CN101603308B - 在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑工程技术领域的在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法。本发明步骤为：第一步，前期地质调查，划分土层，查明透水层的位置、地下水类型及水源补给情况，并通过土工试验确定土体参数，作出土工试验成果总表；第二步，前期的塑料排水板及砂垫层的施工；第三步，中期地质勘测，确定前期塑料排水板施工对下部土体的扰动程度；第四步，确定施工参数，根据土体强度增长与固结度的关系确定后期路堤堆载的进度安排；第五步，根据第四步中确定的施工方案进行路堤堆载施工，最后铺设路面，完成整个路堤的施工。本发明方法简单，可以大大提高施工的安全性，最大可能地缩短工期。

Description

在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法

技术领域

本发明涉及的是一种建筑工程技术领域中的施工方法，具体地说，涉及的是一种在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法。

背景技术

目前，在软土地基上建造路堤时为了提高施工速度保证工程安全，常用的方法为预压法，其中包括堆载预压法和真空预压法。堆载预压法由于其施工便利，费用合理在我国被广泛使用。传统的堆载预压法技术是首先在软土地基中打入塑料排水板；然后，在软土地基上铺设砂垫层形成水平排水通道；之后在砂垫层上部分级堆载路堤，根据软土地基固结情况安排施工进度，重复加载直至达到设计标高。上部路堤的分级堆载是为了保证软土地基强度随时间增长达到设计要求承受下级堆载，避免坍塌事故发生。目前工程中普遍采用的堆载预压法，其对于分级堆载工期的设计，主要依据是土体固结度，一般以上一层堆载达到90％的固结度后开始下一级堆载。而这之中又包含了软土强度增长与固结度增长是线性相关的假设。其确定方法如下为某时间的土体抗剪强度(τ_ft)与土体的初始抗剪强度(τ_f0)，上部堆载(Δσ_z)及固结度(U)相关，其关系可以写成如下公式：τ_ft＝f(τ_f0，Δσ_z，U_t)(JGJ79-2002)。

但是对于强结构性软粘土的地基，这种假设已被证明是不合适的。1984年Takayama在其发表的文章《Increase in shear strength of soft clay duringconsolidation》中通过一系列试验证明，日本有明粘土(一种典型的强结构性软粘土)的抗剪强度随固结度变化呈现非线性：土体抗剪强度在固结开始的时候增长缓慢，之后迅速提高。2007年洪振舜等在《Journal of Geotechnical andGeoenvironmental Engineering》(土工技术与地质环境工程杂志)(2007年第一期83至90页)上发表的(“Evaluation of sample quality of sensitive clayusing intrinsic compression concept”)(采用土体压缩性指标判断土体扰动度的方法，以下简称洪的方法)进一步提出强结构性软土的抗剪强度增长在土体达到屈服应力前与屈服应力后差别很大。这些研究为进一步开发堆载预压法在强结构性软粘土中的安全应用提供了条件。

经过对现有技术文献检索发现，目前的我国正在使用的建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)，已经对建造在软土地基上的预压法施工技术作出了详细的规定，并且通过实际工程的验证证明是可靠的。但是该规范对于建造在强结构性软土地基上的路堤，并没有给出专门的预压法施工技术指导性说明，而在强结构性软土地基上使用传统的预压法施工是不合适的，不仅施工进度安排不科学，并且在工期较紧的情况下也是非常不安全的。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法，方法简单，而且可以大大提高施工的安全性，最大可能地缩短工期。

本发明是通过以下的技术方案实现的，对建于强结构性软粘土地基上的道路，采用堆载预压法时使用本发明，包括如下步骤：

第一步，前期地质调查，划分土层，查明透水层的位置、地下水类型及水源补给情况；并通过土工试验确定土体参数，作出土工试验表

①采用现场钻孔取土的方法划分土层，通过对场地各点钻孔后取出土的观察及试验确定各层土体的顶板及底板高层，同时确定地下水分布，最后汇总制图。

②在现场钻孔划分土层过程中，同时用薄壁取土器取天然原状土的试样，通过室内试验测定土体的各项物理力学参数。需要进行的室内试验主要有固结试验，确定土体各级固结压力p作用下土样压缩至稳定的孔隙比e的变化，绘制土体的e-logp曲线，同时测定固结系数(U)与时间因子(T_v)的关系，绘制U-T_v曲线；三轴试验，确定土体抗剪强度及原状土与完全扰动土的强度增长率和

