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采空区的地基处理

第一章特殊性土的勘察
1．1 什么叫特殊性土?
土是覆盖地球表层的物质。自然界的土形形，成因类型千差万别。具有特殊的物理、力学、化学性质，并影响丁程地质条件的土称为特殊性土。它主要包括软土、黄土、膨胀土、液化土、盐渍土、多年冻土等。这些天然形成的特殊性土的地理环境分布有一定的规律性和区域性，因此这些特殊性土也称为区域特殊性土。
我国幅员辽阔，公路工程遍布全国各地，从沿海到内地，从平原到山区，由于各个地区的地理位置、地质成因和地层构造、气象条件以及地基土的地质特性差异甚大，一些特殊种类的地基土分布在全国各地。这些特殊性土由于具有不同的地质特点，工程性质差别很大。如软土的低强度和高压缩性，黄土的湿陷性，杂填土的不均匀性，膨胀土的胀缩性以及多年冻土的冻胀变形和融沉性质等。多年来，随着建设事业的发展，对特殊性土地基的处理，除了一些通用的方法以外，在各个行业都有一套专门的处理方法，形成了各自的设计规范和施工技术规程。
改革开放以来，我国公路建设得到突飞猛进的发展。由于公路是一种延伸长度极大的线形建筑物，可能穿越各种不同的特殊性土地区，公路的稳定性和正常营运常受到各种地质因素的影响，往往地质因素成为决定公路工程成本、工期、施工质量及建筑物使用效果和使用寿命的关键问题。如何充分利用地质条件，降低处理难度，减少处治耗资，是设计人员、科研人员和施工人员考虑的一个重要问题。所以，研究特殊性土和不良地质对搞好公路工程有着重要意义。
1．2 什么叫软土?它的成因类型及分布有哪些特点?
软土属了一种特殊性土，它是在静水环境沉积的、高含水量、大孔隙比、高压缩性和低强度的细粒土。但是，在实际工程中，无论是勘察阶段、设计阶段还是施工阶段，由于对软土或是软弱土基本概念的认识不同，导致软土的鉴别标准混乱。所以，有必要统一认识，统一概念。
国内各行业对软土的鉴别标准是有所差异的，就是同一部门在不同时期对软土的鉴别标准也是不尽相同的。就以公路行业为例，1985年颁布的《公路土工试验规程》(JTJ051—日5)对软土的划分规定了五条标准(含水量、孔隙比、压缩系数、饱和度和快剪内摩擦角)，见表1-1。

