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桥梁工程湿陷性黄土地基础

futao 拆除工程 2019-04-28 837 0
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桥梁工程湿陷性黄土地基础

天然黄土在上覆土的自重压力作用下,或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下,受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的黄土,称为湿陷性黄土。否则,在一定的压力下受水浸湿,无显著附加下沉的黄土,就称为非湿陷性黄土。非湿陷性黄土可作为构筑物按一般黏性土地基来设计施工。湿陷性黄土在上覆土的自重压力下受水浸湿,发生显著附加下沉的,称为自重湿陷性黄土;受水浸湿后在土自重压力下不发生显著附加下沉的,称为非自重湿陷性黄土。

黄土产生湿陷的形成过程中,因当地气候干燥,土中水分易蒸发,水中所含碳酸钙、硫酸钙等盐类在土粒表面上析出,形成胶结物;还有土颗粒间的分子引力和薄膜水、毛细水所形成的水膜连接,相胶结使得土粒之间具有抵抗移动的能力,阻止土的骨架在其上覆土自重压力的作用下可能发生的压密,从而形成肉眼可见的大孔结构并具有多孔性。黄土被水浸湿后,水分子嵌入颗粒间,破坏连接薄膜,并逐渐溶解盐类,土的抗剪强度显著降低,在土自重压力或自重压力和附加压力作用下,土的结构逐步破坏,颗粒向大孔中滑动,骨架挤紧,从而发生湿陷现象。

可见,黄土的大孔性和多孔性是湿陷性的内在根据。

黄土的湿陷性主要与其特有的结构有关,即与其结构组成的微结构、颗粒组成、化学成分等有关。在同一地区,土的湿陷性又主要与其天然孔隙比和天然含水率有关。此外,压力也是一个影响黄土湿陷性的外界因素。

黄土(原生黄土和次生黄土的统称)在我国特别发育,地层全、厚度大。湿陷性黄土主要分布在山西、陕西、甘肃的大部分地区、河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区,此外,新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区和山东、辽宁、黑龙江等省局部地区亦分布有湿陷性黄土。在湿陷性黄土地区进行建设,要防止地基湿陷,保证建筑工程质量和构筑物的安全使用,做到技术先进、经济合理、保护环境,体现我国现行的建设技术政策和指导思想。

一、测定黄土湿陷性的试验

公路的桥涵建筑区域有引道和桥位处的局部面积,墩台是分离的地基基础工程,一般情况修建桥涵处不会备有该地区的工程地质资料和设计施工的经验,所以在设计和施工前必须进行桥位处岩土工程勘察工作。

勘察工作主要内容为:黄土地层的时代、成因,地形、地貌、地层的复杂性及存在有不良地质现象,地下水位变化幅度大或变化趋势,最后提出勘察成果。其中,最主要的是提供详细的

岩土工程资料和设计所需的岩土技术参数,墩台位置处地下水位有可能上升至地基压缩层的深度以内时,宜提饱和状态下的强度和变形参数。

在勘察过程中,对湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力等参数,一般都必须取样试验。

应不扰动土样,必须保持其天然的湿度、密度和结构,并应符合I级土样质量。

测定黄土湿陷性的试验分为室内压缩试验、现场静荷载试验和现场试坑浸水试验三种。

1.室内压缩试验

室内压缩试验主要用于测定黄土的湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力。采用室内压缩试验测定黄土的湿陷性应遵守有关统一的要求,以保证试验方法和过程的统一性及试验结果的可比性。

现《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)(以下简称《湿黄区规》)规定:试样浸水前和浸水后的稳定标准,应以每小时的下沉量不大于0.01mm;分级加荷至试样的规定压力,下沉稳定后,试样浸水饱和,附加下沉稳定,试验终止;在0~200kPa压力以内,每级增量宜为50kPa;大于200kPa压力,每级增量宜为100kPa。

湿陷系数6。值,按下式计算:

h。-h,8。=(9-19)ho式中:h。——保持天然湿度和结构的试样,加至一定压力时,下沉稳定后的高度(mm);h,——上述加载稳定后的试样,在浸水(饱和)作用下,附加下沉稳定后的高度(mm);ho——试样的原始高度(mm)。

测定湿陷系数8。的试验压力,应自基础底面(如基底高程不确定时,自地面下1.5m)算起;基底下10m以内的土层应用200kPa,10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应用其上覆土的饱和自重压力(当大于300kPa压力时,仍应用300kPa)。