最后通过烘干土样测得初始孔隙比e₀和压缩完成后孔隙比e_r，并整理成土工试验表。

第二步，前期的塑料排水板及砂垫层的施工

①整平场地，在施工区域铺设大约半米厚的砂垫层，每铺设0.2m厚时碾平压实，作为地表水平排水通道。

②安装连接好各种设备，埋设塑料排水板：塑料排水板打设机就位，静压式或者震动式都可以；按设计要求的形式布置竖向排水板。

第三步，中期地质勘测，确定前期塑料排水板施工对下部土体的扰动程度

①现场钻孔用薄壁取土器取天然原状土的试样，方法与第一步中②使用的相同，尽可能避免土样受到扰动。

②用上步中取得的试样在试验室内用固结仪测定土体的e-logp曲线(方法与第一步中②使用的相同)，确定此时受扰动后各层土体的屈服应力p_yield，并且测得对应于此屈服应力的孔隙比e_p0；通过洪给出的方法确定土体打设完塑料排水板后的扰动度D_sd： $D_{\mathrm{sd}}=\frac{e_0-e_{p_0}}{e_0-e_r}.$

第四步，确定施工参数，根据土体强度增长与固结度的关系确定后期路堤堆载的进度安排

①确定所述的道路第一级路堤的堆载高度，其确定方法为：根据工程所需要的安全系数结合初期地探得到的土体初始抗剪强度由极限承载力法确定第一级路堤堆高h₁，具体确定方法如下：

第一级路堤堆高(h₁)与极限承载力系数(N_c)，安全系数(F)，土体重度(γ)与初始土体抗剪强度(C_u)相关，其关系可以写成如下公式： $h_1=\frac{C_u{N}_c}{\mathrm{\γF}}.$

②确定第一级路堤施工时间，其确定方法为：由于在第一级路堤堆载时，可以充分利用强结构性土初期屈服应力较大，变形较小的特性，快速施工。所用公式为： $t_1=\frac{h_1}{h_c}\×t_c.$ 其中t₁为第一级施工时间，h_c为每层铺设厚度(一般取20-30cm为宜)，t_c为每层铺设所耗工时。

③确定所述的路堤第二级堆载需要达到的高度h₂，其确定方法为：假定一个可能的堆载总高度h_t，通过实时跟踪监测路堤沉降及使用测得数据进行三点法分析确定路堤施工完成后最终的沉降量S_t(建议多布置测点，之后取各点平均值)。根据设计要求，施工结束后路堤高度标高为h_b。当得到h_t＝h_b+S_t时即得到所需h_t的高度。之后用公式h₂＝h_t-S_t-h₁确定第二级堆载高度。

④确定第二级路堤施工时间，其确定方法与②一样。所用公式为： $t_2=\frac{h_2}{h_c}\×t_c.$ 其中t₂为第二级路堤施工时间。由于⑤中确定土体强度时，已充分考虑结构性土的强度增长情况，所以在此步填土过程中也可快速施工。

⑤所述的路堤土体在第二级堆载前需要获得的强度增加，其确定方法为：根据②中第二级部堆载高度h₂由极限承载力法 ${\mathrm{\ΔC}}_u=\frac{h_2\mathrm{\γF}}{N_c}$ 确定。

⑥确定达到⑤中要求强度时的固结度，其确定方法为：根据结构性土体强度增长与固结度变化的关系：在屈服点前软粘土抗剪强度增长率为达到屈服点后软粘土抗剪强度增长率为

确定土体强度增长情况。对比⑤中确定的所需要获得的强度增长ΔC_u，确定得到达到要求强度时的固结度。

⑦确定两级加载之间的等待时间，其确定方法为：根据太沙基一维固结理论，用第一步中固结度与时间因子的关系及⑥中确定的固结度，得到等待时间t_d。

⑧施工进度安排：根据前期已确定的两级路堤高度，总高度及两级堆载时间及之间的等待时间确定整体工程的工程进度安排。

第五步，根据第四步中确定的施工方案进行路堤堆载施工，最后铺设路面，完成整个路堤的施工。

上述步骤结合即为本发明提出的针对强结构性软粘土采用堆载预压法的新型施工方法。与原有技术相比，本发明结合目前国际上对结构性粘土强度变化的最新研究成果，在传统的堆载预压法的基础上，对其进行发展而成的一种新型堆载预压法，使其能够适用于强结构性软土的地基。根据现场测得的土体资料，使得堆载预压法施工技术在强结构性软土的地基上施工能够更安全更可靠。

本发明在实际应用中，对传统方法优势主要是工程施工安排上更科学，合理，方法简单。避免了传统方法中假设土体强度随固结度增长呈线性的假设。施工中埋设塑料排水板既可为静压式也可以为震动式。由于天然沉积产生的软粘土都带有一定的结构性，所以本发明无论从社会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大的应用价值。本发明适用方向为建造在强结构性软粘土上采用堆载预压法施工的路堤。

