一种山区公路生态型半挖半填路基结构的制作方法

1.本实用新型涉及一种生态道路建设领域，具体是指一种山区公路生态型半挖半填路基结构。


背景技术：

2.我国山地面积占国土陆地面积约三分之二，在山区经济建设和开发中，道路是优先建设的主要基础设施之一。道路是带状工程，基于山区坡地和生态环境要求，尽可能减少自然地表挖填面积，并充分利用挖方材料，节约稀缺的山地资源，采用半挖半填形式。这种路基一部分是天然路基，另一部分是新填筑的填方，在这两部分之间存在交接面。由于挖方部分破坏了原山体的地质结构，新填方加大了山体和新填筑路基荷载易产生滑动破坏；同时，填方的材料特性与山体的特性不同，也很容易导致半挖半填路基的纵向、横向不均匀沉降而开裂。因此，半挖半填路基在施工过程还是营运阶段发生的病害均较多，是稳定性设计和分析方法中一个需要重点研究的问题。
3.现有的半挖半填路基在填挖交界处采取多种措施，防止路基不均匀沉降和新填路基滑动变形。当山坡高陡或稳定性差、不宜多挖时，可采用桥梁、悬出路台等构造物；当山体岩石整体性好时，可采用半山洞；一般陡坡上的半挖半填路基，可根据地形、地质条件，采用护肩、砌石或挡土墙，在填挖交界结合部路床范围开挖台阶并铺设土工格栅。以上这些措施虽然能在一定程度上改善半挖半填路基的使用性能，但半挖半填路段采用桥梁、悬出路台、半山洞等构造物导致造价过高，铺设土工格栅伸的拉力发挥效果不高，应用效益欠佳。
4.普通道路加宽新填路基部分也属于半挖半填路基的范畴，也有采用土工格室加固新填路基部分的应用实例，但由于土工格室内填筑填料密实度难以控制，且碾压时易损坏土工格室；因此，土工格室采用加固半挖半填路基应用不多。
5.土工格室是由强化的hdpe片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构，是一种绿色生态型、节能减排的高强土工建筑材料。为了充分利用土工格室的高强、聚合特性，从传统的土工格室内填入松散物料入手，是土工格室应用研究的一个方向，有利于拓宽土工格室的应用范围，进一步促进半挖半填路基生态道路建设。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种构造简单、经济适用、生态环保、节能减排的山区公路生态型半挖半填路基结构。
7.本实用新型的技术问题通过以下技术方案实现：
8.一种山区公路生态型半挖半填路基结构，包括在山地自然坡度的地面线上依次开挖出开挖线、半挖半填结合部开挖成多级台阶和路肩部分砌筑挡土墙，所述的多级台阶上铺设多层土工格室，该多层土工格室内浇筑半流质胶结料，并形成土工格室和胶结料的复合体，该复合体与挡土墙之间填筑填方，在挡土墙内的复合体和填方上依次铺筑道路基层和路面，并形成土工格室加固的、供车辆通行的生态型半挖半填路基路面稳固结构；所述的
复合体、填方和挡土墙内埋设多根排水管，每根排水管均伸出挡土墙外排泄渗透水。
9.所述的土工格室是由强化的hdpe片材料经高强力焊接而形成的三维网状格室结构，单个土工格室的平面尺寸或高度均为15cm～25cm，且构成土工格室的hdpe片材料竖向多孔。
10.所述的胶结料为半流体地聚物混凝土，该地聚物混凝土由地聚物、水泥和砂石组成，呈流塑状易于灌注土工格室内。
11.所述的复合体的整体性结构符合胡克定律，其横向应变与竖向应变的比值泊松比为，该填方为散体结构，其主动土压力系数大于，复合体按实际情况设置为下宽上窄或下窄上宽或上下相同尺寸。
12.所述的排水管为pvc管，该排水管一端与复合体的外边缘紧贴，另一端伸出挡土墙外10cm～20cm，每根排水管上均设有梅花状渗水孔外包土工布，排水坡度为1%～2%。
13.所述的地面线为山区道路路线横向地面的剖面线，并作为半挖半填路基结构的纵断面和横断面设计的基准线；所述的开挖线为根据道路路线中心开挖深度确定的横断面需要开挖的部分连线。
