适用于公路软土路基加固结构的制作方法

本技术涉及公路工程领域，涉及一种适用于公路软土路基加固结构。

背景技术：

1、在公路结构组成中，路基是最为基础，同时也是对整体质量影响较大的部分，此方面出现质量问题将直接导致公路整体品质的下降。公路工程中软土是指天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包含淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，由软土层组成的地基称为软土地基。软土地基的物理性质大部分是饱和且含有机质，一般具有以下特点：含水量较高、孔隙比较大、抗剪强度低、压缩性较高、渗透性很小、有明显的结构性、有明显的流变性。

2、从软土层的特点来考虑，以其作为建(构)筑物的地基是十分不利的。由于软土的强度很低，承载力特征值的经验值一般为50～80kpa，不能承受较大的建(构)筑物荷载，否则就可能出现地基的局部破坏或整体滑动。并且软土具有较高的灵敏度，若在地基施工中产生振动、挤压和搅拌等作用，就可能引起软土结构的破坏，降低软土的强度。因此，在软土地基上建造建(构)筑物，就必须对软土地基进行处理。软土地基处理的目的主要是改善软土的物理力学性质，提高地基土的抗剪强度，降低软土的压缩性，减少工后沉降和不均匀沉降。

3、公路作为一种线性带状工程，软基处理方法有浅层处理法(挖除换填、浅层改良、抛石挤淤)、排水固结法(堆载预压、真空预压)、强夯和强夯置换法、粒料桩(碎石桩)、加固土桩(水泥搅拌桩、旋喷桩)、刚性桩(预制管桩、方桩，现浇混凝土桩)等。

4、浅层处理法适用于软土层厚度较小时，可将处理范围内的软土层部分或全部挖除，然后回填强度高的土或其它稳定性好、无侵蚀性的材料(通常是渗水性好的中粗砂、碎石等)。此法处理的高度一般为2～3m，如果软弱土层厚度过大，则会增大工程成本。通过换填具有较高抗剪强度的材料，从而达到增强地基承载力的目的，满足建(构)筑物对地基的要求。代表方法有换填、抛石挤淤、垫层法几种。

5、排水固结法基本原理是软土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。在这个过程中，随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土的有效应力增加，地基抗剪强度相应增加。堆载预压法可利用路堤填土作为荷载，造价低，是作为公路软土路基处理的理想方法。但是在实际公路建设领域中，应用的较少，主要原因是公路项目工期要求较高，特别是高等级公路；另一方面，单独采用堆载预压法进行软基处理时，工后沉降较大，沉降不均匀，易导致路面开裂或路面波浪起伏，严重影响道路的正常运营，且大大增加了后期的养护费用；最后在施工过程中，常因填土速率控制不规范而导致路基失稳滑塌。为防止软弱地基产生剪切、滑移，提高路堤的整体稳定性，可在路堤两侧设置反压护道，但这种方案会增加公路占地，特别是平原区可能压占基本农田，与公路设计节约用地的原则相违背，现已很少采用。

6、强夯置换法对处理3～7m软土层有一定的经济性及可靠性，其优点有：相对挖除换填，可减少弃土占用耕地面积，减少砂石料用量；相对其他软土路基处理方式，成本相对较低、操作简单；缺点是噪音和振动较大，不宜在人口密集的城市及居民区使用，同时施工质量难以控制，可能对下部软土层造成较大扰动。强夯机械进出场费用高，工程量较小时，从施工安排的合理性考虑，不建议使用。

7、粒料桩(碎石桩)是先采用振冲法或桩管振动法成孔，添入足够数量的碎石，振动密实形成桩体。设置碎石桩的目的是通过振动、挤密的成桩过程，将原地基土振动密实。一方面通过碎石桩形成竖向排水通道，防止或消散附加荷载所造成的超空隙水压力的增大，从而达到加快地基排水固结，增强地基强度的目的；另一方面，可形成复合地基，提高软土地基的承载力和抗变形能力。与强夯置换法相比，成桩深度大、质量可控；采用振冲置换法成桩时，高压水流下边振边冲在软弱粘性土地基中成孔，需要大量的水资源，冲出的泥浆易污染环境，同时如果软土的强度过于低弱(例如流塑状的淤泥)，以致土的约束力始终不能平衡使填料挤入孔壁的力，桩体无法成形，这样本法就不再适用。采用振动沉管成桩时，高频振动可能破坏软土层的结构，大大降低软土强度。