当基底压力大于300kPa时,宜用实际压力。

对压缩性较高的新近堆积黄土,基底下5m以内的黄土层宜用100~150kPa压力,5~10m和10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应分别用200kPa和上覆土的饱和自重压力。

当湿陷系数8.小于0.015时,定为非湿陷性黄土;当6.等于或大于0.015时,定为湿陷性黄土。

前述已知,湿陷性黄土分为非自重湿陷性和自重湿陷性两种,后者对湿陷很敏感,一旦浸水后,在其上覆土自重压力作用下,会迅速发生较强烈的湿陷,必须采用比非自重湿陷性黄土地基更有效的措施,才能确保桥涵等构筑物的安全使用。

测定自重湿陷系数除以上规定外,还要求:分级加荷,加至试样上覆土的饱和自重压力,下沉稳定后,试样浸水饱和,附加下沉稳定,至试验终止,同时给出了计算试样上覆土的饱和自重压力所需饱和密度的计算公式:

p。=pa(1+-)(9-20)

式中:p.——土的饱和密度(g/cm2);p.——土的干密度(g/cm3);S,——土的饱和度,可取S=85%;e——土的孔隙比;d.——土粒相对密度。

经试验测定得到试样上覆土的饱和自重压力下的自重湿陷系数8.,可按下式计算:

h.-hM

(9-21)

式中:,——保持天然湿度和结构的试样,加压至该试样上覆土的饱和自重压力时,下沉稳定后的高度(mm);h.——上述加压稳定后的试样,在浸水(饱和)作用下,附加下沉稳定后的高度(mm);ho——试样的原始高度(mm)。

湿陷起始压力是指湿陷性黄土浸水饱和,开始出现湿陷时的压力,以P表示湿陷起始压力值。

测定湿陷起始压力可选用单线法压缩试验或双线法压缩试验。单线法试验较为复杂,双线法试验相对简单,已有的研究资料表明,只要对试样及试验过程控制得当,两种方法得到的湿陷起始压力试验结果基本一致(具体可见《湿黄区规》)。

湿陷性黄土的湿陷起始压力P值,按室内压缩试验结果确定时,在p6.曲线上取8.=

0.015所对应的压力作为湿陷起始压力值。

2.现场静荷载试验

现场静荷载试验测定湿陷性黄土的湿陷起始压力,基于室内压缩试验测定黄土的湿陷性比较简单,而且可同时测定不同深度的黄土湿陷性,所以仅规定在现场测定湿陷起始压力。

湿陷起始压力是反映非自重湿陷性黄土特性的重要指标,具有实用价值。自重湿陷性黄土场地的湿陷起始压力值小,无使用意义,一般不在现场测定。在现场测定湿陷起始压力与室内试验相同,也分为单线法和双线法,规范规定了可选择其中任意方法进行试验。

在现场采用静荷载试验测定湿陷性黄土的湿陷起始压力,尚应符合下列要求:

(1)承压板的底面积宜为0.05m2,试坑边长或直径应为承压板边长或直径的3倍,安装荷载试验设备时,应注意保持试验土层的天然湿度和原状结构,压板底面下宜用10~15mm厚的粗、中砂找平。

(2)每级加压增量不宜大于25kPa,试验终止压力不应小于200kPa。

(3)每级加压后,按每隔15min、15min、15min、15min各测读1次下沉量,以后为每隔30min观测1次,当连续2h内,每1h的下沉量小于0.10mm时,认为压板下沉已趋稳定,即可加下一级压力。

(4)试验结束后,应根据试验记录,绘制判定湿陷起始压力的P-s。曲线图。

湿陷性黄土的湿陷起始压力P值,当按现场静荷载试验结果确定时,应在P-s。(压力与浸水下沉量)曲线上,取其转折点所对应的压力作为湿陷起始压力值。当曲线上的转折点不明显时,可取浸水下沉量s。与承压板直径d或宽度b之比值等于0.017所对应的压力作为湿陷起始压力值。

3.现场试坑浸水试验

采用现场试坑浸水试验可确定自重湿陷量的实测值,用以判定场地湿陷类型比较准确可靠。对于自重湿陷性黄土处修建大桥和特大桥,20m及以上高墩台和外超静定桥梁等,根据其重要性、结构特点和受水浸湿后的危害程度定为A类,基础底面必须累计至非湿陷性土层顶部为止,深层采用沉井或桩基础。

