一種樁‑加筋材料複合地基結構及其施工方法與流程
2024-03-29 09:10:05
本發明屬於軟土地基技術領域，具體涉及一種樁-加筋材料複合地基結構及其施工方法。
背景技術：
軟土地基沉降是常見的巖土工程病害之一。其原始防治措施主要是換土墊層法，現代防止措施主要有樁承式加筋墊層法和加筋錨固法。幾種方法複合地基均可以改善地基承載力不足、土體抗剪強度不足的缺點，進而減少路基的不均勻沉降，增強了路堤整體的穩定性。
換土墊層法處理軟土路基的方法應用於修築路堤下軟土地基時存在一定缺陷，具體表現在兩方面：一是不均勻沉降問題仍然顯著。工程實踐表明，換土墊層法處理路基時仍存在一定的不均勻沉降現象，致使路堤邊坡側向位移，工程延期，耗費資源等情況較嚴重。二是砂墊層材料及鋪設費用大。一般工程實踐中，砂墊層材料需要從場外購買及運輸，運到施工現場時需要鋪設，這樣下來，材料的購買、運輸及鋪設費用會比一般方法處理軟土路基高很多。
樁承式加筋墊層法和加筋錨固法應用於修築路堤下軟土地基時也存在缺陷，具體表現在：一、加筋材料的抗拉強度沒有得到充分發揮。加筋材料與樁體進行錨固處理後，未經過張拉的加筋材料的抗拉強度受到局限，致使加筋材料無法充分發揮其抗拉性能。二、應力集中現象較顯著。在路堤填土荷載作用下，支撐樁作為堅向增強體承擔大部分荷載，加筋材料與樁帽通過鉚釘相連接，致使此處的應力較周圍大很多。加筋材料的抗拉性能有限，若強行限制其位移範圍，易造成加筋材料發揮增強填土強度之前發生破壞。三、加筋材料的土拱效應不顯著。土拱效應程度直接決定加筋材料的抗拉強度性能的發揮。加筋材料與樁帽頂處進行連接，使得加筋材料的移動範圍受限，不易產生土拱效應。四、施工工藝較繁瑣。由於受到材料運輸、設備運輸等不利因素的限制，施工中需要大量的臨時措施來保障施工。五、施工進度緩慢。施工在鋪設加筋材料後需要在樁帽處澆築鉚釘，工程量較大，因此施工速度受砌築速度、材料進場速度、每天砌築數量限制等因素影響致使施工進度緩慢，施工工期較長。六、施工投資較高。繁瑣的施工工藝下，避免不了投入大量的施工經費。在這種情況下，施工投資力度將大幅度增加。
技術實現要素：
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種加筋材料性能發揮充分 、土拱形成快速、承載力強、載荷分布均勻的樁-加筋材料複合地基結構，並對應提供兩種操作簡單、成本低廉、施工快速的施工方法。
為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種樁-加筋材料複合地基結構，包括支撐樁、加筋材料和填土層：所述的支撐樁有多根，所述的支撐樁豎直地貫於軟土地基中，並使上述支撐樁在水平截面上呈矩陣式或梅花式分布；每根所述的支撐樁的下部貫於土地基中，上部埋設於由柔性材料構成的低剛性填料層中，所述的支撐樁的頂面與所述的加筋材料接觸；所述的填土層覆蓋於所述的加筋材料之上，以使位於相鄰的支撐樁之間的加筋材料在填土層的作用下形成土拱；所述的加筋材料為加筋布、加筋網或土工格柵。
進一步，所述的柔性材料為聚苯乙烯板。
進一步，所述的柔性材料為橡膠製品廢棄物顆粒與填土混合而成的混合料；其中橡膠製品廢棄物顆粒的摻入量為混合料的4%，廢棄物顆粒粒徑0~3mm，表觀密度為1.138g/cm3。
進一步，所述的低剛性填料層由改性聚酯材料與填土混合而成。
