一種路堤結構及施工方法與流程
2023-07-29 13:58:06 1
本發明屬於地基處理技術領域，涉及一種路堤結構及施工方法，尤其涉及一種微生物改性纖維-砂土-廢舊輪胎骨料-格柵加筋路堤結構及施工方法。
背景技術：
在軟土地區修建高速公路和鐵路時，由於軟土自身強度低、壓縮性高等不良工程因素，常常發生不均勻沉降問題，對道路的正常使用產生了巨大的挑戰。
目前解決此問題的常用方法是採用樁承式加筋路堤結構，該結構由以下幾個部分組成：路堤填土、砂墊層、筋材、樁、樁帽、軟弱地基以及持力層。在路堤填土荷載作用下，在樁帽之間形成土拱效應，使得大部分路堤荷載通過樁傳遞到持力層；筋材通過與砂墊層之間的界面摩阻力的相互作用約束路堤側向位移並通過筋材的張拉膜效應提高樁的荷載分擔比。然而，筋材與砂墊層之間的界面摩擦力相當有限，當達到極限界面摩擦力時，這種加筋墊層無法有效限制路堤側向位移，通過學者專家的研究發現，樁承式加筋路堤在解決軟土地區高速公路修建時仍存在以下缺點：
1)路堤失穩或局部失穩現象仍然可能出現；2)路堤邊坡側向位移現象仍然明顯；3)路堤沉降和不均勻沉降問題仍然顯著；4)筋材對地基深層的側向位移限制作用不大；5)筋材與土體的界面摩阻力有限，筋材的強度和剛度無法得到充分發揮；6)筋材張拉膜效應荷載傳遞能力有限。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在於提供了一種結構合理、施工方便以及可有效減小路堤的沉降的路堤結構及施工方法。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種路堤結構，包括持力層、軟土地基以及鋪設在軟土地基上的路堤填土；所述路堤填土上表面設有路面防水層、兩側設置有護坡防水層；其特徵在於：所述路堤結構還包括設置在軟土地基與路堤填土之間並嵌入軟土地基的減小路堤沉降結構；所述減小路堤沉降結構包括樁帽、防水土工布、混凝土密封溝、微生物改性加筋墊層、預埋鋼筋、樁帽蓋板以及由m行×n列鋼筋混凝土薄壁管樁組成的混凝土樁組；所述樁帽置於鋼筋混凝土薄壁管樁的頂部；所述鋼筋混凝土薄壁管樁打穿軟土地基並嵌入持力層中；所述樁帽的上表面固定設置有插入樁帽中的預埋鋼筋；所述微生物改性加筋墊層通過預埋鋼筋平鋪固定在樁帽的上表面；所述樁帽蓋板通過預埋鋼筋與樁帽相連；所述微生物改性加筋墊層的頂部以及底部均鋪設有防水土工布；所述路堤填土置於微生物改性加筋墊層頂部的防水土工布的上表面；所述防水土工布密封在混凝土密封溝的底部。
作為優選，本發明所採用的微生物改性加筋墊層包括三向土工格柵籠、三向土工格柵、塑料扎帶以及骨料混合料；所述三向土工格柵置於相鄰三向土工格柵籠之間，並通過塑料扎帶連接固定；所述骨料混合料填充在三向土工格柵籠以及三向土工格柵之間，並通過微生物方法固化；所述三向土工格柵籠通過預埋鋼筋平鋪固定在樁帽的頂部；所述微生物方法包括先連續噴淋1小時濃度為0.5M的尿素溶液；而後，連續噴淋6-8小時含0.5M的氯化鈣的巴氏芽孢桿菌離心液；最後，連續噴淋14-20天含有尿素與氯化鈣的膠結液；所述膠結液中尿素的終濃度與氯化鈣的終濃度均是0.5M；所述巴氏芽孢桿菌離心液是將培養獲得的巴氏芽孢桿菌液採用離心機離心後獲得的細菌懸浮液，其中巴氏芽孢桿菌液的OD600大於1.0。
