膨胀土大变形防上拱的地基结构和地基结构的施工方法与流程

本发明涉及地基处理技术领域，特别涉及一种膨胀土大变形防上拱的的地基结构和地基结构的施工方法。

背景技术：

膨胀土具有失水较强烈收缩，吸水较强烈膨胀的特性，若此类地基土因吸水膨胀，会导致位于地基结构上的路基结构产生上拱病害，影响到高速铁路正常运营。

对于低路堤及挖方路堑，高速铁路具有膨胀土的地基结构通常采用以下方法进行处理：基床范围填筑合格填料，地基结构采用cfg(cementfly-ashgravel，水泥粉煤灰碎石)桩及桩帽结合碎石垫层夹铺土工格栅结构处理，这种方法对防止路基结构沉降效果较好，费用较低，但cfg桩间的膨胀土土易遇水产生膨胀变形，导致垫层、填土及路基结构受膨胀作用产生上拱病害，不能满足较强膨胀情况下路基结构的防上拱要求。因此，上述方案虽然防止路基结构沉降效果较好，但抗上拱能力不足、措施偏弱。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种膨胀土大变形防上拱的地基结构和地基结构的施工方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例公开了一种膨胀土大变形防上拱的地基结构，所述地基结构包括加固桩和脱空结构，所述加固桩部分伸入具有所述膨胀土的地基土内，所述脱空结构用于承载路基结构；

所述脱空结构连接在所述加固桩的顶部，所述脱空结构与所述地基土的顶面之间具有预设深度的容纳空间。

上述方案中，所述地基结构还包括支撑结构，所述支撑结构连接在所述加固桩的顶部，并与所述脱空结构相连。

上述方案中，所述支撑结构包括第一支撑件和第二支撑件，所述第一支撑件的一端插入所述加固桩内，所述第一支撑件的另一端插入所述脱空结构内；

所述第二支撑件设置在所述第一支撑件周侧，并伸出所述加固桩外；

所述脱空结构支撑在所述第二支撑件上。

上述方案中，所述第一支撑件与所述加固桩相连的一端为内径自上向下逐渐减小的锥形，所述第一支撑件与所述脱空结构相连的一端为内径自上向下逐渐减小的锥台形。

上述方案中，所述支撑结构为钢材。

上述方案中，所述第一支撑件为钢筋笼，所述第二支撑件为钢条。

上述方案中，所述第二支撑件焊接在所述第一支撑件上。

上述方案中，所述加固桩为cfg桩；和/或

所述地基结构还包括泄水孔和侧沟，所述侧沟位于所述脱空结构的一侧，所述泄水孔连通所述容纳空间和所述侧沟，以将所述容纳空间内的水导入所述侧沟内。

上述方案中，所述脱空结构包括底模和筏板，所述底模设置在所述支撑结构上，所述筏板浇筑在所述底模上。

上述方案中，所述筏板为钢筋混凝土结构。

本发明实施例还提供了一种路基结构的施工方法，所述施工方法包括：

移除地基土至地基土的顶面位于加固桩的桩顶下方；

在所述加固桩的顶部设置脱空结构，所述脱空结构与所述地基土的顶面之间形成预设深度的容纳空间。

上述方案中，所述施工方法还包括：在所述地基土的顶面上设置流水坡。

上述方案中，所述施工方法还包括：先在所述加固桩的顶部设置支撑结构，再将所述脱空结构设置在所述支撑结构上。

上述方案中，所述施工方法还包括：

在所述加固桩凝固前，将所述支撑结构的第一支撑件的一端插入所述加固桩内；

将所述加固桩的桩顶和所述第一支撑件的另一端均插入所述脱空结构内，且所述第一支撑件周侧预留有伸出所述加固桩外的第二支撑件。

上述方案中，所述施工方法还包括：

将所述脱空结构的底模设置在所述第二支撑件上；

在所述底模上绑扎钢筋，浇筑混凝土，形成所述脱空结构的筏板；所述加固桩的桩顶和所述第一支撑件的另一端均插入所述筏板内。

本发明提供了一种膨胀土大变形防上拱的地基结构和地基结构的施工方法，加固桩用于对地基土进行加固，路基结构设置在脱空结构上，路基结构上的荷载由脱空结构通过加固桩传递给地基土。脱空结构与地基土的顶面之间设有为地基土膨胀提供的容纳空间，具有抗地基土膨胀上拱的作用。本发明实施例的地基结构，通过设置加固桩、脱空结构，并在脱空结构和地基土的顶面之间设置容纳空间，不仅有效保证了承载和沉降控制效果，还有效消除了对路基结构的上拱风险。

附图说明

图1为本发明实施例中地基结构和路基结构的示意图；

图2为图1中a处的局部放大图。

附图标记：

加固桩10；脱空结构20；底模21；筏板22；支撑结构30；第一支撑件31；第二支撑件32；地基土的顶面40；容纳空间50；泄水孔60；侧沟70；侧模80；路基结构90；路基的斜坡91；路基上的流水坡92；地面线93。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系。

