一种软土地基排水固结结构和方法与流程

1.本发明用于软土地基处理领域，特别是涉及一种软土地基排水固结结构和方法。


背景技术：

2.常见的软土地基处理方法有排水固结法和水泥土搅拌桩复合地基工艺。其中，排水固结法为了加快排水固结过程，需要在地基中设置竖向(垂直)和水平向排水体。其原理是，通过设置塑料排水板、袋装砂井等竖向排水体，缩短排水距离，在路基堆载、真空预压等荷载作用下，软土地基中的孔隙水从竖向排水体中排出地表，再沿着中粗砂垫层等水平向排水体向两侧排出，土体发生固结沉降，强度和承载力都有所提高。但其工期长，工后沉降不易控制在规范允许范围。
3.水泥土搅拌桩复合地基的原理是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥固化土桩体，从而增大地基土强度和变形模量。根据固化剂掺入状态的不同，可分浆液搅拌和粉体喷射搅拌两种。工程中应用得较多的是浆液搅拌工艺。普通单轴水泥搅拌桩处理深度一般不超18m；单轴双向水泥搅拌桩在成桩质量稳定可靠的前提下，一般处理深度为20m左右。
4.近些年来，出现了将水泥土搅拌桩和排水固结法联合应用的工艺，这种工艺兼具排水固结和复合地基的一些优点。但根据现有的水泥土搅拌桩和排水固结法联合应用处理软土地基工艺的原理，以及工程实践效果，可以发现存在以下不足：深厚软基(软土处理厚度大于20米的地基)的工后沉降仍然偏大，不能有效控制在规范允许范围。虽然通过在地基上部设置水泥搅拌桩，减少地基总沉降，但桩端以下软土层的排水距离是不变的；对于软土厚度超过20米的情况，由于孔隙水排水距离长，不易排出地表，孔压难以消散，地基深部的软土固结效果还是较差的。即便增加堆载预压时间，也无法有效解决工后沉降偏大的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种软土地基排水固结结构和方法，其能够减少地基总沉降，有效解决深厚软基工后沉降偏大的问题，操作简单，利于推广应用，降低成本。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.第一方面，一种软土地基排水固结结构，所述软土地基包括排水固结层和复合层，所述排水固结层位于所述复合层的顶部，所述软土地基的底部设有持力层，其特征在于，所述软土地基排水固结结构包括：砂垫层、堆载、多个竖向排水体和桩体，多个所述桩体间隔分布于所述复合层中，并沿竖向伸入所述持力层中，多个所述竖向排水体间隔分布于所述排水固结层中，并沿竖向伸入所述复合层，以插入所述桩体中或相邻两个所述桩体之间，所述砂垫层安装于所述排水固结层的顶部，所述堆载位于所述砂垫层的顶部。
8.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述软土地基的厚度为h，所述竖
向排水体的长度为l1，所述桩体的长度为l2，所述桩体的直径为d，所述竖向排水体伸入所述复合层的深度为l3，
9.(1)当18m＜h≤20m时,l1＝16m,l2＝h
‑
l1 l3 2d；
10.(2)当20m＜h≤25m时,l1＝18m,l2＝h
‑
l1 l3 2d；
11.(3)当25m＜h时,l1＝20m,l2＝h
‑
l1 l3 2d。
12.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，当18m＜h≤20m时,所述桩体采用单轴双向水泥搅拌桩；当20m＜h≤25m时,所述桩体采用单轴双向水泥搅拌桩或素砼桩；当25m＜h时，所述桩体采用素砼桩。
13.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述竖向排水体伸入所述复合层的深度l3为1m。
14.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述砂垫层的顶部设有双向拉伸土工格栅，所述堆载通过所述双向拉伸土工格栅安装于所述砂垫层的顶部。
15.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述桩体的直径d为50～60cm，相邻两个所述桩体间的距离d为所述桩体的直径d的3～5倍。
16.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，相邻两个所述桩体之间的距离相等，所述桩体呈正方形或正三角形布置。
17.结合第一方面和上述实现方式，在第一方面的某些实现方式中，所述竖向排水体包括塑料排水板。
18.第二方面，一种软土地基排水固结方法，采用第一方面任一项所述的软土地基排水固结系统，包括以下步骤：
19.整平软土地基的表面；
20.在软土地基的复合层处设置桩体，并使所述桩体的底部伸入持力层中；
21.在软土地基的表面铺设砂垫层；
22.在所述软土地基的排水固结层处设置竖向排水体，并使所述竖向排水体的底部伸入所述复合层中，以插入所述桩体中或相邻两个所述桩体之间；
23.在所述砂垫层的顶部放置堆载进行预压；
24.卸载所述堆载。
25.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，还包括在所述砂垫层的顶部铺设双向拉伸土工格栅，再在所述双向拉伸土工格栅的顶部放置所述堆载，所述堆载包括土堆和/或砂堆。