作為優選，本發明所採用的三向土工格柵籠的截面整體呈矩形；所述三向土工格柵籠的高度是300-400mm；所述三向土工格柵籠的寬度與樁帽的寬度相同。
作為優選，本發明所採用的三向土工格柵沿三向土工格柵籠的高度方向分層鋪設3-4層，每層高度是100mm；每層三向土工格柵均通過塑料扎帶與三向土工格柵籠相連；所述塑料扎帶之間的間距不大於100mm。
作為優選，本發明所採用的三向土工格柵與三向土工格柵籠均滿足伸長率為0.5％時的抗拉強度不小於200kN/m的條件。
作為優選，本發明所採用的骨料混合料是由纖維、中粗砂以及廢舊輪胎骨料均勻混合而成；所述骨料混合料採用分層壓實填築；所述骨料混合料分層厚度為100mm，壓實度控制為30％；所述骨料混合料中纖維長度為3-5mm，摻入質量佔混合料質量的0.1％；所述骨料混合料中中粗砂粒徑範圍為0.5-2.0mm，摻入比例佔混合料質量的90-95％；所述骨料混合料中廢舊輪胎骨料由廢舊橡膠輪胎經機械破碎成顆粒狀，粒徑範圍為1.5-3.0mm。
作為優選，本發明所採用的鋼筋混凝土薄壁管樁的彈性模量是20-30GPa，所述鋼筋混凝土薄壁管樁的樁體外徑是500-600mm，所述鋼筋混凝土薄壁管樁的壁厚是80-100mm，所述鋼筋混凝土薄壁管樁的樁體按矩形布置，所述混凝土樁組相鄰兩個鋼筋混凝土薄壁管樁之間的樁間距是2.0-3.0m；所述鋼筋混凝土薄壁管樁所採用的混凝土強度等級不小於C60，所述鋼筋混凝土薄壁管樁包括鋼筋籠骨架；所述鋼筋籠骨架包括鋼筋籠縱筋以及纏繞在鋼筋籠縱筋外周的箍筋；所述鋼筋籠縱筋採用HRB400，所述鋼筋籠縱筋的直徑是18mm；所述箍筋採用HRB335，所述箍筋的直徑是10mm。
作為優選，本發明所採用的樁帽的截面呈正方形；所述樁帽的邊長是800～1500mm；所述樁帽的厚度不小於250mm；所述樁帽採用混凝土強度等級不小於C30，所述鋼筋混凝土薄壁管樁鑲嵌於樁帽的下底面；所述鋼筋混凝土薄壁管樁進入樁帽的長度不小於50mm；所述預埋鋼筋插入樁帽的上表面；所述預埋鋼筋埋入樁帽的長度不小於150mm；所述預埋鋼筋的直徑不小於8mm；所述預埋鋼筋包括17根，其中，一根位於樁帽截面的中心，另外16根均布於樁帽截面的邊緣且距樁帽邊緣的距離不小於100mm；所述預埋鋼筋在樁帽上表面裸露的部分的厚度不小於350mm。
一種基於如上所述的路堤結構的施工方法，其特徵在於：所述施工方法包括以下步驟：
1)施工準備：包括測量放線，場地平整，設備進場，超挖微生物改性加筋墊層的厚度，確定鋼筋混凝土薄壁管樁的樁位；
2)鋼筋混凝土薄壁管樁施工：包括樁基就位、沉管到位、下放鋼筋籠、灌注混凝土至管頂、振動拔管、樁頂封閉以及檢測質量；
3)現澆鋼筋混凝土樁帽：在鋼筋混凝土薄壁管樁的樁頂支模，現澆鋼筋混凝土樁帽，並在樁帽頂部預留17根鋼筋頭，其中一根位於樁帽中心，4根位於樁帽截面四角，距樁帽邊緣不小於100mm，鋼筋頭所使用的鋼筋直徑不小於8mm；而後對現澆鋼筋混凝土樁帽進行自然養護，採用篷布、塑料布進行覆蓋，防止表面水分蒸發，鋼筋混凝土樁帽達到75％強度後，在樁帽間填充路堤填土至樁帽頂部，並進行場地平整、樁帽頂面清潔等工作；
