一种桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法

摘要

本发明提供了一种桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法，通过成桩机具在软弱地基中完成刚性桩的桩体施工，平整地面，铺设150～300mm厚砂石层，平整压实后铺设第一层土工格栅，在第一层土工格栅上铺设150～300mm厚碎石层，平整压实后铺设第二层土工格栅，在第二层土工格栅上摊铺150～300mm厚水泥稳定碎石层；最后完成路堤填筑。本发明通过分层次调节加筋垫层刚度，达到充分发挥桩间土的承载力，减小路面不均匀沉降、突破上部填土限制等目的。该发明适用于处理黏性土、粉土、淤泥、淤泥质土地基，可用于填土路堤、柔性面层堆场、机场跑道、油罐、粮库等构筑物的地基加固与处理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法，适用于土木工程-地基基础领域。

背景技术

目前，土木工程中复合地基设计理论都是基于刚性基础下复合地基研究成果提出的，柔性基础下复合地基研究成果较少。刚性基础与柔性基础下的复合地基是不同的，存在着较大差异：1、桩荷载集中系数、桩土荷载比、桩土应力比等无论发展规律还是量值都有很大差异；桩对复合地基承载力的贡献，刚性基础要大于柔性基础。2、柔性基础与刚性基础下的复合地基的破坏机理不同。刚性基础下桩土变形一致，在相同的变形时，桩首先承受较大荷载，并首先进入极限状态，随总荷载的增加，桩土应力比先增大再减小；柔性基础下桩土变形可相对自由发展，土首先承担较大荷载，并随荷载增加率先进入极限状态，桩土应力比呈现先递减后上升的趋势。为了协调桩土受力，充分发挥两者的潜力，需要根据两种基础特点对垫层进行设计。

与本发明最接近的是桩网复合地基和桩承式路堤(以下简称“桩承堤”)。

在桩承堤中荷载通过土拱作用和土工格栅加筋垫层兜提作用传递到刚性桩上，桩间土不直接参与承担荷载，荷载全部由桩承担，因此桩承堤中的桩应是端承刚性桩。桩网复合地基中加筋垫层下桩间土直接参与承担荷载，荷载由桩和桩间土共同承担，桩网复合地基中的桩一般应是摩擦型桩，如采用端承桩则应根据加筋垫层的协调能力保守估计桩间土分担荷载。

桩承式路堤在桩顶设置加筋体，上部路堤荷载通过加筋体传递到桩上，其实质是利用桩来承担上部路堤荷载，对于桩间土承载力基本不予考虑，因此用桩量非常大，不符合节能减排的趋势，此外该技术对上部路堤高度有最低要求，达不到此要求，就形不成土拱，随之而来的桩土差异沉降会导致路面结构发生破坏，限制了其应用。

桩网复合地基在桩顶设置加筋碎石垫层，考虑利用桩间土承载力，用桩量虽然减少了，但仍存在桩间土承载力的发挥和路面工后差异沉降控制两者难以统一的问题：桩间土承载能力的发挥必然伴随着较大的沉降，会导致路面产生较大的差异沉降，影响车辆的安全运行。桩顶设置刚度较大的加筋垫层能够有效控制差异沉降，但其有限的协调变形能力反过来又影响了桩间土承载能力的发挥。这一矛盾使桩网复合地基的应用受到限制。桩网复合地基同样存在上部路堤填土高度限制的问题。

综上，已有技术存在不足有：1、用桩量大；2、填土高度限制；3、桩间土承载力发挥不足；4、路面差异沉降不易控制。对于路堤、粮库、油罐、堆场、机场跑道等基础设施及构筑物来讲，这些问题直接影响到设施的正常使用，或是耗资较大。

解决上述问题的关键环节在于提高加筋垫层的调节能力，目前已有技术均未解决此问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法，通过分层次调节桩顶加筋垫层的刚度，解决用桩量大、路堤高度限制、桩间土承载力发挥不足、路面差异沉降不易控制等问题。

