一种欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基及其施工方法与流程

本发明属于地基处理技术领域，涉及一种路基结构，尤其涉及一种基于微生物固化技术的欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基及其施工方法。

背景技术：

目前，由于对土地资源的需求日益增长，为解决“人多地少”的问题，许多沿海城市采取大规模滩涂围填的方式大力开拓滨海土地资源，吹填造地作为一种经济、高效的填筑方式，得到了广泛的应用。但是，沿海地区受限于砂石材料资源来源的限制，大多采用疏浚淤泥进行吹填造地，进而导致产生含水率超高且渗透固结性极差的欠固结吹淤地基。而如何提升欠固结吹淤地基的固结性，成为当前吹填造地的技术难题之一。

目前，工程界常采用真空预压技术对吹填淤泥地基进行排水固结，但处理周期长，且仍存在承载力低、工后变形大等问题，无法有效地提高路基承载力及控制路堤稳定性。

因此，亟需一种承载力高、固结性好、稳定性强的路基结构。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基及其施工方法，其目的在于，通过生物水泥对欠固结吹淤地基进行加固，并结合排水系统的改进提升固结排水能力，从而降低含水率，缩短施工周期，由此解决现有技术固结性、承载力、稳定性不足的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基，包括：所述欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基包括下卧持力层、欠固结吹淤地基、路堤、生物防水层、养殖土层、护坡植被，以及处于路堤与欠固结吹淤地基之间、打穿欠固结吹淤地基并嵌入下卧持力层的路堤沉降控制结构；

所述路堤沉降控制结构包括生物水泥-格栅加筋垫层、多个格栅碎石桩组成的桩组阵列、竖向塑料排水板、密封膜、第一无纺土工布以及夯填黏土密封沟；所述生物水泥-格栅加筋垫层铺设在格栅碎石桩及欠固结吹淤地基上表面；所述塑料排水板插入欠固结吹淤地基至距下卧持力层预定距离处；所述密封膜设于第一无纺土工布的夹层中；所述第一无纺土工布设于固结吹淤地基上表面与生物水泥-格栅加筋垫层下表面之间；所述密封膜与第一无纺土工布的边缘密封在夯填黏土密封沟底部；

所述路堤填筑在生物水泥-格栅加筋垫层上表面；所述生物防水层铺设在路堤顶面及侧面防水土工膜上表面；所述养殖土层铺设在路堤侧面生物防水层上表面；所述护坡植被种植在养殖土层中。

进一步地，所述欠固结吹淤地基是由疏浚淤泥吹填至预定标高，并自然晾晒至预定不排水抗剪强度后形成；所述第一无纺土工布是由第一层无纺土工布和第二层无纺土工布组成的夹层构造；所述欠固结吹淤地基上表面由下至上依次铺设第一层无纺土工布、密封膜和第二层无纺土工布；所述第一层无纺土工布与密封膜之间布设纵横交错的滤管，构建欠固结吹淤地基的水平排水系统。

进一步地，所述格栅碎石桩是由周向三向土工格栅-无纺土工布套管和未风化的扎制碎石构成；所述格栅碎石桩按方形、矩形或梅花形布置，间距2.0-3.0m；所述三向土工格栅-无纺土工布套管是由第一三向土工格栅与第二无纺土工布沿桩体长度方向及桩体径向进行间隔绑扎形成；所述第一三向土工格栅满足伸长率为0.5％时的抗拉强度不小于300kn/m，第一三向土工格栅的网孔尺寸为15-25mm；所述扎制碎石为自然级配，含泥量不大于5％，最大粒径不大于4cm。

进一步地，所述生物水泥-格栅加筋垫层包括第二三向土工格栅、废旧轮胎骨料-钙质砂混合料、柔性注浆管、柔性排液管和生物水泥；所述第二三向土工格栅于生物水泥-格栅加筋垫层内沿厚度方向分层布置2-3层；所述混合料填充于各层第二三向土工格栅之间，构成混合料-格栅加筋垫层，压实度为30-50％，混合料-格栅加筋垫层上表面设有第三层无纺土工布；所述柔性注浆管布置在混合料-格栅加筋垫层的上表面与第三层无纺土工布下表面之间，用于向混合料-格栅加筋垫层内注入产脲酶菌和营养液；所述柔性排液管布置在混合料-格栅加筋垫层下表面与第二层无纺土工布上表面之间，用于排出产脲酶菌新陈代谢废弃液；所述生物水泥为产脲酶菌利用营养液进行新陈代谢的产物。