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到1998年颁布的《公路工程地质勘察规范》(JTJ 064--98)(以下简称"98公勘规范”)关于软土的标准又有所区别。该文“术语”一章中指出：“软土Mollisol：滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于l.0，压缩系数大于o．5MPa—1泌尿生殖，不排水抗剪强度小于30kPa的细粒土。”
应当说明，“98公勘规范”中是引用了舛年国家标准《岩土工程勘察规范》(GB 50021--94)(以下简称"94国标”)中的某些指标。向国标靠拢这一指导思想，是完全正确的。但仔细分析后就会发现，“舛国标”和"98公勘规范”中关于软土的标准是有很大的差别。“94国标”关于软土的第5．3．1条指出：“天然孔隙比大于或等于1．o，且天然含水量大于液限的细粒土应判为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数宜大于0．5MPa-1不排水抗剪强度宜小于30kPa"。在这里用了三项硬指标(含水员、孔隙比、细粒土)，另外还用丁两项“软”指标．之所以称其为“软”指标，是因为这里用了“宜……”，表示压缩系数和不排水强度两项指标在特殊情况下可以稍有选择和松动。两个标准，一字之差，表示还是有差别的。
根据软土判定标准，不管是老标准，还是新标准，对软土都是既制定了物理指标的标准，又制定了力学指标的标准。这样就构成了两种土，一种是完全符合软土的物理性质和力学性质的土；另一种是物理指标符合软土指标标准，但力学指标尚有部分达不到软土指标标准。前—种土称其为软土，后一种土只能称其为准软土，一般称软弱土。
由于我国幅员辽阔，软弱土在我国还是大量存在的。例如江苏省南通地区有——种新近沉积的三角洲相软弱土，该层软弱土在三角洲地区广泛分布，软弱土呈软塑—流塑状，天然含水量30％—45％，孔隙比1．0～1．2。该土粉粒和砂粒含量较大，固结速度快，固结变形主要发生在O—100kPa的荷载下，所以压缩系数a100-200不大，由于该土压缩系数和不排水剪切强度均达不到软土标准，所以只能定为软弱土。实际上该土仍属于高压缩性土，还需要进行地基处理。在河北省邯郸地区，有一种河湖相沉积的软塑—流塑状低液限粘土，由于颗粒较粗，其快剪的内摩擦角可达20°左右，同样达不到软土标准。这种土作为公路地基同样需要进行地基处理以解决其沉降问题。所以说，公路工程的软土地基需要进行处治，公路工程的软弱土地基同样需要进行处治。处治的方法是由公路工程的标准和构造物的类型决定的。
有没有必要把软土和软弱土分成两种土，笔者持否定意见。问题的实质是软土的判定标准应该严一点还是宽一点，应该是一项标准还是数项标准，建设部的标准值得借鉴，建设部的《软土地区工程地质勘察规范》(JryJ 83--91)规定，凡符合以下三条特征即为软土：
1)外观以灰为主的细粒土；
2)天然含水量大于或等于液限；
3)天然孔隙比大于或等于1．O。

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危险固废

第二章软基处理设计与计算
2．1 什么是堆载预压?blc什么是欠载预压、等载预压与超载预压?
公路路基堆载预压是利用天然地基土层本身的透水性质，通过一定的堆载预压荷载，使地基土中的孔隙水排出，土层充分固结和压缩，在荷载长期作用下使地基处于固结状态，以消除主固结沉降，降低次固结沉降，达到减少工后沉降和不均匀沉降的目的。
公路路基工程的堆载预压法按荷载的大小可分为欠载预压、等载预压和超载预压三种形式(见图2-1)。
欠载预压高度：路床底面以下的路堤高度+预压期沉降；
等载预压高度二路床底面以下的路堤高度+设计路面结构混合料掘算土柱高+预压期沉降；
超载预压高度二路床底面以下的路堤高度+设计路面结构混合料换算土柱高+预压期沉降+超载部分高度。
欠载预压适用于计算沉降量很小的软土路段或对沉降要求不高的低等级道路，欠载预压的优点是施工相对简单，省去了卸载、挖路槽的工艺，同时节省了填土土方；等载预压适用于一

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般路段；超载预压可作为缩短预压期的措施，用于对工后沉降要求非常严格的桥头路段。
2．2 在软基设计和施工中，怎样计算预压土方与卸载土方?
在软基设计中，一般需要计算预压土方和卸载土方的数量，这里需要搞清三个概念：
①预压土方
在等载预压和超载预压的软土路堤中，路床底面以上的土称为预压土，预压上的数量称为预压土方。
②预压期沉人土方
在预压阶段，沉人天然地面标高以下的土方称为预压期沉人土方。
③卸载土方
当预压期结束后，需要推掉预压土，然后要进行路面的底基层、基层、面层和培路肩的施工。推掉的这部分预压土称为卸载土方。
预压沉人土方、预压土方和卸载土方的计算(见图2—2)：