本发明是这样实现的：一种桩承变刚度加筋垫层复合地基，包括刚性桩复合地基层、砂石层、加筋碎石层、水泥稳定碎石层；其中，所述刚性桩复合地基层包括地基土层以及设置在地基土层中的刚性桩；所述加筋碎石层包括第一层土工格栅、碎石层、第二层土工格栅。

优选地，所述砂石层、加筋碎石层以及水泥稳定碎石层的厚度均为150mm～300mm，所述砂石层中粒料最大粒径不大于20mm，所述加筋碎石层和所述水泥稳定碎石层中的碎石的最大粒径不大于37.5mm，级配良好。

优选地，所述加筋碎石层中的土工格栅为双向抗拉材料，其具有低蠕变性、耐老化的特点。

优选地，所述水泥稳定碎石层水泥掺量为5％，水泥稳定碎石层压实度不低于95％，级配良好。

优选地，所述刚性桩复合地基层中，刚性桩穿过压缩性较高土层，桩端进入压缩性较低、性质良好的土层，所述刚性桩桩体为预应力管桩，桩径300mm至500mm，桩间距5至8倍桩径。

本发明进一步提供了一种桩承变刚度加筋垫层复合地基的施工方法，包括以下步骤：通过成桩机具在软弱地基中完成刚性桩的桩体施工；铺设150mm～300mm厚砂石层；平整压实后铺设第一层土工格栅；在第一层土工格栅上铺设150～300mm厚碎石层：平整压实后铺设第二层土工格栅，在第二层土工格栅上摊铺150～300mm厚水泥稳定碎石层。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

本发明中的变刚度加筋垫层包括砂石层、加筋碎石层、水泥稳定碎石层，其优点在于：其刚度自下而上是逐渐增加的，垫层刚度变化上分开层次，传力平稳。砂石层与桩间土接触，充分发挥桩间土承载力，减少用桩量，拉大桩间距(一般复合地基桩间距为3～4d，d为桩径，本发明桩间距可达到5～8d，有效减少了用桩量)；加筋碎石层刚度适中，允许变形，起到中间调节作用，既可减小路面差异沉降，又不影响垫层协调能力的发挥；水泥稳定碎石层因刚度大，起到了进一步减小路面差异沉降的作用。通过以上设计既可以发掘桩间土承载潜力，同时可以减小路面差异沉降，并且不受上部填土高度限制，相对于桩承堤和桩网复合地基来讲，应用上更为灵活自由，适用范围更广；此外本发明刚性桩体为预应力管桩，施工速度快，成桩质量有保证也是优点之一。

附图说明

图1是现有技术中桩网复合地基的结构示意图。

图2是现有技术中桩网复合地基加固机理示意图。

图3是现有技术中桩网复合地基的传力路线示意图。

图4是现有技术中桩承式路堤的结构示意图。

图5是现有技术中桩承式路堤的传力路线示意图。

图6是本发明桩承变刚度加筋垫层复合地基的结构示意图。

图7是本发明加筋碎石层的结构示意图。

图8是本发明桩承变刚度加筋垫层复合地基的受力机理示意图。

图9是实施例三中监测断面剖面示意图。

图10是实施例三中a区、b区、d区的土压力盒埋设位置示意图。

图11是实施例三中c1区的土压力盒埋设位置示意图。

图12是实施例三中c2区的土压力盒埋设位置示意图。

图13是实施例三中K12+469断面表面沉降曲线。

图14是实施例三中各断面差异沉降曲线。

图15是实施例三中K12+469土压力过程曲线。

图16是实施例三中K12+504土压力过程曲线。

图17是实施例三中K12+540土压力过程曲线。

图18是实施例三中K12+579土压力过程曲线。

图19是实施例三中四断面桩土应力比～时间曲线。

图20是实施例三中K12+469断面侧向位移示意图。

图21是实施例三中K12+504断面侧向位移示意图。

图22是实施例三中K12+540断面侧向位移示意图。

图23是实施例三中K12+579断面侧向位移示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式以及实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有技术中桩网复合地基的结构如图1所示，其中h为桩顶至上等沉面距离，L1为等沉面以上桩长，L为全部桩长，1为桩端至下等沉面距离；其设计原理为：桩土刚度不同，变形不协调，在路基填土及地基内部形成了三个等沉降面。上部荷载由桩土共同承担。土承担荷载越多，沉降越大，桩土之间的差异沉降也就越大，需设置一定刚度的加筋垫层进行调节；其加固机理示意图如图2所示，传力路线如图3所示。