4)微生物改性加筋墊層施工：在路堤底部鋪設第一層防水土工布，並通過預埋鋼筋固定在樁帽頂部；在相鄰樁帽上鋪設三向土工格柵籠，並通過預埋鋼筋固定在樁帽頂部；在軟土地基上方分別分層鋪設三向土工格柵及骨料混合料，分層厚度為100mm，骨料混合料的壓實度控制為30％，每層三向土工格柵鋪設完成後，採用塑料扎帶與三向土工格柵籠相固定；而後，對該加筋墊層進行微生物固化：
先連續噴淋1小時濃度為0.5M的尿素溶液；而後，連續噴淋6-8小時含0.5M的氯化鈣的巴氏芽孢桿菌離心液；最後，連續噴淋14-20天含有尿素與氯化鈣的膠結液；所述膠結液中尿素的終濃度與氯化鈣的終濃度均是0.5M；所述巴氏芽孢桿菌離心液是將培養獲得的巴氏芽孢桿菌液採用離心機離心後獲得的細菌懸浮液，其中巴氏芽孢桿菌液的OD600大於1.0；
5)現澆混凝土樁帽蓋板以及修築混凝土密封溝：在微生物改性加筋墊層上鋪設第二層防水土工布，在樁帽上方支模現澆混凝土樁帽蓋板，並在路堤兩側修築混凝土密封溝，將防水土工布密封；
6)修築路面防水層及護坡防水層：待現樁帽蓋板自然養護達到75％強度後，進行路堤修築，並在路堤頂面及路堤邊坡分別修築路面防水層及護坡防水層。
作為優選，本發明所採用的骨料混合料是由纖維、中粗砂以及廢舊輪胎骨料均勻混合而成，所述骨料混合料採用分層壓實填築，所述骨料混合料分層厚度為100mm，壓實度控制為30％；所述骨料混合料中纖維長度為3-5mm，摻入質量佔混合料質量的0.1％；所述骨料混合料中中粗砂粒徑範圍為0.5-2.0mm，摻入比例佔混合料質量的90-95％；所述骨料混合料中廢舊輪胎骨料由廢舊橡膠輪胎經機械破碎成顆粒狀，粒徑範圍為1.5-3.0mm。
本發明的優點是：
本發明提供了一種路堤結構及施工方法，該路堤結構包括持力層、軟土地基、路堤填土，以及設置在軟土地基與路堤填土之間並嵌入軟土地基的減小路堤沉降結構。該減小路堤沉降結構是採用骨料混合料、三向土工格柵籠以及三向土工格柵構建的加筋墊層，並通過微生物固化技術將該加筋墊層固化成整體性好、強度高、剛度大的微生物改性加筋墊層，該過程不會產生有害物質對周邊環境產生影響。該減小路堤沉降結構與剛性樁組成一個承載力極高的承載體系，能夠將大部分路堤荷載傳遞至持力層，進而有效限制路堤側向位移，並減小路堤沉降及不均勻沉降；與傳統的樁板結構路堤或樁承式加筋路堤相比，本發明提供的路堤結構具有承載力高、經濟效益好、施工周期短、與環境友好等優點，是一種值得推廣的綠色生態結構。
附圖說明
圖1是本發明所提供的路堤結構的剖面示意圖；
圖2是本發明所提供的微生物改性加筋墊層與鋼筋混凝土薄壁管樁搭接示意圖；
圖3是本發明的所採用的微生物改性加筋墊層的剖面示意圖；
圖4是本發明所採用的三向土工格柵籠鋪設示意圖；
圖5是本發明所採用的三向土工格柵籠三維示意圖；
圖6是本發明的預埋鋼筋布置示意圖；
附圖標記說明如下：
1-持力層；2-軟土地基；3-鋼筋混凝土薄壁管樁；4-樁帽；5-防水土工布；6-三向土工格柵籠；7-三向土工格柵；8-微生物改性加筋墊層；9-預埋鋼筋；10-樁帽蓋板；11-路面防水層；12-路堤填土；13-護坡防水層；14-混凝土密封溝；15-骨料混合料；16-塑料扎帶。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
