影响了石灰搅拌桩的吸水和排水，尤其是后期排水，但在施工期内此层硬壳尚未形成，排水作用是可以发挥的。从对一些工程的天然土和单桩复合地基荷载试验中，发现石灰搅拌桩复合地基的加荷后稳定时间较天然土基为短，也就证实了石灰搅拌桩的排水固结作用。

石灰搅拌桩与桩间土的复合地基抗剪强度可用下式计算：

τˊ= （1-dˊs)Cˊ+ dˊsτp （1） τˊ --复合地基抗剪强度，KPa;

τˊP --石灰搅拌桩的抗剪强度，KPa；

dˊs --消化和凝硬反应结束后石灰搅拌桩加固率（面积比）

dˊs =(1.5-1.8)ds （2） ds --石灰搅拌桩置换率（面积比）

ds = πd2/4l2 （3） d --石灰搅拌桩直径，d=50cm; l --石灰搅拌桩间中心距，cm;

Cˊ --石灰搅拌桩加固后地基土的粘聚力，KPa；

Cˊ=Co＋dΔP （4） 式中：Co --原地基土的粘聚力，KPa；

d --经石灰搅拌桩处理后的强度增加系数，d= 0.1-0.4；

ΔP --有效压缩荷载，它是固结试验曲线中与加固后孔隙比e'对应的压缩荷载P'与固结屈服应力Pc之差。

石灰搅拌加固后的地基，桩体强度高于桩间土。因此，在工程结构荷载和车辆荷载作用下，土体被压缩，承载力主要靠桩体承担。由于土相对于桩有向下滑动的趋势，桩面对桩周土产生一向上的摩擦阻力，故靠近桩周土的压力值为向下的施工荷载值与向上的摩擦力两部分之和。因此，靠近桩边的土承受的压力最小，桩间地基土应力降低，而石灰搅拌桩桩体产生应力集中现象，根据基础底面桩和桩间土上埋没的土压力盒测定结果，得出桩体和桩间土的荷载应力分担比n＝P/S=3-15（为石灰搅拌承担的应力，为桩间土承担的应力）．在用石灰搅拌桩加固公路软基时，一般采用n=3～5较适宜。

据资料介绍某一路堤地基用深层搅拌石灰桩处理软土地基，该地基由高灵敏度的粉质软粘土构成，厚度6-12m，抗剪强度10KPa，含水量60％，经室内试验表明，用制备的石灰加固试样测试其抗剪强度，在10d后增加到50KPa,三个月后测试强度增加到100KPa，在试验路堤4m高的下面，石灰搅拌桩的设计间距为1.0-1.2m，桩长10m。经现场测试的沉降曲线表明，用石灰搅拌桩加固的地基沉降减少了大约60％，其沉降量为20-25m，设计计算值与实测值吻合较好。

2.2.6石灰剂量对石灰搅拌桩强度的影响

表示不同的生石灰剂量对各种土的单轴抗压强度的影响。在同一生石灰含量的条件下，不同的土类具有明显不同的抗压强度，根据室内试验表明:

1、当生石灰含量在6％- 18％的范围内变化时，石灰搅拌桩仍保持原来土壤的特性；

2、不同土性的石灰粉渗入量各有最佳渗人量区间，大于或小于这一区间的渗入量，都得不到经济的加固效果。

生石灰的膨胀力与生石灰的含量成正比，但膨胀应力的大小，则与生石灰有效氧化钙含量、约束力的大小和方向、熟化的快慢有关，如采用有效氧化钙含量为85％-89％的生石灰,让其在近似完全约束的条件下熟化，测得其轴向膨胀应力最高可达11.6MPa，随着周围约束的放松，轴向膨胀应力急剧减少，膨胀力所做的功已转化为周围土的变形位能而趋于平衡。总之，对于一般的地基（特别是软土），当生石灰用量超过一定界限时，其约束力绝对不可能阻止石灰搅拌桩的膨胀，巨大的膨胀力必将在相当范围内传布，这就是石灰搅拌桩直径增大的原因。