桩网复合地基的优点是垫层刚度需适当，桩土变形应协调，加固机理较复杂，缺点为存在桩间土承载力的发挥和路面工后差异沉降控制两者难以统一的问题。

现有技术中桩承式路堤的结构如图4所示，其中D为桩间距，b为土拱高度，h为路堤高度，F1为由土工格栅承担的荷载，F2为由土拱承担的荷载，L为全部桩长，L1为等沉面以上的桩长；其设计原理为：由于桩土刚度不同，变形不协调，桩间土下沉，路基填土内形成土拱，上部荷载由土拱和设置于桩顶的土工格栅承担，但最终都传递到桩上，桩顶设置桩帽的作用是使桩尽可能承担多数荷载，填土厚度达到一定数值方可形成稳定土拱，桩承式路堤的传力路线如图5所示。

桩承式路堤的优点是加固机理简单明确，缺点是荷载全由桩承担，用桩量大，土拱对填土高度有要求，否则容易形成差异沉降，应用受限。

桩承堤和桩网复合地基的相关性质如表1所示。

表1：桩承堤和桩网复合地基性质比较

本发明桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法是通过分层次调节桩顶加筋垫层的刚度，解决用桩量大、路堤高度限制、桩间土承载力发挥不足、路面差异沉降不易控制等问题。

如图6所示，本发明的桩承变刚度加筋垫层复合地基自下而上依次包括刚性桩复合地基层1、砂石层2、加筋碎石层3、水泥稳定碎石层4；其中，所述刚性桩复合地基层1包括地基土层11以及设置在地基土层11中的刚性桩12；所述加筋碎石层3自下而上依次包括第一层土工格栅31、碎石层32、第二层土工格栅33，如图7所示；水泥稳定碎石层4上为构筑物5。

在本发明的桩承变刚度加筋垫层复合地基中，砂石层2、加筋碎石层3以及水泥稳定碎石层4的厚度均为150mm～300mm，所述砂石层2中粒料最大粒径不大于20mm，所述砂石层2的形成过程为静力压实，夯实比不大于0.9；所述加筋碎石层3和所述水泥稳定碎石层4中的碎石的最大粒径不大于37.5mm，级配良好；加筋碎石层3中的碎石层32采用静力压实，夯实比不大于0.9；所述加筋碎石层3中的土工格栅为双向抗拉材料，其具有低蠕变性、耐老化的特点；所述水泥稳定碎石层4水泥掺量为5％，水泥稳定碎石层4压实度不低于95％，级配良好；所述刚性桩复合地基层1中，刚性桩12穿过压缩性较高土层，桩端进入压缩性较低、性质良好的土层，所述刚性桩12桩体为预应力管桩，桩径300mm至500mm，桩间距5至8倍桩径。

本发明的桩承变刚度加筋垫层复合地基的施工方法包括以下步骤：通过成桩机具在软弱地基中完成刚性桩12的桩体施工；铺设150mm～300mm厚砂石层2，所述砂石层2采用静力压实，夯实比不大于0.9；平整压实后铺设第一层土工格栅31；在第一层土工格栅31上铺设150～300mm厚碎石层32，碎石层32采用静力压实，夯实比不大于0.9；平整压实后铺设第二层土工格栅33，在第二层土工格栅33上摊铺150～300mm厚水泥稳定碎石层4，水泥稳定碎石层4采用机械摊铺碾压，压实度不低于95％。

