石灰土-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法

摘要

本发明公开了一种石灰土-透水性混凝土桩复合地基及其处理方法，采用石灰土-透水性混凝土桩综合处治方法控制交通荷载引起的湿软地基累积沉降，适用于湿软地基加固，使湿软地基既具有高的承载能力，又具有强的透水能力。该复合地基包括石灰土层以及分散埋设于石灰土层以下的透水性混凝土桩，石灰土层的表面铺设碎石垫层。复合地基的处理方法是：1）预制透水性混凝土桩；2）用质量掺量为5～7%的生石灰对湿软地基浅层处理形成石灰土层；3）在石灰土层上设置桩孔；4）将步骤1）获得的透水性混凝土桩安置到桩孔内，其周围空隙填埋粗砂；透水性混凝土桩采用正方形或三角形布置；5）在石灰土层表面铺设碎石垫层。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合地基，具体涉及一种适于低路基的石灰土-透水性混凝土桩复合地 基及其处理方法。属于土木工程技术领域。

背景技术

湿软土地基一般分布在滨海、湖泊、谷底、海滩等地区，具有天然含水量高、孔隙比 大、压缩性强、抗剪强度低和承载能力低等特点。湿软土地基一旦受到扰动，土的强度明 显下降，甚至呈流动性。因此，在湿软地基上修建道路会遇到天然地基累积沉降变形大及 路基填土较难压实等问题，在春融夏雨期，翻浆病害频发，路面开裂，养护费用很高。为 了减小路基自重引起的地基过大沉降、少占耕地及减少施工能耗，采用低路堤方案成为道 路建设的一种趋势。但是，路堤高度的降低使得上部位于车载作用的范围内的天然地基在 交通荷载反复作用下产生过大的累积沉降；而且，随着交通运输业的飞速发展，汽车超载 现象也日益严重，车速也在不断提高，这进一步加剧了湿软土地基的累积沉降，地基累积 沉降会进一步引起路面破坏，导致路面横坡变化大，积水严重，不仅给行车带来安全问题， 还会导致水损坏等路面病害。因此，对湿软土地基进行加固处理能够大大减少发生路基失 稳或过量沉陷的风险。

中国专利申请201210349658.4公开了一种搅拌桩-透水性混凝土桩复合地基及处理方 法，中国专利申请201210352336.5公开了一种散体桩-透水性混凝土桩新型二元复合地基及 处理方法，中国专利申请201210352089.9公开了一种低强度刚性桩-透水性混凝土桩新型二 元复合地基及处理方法，这三种复合地基虽然具有高承载性能和高排水性能，但是都属于 二元复合地基处理方法，两种桩体需要分别施工，而且需要一定的间隔时间，使得工期较 长；而且没有进行表层处理，对于含水量过大、胀缩性高、具有湿陷性，承载能力低的湿 软地基，在荷载作用下容易产生滑动或固结沉降，不利于施工机械、设施、人员等进场作 业。所以，需要对湿软地基进行浅层处理。

石灰土处理方法被广泛应用于湿软土地基浅层处理，生石灰与土会发生一系列的反应 使土中水分降低、土颗粒凝聚而形成较大团粒，同时土体化学反应生成复合水化物，并在 水中逐渐硬化，从而与土颗粒粘结在一起提高了地基的物理力学性质。

但是，石灰土和水泥土地基加固方法处理深度不大，只是在地基上部形成硬壳层，而 高速行驶的重车产生的动应力影响深度大，因此，加快地基深层排水对减小深层超静孔隙 水压力的累积，加快湿软地基深层累积沉降具有重要意义，但目前缺乏相关的技术。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适于低路基的石灰土-透水性混 凝土桩复合地基及其处理方法。本发明采用石灰土-透水性混凝土桩综合处治方法控制交通 荷载引起的湿软地基累积沉降，特别是控制低路堤（≤1.5m）下湿软地基累积沉降，适用 于湿软地基加固，使湿软地基既具有高的承载能力，又具有强的透水能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种石灰土-透水性混凝土桩复合地基，包括石灰土层以及分散埋设于石灰土层以下的 透水性混凝土桩，所述石灰土层的表面铺设碎石垫层。

