软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究

Ｚｈｅ－ｊｉａｎｇＳｃｉＴｅｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ硕士学位论文Ｍ’ａｓｔｅｒｓＴｈｅｓｉｓ（＠）中文论文题目：软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究ｔｔ－英文论文题目：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｓｅｌｅｍｅｎｔｒｅｄｕｃｉｎｇｂｙｐｒｅ－ｌｏａｄｉｎｇａｎｄａｎｔｉｓｌｉｐｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｏｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ学科专业：土木工程材料学作者姓名一鸣：褚指导教师：俞峰完成日期：２０１７．１２．１０ 浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一所做。与我同工作的同志对本研究的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。￣、学位论文作者签名：°签字曰期：＞／名年多月／Ｊ＞曰 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向国家、有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权淅江理工女学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播采用影，可以印、缩印或扫描等复制手段保存位论文。、汇编学（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：签字曰期：Ｐ《年＞月曰／导师签名：日签字日期：年Ｊ月Ｕ 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究摘要由于公路线路较长，经过路段地质条件相对复杂，公路建设中路基填料的来源十分有限，都使用优质填料的可能性不大，限于造价，往往就地取材成为必然选择。所以在傍河软土地区采用覆水预压法，对于砂、石、土等材料资源紧张而水资源丰富的东南沿海地区来说，该方法很有实际意义。本文通过舟山某软土场地大型真空联合堆载预压试验获取软土预压变形发展规律，进一步结合温州傍河软土路堤的水文地质条件，提出采用水囊堆载预压来代替真空联合堆载预压的新工艺，并开展了现场试验进行技术中试。同时，针对傍河路堤深厚软土地基工程特性，引入路堤-河岸共建理念，在数值模拟的基础上，进行生态护岸设计，达到生态功能优先、环境优美的目的。主要内容包括：1、针对舟山某软土场地进行大型真空联合堆载预压试验，分别从地表沉降、地基分层沉降、孔隙水压力、测斜等方面进行分析，同时基于地基处理后的土体参数来对工后沉降量进行预测分析。2、基于温州傍河路堤的具体项目条件，利用先期研发的水载预压法新型堆载工艺，在传统堆载预压法理论和工艺的基础上，结合深厚软土傍河路堤这一特定应用背景，进一步创新、中试，使其推广成为一套成熟的路堤减沉绿色技术。3、抓住浙江沿海深厚软黏土的独特工程性质，选取合理的计算参数，从沉降、稳定性两方面建立与之相匹配的傍河路堤岩土灾变控制模型，分别从排水板、路堤填筑坡率、卸载-再加载土体高度以及坡脚处河道开挖等方面对边坡进行滑移分析。4、在有限元模拟的基础上，根据高速公路两侧水系、湖塘的分布情况，将生态护坡分成路基临池（鱼）塘、桥头滞洪区和临河道（溪流）三类，并针对高速路临河道一侧护坡坡面在不同坡度、与河道的不同水平间距情况下的生态护坡、生态型驳岸的做法以及对应的绿化材料选择，提出了相应的生态护岸技术的设计方案。关键词：软土，沉降，稳定性，生态护岸，现场试验I 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究AbstractBecauseofthelonghighwayrouteandcomplicatedgeologicalconditions,thesourceofroadbedfillerinhighwayconstructionisverylimited.Limitedtocost,itisinevitabletochooselocalmaterialsinsteadofhighqualityfiller.Becauseoftherichwaterresourcesandtheshortageofgravellysoilresources,itissignificanttousewater-coverpreloadingmethodattheriversideareainsoutheastcoast.Inthisthesis,thedevelopmentrulesofpreloadingdeformationofsoftsoilareobtainedbypreloadingtestofalargevacuumjointinasoftsoilsiteinZhoushan.BasedonthehydrogeologicalconditionsoftheembankmentinWenzhou,thispaperproposesanewtypeofwaterpocketsurchargepreloadingtoreplacevacuumcombinedsurchargepreloading,andcarriesouttechnicaltestonsite.Atthesametime,accordingtotheengineeringcharacteristicsofdeepsoftclayalongthecoastalembankment,theembankment-bankconstructiontechnologyisadopted.Toachievethegoalofecologicalfunctionandbeautifulenvironment,theecologicalbankisdesignedonthebasisofnumericalsimulationanalysis.Themaincontentsofthispaperinclude:1.AccordingtovacuumcombinedsurchargepreloadingofdeepsoftsoilinZhoushan,thesurfacesettlement,layeredsettlementofground,porewaterpressure,inclinationsurveyareanalyzed.Basedonthesoilparametersafterthegroundtreatment,thesettlementispredictedandanalyzedatthesametime.2.BasedonthespecificprojectconditionsoftheembankmentinWenzhou,anewtypeofloadingprocessisdevelopedbywater-loadpreloadingmethod.Onthebasisofthetraditionalpreloadingmethod,combinedwiththespecificapplicationbackgroundofdeepsoftsoilembankment,furtherinnovation,pilottest,whichmakeitbecomeasetofmaturegreentechnologyofembankmentreduction.3.WiththeuniqueengineeringpropertiesofdeepsoftclayinZhejiangcoastalareaandreasonablecalculationparameters,thegeotechnicalcatastrophiccontrolmodelofdrawnearembankmentisestablishedfromthetwoaspectsofsettlementandII 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究stability.Theslidingoftheslopeisanalyzedfromtheaspectsofdrainageplate,embankmentfillingsloperatio,unloading-reloadingsoilheightandriverexcavationatthefootoftheslope.4.Onthebasisoffiniteelementsimulation,accordingtothedistributionofwaterandlakepondsonbothsidesofthehighway,theecologicalprotectionslopeisdividedintothreetypesofroadbed(fish)pond,bridgeheaddetentionareaandriver(stream).Basedondifferentslopeandhorizontalspacingoftheriver,differentplantsareselectedandthecorrespondingdesignschemeofecologicalprotectiontechnologyisputforward.Keywords:Softsoil,Settlement,Stability,Ecologicalrevetment,FieldtestIII 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究目录摘要..............................................................................................................IAbstract.......................................................................................................II1绪论..........................................................................................................11.1选题背景与意义..............................................................................................11.2国内外研究现状..............................................................................................21.2.1排水预压法发展状况...........................................................................21.2.2沉降计算方法的研究现状...................................................................31.2.3路基失稳研究现状...............................................................................41.2.4稳定性分析方法研究现状...................................................................51.3本文研究内容和方法......................................................................................71.3.1研究内容...............................................