在本发明桩承变刚度加筋垫层复合地基及其施工方法中，砂石层2刚度相对较低，原因在于其状态相对较为松散，材料的强度相对较低；加筋碎石层3刚度相对较高，原因来自于两方面，一方面是碎石材料本身，一方面是由于土工格栅31和33等加筋体对碎石的约束，使加筋碎石层3整体工作机理如同柔性梁板一样；水泥稳定碎石层4刚度最高，原因在于水泥稳定碎石层4是以级配碎石作骨料，采用一定数量的胶凝材料和足够的灰浆体积填充骨料的空隙，按嵌挤原理摊铺压实，其压实度接近于密实度，强度主要靠碎石间的嵌挤锁结原理，同时有足够的灰浆体积来填充骨料的空隙；它的初期强度高，并且强度随龄期而增加很快结成板体，因而具有较高的强度，抗渗度和抗冻性较好。

综合比较三种垫层，在同样条件下，砂石层2刚度＜加筋碎石层3刚度＜水泥稳定碎石层4刚度，因而本发明的复合地基其刚度自下而上是逐渐增加的，垫层刚度变化上分开层次，传力平稳；砂石层2与桩间土接触，充分发挥桩间土承载力，拉大桩间距，减少用桩量(一般复合地基桩间距为3～4d，d为桩径，本发明桩间距可达到5～8d，有效减少了用桩量)；加筋碎石层3刚度适中，允许变形，起到中间调节作用，既可减小路面差异沉降，又不影响加筋碎石层3协调能力的发挥；水泥稳定碎石层4因刚度大，起到了进一步减小路面差异沉降的作用。通过以上设计既可以发掘桩间土承载潜力，同时可以减小路面差异沉降，并且不受上部填土高度限制，相对于桩承堤和桩网复合地基来讲，应用上更为灵活自由，适用范围更广；本发明对路面差异沉降进行有效控制，保证了交通安全运营，极其适用于低填方路堤，适合作为粮库、油罐、堆场等构筑物5的地基处理；此外本发明刚性桩12体为预应力管桩，施工速度快，成桩质量有保证也是优点之一。本发明桩承变刚度加筋垫层复合地基的受力机理如图8所示。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的说明。

实施例一：

某场地软土厚度11m，包括淤泥、淤泥质细砂、粘土层，采用本发明设计桩长16m，采用预应力管桩，桩径400mm，间距2.5m，管桩穿过软土层进入下卧砂质粘土层5m，场地整平后铺设200mm厚砂石层2；平整压实后铺设第一层土工格栅31；在第一层土工格栅31中铺设150mm厚碎石层32；平整压实后铺设第二层土工格栅33，在第二层土工格栅33上摊铺150mm厚水泥稳定碎石层4，压实；形成桩承变刚度加筋垫层复合地基后，在上面设置填土层或直接设置面层，建造粮库、堆场等，符合设计功能要求。

在本实施例中的刚性桩复合地基层1形成过程中，管桩桩端穿过压缩性较高的土层，进入压缩性相对较低，性质良好土层，管桩与土联合承载形成复合地基。桩端持力层位置和设计桩长应根据地质资料和试桩结果确定，饱和黏土地层管桩沉桩施工时，应以设计桩长控制为主，工艺试桩确定的收锤标准或压桩力控制为辅的方法控制施工桩长。

实施例二：

在软土地区拟建高等级公路100km，设基底宽20m，假定地基处理用深层搅拌桩法，桩间距为通常的1.2m，则需用桩140万根，仅桩一项就需投资7亿元人民币；但若按本发明成果设计，在保证行车安全的情况下把桩间距适当调大，则地基处理费用即可大幅度降低。据测算，桩间距调至2.5～3.0m，可减少投资率30％～40％，同时桩体施工质量也有保证。