14.所述的挡土墙为重力式挡土墙，该挡土墙采用块石、钢筋混凝土建造；各级所述的台阶宽度不小于1.0m，各级台阶的高度不小于0.3m；所述的填方是利用边坡开挖的普通土、宕渣以及砂砾经碾压密实而成；所述的基层为水泥稳定土经碾压密实而成；所述的路面为水泥混凝土路面或沥青混凝土路面。
15.与现有技术相比，本实用新型主要提供了一种山区公路生态型半挖半填路基结构及施工方法，通过在半挖半填交界处设置土工格室和胶结料的复合体，解决半挖半填路基结构的多种病害，确保工程安全质量，是生态道路建设的主要建筑材料。本实用新型具有如下优点：一是土工格室为绿色节能环保的高强度材料，废物利用的地聚物节省了大量的原材料、能源并减少对环境的污染，土工格室和胶结料的复合体横向变形小，提高半挖半填路基结构的稳定性和减少不均匀沉降，具有较高的性价比；二是半挖半填交界处路基设置复合体，将交界处最容易产生的破裂面外移，减少填方的土压力，减少挡土墙的工程数量，经济节约；三是复合体施工简易，与砂砾、普通土、加固土或其他散体集料填充土工格室相比，胶结料填充土工格室不需机械碾压就能达到高度密实，避免机械碾压损伤土工格室结构；四是所提供的设计计算方法原理清晰、科学合理、实用易行，可指导半挖半填路基的土工格室加固设计施工，提高了加固效果。因此，本实用新型是一种构造简单、经济适用、生态环保、节能减排的半挖半填路基土工格室加固方法，体现绿色工程建设理念，其结合相应的施工方法，具有较高的经济效益和社会效益。
附图说明
16.图1为本实用新型的结构立面示意图。
17.图2为填方的受力图。
18.图3为土工格室的受力图。
具体实施方式
19.下面将按上述附图对本实用新型实施例再作详细说明。
20.如图1~图3所示，1.地面线、2.开挖线、21.台阶、3.挡土墙、31.排水管、4.土工格室、5.胶结料、6.填方、7.基层、8.路面、9.破裂面、91.破裂面ⅰ、92破裂面ⅱ。
21.一种山区公路生态型半挖半填路基结构及施工方法，如图1所示，属于生态道路建设领域，其结构包括在山地自然坡度的地面线1上依次开挖出开挖线2、半挖半填结合部开挖成多级台阶21和路肩部分砌筑挡土墙3，在多级台阶21上一定范围铺设多层土工格室4，该多层土工格室内浇筑半流质胶结料5，并形成土工格室和胶结料的复合体；所述的复合体与挡土墙3之间填筑填方6，继而在挡土墙3内的复合体和填方6上依次铺筑道路基层7和路面8，并形成土工格室4加固的生态型半挖半填路基路面稳固结构，以供车辆通行；所述的复合体、填方6和挡土墙3内埋设多根排水管31，每根排水管均伸出挡土墙3外排泄渗透水，有利于半挖半填路基结构的稳定。
22.其中，地面线1为山区道路路线横向地面剖面线，作为半挖半填路基结构的纵断面和横断面设计的基准线；开挖线2为根据道路路线中心开挖深度确定的横断面需要开挖的部分连线，该开挖线需考虑开挖边坡和填方挡土墙的稳定性。
23.所述的台阶21为半挖半填结合面处为了防止填方滑动，在挖方的地面线1清除表面风化层后再逐级开挖成多个台阶，各级台阶21宽度不应小于1.0m，各级台阶21的高度不小于0.3m。
24.所述的挡土墙3为重力式挡土墙，也可采用其他形式的挡土墙，作为半挖半填垃圾填方的支挡结构，在路面8、路基、填方6和车辆荷载作用下保持道路整体稳定和正常使用，该挡土墙3可用块石、钢筋混凝土建造。
25.所述的排水管31为pvc管，排水管一端与复合体外边缘紧贴，排水管另一端伸入挡土墙3并出露挡土墙墙面外10cm～20cm，埋置在复合体、填方6和挡土墙3内的排水管31设梅花状渗水孔外包土工布，排水坡度1%～2%。
26.所述的土工格室4是由强化的hdpe片材料，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构，填充物料后构成具有强大侧向限制和大刚度的结构体，是一种绿色生态型、节能减排的高强度土工建筑材料。单个土工格室4平面尺寸或高度为15cm～25cm，构成土工格室4的hdpe片材料竖向多孔，易于每个土工格室4之间渗透胶结料5并粘结成整体。