进一步地，所述柔性注浆管与柔性排液管均为柔性塑料管，直径为30-50mm；所述柔性注浆管与柔性排液管管壁上设有均匀分布的小圆孔，外部各包裹一层第三无纺土工布，末端分别与注浆泵和排液泵相连；所述废旧轮胎骨料-钙质砂混合料由废旧轮胎颗粒、轮胎条与钙质砂充分混合，废旧轮胎颗粒质量含量为5±0.5％，废旧轮胎条质量含量为10±0.5％；所述废旧轮胎颗粒最大粒径不超过3mm，轮胎条宽度15-20mm，长度40-50mm；所述钙质砂最大粒径不超过3mm。

进一步地，所述生物防水层是通过向路堤顶部及侧面上的生物水泥砂浆喷淋营养液固化形成；所述生物水泥砂浆是生物泥浆与中粗砂按质量比1:10均匀混合的产物；所述生物泥浆由等体积的产脲酶菌和摩尔浓度0.5mol/l的营养液混合搅拌1.0h，再静置沉积0.5h后滤除上清液获得，所述营养液为尿素和氯化钙的混合液，尿素和氯化钙的摩尔浓度比为1:1；所述生物水泥砂浆的铺设厚度为10-15cm；所述中粗砂的粒径为0.5-2.0mm。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种如前所述的欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：吹填淤泥地基施工：

在下卧持力层上，采用常规吹填技术将疏浚淤泥吹填至目标标高，形成吹淤地基，并自然晾晒至不排水抗剪强度不低于50kpa；

步骤2：临时工作平台搭建：

待步骤1完成后，在吹淤地基表面由下至上分别铺设竹芭、临时无纺土工布和临时三向土工格栅，然后施插竖向塑料排水板，通过堆载预压进行排水固结，排水固结周期不低于3个月，再在临时三向土工格栅上铺设一层土工格室并填充碎石构建临时工作平台，并确定格栅碎石桩的桩位；

步骤3：格栅碎石桩施工：

待步骤2完成后，依次进行桩位开挖桩孔、振动锤下放桩管至预定深度、桩管内下放三向土工格栅-无纺土工布套管、三向土工格栅-无纺土工布套管内投放碎石、间歇式振动拔管至地面成桩步骤；

步骤4：生物水泥-格栅加筋垫层施工及路堤填筑：

待步骤3完成后，回收临时工作平台的构建材料，包括竹芭、临时无纺土工布、临时三向土工格栅、土工格室及碎石；而后在格栅碎石桩顶部由下至上依次铺设第一层无纺土工布、密封膜、第二层无纺土工布和柔性排液管，并在第一层无纺土工布与密封膜之间布置滤管；而后在第二层无纺土工布上方分层铺设第二三向土工格栅与废旧轮胎骨料-钙质砂混合料，构建未固化的混合料-格栅加筋垫层，并在未固化的混合料-格栅加筋垫层顶部由下至上布置柔性注浆管和第三层无纺土工布后进行堆载预压，堆载预压周期不低于3个月，堆载预压卸载后填筑路堤，并通过柔性注浆管定期注入菌液和营养液，同时通过柔性排液管抽取废弃液，直至未固化的混合料-格栅加筋垫层达到预定固化强度后，停止注浆，得到生物水泥-格栅加筋垫层；

步骤5：路堤护坡层及绿化层施工：

待步骤4完成后，在路堤边坡及顶面铺设一层防水土工膜，而后在防水土工膜上浇筑生物水泥砂浆，并喷淋营养液使生物水泥砂浆固化形成生物防水层；而后在路堤边坡处的生物防水层上表面铺设养殖土层，并种植护坡植被进行生态护坡；在路堤的边坡坡脚处设置排水沟，将第一层无纺土工布、第二层无纺土工布及第三层无纺土工布与密封膜密封在夯填黏土密封沟的底部。