8、加固土桩(水泥搅拌桩、旋喷桩)是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基将软土和固化剂强制拌和，使软基硬结而提高地基强度。该方法适用于软基处理，效果显著，处理后可成桩、墙等。其优点：施工工艺较简单，扰动小，施工工期短。缺点：软土有机质含量高或含水量大时效果差，处理深度有限，一般不大于15m；施工过程中泥浆易造成环境污染，水泥掺量高时，工程造价高；受施工单位管理水平限制，成桩质量难以保证；对地基承载力的提高有上限，根据相关文献资料结合现行规范中的计算公式，常规水泥搅拌桩处理后的地基承载力一般为120kpa～150kpa。

9、刚性桩(预制管桩、方桩，现浇混凝土桩)在处理软土地基时由桩本身、桩间土、褥垫层工程作用组合成复合地基,共同承担路堤填土及行车荷载作用。在外部荷载下,桩体本身承担大部分荷载,桩所承担的荷载可占到总体荷载的40％～90％,其单桩承载力主要由桩侧摩阻力和桩端阻力组成,随着荷载作用时间的增长,桩周摩阻力充分发挥,桩端阻力也逐渐加强。在外部荷载作用下，桩顶褥垫层发挥调节作用，将部分荷载转移桩间土承担,使桩间土和桩共同承担外部荷载。近年来，用于公路工程中软基处理的主要为预应力管桩。预应力管桩与其他桩基相比具有以下特点：①单桩承载力高，比一般素混凝土桩、粒料桩高很多，施工完成后工后沉降小；②工厂标准化生产，产量大，质量稳定，特别适用于工期较紧、沉降变形要求高的项目；③运输便利，施工便捷，施工质量也能较好控制。预应力管桩的施工方法很多，目前就公路项目来说主要采用锤击法和静压法，两者之间又以锤击法居多，静压法主要适用于市区或者施工条件受限区域。预应力管桩的优点虽然多，缺点也很明显，①因钢筋含量较少，抗剪能力弱；②造价高，路堤高度较小时，容易出现蘑菇状高低起伏；③由于管桩直径较大，在施工时无论是采用静压法还是锤击法，都会对软土层造成扰动，软土层内形成超孔隙水压力，超孔隙水压力消散前，大大降低了软土层的强度。相关的工程实践也表明，通车前期采用管桩复合地基处理施工的公路软土路基已有滑塌失稳的案例。

10、理论上，上述方法均可用于软基处理，但因公路为线性带状工程，其软基分布较为分散，单个桩号段落内的软基处理工程量不大，所以在公路实际工程应用中，常见软土地基处理方法有：

11、①挖除换填，主要是针对厚度不大(h≤3m)的软基，全部清除后，采用路基合格土、片石、中粗砂等水稳性能好的材料,并尽可能利用隧道弃渣和路堑边坡开挖土石方，方案经济，效果好，施工方便快捷。

12、②水泥搅拌桩，主要是针对厚度中等(3m＜h≤15m)且上部路堤填筑高度不大的软基。水泥搅拌桩的长度、直径、间距应根据稳定、沉降计算确定。水泥搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软土层，到达承载力相对较高的土层。为提高抗滑稳定性而设置的桩体，其桩长应超过危险滑弧以下2m，水泥搅拌桩的桩径不宜小于0.5m，相邻桩的间距不应大于4倍桩径。

13、③刚性桩法，主要是针对厚度大(h≥15m)或上部路堤填筑高度大、变形要求较为严格的软基。具体来说，主要用于处理深厚软土地基上荷载较大、变形要求严格的高路堤段、桥头或通道与路堤衔接路段。公路软土地基处理可采用预应力混凝土薄壁管桩(ptc)、预应力高强混凝土管(phc)、预制混凝土方桩、钻孔灌注桩、现浇混凝土大直径管桩(pcc桩)等刚性桩。预应力混凝土薄壁管桩宜工厂预制、现场焊接接长，外径宜为300～500mm，壁厚宜为60～100mm；现浇混凝土大直径管桩外径宜为1.0～1.5m，壁厚宜为120～200mm。刚性桩可按正方形或等边三角形布置。桩径宜根据成桩设备确定，且不宜小于5倍桩径。桩长可根据工程对地基稳定和变形要求，结合地质条件，通过计算确定。刚性桩桩顶应设桩帽，形状可采用圆柱体、台体或倒锥台体。桩帽直径或边长宜为1.0～1.5m，厚度宜为0.3～0.4m，宜采用水泥混凝土现场浇筑而成。桩帽顶上应铺设具有一定厚度、强度、刚度、完整连续的柔性土工合成材料加筋垫层。垫层形式应根据设计荷载大小和要求以及具体地基土层的条件确定，宜选择土工格栅加筋垫层、高强土工布加筋垫层、土工格室加筋垫层等。