实施例三：

某高速公路试验段，全长148.5m，共分为四标段，四段处理方式各有不同，每个路段均设置有重点断面，并埋设了监测仪器。

试验段工程地质情况如下：

1.素填土：0～3.2米，褐黄色，很湿，主要由砂、页岩风化残积土及砂土回填组成，约含15％硬质物，土质结构疏松。

2.粉质黏土：3.20～4.30米，灰黄色，软塑，土质不均匀，局部夹薄层砂土，土质黏性较差，手感粗糙。

3.中砂：4.3～6.9米，灰白色，灰黄色，饱和松散，质较纯，局部含少量黏性土，颗粒均匀，分选性好。

4.黏土：6.9～11.80米，灰黄色，青灰色，软塑，土质较均匀，黏性好，韧性强，含少量砂。

5.粗砂：11.80～13.40米，灰黄色，饱和松散，石英颗粒不均匀，分选性差，其中孔深12.20～12.60m为淤泥质土，呈软塑状。

6.强风化炭质灰岩：13.40～14.00米，灰黑色，岩石风化强烈，裂隙极发育，岩芯呈半岩半土状或岩碎块状，手折易断，约含30％强～弱风化岩块，锤击易碎。

各标段处理形式如表2。

表2：各标段处理形式

本实施例中采用PHC管桩直径400mm，桩长11～14m，间距为2.5m，三角形布置。路堤填土高度4.5m。管桩穿过软土层进入下卧粗砂层3m，场地整平后铺设200mm厚砂石层2；平整压实后铺设第一层土工格栅31；在第一层土工格栅31中铺设150mm厚碎石层32；平整压实后铺设第二层土工格栅33，在第二层土工格栅33上摊铺150mm厚水泥稳定碎石层4，压实。形成桩承变刚度加筋垫层复合地基后，在上面填筑路堤。

在本实施例中，刚性桩复合地基层形成过程为管桩桩端穿过压缩性较高的土层，进入压缩性相对较低，性质良好土层，管桩与土联合承载形成复合地基。砂石层2其形成过程为静力压实，夯实比不大于0.9，砂石层2粒料最大粒径不大于20mm。加筋碎石层3其形成过程为铺设第一层土工格栅31、铺设碎石层32、静力压实，夯实比不大于0.9，铺设第二层土工格栅33，其中碎石最大粒径不大于37.5mm，级配良好。所述水泥稳定碎石层4其形成过程为采用机械摊铺碾压，水泥掺量为5％，碎石最大粒径不大于37.5mm，级配良好，水泥稳定碎石层4压实度不低于95％。

如图9所示，在各个标段中部各设置1个监测断面，用于对比不同处理形式的加固效果，每个监测断面设置以下监测仪器：

1.表面沉降：每个监测断面设置2组表面沉降板6，分别设在路中心和坡肩处，每组3块，分别设在4根桩对角线交点处和桩顶上。

2.土压力盒：a区、b区、d区，每个监测断面设置16只土压力盒8。土压力盒8分2层布置，分别在土工格栅31上和土工格栅31下，每层8只土压力盒8，其中2只土压力盒8布设在2根桩的桩顶上方，6只土压力盒8布设在桩之间。c区的监测断面设置32只土压力盒8，分两个区域埋设计为c1区和c2区。c1区土压力盒8分3层布置，分别布设在桩帽下、土工格栅31下和土工格栅31上，每层8只土压力盒8，其中2只土压力盒8布设在1个桩帽上(或下)，6只土压力盒8布设在桩之间；c2区土压力盒8分为1层，共8只，2只土压力盒8布设在1个桩帽上(或下)，6只土压力盒8布设在桩之间，如图10至图12所示。

3.测斜：在每个监测断面的坡角附近设置一孔测斜管7，测斜管7以进入软土层下面的硬土层1～4m或进入风化岩层，且不得短于管桩的长度。

表3：各断面土压力盒编号汇总表

试验成果分析

一、沉降分析

由于各断面表面沉降较小，沉降量一般在100mm左右，不方便对比，选取K12+469断面对表面沉降的性状作一个说明。以右桩间土的沉降为例，由图13可以看到，桩间土的沉降曲线有明显的直线段和台阶，说明沉降具有一定的间歇性。