................................................71.3.2研究方法...............................................................................................82深厚软弱土地基的堆载变形规律试验研究........................................102.1工程概况........................................................................................................102.2试验概况........................................................................................................102.3试验结果分析................................................................................................112.3.1地表沉降.............................................................................................112.3.2地下水位与孔隙水压.........................................................................122.3.3地基分层沉降.....................................................................................142.3.4深层土体水平位移.............................................................................142.4沉降的预测与分析........................................................................................152.5本章小结........................................................................................................193软土地基傍河路堤的堆载施工工艺与试验........................................213.1背景介绍........................................................................................................213.2新型覆水预压堆载技术开发........................................................................213.2.1新型水囊预压堆载技术机理与特点.................................................21IV 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3.2.2密封水囊结构尺寸确定.....................................................................223.3覆水预压现场试验........................................................................................243.3.1工程概况.............................................................................................243.3.2试验概况.............................................................................................263.3.3温州现场试验工作流程介绍.............................................................273.4现场试验段数据结果与分析........................................................................283.4.1地表沉降.............................................................................................283.4.2土体分层沉降.....................................................................................293.4.3深层土体水平位移.............................................................................303.5本章小结........................................................................................................314傍河路堤边坡稳定性控制技术研究...................................................324.1概述................................................................................................................324.2数值计算模型及参数....................................................................................324.3数值计算结果分析.......................................................................................344.3.1排水板对土体固结沉降影响分析.....................................................344.3.2路堤填筑坡率对安全系数影响分析................................................354.3.3加载-再卸载土体高度对安全系数影响分析....................................354.3.4路堤坡角处河道开挖对安全系数影响分析.....................................364.3.5管桩施加对路堤安全系数影响分析.................................................374.3.6管桩施加对安全性影响分析.............................................................384.3.7河道深度对安全性影响分析.............................................................394.3.8护坡土体宽度对路堤安全性影响.....................................................404.3.9桩排数对路堤安全性影响.................................................................414.4本章小结........................................................................................................425生态型傍河路堤与河道共建技术研究................................................445.1概述................................................................................................................445.2总体方案设计................................................................................................445.3绿化种植材料选择........................................................................................555.4坡岸土壤的要求............................................................................................56V 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究5.5其他统一技术要求........................................................................................565.6本章小结........................................................................................................576结论与展望............................................................................................586.1结论................................................................................................................586.2创新点............................................................................................................596.3展望................................................................................................................60参考文献....................................................................................................61攻读硕士学位期间取得的学术成果.......................................................67致谢............................................................................................................68VI 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究1绪论1.1选题背景与意义我国沿海部分地区人口众多，土地资源少，区域内部路网、河网密集，为了节约用地，促进土地资源集约利用，在傍河公路建设过程中，经常会将河道或灌溉水渠路基坡脚再改道，依路顺行。