修建桥梁多为缺乏经验的新地方,对A类的重要构筑物,应采用试坑浸水试验。《湿黄区规》规定了浸水试验的试坑尺寸采用“双指标”的控制:试坑挖成圆(或方)形,其直径(或边长)不应小于湿陷性黄土层的厚度,并不应小于10m;试坑深度宜为0.50m,最深不应大于

0.80m。坑底宜铺100mm厚的砂、砾石。还具体规定了观测自重湿陷量的深、浅标点的埋设方法和观测要求以及停止浸水的稳定标准等。上述规定,对确保试验数据的完整性和可靠性具有实际意义。

二、黄土湿陷性评价

黄土湿陷性评价,包括全新世Q。(Q、Q2)黄土、晚更新世Q。黄土、部分中更新世Q2黄土的土层、场地和地基三个方面,湿陷性黄土包括非自重湿陷性黄土和自重湿陷性黄土。

1.湿陷系数8。判定黄土湿陷性界限值

黄土的湿陷性,按室内浸水(饱和)压缩试验,在一定压力下测定的湿陷系数6。进行判定,其界限值为0.015:

当6。<0.015时,应定为非湿陷性黄土;当6≥0.015时,应定为湿陷性黄土。

2.湿陷性黄土的湿陷程度

根据湿陷系数8。值的大小分为三种程度:

当0.015≤8.≤0.03时,湿陷性轻微;当0.03<6.≤0.07时,湿陷性中等;当6。>0.07时,湿陷性强烈。

3.按自重湿陷量判定场地湿陷类型

自重湿陷量的实测值是在现场采用试坑浸水试验测定,自重湿陷量的计算值是在不同深

度的不扰动土样,通过室内浸水压缩试验,在上覆土的饱和自重压力下测定,所以湿陷性黄土场地的湿陷类型,应按自重湿陷量的实测值4或计算值A。判定,并应符合以下规定:当自重湿陷量的实测值4或计算值A。小于或等于70mm时,应定为非自重湿陷性黄土场地;当自重湿陷量的实测值A或计算值A。大于70mm时,应定为自重湿陷性黄土场地;当自重湿陷量的实测值和计算值出现矛盾时,应按自重湿陷量的实测值判定。

湿陷性黄土场地自重湿陷量的计算值A。,应按下式计算:

A。=B026ch;(9-22)

式中:8——第i层土的自重湿陷系数;h.——第i层土的厚度(mm);Bo——因地区土质而异的修正系数,在缺乏实测资料时,可按不同地区取值:陇西地区为1.5,陇东一陕北一晋西地区为1.2,关中地区为0.9,其他地区为0.5。

4.湿陷性黄土地基湿陷量的计算

按规定求得的湿陷量是在最不利情况下的湿陷量,且是最大湿陷量。考虑采用不同含水率下的湿陷量,试验较复杂,不容易为建设单位接受,故规范仍采用地基土受水浸湿达饱和时的湿陷量作为评定湿陷等级采取设计措施的依据。但要说明,并不是湿陷性黄土只在饱和含水率状态下才产生湿陷。

湿陷性黄土地基受水浸湿饱和,其湿陷量的计算值A.按下式计算:

A.=286.h;(9-23)

式中:6.—一第i层土的湿陷系数;h.——第i层土的厚度(mm);B——考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数,在缺乏实测资料时,可按下列规定取值:基底下0~5m深度内,取B=1.50;基底下5~10m深度内,取β=1.0;基底下10m以下至非湿陷性黄土层顶面,在自重湿陷性黄土场地,可取工程所在地区的B。值。

湿陷量的计算值A、的计算深度,应自基础底面(如基底高程不确定时,自地面下1.50m)

算起;在非自重湿陷性黄土场地,累计至基底下10m(或地基压缩层)深度止;在自重湿陷性黄土场地,累计至非湿陷性黄土层的顶面为止。其中湿陷系数8。(10m以下为6。)小于0.015的土层不累计。