2.2.7灰搅拌桩适宜的土质条件

石灰搅拌桩是靠石灰与土之间发生一系列物理化学反应而形成强度的，不同的土质会产生不同的加固效果，其适宜的加固土粒径范围如图4所示，图中阴影部分为适宜的石灰搅拌桩应用范围，可用于公路工程的软粘土中的挡土结构，开挖护坡、桥涵通道结构地基等。 粘土颗粒粒径小，表面积大，分散性大，稳定性差，容易和石灰发生反应，并且粘土较小的渗透系数常可使石灰搅拌桩含水量降低，所以石灰搅拌桩适宜处理软粘土地基。在软粘土矿物成份中，高岭土、伊利土和蒙脱土为三种主要的粘土矿物成分，而从结构、能量和成份三个方面又可以说明蒙脱土最容易与石灰发生反应，例如对于淤泥质粘土土样用X射线衍射矿物分析，稳定性好的矿物石英含量在40％以上，高岭土和伊利土含量为40％，把其中一段大气干燥的淤泥粘土石灰搅拌桩钻取试样放入水中，约一个多小时就完全崩解为泥浆，崩解速度与一般粘土十分接近，说明了这类粘土恰恰缺少蒙脱土类粘土矿物，石灰较难与土发生化学反应，不能大量生成碳酸钙等胶结物质，致使石灰搅拌桩强度较低，也揭示了石灰搅拌的粘土地基。 石灰搅拌桩适宜于蒙脱土类矿物含量高，对于洞口建筑的破坏，将其拆除后加固地基，重新修筑洞口建筑。

以上病害处治方法在禹毫铁路等一些工程中有应用，实践证明是有效的。也可以根据涵洞病害的具体情况使用一些合适的其它方法对涵洞病害进行处治.通过分析，我们知道石灰处理地基时候的好处，但石灰处理的时候也得注意问题。安全和环境的问题。我们使用生石灰的时候也有很多的局限性，我们必须结合环境等各种因素来使用生石灰和 石灰桩相互结合的方式来处理问题

结束语

通过分析，可见石灰搅拌桩处理软粘士和淤泥质粘土地基的效果是明显的，用石灰搅拌桩处理后的地基，渗透性增大，石灰搅拌桩有助于排水固结，经处理后复合地基降低了软土含水量，增大了粘聚力，复合地基的强度得到了提高，可以取得较好的经济效益，适宜用于高等级公路的挡土结构、桥涵、通道的软土地基中。由于我们现场环境的影响，我们一般采用了 许多不同的方法。我们一般采用 生石灰和石灰桩一起处理，随着科技的 发展我们会有更过方法来处理和解决的方法，希望我们以后会有更好的 方式，我们现在应该使用生石灰和石灰桩结合的方法性价比是罪高的，我们会创新出更好的方法来处理软地基。

参考文献

［1］中华人民共和国交通部. JTJ 024-85 公路桥涵地基与基础设计规范.1986 ［2］涵洞. 人民交通出版社

［3］黄林青,朱凡. 地基基础工程. 2003

［4］凌治平.基础工程. 第一版.人民交通出版社,1995 ［5］刘玉卓.公路工程软基处理.人民交通出版社 2003

［6］陈虔礼,林有贵. 高填土涵洞的病害处理和加固设计. 1995

［7］朝拴奎.涵洞土压力与沉降.山西交通科技.2000 ［8］赵立岩.混凝土圆管涵的病害分析与预防.公路.2001 ［9］欧阳伟.道路施工技术. 东北大学出版社 致谢

本文是在聂华老师精心指导和同学的大力支持下完成的。聂华老师以其严谨求实的治学态度，高度的敬业精神，兢兢业业，孜孜以求的工作作风和大胆创新的新的进取精神对我产生重要的影响。她渊博的知识，开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。为此表示感谢,她严谨的工作态度让我佩服。

同时感谢所有教育过我的专业老师，是我在不断成长的源泉也是我完成学业的根本。另外还要感谢我的同学和朋友对我的帮助和指导。

最后，再次对关心和帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。

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