建设中对原有的水道进行裁弯取直，使水道变直、变短，这就导致了河床的坡降加大，过流断面变小，河水流速加快，从而对河床部分产生强烈的冲刷作用，致使河床底部降低，沿河的墙体基础包括护岸墙、路堤墙等可能被掏空，致使墙体坍塌。另外，滨海傍河公路建设涉及的河道改建工程势必会破坏原有地形地貌和植被状况，造成水土流失。更不利的是，沿海平原内广泛分布流塑状淤泥及黏性土，该软土层含水量高，孔隙比大，厚度深浅不一，地层分布特征极为复杂，傍河路堤地基处理尤为棘手。除了滨海傍河路堤建设中的难题，在高速公路建设中，河道改建工程的护岸问题也日益突出。在一定的历史条件下，传统的河道护坡型式具有在一定程度上提升岸坡结构的稳定性、防洪排涝以及避免水土流失的功能，但它们的局限性逐渐开始表现出来，如前期工程造价昂贵、施工复杂，后期维护工作难度大，同时对生态景观造成了一定程度的损害，影响了水陆的生态环境。通常表现为：刚性护岸水体自净能力消失，草木难以生长；由于河道截弯取直、相对规则的横截面造成水中的许多水生动植物无法生存；由于河道的改道，造成地下水的补充通道直接被切断，城镇地下水位大面积降低等，可见河道生态护岸的研究也十分必要。东南沿海地区河网密布，高速公路建设涉及大量的深厚软土地基傍河路堤与改河共建的技术难题。鉴于滨海地基土十分软弱，承载力很低，需要对地基土进行堆载预压来提升地基强度、控制工后沉降，所以对软土沉降规律进行研究很有意义。由于路堤河床岸坡场地相对狭窄，岸坡上的填筑和开挖工作均易诱发既有路堤的变形甚至滑塌，如何保障对今后建成的公路安全、舒适地通车，开展造价经济、技术安全、岸坡绿化、工艺可行、与岸坡共建的生态集约型傍河路堤的关键技术研究尤为必要。大量工程实例表明，桥头路堤由于路侧改沟诱发滑移变形和路侧改河的安全距离控制等问题，滨海傍河路堤的安全稳定与土地利用的集约化之矛盾日益突出。如何控制改河与路堤的合理间距，如何实施沿河老路的工程1 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究拓建，如何预防沿河路堤的工程灾害，如何提升傍河路堤的施工工艺，解决该系列问题具有重要的工程意义，具有工程示范效应。一方面是建设工程的范围不断扩张，地基选择的可改变性越来越少，另一方面是人们对工程的功能性要求提高，地基沉降的控制越来越严格，高要求已经提出，本文研究的目的就是通过对软土路基预压减沉的研究进一步为深厚软土地基的傍河路堤施工提供科学地指导，通过路堤防滑技术的研究可以提高对相应工程的控制及管理水平，并为具体工程开展提供必要的学术理论和技术经验总结。1.2国内外研究现状1.2.1排水预压法发展状况20世纪30年代，堆载预压法最早在加州的沿海道路上得到应用，50年代初我国初次运用这种方法实现了对船台地基的加固[1]，1959年再次运用此方法实现了宁波公路地基的加固和舟山工程地基的处理。70年代末在研究堆载的基础上，发明了袋装砂井，此后进一步开发出塑料排水板，基于其的排水效果明显，得到了广泛的应用。1952年，Kjillman[2]首次提出可以采用真空荷载来替代堆载荷载的试验方法。1958年，美国费城机场成功将真空预压理论运用于实践，完成了机场扩建的地基加固工程[3]。1970年，日本运用此方法实现了新干线淤泥质粘土地基的加固工作[4-5]。1982年，大阪港口将这种方法应用于地基加固上，共分为2个抽真空阶段[6]。由于第一阶段中上部的软弱吹填土性能改善有限，所以在之后利用密封管道直接将深层土体真空度提升、同时利用负压把水抽出，并在上层铺设水平排水通道，然后密封，使得第二次的真空度稳定在630mmHg。本工程因地制宜将大面积场地的密封问题解决了，把这项技术引向一个新的高潮。20世纪60年代，南京水利科学研究所[7]进行了一次现场试验，该试验是通过抽真空使得压力可以迅速提升为600mmHg，然而由于传递性有限，地基沉降并不明显。21世纪以来，经过专家学者的不断研究，堆载联合地基处理方法被提出，不仅加固效果明显，同时适用性显著提高，从原来的只能对淤泥质土使用，发展为可以对新近吹填的疏浚土使用，同时给二次深层软土加固提供了坚实的基础，将我国的真空预压加固技术提升到世界先进行列[8]。1980年以来，我国逐渐对真空联合堆载预压法进行探索。近来，真空联合2 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究堆载法在我国东部沿海地区得到了广泛应用，如在福州、京珠、汕头港、天津以及浙江舟山等地，均有相应的软土地基处理项目，同时由于学者们对该项技术的不断研究和探索，使该法的理论水平和实践能力都达到了国际先进水平[9]。目前存在两种理论针对于固结计算：首先是解析法，这是以固结理论作为依据的，主要以Barron法[10]、Hansbo法[11]和曾国熙法[12]为主；第二种是数值计算法，这种方法是以Terzaghi和Biot固结理论为基础。1986年闰澎旺和陈环[13]提出了有限元计算方法，通过真空预压来实现软土地基加固，并且假定表面与砂井内恒定为负压。同年，沈珠江和陆舜英[14]基于比奥固结理论，以及恒定负压的条件，土层深度越深负压值越小，顶部负压值为底部三倍，通过选用不同模型，实现了对软土地基沉降变形的预测。一年过后，林丰和陈环[15]基于真空联合堆载的方法，通过利用边界元方法实现了对砂井地基固结过程的分析。2005年，俞建霖、朱建才等[16-17]利用割线模量法以及压缩试验成果，提出余量迭代算法。刘汉龙、李豪[18]利用三轴仪分别对堆载、真空、真空联合堆载三种方式来实现软土地基加固的模拟过程。陈环等[19-21]得出由于抽真空作用使土体中产生负压，在这种情况下产生的沉降，比之在正压情况中出现的固结，两者之间的区别仅仅是边界条件不同，所以应该用原来的微分方程组求解，并基于此提出了正负压叠加理论。高志义[22]提出真空预压与降水预压两者方法是截然不同的，同时认为前者产生的渗流与土的固结不构成因果。龚晓南等[23]基于现有研究基础上，将渗流理论与之融合，开创了真空渗流场理论，这种理论只用于地下水位以上土体。1.2.2沉降计算方法的研究现状李纲林等[24]对东深供水改造工程中某段明槽段地基进行了试验计算，与实测结果较为接近。张诚厚等[25]基于工程实况为依据，建立了梯形荷载条件下用于计算地基沉降的半经验公式。陈孝培等[26]利用黄金、白银分割法，以时空效应为基础，确立了原位试验和室内测试两者的关系。梅国雄[27]利用e-p以及e-lgp曲线，在考虑对侧限压缩模量可能受到土体竖向应力影响的条件下，提出计算土体的沉降与应力的思路。刘子彤等[28]运用了梅国雄的方法进行了深入的研究，找到了一种可以将之简化的算法。王玉锁[29]通过探讨压缩模量和稳定性两者之间的可能，得出细粒含水3 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究率与压缩模量之间可能的规律。徐金明[30]通过原始积分来求得附加应力，改进了分层总和法。王志亮[31]等利用有限元计算，认为经验系数可能受到孔隙比的影响，而且它会随孔隙比增大而增大，以此来考虑侧向变形可能引起的沉降。彭长学和杨光华[32]在假设e-p曲线为双曲线的前提下，求得到Duncan-Chang模型的切线模量，然后在地基非线性沉降计算中得到了使用，该方法具有使参数易获取的优点。Popescu[33],Nour[34]等通过使用概率分布函数，来实现了对模量的空间变异性的研究，张在明[35]基于之前的研究，得到了压力和等效变形模量的变化关系式。焦五一[36]研究了适合硬土地基压缩模量的获取方法，首先是基于压板试验的参数曲线来确定弦线模量，然后用弦线模量压缩模量。杨光华[37-39]、谢树彬[40]采用双曲线法来进一步拟合地基土荷载与位移关系的曲线，杨光华并基于此进行了更为深入的探索，提出了原状土切线模量法[41,42]、割线模量法[43]，并把研究方法拓展到了工程的实际计算。李仁平[45]基于王杰光[44]的研究思想上提出了创新，提出修正切线模量法，并基于小尺寸压板试验的结果，研究了大尺寸基础的沉降计算[46,47]。魏汝龙[48]建议运用割线模量来代替变形模量，实现了对三维条件下沉降量计算。曹文贵等[49-52]考虑土体沉降的非线性特性，通过探讨压缩性对参数的影响，开创了求解地基沉降的改进方法。Kondner[53]最先在描述土体的应力与应变关系时使用了双曲线方程，Duncan-Chang[54,55]使用了Kondner的方法建立了著名的邓肯-张模型。廖雄华[56]等将Mohr-Column屈服准则和Duncan-Chang模型有效结合起来，在这个基础上研发了非线弹性一塑性模型。应永法等[57]运用弹塑性模型开创了求解地基沉降的非线性分析方法。何思明[58]提出了修正的思想，选取邓肯-张模型以及修正剑桥模型一起用来叙述土体的固结理论；该方法简单、适用性广，并且综合了多方因素对土体变形的影响。王志亮等[59-61]研发了得到切线弹模简单方法，并对之进行误差分析，得到了相应的修正系数，结合有限元分析计算路堤的沉降。1.2.3路基失稳研究现状1）路基的边坡失稳4 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究路基边坡失稳就会出现塌方等灾害，近几年因路基边坡失稳引发的安全事故频频发生，钱鳃等[62]就路基高填方边坡提出：路基的高填方边坡应经过稳定性验算，可以选用卸载、挡墙、抗滑桩、综合排水等措施防止边坡出现崩塌滑坡，争取一步到位，不留任何安全隐患。进入20世纪90年代后，随着科技经济迅猛发展，我国开始大量修建高等级铁路、公路，这期间涉及很大程度的高填深挖路基，因此提升边坡稳定性日趋重要[63]。张天宝[64]推导的极限边坡稳定，基于定性逐渐分析定量，并且基于确定性逐渐研究非确定性。目前最可能增加边坡稳定的方式是增加挡土墙，挡土墙可以很好的防止土体的侧向位移，保持土体的稳定。2）土质造成的路基失稳土质造成的路基失稳主要是由冻土、软土造成的，他们由于气候温度的改变，使土体本身结构发生变化造成了路基的失稳。对于稳定性这个最基本的问题，Perttson提出Fellenius和Taylorls等不断改进的圆弧滑动法为代表的极限平衡法盐酸稳定性来研究软土地的稳定性[65]。对于软土地基的处理一般采用加固地基的方法，软土地基的加固方法主要是袋装砂井、强夯法、换填法、振冲碎石桩法等。3）挡土墙失稳挡土墙在路堤施工中应用普遍，因为它容易施工，适应能力强，并且能够就地取材。但是可能因为原填方土体不实，或者交通量变大等原因，挡土墙在使用一段时间后，常常会呈现一定程度的失稳现象[66]。由于挡土墙墙背后存在土压力，以及外部存在相关载荷，这些都可能导致路基结构失稳。王榭根等人对频繁荷载作用下以及水灾、地震等自然危害条件下失稳现象进行了研究[67]。关于挡土墙的形式，孙会刚提出根据沿线地质条件和边坡高度，采用灵活的设计原则，有效减少了防护设施的体积，增加路容的美观效果[68]。为了防止可能出现的滑坡问题，Gray[69]对其进行了大量研究，采用多级挡土墙的边坡支护措施。目前使用有限差分法时对挡土墙结构变形失稳数值进行模拟大变形和扭曲等力学状态。1.2.4稳定性分析方法研究现状边坡稳定性分析是岩土领域中相对古老的问题，同时也是复杂又困难的问题，它的研究方法很多，而且不同的分析方法之间也有很大区别，其特点及适用范围也各不相同[70]。5 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究1）极限平衡法1776年，库仑得到了可以用来计算挡土墙压力的研究方法，意味着土力学开始进入发展阶段。在1857年，郎肯基于墙后土体各点达到平衡条件，提出用于计算主动与被动土压力的方法[71]，将两者应用在边坡稳定性分析中，并将之进而推广成为体系，便是极限平衡法的由来。极限平衡法的特点是只研究了静力平衡条件下的土体破坏准则[72,73]，在土体破坏的极限时刻，然后用平衡方程进行求解。通常情况下，解答这种超静定问题时，需要在引入一些符合工程实际的假定及简化，将之转换为静定问题来求解。但是，这种转化会对响极限平衡法造成一定程度的影响，反而言之，由此带来的优点是大大简化分析过程，因此，一直被实际工程采用[74]。根据假定条件选取的不同，存在多种分析方法，包括Sarma法、瑞典圆弧法、简化Jaubu法、简化Bishop法[75,76]、罗厄法、Spencer法[77]、Morgenstem-Price法[78]等。2）滑移线法滑移线法是将屈服条件、平衡方程和应力边界条件三者结合起来，通过进一步的求解，得到土体塑性区的应力分布，然后解出极限荷载，以及安全系数的方法[79]。