附图说明

图1为应用本发明建造在强结构性软土上路堤堆载预压法施工示意图；

图2为应用本发明建造在强结构性软土上路堤堆载预压法施工法五步示意图；

图3为固结度(U)与时间因子(T_v)关系图；

图4为本发明工法与传统工法施工时间对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，以某地区强结构性软粘土地基为例，实施例路堤施工，也是一般路堤施工主要分为砂垫层铺设、塑料排水板铺设、第一层路堤施工及第二层路堤施工几个步骤。根据路堤施工所需要的这些步骤，本示例给出了图2所示的本发明工法应用的五步示意图，分别是初次勘测、前期施工、中期勘测、进度安排及施工完成。

根据上述图1及图2所示顺序，具体应用按以下步骤进行：

(1)现场地质勘测：下部土体为10m厚单层均一的有明粘土，土体皆为饱和状态。

查阅相关资料，某地区软粘土是一种典型的结构性粘土：该软粘土为海洋环境下的沉积物，具有较强的结构性，灵敏度高，压缩大。地基初始抗剪强度为20kN/m²，未扰动情况下强度随固结度增长率为0.05，完全扰动情况下强度随固结度增长率

为0.35，初始孔隙比e₀为2，重塑后孔隙比e_r为1，得到U与T_r关系图，如图3所示。

(2)前期的塑料排水板及砂垫层的施工：砂垫层厚度为0.5m。采用静压式打设机，排水板使用的是普通塑料排水板，按方形排列，间隔为1m。

(3)中期地质勘测，确定前期塑料排水板及砂垫层施工对下部土体的扰动程度：用薄壁取土器现场钻孔取土，进行室内试验。测得参数，扰动后的孔隙比e_p0为1.5，扰动后的抗剪强度15kN/m²，屈服强度P_yield为25.6kPa。

(4)确定施工参数，根据土体强度增长与固结度的关系确定后期路堤堆载的进度安排：

①第一级路堤堆高高度确定：根据(1)中测得的初始土体抗剪强度，设计要求的安全系数及极限承载力设计方法，由公式 $h_1=\frac{\mathrm{\Δ}{C}_u{N}_c}{\mathrm{\γF}}$ 确定第一级高度h₁为3.8m。

②第一级路堤堆高施工时间确定：根据现场情况，每层铺设厚度为20cm，道路总长500m，所需时间为1天。根据公式 $t_1=\frac{h_1}{h_c}\×t_c$ 确定得t₁为19天。

③最终堆载高度确定：通过现场工作人员对路堤沉降数据的跟踪监测，对测得数据三点法分析得到最终沉降，结合①中的第一级堆载高度及路堤使用时的设计高度确定总的堆高需要达到6.8m。同时确定第二级堆载高度h₂为6.8-3.8＝3m。

④第二级路堤堆高施工时间确定：与②相同，根据公式 $t_2=\frac{h_2}{h_c}\×t_c$ 确定得t₂为15天

⑤第一级荷载之后需要增加的强度的确定：按极限承载力 ${\mathrm{\ΔC}}_u=\frac{h_2\mathrm{\γF}}{N_c}$ 式确定，ΔC_u为11.842kN/m²。

⑥地基扰动度D_sd的确定：根据扰动度公式 $D_{\mathrm{sd}}=\frac{e_0-e_{p_0}}{e_0-e_r}$ 确定扰动度为50％。

⑦屈服点固结度U₁的确定：根据公式 $U_1=\frac{P_{\mathrm{yield}}}{P_{\mathrm{total}}}$ 确定屈服点固结度为37.4％。

⑧两级堆载之间需要等待的时间t_w的确定：根据有明粘土强度随固结度增长关系，达到ΔC_u＝11.842kN/m²的强度，需要总固结度达到65.5％。根据(1)中U与T_r的关系，确定T_r为0.5。根据公式t_w＝T_r(D_e)²/C_r得到等待时间为310天。

(5)根据(4)中确定的施工进程，反复堆载压实施工，最后铺设路面，完成整个路堤的施工。

①第一级路堤施工，填土材料一般就地选取，填土应由上而下分层铺填，每层虚铺厚度不宜大于30cm。当大坡度堆填土时，不得居高临下，不分层次，一次堆填。针对目前施工最常采用的机械填土压实方法，使用推土机来回碾压时履带应重叠一半，一般每层压实6-8遍，充分做到“薄填、慢驶、多次”的要求，压实度达到90％即可。如此反复堆填压密直至达到设计要求高度。由于在此级施工过程中，利用下部强结构性土体地基自身承载力较大，路基整体沉降不明显，可以在满足前面所提要求的基础上快速施工。

