一种桩‑加筋材料复合地基结构及其施工方法与流程

本发明属于软土地基技术领域，具体涉及一种桩-加筋材料复合地基结构及其施工方法。

背景技术：

软土地基沉降是常见的岩土工程病害之一。其原始防治措施主要是换土垫层法，现代防止措施主要有桩承式加筋垫层法和加筋锚固法。几种方法复合地基均可以改善地基承载力不足、土体抗剪强度不足的缺点，进而减少路基的不均匀沉降，增强了路堤整体的稳定性。

换土垫层法处理软土路基的方法应用于修筑路堤下软土地基时存在一定缺陷，具体表现在两方面：一是不均匀沉降问题仍然显著。工程实践表明，换土垫层法处理路基时仍存在一定的不均匀沉降现象，致使路堤边坡侧向位移，工程延期，耗费资源等情况较严重。二是砂垫层材料及铺设费用大。一般工程实践中，砂垫层材料需要从场外购买及运输，运到施工现场时需要铺设，这样下来，材料的购买、运输及铺设费用会比一般方法处理软土路基高很多。

桩承式加筋垫层法和加筋锚固法应用于修筑路堤下软土地基时也存在缺陷，具体表现在：一、加筋材料的抗拉强度没有得到充分发挥。加筋材料与桩体进行锚固处理后，未经过张拉的加筋材料的抗拉强度受到局限，致使加筋材料无法充分发挥其抗拉性能。二、应力集中现象较显著。在路堤填土荷载作用下，支撑桩作为坚向增强体承担大部分荷载，加筋材料与桩帽通过铆钉相连接，致使此处的应力较周围大很多。加筋材料的抗拉性能有限，若强行限制其位移范围，易造成加筋材料发挥增强填土强度之前发生破坏。三、加筋材料的土拱效应不显著。土拱效应程度直接决定加筋材料的抗拉强度性能的发挥。加筋材料与桩帽顶处进行连接，使得加筋材料的移动范围受限，不易产生土拱效应。四、施工工艺较繁琐。由于受到材料运输、设备运输等不利因素的限制，施工中需要大量的临时措施来保障施工。五、施工进度缓慢。施工在铺设加筋材料后需要在桩帽处浇筑铆钉，工程量较大，因此施工速度受砌筑速度、材料进场速度、每天砌筑数量限制等因素影响致使施工进度缓慢，施工工期较长。六、施工投资较高。繁琐的施工工艺下，避免不了投入大量的施工经费。在这种情况下，施工投资力度将大幅度增加。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种加筋材料性能发挥充分 、土拱形成快速、承载力强、载荷分布均匀的桩-加筋材料复合地基结构，并对应提供两种操作简单、成本低廉、施工快速的施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种桩-加筋材料复合地基结构，包括支撑桩、加筋材料和填土层：所述的支撑桩有多根，所述的支撑桩竖直地贯于软土地基中，并使上述支撑桩在水平截面上呈矩阵式或梅花式分布；每根所述的支撑桩的下部贯于土地基中，上部埋设于由柔性材料构成的低刚性填料层中，所述的支撑桩的顶面与所述的加筋材料接触；所述的填土层覆盖于所述的加筋材料之上，以使位于相邻的支撑桩之间的加筋材料在填土层的作用下形成土拱；所述的加筋材料为加筋布、加筋网或土工格栅。

进一步，所述的柔性材料为聚苯乙烯板。

进一步，所述的柔性材料为橡胶制品废弃物颗粒与填土混合而成的混合料；其中橡胶制品废弃物颗粒的掺入量为混合料的4%，废弃物颗粒粒径0~3mm，表观密度为1.138g/cm³。