參見圖1以及圖2，本發明提供了一種路堤結構，包括持力層1以及軟土地基2以及鋪設在軟土地基2上的路堤填土12；路堤填土12的上表面的寬度小於軟土地基2的表面寬度；路堤填土12上表面與軟土地基2之間設置有護坡；該路堤結構還包括設置在軟土地基2與路堤填土12之間並伸入軟土地基2以及持力層1的防止路堤沉降裝置；防止路堤沉降裝置包括樁帽4、防水土工布5、微生物改性加筋墊層8、預埋鋼筋9、樁帽蓋板10以及由m行×n列鋼筋混凝土薄壁管樁3組成的混凝土樁組；樁帽4置於鋼筋混凝土薄壁管樁3的頂部；鋼筋混凝土薄壁管樁3伸入軟土地基2中；樁帽4的上表面固定設置有插入樁帽4中的預埋鋼筋9；微生物改性加筋墊層8通過預埋鋼筋9平鋪固定在樁帽4的上表面；樁帽蓋板10通過預埋鋼筋9與樁帽4相連；微生物改性加筋墊層8的頂部以及底部均鋪設有防水土工布5；路堤填土12置於微生物改性加筋墊層8頂部的防水土工布5的上表面。
參見圖3，本發明所採用的微生物改性加筋墊層8包括三向土工格柵籠6、三向土工格柵7、塑料扎帶16以及骨料混合料15；三向土工格柵7置於三向土工格柵籠6內並通過塑料扎帶16連接；骨料混合料15填充在三向土工格柵籠6以及三向土工格柵7之間，並通過微生物方法固化；三向土工格柵籠6通過預埋鋼筋9平鋪固定在樁帽4的頂部。
參見圖4以及圖5，本發明所採用的三向土工格柵籠6的截面整體呈矩形；三向土工格柵籠6的高度是300-400mm；三向土工格柵籠6的寬度與樁帽4的寬度相同。本發明所採用的三向土工格柵7沿三向土工格柵籠高度方向分層鋪設3-4層，每層高度是100mm；每層三向土工格柵7均通過塑料扎帶16與三向土工格柵籠6相連；塑料扎帶16之間的間距不大於100mm。本發明所採用的三向土工格柵7與三向土工格柵籠6均滿足伸長率為0.5％時的抗拉強度不小於200kN/m的條件。
本發明所採用的骨料混合料15是由纖維、中粗砂以及廢舊輪胎骨料均勻混合而成，骨料混合料15採用分層壓實填築，骨料混合料15分層厚度為100mm，壓實度控制為30％；骨料混合料15中纖維長度為3-5mm，摻入質量佔混合料質量的0.1％；骨料混合料15中中粗砂粒徑範圍為0.5-2.0mm，摻入比例佔混合料質量的90-95％；骨料混合料15中廢舊輪胎骨料由廢舊橡膠輪胎經機械破碎成顆粒狀，粒徑範圍為1.5-3.0mm。
本發明所採用的鋼筋混凝土薄壁管樁3的彈性模量是20-30GPa，鋼筋混凝土薄壁管樁3的樁體外徑是500-600mm，鋼筋混凝土薄壁管樁3的壁厚是80-100mm，混凝土樁組相鄰兩個鋼筋混凝土薄壁管樁3之間的樁間距是2.0-3.0m；鋼筋混凝土薄壁管樁3所採用的混凝土強度等級不小於C60，鋼筋混凝土薄壁管樁3包括鋼筋籠骨架；鋼筋籠骨架包括鋼筋籠縱筋以及纏繞在鋼筋籠縱筋外周的箍筋；鋼筋籠縱筋採用HRB400，鋼筋籠縱筋的直徑是18mm；箍筋採用HRB335，箍筋的直徑是10mm。