进一步地，步骤3中，所述间歇式振动拔管为碎石投放、振动密实后停止振动，并以预定速度沿桩体长度方向将桩管拔出一定距离，而后重复碎石投放、振动、拔管操作，直至桩管拔至地面。

进一步地，步骤5中，所述的营养液的摩尔浓度为1.0mol/l，营养液的喷淋时间间隔为24h，喷淋龄期不低于7天。

进一步地，所述营养液为尿素和氯化钙的混合液，尿素和氯化钙的摩尔浓度比为1:1。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明的路基结构采用“桩基+加筋垫层”的双向复合地基工作模式，并联合堆载预压技术和微生物固化技术对加筋垫层进行处理，促使“散体”加筋垫层先与欠固结吹淤地基发生协调预变形，而后采用微生物固化技术将预变形的加筋垫层处理成具有一定强度和刚度的“半刚性”垫层，构成了较好的荷载传递体系，减小了桩间软土的承载力，强化路基结构承载性能、提高其控制工后变形的能力；

2、本发明采用“格栅碎石桩+砂加筋垫层”并辅以塑料排水板的工作模式，构建欠固结吹淤地基的竖向-水平排水系统，以满足欠固结吹淤地基工后长周期固结排水的需求。该过程不仅使废旧材料得以循环利用，而且微生物过程中不会产生对环境有害的物质，符合绿色、经济、环保的特点。

3、本发明路基结构中的路堤边坡生态防水保护层是基于微生物固化技术处理成生物防水层，同时能够通过在其上铺设养殖土层，种植护坡植被，微生物固化过程中的水解产物可为种植的护坡植被提供丰富的氮源，实现能源循环利用。

4、本发明的方法利用废旧轮胎骨料处理加筋垫层，部分替代砂石填料，既有效减少了废旧轮胎造成的“黑色”污染及场地占用面积，实现废旧材料资源化利用，同时也有效缓解了砂石材料资源紧缺，同时采用微生物固化技术处理散体加筋垫层，绿色经济环保，与我国建设经济节约型社会的理念相契合。

5、本发明提供的路基结构具有良好的竖向和水平排水系统，路堤荷载可快速、有效传递至桩体，能够满足欠固结吹淤地基后期固结排水的需求并有效控制路堤工后变形、提高其稳定性。

6、本发明提供的适用于欠固结吹淤地基上的路基结构具有结构合理、承载力高、施工周期短、与环境友好等优点，是一种值得推广的绿色生态结构。

附图说明

图1为本发明所公开的一种欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基示意图；

图2为本发明所采用的生物水泥-格栅加筋垫层剖面示意图；

图3为本发明所采用的路堤边坡生态防水保护层示意图；

图4为本发明所采用的格栅碎石桩示意图；

图5为本发明所采用的格栅碎石桩与生物水泥-格栅加筋垫层搭接示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-下卧持力层；2-吹淤地基；3-路堤；4-生物水泥-格栅加筋垫层；5-格栅碎石桩；6-竖向塑料排水板；7-密封膜；8-无纺土工布；9-夯填黏土密封沟；10-三向土工格栅；11-柔性注浆管；12-柔性排液管；13-生物防水层；14-防水土工膜；15-养殖土层；16-护坡植被；17-排水沟；18-格栅-无纺土工布套管；19-塑料扎带。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基，如图1所示，包括下卧持力层1、欠固结吹淤地基2、路堤3、生物防水层13、养殖土层15、护坡植被16，以及处于路堤3与欠固结吹淤地基2之间、打穿欠固结吹淤地基2并嵌入下卧持力层1的路堤沉降控制结构；

所述路堤沉降控制结构包括生物水泥-格栅加筋垫层4、多个格栅碎石桩5组成的桩组阵列、竖向塑料排水板6、密封膜7、第一无纺土工布8以及夯填黏土密封沟9；所述生物水泥-格栅加筋垫层4铺设在格栅碎石桩5及欠固结吹淤地基2上表面；所述塑料排水板6插入欠固结吹淤地基2至距下卧持力层预定距离处；所述密封膜7与第一无纺土工布8的边缘密封在夯填黏土密封沟9底部；所述路堤3填筑在生物水泥-格栅加筋垫层4上表面；所述生物防水层13铺设在路堤3顶面及侧面防水土工膜14上表面；所述养殖土层15铺设在路堤3侧面生物防水层13上表面；所述护坡植被16种植在养殖土层15中。