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第三章软土地基处理方法
3．1 浅层软土地基都有哪些处理方法?
浅层软土地基处理方法有换填改善法、加筋法和垫层法三种。
(1)雅兹迪换填改善法
换填改善法是采用人工或机械方法挖除地墓中的软弱土层，回填符合要求的当地土、粗粒料等，或者采取掺灰的方法改善软土的性质，并分层碾压，以获得较好的地基。
1)开挖换填
在小范围发现的厚度较小的软土，可以全部挖除或部分挖除，换填成粗粒料或透水性材料，地下水位以上亦可以换填强度较高的粘性土。全部挖除换填从根本上改善了地基，不留后患，是最彻底的方法。
如果软土底面倾斜时，应注意挖台阶，分层换填。
在开挖换填以前，应注意在路基两侧先挖排水沟，以防地表水流人。
2)抛石挤淤
采用抛石的方法，将淤泥挤出基底范围，以提高地基的强度，这种方法称为抛石挤淤。
抛石挤淤适用于常年积水的洼地，表层无硬壳层，软塑-流塑状，抛石可以沉达底部3～4m厚的软土，对于稍硬一些的软土，可以用挖掘机将抛石压人软土层。抛石宜使用不易风化的片石，片石粒径一般不宜小于30cm，抛石挤淤在石料丰富的我国南方山区应用较多。
抛石挤淤的抛投顺序，应先从路堤中部开始，向前突进后再向两侧扩展，以使淤泥向两旁挤出，抛石宽度一般应大于路堤底宽l～2m。当软土底面横坡陡于1：10时，抛石应从高的一侧向低的一侧扩展。并且在低的一侧多抛填一些。
抛石出露水面0，5m后，应在顶面铺一层较小的石块，用重型振动压路机或重车反复碾压，使抛石压实，然后在其上铺设反滤层，再行填土。香桃木
3)浅层拌和
对于层厚较薄的浅层软土可以采取浅层拌和法，即用水泥或石灰等作为拌和剂，掺入表层土中，用人工或机械进行拌和、摊铺、碾压，使地表位置的地基形成一个人工的硬壳层，以满足路基或构造物对地基强度的要求。这种方法造价低廉、简单易行，实际施工中应用较多。掺灰数量根据试验确定，一般掺石灰不大于8％，掺水泥不大于5％。
(2)加筋法
软土土体是由固体矿物颗粒组成的骨架以及填允其间隙的水和空气组成的三相体，粒间连接微弱，抗拉强度远低于抗压强度，稳定性主要靠颗粒间的嵌挤和摩擦来维持，所以软土本身强度很低。高强度的土工合成材料筋材起加筋作用，所谓“加筋”是指将筋材埋在土体之中，筋材可以分散土体的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体的侧向位移，增加土体的强

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度和韧性，从而达到加固地基的目的。
目前用于加筋的土工合成材料品种很多，例如土工格栅、高强土工布、土工网格、土工带和土工格室等，在此仅简单介绍土工格栅和高强土工布。
郑筱萸土工格栅或高强土工布属于新型的土工合成材料，一般采用高强聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维等高分子聚合物为原料制成。土工格栅的特点是强度高、延伸率低，用土工格栅进行加筋，可提高承载能力和减少沉降。与土工格栅相比，土工布同时具有加筋、反滤、排水、隔离等多方面的功能，特别具有双向拉力、宽幅大，防止翻浆等优势，且价格较低，具有一定竞争力。
由于土工合成材料是由高分子聚合物为原材料，所以影响其老化的主要因素是光辐射(紫外线)。上海光学机械研究所的检测表明，在3cm厚的水泥板屏蔽下，紫外光辐射仅为白天日照的33亿分之一，土工合成材料深埋于碾压密实的填土中，紫外线辐照几乎等于零。同时，实验资料还表明，一般酸碱溶液对聚丙烯和聚乙烯无影响，因此，国外将土工格栅的设计寿命定为70年，我国将掺有碳黑屏蔽的土工格栅的设计寿命定为50年。
1)土工格栅加筋层数的确定
确定土工格栅加筋层数时，应按以下公式进行稳定性计算：