所述透水性混凝土桩为若干排，每一排数量相等，且前后对正，整体形成正方形布置。

所述透水性混凝土桩为若干排，从所述复合地基的一侧起，每个偶数排的透水性混凝 土桩位于奇数排中两个相邻透水性混凝土桩连线的中心线上，每个透水性混凝土桩与相邻 的两个透水性混凝土桩形成三角形布置。

所述碎石垫层的厚度为15～30cm。

所述透水性混凝土桩的桩径为350～600mm，桩长为4～5m，相邻的两个透水性混凝土 桩的桩距为桩径的3～5倍。

上述复合地基的处理方法，具体步骤如下：1）预制透水性混凝土桩：在压实、平整 的制桩场地上支模，然后浇筑透水性混凝土，待养护至70%强度起吊，并继续养护获得100% 强度的透水性混凝土桩，运输堆放备用；

2）用质量掺量为5～7%的生石灰对湿软地基浅层处理形成石灰土层；

3）在石灰土层上设置桩孔，所述桩孔的孔径比桩径大20cm；

4）将步骤1）获得的透水性混凝土桩安置到桩孔内，其周围空隙填埋粗砂；透水性混 凝土桩采用正方形或三角形布置；

5）在石灰土层表面铺设碎石垫层。

步骤1）中，所述透水性混凝土桩的混凝土抗压强度大于等于20MPa，渗透系数大于 等于2mm/s。

步骤2）中，所述生石灰是新鲜的生石灰或者将集中堆放后的生石灰在使用前7～10天 消解并过筛。

步骤2）中，所述浅层是指湿软地基距地表40～80cm。

步骤3）中，在石灰土层上通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘设置桩孔。本发明的工 作原理：

（1）湿软地基表层含水量高，强度低。将表层土与生石灰拌和，石灰与土发生强烈的相 互作用，其主要物理与化学反应包括离子交换、Ca(OH)₂结晶、碳酸化和火山灰反应。Ca(OH)₂离解后的Ca²⁺与粘土胶体颗粒反离子层上的K⁺、Na⁺发生离子交换后，使得胶体吸附层减弱， 胶体颗粒发生聚结，这是早期石灰土强度形成的主要原因。Ca(OH)₂与水作用形成的含水晶体 把土粒胶结成整体，从而提高石灰土的水稳定性。而形成的CaCO₃过程的碳酸化反应及形成 硅酸钙与铝酸钙过程的火山灰反应是石灰土强度和稳定性提高的决定性因素。灰土混合料的 初期表现为塑性降低、最佳含水量增大、最大干密度减小等；后期变化表现为晶体结构的形 成，从而石灰土的强度和稳定性得以提高。在土质和石灰的质量和剂量确定的情况下，养身 条件和龄期也是影响石灰土强度和稳定性的重要因素。石灰土浅层处理方法在地基表面形成 硬壳层，提高地基承载力，减小地基沉降。同时，硬壳层的形成也方便施工车辆、机具等进 场作业。

（2）透水性混凝土是由特定级配的集料、水泥、增强材料、外加剂和水等按特定比例 经特殊成型工艺制成的。透水性混凝土的孔隙率在10%～25%之间，水灰比的范围为 0.32～0.40，根据配合比设计方法即可得出透水性混凝土各成分的配合比。水泥为32.5级或 42.5级硅酸盐水泥；外加剂为减水剂，掺量为0～1.1%；集料采用碎石（粒径为0.60～1.18mm、 2.36～4.75mm、4.75～9.50mm、9.5～16mm）或卵石（粒径为2.36～4.75mm）。将按配合比称 量好的水泥和集料混合搅拌，加水搅拌均匀后继续加入水以及减水剂，采用压制或振动成 型工艺制作试件。压制成型时将透水性混凝土混合料称量入钢模，加压成型，闭模养护3 小时后脱模，覆盖塑料薄膜在标准条件下（温度为20±3℃，相对湿度在90%以上）养护至 24h，洒水后仍覆盖塑料薄膜，标准养护28天龄期；振动成型时将新拌混合物称量入塑料 模，振捣成型，密闭养护3天后拆模，再用塑料膜密封，在标准条件下养护至28天龄期。 集料骨架间含有大量贯通性孔隙(通常在5%～30%之间并多为直径超过1mm的大孔)的蜂窝 状结构的混凝土，在保证一定透水性情况下其抗压强度一般在3.5MPa～28MPa，挠曲强度一 般在1MPa～3.8MPa。透水混凝土的渗透系数一般介于2.0mm/s～5.4mm/s，有的甚至达到 1.2cm/s。透水混凝土的配比特点是采用单粒级粗骨料作为骨架，水泥净浆或加入少量细骨 料的砂浆薄层包裹在粗骨料颗粒的表面，作为骨料颗粒之间的胶结层，形成骨架——空隙 结构的多孔混凝土材料。