27.所述的胶结料5为半流体地聚物混凝土，是由矿物废物和建筑垃圾作为原料制成，其中以alo4和sio4为主要成分，alo4和sio4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，化学式为mn{-(sio2)zalo2}n
·
wh2o，无定形到半晶态，具有优良的机械性能和耐酸碱等性能。
28.地聚物具有稳定的网络结构，同时可以完成避免普通水泥因金属离子迁移与骨料反应而引起的碱集料反应，因而经受自然破坏的能力很强和高度耐久性。地聚反应过程是由铝硅酸之间的脱水反应，这个反应在强碱性条件下是可逆的；另一方面，原料变成产物，除了脱水外没有损失其他的物质。地聚物废料经粉碎后，可以直接当作原料使用，节省了大量的原材料、能源并减少对环境的污染。地聚物混凝土由地聚物、水泥和砂石组成，呈流塑状易于关注土工格室内。与砂砾、普通土、加固土或其他集料填充的土工格室相比，胶结料5填充土工格室4不需机械碾压就能达到高度密实，避免机械碾压损伤土工格室结构。胶结料也可采用低标号水泥砂浆、低标号水泥混凝土或水泥稳定土，既满足受力要求又节约投资。
29.所述的复合体的整体性结构符合胡克定律，其横向应变与竖向应变的比值泊松比
为，普通土、宕渣等填方6为散体结构，其主动土压力系数大于，因，采用土工格室4和胶结料5的复合体能减少静土压力或主动土力，有利于半挖半填路基结构和挡土墙3的安全性。土工格室4和胶结料5的复合体可按实际情况设置为下宽上窄或下窄上宽或上下同尺寸。
30.所述的填方6就地取材，可利用边坡开挖的普通土、宕渣以及砂砾等，需碾压密实；所述的基层7为水泥稳定土或其他适用的基层，需碾压密实；所述的路面8为水泥混凝土路面或沥青混凝土路面，质量符合设计要求。
31.所述的多层土工格室由下而上铺筑在开挖线的多级台阶上，该多层土工格室向挡土墙方向延伸一定长度，同时沿半挖半填路基结构的纵向延伸；所述的土工格室4和胶结料5的复合体与开挖线2的多级台阶21形成由下而上、从横向至纵向的整体斜向复合体，该复合体断面的总体为斜向上端、下端不等厚梯形，梯形的中心线斜向长度为，与水平线的夹角为，下端水平向厚度为、上端水平向厚度为，变截面的夹角为，以梯形下端中心线起点至上端中心线中点为轴；假设复合体沿半挖半填路基结构的纵向长度远大于斜向长度，故取纵向长度作为斜向梯形的复合体宽度，将该复合体视为一维变厚度弹性地基梁，弹性地基梁两端弹性铰接，根据winkler假定，弹性地基梁地基反力为，车辆重量等效填方竖向荷载强度为；由库伦土压力理论和弹性力学以及力的平衡原理得到如下计算公式：
32.公式一、
33.在车辆荷载和路面8、基层7、填方6主动土压力作用下挡土墙3向外产生微小位移，假设破裂面9为复合体的梯形截面的上缘顶面即破裂面ⅱ92，以非粘性填方为例，作用在复合体的分力分布荷载为
[0034][0035]
式中，库伦主动土压力系数和与水平线的夹角分别为
[0036][0037]
由于复合体与其上下接触面之间的作用有摩阻力和轴方向的荷载分力产生剪切变形，轴方向任意处的轴向荷载强度为
[0038][0039]
垂直于轴方向任意处的荷载强度为
[0040][0041]
为简化计算，假定复合体作用的摩阻力和轴方向的荷载分力与轴方向挠曲变形无关，取复合体的微元分析，对微元体右侧中心取矩，由，有
[0042]
略去二阶微量，得
[0043][0044]
由轴方向的合力等于可得
[0045][0046]
由弹性地基梁的弯矩与挠度的关系
[0047][0048]
由以上各式得到弹性地基梁的微分方程为
[0049]
式中
[0050]
[0051]
公式二、
[0052]
公式一中微分方程为变系数常微分方程，用幂级数求解，但求解过程十分繁杂，现用五次幂级数拟合，设，得
[0053][0054]
这里假设弹性地基梁的两端点、也符合winkler假定，两端点、的位移由剪力引起，则由边界条件和荷载条件得
[0055]
由边界条件得五次幂级数系数和弹性地基梁的两端点、的为
[0056][0057]
代入可求出和
[0058]
将以上五个系数代入公式二得到的弹性地基梁拟合的解；
[0059]
