石灰土-透水性混凝土樁複合地基及其處理方法
2023-11-08 13:50:52 1
專利名稱：石灰土-透水性混凝土樁複合地基及其處理方法
技術領域：
本發明涉及一種複合地基，具體涉及一種適於低路基的石灰土 -透水性混凝土樁複合地基及其處理方法。屬於土木工程技術領域。
背景技術：
溼軟土地基一般分布在濱海、湖泊、谷底、海灘等地區，具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強、抗剪強度低和承載能力低等特點。溼軟土地基一旦受到擾動，土的強度明顯下降，甚至呈流動性。因此，在溼軟地基上修建道路會遇到天然地基累積沉降變形大及路基填土較難壓實等問題，在春融夏雨期，翻漿病害頻發，路面開裂，養護費用很高。為了減小路基自重引起的地基過大沉降、少佔耕地及減少施工能耗，採用低路堤方案成為道路建設的一種趨勢。但是，路堤高度的降低使得上部位於車載作用的範圍內的天然地基在交通荷載反覆作用下產生過大的累積沉降；而且，隨著交通運輸業的飛速發展，汽車超載現象也日益嚴重，車速也在不斷提高，這進一步加劇了溼軟土地基的累積沉降，地基累積沉降會進一步引起路面破壞，導致路面橫坡變化大，積水嚴重，不僅給行車帶來安全問題，還會導致水損壞等路面病害。因此，對溼軟土地基進行加固處理能夠大大減少發生路基失穩或過量沉陷的風險。中國專利申請201210349658.4公開了一種攪拌樁-透水性混凝土樁複合地基及處理方法，中國專利申請201210352336.5公開了一種散體樁-透水性混凝土樁新型二元複合地基及處理方法，中國專利申請201210352089.9公開了一種低強度剛性樁-透水性混凝土樁新型二元複合地基及處理方法，這三種複合地基雖然具有高承載性能和高排水性能，但是都屬於二元複合地基處理方法，兩種樁體需要分別施工，而且需要一定的間隔時間，使得工期較長；而且沒有進行表層處理，對於含水量過大、脹縮性高、具有溼陷性，承載能力低的溼軟地基，在荷載作用下容易產生滑動或固結沉降，不利於施工機械、設施、人員等進場作業。所以，需要對溼軟地基進行淺層處理。石灰土處理方法被廣泛應用於溼軟土地基淺層處理，生石灰與土會發生一系列的反應使土中水分降低、土顆粒凝聚而形成較大團粒，同時土體化學反應生成複合水化物，並在水中逐漸硬化，從而與土顆粒粘結在一起提高了地基的物理力學性質。但是，石灰土和水泥土地基加固方法處理深度不大，只是在地基上部形成硬殼層，而高速行駛的重車產生的動應力影響深度大，因此，加快地基深層排水對減小深層超靜孔隙水壓力的累積，加快溼軟地基深層累積沉降具有重要意義，但目前缺乏相關的技術。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種適於低路基的石灰土 -透水性混凝土樁複合地基及其處理方法。本發明採用石灰土-透水性混凝土樁綜合處治方法控制交通荷載引起的溼軟地基累積沉降，特別是控制低路堤1.5m)下溼軟地基累積沉降，適用於溼軟地基加固，使溼軟地基既具有高的承載能力，又具有強的透水能力。