试验研究表明，透水性混凝土的强度和透水性是一对矛盾体，此消彼长，如图1所示。 在工程设计中应根据具体要求，确定最佳的强度和渗透性组合。

图2所示为通车后不同时刻（1年、2年和10年）天然地基内累积变形随深度的变化 曲线。可见累积变形在地下5m以上随深度衰减很快，其下衰减速度逐渐变缓，说明交 通荷载作用下地基累积沉降主要是由地下5m以上土体累积变形引起的，因此透水性混 凝土桩桩长取4～5m。桩径宜取350～600mm，桩距宜取3～5倍桩径，满足地基承载力和沉 降要求。透水性混凝土桩不仅透水性强，而且比砂石桩等散体桩的强度高，这使得上覆荷载 在桩体中力的传递和湿软地基的排水固结过程耦合在一起，相互促进，既加快了湿软地基固 结速度，减小了累积沉降，又提高了湿软地基承载力。石灰土浅层处理与透水性混凝土桩深 层处理相结合的综合地基处理方法能够显著降低低路堤下软土地基累积沉降。

图3所示为道路运营期间在地下0.7m和1.2m深度处天然地基和石灰土-透水性混凝土桩综 合处治地基对应的超静孔隙水压力随车辆荷载作用次数N的变化曲线。可见，与天然地基相 比，石灰土-透水性混凝土桩综合处治地基内的超静孔隙水压力明显低于天然地基的，这是因 为透水性混凝土桩具有良好的透水性能，能够迅速消散交通荷载引起的超静孔隙水压力。

图4所示为地基累积沉降随通车时间的变化曲线。可见，地基累积沉降在通车初期发展很 快，然后逐渐变缓。透水性混凝土桩处理后的石灰土地基累积沉降明显减小。说明石灰土- 透水性混凝土桩综合处治方法对交通荷载引起的累积沉降有明显的抑制效应。因此，石灰土- 透水性混凝土桩综合处治方法对低路堤下湿软地基具有显著的减压降沉效应。另外，根据有 效应力原理，土体内超静孔隙水压力消散越快，土体的强度提高越快，地基土将承担更多的 附加应力，从而在复合地基设计时可以适当降低桩体的置换率。由透水性混凝土桩渗出的水 将由复合地基上铺设的碎石垫层排走，碎石垫层还可以调整桩土应力比。

本发明的有益效果是：

本发明采用石灰土浅层处治与透水性混凝土桩深层加固的综合地基处理方法来控制交 通荷载引起的低路堤（≤1.5m）下湿软地基累积沉降。透水性混凝土桩不仅刚度和强度高， 而且透水性强，集高承载性能和高排水性能于一体，能有效减小湿软地基累积沉降，提高 湿软地基强度。

附图说明

图1是透水性混凝土抗压强度与渗透系数的关系曲线；

图2是累积变形随深度的变化曲线；

图3a是0.7m深度处超静孔隙水压力随荷载作用次数的变化曲线，图3b是1.2m深度 处超静孔隙水压力随荷载作用次数的变化曲线；

图4是累积沉降随通车时间变化曲线；

图5a是透水性混凝土桩的正方形布桩示意图，图5b是透水性混凝土桩的三角形布桩 示意图；

图6是本发明的结构示意图；

其中1.石灰土层，2.透水性混凝土桩，3.碎石垫层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为 了解释本发明，并不对其内容进行限定。