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第四章黄土的地基处理
4．1 公路工程在黄土地区有哪些工程地质问题?
(1)公路工程在乎坦的黄土地区的工程地质问题
1)黄土湿陷性
黄土湿陷性是在黄土地区勘察、施工中遇到的最为普遍的工程地质问题。从目前研究资料看，黄土湿陷性主要发生在中更新世晚期(Q22)黄土上部、晚更新世(Q3)黄土和全新世(Q4)黄土中，在兰州(Q4)黄土最大湿陷量达0．8m，咸阳机场东线(Q3)黄土最大湿陷量达l，4m。湿陷性黄土占我国黄土地区总面积的60％以上，而且又多出现在地表上层，湿陷问题造成公路路基沉降变形、路面开裂和构造物的破坏，严重影响工程质量和行车安全。
2)黄土中的地裂缝
黄土巾发育构造地裂缝主要展布方位是NE、NEE向。在低凹区呈串珠状落水洞，在平面上常呈羽列状展布。给道路带来极大损坏。如西安市区发育七条NE、NEE向展布地裂缝，横贯全市，致使其穿过的所有建筑物和道路破坏，。就道路而言，最典型的是雁塔路省委门口、翠华路小学门口等处，使道路路线形成高差达数十厘米的陡坎。
(2)黄土斜坡区有以下工程地质问题
黄土斜坡区除具有上述病害以外，还具有以下特殊问题：
1)黄土滑坡
黄土滑坡的发育主要受地形、地貌、介质条件和水文地质条件等因素控制。黄土滑坡主要有以下3种机理：
①滑面位于黄土内滑坡：这往往是沿黄土中构造节理、构造斜节理等软弱结构面滑动，一方面它们的组合提供厂失稳面，另一方面又为降雨、地表水等人渗提供了通道。故对这种结构面不容忽视。
②滑面位于黄土与下伏基岩接触面上：由于黄土是以被覆式构造覆盖于下伏基岩之上，而二者接触面往往是基岩裂隙水、黄土中孔隙水排泄通道，故当坡脚受到破坏(自然力或人为作用)时，极易产生滑动。
③老滑坡重新复活：这类滑坡往往与地下水活动以及老滑坡前缘的破坏有关。老滑坡后缘往往形成滑坡湖，使地表水集聚、下渗，而在前缘溢山。这样相当于对老滑床润滑，从而使老滑坡前缘复活。
2)黄土崩塌
崩塌是黄土斜坡区发牛频率最高的重力地质作用，它常常发生在坡角大于50°的斜坡上．主要是在重力作用下沿垂直节理、风化节理、卸荷裂隙、构造节理等软弱面坍塌。
3)黄土滑塌

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滑塌兼有上述两者性质，发生在坡度大于50°，坡高大于30m的斜坡上。大多数情况下是前部具滑动性质，后壁具崩塌性质，设有贯通的滑动面。
4．2 公路工程湿陷性黄土地基处理的标准与措施。
由于高速公路行车对路基路面稳定性、变形的严格要求，所以必须对湿陷性黄土地基进行处理。处理标准与方法如下：
结合各省在湿陷性黄土地区修建高速公路的经验，并参照和借鉴现行建筑和铁路部门的思路，根据构造物、路堤的重要性，结构特点和受水浸湿后的危害程度和修复难易程度，将公路工程分为以下四类：
甲类工程：较高墩台和超静定桥梁；
乙类工程：一般桥梁基础，拱涵，高路堤(大于4m)；
丙类工程：—般涵洞，倒虹吸，低路堤(小于4m)；
丁类工程：桥涵附属工程。
湿陷性黄土地区公路工程地基处理的标准与措施见表4—10

4．3 在湿陷性黄土地区，公路工程的地基处治包括哪些内容?高速公路在湿陷性黄土地区怎样确定处理厚度?
湿陷性黄土地基的变形包括压缩变形和湿陷变形两种。压缩变形由公路路基及其构造物的荷载引起，随时间增长而逐渐衰减，并很快趋于稳定，当基底压力不超过地基土的容许承载力时，地基的压缩变形很小，一般能满足公路及其构造物对沉降变形的要求；湿陷变形是地基被水浸后所引起的一种附加变形，往往具有局部性和突发性，而且湿陷变形很不均匀，对公路路基及其构造物的危害严重。
高速公路对沉降变形和差异沉降均具有较高的要求，因此在湿陷性黄土地区的高速公路的设计中，为确保公路路基及其构造物的安全和正常使用，对地基容许承载力不足、剩余沉降