求解平面应变问题时，常常采用一个屈服条件下对两个平衡方程进行求解，获得应力分量作为结果，但是在现实工程当中，应力和位移率也要加入其中，同时还需应力应变关系，这样进一步求得最终解。因此，滑移线场既需要满足边界条件，又需要达到塑性功率非负，这些在现实工程中往往难以实现，现实中并不存在通用的差分法来应用于实际的岩土工程当中，因而，滑移线法的推广极为受限，在实际工程中得不到很好的使用。3）有限元强度折减法有限元强度折减法[80-82]是将边坡土体剪切强度的参数一步步减小至开始破坏为止来进行稳定分析的。有限元强度折减法起先是Zienkiewice[83]研究出来的，但是基于技术受限，未能获得重视，这些年来，由于计算的技术的空前发展，此方法重新获得了专家们的认可，被广泛使用于边坡稳定性分析当中。Duncan[84]指出，当边坡处于极限平衡状态，在这个时候将土的剪切强度折减，这个折减的大小就是边坡安全系数。运用这种方法时，第一步选用特定折减6 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究系数，然后采用逐级加载的方法，运用有限元计算，进而求得位移场或者是应力应变场，并对位移或者是应力、应变进一步分析，然后总结归纳，不断增大折减系数，直至达到极限平衡状态，那么这个时候的系数就是安全系数[85]。修正的Mohr-Column准则是利用光滑而且连续的曲线来一步步逼近原来的准则，这种方法虽然简便，可是基于其公式较为复杂，而不适用于实际[86,87]。徐干成和郑颖人院士[88]于1990年提出的DP3屈服准则，通过在现实工作中不断地运用，得到了良好的印证。1.3本文研究内容和方法1.3.1研究内容本文通过舟山某软土场地大型真空联合堆载预压试验获取软土预压变形发展规律，进一步结合温州傍河软土路堤的水文地质条件，提出采用水囊堆载预压来代替真空联合堆载预压的新工艺，并开展了现场试验进行技术中试。同时，针对傍河路堤深厚软土地基工程特性，引入路堤-河岸共建理念，在数值模拟的基础上，进行生态护岸设计，达到生态功能优先、环境优美的目的（如图1.1所示）。具体内容如下：1.针对舟山深厚软弱土地基进行真空联合堆载预压试验，分别从地表沉降、地基分层沉降、孔隙水压力、测斜等方面进行分析，同时基于地基处理后的土体参数来进行沉降量预测分析。2.基于温州傍河路堤的具体水文环境，利用先期研发的水载预压法新型堆载工艺，在传统堆载预压法理论和工艺的基础上，结合深厚软土傍河路堤这一特定应用背景，进一步创新、中试，使其推广成为一套成熟的路堤减沉绿色技术。3.抓住浙江沿海深厚软黏土的独特工程性质，选取合理的计算参数，从沉降、稳定性两方面建立与之相适应的傍河路堤岩土灾变控制模型，分别从排水板、路堤填筑坡率、卸载-再加载土体高度以及坡脚处河道开挖等方面对边坡的安全系数进行分析。4.基于有限元模拟的分析，根据高速公路两侧水系、湖塘的分布情况，在满足工程建设安全性、生态功能优先性、环境优美可行性、经济成本适用性的基础上，将生态护坡分成路基临池（鱼）塘、桥头滞洪区和临河道（溪流）三类，并针对高速路临河道一侧护坡坡面在不同坡度、与河道的不同水平间距情况下的生7 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究态护坡、生态型驳岸的做法以及对应的绿化材料选择，提出相应的生态岸坡共建技术的方案。东南沿海地区修建高速公路滨海地基土十分软弱，含水量路堤河床岸坡场地狭窄，填筑高，孔隙比大，承载力低开挖易诱发变形甚至滑塌需堆载预压进行地基处理需进行路堤滑坡集成技术研究水资源丰富，砂、土、石资源有限进行有限元软件模拟，建立研发新型水载工艺路堤岩土灾变控制模型需要对沉降规律研究多方面对路堤稳定性进行分析真空纯堆水囊联合载预堆载堆载压试预压结合工程具体的水文地质条件预压验试验试验在模拟基础上进行生态岸坡设计沉降规律是否相似，水囊堆载是否可行实现造价经济，技术安全，岸坡绿化、工艺可行、与岸坡共建的生态集约型傍河路堤图1.1技术路线图1.3.2研究方法（1）调研和资料分析针对相关的研究内容，进行收集、整理和分析国内外关于在排水固结预压方8 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究法边坡、稳定性分析、生态护岸等方面的资料。（2）现场试验1）开展舟山真空联合堆载预压试验，对试验区地层土体性质、地质构造、水文地质及工程地质资料进行收集，同时对试验后的实测数据整理分析。2）结合温州绕城高速的水文地质条件，选取试验段开展水载预压试验，对试验段地层土体性质、地质构造、水文地质及工程地质资料进行收集，同时对试验后的试验数据整理分析。（3）数值模拟选取试验段相关的土体参数，通过数值模拟的方法，分析不同工况条件下边坡变形破坏形式及其稳定性系数的变化。（4）生态岸坡设计基于有限元软件的分析，根据温州绕城高速公路河两侧水系、湖塘的分布情况，将生态护坡分成路基临池（鱼）塘、桥头滞洪区和临河道（溪流）三类，提出设计方案。9 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究2深厚软弱土地基的堆载变形规律试验研究2.1工程概况试验依托舟山某工程，试验场地达到合格后用作厂房的地坪，上部使用荷载设计值为50kPa，浅基础的地基承载力特征值要求不小于100kPa，场地标高3.0m，要求建成后3年内的地基沉降量不能大于80mm。在实验区域范围内，主要是淤泥质土，由于该土体是高压缩性土，物理力学特性差，必须处理后方可使用。由于拟建场地浅部地基承载力不足以满足设计要求，因此其地基进行真空堆载联合预压处理。地基土可分为四层，有关的土性参数见表2.1。表2.1试验区土层土性参数表含水天然土粒饱和孔隙液限塑限塑性液性土层厚度层岩土名量重度γ比重度Sr比eWLWp指数指数h号称%kN/m3G%%%Ip%IL%m粉质黏2.20～①334.019.12.7397.20.92038.322.116.20.70土4.80淤泥质最大揭露②144.618.02.7598.31.20743.723.620.11.06黏土厚度8.20淤泥质最大揭露②242.517.62.7495.81.21541.423.218.21.07黏土厚度9.30最大揭露③1黏土41.218.02.7497.81.15143.825.318.50.88厚度2.902.2试验概况整个一期工程陆域地基共布置6个分区，单个分区面积小于30000㎡，分别为真空联合堆载预压区Z-1、Z-2、Z-3、Z-4和Z-5以及纯堆载预压区D1，共设置6个钻孔取土点和6个现场十字版取土点、42个孔隙水压力测量点、6个深层分层沉降测量点、7个测斜点、7个水位测量点、86个地表沉降测量点、6个分层沉降观测点，如图2.1所示。10 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究Z-1区Z-2区Z-3区Z-4区Z-5区D-1区图2.1仪标平面布置示意图工程区域现有场地平均标高约2.5m，地基处理流程共有5步，按顺序依次为：场地处理、插设排水板、荷载施加、预压、卸载。其中场地处理包括清除场内的植被、杂物，将上层回填宕渣内含有的粒径大于30cm的大块石尽量破碎，局部低洼区域回填素土。插板包括水平和垂直排水通道，时间约70天。真空预压要求荷载达到85kPa后（膜下的真空度稳定在650mmHg），转入正常抽真空阶段，然后由0时刻开始计时，抽真空总时间为120天时间。纯堆载D-1区实际加载如图2.2所示，实际加荷计划共有两级荷载，分别为18kPa和36kPa，对于D-1区而言，0时刻为排水板施工完成的时间。图2.2D1区加载时间曲线示意图2.3试验结果分析2.3.1地表沉降图2.3为地表沉降随时间变化曲线，可以看出地表的沉降累积量与载荷大小的变化趋势有关，载荷越大，沉降量和沉降速度也相应增加。在堆载实施后，11 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究D-1区沉降速度有一定的增加，随后逐渐减小。加载后期，日均沉降量慢慢减小并趋于0。基于上层土层是吹填淤泥质土，在插设排水板至真空加载期间，即初次地表沉降监测以前，各区有近50mm的沉降。截至151d，真空联合堆载预压法实施的5个分区中，平均沉降量最小为Z-1区，处于实验区域北端边缘；平均沉降量最大为Z-4区，处于试验区域的中央位置。根据各个分区的平均沉降量分析，对于整个地基处理试验区而言，由于受到边界条件的限制，在水平方向上看，地基表现出盆状的凹型分布，即两侧各分区平均沉降量均略微小于中间区域的平均沉降量，同时由于数值相差较小，表明地基沉降相对均匀，试验效果显著。自从堆载实施开始，纯堆载D-1区沉降速度增大，加载后的沉降速度远大于之前的速度，达到指定荷载一段时间后，沉降速度缓缓减小，到60d（即第二级荷载开始施加)，该区沉降速度显著增加，随后逐渐减小。截至151d，各分区平均沉降量每日变化值均小于1.5mm，表明沉降趋于稳定。图2.3地表沉降-时间变化曲线2.3.2地下水位与孔隙水压本次试验中共设置7个水位监测孔，都位于试验区域的外侧，相应的地下水位变化如图2.4所示，其中水位高度是指水位水面与地面标高的差值。从图2.4可以看出，由于检测孔在试验区的密封墙之外，所以真空荷载的施加对水位高度的影响较小。尽管如此，在真空荷载施加的早期，大多数监测孔的水位依然有明显的下降趋势。同时，随着真空荷载的进一步施加，各监测孔的水位变化趋势逐12 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究渐减缓，当荷载达到指定荷载之后，水位有恢复到荷载施加前原水位的趋势。图2.4地下水位-时间变化曲线如图2.5所示，由于施工的进行，孔隙水压力均有所减小，在真空荷载施加早期，孔隙水压力减小最为显著。由图中可以看出，深度越大，孔隙水压力受到荷载影响也就越弱，浅层土体受到影响最为明显。在施工进行中，Z-1区曾发生过密封膜破裂现象，因而图中也出现了相应的孔隙水压力反弹现象。在荷载施加之后，孔隙水压力逐渐增大，达到指定荷载之后，孔隙水压力有所减小，土体的有效应力增加，土体强度有所增长。荷载施加结束后，孔隙水压力均有明显提升。由图2.5(b)可以看出，在开始堆载之后，堆载预压D-1区的地表下深层土体孔隙水压力上升明显，10.5m以下浅层土体受影响较小，这是由于浅层土体放置有排水板的缘故。当堆载达到指定荷载之后，随着作用时间的进一步增加，孔隙水压力逐渐消散。(a)Z-1区(b)D-1区图2.5各分区孔隙水压力-时间变化曲线13 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究2.3.3地基分层沉降如图2.6(a)所示，随着抽真空进行，Z-3区各个深度的磁环均随土体产生向下的沉降，抽真空早期，向下沉降的速度相对较大。随着荷载进一步施加，不同磁环向下的沉降速度逐渐减小，沉降量也逐渐稳定。在不同深度上，通过比较可以发现，不同深度的土体都有一定的沉降变形。在不同的时期内，浅层磁环的沉降速度均大于深层磁环。在荷载施加以后，浅层土体的沉降速度提升大，深层土体沉降速度变化趋势相对平缓。如图2.6(b)所示，纯堆载D-1区在荷载施加之前沉降较小，随着荷载增加，沉降速率迅速增大，沉降量增加。在满载一定时间之后，沉降曲线趋于平缓，沉降量也达到稳定。(a)Z-3区(b)D-1区图2.6各分区土体分层沉降-时间变化曲线2.3.4深层土体水平位移由图2.7可知，7号测斜孔的水平位移累计值最大，1号测斜孔的水平位移累计值最小，随着载荷的增加，不同测斜孔的水平位移累计值均有所增加。堆载施加之后，由于右侧坡脚的1号孔测斜管接高，故而土体对其有向外的挤压，导致出现反向位移，具体的原因是在荷载施加后，对于一定深度的土体，当由抽真空产生的向心力小于填土载荷在此深度产生的水平附加应力时，土体会产生反向的水平位移。从图2.8来看，随着真空荷载的施加，水平位移累计量缓缓增大。在时间相同的情况下，随着深度增加而逐渐减小。在真空荷载施加早期，水平位移发展速度较快，随着荷载的进一步施加，其变化速度逐渐减慢。由图可见，水平位移变化集中发生在20米深度范围以内的浅层土体，深层土体的水平位移变14 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究化量较小。在荷载达到指定荷载一定时间以后，土体水平位移累计量增加趋势逐渐变缓而达到稳定。