一种石灰土-透水性混凝土桩复合地基，包括石灰土层1以及分散埋设于石灰土层1以 下的透水性混凝土桩2，所述石灰土层1的表面铺设碎石垫层3。

所述透水性混凝土桩2为若干排，每一排数量相等，且前后对正，整体形成正方形布 置。

所述透水性混凝土桩2为若干排，从所述复合地基的一侧起，每个偶数排的透水性混 凝土桩2位于奇数排中两个相邻透水性混凝土桩2连线的中心线上，每个透水性混凝土桩2 与相邻的两个透水性混凝土桩2形成三角形布置。

所述碎石垫层3的厚度为15～30cm。

所述透水性混凝土桩2的桩径为350～600mm，桩长为4～5m，相邻的两个透水性混凝 土桩2的桩距为桩径的3～5倍。

上述复合地基的处理方法，具体步骤如下：

1）预制透水性混凝土桩：在压实、平整的制桩场地上支模，然后浇筑透水性混凝土， 待养护至70%强度起吊，并继续养护获得100%强度的透水性混凝土桩2，运输堆放备用；

2）用质量掺量为5～7%的生石灰对湿软地基浅层处理形成石灰土层1；

3）在石灰土层1上设置桩孔，所述桩孔的孔径比桩径大20cm；

4）将步骤1）获得的透水性混凝土桩2安置到桩孔内，其周围空隙填埋粗砂；透水性 混凝土桩2采用正方形或三角形布置；

5）在石灰土层1表面铺设碎石垫层3。

步骤1）中，所述透水性混凝土桩2的混凝土抗压强度大于等于20MPa，渗透系数大 于等于2mm/s。

步骤2）中，所述生石灰是新鲜的生石灰或者将集中堆放后的生石灰在使用前7～10天 消解并过筛。

步骤2）中，所述浅层是指湿软地基距地表40～80cm。

步骤3）中，在石灰土层1上通过机械钻孔、钢管挤土或人力挖掘设置桩孔。

试验例1：路堤高度1.0m的石灰土-透水性混凝土复合地基

某高速公路地基为黄河冲淤积土，土质以低液限粉土为主，其次为低液限粘土， 局部夹有高液限粘土层。对于低液限粉土，含水量为25%，孔隙比为0.7塑性指数在 10左右，土的压缩系数在0.1～0.5MPa^-1之间，属中压缩性土。低液限粘土含水量 22～35%，孔隙比0.60～0.89。该高速公路路堤高度为1.0m。施工时，先用质量掺量为 5%的生石灰对地表40cm进行浅层处理，在地基表面形成石灰土层1，再施工透水性混凝土 桩2。

透水性混凝土桩2采用正方形布置。透水性混凝土桩2桩径为400mm，桩间距为1.6m。 透水性混凝土抗压强度不低于20MPa，渗透系数不低于2mm/s，所有桩体垂直度误差不大 于1.5%。

施工前场地需清表处理，做好抽水、清淤及整平工作。在地基表面铺设碎石垫层3，厚 度为30cm。

试验例2：路堤高度1.5m的石灰土-透水性混凝土复合地基

某高速公路地基由两层软土组成，上层11m为灰色淤泥，含水量65～69%，孔隙 比1.81～1.91；下层4m为淤泥质亚粘土，含水量46%，孔隙比1.25。15m以下为基岩 风化层。拟建高速公路路堤高度为1.5m。施工时，先用质量掺量的7%生石灰对地基60cm 进行浅层处理，在地基表面形成石灰土层1，再施工透水性混凝土桩2。

透水性混凝土桩2采用三角形布置。透水性混凝土桩2桩径为500mm，桩间距为2.5m； 桩体抗压强度不低于20MPa，渗透系数不低于2mm/s，所有桩体垂直度误差不大于1.5%。

施工前场地需清表处理，做好抽水、清淤及整平工作。在地基表面铺设碎石垫层3，厚 度为20cm。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的 各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。