為實現上述目的，本發明採用下述技術方案:一種石灰土 -透水性混凝土樁複合地基，包括石灰土層以及分散埋設於石灰土層以下的透水性混凝土樁，所述石灰土層的表面鋪設碎石墊層。所述透水性混凝土樁為若干排，每一排數量相等，且前後對正，整體形成正方形布置。所述透水性混凝土樁為若干排，從所述複合地基的一側起，每個偶數排的透水性混凝土樁位於奇數排中兩個相鄰透水性混凝土樁連線的中心線上，每個透水性混凝土樁與相鄰的兩個透水性混凝土樁形成三角形布置。所述碎石墊層的厚度為15 30cm。所述透水性混凝土樁的樁徑為350 600mm,樁長為4 5m,相鄰的兩個透水性混凝土樁的樁距為樁徑的3 5倍。上述複合地基的處理方法，具體步驟如下:1)預製透水性混凝土樁:在壓實、平整的制樁場地上支模，然後澆築透水性混凝土，待養護至70%強度起吊，並繼續養護獲得100%強度的透水性混凝土樁，運輸堆放備用；2)用質量摻量為5 7%的生石灰對溼軟地基淺層處理形成石灰土層；3)在石灰土層上設置樁孔，所述樁孔的孔徑比樁徑大20cm ；4)將步驟I)獲得的透水性混凝土樁安置到樁孔內，其周圍空隙填埋粗砂；透水性混凝土樁採用正方形或三角形布置；5)在石灰土層表面鋪設碎石墊層。步驟I)中，所述透水性混凝土樁的混凝土抗壓強度大於等於20MPa，滲透係數大於等於2mm/s0步驟2)中，所述生石灰是新鮮的生石灰或者將集中堆放後的生石灰在使用前7 10天消解並過篩。步驟2)中，所述淺層是指溼軟地基距地表40 80cm。步驟3)中，在石灰土層上通過機械鑽孔、鋼管擠土或人力挖掘設置樁孔。本發明的工作原理:(I)溼軟地基表層含水量高，強度低。將表層土與生石灰拌和，石灰與土發生強烈的相互作用，其主要物理與化學反應包括離子交換、Ca(OH)2結晶、碳酸化和火山灰反應。Ca (OH) 2離解後的Ca2+與粘土膠體顆粒反離子層上的K+、Na+發生離子交換後，使得膠體吸附層減弱，膠體顆粒發生聚結，這是早期石灰土強度形成的主要原因。Ca(OH)2與水作用形成的含水晶體把土粒膠結成整體，從而提高石灰土的水穩定性。而形成的CaCO3過程的碳酸化反應及形成矽酸鈣與鋁酸鈣過程的火山灰反應是石灰土強度和穩定性提高的決定性因素。灰土混合料的初期表現為塑性降低、最佳含水量增大、最大幹密度減小等；後期變化表現為晶體結構的形成，從而石灰土的強度和穩定性得以提高。在土質和石灰的質量和劑量確定的情況下，養身條件和齡期也是影響石灰土強度和穩定性的重要因素。石灰土淺層處理方法在地基表面形成硬殼層，提高地基承載力，減小地基沉降。同時，硬殼層的形成也方便施工車輛、機具等進場作業。(2)透水性混凝土是由特定級配的集料、水泥、增強材料、外加劑和水等按特定比例經特殊成型工藝製成的。透水性混凝土的孔隙率在10% 25%之間，水灰比的範圍為0.32 0.40，根據配合比設計方法即可得出透水性混凝土各成分的配合比。水泥為32.5級或42.5級矽酸鹽水泥；外加劑為減水劑，摻量為0 1.1% ;集料採用碎石(粒徑為0.60
1.18mm、2.36 4.75mm、4.75 9.50mm、9.5 16mm)或卵石(粒徑為 2.36 4.75mm)。將按配合比稱量好的水泥和集料混合攪拌，加水攪拌均勻後繼續加入水以及減水劑，採用壓制或振動成型工藝製作試件。壓製成型時將透水性混凝土混合料稱量入鋼模，加壓成型，閉模養護3小時後脫模，覆蓋塑料薄膜在標準條件下(溫度為20±3°C，相對溼度在90%以上)養護至24h，灑水後仍覆蓋塑料薄膜，標準養護28天齡期；振動成型時將新拌混合物稱量入塑料模，振搗成型，密閉養護3天後拆模，再用塑料膜密封，在標準條件下養護至28天齡期。