参见图1及图2，本发明所采用的欠固结吹淤地基2是由疏浚淤泥吹填至预定标高形成，而第一无纺土工布8包括第一层无纺土工布81和第二层无纺土工布82；所述欠固结吹淤地基2上表面由下至上依次铺设第一层无纺土工布81、密封膜7和第二层无纺土工布82；所述第一层无纺土工布81与密封膜7之间布设纵横交错的滤管，构建欠固结吹淤地基2的水平排水系统。

参见图2，本发明所采用的生物水泥-格栅加筋垫层4包括三向土工格栅10、废旧轮胎骨料-钙质砂混合料、柔性注浆管11、柔性排液管12和生物水泥；所述三向土工格栅10于生物水泥-格栅加筋垫层4内沿厚度方向分层布置2-3层；所述混合料填充于各层三向土工格栅10之间，构成混合料-格栅加筋垫层，压实度为30-50％；所述柔性注浆管11布置在混合料-格栅加筋垫层上表面，用于向混合料-格栅加筋垫层内注入产脲酶菌和营养液；所述柔性排液管12布置在混合料-格栅加筋垫层下表面，用于排出产脲酶菌新陈代谢废弃液；所述生物水泥由产脲酶菌利用营养液进行新陈代谢诱导产生；所述营养液为摩尔浓度1.0mol/l的尿素和氯化钙混合液，尿素和氯化钙摩尔浓度比为1:1。

参见图2，本发明所采用的柔性注浆管11与柔性排液管12均为柔性塑料管，直径为30-50mm；所述柔性注浆管11与柔性排液管12管壁上设有均匀分布的小圆孔，外部包裹一层第三无纺土工布，末端分别与注浆泵和排液泵相连；所述废旧轮胎骨料-钙质砂混合料由废旧轮胎颗粒、轮胎条与钙质砂充分混合，废旧轮胎颗粒质量含量控制在5±0.5％范围内，废旧轮胎条质量含量控制在10±0.5％范围内；所述废旧轮胎颗粒最大粒径不超过3mm，轮胎条宽度15-20mm，长度40-50mm；所述钙质砂最大粒径不超过3mm。

参见图3，本发明所采用的生物防水层13是通过每24h向铺设在路堤3顶部及侧面上的生物水泥砂浆喷淋摩尔浓度为1.0mol/l的营养液固化形成，喷淋龄期为7天；所述生物水泥砂浆是由生物泥浆与中粗砂按质量比1:10混合搅拌制备；所述生物水泥砂浆的铺设厚度为10-15cm；所述生物泥浆是由等体积的产脲酶菌和摩尔浓度为0.5mol/l的营养液混合搅拌1.0h，再静置沉积0.5h后滤除上清液获得；所述中粗砂的粒径为0.5-2.0mm。所述营养液均为尿素和氯化钙混合液，尿素和氯化钙摩尔浓度比为1:1。

参见图4、5，本发明所采用的格栅碎石桩5是由周向三向土工格栅-无纺土工布套管18和未风化的扎制碎石构成；所述格栅碎石桩5按方形、矩形或梅花形阵列布置，间距2.0-3.0m；所述格栅-无纺土工布套管18是由第一三向土工格栅与第二无纺土工布，采用塑料扎带19沿桩体长度方向及桩体径向进行间隔绑扎形成，在填入扎制碎石后顶部由第四无纺土工布84封口；所述三向土工格栅满足伸长率为0.5％时的抗拉强度不小于300kn/m，三向土工格栅的网孔尺寸为15-25mm；所述碎石为自然级配，含泥量不大于5％，最大粒径不大于4cm。