进一步，所述的低刚性填料层由改性聚酯材料与填土混合而成。

进一步，所述的加筋材料位于路肩的部分向上弯折，以将所述的填土层包裹形成反包结构。

一种上述桩-加筋材料复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：

1）放路堤的坡脚线，进行清表、平整处理，并检验基底承载力。

2）将多个支撑桩打入软土地基以下预定位置，并使上述支撑桩在水平截面上呈矩阵式或梅花式分布。

3）将桩间土体由支撑桩的顶面向下进行挖除。

4）用聚苯乙烯板铺设在挖除的土体处直至与支撑桩顶面齐平，以形成低刚性填料层；

5）铺设加筋材料，并使其强度高的方向垂直于路堤的延伸方向，并将加筋材料进行张拉以使加筋材料不发生松弛现象。

6）将位于路肩部分的加筋材料向上弯折，并填入填土，再将位于路肩部分的加筋材料包裹所述的填土层以形成反包结构；然后进行碾压，以完成施工。

一种上述桩-加筋材料复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：

1）放路堤的坡脚线，进行清表、平整处理，并检验基底承载力。

2）将橡胶制品废弃物颗粒或改性聚酯材料与填土混合成柔性物料，在地表以下≤2m的范围内对柔性物料进行搅拌，使柔性物料混合均匀以形成低刚性填料层。

3）将多个支撑桩打入软土地基以下预定位置，并使上述支撑桩在水平截面上呈矩阵式或梅花式分布。

4）铺设加筋材料，并使其强度高的方向垂直于路堤的延伸方向，并将加筋材料进行张拉以使加筋材料不发生松弛现象。

5）将位于路肩部分的加筋材料向上弯折，并填入填土，再将位于路肩部分的加筋材料包裹所述的填土层以形成反包结构；然后进行碾压，以完成施工。

本方法可充分利用加筋材料的抗拉性能，通过在其上铺设上覆填土时，利用上部填土的自重和碾压荷载，使加筋材料和低刚性填料置换区发生变形，其变形可使加筋材料在路基施工结束前充分发挥其抗拉强度，同时可加快上部填土区土层中土拱效应的形成速度。通过形成土拱，更好的达到调整不均匀沉降的目的。所述低刚性填料置换区指软土地基中桩顶以下部分土体被低刚性材料所替换的区域。由于低刚性填料的变形效果较好，其上铺设的加筋材料可在上覆填土的自重和碾压荷载的作用下发生变形，以充分发挥其抗拉强度，进而达到提高路基稳定性的目的。这种方法既保证了工程质量，又使施工经济简便。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述的替代材料—高发泡率的聚苯乙烯板块，充分发挥了其性能，其中包括伸缩强度大，不吸水，防漏、耐腐蚀、耐老化、耐高低温，使用寿命长等。并且聚苯乙烯板块与粘合物紧密融为一体的优势，使其自然适应膨胀收缩的变化而变化，可在上覆荷载作用下快速形成土拱。

2、本发明所述的替代材料—橡胶制品如废弃轮胎碎屑等，或其它轻质材料与填土混合物，具有废弃物回收利用，材料来源广泛，造价低廉，耐腐蚀等特点。施工时仅需对本混合物进行浅层搅拌即可，施工过程简单易行。

3、路肩部分对加筋材料和工程填土进行处理，使二者呈反包式连接。反包式加筋土结构具有强度高、延伸率低、施工工艺简单等优势，使得加筋材料能够得到良好固定。并且制约加筋材料的侧向移动，保证路基的整体稳定性良好。路基整体中各个部分共同作用，使填土荷载得以均匀分布。

4、本发明中采用了土力学简单计算方法预测加筋材料受上覆荷载作用后形成的土拱效应范围。此计算方法简单快捷，能有效预测产生土拱的区域范围。同时可以实现施工实践与理论计算同步进行，缩短工期以及降低工程投资的同时保证施工质量。施工简便易行，可用于公路、桥台、堤坎、码头、防坡堤、水库及护坡工程等桩承式加筋技术领域。

5、本发明提供的施工方法，操作简单易行，降低施工成本。本施工方法充分发挥了加筋材料的抗拉性能及同一支撑桩周围加筋材料之间力的传递性能，增强路基整体稳定性，提高施工进度，减少施工周期。

附图说明

图1为桩-加筋材料复合地基结构的路基剖面简图；

图2为桩-加筋材料复合地基结构的支撑桩矩形式分布俯视图；

图3为桩-加筋材料复合地基结构的支撑桩梅花式分布俯视图；

图4为桩-加筋材料复合地基结构的受力传递示意图；

图5为桩-加筋材料复合地基结构的一种施工方法的流程图；

图6为桩-加筋材料复合地基结构的另一种施工方法的流程图。

附图中：1—填土层；2—加筋材料；3—反包结构；4—支撑桩；5—软土地基；6—低刚性填料层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一、一种桩-加筋材料复合地基结构，如图1-4所示，包括支撑桩4、加筋材料2、低刚性填料层6和填土层1；所述的支撑桩4有多根，所述的支撑桩4竖直地贯于软土地基5中，并使上述支撑桩4在水平截面上呈矩阵式分布；每根所述的支撑桩4的下部贯于土地基中，上部埋设于由柔性材料构成的低刚性填料层6中，所述的支撑桩4的顶面与所述的加筋材料2接触；所述的填土层1覆盖于所述的加筋材料2之上，以使位于相邻的支撑桩4之间的加筋材料2在填土层1的作用下形成土拱；所述的加筋材料2为加筋布、加筋网或土工格栅。

作为优化，所述的柔性材料为聚苯乙烯板。挖除桩顶部一定范围内的土体，换填高发泡率的聚苯乙烯板，这样可以充分利用加筋材料2的张力，便于形成土拱。

作为优化，所述的柔性材料为橡胶制品废弃物颗粒与填土混合而成的混合料；其中橡胶制品废弃物颗粒的掺入量为混合料的4%，废弃物颗粒粒径0~3mm，表观密度为1.138g/cm³。以橡胶制品废弃物颗粒或其它轻质材料碎屑与填土的混合物作为性材料时，施工更简单易行，成本较低。