進一步，所述的加筋材料位於路肩的部分向上彎折，以將所述的填土層包裹形成反包結構。
一種上述樁-加筋材料複合地基結構的施工方法，包括以下步驟：
1）放路堤的坡腳線，進行清表、平整處理，並檢驗基底承載力。
2）將多個支撐樁打入軟土地基以下預定位置，並使上述支撐樁在水平截面上呈矩陣式或梅花式分布。
3）將樁間土體由支撐樁的頂面向下進行挖除。
4）用聚苯乙烯板鋪設在挖除的土體處直至與支撐樁頂面齊平，以形成低剛性填料層；
5）鋪設加筋材料，並使其強度高的方向垂直於路堤的延伸方向，並將加筋材料進行張拉以使加筋材料不發生鬆弛現象。
6）將位於路肩部分的加筋材料向上彎折，並填入填土，再將位於路肩部分的加筋材料包裹所述的填土層以形成反包結構；然後進行碾壓，以完成施工。
一種上述樁-加筋材料複合地基結構的施工方法，包括以下步驟：
1）放路堤的坡腳線，進行清表、平整處理，並檢驗基底承載力。
2）將橡膠製品廢棄物顆粒或改性聚酯材料與填土混合成柔性物料，在地表以下≤2m的範圍內對柔性物料進行攪拌，使柔性物料混合均勻以形成低剛性填料層。
3）將多個支撐樁打入軟土地基以下預定位置，並使上述支撐樁在水平截面上呈矩陣式或梅花式分布。
4）鋪設加筋材料，並使其強度高的方向垂直於路堤的延伸方向，並將加筋材料進行張拉以使加筋材料不發生鬆弛現象。
5）將位於路肩部分的加筋材料向上彎折，並填入填土，再將位於路肩部分的加筋材料包裹所述的填土層以形成反包結構；然後進行碾壓，以完成施工。
本方法可充分利用加筋材料的抗拉性能，通過在其上鋪設上覆填土時，利用上部填土的自重和碾壓荷載，使加筋材料和低剛性填料置換區發生變形，其變形可使加筋材料在路基施工結束前充分發揮其抗拉強度，同時可加快上部填土區土層中土拱效應的形成速度。通過形成土拱，更好的達到調整不均勻沉降的目的。所述低剛性填料置換區指軟土地基中樁頂以下部分土體被低剛性材料所替換的區域。由於低剛性填料的變形效果較好，其上鋪設的加筋材料可在上覆填土的自重和碾壓荷載的作用下發生變形，以充分發揮其抗拉強度，進而達到提高路基穩定性的目的。這種方法既保證了工程質量，又使施工經濟簡便。
與現有的技術相比，本發明具有如下有益效果：
1、本發明所述的替代材料—高發泡率的聚苯乙烯板塊，充分發揮了其性能，其中包括伸縮強度大，不吸水，防漏、耐腐蝕、耐老化、耐高低溫，使用壽命長等。並且聚苯乙烯板塊與粘合物緊密融為一體的優勢，使其自然適應膨脹收縮的變化而變化，可在上覆荷載作用下快速形成土拱。
2、本發明所述的替代材料—橡膠製品如廢棄輪胎碎屑等，或其它輕質材料與填土混合物，具有廢棄物回收利用，材料來源廣泛，造價低廉，耐腐蝕等特點。施工時僅需對本混合物進行淺層攪拌即可，施工過程簡單易行。
3、路肩部分對加筋材料和工程填土進行處理，使二者呈反包式連接。反包式加筋土結構具有強度高、延伸率低、施工工藝簡單等優勢，使得加筋材料能夠得到良好固定。並且制約加筋材料的側向移動，保證路基的整體穩定性良好。路基整體中各個部分共同作用，使填土荷載得以均勻分布。
4、本發明中採用了土力學簡單計算方法預測加筋材料受上覆荷載作用後形成的土拱效應範圍。此計算方法簡單快捷，能有效預測產生土拱的區域範圍。同時可以實現施工實踐與理論計算同步進行，縮短工期以及降低工程投資的同時保證施工質量。施工簡便易行，可用於公路、橋臺、堤坎、碼頭、防坡堤、水庫及護坡工程等樁承式加筋技術領域。