本发明实施例提供了一种膨胀土大变形防上拱的地基结构，地基结构包括加固桩10和脱空结构20，加固桩10部分伸入具有膨胀土的地基土内，脱空结构20用于承载路基结构90；脱空结构20连接在加固桩10的顶部，脱空结构20与地基土的顶面40之间具有预设深度的容纳空间50。

如图1所示，采用加固桩10加固地基土，路基结构90设置在脱空结构20上，来自路基结构90的荷载由脱空结构20通过加固桩10传递给地基土，有效保证了地基结构的承载效果，提高了对地基土的沉降控制效果。脱空结构20与地基土的顶面40之间具有间隔以形成容纳空间50，容纳空间50能够容纳地基土的上拱变形，提高了抗地基土膨胀上拱的作用，有效消除了对路基结构90的上拱风险。

容纳空间50的预设深度可根据地基土变形情况以及路基结构90的要求进行调整。例如：预设深度为0.3～0.5m。

本发明实施例中的“大变形”指因膨胀土膨胀导致的路基结构90上拱变形量大于0.1m的情况。由于高速铁路对路基结构变形要求较为严格，采用本发明实施例的地基结构能够满足相应的路基结构要求。

在本发明的一些实施例中，地基结构还包括泄水孔60和侧沟70，侧沟70位于脱空结构20的一侧，泄水孔60连通容纳空间50和侧沟70，以将容纳空间50内的水导入侧沟70内。为了更好地排水，地基土的顶面40还设有流水坡，流水坡的坡度系数优选不小于0.2％。容纳空间50内的积水可及时通过泄水孔60排入侧沟70，减少了地基土受水环境变化的影响，有利于减少膨胀土的上拱。

进一步地，地基结构还包括支撑结构30，支撑结构30连接在加固桩10的顶部，并与脱空结构20相连。

支撑结构30用于连接加固桩10和脱空结构20，提高地基结构的机械性能。加固桩10、脱空结构20和支撑结构30形成整体的抗弯和抗压结构，既有效抵抗了脱空结构20自重、路基填料及轨道列车荷载作用，也进一步提高了在荷载及地基膨胀土失水收缩作用下的地基结构的承载和沉降控制效果。

在本发明的一些实施例中，支撑结构30包括第一支撑件31和第二支撑件32，第一支撑件31的一端插入加固桩10内，第一支撑件31的另一端插入脱空结构20内；第二支撑件32设置在第一支撑件31周侧，并伸出加固桩10外；脱空结构20支撑在第二支撑件32上。

第一支撑件31的一端插入加固桩10，另一端插入脱空结构20保证了加固桩10、支撑结构30与加固桩10的整体性。以第二支撑件32作为支撑点，在第二支撑件32上设置脱空结构20，方便了脱空结构20的施工，也进一步提高了脱空结构20与支撑结构30之间的连接强度。

为了更好地保证地基结构的强度和整体性，优选地，支撑结构30为钢材。

可以理解的是，支撑结构30还可以选用其他合金，或未来发展技术中可以替代钢筋的材质。例如：支撑结构30可以选用玻璃纤维、碳纤维等。

非限制地，例如：第一支撑件31为钢筋制作的钢筋笼，第二支撑件32选用钢条。总体呈圆柱状。相对加固桩10的长度而言，该钢筋笼长度较短，约2～5米。

每个第一支撑件31周侧可均匀地设置至少两个第二支撑件32，第一支撑件31沿竖直方向设置，第二支撑件32沿水平方向设置，两者垂直设置。

优选地，第二支撑件32焊接在第一支撑件31上。例如：采用焊接的方式在钢筋笼上设置3～6根镀锌防锈钢条，钢条厚5mm，宽20mm，长100mm，钢条在加固桩10的四周均匀布置。

非限制地，第一支撑件31与加固桩10相连的一端为内径自上向下逐渐减小的锥形，第一支撑件31与脱空结构20相连的一端为内径自上向下逐渐减小的锥台形。如图1所示，较尖的锥形底部更易于插入加固桩10内施工，头部呈上大下小的向上张开喇叭口可以更好锚入脱空结构20中。

在本发明的一些实施例中，加固桩为钢筋混凝土钻孔桩，脱空结构为板梁结构。

在本发明另一些优选实施例中，加固桩10可以采用cfg桩。相较钢筋混凝土钻孔桩，cfg桩间距更小，减少了钢筋的用量，cfg桩更加便宜，降低了成本。非限制地，cfg桩、支撑结构30和脱空结构20共同承受弯矩，cfg桩桩长一般为10～25m，筏板22厚度为0.4～0.6m。

进一步地，脱空结构20包括底模21和筏板22，底模21设置在加固桩10上，筏板22浇筑在底模21上。非限制地，底模21可以采用价格相对便宜的木模板，如图2所示，将木模板设置在上述第二支撑结构30上后，再在木模板上设置筏板22。