技术实现思路

1、针对深厚软基的处理，为了克服现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种适用于公路软土路基加固结构，融合排水固结法和刚性桩法，兼顾两种方法的优点。

2、使软土路基通过本实用新型的加固结构，在软土层中布设微型桩，桩中的砂或碎石形成竖向排水通道，让软土层在路基填筑过程中发生排水固结，完成部分主固结沉降，提高软土层的强度；也可以发挥刚性桩的作用，提高软土路基的承载力、抗剪能力及路基的整体稳定性，减少软土路基的工后沉降及不均匀沉降，加快路堤的填筑速率，缩短工期。

3、本实用新型解决上述技术问题的微型桩结构如下：

4、一种适用于公路软土路基加固结构，包括若干微型桩、钢筋混凝土梁、排水砂垫层、褥垫层；其特征在于：所述微型桩由钢花管、钢花管中装砂或碎石和桩帽组成，钢花管的直径、长度及间距，根据软土层厚度及上部路堤填土高度、公路等级、沉降变形等因素综合确定；钢花管中装砂或碎石形成竖向排水通道，加速软土层排水固结；所有微型桩通过钢筋混凝土梁联结成整体，对软土层形成支护，能有效防止软土层在上部路堤填筑过程中发生侧向滑移及整体失稳；在微型桩的桩帽上部依次设有排水砂垫层、褥垫层；软土层在上部路堤填土荷载的作用下，发生排水固结，孔隙水通过微型桩的砂或碎石形成竖向排水通道排入砂垫层中，进而排出路基范围外，软土层发生固结沉降；微型桩根据软土路堤的沉降变形特征调整桩顶标高，在软土发生沉降变形后，通过褥垫层和桩帽，调整桩垂直荷载的分担，减少微型桩顶面的应力集中，协调路堤的变形，能有效减小软土路基的工后沉降及不均匀沉降。

5、在微型桩与钢筋混凝土梁之间设置pvc套管，保证微型桩在填土荷载作用下竖向能自由移动。

6、钢花管中袋装砂或碎石可作为竖向排水通道，加速软土层的排水固结，同时钢花管的抗剪强度高，能有效防止在上部路堤填土过程中发生软土路堤的整体失稳；钢花管穿过软土层，承载力高，能提高路堤的填筑高度及施工过程中的填土速率，缩短工期并减小软土地基的工后沉降。微型桩参照软土路堤的“盆形”变形曲线特征(中部沉降大、两边沉降小)，参考桥梁工程施工中预拱度的概念，调整桩顶标高，解决路基的不均匀沉降。同时为了防止褥垫层与微型桩的桩顶接触后产生应力集中、微型桩刺破褥垫层的情况，在桩顶设置桩帽。

7、所述的钢筋混凝土梁把所有微型桩连接成整体，大大提高了微型桩的抗滑能力。同时由于钢筋混凝土梁整体刚度大，相当于在地表处形成“硬壳层”，提高了软土地基的承载力，可以解决软土排水固接法前期填土慢的问题(防止填土过快，地基发生失稳破坏)。钢筋混凝土梁在浇筑时通过提前预埋pvc套管，使微型桩在竖向可自由移动。

8、所述排水砂垫层主要由一定厚度的中粗砂组成，排水砂垫层与外围排水沟相连，导排软土层发生固结后排出的孔隙水。同时根据预估沉降的大小，控制排水砂垫层的厚度，调节褥垫层与微型桩的距离，让软土路堤在路面结构层施工前主动发生排水固结，排水砂垫层的理想厚度是路堤填筑至顶标高时，施工路面结构层前，褥垫层与所有微型桩顶接触，让微型桩发挥竖向承载作用得到充分发挥。