图2.7测斜孔水平位移累计量-时间变化曲线(a)左侧坡脚CX7(b)右侧坡脚CX1图2.8测斜孔水平位移-深度分布曲线2.4沉降的预测与分析2.4.1地基处理前后参数对比分析对于软土地基，地基处理前后所得的各土层的压缩模量和固结系数如表2.1和表2.2所示。通过对各观测点处土层的压缩模量和固结系数进行参数对比分析，大部分测点的处理后的压缩模量为2～5MPa，固结系数为1～3cm2/s，由表中可知，处理后的粉质粘土压缩模量最大值可达6.09MPa，处理后淤泥质粘土的压缩模量最大值和最小值分别为3.49和2.10MPa，大部分处理后的压缩模量较之前都有显著提高，固结系数较之前有显著降低。由于③1层的粘土层在处理前的数据缺失，故而只有处理后的一排数据。由于测量深度为25m，而Z1和Z2区在25m处仍然是淤泥质粘土，故而未测得Z1和Z2区的③1粘土的相关系数。15 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究表2.2地基处理前后工程地质层组压缩模量Es对比一览表统计项Z-1Z-2Z-3Z-4Z-5D-1层号岩土名称目MPaMPaMPaMPaMPaMPa淤泥质粉质黏土处理前3.72.954.573.144.622.97①3粉质黏土处理后3.282.966.094.185.103.39处理前3.172.462.562.172.602.89②1淤泥质黏土处理后2.822.523.493.712.652.33处理前2.352.332.713.142.022.26②2淤泥质黏土处理后2.662.503.002.622.103.00③1黏土处理后2.812.83.104.93表2.3地基处理前后工程地质层组固结系数Ch对比一览表Z-1Z-2Z-3Z-4Z-5D-1层号岩土名称统计项目10-310-310-310-310-310-3cm2/scm2/scm2/scm2/scm2/scm2/s淤泥质粉质黏土处理前4.6311.0542.0220.8772.4001.138①3粉质黏土处理后2.5100.6372.7100.8722.6612.593处理前4.4823.7164.0281.0401.3661.037②1淤泥质黏土处理后1.7321.4680.9010.9015.5940.808处理前0.8771.2650.9921.6400.9571.199②2淤泥质黏土处理后0.4070.9190.4890.8500.9381.711③1黏土处理后0.8010.2710.5714.1822.4.2软土地基沉降计算的经验公式法软土地基沉降计算传统采用压缩曲线法[89],将压缩试验中应力与应变的关系转换为应力与孔隙比的关系,得出e-p或e-lgp曲线[90]。在计算时又将其化为应力与应变的关系。一些学者建议采用e-p曲线,可减少计算误差。工程上常用的分层总和法是将地基分为若干层,利用压缩曲线求每一层的压缩量,然后将各分层的压16 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究缩量叠加起来,则为地基的总沉降量。《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）[91]软土地基的最终沉降计算一般应用单向压缩分层总和法，按e-p曲线计算，将地基分成若干薄层，如分层n层，其中第i层的压缩量为：Sie0i-e1i/1e1ihi2-(1)总沉降量为：S0ΔSi2-(2)式中：e0i：第i层中点自重应力所对应的孔隙比；e1i：第i层中点自重应力与附加应力之和所对应的孔隙比；∆hi：第i层土的厚度。2.4.3太沙基一维固结理论计算沉降随时间的变化2uu太沙基一维固结微分方程为C2-(3)V2zt式中：Cv为土的竖向固结系数，u为孔隙水压力。式(3)的求解条件可以参考有关研究[92]，单面排水情况下的解析解为2MzM2Tuz,tpsineV2-(4)m1MH式中：T2v为时间因子，且Tv=Cvt/H；u(z,t)为深度z处某一时刻t的孔隙水压力；p2m-1为荷载；H为单面排水时的土层厚度；M(m=1，2，……)。2计算地基土层的沉降量通常要涉及到土层固结度的计算。对于竖向排水情况，地基土层的固结度U与有效应力成正比，其计算式Huz,tdz02M2TvU1H12e2-(5)zdzm1M0(5)式中：z为一定荷载作用下土体中深度z处的总应力。根据地基土层的固结度及其总沉降量，即可确定地基土层在时刻t的沉降量St为17 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究StUS2-(6)2.4.4工后沉降预测采用三种工后使用载荷标准（50kPa，80kPa，100kPa），根据修正所得的固结系数和压缩模量，由预测分析可知，地基处理后1、2、3、4、5,年的固结沉降发展情况如图2.9-2.11所示。可见，地基工后沉降基本上都在1年内发生，之后趋于稳定，其中：50kPa荷载下，工后沉降平均值为359mm，第一年沉降353mm，之后余量6mm；80kPa荷载下，工后沉降平均值为503mm，第一年沉降496mm，之后余量7mm；100kPa荷载下，工后沉降平均值为615mm，第一年沉降606mm，之后余量9mm。考虑到主体结构施工期可能超过一年，若能加大厂房施工期内的地坪荷载将有利于显著减小厂房投入使用后的地坪沉降。否则，若厂房使用后才开始在地坪加载且载荷水平较高，将有可能在短期内出现明显的地坪沉降。通过对计算分析得知，相同附加应力条件下，Z-5区的工后沉降最大，Z-1区的工后沉降值最小，这可能是由Z-5的地基处理效果不理想或者下卧层的黏土层较厚等原因导致的。随着附加应力的增大，不同区域的工后沉降较之前也显著增大。图2.950kPa地坪荷载作用下工后沉降预测图18 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图2.1080kPa地坪荷载作用下工后沉降预测图图2.11100kPa地坪荷载作用下工后沉降预测图2.5本章小结根据现场真空联合堆载预压地基处理试验，得到以下结论：(1)本次试验设计合理，设备运转正常，通过观测数据反馈的设计计划合理，结果也较为可靠。可以对试验场地的后期施工提供理论基础，对今后有关工程也有一定的指导意义。(2)地表的沉降累积量与载荷大小的变化趋势有关，载荷越大，沉降量和沉降速度也相应增加。至加载后期，沉降累积量变化趋势逐渐减小并趋于稳定。(3)经过6个月的预压处理，试验区各分区中平均沉降量最小为Z-1区，平均沉降量最大为Z-4区，纯堆载区平均沉降量也达到657.7mm。截至151d，各分19 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究区平均沉降量每日变化值均小于1.5mm，表明沉降趋于稳定。(4)在沿海填土区对软弱地基选用打设塑料排水板并联合真空、堆载法处理，处理后，地基沉降趋于稳定，地基强度稳定增长，水平位移累计量稳步增加而趋于稳定，排水固结效果明显，加荷计划的设计、调整和控制是可行的。(5)结合舟山软黏土地基的预压处理工程，在获得施工现场沉降和勘察数据的基础上，通过分层总和法对最终结果进行预测。所得的计算结果在一定程度上较为符合实际工程监测数据情况，这些结论成果在一定程度上可以为工程设计和施工提供了一些借鉴和支撑。20 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3软土地基傍河路堤的堆载施工工艺与试验3.1背景介绍建设中对原有的水道进行裁弯取直使水道变直、变短，这就导致了河床的坡降加大，过流断面变小，河水流速加快，从而对河床部分产生强烈的冲刷作用，致使河床底部降低，沿河的墙体基础包括护岸墙、路堤墙等可能被掏空，墙体坍塌。另外，滨海傍河公路建设涉及的河道改建工程势必会破坏原有地形地貌和植被状况，造成水土流失。更不利的是，由于公路线路较长，经过路段地质条件相对复杂，公路建设中路基填料的来源十分有限，都使用优质填料的可能性不大，由于造价的限制，就地取材就变为必然选择。所以在傍河软土地区采用覆水预压法，对于砂、石、土等材料资源紧张而水资源丰富的浙江省来说，该方法很有实际意义。3.2新型覆水预压堆载技术开发“水载预压法”有别于传统预压采用砂、土、石等材料，而是用水作为预压荷载。从经验而言，水载预压方法包括水囊式、水箱式和水池式（填料围堰）多种，其中水囊式预压应最符合工业化需求，但目前工程现状水囊式水载预压鲜有所闻，本次试验选用武汉某公司的水囊，将针对水囊的材料、形状、可操作性、便利性进行调研和技术研发，开发出环保的储水囊技术，预压时可灵活调整水的高度，同时又可以在相邻的预压区相互方便疏导或搬迁水载。3.2.1新型水囊预压堆载技术机理与特点1、机理：采用水荷载来代替土荷载的方法，通过在水囊中加水来增加上部荷载，实现堆载预压，使得地基土体压实紧密、进一步沉降、固结，使得地基强度得以提升，来实现减少路堤工后沉降量的目的。2、特点及适用范围：适用于多种软弱地基，兼备材料、机具简单，施工操作方便等优点。但是如果土体是饱和软土，排水固结时间相对较长，所需的材料也会相应增加，在实际使用也会受到限制。21 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究表3.1路基堆载方案优劣对比方法名称优点缺点土方需求大；施工程序复杂、安传统堆载能满足规范要求，达到压载目的，取材较为全性低、后期拆除困难，对原路预压法方便，工艺成熟基会造成损坏、经济性较差等密封水囊采用柔性、高强度的橡胶材料制相邻水囊处压载不均匀、橡胶水新型水囊作，可折叠性好，运输、拆除方便，现场操囊易遭到外部破坏、对水依懒性预压法作简单，能快速充水完成路基堆载，而且采强用是密封设计，对原路基也不会造成破坏3.2.2密封水囊结构尺寸确定路基堆载密封水囊由密封水囊、外网、进出水阀门组成，如图3.1所示：图3.1密封水囊结构尺寸图密封水囊横向尺寸以项目路基堆载所需荷载大小确定，纵向尺寸以项目路基宽度、长度确定，水囊采用柔性橡胶材料，橡胶材料保证水囊充水后不会断裂。假设水囊直径为5m，充水后水囊仍保持圆形，取5cm宽水囊单元（材料检测标准宽度）做水囊材料受力分析，如图3.2所示：图3.2密封水囊及外网受力分析图22 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究其中F为水囊单元拉力，N为地面支撑力，f为地面摩擦力，P1、P2为水压力，根据受力平衡：F=（P1+P2）/2×(L×R×2)=（P1+P2）DL/23-（1）其中L为单元宽度，根据压强计算公式：P=gD3-（2）g为重力加速度，取9.8N/kg,由此可计算出水囊单元受力：F=gD2L/23-（3）F=1×103×9.8×52×0.05/2=6125N3-（4）水囊材料选择水囊采用不同的原材料进行制造。其中一个采用芳纶，一个采用高强涤纶，两种材料的性能差别如表3.2所示。材料采用全人工下料，人工操作高频焊接拼接，如图3.3所示。表3.2水囊原材料对比材料名称基布克重断裂强度热合强度2000D×2000D机经>5000N/5cm，高强涤纶丝1200g/m2>4000N织布纬>5000N/5cm2000D×2000D机经>8000N/5cm，芳纶1500g/m2>5000N织布纬>7200N/5cm图3.3水囊原材料与加工设备依据受力分析，为了确保密封水囊的安全性，选用芳纶材料作为水囊主体结构，外网采用8cm宽、抗拉力不小于40kN的聚丙烯纤维材质的吨带，水囊加工成品如图3.4所示，相关水囊布置如图3.5和3.6所示。23 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图3.4水囊加工成品图3.5路基堆载沉降观测横断面布置图图3.6路基堆载沉降观测纵断面布置图3.3覆水预压现场试验3.3.1工程概况本次试验选用绕城高速公路的某段为试验段，试验现场为海积平原区，该区地表部分是硬壳层，厚度为1m左右；地基土的上部分为流塑性软土层，工程性质极差，厚度在30m左右，中间夹杂分布着粉细砂层。地基土层由上而下主要分为5层，有关的土性参数见表3.3。