5、本發明提供的施工方法，操作簡單易行，降低施工成本。本施工方法充分發揮了加筋材料的抗拉性能及同一支撐樁周圍加筋材料之間力的傳遞性能，增強路基整體穩定性，提高施工進度，減少施工周期。
附圖說明
圖1為樁-加筋材料複合地基結構的路基剖面簡圖；
圖2為樁-加筋材料複合地基結構的支撐樁矩形式分布俯視圖；
圖3為樁-加筋材料複合地基結構的支撐樁梅花式分布俯視圖；
圖4為樁-加筋材料複合地基結構的受力傳遞示意圖；
圖5為樁-加筋材料複合地基結構的一種施工方法的流程圖；
圖6為樁-加筋材料複合地基結構的另一種施工方法的流程圖。
附圖中：1—填土層；2—加筋材料；3—反包結構；4—支撐樁；5—軟土地基；6—低剛性填料層。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
一、一種樁-加筋材料複合地基結構，如圖1-4所示，包括支撐樁4、加筋材料2、低剛性填料層6和填土層1；所述的支撐樁4有多根，所述的支撐樁4豎直地貫於軟土地基5中，並使上述支撐樁4在水平截面上呈矩陣式分布；每根所述的支撐樁4的下部貫於土地基中，上部埋設於由柔性材料構成的低剛性填料層6中，所述的支撐樁4的頂面與所述的加筋材料2接觸；所述的填土層1覆蓋於所述的加筋材料2之上，以使位於相鄰的支撐樁4之間的加筋材料2在填土層1的作用下形成土拱；所述的加筋材料2為加筋布、加筋網或土工格柵。
作為優化，所述的柔性材料為聚苯乙烯板。挖除樁頂部一定範圍內的土體，換填高發泡率的聚苯乙烯板，這樣可以充分利用加筋材料2的張力，便於形成土拱。
作為優化，所述的柔性材料為橡膠製品廢棄物顆粒與填土混合而成的混合料；其中橡膠製品廢棄物顆粒的摻入量為混合料的4%，廢棄物顆粒粒徑0~3mm，表觀密度為1.138g/cm3。以橡膠製品廢棄物顆粒或其它輕質材料碎屑與填土的混合物作為性材料時，施工更簡單易行，成本較低。
作為優化，所述的柔性材料為改性聚酯材料與填土混合而成。
作為優化，所述的加筋材料2位於路肩的部分向上彎折，以將所述的填土層1包裹形成反包結構3。路肩處對加筋材料2進行固定形成反包裹體，便於加筋材料2的端部固定，同時可提高路基的整體穩定性可以防止加筋材料2受荷載作用時筋土摩擦力不足以支持加筋材料2維持固定狀態而發生滑動。
路肩通常指的是位於車行道外緣至路基邊緣，具有一定寬度的帶狀部分（包括硬路肩與保護性路肩），為保持車行道的功能和臨時停車使用，並作為路面的橫向支承。
如圖2、3、4所示，相鄰支撐樁4之間由上而下一定範圍內的土體由替換材料（低剛性填料層6）替代，目的是使加筋材料2在其上覆填的填土層1的荷載作用下產生豎向變形，進而在施工結束前使土體產生土拱效應，路肩處加筋材料2需要進行反包處理。樁間土拱的作用與許多因素有關,其中最重要的一個因素是土體的自身強度,它決定著土拱是否能夠形成並穩定存在。因此所述替換材料具體指一種具有發泡效應，剛度較小，質量較輕，施工簡便的材料，比如聚苯乙烯板，又如橡膠製品廢棄物顆粒或其它輕質材料碎屑與填土的混合物；路肩處加筋材料2通過向上反包處理與路肩土體形成反包裹體，便於加筋材料2的端部固定，同時可提高路基的整體穩定性。
二、一種上述樁-加筋材料複合地基結構的施工方法，包括以下步驟：
1）放路堤的坡腳線，進行清表、平整處理，並檢驗基底承載力；
