CN101392525A - 消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术 - Google Patents

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王家鼎
谢婉丽
谷天峰
康卫东
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Abstract

本发明公开了一种消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术，其特征在于：对于铁路、公路路基经过地基处理后，地基的压实程度达到以下标准可消除液化：含水量达到饱和，干密度ρd≥1.69g/cm3，平均压实系数≥0.94，平均挤密系数≥0.95。本发明将长持时、小振幅的特殊荷载施加于动三轴来研究铁路地基黄土的累计变形、振陷、液化甚至滑移，并将其输入动力数值模型计算模拟黄土地基累计变形、破坏、沉陷和滑移的全过程；在高速铁路现场进行了激振试验，用监测曲线合理解释了列车持久振动荷载对地基黄土累计变形破坏影响，这对此类黄土灾害的机理有一全新的认识。

Description

消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术
技术领域
本发明涉及高速铁路和高速公路路基黄土在车辆长持时、小振幅作用下发生液化的地基处理技术，属于地球科学领域。
背景技术
随着我国西部大开发的不断深入和中部崛起，黄土地区铁路、公路等基础建设取得了长足的发展，大大地推动了地方经济建设的可持续发展，特别是黄土地区新建的郑(州)——西(安)高速铁路(客运专线)的建设将会极大地缓解黄土地区的交通压力。在我国黄土地区修建高速铁路和高速公路，设计标准极高，建成后铁路地基(基床)沉陷变形不能超过+1.5cm。然而，黄土(特别是Q4黄土和Q3黄土)结构疏松、具大孔隙性，力学强度差，作为铁路地基(基床)的这种黄土在外界因素(水、列车振动及地震等)作用下极易产生沉陷变形(包括黄土湿陷、振陷和液化等)。有关高速铁(公)路建设中黄土湿陷问题，国内外学者有深入的研究，并有较为成熟的防治措施。但是还有一类列车长持时振动(长期单向循环动荷载)引起的铁路地基黄土灾害链——黄土振陷和黄土液化，并没有引起人们的重视，也正是现行《黄土规范》、《铁路路基规范》及其他相关规范中缺少的内容。但这类黄土灾害恰恰是目前黄土地区高速铁(公)路建设中所遇到的关键问题，急需从源头上进行研究，以便指导黄土地区高速铁(公)路路基设计及施工。
纵观黄土地区的铁路、公路黄土地基(基床)沉陷变形，大多数学者认为是黄土湿陷造成的，因此现有的黄土地基处理方法都是以消除湿陷为前提，而不考虑消除黄土的振陷和液化。然而，在黄土区已运营的铁(公)路和机场跑道沿线出现了不少的黄土地基沉陷变形，如陇海铁路、郑-西高速公路、铜-黄高速公路、西-宝高速公路、祁临高速公路及兰州中川机场老跑道等。究其原因，发现它不仅与黄土湿陷变形有关，而且还与列车和飞机的长持时反复循环振动有关。有的学者认为列车的振动幅度较小不足以引起道路地基黄土振陷、液化或滑移。但对于一次或短期小振幅的振动荷载来讲，的确不易引起道路地基黄土振陷、液化或滑移，然而，铁路的运营达几十年至上百年，其振动的长期性是显而易见的。发明人认为高速铁路地基黄土受这种小振幅的循环持久振动(据欧美和日本等国家的实测资料，列车振动通过路基向下传递，在地基中振动应力的最大影响深度为4m，高速铁路影响更大些，可达5-6m)而产生累计变形，这种长期累计变形一旦超过黄土破坏临界值便会产生振陷(非饱和)、液化(饱和)甚至导致滑移。由土动力学理论和实验可知，长持时、小振幅的组合与短持时、大振幅的组合是等同的，同样是不容忽视的。加之黄土具有大孔隙性，疏松，在不大的振动荷载长期累计作用下易失稳变形进而引起振陷(非饱和)、液化(饱和)甚至滑移(小角度倾斜滑移)。
发明内容
本发明的目的是提出消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术。
本发明内容如下：
对于铁路、公路路基经过表层换土垫层、浅部强夯、中部水泥挤密桩和/或深部DDC桩处理后，地基的压实程度达到以下标准可消除液化：含水量达到饱和，干密度ρd≥1.69g/cm3，平均压实系数≥0.94，平均挤密系数≥0.95。
黄土液化是指饱和黄土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。一般认为黄土液化的判别标准为：(1)孔压比≥0.7；(2)累积应变≥3％，且孔压比≥0.2；这两个标准哪一个先达到就采用哪一个。
发明人在黄土地区采集了大量的样品，在室内进行击实试验和击实黄土的动三轴试验，研究了不同干密度的黄土液化规律。在潼关(VIII度区)进行的上述试验获得击实黄土干密度与孔压比
Figure A200810231710D00041
之间的关系，如表1和图1所示。
表1 潼关击实黄土样品的动三轴液化试验结果
Figure A200810231710D00051
同理，发明人在灵宝(VII度区)进行同样的试验获得击实黄土干密度的与孔压比之间的关系，如表2和图2。
表2 灵宝击实黄土样品的动三轴液化试验结果
Figure A200810231710D00052
从图2可看出VII度地震作用下的击实黄土孔压比
Figure A200810231710D00053
随着干密度的增大而减小。在干密度为1.71g/cm3时，孔压比为0.17，干密度继续增大时孔压比基本不再变化。由液化标准可知当孔压比 u d / σ 0 ′ ≥ 0.7 时，发生液化，此处的孔压比为0.17不会发生液化，但是孔压比并不为0，也就是不能彻底消除液化的趋势，在更大地震烈度(≥VII度)下，孔隙比可能还会增大甚至发生液化。
目前常见的消除黄土湿陷的地基处理措施有：强夯、换土垫层、水泥挤密桩和DDC桩等。这些地基处理措施是否也能消除黄土的液化呢？通过发明人的研究结果表明这些方法只要达到一定得技术标准就可以消除黄土的液化。
强夯处理黄土地基湿陷性的方法可以提高黄土的压实度，降低孔压比，在一定范围内，消除液化的趋势。
采用换土垫层处理，三七灰土垫层由石灰和黄土按3:7混拌而成。灰土垫层可以有效的改善土体结构，提高地基模量，降低孔压比，消除液化。
水泥土挤密桩通过挖孔并夯入水泥土，利用水泥土挤密桩的高强度和成桩过程中的挤密作用达到提高路基基床承载力。已有工程处理表明，处理后的地基可以消除黄土液化性，提高地基模量，减小地基压缩变形。
孔内深层强夯技术(DDC桩)，又名柱锤冲扩桩法，可消除黄土地基湿陷沉降，减小增湿沉降和地基压缩变形。由于采用较重夯锤，孔内加固料单位面积受到高动能、强夯击，使地基上受到很高的预压应力，在成桩过程中，桩间土也受很大侧向挤压力，同样也被挤密加固，形成了强制挤密区、挤密区以及挤密影响区，提高了桩周土体模量，减小了地基整体压缩变形。在施工过程中即对桩周土体进行了充分扰动，使原有大孔隙性黄土变得结构紧密，提高了抵抗动荷载的能力，从而降低了列车重复动荷载的影响，减小了工后沉降，同时消除地基的液化性。已有工程处理表明，处理后的地基浸水或加载都不会产生明显的压缩变形。
为了工程使用的方便，发明人在理论研究的基础上整理出一套简单实用的地基处理是否消除黄土液化的工程评价标准。这个标准最关键的问题是考察已处理的地基的压实程度(挤密程度)是否能够达到消除液化的标准。在击实黄土动三轴试验的基础上，建立了击实黄土干密度与液化的关系，从而提出了提出一种简单实用的判别是否消除黄土液化的工程评价标准，如表3。
表3 消除黄土液化的标准
 
