一种富水软土区抗沉降保水路基结构及设计方法与流程

本发明涉及岩土工程技术领域，具体是一种富水软土区抗沉降保水路基结构及设计方法。

背景技术：

我国东南沿海地区存在着大范围的海相沉积淤泥软土，该类土质具有含水率高、渗透性差、固结时间长、压缩性高、承载力低的特点。当淤泥软土受到外部压力荷载时，会出现明显的排水固结和流变特征，造成较大的地基沉降，修筑在这种地基上的道路桥梁等结构建筑物面临的不均匀沉降的威胁；也对施工运营期的安全和稳定提出了挑战。所以如何减小淤泥软土地基在外部荷载作用下的大变形及不均匀沉降问题成为道路建设及养护亟需解决的问题。

为了克服这种大变形及差异性沉降，目前富水软土区道路设计与施工往往采用施工前和施工中的排水处理措施(排水路基设计)；现阶段国内外对软土地基的处理方法大致可分为两类：土体改良法和复合地基法，常见的土体改良的路基处理方法如换填法、强夯法、堆载预压法等，复合地基法如水泥搅拌桩法、高压旋喷桩法等；这些方法对富水区软基处理虽然具有一定的效果，但仍存在以下几个方面的限制因素：1、路基处理深度有限；2、施工工序复杂、预压施工工期较长；3、已处治土体下部软土在荷载作用下向深部继续排水固结。综上，目前已有的软土地基的处理方法仍无法达到控制软土地基出现沉降的问题，所以仍需进行软土地基抗沉降的有效结构设计及方法的探索。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种富水软土区抗沉降保水路基结构及设计方法，抗沉降保水路基结构施工完成后，软土层不仅会出现排水固结沉降的过程，同时还存在保水结构层对软土层的补水过程；虽然软土层中的淤泥软土的渗透性较差，但是增设的砂井会增加保水结构层对软土层的渗透补水效果；即虽然软土层在外部荷载下会逐步排水固结产生沉降，但同时存在补水作用，外部水能及时补充到固结排出的水，使得排水补水得到新的平衡，进而达到减小或消除软土地基大变形及不均匀沉降的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种富水软土区抗沉降保水路基结构,路基结构包括软土层，括软土层上铺设有硬壳层，硬壳层上设有硬壳层沟槽，硬壳层沟槽内设有保水结构层，保水结构层上铺设有隔水层，隔水层的两侧均设有蓄水沟渠，保水结构层和蓄水沟渠之间连通设有透水孔，硬壳层沟槽内设有阵列分布的砂井，保水结构层通过砂井与软土层连接贯通，隔水层上填筑有路堤填土层，路堤填土层上铺设路面结构层。

进一步的，所述硬壳层沟槽为道路纵向设计长度形状的带状沟槽，硬壳层沟槽的宽度与保水结构层的宽度相同，硬壳层沟槽的深度为1-2m。

进一步的，所述硬壳层沟槽底部竖直向下钻孔打井，并在井周铺设单向透水纤维膜和回填砂砾形成砂井，砂井贯穿硬壳层并插入软土层中2-4m。

进一步的，所述保水结构层的铺设宽度与隔水层的铺设宽度相同，隔水层的设宽度大于路堤填土层的铺设宽度，路堤填土层两侧的富裕宽度l3≥0.5m。

一种富水软土区抗沉降保水路基结构的设计方法,所述保水结构层及砂井向固结区补水，同时利用隔水层及保水结构层的“浮板”效应减小路基沉降；

所述保水路基结构的设计按照密度等效及材料力学原理进行设计，满足以下两个条件：

密度条件：

强度条件：

将路面结构层荷载、路堤填土层荷载和车辆荷载p0之和简化为均布荷载q作用于隔水层/保水结构层上，则隔水层/保水结构层的垂直板宽的中轴面上应满足方程式和方程式的抗弯拉强度条件：

进一步的，所述隔水层的材料刚度及强度特性高于保水结构层的材料刚度及强度，隔水层和保水结构层的材料刚度及强度均大于软土层的材料刚度及强度；隔水层的材料渗透系数小于10^-8m/s；保水结构层的材料渗透系数大于10^-2m/s，保水结构层的材料渗透性高于软土层的材料渗透性。

进一步的，所述l表示路堤填土结构底面的摊铺宽度，l1表示路面结构底面的摊铺宽度，l2表示路面表面铺设宽度，l3表示隔水层富裕摊宽度，l4表示蓄水沟渠设计宽度；h1、h2、h3、h4、h依次表示路面结构层厚度、路堤填土层厚度、隔水层厚度、保水层厚度、路堤结构与路面结构厚度和；ρ表示隔水层以上的路堤路面结构的平均密度，ρ0、ρ1、ρ2、ρ3、ρ4分别为软土层密度、路面结构层密度、路堤填土层密度、隔水层密度、保水结构层的材料密度。