选取K12+504、K12+540、K12+579断面绘制差异沉降曲线过程图进行对比分析，以路中为例。

由图14可以看到：和桩网复合地基K12+504及桩承堤K12+540相比，桩承变刚度加筋垫层复合地基K12+579减小差异沉降的效果最为显著，约20mm。桩承堤效果次之，桩网复合地基的效果最小，稳定后的截面差异沉降在40mm左右。因此在填土高度小于1.5m的低矮路堤中，桩承堤和桩网复合地基技术应用受限，桩承变刚度加筋垫层复合地基的优势更为明显。

二、土压力分析

选取具有代表性数据，对桩网复合地基、桩承堤、桩承变刚度加筋垫层复合地基的土压力～时间曲线进行分析。

由图15～图18可以看到土压力随加载增长。加载过程中，桩顶的土压力数据较快的增长，随后增长的速率减缓，而桩间土土压力数据在加载的前期存在明显的极值，而后逐渐减小，直至一段时间后继续缓慢增长，反映了桩土应力的一次较大调整过程。说明在加载的前期，土层由于瞬时沉降而下沉，并与管桩产生一定的错动，桩顶产生上刺入变形，加筋垫层将大部分荷载传向刚度较大的管桩上，导致土压力到达峰值后的急剧下降；由于散体材料的滚动调节作用，土层承担荷载才逐渐增加。可认为桩体的这一时期的刺入是复合地基协调作用的第一个阶段，是由于土体的瞬时沉降引起的。

土压力峰值以桩网复合地基K12+469最为显著，且出现的时间也较早，其次是K12+504断面、K12+579断面、而K12+540断面(加设桩帽断面)最不显著。说明了K12+469断面的处理方式在前期的应力调节较大，桩承堤的K12+540断面桩土应力调整在前期幅度小，说明在前期加载桩体刺入量小，桩体与桩间土同步沉降或桩体沉降大于桩间土的沉降，由于变形差较小，土体承担的荷载逐渐增加。桩承变刚度加筋垫层复合地基K12+579断面桩土应力调整幅度介于桩网复合地基和桩承堤之间。

三、桩土应力比分析

通过对桩承变刚度加筋垫层复合地基和现有技术(桩承堤和桩网复合地基)的桩土应力比进行分析，可以了解桩、土在加载过程中及满载状态下分担荷载的变化情况。

从图19可以看到：四个断面中以桩承堤的K12+540断面的桩土应力比最大，达到了53，且加载前期板顶产生应力集中，应力比大于60，远远大于一般复合地基3～20的比值，也即桩承担了大部分荷载，土的承载力发挥不足。桩网复合地基(K12+469和K12+504)桩土应力比在20左右，相对较低，土的承载力发挥较多。桩承变刚度加筋垫层复合地基(K12+579)处于桩网复合地基和桩承堤之间，桩、土荷载分配较为合理，土的承载力发挥在合理水平。

四、侧向位移分析

从测斜数据图20至图23来看，桩承变刚度加筋垫层复合地基控制路基侧向位移效果最为显著，其次是桩承堤，桩网复合地基侧向位移最大。测斜数据体现了地基的稳定性。

五、结论

本实施例中，桩承变刚度加筋垫层复合地基和现有技术(桩承堤和桩网复合地基)相比，有以下特点：

(一)桩承变刚度加筋垫层复合地基减小截面差异沉降的效果最为显著，桩承堤的效果次之，桩网复合地基效果最小。

(二)桩承堤桩土应力比最大，说明桩承担了大部分荷载，土的承载力发挥不足，导致用桩量较多。桩网复合地基桩土应力比相对较低，土的承载力发挥较多。桩承变刚度加筋垫层复合地基处于桩网复合地基和桩承堤之间，桩、土荷载分配较为合理，土的承载力发挥在合理水平，用桩量保持合理水平。

(三)桩承变刚度加筋垫层复合地基控制路基侧向位移效果最为显著，其次是桩承堤，桩网复合地基侧向位移最大。

以上特点解决了桩承堤用桩量大，填土高度受限制，桩间土承载力发挥不足，桩网复合地基路面差异沉降不易控制等问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。