含水量(％) 干密度ρd(g/cm3) 平均压实系数         平均挤密系数
饱和 ≥1.69 ≥0.94 ≥0.95
表3可作为黄土地区高速铁(公)路地基处理措施减轻黄土液化的工程标准。目前常见的消除黄土湿陷的地基处理措施在地基处理后若能达到表中的参数，则黄土液化可基本消除。
本技术是将这种长持时、小振幅的特殊荷载施加于动三轴来研究铁路地基黄土的累计变形、振陷、液化甚至滑移，并将其输入动力数值模型计算模拟黄土地基累计变形、破坏、沉陷和滑移的全过程；在高速铁路现场进行了激振试验，用监测曲线合理解释了列车持久振动荷载对地基黄土累计变形破坏影响，这对此类黄土灾害的机理有一全新的认识。基于此机理体提出了消除黄土湿陷的同时也能消除黄土振陷、液化的地基优化处理技术及标准。
说明书附图
图1为潼关击实黄土样品孔压比和干密度关系图；
图2为灵宝击实黄土样品孔压比和干密度关系图。
具体实施方式
实施例1：
某工程场地上部约25m为自重湿陷性黄土，采用6000KN·m高能级强夯处理地基，梅花形布点，夯间距为1.2m。处理后场地土的主要物理指标见表4。
表4某场地的主要物性指标
 
取样深度(m) 含水量(％) 容重(KN/m3) 干容重(KN/m3) 平均压实系数
1.0～6.0 15.4～24.7 1.99～2.06 16.9～17.6 0.95
根据表3可知，该地基处理后可以消除黄土的液化性。
实施例2：
某场地黄土具有湿陷性，采用换土垫层处理，三七灰土垫层由石灰和黄土按3:7混拌而成，含水量为20％，按干密度15kN/m3夯实回填。换土垫层处理后，平均干密度ρd为1.69g/cm3大于表3中的限值(1.69)，因此通过上述处理，可以有效消除黄土的液化性。
实施例3：
某路基地基具有湿陷性，采用水泥土挤密桩进行处理。处理后素土最大干密度为1.75g/m3，灰土挤密桩桩体的压实度均可达到0.96。此时干密度、压实系数满足表3中要求，因此通过上述处理，可以有效消除黄土的液化性。
实施例4：
某铁路路基地基上覆黄土深厚，其中湿陷性厚度约为20m，采用DDC桩进行处理。DDC桩径取0.6m，桩间距取0.9m，桩长取25m，采用强度较高、压缩性较低的水泥土作为填充料。处理后压实系数、挤密系数均满足表3中要求，因此通过上述强夯处理，可以有效消除黄土的液化性。

Claims (3)

1、消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术，其特征在于：对于铁路、公路路基经过地基处理后，地基的压实程度达到以下标准可消除液化：含水量达到饱和，干密度ρd≥1.69g/cm3，平均压实系数≥0.94，平均挤密系数≥0.95。
2、根据权利要求1所述消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术，其特征在于：地基处理方法有表层换土垫层、浅部强夯、中部水泥挤密桩、深部DDC桩。
3、根据权利要求2所述消除铁路、公路路基黄土液化的地基处理技术，其特征在于：采用表层换土垫层处理，三七灰土垫层由石灰和黄土按3:7混拌而成，含水量为20％，按干密度15kN/m3夯实回填。
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