②第一级施工完毕后停止施工，所需停止的时间为第四步第⑦点中确定所得的等待时间。此时可以开始别的路段施工。

③第二级路堤施工，与①中相同，反复堆填压密至设计高度，根据设计要求铺设路面，完成施工。

在强结构性软土上建造路堤，使用传统堆载预压法与使用本发明工法的施工时间如图4所示。随着堆载分层的不断增加，采用本工法所节省的时间不断增加。双层施工时，可以节约20％的施工时间，当分层堆载达到6层时，可以节约50％的施工时间。这说明本发明工法的施工效率是非常高的，在相对较短的时间内完成传统工法需要长时间才能完成的工程量，并且保证了施工的安全进行。所以利用本发明对建造在强结构性粘土上的路堤施工，可以充分保证建造的安全性及最大化的加快施工速度。

Claims (3)

1.一种在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，前期地质调查，划分土层，查明透水层的位置、地下水类型及水源补给情况，并通过土工试验确定土体参数，作出土工试验表；

1.1采用现场钻孔取土的方法划分土层，对场地各点钻孔后取出土试验确定各层土体的顶板及底板高层，同时确定地下水分布，最后汇总制图；

1.2现场钻孔用薄壁取土器取天然原状土的试样，通过室内试验测定土体的各项物理力学参数，作出土工试验成果总表，具体为：

在现场钻孔划分土层过程中，同时用薄壁取土器取天然原状土的试样，通过室内试验测定土体的各项物理力学参数，需要进行的室内试验有固结试验，确定土体各级固结压力p作用下土样压缩至稳定的孔隙比e的变化，绘制土体的e-logp曲线，同时测定固结系数U与时间因子T_v的关系，绘制U-T_v曲线；三轴试验，确定土体抗剪强度及原状土与完全扰动土的强度增长率

和

最后通过烘干土样测得初始孔隙比e₀和压缩完成后孔隙比e_r，并整理成土工试验表；

第二步，前期塑料排水板及砂垫层的施工；

2.1整平场地，在施工区域铺设半米厚的砂垫层，作为地表水平排水通道；

2.2安装连接好各种设备，埋设塑料排水板；

第三步，中期地质勘测，确定前期塑料排水板施工对下部土体的扰动程度；

3.1现场钻孔用薄壁取土器取天然原状土的试样；

3.2用步骤3.1中取得的试样在试验室内用固结仪测定土体的e-logp曲线，

确定此时受扰动后各层土体的屈服应力p_yield，并且测得对应于此屈服应力的孔隙比e_p0；通过扰动度公式确定土体打设完塑料排水板后的扰动度

第四步，确定施工参数，根据土体强度增长与固结度的关系确定后期路堤堆载的进度安排；

4.1确定道路第一级路堤的堆载高度：根据工程的安全系数结合得到的土体初始抗剪强度由极限承载力法获得第一步路堤堆载高度h₁，具体如下：

第一级路堤堆载高度h₁与极限承载力系数N_c，安全系数F，土体重度γ与初始土体抗剪强度C_u相关，其关系如下：

4.2确定第一级路堤施工时间：所用公式为：

其中t₁为第一级施工时间，h_c为每层铺设厚度，取20-30cm，t_c为每层铺设所耗工时；

4.3确定路堤第二级堆载需要达到的高度h₂：假定一个可能的堆载总高度h_t，通过实时跟踪监测路堤沉降及使用测得数据进行三点法分析确定路堤施工完成后最终的沉降量S_t，施工结束后路堤高度标高为h_b，当得到h_t＝h_b+S_t时即得到所需h_t的高度，之后用公式h₂＝h_t-S_t-h₁确定第二级堆载高度；

4.4确定第二级路堤施工时间，其确定方法与4.2一样，即：

其中t₂为第二级路堤施工时间；

4.5路堤土体在第二级堆载前需要获得的强度增加ΔC_u：根据4.3中第二级堆载高度h₂，由极限承载力法

确定；

4.6确定达到4.5中要求强度时的固结度：根据结构性土体强度增长与固结度变化的关系，即在屈服点前软粘土抗剪强度增长率为

达到屈服点后软粘土抗剪强度增长率为

确定土体强度增长情况，对比4.5中所需要获得的强度增长ΔC_u，确定得到达到要求强度时的固结度；

4.7确定两级加载之间的等待时间：根据太沙基一维固结理论，用第一步中固结度与时间因子的关系及4.6中的固结度，得到等待时间；

4.8根据前期已确定的两级路堤高度，总高度及两级堆载时间及之间的等待时间确定整体工程的工程进度；

第五步，根据第四步中确定的施工方案进行路堤堆载施工，最后铺设路面，完成整个路堤的施工。

2.根据权利要求1所述的在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法，其特征是，所述第二步中的2.1，每铺设0.2m厚时碾平压实。

3.根据权利要求1所述的在强结构性软土上使用的堆载预压法安全施工方法，其特征是，所述第二步中的2.2，塑料排水板打设机为静压式或者震动式，布置竖向塑料排水板。

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