2）將多個支撐樁4打入軟土地基5以下預定位置，並使上述支撐樁4在水平截面上呈矩陣式或梅花式分布；
支撐樁的樁間距確定基於土拱效應，根據土的極限平衡條件，得出土體發揮自身強度成拱的最大跨度(即最大樁間距)：lmax= (4B′ccos)/(qsin)---①。其中，B′為樁寬，c為土體凝聚力，為土體內摩擦角，q為支撐樁上部均布荷載。對於樁間距的確定，還應考慮土拱的高度h及其自穩性能，已知樁間距的大小與土拱高度成正比，故假設二者滿足：lmax=kh+w ---②。其中，k為比例係數，w為土體自穩常數。聯立公式①、②，並通過不斷擬和得出最終較精確的最大樁間距。
3）將樁間的土體由支撐樁4的頂面向下進行挖除；
4）用聚苯乙烯板鋪設在挖除的土體處直至與支撐樁4頂面齊平，以形成低剛性填料層6；
5）鋪設加筋材料2，並使其強度高的方向垂直於路堤的延伸方向，並將加筋材料2在其抗拉強度範圍內進行張拉；
6）將位於路肩部分的加筋材料2向上彎折，並填入填土，再將位於路肩部分的加筋材料2包裹所述的填土層1以形成反包結構3；然後進行碾壓，以完成施工。
三、另一種上述樁-加筋材料複合地基結構的施工方法，包括以下步驟：
1）放路堤的坡腳線，進行清表、平整處理，並檢驗基底承載力；
2）將橡膠製品廢棄物顆粒與填土混合成柔性物料，在地表以下≤2m的範圍內用柔性物料進行攪拌，使柔性物料混合均勻以形成低剛性填料層6。根據實際情況，將地表以下≤2m的範圍內的部分土壤挖除，然後將橡膠製品廢棄物顆粒或改性聚酯材料按比例與餘下的土壤混合形成低剛性填料層。
3）將多個支撐樁4打入軟土地基5以下預定位置，並使上述支撐樁4在水平截面上呈矩陣式或梅花式分布；
支撐樁的樁間距確定基於土拱效應，根據土的極限平衡條件，得出土體發揮自身強度成拱的最大跨度(即最大樁間距)：lmax= (4B′ccos)/(qsin)---①。其中，B′為樁寬，c為土體凝聚力，為土體內摩擦角，q為支撐樁上部均布荷載。對於樁間距的確定，還應考慮土拱的高度h及其自穩性能，已知樁間距的大小與土拱高度成正比，故假設二者滿足：lmax=kh+w ---②。其中，k為比例係數，w為土體自穩常數。聯立公式①、②，並通過不斷擬和得出最終較精確的最大樁間距。
4）鋪設加筋材料2，並使其強度高的方向垂直於路堤的延伸方向，並將加筋材料2在其抗拉強度範圍內進行張拉；
5）將位於路肩部分的加筋材料2向上彎折，並填入填土，再將位於路肩部分的加筋材料2包裹所述的填土層1以形成反包結構3；然後進行碾壓，以完成施工。
上述方法克服了加筋材料2與土體界面摩擦力有限、加筋材料2的強度和剛度沒有得到充分發揮的致命性缺陷，路堤的填土層1的荷載是通過加筋材料2直接傳遞到樁體上。採用本發明方法後，加筋材料2的荷載傳遞方式改變為直接通過加筋材料2自身的軸向力將路堤填土荷載傳遞到樁頂端及其周圍外側土體上，代替了砂墊層與加筋材料2界面相互作用及加筋材料2與樁帽錨固固定作用，從而可以取消砂墊層鋪設或取消樁帽及樁帽與加筋材料2的錨固直接填築路堤，節約砂墊層、樁帽、錨固筋材材料及鋪設、錨固、澆築費用。同時，受力變形後的加筋材料2可以通過對樁頂的約束作用，限制樁體的位移，從而達到控制路基側向位移，提高路基整體穩定性的目的。而且本發明方法改變了筋材與土體的界面摩擦能力有限，其強度沒有得到充分發揮，樁帽與筋材之間錨固等工程繁瑣造價較高的缺陷，充分發揮了加筋材料2的抗拉強度，極大地提高了加筋材料2的利用率。