在公式二中，当弹性地基梁的变截面速率或较小时，取简化等截面梁计算，或将弹性地基梁的变截面简化为阶梯梁分段计算，各段取为等截面，根据连续条件列出微分方程组计算，但分段数不宜过多，以免增加计算工程量；
[0060]
公式三、
[0061]
为了求得弹性地基梁弯矩的最大值，令，即
[0062][0063]
如能在上述方程求出区间内的实数根，则可得到弹性地基梁弯矩的极大值和最大值，并结合实际问题分析最大值是否合理，舍弃不合理的最大值，再按取值应用；
[0064]
同理，为了求得弹性地基梁剪力的最大值，令，即
[0065][0066]
如能在上述方程求出区间内的实数根，则可得到弹性地基梁剪力的极大值和最大值，并结合实际问题分析最大值是否合理，舍弃不合理的最大
值，再按
[0067][0068]
取值应用；
[0069]
公式四、
[0070][0071]
公式一、公式二、公式三和公式四中的各符号定义为：
[0072]
——分别为弹性地基梁的宽度、弹性地基梁上端的水平厚度、弹性地基梁下端的水平厚度、弹性地基梁任意处的截面高度、弹性地基梁斜向的长度、车辆荷载的宽度、车辆荷载的长度，；
[0073]
——分别为挡土墙3的高度即弹性地基梁下端至上端的竖向高度、基层7的厚度、路面8的厚度，；
[0074]
——分别为车辆重量、车辆等效填方6竖向荷载强度，；
[0075]
——在车辆荷载和路面8、基层7、填方6主动土压力作用在复合体任意处的分力分布荷载，；
[0076]
——在车辆荷载和路面8、基层7、填方6主动土压力作用在复合体中心线任意处的轴向分布荷载，；
[0077]
——在车辆荷载和路面8、基层7、填方6主动土压力作用在复合体中心线任意处的垂向分布荷载，；
[0078]
——弹性地基梁的地基反力，；
[0079]
——弹性地基梁的地基反力系数，由查阅资料或实测得到，无量纲、；
[0080]
——弹性地基梁顶面以上车辆荷载和结构荷载之和对弹性地基梁顶面的总压力、填方6的内摩擦角、挡土墙3墙背的摩擦角，；
[0081]
——分别为复合体组成的弹性地基梁的泊松比、弹性地基梁顶面以上车辆荷载和结构荷载的库伦土压力系数，无量纲；
[0082]
——分别为复合体的弹性地基梁弹
性模量、土工格室4的弹性模量、胶结料5的弹性模量、弹性地基梁的任意处截面的惯性矩、弹性地基梁下端截面的惯性矩、弹性地基梁上端截面的惯性矩、弹性地基梁复合体中土工格室的弹性模量比例系数、弹性地基梁复合体中胶结料的弹性模量比例系数，其中由试验确定，、无量纲；
[0083]
——弹性地基梁变形引起的方向单位长度摩阻力，；
[0084]
——弹性地基梁变形引起的方向拉力，；
[0085]
——分别为斜向弹性地基梁下端中心原点的轴、与轴垂直的轴，；
[0086]
——分别为弹性地基梁与水平线的夹角、线性变截面弹性地基梁的截面变化率的夹角，；
[0087]
——编号1,2,3....；
[0088]
——分别为弹性地基梁在荷载作用下的挠曲线、五次幂级数拟合的挠曲线、五次幂级数拟合的弹性地基梁下端处的挠度、五次幂级数拟合的弹性地基梁上端处的挠度，；
[0089]
——分别为的路面8的重度、基层7的重度、填方6的重度、复合体的重度，；
[0090]
——分别为弹性地基梁在荷载作用下任意处的弯矩、弹性地基梁在五次幂级数拟合的任意处的弯矩、弹性地基梁在五次幂级数拟合下端处的弯矩、弹性地基梁在五次幂级数拟合上端处的弯矩，；
[0091]
——分别为弹性地基梁在荷载作用下任意处的剪力、弹性地基梁在五次幂级数拟合的任意处的剪力、弹性地基梁在五次幂级数拟合下端处的剪力、弹性地基梁在五次幂级数拟合上端处的剪力，；
[0092]
——分别为弹性地基梁在五次幂级数拟合的待定系数，。
[0093]
所述的破裂面9为在车辆荷载、路面8、基层7作用下，填方6产生主动土压力，使挡土墙3向路基外侧滑移或绕挡土墙基础某处转动，使填方6沿挡土墙3某高度处至路面产生裂缝，该裂缝沿半挖半填路基结构的纵向形成破裂面9，破裂面的形成破坏了半挖半填路基结构、路面填方的整体性，导致半挖半填路基结构内部渗水、沉陷，严重的路基滑动、半填路基坍落。