24 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究表3.3试验区土层土性参数表天然含水天然湿密土粒比重天然孔隙液限塑限塑性指数液性指数土层厚度饱和度Sr层号岩土名称量度γG比eWLWPIPILh%%kN/m3%%%%m①1粉质黏土38.11.822.721.06497.440.924.516.40.831.70①2中砂14.11.972.690.55868.01.70①3粉砂17.02.022.690.55881.94.5055.91.632.751.63094.352.828.524.31.133.5061.01.622.751.73396.854.730.324.41.263.20②1淤泥59.51.622.751.70895.853.529.324.21.252.5057.61.582.751.74390.950.426.024.41.302.5048.01.712.741.37195.945.124.820.31.143.40②2淤泥质黏土43.81.742.731.25695.240.922.818.11.163.6045.01.752.741.27097.144.224.020.21.043.5025 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3.3.2试验概况整个试验区域分为2个部分，即左侧的堆载区和右侧的未堆载区，共设置8个分层沉降测量点，4个测斜点，4个地表沉降测量点，如图3.7所示，图3.8为相应的试验断面示意图。由于试验段靠近江河，采用新型水囊堆载预压的方法可有效降低工程成本，此次试验共分为4个阶段。CX3CX4DS7GS4DS8DS5堆载区GS3DS6GS2DS3DS4未堆载区DS1DS2GS1CX1CX2图例：沉降测量点测斜点地表沉降测量点图3.7仪标平面布置示意图水囊堆载预压区CX1DS1DS3DS5DS7CX3①1粉质黏土①2中砂①3粉砂②1淤泥②1淤泥质黏土图3.8试验断面示意图26 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3.3.3温州现场试验工作流程介绍1工作准备阶段：包括保护装置的铺设，水囊的堆载设计，监测孔位的布置以及原始数据的采集等，图3.9为水囊铺设现场工作图。图3.9水囊铺设现场工作图2水囊一期加载阶段：一期预设水囊堆载高度1m，水囊堆载达到指定荷载要求并且沉降稳定后，如图3.10所示，可进入二期加载阶段。图3.10水囊一期加载完成现场图27 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3水囊二期加载阶段：当一期荷载达到稳定时，进入二期加载阶段，二期预设水囊堆载高度2m，当二期加载稳定后，如图3.11所示，会进入最终的卸载阶段。图3.11水囊二期加载完成现场图4水囊卸载阶段：在二期加载稳定达到一段时间后，土体的沉降达到稳定阶段，此时进入堆载卸载阶段。3.4现场试验段数据结果与分析3.4.1地表沉降由图3.12可以看出，地表的沉降累积量与载荷的变化趋势有关，载荷越大，沉降量和沉降速度也相应增加。随着荷载施加，不同沉降点均表现沉降增加的趋势，在一级荷载稳定之后，沉降速度逐渐减慢，曲线随之趋于平缓，随着二级荷载的施加，沉降点再次表现出沉降速度增加的趋势，且随着时间的增加，荷载达到稳定，沉降缓慢增加，沉降速度减小，曲线渐趋平缓。截至48d，在4个测量点中，由于S1沉降测量点距离堆载区较远，相应的沉降量较小，S3靠近堆载的中心位置，沉降量也较大一些。总体上来讲，对于试验区域而言，由于受到边界条件的限制，在水平方向上看，表现出盆状的凹型分布，即两侧各分区沉降量均略小于中间区域，同时由于数值相差较小，表明地基沉降相对均匀，试验效果显著。28 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图3.12地表沉降-时间变化曲线3.4.2土体分层沉降如图3.13(a)所示，随着荷载的施加，5号分层沉降监测孔的各个深度的磁环均随土体产生向下的沉降，堆载早期，向下沉降的速度相对较大。随着荷载的进一步施加，不同磁环的向下的沉降速度逐渐减小，沉降量也逐渐趋于稳定。在不同深度上，通过比较可以发现，不同深度的土体都有一定的沉降变形，浅层土体的沉降量均大于深层土体的沉降量。在堆载施加以后，浅层土体的沉降速度提升较快，深层土体的沉降速度较为平缓。如图3.13(b)所示，0-10天内，由于荷载刚刚施加，未堆载区沉降变化与堆载区相同，随着时间增加，浅层土体沉降速率迅速增大，沉降量增加，深层土体沉降也有所增加。整体上来看，未堆载区受到的载荷影响较堆载区要小一些，在荷载达到满载的一定时间之后，曲线都逐渐趋于平缓，沉降量逐渐达到稳定。（a）堆载区DS5(b)未堆载区DS1图3.13土体分层沉降-时间变化曲线29 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3.4.3深层土体水平位移图3.14为测斜点累计位移随时间变化曲线（位移向左为正，向右为负）。由图可以看出，堆载施工开始之后，由于3号和4号侧斜孔距离堆载区较近，1号和2号距离堆载区较远，3号和4号测斜孔的水平位移累计值较大，1号和2号测斜孔的水平位移累计值较小。随着载荷的增加，不同测斜孔的水平位移累计值均有所增加。图3.15为坡脚处侧向位移(s)沿深度(h)分布曲线。随荷载的增加，侧向位移逐渐增大，最大位移发生在0-2m深度范围内，之后随深度增加，位移逐渐减小，在真空荷载施加早期，水平位移发展速度较快，随着荷载的进一步施加，其变化速度逐渐减慢。由图可知，水平位移变化主要集中在10米深度范围以内的浅层土体，深层土体的水平位移变化量较小。在荷载达到指定荷载一定时间以后，土体水平位移累计量增加趋势逐渐变缓而达到稳定。图3.14测斜点累计位移变化曲线(a)左侧坡脚CX1(b)右侧坡脚CX3图3.15坡脚处侧向位移沿深度分布曲线30 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究3.5本章小结结合温州绕城第七标段的具体工程地质条件，采用新型水囊堆载预压试验，具有明显的经济效益，非常适合傍河软土地区，通过对它的作用机理深入研究，为后面进行的仿真模拟奠定了良好基础。同时详细介绍了新型覆水预压施工方案，适用于水网较密地区的新型堆载施工工艺，并对现场试验段的进展情况进行了展示，结合水载预压法试验，减少施工预压期用于堆载的开山石、矿渣的用量，避免资源废弃，并降低堆载预压的工程费用。同时，基于现场的试验数据，分别对地表沉降、土体分层沉降、深层土体水平位移进行了分析，结果表明：(1)地表的沉降累积量与载荷大小的变化趋势有关，载荷越大，沉降量和沉降速度也相应增加。至加载后期，沉降累积量变化趋势逐渐减小并趋于稳定。(2)在海积平原区对软弱地基选用新型水囊堆载法处理，处理后地基沉降趋于稳定，地基强度稳定增长，水平位移累计量稳步增加而趋于稳定，有一定的排水固结效果，加荷计划的设计、调整和控制是可行的。31 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究4傍河路堤边坡稳定性控制技术研究4.1概述边坡包括天然斜坡和人工边坡，边坡失稳是基于特定的地质地形，在外界条件的影响下，边坡失去了原有力学平衡，并在坡体自重和外部荷载的共同作用下，沿软弱面方向，发生整体、缓慢、间歇性或突发性的下滑。边坡稳定性分析是岩土领域中相对古老的问题，同时也是复杂又困难的问题，不仅具有广泛的应用背景，更具有丰富的实际意义。随着时代的发展和人类社会的进步，如何利用边坡，以及怎样利用边坡已经越来越重要。然而，在岸坡当中的一些工程设施，包括挡土墙、边坡防护、隧道堤防、开挖、桥台稳定等，边坡的稳定性都必不可少。在人类发展的进程当中，自然滑坡、泥石流、崩塌、裂缝甚至施工不当造成的灾难，数不胜数，触目惊心，不仅对我国经济建设造成了巨大的损失，同时也严重的危害了人民群众的生命。所以，边坡的稳定性分析至关重要，修缮和提高边坡稳定性分析的技术和方法，以实现经济与安全的目的。边坡稳定性分析具有非常重要的意义，在整个工程的实施中，它不仅是判定稳定性的依据、更是确定加固方式的主要来源，是最基本也最重要的问题。然而，随着地形条件复杂多变、周围环境大相径庭、力学性质也难以准确确定，所以稳定性判定并不简单。鉴于滨海地基土十分软弱，承载力低，河床岸坡场地狭窄，岸坡上填筑或开挖均易诱发既有路堤的变形甚至滑塌，如何保障对今后建成的公路安全、舒适地通车，开展适用于深厚软基傍河路堤与改河工程共建、造价经济、技术安全、河岸环保、工艺可行的新型傍河路堤型式的研究尤为必要。4.2数值计算模型及参数目前针对于边坡稳定性分析的软件有很多，主要包括：ABAQUS、ANSYS、MIDAS、Plaxis等。其中，Plaxis有限元软件具有建模方式方便快捷，计算结果精确高效，国际认可度高，结果直观，能快速完成大量地下工程分析工作的优点，本文正是选用Plaxis有限元软件进行模拟工作。本文模拟采用软土SSM模型，SSM模型是岩土工程分析计算中常用的一种弹塑性模型，具有参数测试方法和确定方法简单、参数可靠性高及应用方便等优32 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究点，因此在软土地基及土工数值计算中得到了广泛应用。该模型的主要计算参数有5个，分别是修正回弹指数Ƙ*、修正压缩指数λ*、有效粘聚力c、回弹泊松比ν和有效内摩擦角φ。λ*、Ƙ*可以根据一维压缩试验中的压缩指数Cc和回弹指数Cs求取，其他参数也可以由三轴试验所测定的参数进行推算得出，其中Cc4-（1）2.3(1e)Cs4-（2）2.3(1e)通过Plaxis有限元软件，建立2D有限元计算模型，根据对称性取模型右半部分进行研究，模型尺寸为100m×50m，如图4.1所示，土质情况及主要模型输入参数见表4.1，两侧限制渗流边界，在填土下侧设置塑料排水板，塑料排水板长度为30m，间距为1.1m。对多种因素进行变参数分析，主要变量包括：是否固结、河道位置、支护管桩长度、卸载高度等。计算过程主要分为：1、初始固结阶段；2、填土至2m，填筑时间3天；3、固结，荷载类型按照最小孔压控制，将至1kPa时进入下一阶段；4、填土至4m，填筑时间3天；5、固结，荷载类型按照最小孔压控制，将至1kPa时进入下一阶段；6、填土至6m，填筑时间3天；7、固结，荷载类型按照最小孔压控制，将至1kPa时至最终阶段。表4.1计算模型输入参数水平竖向厚土体压缩模孔隙名称c渗透渗透度模型量(MPa)比（e）系数系数粉质黏软土5.54.770.9620.013418.012.40.353.5e-52.8e-5土模型摩尔-中砂5.98.892.022.00.352.6e-41.2e-4库伦软土淤泥13.62.331.6970.013610.48.90.354.7e-63.5e-6模型软土黏土93.011.3790.029219.612.70.354.6e-63.5e-6模型摩尔-卵石16505350.301.0e-21.0e-2库伦摩尔-路堤-3020150.354.7e-43.5e-4库伦33 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图4.1Plaxis有限元模型4.3数值计算结果分析4.3.1排水板对土体固结沉降影响分析对模型分别采用排水板和不加排水板进行对比分析，从图4.2可以看出，在土体填筑过程中，土体沉降值明显增大，排水对最终土体沉降值影响较小，堆载至2m、4m、6m时，土体沉降值分别为0.32m、0.69m、1.00m。可以看出，在排水条件下，超孔隙水压力达到1kPa以下所需时间远远小于不排水条件下的时间，对于路堤填筑过程中，引起的超孔隙水压力对路堤安全性影响很大，因此通过塑料排水板加快土体固结具有提高路堤填筑过程中路堤安全性的效果。图4.2模型中心处总位移随时间变化34 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究4.3.2路堤填筑坡率对安全系数影响分析路堤填筑坡率对路堤安全系数有明显的影响，图4.3分别对固结及非固结条件下的路堤安全系数进行了分析，路堤坡率分别为1:3、1:2、1:1.5、1:1，可以看出固结能够提高路堤安全系数，固结条件下路堤安全系数比非固结条件下安全系数大0.11~0.2。随着坡率的增大，路堤安全系数呈接近线性减小的趋势，在坡率为1：1时，固结及非固结条件下的安全系数分别为1.62和1.51。