集料骨架間含有大量貫通性孔隙(通常在5% 30%之間並多為直徑超過Imm的大孔)的蜂窩狀結構的混凝土，在保證一定透水性情況下其抗壓強度一般在3.5MPa 28MPa，撓曲強度一般在IMPa 3.8MPa。透水混凝土的滲透係數一般介於2.0mm/s 5.4mm/s,有的甚至達到1.2cm/s。透水混凝土的配比特點是採用單粒級粗骨料作為骨架，水泥淨漿或加入少量細骨料的砂漿薄層包裹在粗骨料顆粒的表面，作為骨料顆粒之間的膠結層，形成骨架——空隙結構的多孔混凝土材料。試驗研究表明，透水性混凝土的強度和透水性是一對矛盾體，此消彼長，如圖1所示。在工程設計中應根據具體要求，確定最佳的強度和滲透性組合。圖2所示為通車後不同時刻(I年、2年和10年)天然地基內累積變形隨深度的變化曲線。可見累積變形在地下5m以上隨深度衰減很快，其下衰減速度逐漸變緩，說明交通荷載作用下地基累積沉降主要是由地下5m以上土體累積變形引起的，因此透水性混凝土樁樁長取4 5m。樁徑宜取350 600mm，樁距宜取3 5倍樁徑，滿足地基承載力和沉降要求。透水性混凝土樁不僅透水性強，而且比砂石樁等散體樁的強度高，這使得上覆荷載在樁體中力的傳遞和溼軟地基的排水固結過程耦合在一起，相互促進，既加快了溼軟地基固結速度，減小了累積沉降，又提高了溼軟地基承載力。石灰土淺層處理與透水性混凝土樁深層處理相結合的綜合地基處理方法能夠顯著降低低路堤下軟土地基累積沉降。圖3所示為道路運營期間在地下0.7m和1.2m深度處天然地基和石灰土 -透水性混凝土樁綜合處治地基對應的超靜孔隙水壓力隨車輛荷載作用次數N的變化曲線。可見，與天然地基相比，石灰土 -透水性混凝土樁綜合處治地基內的超靜孔隙水壓力明顯低於天然地基的，這是因為透水性混凝土樁具有良好的透水性能，能夠迅速消散交通荷載引起的超靜孔隙水壓力。圖4所示為地基累積沉降隨通車時間的變化曲線。可見，地基累積沉降在通車初期發展很快，然後逐漸變緩。透水性混凝土樁處理後的石灰土地基累積沉降明顯減小。說明石灰土-透水性混凝土樁綜合處治方法對交通荷載引起的累積沉降有明顯的抑制效應。因此，石灰土-透水性混凝土樁綜合處治方法對低路堤下溼軟地基具有顯著的減壓降沉效應。另外，根據有效應力原理，土體內超靜孔隙水壓力消散越快，土體的強度提高越快，地基土將承擔更多的附加應力，從而在複合地基設計時可以適當降低樁體的置換率。由透水性混凝土樁滲出的水將由複合地基上鋪設的碎石墊層排走，碎石墊層還可以調整樁土應力比。本發明的有益效果是:本發明採用石灰土淺層處治與透水性混凝土樁深層加固的綜合地基處理方法來控制交通荷載引起的低路堤(< 1.5m)下溼軟地基累積沉降。透水性混凝土樁不僅剛度和強度高，而且透水性強，集高承載性能和高排水性能於一體，能有效減小溼軟地基累積沉降，提高溼軟地基強度。