5.湿陷性黄土的湿陷起始压应力P,值

反映非自重湿陷性黄土特性的重要指标是湿陷起始压力。湿陷性黄土的湿陷起始压力P值如下确定:室内压缩试验结果,按湿陷系数8。=0.015确定;现场静荷载试验结果,可按s./b或s。/d(b为承压板宽度,d为承压板直径)=0.017确定。

6.湿陷性黄土地基的湿陷等级判定

综上所述,湿陷性黄土场地的自重湿陷性黄土,湿陷敏感,一旦浸水迅速湿陷。在工程地质勘察工作中,采用试验方法,确定主要参数和应用中的各限界规定,现根据基底以下地基湿陷量的计算值A、和自重湿陷量的计算值A。等因素,按表9-13判定湿陷性黄土地基的湿陷等级。

湿陷性黄土的湿陷等级表9-13

湿陷性黄土的湿陷等级表9-13

注:*表示当湿陷量的计算值A。>600mm,且自重湿陷量的计算值A。>300mm时,可判定为Ⅲ级,其他情况可判定为Ⅱ级。

三、湿陷性黄土地基沉降和地基承载力计算

1.湿陷性黄土的地基沉降计算

湿陷性地基在结构物荷载作用下,能保证基础不发生失稳,也不发生结构物所不容许的沉降量,并超过荷载组合最大地基压力即为湿陷性地基容许承载力。所以在满足地基沉降变形与强度要求的两个条件下,确定地基容许承载力。

桥梁结构各墩台是独立基础,有的相邻跨径、墩台高度相差较大,加之有的桥梁为超静定结构,若湿陷土质不均匀,均应计算基础沉降。对进行消除全部湿陷性处理的地基,可不再计算湿陷量,如基底下有湿陷性或指数大于0.6的黏性土下卧层,必须进行计算;对进行消除部分湿陷性处理的地基应计算在处理后的剩余湿陷量;对仅进行结构处理或防水处理的湿陷性黄土地基,应计算其全部湿陷量。

湿陷性黄土地基沉降计算,按《公桥基规》中分层总和法计算地基湿陷量,但其中沉降计算经验系数9。可按表9-14取值。

沉降计算经验系数表9-14

沉降计算经验系数表9-14

湿陷性黄土场地自重湿陷量计算值A。和湿陷性黄土地基湿陷量计算值A。可按式(9-22)及式(9-23)计算。压缩沉降与湿陷量之和如超过沉降容许值,则必须采取措施减少沉降量和湿陷量。

湿陷性黄土地基的稳定性计算,除应符合现行国家标准《建基设规》的有关规定外,尚应符合下列要求:

(1)确定滑动面时,应考虑湿陷性黄土地基中可能存在的竖向节理和裂隙。

(2)对有可能受水浸湿的湿陷性黄土地基,土的强度指标应按饱和状态的试验结果确定。

2.湿陷性黄土地基容许承载力计算确定

现有关规定中没有提供湿陷性黄土地基的容许承载力表格使用,但可查阅之前规范表格数值用作比较参考。现行国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定黄土试样的质量等级必须是l级,其试验表中有强度项目内容,用以确定湿陷性黄土的承载力。近年来原位试验技术也有了不同的使用,除了浸水荷载试验和试坑浸水试验外,还可采用静力触探测定黄土的容许承载力,还有标准贯入试验、轻型动力触探等的应用。以上这些在《湿黄区规》都有所提到。参照临近结构物经验,确定新建结构物的地基容许承载力也是一种有效方法。规范规定:当基础宽度大于3m或埋置深度大于1.50m时,地基承载力容许值应按下式修正:

[.]=[fu]+7my(b-3)+naya(d-1.50)(9-24)

式中:[f.]——修正后的地基承载力容许值(kPa);

[fAk]——相应于b=3m和d=1.50m的地基承载力容许值(kPa);

7、7a——分别为基础宽度和基础埋深的地基承载力修正系数,可按基底下土的类别由表9-15查得;y—基础底面以下土的重度(kN/m3),地下水位以下取有效重度;ym——基础底面以上土的加权平均重度(kN/m2),地下水位以下取有效重度;b——基础底面宽度(m),当基础宽度小于3m或大于6m时,可按3m或6m计算;d——基础埋置深度(m),一般可自地面高程算起;当为填方时,可自填土地面高程算起,但填方在上部结构施工完成后完成时,应自天然地面高程算起。