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第五章液化砂土地基处理
5.1 砂土液化路段的公路32程在地震中路基有什么病害?
(1)根据我国唐山大地震震害资料介绍，在1976年7月28日的唐山地震中，唐山地区遭受震害的干线和县级公路共11条，总破坏长度2281~1，占总长度的11．29％。公路路基震害主要表现为：
1)桥头路基开裂、下沉、滑移
桥头路基填土较高．又直接受到河岸滑移的影响，所以震害比普通路基更严重。震害表现为向河心及两侧滑移，局部下陷，最大下沉2．3m。
2)路基纵向开裂
裂缝宽度一般10～30cm；长度少则几十米，多则千余米；裂缝深度1-2m。
3)路基横向开裂
严重处横宽贯通路堤，把路基路面截断，缝宽最大达60em。
4)路面下沉
下沉深度最大达1m路边人行道的树向内倾斜，路肩向两侧滑塌，路基两侧边沟大量喷水冒砂。
5)桥头路基隆起
桥头路堤受桥跨推挤，使路面产生隆起。
(2)在唐山大地震中，天津市的调查结果也是类似情况，路基震害主要表现在：
1)桥头引道沉陷并向河心滑移；
2)涵洞处路基路面沉陷、路肩沉陷、高填土路基路面沉陷；
3)路基路面的纵向开裂和横向开裂。
5．2 什么是液化指数?液化指数的计算公式是什么?
液化指数是《建筑抗震设计规范》(CB 50011--2001)关于判定液化程度的指标，是判定液化的依据。
按照液化指数，地基土分为轻微、中等、严重三个液化等级。对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表5-l综合划分地基的液化等级：

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　第六章膨胀土的地基处理
6．重用膨胀土作为路基填料有什么规定?掺石灰改善膨胀土的机理是什么?试用工程实例说明用掺石灰的方法改善膨胀土。
《公路路基施工技术规范》(JTJ033-95)指出：强膨胀土稳定性差，不应作为路堤填料；中等膨胀土宜经过加工、改良处理后作为填料；弱膨胀土可根据当地气候、水文情况及道路等级等条件加以利用。使用膨胀土作为路基填料时，为增加其稳定性可采用石灰处治，石灰剂量可通过试验确定，要求掺灰处理后的膨胀土，其胀缩总率小于0．7％，土壤强度不低于表6-1的要求。

对中等和弱膨胀土应采取相应的治理措施，其主要的方法是在膨胀土中加入石灰，以稳定膨胀土和减小其膨胀性能，来提高路基的强度。
膨胀土加灰后，土与石灰之间发生复杂的化学和物理化学作用，并通过土结构的改变导致工程地质性质的变化。
1)离子交换作用
石灰与土中水接触后，使孔隙水溶液ca2+离子浓度增加．同时置换了粘胶颗粒表面的Mg2+、Na+和K+离子，当膨胀土加灰接触后这种作用立即发生，作用结果使粘胶粒亲水性减弱，产生凝聚或聚沉，并且形成较大的集粒或集聚体。