作为优化，所述的柔性材料为改性聚酯材料与填土混合而成。

作为优化，所述的加筋材料2位于路肩的部分向上弯折，以将所述的填土层1包裹形成反包结构3。路肩处对加筋材料2进行固定形成反包裹体，便于加筋材料2的端部固定，同时可提高路基的整体稳定性可以防止加筋材料2受荷载作用时筋土摩擦力不足以支持加筋材料2维持固定状态而发生滑动。

路肩通常指的是位于车行道外缘至路基边缘，具有一定宽度的带状部分（包括硬路肩与保护性路肩），为保持车行道的功能和临时停车使用，并作为路面的横向支承。

如图2、3、4所示，相邻支撑桩4之间由上而下一定范围内的土体由替换材料（低刚性填料层6）替代，目的是使加筋材料2在其上覆填的填土层1的荷载作用下产生竖向变形，进而在施工结束前使土体产生土拱效应，路肩处加筋材料2需要进行反包处理。桩间土拱的作用与许多因素有关,其中最重要的一个因素是土体的自身强度,它决定着土拱是否能够形成并稳定存在。因此所述替换材料具体指一种具有发泡效应，刚度较小，质量较轻，施工简便的材料，比如聚苯乙烯板，又如橡胶制品废弃物颗粒或其它轻质材料碎屑与填土的混合物；路肩处加筋材料2通过向上反包处理与路肩土体形成反包裹体，便于加筋材料2的端部固定，同时可提高路基的整体稳定性。

二、一种上述桩-加筋材料复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：

1）放路堤的坡脚线，进行清表、平整处理，并检验基底承载力；

2）将多个支撑桩4打入软土地基5以下预定位置，并使上述支撑桩4在水平截面上呈矩阵式或梅花式分布；

支撑桩的桩间距确定基于土拱效应，根据土的极限平衡条件，得出土体发挥自身强度成拱的最大跨度(即最大桩间距)：l_max= (4B′ccos)/(qsin)---①。其中，B′为桩宽，c为土体凝聚力，为土体内摩擦角，q为支撑桩上部均布荷载。对于桩间距的确定，还应考虑土拱的高度h及其自稳性能，已知桩间距的大小与土拱高度成正比，故假设二者满足：l_max=kh+w ---②。其中，k为比例系数，w为土体自稳常数。联立公式①、②，并通过不断拟和得出最终较精确的最大桩间距。

3）将桩间的土体由支撑桩4的顶面向下进行挖除；

4）用聚苯乙烯板铺设在挖除的土体处直至与支撑桩4顶面齐平，以形成低刚性填料层6；

5）铺设加筋材料2，并使其强度高的方向垂直于路堤的延伸方向，并将加筋材料2在其抗拉强度范围内进行张拉；

6）将位于路肩部分的加筋材料2向上弯折，并填入填土，再将位于路肩部分的加筋材料2包裹所述的填土层1以形成反包结构3；然后进行碾压，以完成施工。

三、另一种上述桩-加筋材料复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：

1）放路堤的坡脚线，进行清表、平整处理，并检验基底承载力；

2）将橡胶制品废弃物颗粒与填土混合成柔性物料，在地表以下≤2m的范围内用柔性物料进行搅拌，使柔性物料混合均匀以形成低刚性填料层6。根据实际情况，将地表以下≤2m的范围内的部分土壤挖除，然后将橡胶制品废弃物颗粒或改性聚酯材料按比例与余下的土壤混合形成低刚性填料层。

3）将多个支撑桩4打入软土地基5以下预定位置，并使上述支撑桩4在水平截面上呈矩阵式或梅花式分布；

支撑桩的桩间距确定基于土拱效应，根据土的极限平衡条件，得出土体发挥自身强度成拱的最大跨度(即最大桩间距)：l_max= (4B′ccos)/(qsin)---①。其中，B′为桩宽，c为土体凝聚力，为土体内摩擦角，q为支撑桩上部均布荷载。对于桩间距的确定，还应考虑土拱的高度h及其自稳性能，已知桩间距的大小与土拱高度成正比，故假设二者满足：l_max=kh+w ---②。其中，k为比例系数，w为土体自稳常数。联立公式①、②，并通过不断拟和得出最终较精确的最大桩间距。