基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数表9-15

基础宽度和埋置深度的地基承载力修正系数表9-15

注:饱和黄土①只适用于lp>10的饱和黄土;饱和黄土②饱和度S,≥80%的晚更新世(Q3)、全新世(Q4)黄土。

湿陷性黄土地基容许承载力确定应注意:当偏心荷载作用时,相应于荷载效应标准组合,基础底面边缘的最大压力值,不应超过修正后的地基承载力容许值的1.20倍;对地下水位有可能上升或其他因素致使地基湿度增加等情况,需要考虑降低地基的容许承载力;使用湿陷性黄土容许承载力时,应注意容许承载力过大会引起地基湿陷性增加或者不能解决地基的湿陷性问题。

四、湿陷性黄土地区的桩基础

中小跨径静定结构桥梁,在采用地基处理的情况下,经技术经济比较,一般可采用扩大基础方案,否则均宜采用桩基础。

《湿黄区规》规定:在湿陷性黄土场地采用桩基础,桩端必须穿透湿陷性黄土层,并应符合下列要求:

(1)在非自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在压缩性较低的非湿陷性黄土层中。

(2)在自重湿陷性黄土场地,桩端应支承在可靠的岩(或土)层中。

在湿陷性黄土层厚度等于或大于10m的场地,对于采用桩基础的建筑,其单桩竖向承载力容许值,应按规范附录H的试验要点,在现场通过单桩竖向承载力静荷载浸水试验测定的结果确定。

当单桩竖向承载力静荷载试验进行浸水确有困难时,其单桩竖向承载力特征值,可按有关规范公式进行估算。

在非自重湿陷性黄土场地,当自重湿陷量的计算值小于70mm时,单桩竖向承载力的计算应计入湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力。在自重湿陷性黄土场地,除不计自

重湿陷性黄土层内的桩长按饱和状态下的正侧阻力外,尚应扣除桩侧的负摩擦力(表9-16)。

桩侧平均负摩擦力特征值(kPa)表9-16

桩侧平均负摩擦力特征值(kPa)表9-16

在水平荷载和弯矩作用下,桩身将产生挠曲变形,并挤压桩侧土体,土体则对桩产生水平抗力,其大小和分布与桩的变形以及土质条件、桩的入土深度等因素有关。设在湿陷性黄土层中的桩,在天然含水率条件下,桩侧土对桩往往可以提供较大的水平力;一旦浸水桩周土变软,强度显著降低,从而桩周土体对桩侧的水平抗力就会降低。所以,单桩水平承载力容许值,宜通过现场水平静荷载浸水试验的测试结果确定。

五、湿陷性黄土地基处理

湿陷性黄土地基可采用垫层法(换填法)、强夯法、灰土挤密桩法三种,这些方法较为常用。此外,振冲法(适用于饱和黄土)、高压喷射注浆法也可用于黄土地基处理。选择地基处理方案时,应经过技术经济比较,选用加强上部结构、基础和处理地基相结合的方案。

湿陷性黄土地区桥涵根据其重要性、结构特点、受水浸湿后的危害程度和修复难易程度分为A、B、C、D四类。

A类:20m及以上高墩台和外超静定桥梁;B类:一般梁桥基础,拱涵;C类:一般涵洞及倒虹吸;D类:桥涵附属工程。

湿陷性黄土地区的桥涵应根据湿陷性黄土的等级、结构物分类和水流特征,采取相应的设计措施和处理方案,以满足沉降控制的要求。

湿陷性黄土地区地基处理的措施如表9-17所示。

湿陷性黄土地区地基处理的措施表9-17

湿陷性黄土地区地基处理的措施表9-17

注:表中①②、③、④为措施编号,各编号所代表的处理措施如下:①墩台基础采用明挖、沉井或桩基础,置于非湿陷性黄土层中;)采用强夯法或挤密桩法,并采取防水和结构措施;③采用重锤夯实,并采取防水和结构措施;④地基表层夯实。

湿陷性黄土地基上的桥涵设计应注意下列事项:

(1)湿陷性黄土地区的桥涵,宜设置在原有沟床上,并宜采用适应沉降结构。涵洞不应采用分离式基础。

(2)处理后的地基承载力应满足设计要求,且其下卧层顶面的承载力不应小于下卧层顶面的附加压力与自重压力之和。

(3)处理后的地基土密度不应小于1.6t/m3。


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