图4.3路堤填筑坡率对路堤安全系数的影响4.3.3加载-再卸载土体高度对安全系数影响分析对于软土路堤，为了提高路堤安全性，往往采用路堤堆载-再卸载的方式提高路堤安全性，图4.4给出了在堆载高度为8m后进行土体卸载条件下路堤安全系数的变化趋势，从上图可以看出，在路堤填筑高度为8m时，路堤安全系数为1.58，随着土体的卸载，路堤安全系数呈先缓慢增加后迅速增加的趋势，在卸载高度为4m时呈现一定的转折性，路堤安全系数增大至2.59。可见，路堤加载-再卸载能够显著提高路堤安全性，对于软土地区路堤加固呈现较好的效果。35 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图4.4路堤超载预压后卸载高度对路堤安全性影响4.3.4路堤坡角处河道开挖对安全系数影响分析从图4.5可以看出，土体滑移呈现“圆弧形”滑动趋势，在路堤坡角附近处进行河道开挖能够显著影响路堤安全性，从图上可以看出，河道的开挖及蓄水减弱了坡角处的土体强度，进而影响路堤的安全性，易造成傍河路堤的坍塌等事故。因此，需要对坡角处河道对路堤安全系数的影响进行分析。图4.5河道开挖后土体滑移趋势云图河道模型采用“梯形”尺寸，河道坡度为1:1，河道开挖深度为2m，河道中心距与坡角距离与路堤安全系数的相关关系如图4.6所示，从图上可以看出，固结对路堤安全系数有一定的提高作用，提高幅度为0.1~0.21。随着河道中心距坡角距离的增大，路堤安全系数呈增大的趋势，在河道中心距离坡角11m时，固结及非固结条件下路堤安全系数分别为1.85和1.64。当河道距离坡角无限远时，固结及非固结条件下路堤安全系数分别为1.86和1.73，可见，河道与坡角距离36 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究大于11m时，其对路堤安全系数影响较小。实际工程中，河道与路堤位置较远时，会占用大量农田或其它用地，因此要结合路堤安全性选择合适的河道位置。图4.6安全系数与河道中心距坡角距离的相关关系4.3.5管桩施加对路堤安全系数影响分析从上面分析可以看出，在路堤坡角附近处进行河道开挖时，路堤安全系数会显著下降，增大的路堤的安全风险，因此，傍河路堤段需要采取一定的加固措施，提高路堤稳定性。管桩具有提高路堤稳定性的效果，因此对傍河路堤管桩对安全系数的影响进行分析具有重要的现实意义。根据图4.7所示可能滑动面位置，在坡角以内2m位置处设置一排管桩进行路堤加固，管桩加固后路堤滑移趋势云图如图4.7所示，模型中加固桩采用C80预制混凝土管桩，桩径为0.6m，间距为1.0m。图4.7管桩施加后路堤滑移趋势图37 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究从图4.8可以看出，管桩长度对路堤安全系数有一定的效果，随着管桩长度的增加，固结及非固结条件下的路堤安全系数均呈增大的趋势，可以看出，在管桩长度小于15m时，安全系数增大速率较大，管桩长度大于15m时，路堤安全系数变化不明显。可见，在管桩长度小于15m时，对于改善路堤安全性具有更加经济的效果。图4.8管桩长度对路堤安全系数的影响4.3.6临河宽度对安全性影响分析分别分析河面宽度对路堤安全性的影响，河道深度为2.0m，河面宽度分别为3m、5m、7m、9m、11m，分别计算排水固结及不排水固结时安全系数的变化趋势。从图4.9可以看出，随着河道宽度的增大，在固结及不固结条件下，随着河道宽度的增大，路堤安全系数呈减小的趋势，对应河道宽度为3m、5m、7m、9m、11m时，固结时路堤安全系数分别为1.68、1.56、1.51、1.48、1.46，不固结时路堤安全系数分别为1.76、1.68、1.65、1.65、1.64。可见，当路堤宽度增大至7m以上时，路堤安全系数变化较小，可以认为当河道宽度在7m以内对路堤安全系数值影响较大。38 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图4.9河道宽度对路堤安全系数的影响4.3.7河道深度对安全性影响分析河道中心距离基坑边角为5m，分别分析河道深度对路堤安全性的影响，河道深度分别为2m、3m、4m、5m、6m。从图4.10可以看出，在固结及不固结条件下，河道深度对路堤安全性的影响均很大，随着河道深度的增大，路堤安全性近似呈线性减小的变化趋势。土体固结时，对应河道深度为2m、3m、4m、5m、6m时路堤安全系数分别为1.53、1.41、1.27、1.09、0.98；土体不固结时，对应河道深度为2m、3m、4m、5m、6m时的路堤安全系数分别为1.65、1.54、1.41、1.22、1.05。可见河道开挖深度对路堤安全性影响较大，路堤设计时要充分考虑河道深度对路堤安全性的影响。图4.10河道深度对路堤安全系数的影响39 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究4.3.8护坡土体宽度对路堤安全性影响当一侧临湖（池塘）时，在临湖一侧进行土体预留，从而提高路堤安全性，预留土示意图如图4.11所示。图4.11建模示意图分析不同预留土宽度对路堤安全性的影响，主要分析预留宽度分别为2m、4m、6m、8m以及10m，同时分别分析在底部土体固结及不固结作用下路堤安全系数与预留土宽度的相关关系。临湖（池塘）会导致滑移面产生变化，可能滑移面如图4.12所示。图4.12路堤滑移面趋势图从图4.13可以看出，当路堤一侧为临湖（池塘）时，路堤一侧预留土对路堤安全系数具有一定的影响，随着路堤一侧预留土宽度的增大，路堤安全系数呈先缓慢增加后迅速增大的变化趋势，在预留土宽度小于4m时，路堤安全系数变化较小；预留土宽度大于4m时，路堤安全系数增大较快，因此，对于预留土宽40 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究度选择要大于4m并结合路堤安全性选择合理的预留土宽度。图4.13临湖（池塘）路堤预留土宽度对路堤安全系数的影响4.3.9桩排数对路堤安全性影响在路堤坡角处进行管桩施工能够显著提高路堤安全性，分别建立单排、两排、三排管桩加固计算模型，三排桩加固模型如图4.14所示，同时分别分析在桩长为15m及桩长为20m条件下路堤安全性。图4.14多排桩建模示意图从图4.15和4.16可以看出，在不同桩长作用下，排桩数量对于路堤安全系数影响较小，排桩数量由1排增大至3排时，15m桩长和20m桩长是路堤安全系数分别增加了0.04和0.02，可见，排桩数量增加对于路堤安全系数的影响较小，通过增加桩长及桩身刚度的方式来增加路堤安全性较为有效。41 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图4.15桩长15m时路堤安全系数与桩排数关系图4.16桩长20m时路堤安全系数与桩排数关系4.4本章小结通过建立有限元计算模型，对软土路堤安全性的影响以及加固措施的评价分析，对河道位置、管桩长度、卸载高度、临河宽度和河道深度等参数进行了分析，希望能够结合温州绕城高速工程的路堤安全性工程进行指导实践，主要得到以下结论：1、随着路堤坡率的增大，路堤安全系数呈接近线性减小的趋势，在坡率为42 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究1：1时，固结及非固结条件下的安全系数分别为1.62和1.51，排水固结能够明显减小路堤固结时间并提高路堤的安全系数。2、土体的加载-再卸载能够提高路堤安全性，在土体堆载后并卸载高度为4m时路堤安全系数增大至2.59。3、路堤一侧河道的开挖显著减小了路堤的安全性，河道距离坡角位置大于11m时，其对安全系数影响较小。河道宽度在7m以内对路堤安全系数值影响较大，河道开挖深度对路堤安全性影响较大，路堤设计时要充分考虑河道深度对路堤安全性的影响。4、坡角处设置管桩能够提高傍河路堤的安全性，管桩长度大于15m时，路堤安全系数提高不明显。排桩数量对于路堤安全系数影响较小，通过增加桩长及桩身刚度的方式来增加路堤安全性较为有效。5、当一侧临湖（池塘）时，路堤一侧预留土对路堤安全系数具有一定的影响，宽度选择要大于4m并结合路堤安全性选择合理的预留土宽度。43 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究5生态型傍河路堤与河道共建技术研究5.1概述随着科技的发展和人类社会的进步，人们对河道建设以及治河理念早已不可同日而语了，从传统的水利工程设施治理河堤到现在的生态治河理念的发展，河道治理的观念和技术都发生了天翻地覆的变化。在满足河道主导功能要求的前提下，基于生物的效果，来进一步把传统的水利工程设施治理河堤改造成为适合生物生存发育、接近自然并且满足人们期望的的生态型岸坡。生态型护坡区别于传统护坡，更具备了包括生态和护坡在内的多重含义，其一必须满足安全稳定性的要求，也就是河道护坡的传统要求，在具备行洪排涝能力的同时，防止水土流失；其二是拥有相应的生态能力，实现岸坡生态平衡的目标，也就是说要改善提升岸坡生态系统，使之包含高大乔木、低矮灌木、虫鱼、鸟兽、近岸水体、坡脚及迎水边坡在内的岸坡共建体系。正是因为边坡被植被所覆盖，生态护坡不仅满足了护坡的生态学功能，更具备由调节水温变化、改善水质、保护河道生态多样性、提升水体自净能力、维持水生生态系统平衡、恢复护坡绿色景观等优点。5.2总体方案设计经过对现有生态护坡形式的研究，根据温州绕城高速公路河岸走势、水文条件、地质勘查资料，以及高速公路两侧水系、湖塘的分布情况，将生态护坡分成路基临池（鱼）塘、桥头滞洪区和临河道（溪流）三类。一般池塘、鱼塘水位比较稳定，对坡岸的冲涮较小，而河道水位通常变化较大、对岸带的冲涮、侵蚀破坏较大，分类进行设计更具实际意义。主要针对高速路临河道一侧护坡坡面在不同坡度、与河道的不同水平间距情况下的生态护坡、生态型驳岸的做法以及对应的绿化材料选择。根据有限元软件的模拟研究，河道与高速路坡脚间距大于11m时，河道对路堤的安全系数影响较小，结合温州绕城高速沿途河道的分布情况，将河道与高速路坡脚的间距（L）设定在11米以内，通过对不同的护坡坡度进行研究，当L大于11米时，中间可能分布有农田、自然植被，本着集约的原则，将会保留现状，而临河道的生态驳岸做法可参照路堤直接临水的做法。44 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究依据护岸方式的差别，把护岸划分成三类9种方式，依次为：（1）类型一：路基沿池（鱼）塘水库路段A格宾网箱+格宾网护垫生态护岸（适用于边坡坡度介于1:1到1:3之间,如图5.1所示）B格宾网箱+抗冲生物毯生态护岸（适用于边坡坡度介于1:1.5与1:3之间,如图5.2所示）C退台式格宾网箱生态护岸（适用于边坡坡度大于1:1,如图5.3所示）D浆砌块石挡墙生态护岸（适用于边坡坡度小于1:3，坡脚与水面之间局部有原生植被时,如图5.4所示）（2）类型二：路基沿桥头路段A格宾网箱+格宾网护垫生态护岸（适用于滞洪区填方路基边坡,如图5.5所示）（3）类型三：路基沿河（溪流）路段A格宾网箱+抗冲生物毯生态护岸（适用边坡坡度介于1:1.5与1:3之间,如图5.6所示）B格宾网箱+格宾网护垫生态护岸（适用于边坡坡度介于1:1与1:3之间,如图5.7所示）C退台式格宾网箱生态护岸（适用于边坡坡度大于1:1,如图5.8所示）D木桩抛石+草坡入水生态护岸（适用于河岸底层是流沙层或泥沙层较厚、边坡坡度小于1:3、坡脚与水面之间局部有原生植被时,如图5.9所示）45 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m1000500500300500500图5.1格宾网箱+格宾网护垫生态护岸剖面设计图46 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m1000300500500图5.2格宾网箱+抗冲生物毯生态护岸剖面设计图47 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m1000按实1200300按实8008008005001200图5.3退台式格宾网箱生态护岸剖面设计图48 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m1000300800150800图5.4浆砌块石挡墙生态护岸剖面设计图49 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究路面路面hh22<<220h0h3hh11550050000500图5.5格宾网箱+格宾网护垫生态护岸剖面设计图50 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m100050030150001000203000图5.6格宾网箱+抗冲生物毯生态护岸剖面设计图51 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m100050050030015001000230000图5.7格宾网箱+格宾网护垫生态护岸剖面设计图52 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究1000按实按实500800500500按实8008008005002020000150图5.8退台式格宾网箱生态护岸剖面设计图53 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究L<11m100020150150020020006006001500图5.9木桩抛石+草坡入水生态护岸剖面设计图54 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究5.3绿化种植材料选择对于整个生态岸坡共建过程而言，合理选择绿化植物材料对实现岸坡生态平衡至关重要，针对于温州绕城高速的具体水文地质环境，原则上选择根系发达、耐贫瘠、耐干旱、抗逆性强、成活率高且低养护的乡土树种，以多年生生草本、矮灌木、小乔木作为护坡的主要材料，坡面上自然分布的乡土植物在不影响路基结构的前提下尽量保留。