參見圖6，本發明所採用的樁帽4的截面呈正方形；樁帽4的邊長是800～1500mm；樁帽4的厚度不小於250mm；樁帽4採用混凝土強度等級不小於C30，鋼筋混凝土薄壁管樁3鑲嵌於樁帽4的下底面；鋼筋混凝土薄壁管樁3進入樁帽4的長度不小於50mm；預埋鋼筋9插入樁帽4的上表面；預埋鋼筋9埋入樁帽4的長度不小於150mm；預埋鋼筋9的直徑不小於8mm；預埋鋼筋9包括17根，其中，一根位於樁帽4截面的中心，另外16根均布於樁帽4截面的邊緣且距樁帽4邊緣的距離不小於100mm；預埋鋼筋9在樁帽4上表面裸露的部分不小於350mm。
一種基於如前的路堤結構的施工方法，其特徵在於：施工方法包括以下步驟：
1)施工準備：包括測量放線，場地平整，設備進場，超挖微生物改性加筋墊層8的厚度，確定鋼筋混凝土薄壁管樁3的樁位；
2)鋼筋混凝土薄壁管樁3施工：包括樁基就位、沉管到位、下放鋼筋籠、灌注混凝土至管頂、振動拔管、樁頂封閉以及檢測質量；
3)現澆鋼筋混凝土樁帽4；在鋼筋混凝土薄壁管樁3的樁頂支模，現澆鋼筋混凝土樁帽4，並在樁帽4頂部預留17根鋼筋頭，其中一根位於樁帽4中心，4根位於樁帽截面四角，距樁帽邊緣不小於100mm，鋼筋頭所使用的鋼筋直徑不小於8mm；而後對現澆鋼筋混凝土樁帽進行自然養護，採用篷布、塑料布進行覆蓋，防止表面水分蒸發，鋼筋混凝土樁帽達到75％強度後，在樁帽間填充路堤填土至樁帽頂部，並進行場地平整、樁帽頂面清潔等工作；
4)微生物改性加筋墊層8的施工；在路堤底部鋪設第一防水土工布5，並通過預埋鋼筋固定在樁帽4頂部；在相鄰樁帽4上鋪設三向土工格柵籠6，並通過預埋鋼筋9固定在樁帽4頂部；在軟土地基2上方分別分層鋪設三向土工格柵7及骨料混合料15，分層厚度為100mm，骨料混合料15的壓實度控制為30％，每層三向土工格柵7鋪設完成後，採用塑料扎帶16與三向土工格柵籠6相固定；而後，對該加筋墊層進行微生物固化：
先連續噴淋1小時濃度為0.5M的尿素溶液；而後，連續噴淋6-8小時含0.5M的氯化鈣的巴氏芽孢桿菌離心液；最後，連續噴淋14-20天尿素與氯化鈣的膠結液；膠結液中尿素的終濃度與氯化鈣的終濃度均是0.5M；巴氏芽孢桿菌離心液是將培養獲得的巴氏芽孢桿菌液採用離心機離心後獲得的細菌懸浮液，其中巴氏芽孢桿菌液的OD600大於1.0；
5)現澆混凝土樁帽蓋板10以及修築混凝土密封溝14；在微生物改性加筋墊層8上鋪設第二層防水土工布5，在樁帽4上方支模現澆混凝土樁帽蓋板10，並在路堤兩側修築混凝土密封溝14，將防水土工布5密封；
6)修築路面防水層11及護坡防水層13：待現樁帽蓋板10自然養護達到75％強度後，進行路堤修築，並在路堤邊坡及路堤頂面分別修築路面防水層11及護坡防水層13。
微生物改性加筋墊層對骨料混合料有良好的約束作用，進而可以有效限制路堤的側向位移及沉降。三向土工格柵籠為預製尺寸，根據現場樁帽尺寸和樁距進行定製。三向土工格柵籠通過樁帽上的預埋鋼筋進行定位固定，同時通過塑料扎帶與土工格柵進行綁紮連接，在整個場地形成一個整體；樁、樁帽和微生物改性加筋墊層組成了類似梁-板-柱的結構，通過微生物改性加筋墊層將大部分荷載傳遞至鋼筋混凝土薄壁管樁，大大減小了路堤的側向位移、沉降及不均勻沉降。
上述具體實施方式只是本發明的一個優選實施例，並不是用來限制本發明的實施與權利要求範圍的，凡依據本發明申請專利保護範圍內容做出的等效變化和修飾，均應包括於本發明專利申請範圍內。