筏板22优选为钢筋混凝土结构。具体地，施工时，先将筏板22的钢筋绑扎在底模21上，同时筏板22的钢筋也与位于加固桩10上第一支撑件31的钢筋连接，然后浇筑混凝土，形成筏板22。进一步提高加固桩10、脱空结构20和支撑结构30的整体性，保证加固桩10、脱空结构20和支撑结构30形成的整体结构的抗弯和抗压性能。

本发明实施例还提供了一种地基结构的施工方法，该施工方法用于施工形成上述任一种地基结构。施工方法包括：

移除地基土至地基土的顶面40位于加固桩10的桩顶下方；

在加固桩10的顶部设置脱空结构20，脱空结构20与地基土的顶面40之间形成预设深度的容纳空间50。

非限制地，以cfg桩的施工为例，移除地基土至形成加固桩10的过程包括：现场测量放线，确定cfg桩及脱空结构20等各点定位及标高，初步挖除地基土至设计桩顶标高以下约0.15m处。采用长螺旋钻机成孔，孔径0.4～0.6m，桩间距1.5～2.0m，桩长一般为10～25m，正方形或正三角形布置，灌注cfg桩孔混凝土。

当地基结构包括上述支撑结构30时，先在加固桩10的顶部设置支撑结构30，再将脱空结构20设置在支撑结构30上。

进一步地，施工方法还包括：在加固桩10凝固前，将第一支撑件31的一端插入加固桩10内；将加固桩10的桩顶和第一支撑件31的另一端均插入脱空结构20内，且第一支撑件31周侧预留有伸出加固桩10外的第二支撑件32。

具体地，在上述灌注的cfg桩孔混凝土初凝前按后插筋方式于cfg桩顶插入钢筋笼(即第一支撑件31)固定，其中，钢筋笼呈锥形的底部插入cfg桩，钢筋笼于桩头位置焊接预留有能够伸出cfg桩的钢条(即第二支撑件32)，钢条定位于桩顶标高以下约0.15m处，即为与上述开挖的地面平齐。进一步地，采用振捣棒对cfg桩头部松散混凝土振捣密实，并将超出cfg桩顶标高混凝土清除及平整桩头，养护混凝土至短钢筋笼与桩体固结硬化为一体。

进一步地，当地基结构的脱空结构20包括上述实施例中任一种的底模21和筏板22时，施工方法还包括：先设置底模21，再设置筏板22。

具体地，清理和外运cfg桩成孔时带出的临时场地堆土，再次清理和挖除桩间地基土至cfg桩顶以下预设深度，预设深度约0.3～0.5m。

优选地，在地基土的顶面40上设置流水坡。具体地，流水坡由地基土的顶面40中间向两侧延伸，流水坡的坡度系数优选不小于0.2％。随后，将脱空结构20的底模21设置在第二支撑件32上。具体地，以cfg桩预留外伸的钢条作为支撑点，于其上设置作为底模21，底模21优选采用价格便宜的木模板，木模板厚约0.05m，且后续无需拆除。

底模21设置完成后，再架立筏板22钢筋及浇筑筏板22混凝土。具体地，在底模21上绑扎钢筋，浇筑混凝土，形成脱空结构20的筏板22；加固桩10的桩顶和第一支撑件31的另一端均插入筏板22内。

具体操作过程包括：于底模21上绑扎筏板22钢筋，并于四周采用支架设置可拆除的侧模80，浇筑筏板22混凝土，优选地，筏板22厚0.4～0.6m。现浇混凝土时，cfg桩顶部约0.1m及第一支撑件31的锥台形头部钢筋锚入筏板22形成整体结构。

筏板22形成后，可以填筑路基填料，设置侧沟70和泄水孔60，如图1所示，地面线93形成在筏板22上方。

具体地，如图1所示，设置路基结构90，路基填料的形状为梯形，梯形路基填料两侧的斜坡91的坡度优选为1:1.5。依照高速铁路标准填筑路基填料，首先按照基床底层压实标准填筑基床底层填料，基床底层顶面向两侧设路基流水坡，路基流水坡92优选的坡度系数为4％。接续按照基床表层层压实标准填筑基床底层填料，路基面形状按照高速铁路轨道型式设置。

施作侧沟70及泄水孔60的过程包括：垂直开挖两侧侧沟70基坑，绑扎侧沟70钢筋，利用两侧垂直土模并采用支架设置可拆除的内模，浇筑侧沟70混凝土，侧沟70内侧于容纳空间50底部位置设置泄水孔60，泄水孔60优选直径为0.1m，泄水孔60距离侧沟70底面以上不小于0.2m，泄水孔60纵向每1～2m一处，可及时排除脱空部位积水，减少地基土水环境变化影响。

本申请所提供的几个施工方法或地基结构实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的施工方法实施例或地基结构实施例。

根据本发明实施例的地基结构的其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。