[0094]
对于半挖半填路基结构，最容易在半挖半填路基结构的交界处产生破裂面即破裂面ⅰ91，故在半挖半填结合部开挖多级台阶，并用土工格室4和胶结料5的复合体加固，使假设破裂面ⅰ91移至破裂面ⅱ92处，减少填方6的主动土压力，减少挡土墙3的工程数量，经济
节约；如可能的破裂面9从复合体中通过，则复合体具有较强的抗剪切能力，阻止挡土墙3向路基外侧滑移或绕挡土墙基础某处转动，提高半挖半填路基结构的稳定性。
[0095]
所述的山区公路生态型半挖半填路基结构的施工方法，主要包括如下步骤：
[0096]
步骤一、拟定土工格室和胶结料的复合体尺寸
[0097]
根据设计图纸确定的半挖半填路基结构的横断面尺寸和地质情况，初拟土工格室4和胶结料5的复合体尺寸；
[0098]
通过试验确定土工格室4的材料性能指标、胶结料5的性能指标和复合体的性能指标；
[0099]
③
由公式一、公式二、公式三、公式四计算复核挡土墙3、填方6和复合体的结构，并确定工程材料及技术指标；
[0100]
步骤二、开挖路基
[0101]
根据设计图纸测量放样，确定开挖线；
[0102]
②
机械设备进场，从上而下开挖路基和挡土墙基础，挖方运输至堆场堆放备用；
[0103]
③
开挖半挖半填路基结构的交界处台阶，各台阶21沿路线纵向保持在一个水平面上，质量符合设计要求；
[0104]
步骤三、挡土墙、填方和复合体施工
[0105]
清理挡土墙地基，承载力符合设计要求；
[0106]
②
以施工水泥混凝土挡土墙高度分三层、纵向长度方向每段15m～20m为例，拌合水泥混凝土混合料，安放模板，每段挡土墙基础之间垫沉降缝材料，泵送浇筑水泥混凝土挡土墙基础，铺土工布洒水养护至设计要求；清理基础顶面混凝土浮渣并凿毛表面；架立下层挡土墙身模板，每段挡土墙的墙身之间垫沉降缝材料，泵送浇筑水泥混凝土挡土墙墙身；检测质量符合设计要求；
[0107]
③
清理开挖半挖半填路基结构交界处的台阶地基，承载力符合设计要求；
[0108]
④
土工格室4在最底下一个台阶上横向朝挡土墙侧铺设至设计宽度、纵向朝路线方向连续铺设，拉紧土工格室材料使各土工格室张开后用土钉固定，每段挡土墙连续铺设土工格室4，该土工格室的孔洞上下贯通率不小于70%，以利灌注半流体地聚物混凝土；
[0109]
⑤
在土工格室外侧紧贴土工格室边缘架设固定模板；
[0110]
泵送半流体地聚物混凝土浇筑至各土工格室内，如不密实时用小型式振捣器插入土工格室内振捣，振捣器不能接触土工格室4的hdpe片材料，顶面需用抹子抹平，铺土工布洒水养护至设计要求；检测质量符合设计要求；
[0111]
同步回填填方6，并用小型机械压实；
[0112]
按步骤三
④
～将土工格室、胶结料和分层填方同步施工至第一层挡土墙及齐平，再按步骤三
②
～第二层挡土墙、土工格室、胶结料和分层填方同步施工第二层挡土墙，再按步骤三
②
～第三层挡土墙、土工格室、胶结料和分层填方同步施工直至路面顶面；该胶结料采用低标号水泥砂浆、低标号水泥混凝土或水泥稳定土时与上述方法类似；
[0113]
同步检测填方压实度符合设计要求；
[0114]
步骤四、基层、路面施工
[0115]
测量放样，确定基层铺设标高：
[0116]
②
分层铺设基层7，碾压密实；
[0117]
③
测量放样，确定路面铺设标高：
[0118]
④
机具设备就位，路面材料拌和运输至现场摊铺作业；
[0119]
⑤
碾压路面混合料，按标准碾压和检测验收。
[0120]
因此，本实用新型是一种构造简单、经济适用、生态环保、节能减排的半挖半填路基土工格室加固方法，体现绿色工程建设理念，其结合相应的施工方法，具有较高的经济效益和社会效益。
[0121]
本实用新型所述实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外还应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围内。