消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术.pdf

本发明公开了一种消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术，其技术内容为：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以消除振陷性：含水量百分数ω＜ωp，其中ωp为黄土的塑限，干密度ρd≥1.63g/cm3，平均压实系数≥0.93，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。

1、  消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术，其特征在于：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以消除振陷性：含水量百分数ω<ω_p，其中ω_p为黄土的塑限，干密度ρ_d≥1.63g/cm³，平均压实系数≥0.93，平均挤密系数>0.95。

2、  根据权利要求1所述消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术，其特征在于：地基处理方法有表层换土垫层、浅部强夯、中部水泥挤密桩和深部DDC桩。

3、  根据权利要求2所述消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术，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。

消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术
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、小振幅作用下发生振陷的地基处理技术，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，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)。
技术内容
本发明的目的是提出一种消除铁路、公路路基黄土振陷的地基处理技术及标准。
本发明技术内容如下：
铁路、公路路基经过换土垫层、强夯、水泥挤密桩或DDC桩处理后，地基的压实程度达到以下标准可以消除振陷性：含水量百分数ω<ω_p，干密度ρ_d≥1.63g/cm³，平均压实系数≥0.93，平均挤密系数≥0.95。
黄土振陷是指在动荷载作用下黄土密度增大、孔隙减小、地面发生沉降的现象，常用土的残余应变作为振陷定量指标。发明人在黄土地区采集了大量的样品，分别研究了干密度、振次和动应力对击实黄土振陷性的影响规律。其中，干密度反映黄土振陷性的内因的一个重要方面。而动应力大小和作用次数则是造成黄土振陷性的外因。在内因和外因表征物理量已知的情况下，如何来估算振陷系数，这对黄土地基的处理具有非常重要的实用意义。
基于试验结果，对每一振次下的干密度和循环动应力幅值与振陷系数的关系进行了分析，发明人发现，这两个内外因参数与振陷系数之间具有很好的相关性，并可以用如下的公式来表达：
&epsiv; p = a - b ( ρ d σ d ) + c ρ d - d ρ d + e ρ d 2 ]]>   (r>0.98)(1)
式中，a，b，c，d，e为试验常数。公式中第二项代表干密度和动应力两个因素的共同作用。第三项代表动应力的影响，动应力越大，振陷系数越大；第四项和第五项表示干密度的影响，一方面，干密度越大，振陷系数越小；另一方面，由于在干密度较大时，振陷系数随干密度的增长开始变缓，因此第五项是对第四项在高密度段偏差的修正。这样，利用公式(1)就可以对干密度已知的一般黄土地基在不同循环振次和大小的动应力作用下的振陷系数进行估算。
对黄土路基的动力反应进行了大量的数值研究，分析了不同的处理方式、不同高度的路基，在交通荷载作用下的应力、应变分布规律，研究了长期交通荷载作用下路基的振陷性。同时，通过现场激振试验，对以上结果进行了验证。
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振陷呢？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振陷。
强夯处理黄土地基湿陷性的方法在有效深度范围内可以完全消除黄土地基在最优含水量下的振陷性。其处理的干密度指标应该随着含水量的提高而提高。在最优含水量(16％左右)时，这个干密度标准应该为1.63g/cm³。
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。三七灰土垫层在湿陷性被消除的同时，消除黄土振陷性。
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振陷性，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，可消除黄土地基振陷沉降，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。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振陷的工程评价标准。这个标准最关键的问题是考察已处理的地基的压实程度或挤密程度是否能够达到消除振陷的标准。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振陷的关系，从而提出了提出一种简单实用的判别是否消除黄土振陷的工程评价标准，如表1。
表1 消除黄土振陷的标准