9、所述褥垫层由一定厚度的中粗砂级配良好的碎石、砂砾或石屑及一定强度、刚度和完整连续的柔性的土工格栅组成。土工格栅应具有抗拉强度高、切线模量高、非脆性、耐久性良好、抗老化、抗腐蚀等工程性质。其作用在于协调微型桩的变形。

10、一种适用于公路软基加固结构进行加固处理的微型桩工法，其特征在于按以下步骤进行：(a)、施工准备；(b)、压桩；(c)、现浇钢筋混凝土梁；(d)、预设桩顶标高及安装桩帽；(e)、铺设砂垫层；(f)、铺设褥垫层，经过上述步骤形成加固软基的微型桩结构后直接开始填筑路堤。

11、一种适用于公路软基加固结构的加固处理的微型桩工法，其特征在于具体按以下步骤进行：

12、(a)施工准备：完成场地清理整平、桩位的测量放样、钢花管的定制、施工材料采购准备工作，重点是结合处理软基厚度、上部路堤填筑高度，经计算确定钢花管的直径、长度；根据施工机械设备的能力、现场净空要求，确定钢花管的标准节段；钢花管的基本参数确定后交由厂家标准化定制；

13、(b)压桩：主要根据步骤(a)中所放桩位，采用静压桩机把首节微型桩的钢花管压入土层中，在钢花管中填充袋装砂后，接长微型桩的钢花管，为了便于现场施工，各微型桩的钢花管之间采用螺纹连接，循环施工，直至微型桩尖到达设计标高；为了减少压桩对软土层的扰动，跳桩施工；

14、(c)现浇钢筋混凝土梁：微型桩压桩结束后，在浇筑混凝土前，钢筋混凝土梁(3)与微型桩(1)间设置pvc套管；现场浇筑钢筋混凝土梁(3)，把所有微型桩联结成整体，大大提高软基的抗失稳能力，加快上部路堤的填筑速率；

15、(d)预设桩顶标高及安装桩帽:根据软土层厚度、桩尖土层强度、上部填土荷载，预估软土层在上部填土荷载作用下的总沉降，绘制路堤预估沉降曲线，结合预估的排水固结沉降值，调整微型桩顶标高，且中间高，两边低，安装桩帽；

16、(e)铺设砂垫层：在钢筋混凝土梁上铺设砂垫层厚度，砂垫层顶标高应高于微型桩桩帽顶标高，具体数值根据预估计算的路面结构层开始施工前的主固结沉降值确定；

17、(f)铺设褥垫层：在砂垫层上铺设一定厚度的级配碎石，分两层进行碾压回填，其中铺设两层高强度土工格栅，协调整个路基的变形。

18、本实用新型的有益效果是：

19、该实用新型基于让深厚软土层在路堤填筑过程中、路面结构施工前主动发生沉降的设计理念，而非一味采取工程措施(如水泥搅拌桩、预应力混凝土管桩)限制软土路基的沉降变形。融合了排水固结法和刚性桩法处理软基的优点，把上部路堤填土视为有利荷载，前期通过排水固结转化成软土层的有效应力，提高软土层的物理力学性质，同时解决了排水固结前期填土速率慢，影响项目总体进度的问题；通过褥垫层协调所有微型桩共同承担该部分荷载，能有效解决软土路堤易整体失稳、不均匀沉降(易导致后期路面坑洼不平)的问题。同时所有微型桩可以工厂标准化制作、现场组装、施工机械可采用小型的静压设备，施工便捷，成本低。

20、本实用新型加固结构的优点在于微型桩采用常规钢花管，便于工厂标准化定制，对施工场地、施工机械要求低，施工过程更便捷、安全可靠；与管桩相比，微型桩直径小，压桩过程中能尽量减少对软土层的扰动，同时钢花管中的装砂或碎石形成了竖向排水通道，在上部填土荷载作用下，软土层发生固结，上部填土荷载转化为软土的有效应力，软土抗剪强度得到增长，大大增强了软基在上部路堤填筑过程中的整体稳定性，加快了前期路堤的填土速率，缩短了工期。与其他的深厚软基处理方法水泥搅拌桩和混凝土管桩相比，单根桩的造价低。