主要绿化材料选择如下：A草本：狗牙根、狼尾草、香根草、五节芒、马棘、萱草、紫花苜蓿、白三叶，如图5.10-5.12所示；图5.10狗牙根图5.11狼尾草图5.12细叶芒B矮灌木：紫穗槐、马棘、牡荆、火棘，如图5.13和5.14所示；图5.13紫穗槐图5.14火棘C小乔木：柽柳、黑荆、银荆、盐肤木、火炬树，如图5.15和5.16所示；55 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究图5.15黑荆图5.16火炬树D水生植物：梭鱼草、水葱、芦竹、水生鸢尾、再力花、茭白、唐菖蒲、水蜡烛、千屈菜，如图5.17和5.18所示；。图5.17梭鱼草图5.18芦竹5.4坡岸土壤的要求对于整个生态岸坡共建过程而言，岸坡土壤的要求是极为重要的基础部分，首先需要对整个岸坡进行统一的整坡工序，在这个工序中，包括多个阶段，分别为：上下边坡的放线工序，坡面的开挖过程，坡面的整修过程，护坡基础开挖过程，设计的护坡结构的安装等。因为整坡过程对后期植物生长至关重要，所以必须清除掉坡面上所有的建筑垃圾、碎石以及杂物，之后进行覆土过程。为了保证草种更好的生长，必须严格控制岸坡种植土层的疏松和肥力，同时要保障种植层和地下土层之间无断隔，以确保土壤毛细管、液体和气体的上下贯通。对于草本植物而言，要求土壤中碎石比例不大于3个百分点，鉴于本次护坡表层覆土多选用当地耕植土，所以可以适当加入肥料，并保证覆土厚度在5-20cm之间。5.5其他统一技术要求因为不同的护岸形式所需的技术参数各不相同，所以相应的基础做法也各不一样，但是为了确保工程的统一管理和项目的顺利进行，所以在护岸基础要求、56 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究施工管理、后期养护等方面要求基本保持一致：（1）护岸基础要求根据高速路段的地质、地形、水文等条件，选定了包括木桩抛石护岸、浆砌块石挡墙护岸以及格宾石笼基础等多种形式，并且对于整个施工过程要严格控制。（2）施工管理制度基于现有的多种生态护坡多数为先进形式，在整个施工周期内，每一处施工现场必须配备专业的指导人员进行现场的施工指导，同时施工方应严格按照设计图的要求进行施工，以保障实现设计和预期效果。与此同时，实施过程要建立健全领导岗位责任制，对于每天的工作情况要有专门的施工技术人员进行记录。（3）后期养护在整个生态护坡施工过程中，后期养护是确保草种健康生长的一个重要阶段，在播种完成后，要及时在表面铺上一层盖草帘，并且在草种发芽之前每天浇水两次，发芽成坪之后，按照干湿度的不同来调整浇水频率与次数，并将坡面进行合理的保护。5.6本章小结本章基于有限元模拟的分析，在满足工程建设安全性、生态功能优先性、环境优美可行性、经济成本适用性的基础上，根据温州绕城高速公路的地质、地形、水文等条件，以及路基沿池（鱼）塘、桥头滞洪区和沿河道（溪流）三种情况，选定了格宾网箱+格宾网护垫生态护岸等九种形式。因为不同的护岸形式所需的技术参数各不相同，所以相应的基础做法也各不一样，但是为了确保工程的统一管理和项目的顺利进行，所以在护岸基础要求、施工管理、后期养护等方面要求基本保持一致。植物物种选择上，主要选用的草种为狗牙根、狼尾草、香根草、五节芒、马棘、萱草等。57 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究6结论与展望6.1结论本文结合我国现行规范和浙江地区高速公路交通的自然环境条件，基于沿海地区人多地少，经济发达，区内河网、路网密集，工程建设用地资源十分宝贵的客观事实，为实现节约用地，促进土地资源集约利用的目标，提出采用新型水囊堆载预压的方式。对于地基十分软弱的滨海区域，沿河路堤的建成颇为棘手，通过建立有限元计算模型，对软土路堤安全性的影响以及加固措施的评价分析，并在此基础上融入生态护岸理念。研究成果总结如下：1.在沿海填土区对软弱地基选用打设塑料排水板并联合真空堆载法处理，处理后，地基沉降趋于稳定，地基强度稳定增长，水平位移累计量稳步增加而趋于稳定，排水固结效果明显。结合舟山大型软土地基的预压处理工程，在获得施工现场沉降和勘察数据的基础上，通过分层总和法对最终结果进行预测。所得的计算结果在一定程度上较为符合实际工程监测数据情况，这些结论成果在一定程度上可以为工程设计和施工提供了一些借鉴和支撑。2.详细介绍了新型覆水预压施工方案，适用于水网较密地区的新型堆载施工工艺，结合水载预压法试验，减少施工预压期用于堆载的开山石、矿渣的用量，避免资源废弃，并降低堆载预压的工程费用。同时，基于现场的试验数据，对实验结果进行分析，结果表明在温州绕城高速公路第七标段采用水囊堆载预压法处理软弱地基，地基沉降稳定，地基强度稳定增长，水平位移发展稳定，有一定的排水固结效果，加荷计划的设计、调整和控制是可行的。3.通过建立有限元计算模型，对软土路堤安全性的影响以及加固措施的评价分析，对河道位置、管桩长度、卸载高度、临河宽度和河道深度等参数进行了分析，希望能够结合温州绕城高速工程的路堤安全性工程进行指导实践，主要得到以下结论：(1)随着路堤坡率的增大，路堤安全系数呈接近线性减小的趋势，在坡率为1:1时，固结及非固结条件下的安全系数分别为1.62和1.51，排水固结能够明显减小路堤固结时间并提高路堤的安全系数。(2)土体的加载-再卸载能够提高路堤安全性，在土体堆载后并卸载高度为58 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究4m时路堤安全系数增大至2.59。(3)路堤一侧河道的开挖显著减小了路堤的安全性，河道距离坡角位置大于11m时，其对安全系数影响较小。河道宽度在7m以内对路堤安全系数值影响较大，河道开挖深度对路堤安全性影响较大，路堤设计时要充分考虑河道深度对路堤安全性的影响。(4)坡角处设置管桩能够提高傍河路堤的安全性，管桩长度大于15m时，路堤安全系数提高不明显。排桩数量对于路堤安全系数影响较小，通过增加桩长及桩身刚度的方式来增加路堤安全性较为有效。(5)当一侧临湖（池塘）时，路堤一侧预留土对路堤安全系数具有一定的影响，宽度选择要大于4m并结合路堤安全性选择合理的预留土宽度。4.以有限元模拟为基础，将生态护岸部分融入其中，在满足行洪排涝和岸坡稳定的前提上，基于生物的效果，来进一步把传统的水利工程设施治理河堤改造成为适合生物生存发育、接近自然并且满足人们期望的的生态型岸坡。根据高速公路两侧水系、湖塘的分布情况，将生态护坡分成路基临池（鱼）塘、桥头滞洪区和临河道（溪流）三类，并针对高速路临河道一侧护坡坡面在不同坡度、与河道的不同水平间距情况下的生态护坡、生态型驳岸的做法以及对应的绿化材料选择，提出相应的生态岸坡共建技术的方案。6.2创新点1.通过对舟山软土地基进行真空联合堆载预压试验来获取软土沉降变化的规律，基于温州绕城高速公路的具体水文地质环境，提出覆水预压堆载施工新工艺，在传统堆载预压法理论和工艺的基础上，结合深厚软土傍河路堤这一特定应用背景，进一步创新、中试，使其推广成为一套成熟的路堤减沉绿色技术。2.抓住浙江沿海深厚软黏土的独特工程性质，选取合理的计算参数，从沉降、稳定性两方面建立与之相匹配的傍河路堤岩土灾变控制模型，分别从排水板、路堤填筑坡率、卸载-再加载土体高度以及坡脚处河道开挖等方面对边坡进行滑移分析。3以有限元分析为基础，在满足软土路堤安全性和稳定性的同时，结合温州绕城高速沿途河道的分布情况，将生态设计融入其中，基于生物的效果，来进一59 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究步把传统的水利工程设施治理河堤改造成为适合生物生存发育、接近自然并且满足人们期望的的生态型岸坡。6.3展望1.由于工程地质条件的复杂性与不确定性，加上时间紧迫、施工工期拖延、现场水囊漏水等客观条件因素，通过现场监测试验很难获得精确的结果，后续可以对相应的研究进一步深化和创新。2.因为水囊堆载高度受到材料性能的限制，现阶段，能稳定达到的最高水位高度仅有2m，所以水囊堆载预压法还有很大的提升空间。3.在有限元模拟的基础上，融入生态护岸部分，同时对路堤稳定性进行提升，深化了路堤防护集成技术，实现了生态型护坡，但生态护坡的设计目前仅仅只针对于温州绕城高速的部分区段，适用性也受到了区域的限制，后续工作可以进一步深化路堤防滑研究，提升共建技术。60 浙江理工大学硕士学位论文软土地基预压减沉与路堤防滑集成技术研究参考文献[1]孙明乾.天津滨海新区软土流变固结特性研究[D].吉林大学,2016.[2]KjillmanK.Consolidationofclaybymeansofatmospherepressure[C]//ProceedingsofaConferenceonSoilStabilization.Boston:MIT.1952:258-263.[3]刘汉龙,赵明华.地基处理研究进展[J].土木工程学报,2016,49(1):96-115.[4]高志义.真空预压法的机理分析[J].岩土工程学报,1989,11(4):45-56.[5]张剑锋,华镇难,吴沈钏.镇江500KV长江大跨越北岸塔基抗液化处理[J].岩土工程学报,1990,12(4):79-88.[6]李丽慧,王清,王年香,等.立体式真空降水法分层加固吹填土的可行性研究[J].岩土工程学报,2002,24(4):522-524.[7]赵令炜,沈珠江.排水砂井预压法的理论与实践研究报告[R].南京:南京水利科学研究所,1963.[8]娄炎.真空排水预压法加固软土技术[M].人民交通出版社,2013.[9]夏玉斌,陈允进.直排式真空预压法加固软土地基的试验与研究[J].工程地质学报,2010,18(3):376-384.[10]BarronRA.Consolidationoffine-grainedsoilsbydrainwells[J].1900.[11]HansboS.Consolidationoffine-grainedsoilsbyprefabricateddrains[C]//Proc.10thICSMFE,1981,1981,3:677-682.[12]谢康和,曾国熙.等应变条件下的砂井地基固结解析理论[J].岩土工程学报,1989,11(2):3-17.[13]阎澍旺,陈环.用真空加固软土地基的机制与计算方法[J].岩土工程学报,1986,8(2):35-44.[14]沈珠江,陆舜英.软土地基真空排水预压的固结变形分析[J].岩土工程学报,1986,8(3):7-15.[15]林丰,陈环.真空和堆载作用了砂井地基固结的边界元分析[J].岩土工程学报,1987,9(4):13-22.[16]康和.岩土工程有限元分析理论与应用[M].科学出版社,2002.[17]RujikiatkamjornC,IndraratnaB,ChuJ.2Dand3Dnumericalmodelingofcombined61 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