下面对上述欠固结吹淤地基上生物水泥加固路基的施工方法进行介绍，本发明优选的施工方法包括以下步骤：

步骤1：吹填淤泥地基施工：在下卧持力层1上，采用常规吹填技术将疏浚淤泥吹填至目标标高，形成吹填淤泥地基2，并自然晾晒至不排水抗剪强度达到100kpa；

步骤2：临时工作平台搭建：待步骤1完成后，在吹淤地基2表面由下至上分别铺设一层竹芭、临时无纺土工布和临时三向土工格栅，并采用人工或半人工半机械方式施插长度为1m的竖向塑料排水板，通过堆载预压进行排水固结3个月后，在临时三向土工格栅上铺设一层土工格室并填充碎石，构建临时工作平台，而后确定格栅碎石桩5的桩位；

步骤3：格栅碎石桩5施工：待步骤2完成后，进行包括桩位开挖桩孔、振动锤下放桩管至预定深度、桩管内下放格栅-无纺土工布套管18、套管18内投放碎石、间歇式振动拔管至地面成桩等步骤；

所述格栅-无纺土工布套管18采用塑料扎带19沿桩体长度方向及桩体径向，将第一三向土工格栅与第二无纺土工布进行间隔绑扎；所述间歇式振动拔管为碎石投放、振动密实后停止振动，并以预定速度沿桩体长度方向将管拔出一定距离，而后重复碎石投放、振动、拔管等操作，直至桩管拔至地面。具体地，例如可以按照1m/min的速度，沿桩体长度方向每拔管达50cm停止拔管，继续振动20s后再重复上述投放碎石、振动、拔管过程，直至桩管拔至地面。

步骤4：生物水泥-格栅加筋垫层4施工及路堤3填筑：待步骤3完成后，回收竹芭、临时无纺土工布、临时三向土工格栅、土工格室及碎石等临时工作平台的构建材料，而后在格栅碎石桩5顶部由下至上依次铺设第一层无纺土工布81、密封膜7、第二层无纺土工布82和柔性排液管12，并在第一层无纺土工布81与密封膜7之间布置滤管；而后在第二层无纺土工布82上方分层铺设三向土工格栅10与废旧轮胎骨料-钙质砂混合料，每层厚度为100mm，构建未固化的混合料-格栅加筋垫层，并在未固化的混合料-格栅加筋垫层顶部由下至上布置柔性注浆管11和第三层无纺土工布83后进行堆载预压3个月，堆载预压卸载后进行路堤3的填筑，并通过柔性注浆管11定期注入菌液和营养液，同时通过柔性排液管12抽取废弃液，达到预定固化强度后，停止注浆；其中，喷洒菌液时的速率为5ml/min，连续喷洒6小时，之后静置4小时；喷洒营养液时的速率为10ml/min，浓度为1mol/l，连续喷洒8小时，间隔24小时循环喷洒营养液，共处理7-10天。

步骤5：路堤护坡层及绿化层施工：待步骤4完成后，路堤3边坡及顶面铺设一层防水土工膜14，而后浇筑生物水泥砂浆，并喷淋营养液使其固化形成生物防水层13；而后在路堤3边坡的生物防水层13上表面铺设养殖土层15，并种植护坡植被16进行生态护坡；在路堤边坡坡脚处设置排水沟17，将第一层无纺土工布81、第二层无纺土工布82及第三层无纺土工布83与密封膜7密封在夯填黏土密封沟9的底部。

总体而言，本发明的生物水泥加固路基结构及其施工方法是基于欠固结吹淤地基中固结排水周期长且工后变形大的问题提出的。本发明通过采用堆载预压技术使散体加筋垫层产生预变形，完成欠固结吹淤地基的主固结沉降，之后采用微生物固化技术将散体加筋垫层处理成具有一定强度和刚度的“板”结构，不仅能够将更多的荷载传递至桩体，更好地控制路堤工后变形，而且还可以与格栅碎石桩构成横向和竖向双向排水系统，能够满足欠固结吹淤地基后期固结排水的需求。同时，生物水泥-格栅加筋垫层中掺入废旧轮胎骨料，代替了部分砂石用量，实现了废旧材料资源化利用，缓解了砂石材料紧缺的局面，具有经济环保的优点。

本发明采用微生物固化技术设置的路堤边坡生态防水保护层，其较好的渗透性有助于雨水渗流至边坡坡脚排水沟处，同时微生物固化过程中的水解产物可为种植的绿色植物提供丰富的氮源，实现能源循环利用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。