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2)碳酸化作用
石灰吸收空气的CO2形成CaCO3晶体，使粘胶颗粒、矿物单粒及集粒等发生钙质胶结，而CaCO3晶体坚固，水稳性好，从而提高了土的强度，达到加固的目的。
3)灰结作用
膨胀土加灰后，使土呈碱性，在碱性环境中，石灰与土中的氧化铝、氧化硅发生作用，形成含水硅酸钙和铝酸钙。它们是良好的水硬性结合料，在水分作用下逐渐硬结，增强加灰混合土的坚固性和强度。
4)土结构增加强度和坚固性
化学和物理化学作用使粘胶颗粒凝聚、胶结，并使集聚体表面形成水硬性包膜，使水化能力降低，导致土结构疏松。即使土浸水有一些体积变化，也因土结构疏松而在结构内部消化。因此加灰混合土表现出的胀缩性很小。当化学和物理化学作用较充分，土结构基本稳定，其胀缩性能随之消失，同时也就增强了土的强度。
土的化学、矿物成分的不同，用石灰加固的效果亦不同。就粘土矿物的类型而言，具有扩张型晶格的蒙脱石类粘土矿物，它的离子交换容量大，易于和生石灰的c92’离子发生阳离子交换，从而限制了矿物的胀缩性，取得改良效果。
综上所述，膨胀土加灰改良后的混合土，经夯实养护，其工程地质性质变化较大，膨胀潜势消失，强度增大，完全可以达到对膨胀土土质改良的目的。
工程实例
江苏省某高速公路位于苏北腹地，基本地貌为黄泛冲积平原区。路线经过处存在的不良地质地段主要有软土及膨胀土等。路基土土场试验指标见表6-2，试验资料表明该土属于弱膨胀土。

根据路基施工技术规范的要求，进行了膨胀土掺灰改善的试验工作，石灰采用宜兴产的三级钙质消石灰，石灰技术质量指标见表6-3。掺石灰比例分别为5：95、6：94和8：92(见表6-4和表6-5)。
从表中可以看出，膨胀土通过掺灰处理后，各项指标有了明显的改善，随着掺灰量的增加，同时提高了土的CBR值。自由膨胀率、膨胀量、收缩系数和吸水量均明显降低，而CBR值明显提高，各项指标有了明显的改善。

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第七章盐渍土的地基处理
7．1 盐渍土地区公路病害的防治，应采取哪些措施?
盐渍土地区公路建设，应在全面掌握盐渍土地区工程地质情况、合理选定公路路线的基础上，分别情况，区别对待，采取综合治理措施，才能取得良好的防治效益。
(1)合理选定公路路线
盐渍土地区公路选线，要尽可能绕避有可能遭受洪水冲淹的低洼地带，以及潮湿或积水的强盐渍土或盐沼地带。一般情况下，盐渍土地区路基宜采用有适当高度的路堤，而不采用路堑形式。
(2)做好路基排水
做好路基排水，形成合理的路基纵、横向排水系统，尽可能减少地表水对路基的浸透。
(3)路基有充足的压实度
室内试验证实，当含水量低于某一限度时，盐胀率趋于零。因此加大压实度，减小压实含水量以达到防治盐胀的效果。
(4)路基设置隔离层
土工合成材料隔断层可以有效地阻断地下水或降低毛细水的上升高度，隔断了水的来源不仅可以降低盐胀，而且可以防止路基土的“次生盐渍化”。
(5)路基要有足够的填土高度，路肩、边坡应采取加固措施。
(6)路面、路基全封闭
最有效的防治措施是路面、路基全封闭。达到路面、路肩密封不透水，边沟衬砌不渗水，排水设施通畅不存水，杜绝地下水，保持路基干燥。
(7)强盐渍土、超盐渍土一般不得用于填筑路基。
7．2 盐渍土地区公路工程如何选用水泥?
我国生产的水泥，按主要矿物组成，分为硅酸盐系和铝酸盐系。硅酸盐系主要有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰水泥和抗硫酸盐硅酸盐水泥等，铝酸盐系主要有硫铝酸盐早强水泥、矾土水泥等。
普通硅酸盐水泥，具有一定的早期强度和密实度，常使用于腐蚀轻微的工程。
矿渣和火山灰质水泥，由于活性化学成分增多，水化过程中大量吸收氢氧化钙，并生成难溶的低钙水化物和液相硫铝酸钙，具有较好的抗蚀性能。
抗硫酸盐硅酸盐水泥，铝酸三钙矿物含量一般低于3％，因此水化物中氢氧化钙和高钙铝酸盐较少，从而缓和了硫酸盐的腐蚀。硫酸盐腐蚀地区广泛采用这种水泥。
硫铝酸盐早强水泥，水化物稳定及早期强度高，抗蚀性能较强。但因初期水化不完全，对

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