圖1是透水性混凝土抗壓強度與滲透係數的關係曲線；圖2是累積變形隨深度的變化曲線；圖3a是0.7m深度處超靜孔隙水壓力隨荷載作用次數的變化曲線，圖3b是1.2m深度處超靜孔隙水壓力隨荷載作用次數的變化曲線；圖4是累積沉降隨通車時間變化曲線；圖5a是透水性混凝土樁的正方形布樁示意圖，圖5b是透水性混凝土樁的三角形布樁示意圖；圖6是本發明的結構示意圖；其中1.石灰土層，2.透水性混凝土樁，3.碎石墊層。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發明，並不對其內容進行限定。一種石灰土 -透水性混凝土樁複合地基，包括石灰土層I以及分散埋設於石灰土層I以下的透水性混凝土樁2，所述石灰土層I的表面鋪設碎石墊層3。所述透水性混凝土樁2為若干排，每一排數量相等，且前後對正，整體形成正方形布置。所述透水性混凝土樁2為若干排，從所述複合地基的一側起，每個偶數排的透水性混凝土樁2位於奇數排中兩個相鄰透水性混凝土樁2連線的中心線上，每個透水性混凝土樁2與相鄰的兩個透水性混凝土樁2形成三角形布置。所述碎石墊層3的厚度為15 30cm。所述透水性混凝土樁2的樁徑為350 600mm,樁長為4 5m,相鄰的兩個透水性混凝土樁2的樁距為樁徑的3 5倍。上述複合地基的處理方法，具體步驟如下:I)預製透水性混凝土樁:在壓實、平整的制樁場地上支模，然後澆築透水性混凝土，待養護至70%強度起吊，並繼續養護獲得100%強度的透水性混凝土樁2，運輸堆放備用；2)用質量摻量為5 7%的生石灰對溼軟地基淺層處理形成石灰土層I ;3)在石灰土層I上設置樁孔，所述樁孔的孔徑比樁徑大20cm ；4)將步驟I)獲得的透水性混凝土樁2安置到樁孔內，其周圍空隙填埋粗砂；透水性混凝土樁2採用正方形或三角形布置；5)在石灰土層I表面鋪設碎石墊層3。步驟I)中，所述透水性混凝土樁2的混凝土抗壓強度大於等於20MPa，滲透係數大於等於2mm/s0
步驟2)中，所述生石灰是新鮮的生石灰或者將集中堆放後的生石灰在使用前7 10天消解並過篩。步驟2)中，所述淺層是指溼軟地基距地表40 80cm。步驟3)中，在石灰土層I上通過機械鑽孔、鋼管擠土或人力挖掘設置樁孔。試驗例1:路堤高度1.0m的石灰土 -透水性混凝土複合地基某高速公路地基為黃河衝淤積土，土質以低液限粉土為主，其次為低液限粘土，局部夾有高液限粘土層。對於低液限粉土，含水量為25%，孔隙比為0.7塑性指數在10左右，土的壓縮係數在0.1 0.5MPa_i之間，屬中壓縮性土。低液限粘土含水量22 35%，孔隙比0.60 0.89。該高速公路路堤高度為1.0m。施工時，先用質量摻量為5%的生石灰對地表40cm進行淺層處理，在地基表面形成石灰土層1，再施工透水性混凝土樁2。透水性混凝土樁2採用正方形布置。透水性混凝土樁2樁徑為400mm，樁間距為
1.6m。透水性混凝土抗壓強度不低於20MPa，滲透係數不低於2mm/s，所有樁體垂直度誤差不大於1.5%o施工前場地需清表處理，做好抽水、清淤及整平工作。在地基表面鋪設碎石墊層3，厚度為30cm。試驗例2:路堤高度1.5m的石灰土 -透水性混凝土複合地基某高速公路地基由兩層軟土組成，上層Ilm為灰色淤泥，含水量65 69%，孔隙比1.81 1.91 ;下層4m為淤泥質亞粘土，含水量46%，孔隙比1.25。15m以下為基巖風化層。擬建高速公路路堤高度為1.5m。施工時，先用質量摻量的7%生石灰對地基60cm進行淺層處理，在地基表面形成石灰土層1，再施工透水性混凝土樁2。透水性混凝土樁2採用三角形布置。透水性混凝土樁2樁徑為500mm，樁間距為2.5m ;樁體抗壓強度不低於20MPa，滲透係數不低於2mm/s，所有樁體垂直度誤差不大於1.5%。施工前場地需清表處理，做好抽水、清淤及整平工作。在地基表面鋪設碎石墊層3，厚度為20cm。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