4）铺设加筋材料2，并使其强度高的方向垂直于路堤的延伸方向，并将加筋材料2在其抗拉强度范围内进行张拉；

5）将位于路肩部分的加筋材料2向上弯折，并填入填土，再将位于路肩部分的加筋材料2包裹所述的填土层1以形成反包结构3；然后进行碾压，以完成施工。

上述方法克服了加筋材料2与土体界面摩擦力有限、加筋材料2的强度和刚度没有得到充分发挥的致命性缺陷，路堤的填土层1的荷载是通过加筋材料2直接传递到桩体上。采用本发明方法后，加筋材料2的荷载传递方式改变为直接通过加筋材料2自身的轴向力将路堤填土荷载传递到桩顶端及其周围外侧土体上，代替了砂垫层与加筋材料2界面相互作用及加筋材料2与桩帽锚固固定作用，从而可以取消砂垫层铺设或取消桩帽及桩帽与加筋材料2的锚固直接填筑路堤，节约砂垫层、桩帽、锚固筋材材料及铺设、锚固、浇筑费用。同时，受力变形后的加筋材料2可以通过对桩顶的约束作用，限制桩体的位移，从而达到控制路基侧向位移，提高路基整体稳定性的目的。而且本发明方法改变了筋材与土体的界面摩擦能力有限，其强度没有得到充分发挥，桩帽与筋材之间锚固等工程繁琐造价较高的缺陷，充分发挥了加筋材料2的抗拉强度，极大地提高了加筋材料2的利用率。

四、实施例

实施例1：

按以下方法对桩-加筋材料复合地基结构进行施工，其步骤如图5所示，具体操作为：

A、按设计及规范要求严格放出路堤的坡脚线。根据设计图纸要求，进行填筑前的清表、平整处理，并检验基底承载力是否符合设计要求。同时应用土力学简单计算方法预测加筋材料2受上覆路基填土荷载作用后所形成土拱的变形形状及变形尺寸。

B、打桩4。按照设计要求将支撑桩4均匀打入软土地基5以下预定位置。

C、开挖。将桩间土体由桩顶向下进行挖除，挖除范围由上述计算结果所得。

D、填筑小刚度填料—高发泡率聚苯乙烯板。将聚苯乙烯板填入桩间土体被挖空部分，直至桩顶。

E、铺设加筋材料2。尽量采用宽幅的土工合成材料，并使其强度高的方向垂直于路堤轴向方向。铺设时，使加筋材料强度高的方向垂直于路堤轴向方向，并将加筋材料进行张拉以使加筋材料不发生松弛现象。

F、加筋材料2反包。路肩部分进行反包处理来对加筋材料2进行定位，以致不得因填土而移动，反包尺寸可根据实际工程需要及相关规范设置尺寸。

G、填土与碾压。加筋材料2施工完成后，在其上进行填土与碾压。针对不同的地基条件，应采取不同的填土填筑方式。

实施例2

按以下方法对桩-加筋材料复合地基结构进行施工，其步骤如图6所示，具体操作为：

A、按设计及规范要求严格放出路堤的坡脚线。根据设计图纸要求，进行填筑前的清表、平整处理，并检验基底承载力是否符合设计要求。同时应用土力学简单计算方法预测加筋材料2受上覆荷载作用后变形形成的土拱尺寸，并运用适当算法换算出实际施工所需范围。

B、混合浅搅。将橡胶制品废弃物颗粒或改性聚酯材料打成碎屑，与填土按一定比例混合组合成具有较小刚度的混合物料。混合物料作为替代填土材料使土体能更好的适应由上覆荷载作用而引起的变形。按照设计要求对路基一定范围内土料混合物进行浅层搅拌。

C、打桩4。按照相关技术规范要求将支撑桩4打入预定位置。

D、铺设加筋材料2。尽量采用宽幅的土工合成材料，并使其强度高的方向垂直于路堤轴向方向。铺设加筋材料2时，使加筋材料强度高的方向垂直于路堤轴向方向，并将加筋材料进行张拉以使加筋材料不发生松弛现象。

E、加筋材料2反包。路肩部分进行反包处理来对加筋材料2进行定位，以致不得因填土而移动，反包尺寸可根据实际工程需要及相关规范设置尺寸。

F、填土与碾压。加筋材料2施工完成后，在其上进行填土与碾压。

对于软弱地基来说，应先沿路肩两侧边缘卸土，以绷紧加筋材料2和避免集中填土引起地基失稳破坏。卸土后应立即摊铺，避免局部下陷。软基上路堤填筑速率应满足设计或《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》等相关规范的要求。

所述的开挖，具体指靠近桩顶部分的土体需要进行开挖，实际施工开挖范围由步骤A计算得到。

所述的混合浅搅，指运用挖掘机或搅拌机械在开挖区域内对混合料进行浅层搅拌，应做到搅拌均匀，以免造成漏陷、沉降不均匀等现象。

所述对加筋材料2进行反包处理，具体指加筋材料2铺设完成后端部沿着路肩向下反包与路基填土组成较稳定整体，以增加路基整体稳定性。

所述的对填料进行碾压夯实，满足密实度达到规范要求及提高路基的承载力。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。