厚海淤泥地层国道改扩建路基变形机理与控制技术研究

摘要

随着国民经济的持续快速发展，高速公路的建设非常活跃，改扩建的热潮也随之掀起。然而由于滨海软土的特殊性，现在很多已完工的高等级公路改扩建工程陆续出现了一些病害，尤其是新老路基拼接处不均匀沉降问题，其严重限制了滨海地区高等级公路的建设。本文依托204国道灌云1＃标段改扩建工程，根据厚海淤泥特殊地质环境，软土路基处理复杂施工工艺及新旧路搭接设计工况，开展厚海淤泥地层国道改扩建路基变形机理及控制技术研究。主要研究内容及结论如下:
　　1.分别从物理力学特性及微观结构特性两个方面进行室内试验，研究分析了连云港厚海淤泥地层的工程特性，结果表明:厚海淤泥含水量大，渗透性差，孔隙比高，天然状态下处于流塑状态，抗剪强度低，为高压缩性土。但相较于其他几个地区淤泥，连云港厚海淤泥压缩系数偏小，压缩模量偏大，工程性质相对更好。连云港厚海淤泥的微观结构特征所反映的工程特性与其宏观试验所测得的工程性质具有较高的一致性，借助可靠的微观结构特征可以推测土的部分工程特性。
　　2.基于现场实际工程施工及沉降监测，利用PLAXIS3D对单侧拓宽段无地基处理、等载预压以及粉喷桩三种软土地基处理方案进行了数值模拟，分别从竖向位移、水平位移及稳定性的角度对三种地基处理方法进行了对比分析，并对三者的地基处理效果进行评价，更进一步研究分析了地层竖向附加应力及孔压分布规律对路基变形机理的影响，基于布西奈斯克解计算了路基单侧拓宽施工引起的地层竖向附加应力增量，并利用MATLAB予以验证。结果表明:(1)等载预压能够更好地控制由于挖方卸载作用引起的隆起，而粉喷桩地基处理方案相对于等载预压在控制工后沉降、超孔隙水压力及路基稳定性方面效果更加显著。(2)新老路基右坡脚以下地层中水平位移方向相反，水平位移沿深度分布曲线在z=2.5m处存在转折点;粉喷桩地基处理方案下，新老路坡脚以下地层水平位移相较于另外两种地基处理方案更小，在老路右坡脚以下最大水平位移仅11.5mm。(3)稳定性分析结果表明，各地基处理方案在不同阶段路基的安全系数都大于1.25，满足规范对于安全储备的要求，但相对而言，地表面新旧路基拼接处潜在破坏风险最大，其次是拓宽路基右边坡，粉喷桩增强了路基的稳定性，而等载预压在填筑施工期和堆载5个月期间相较于无地基处理方案安全系数偏小，工后，由于固结沉降趋于稳定，路基安全系数会有所增大，路基更稳定。(4)实际施工中应该尤为关注拓宽施工引起新旧路基拼接处以下地层竖向附加应力的增加，尤其是厚海淤泥层，并及时采取适当的处治措施。
　　3.数值模拟结果充分体现了粉喷桩地基处理方案的优越性，基于现有粉喷桩固化剂的不足，提出了一种新型固化剂设计配方，并从抗剪强度和微观结构特性两个角度，对不同龄期的设计配方固化土和纯水泥固化土进行了对比分析。结果表明:(1)设计配方固化土相较于水泥固化土无论是早期强度还是后期强度都得到了极大程度的提升。(2)水泥在设计配方中仍然起着主导作用，高钙粉煤灰、磨细粒化高炉矿渣在自身生成水化凝胶体的同时，补充了大量钙离子，强化了水泥的水化反应，从而提高了固化土的强度，外掺聚丙烯腈纤维增强了固化土的结构整体性，在提高固化土抗剪强度的同时，也提高其抗拉、抗裂性能。(3)设计配方固化剂经济效益好，天然含水量60％时，设计配方固化剂在同等7和28天龄期强度的情况下，每延米造价分别要低于纯水泥固化剂4.66元和5.08元，约占纯水泥固化剂造价的28.8％和31.4％。
　　4.为了克服粉喷桩地基处理方案的缺陷，提出了与厚海淤泥地层条件相适应的桥头及过渡段粉喷桩联合堆载预压技术，现场沉降监测结果表明该方案可以大幅降低桥头路基的总沉降以及工后沉降，且兼具了粉喷桩复合地基技术及堆载预压两种软土地基处理方案的优点。
　　5.软土地基段新旧路基变形协调控制技术是目前改扩建工程的主要难题之一，数值模拟结果表明连云港厚海淤泥地层改扩建中新旧路基拼接处会出现明显的差异沉降，对此探讨了台阶法及土工格栅综合应用相应于厚海淤泥地层特殊地质条件的具体施工方案与工艺，并重点提出了双侧拓宽段新旧路基变形协调控制施工方案的改进。

目录

声明

致谢

摘要

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1路基变形机理及其发展规律

1．2．2软土地层路基处治技术

1．2．3新旧路基拼接处差异沉降机理及其控制

1．2．4软土微观结构特性

1．2．5发展趋势和现阶段存在的主要问题

1．3研究内容与技术路线

2厚海淤泥地层土体性状试验研究

2．1物理力学特性试验

2．2厚海淤泥微观特性试验

2．3本章小节

3厚海淤泥地层路基变形机理

3．1工程概况

3．2路基沉降机理现场监测

3．3路基变形规律数值分析

3．3．1 PLAXIS 3D软件介绍

3．3．2数值模拟

3．4地层附加应力和孔压分布规律

3．4．1单侧拓宽旋工对地层竖向附加应力的影响

3．4．2超孔隙水压力

3．5本章小结

4厚海淤泥地层路基处治技术

4．1 粉喷桩固化剂设计

4．1．1固化剂配方设计

4．1．2无侧限抗压强度试验

4．1．3基于微观结构特性的固化机理分析

4．1．4经济效益分析

4．2粉喷桩联合堆载预压技术

4．2．1设计与施工

4．2．2沉降动态观测

4．2．3对比分析

4．3本章小结

5新旧路基协调变形施工方案与工艺研究

5．1挖台阶+铺土工格栅

5．2双侧拓宽段新旧路基协调变形施工方案

5．3其他处治措施

5．4本章小结

6主要结论与建议

6．1主要结论

6．2建议

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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