權利要求
1.一種石灰土 -透水性混凝土樁複合地基，其特徵在於，包括石灰土層以及分散埋設於石灰土層以下的透水性混凝土樁，所述石灰土層的表面鋪設碎石墊層。
2.根據權利要求1所述的複合地基，其特徵在於，所述透水性混凝土樁為若干排，每一排數量相等，且前後對正，整體形成正方形布置。
3.根據權利要求1所述的複合地基，其特徵在於，所述透水性混凝土樁為若干排，從所述複合地基的一側起，每個偶數排的透水性混凝土樁位於奇數排中兩個相鄰透水性混凝土樁連線的中心線上，每個透水性混凝土樁與相鄰的兩個透水性混凝土樁形成三角形布置。
4.根據權利要求1所述的複合地基，其特徵在於，所述碎石墊層的厚度為15 30cm。
5.根據權利要求1所述的複合地基，其特徵在於，所述透水性混凝土樁的樁徑為350 600mm,樁長為4 5m,相鄰的兩個透水性混凝土樁的樁距為樁徑的3 5倍。
6.上述任一項權利要求所述的複合地基的處理方法，其特徵在於，具體步驟如下: 1)預製透水性混凝土樁:在壓實、平整的制樁場地上支模，然後澆築透水性混凝土，待養護至70%強度起吊，並繼續養護獲得100%強度的透水性混凝土樁，運輸堆放備用； 2)用質量摻量為5 7%的生石灰對溼軟地基淺層處理形成石灰土層； 3)在石灰土層上設置樁孔，所述樁孔的孔徑比樁徑大20cm； 4)將步驟I)獲得的透水性混凝土樁安置到樁孔內，其周圍空隙填埋粗砂；透水性混凝土樁採用正方形或三角形布置； 5)在石灰土層表面鋪設碎石墊層。
7.根據權利要求6所述的處理方法，其特徵在於，步驟I)中，所述透水性混凝土樁的混凝土抗壓強度大於等於20MPa，滲透係數大於等於2mm/s。
8.根據權利要求6所述的處理方法，其特徵在於，步驟2)中，所述生石灰是新鮮的生石灰或者將集中堆放後的生石灰在使用前7 10天消解並過篩。
9.根據權利要求6所述的處理方法，其特徵在於，步驟2)中，所述淺層是指溼軟地基距地表40 80cm。
10.根據權利要求6所述的處理方法，其特徵在於，步驟3)中，在石灰土層上通過機械鑽孔、鋼管擠土或人力挖掘設置樁孔。
全文摘要
本發明公開了一種石灰土-透水性混凝土樁複合地基及其處理方法，採用石灰土-透水性混凝土樁綜合處治方法控制交通荷載引起的溼軟地基累積沉降，適用於溼軟地基加固，使溼軟地基既具有高的承載能力，又具有強的透水能力。該複合地基包括石灰土層以及分散埋設於石灰土層以下的透水性混凝土樁，石灰土層的表面鋪設碎石墊層。複合地基的處理方法是1)預製透水性混凝土樁；2)用質量摻量為5～7%的生石灰對溼軟地基淺層處理形成石灰土層；3)在石灰土層上設置樁孔；4)將步驟1)獲得的透水性混凝土樁安置到樁孔內，其周圍空隙填埋粗砂；透水性混凝土樁採用正方形或三角形布置；5)在石灰土層表面鋪設碎石墊層。
文檔編號E02D5/30GK103195051SQ20131010316
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者崔新壯, 張娜, 隋偉, 高智珺, 周亞旭 申請人:山東大學