四、實施例
實施例1：
按以下方法對樁-加筋材料複合地基結構進行施工，其步驟如圖5所示，具體操作為：
A、按設計及規範要求嚴格放出路堤的坡腳線。根據設計圖紙要求，進行填筑前的清表、平整處理，並檢驗基底承載力是否符合設計要求。同時應用土力學簡單計算方法預測加筋材料2受上覆路基填土荷載作用後所形成土拱的變形形狀及變形尺寸。
B、打樁4。按照設計要求將支撐樁4均勻打入軟土地基5以下預定位置。
C、開挖。將樁間土體由樁頂向下進行挖除，挖除範圍由上述計算結果所得。
D、填築小剛度填料—高發泡率聚苯乙烯板。將聚苯乙烯板填入樁間土體被挖空部分，直至樁頂。
E、鋪設加筋材料2。儘量採用寬幅的土工合成材料，並使其強度高的方向垂直於路堤軸向方向。鋪設時，使加筋材料強度高的方向垂直於路堤軸向方向，並將加筋材料進行張拉以使加筋材料不發生鬆弛現象。
F、加筋材料2反包。路肩部分進行反包處理來對加筋材料2進行定位，以致不得因填土而移動，反包尺寸可根據實際工程需要及相關規範設置尺寸。
G、填土與碾壓。加筋材料2施工完成後，在其上進行填土與碾壓。針對不同的地基條件，應採取不同的填土填築方式。
實施例2
按以下方法對樁-加筋材料複合地基結構進行施工，其步驟如圖6所示，具體操作為：
A、按設計及規範要求嚴格放出路堤的坡腳線。根據設計圖紙要求，進行填筑前的清表、平整處理，並檢驗基底承載力是否符合設計要求。同時應用土力學簡單計算方法預測加筋材料2受上覆荷載作用後變形形成的土拱尺寸，並運用適當算法換算出實際施工所需範圍。
B、混合淺攪。將橡膠製品廢棄物顆粒或改性聚酯材料打成碎屑，與填土按一定比例混合組合成具有較小剛度的混合物料。混合物料作為替代填土材料使土體能更好的適應由上覆荷載作用而引起的變形。按照設計要求對路基一定範圍內土料混合物進行淺層攪拌。
C、打樁4。按照相關技術規範要求將支撐樁4打入預定位置。
D、鋪設加筋材料2。儘量採用寬幅的土工合成材料，並使其強度高的方向垂直於路堤軸向方向。鋪設加筋材料2時，使加筋材料強度高的方向垂直於路堤軸向方向，並將加筋材料進行張拉以使加筋材料不發生鬆弛現象。
E、加筋材料2反包。路肩部分進行反包處理來對加筋材料2進行定位，以致不得因填土而移動，反包尺寸可根據實際工程需要及相關規範設置尺寸。
F、填土與碾壓。加筋材料2施工完成後，在其上進行填土與碾壓。
對於軟弱地基來說，應先沿路肩兩側邊緣卸土，以繃緊加筋材料2和避免集中填土引起地基失穩破壞。卸土後應立即攤鋪，避免局部下陷。軟基上路堤填築速率應滿足設計或《公路軟土地基路堤設計與施工技術規範》等相關規範的要求。
所述的開挖，具體指靠近樁頂部分的土體需要進行開挖，實際施工開挖範圍由步驟A計算得到。
所述的混合淺攪，指運用挖掘機或攪拌機械在開挖區域內對混合料進行淺層攪拌，應做到攪拌均勻，以免造成漏陷、沉降不均勻等現象。
所述對加筋材料2進行反包處理，具體指加筋材料2鋪設完成後端部沿著路肩向下反包與路基填土組成較穩定整體，以增加路基整體穩定性。
所述的對填料進行碾壓夯實，滿足密實度達到規範要求及提高路基的承載力。
本發明的上述實施例僅僅是為說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。