进一步的，所述fsk表示隔水层/保水结构层的极限抗弯拉强度，x表示距离保水层结构横断面中心点的横向距离，p(x)表示基底反力；q表示作用于保水层结构上的均布压强，g表示重力加速度，p0表示车辆荷载。

本发明的有益效果：

本发明抗沉降保水路基结构砂井会增加保水结构层对软土层的渗透补水效果；即虽然软土层在外部荷载下会逐步排水固结产生沉降，但同时存在补水作用，外部水能及时补充到固结排出的水，使得排水补水得到新的平衡，进而达到减小或消除软土地基大变形及不均匀沉降的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明抗沉降保水路基结构结构示意图；

图2是本发明路基结构断面结构示意图；

图3是本发明路基结构设计计算示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种富水软土区抗沉降保水路基结构,路基结构包括软土层1，如图1、图2所示，括软土层1上铺设有硬壳层2，硬壳层2上设有硬壳层沟槽3，硬壳层沟槽3内设有保水结构层4，保水结构层4上铺设有隔水层7，隔水层7的两侧均设有蓄水沟渠5，保水结构层4和蓄水沟渠5之间连通设有透水孔，硬壳层沟槽3内设有阵列分布的砂井6，保水结构层4通过砂井6与软土层1连接贯通，隔水层7上填筑有路堤填土层8，路堤填土层8上铺设路面结构层9。

硬壳层沟槽3为道路纵向设计长度形状的带状沟槽，硬壳层沟槽3的宽度与保水结构层4的宽度相同，硬壳层沟槽3的深度为1-2m。

硬壳层沟槽3底部竖直向下钻孔打井，并在井周铺设单向透水纤维膜和回填砂砾形成砂井6，砂井6贯穿硬壳层2并插入软土层1中2-4m。

保水结构层4的铺设宽度与隔水层7的铺设宽度相同，隔水层7的设宽度大于路堤填土层8的铺设宽度，路堤填土层8两侧的富裕宽度l3≥0.5m。

一种富水软土区抗沉降保水路基结构的设计方法，基于密度等效原理及排水固结沉降原理提出保水路基结构设计方法，该方法通过设置保水结构层4及砂井6达到向固结区补水的目的，同时利用隔水层7及保水结构层4的“浮板”效应达到减小路基沉降的目的。

隔水层7的材料刚度及强度特性高于保水结构层4的材料刚度及强度，隔水层7和保水结构层4的材料刚度及强度均远大于软土层1的材料刚度及强度；隔水层7的材料渗透系数小于10^-8m/s；保水结构层4的材料渗透系数大于10^-2m/s，保水结构层4的材料渗透性高于软土层1的材料渗透性。

保水路基结构的设计按照密度等效及材料力学原理进行设计，满足以下两个条件：

密度条件：

方程式中，l表示路堤填土结构底面的摊铺宽度，l1表示路面结构底面的摊铺宽度，l2表示路面表面铺设宽度，l3表示隔水层富裕摊宽度，l4表示蓄水沟渠设计宽度；l5表示砂井间距，d表示砂井直径；h1、h2、h3、h4、h依次表示路面结构层厚度、路堤填土层厚度、隔水层厚度、保水层厚度、路堤结构与路面结构厚度和；ρ表示隔水层以上的路堤路面结构的平均密度，ρ0、ρ1、ρ2、ρ3、ρ4分别为软土层密度、路面结构层密度、路堤填土层密度、隔水层密度、保水结构层的材料密度。

强度条件：

将路面结构层9荷载、路堤填土层8荷载和车辆荷载p0之和简化为均布荷载q作用于隔水层7/保水结构层4上，则隔水层7/保水结构层4的垂直板宽的中轴面上应满足方程式(1-3)和方程式(1-4)的抗弯拉强度条件：

方程式中，fsk表示隔水层7/保水结构层4的极限抗弯拉强度，x表示距离保水层结构横断面中心点的横向距离，p(x)表示基底反力；q表示作用于保水层结构上的均布压强，g表示重力加速度，p0表示车辆荷载。

抗沉降保水路基结构施工完成后，软土层1的一定深度内不仅会出现排水固结沉降的过程，同时还存在保水结构层4对软土层1的补水过程；虽然软土层1中的淤泥软土的渗透性较差，但是增设的砂井6会增加保水结构层4对软土层1的渗透补水效果；即虽然软土层1在外部荷载下会逐步排水固结产生沉降，但同时存在补水作用，外部水能及时补充到固结排出的水，使得排水补水得到新的平衡，进而达到减小或消除软土地基大变形及不均匀沉降的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。