26.上述技术方案中的一个技术方案至少具有如下优点或有益效果之一：该技术方案的软土地基排水固结结构和方法所发生的地基沉降主要发生于软土地基的排水固结层，相对于深厚软土地基而言，固结更为充分，可有效解决常规排水固结工艺、长板短桩工艺处理深厚软土带来的工后沉降偏大的问题，且操作简单，利于推广应用，降低成本。
附图说明
27.下面结合附图对本发明作进一步说明：
28.图1是本发明一个实施例软土地基排水固结结构的结构示意图；
29.图2是图1所示一个实施例桩体呈正方形分布的平面示意图；
30.图3是图1所示一个实施例桩体呈三角形分布的平面示意图。
具体实施方式
31.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
32.本发明中，如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，其仅是为了便于描述本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的技术特征必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.本发明中，“若干”的含义是一个或者多个，“多个”的含义是两个以上，“大于”“小于”“超过”等理解为不包括本数；“以上”“以下”“以内”等理解为包括本数。在本发明的描述中，如果有描述到“第一”“第二”仅用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本发明中，除非另有明确的限定，“设置”“安装”“连接”等词语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型；可以是机械连接，也可以是电连接或能够互相通讯；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
35.参见图1至图3，本发明的实施例提供了一种软土地基排水固结结构，软土地基1包括排水固结层和复合层，排水固结层位于复合层的顶部，软土地基1的底部设有持力层2。软土地基1排水固结结构包括：砂垫层3、堆载4、多个竖向排水体5和桩体6，多个桩体6间隔分布于复合层中，并沿竖向伸入持力层2中。多个竖向排水体5间隔分布于排水固结层中，并沿竖向伸入复合层，以插入桩体6中或相邻两个桩体6之间。砂垫层3安装于排水固结层的顶部，通过砂垫层3的设置，有利于水体的排出。堆载4位于砂垫层3的顶部，可采用堆载4预压的方式实现排水固结，当地基满足强度要求后，即可卸载。
36.该技术方案在单向排水的条件下，软土地基1固结从上至下发生。随着固结的进行，软土强度和压缩模量提高，荷载扩散效应增大，导致桩端平面的附加应力减小，从而减少软土刺入量。通过将桩体6设置在复合层处，也即软土地基1的底部，不存在常规桩基础的中性点问题，软土地基1荷载对桩体6顶部产生的附加应力小于传统的悬浮桩或长板短桩桩端平面处的附加应力，可大大减少桩端产生的软土刺入量，有利于减少路基总沉降。
37.此外，通过将竖向排水体5伸入复合层中的桩体6间，桩体6间不采用横向排水通道的方式，当软土地基1发生沉降，桩体6的顶部刺入软土时，通过桩体6侧边的摩阻力可抵消部分的桩顶附加应力。再通过调整桩体6之间的间距，可形成土拱效应，使得堆载4施加于桩间土的附加应力大为减少，在只能竖向排水的条件下，复合层的桩间土在竖向上排水距离长，几乎不发生固结沉降，故软土刺入量与桩体6的压缩变形量可视为整个复合层的压缩沉降量。
38.再通过将桩体6伸入持力层2中，持力层2具有较高的承载力，桩体6无法对持力层2
产生刺入量，可将地基总沉降量缩减为排水固结层的固结沉降与软土刺入量、桩体6自身压缩变形量之和，相对于传统的软地基处理方法，可有效减少地基总沉降量。该技术方案的软土地基1排水固结结构所发生的地基沉降主要发生于软土地基1的排水固结层，相对于深厚软土地基1而言，固结更为充分，可有效解决常规排水固结工艺、长板短桩工艺处理深厚软土带来的工后沉降偏大的问题。
39.更进一步地，参见图1，软土地基1的厚度为h，竖向排水体5的长度为l1，桩体6的长度为l2，桩体6的直径为d，竖向排水体5伸入复合层的深度为l3，
40.(1)当18m＜h≤20m时,l1＝16m,l2＝h
‑
l1 l3 2d；
41.(2)当20m＜h≤25m时,l1＝18m,l2＝h
‑
l1 l3 2d；
42.(3)当25m＜h时,l1＝20m,l2＝h
‑
l1 l3 2d。
43.更进一步地，桩体6包括单轴双向水泥搅拌桩和素砼桩，桩身压缩模量大，桩身具有不可压缩性，避免桩体6产生沉降及压缩。当18m＜h≤20m时,桩体6采用单轴双向水泥搅拌桩；当20m＜h≤25m时,桩体6采用单轴双向水泥搅拌桩或素砼桩；当25m＜h时，桩体6采用素砼桩，满足刚性要求，且降低成本。
44.参见图1，在一些实施例中，竖向排水体5伸入复合层的深度l3为1m，可避免复合层的桩间土进行横向排水，尽量使复合层不发生固结沉降，减少地基的沉降量。可以理解的是，竖向排水体5伸入复合层的深度l3可根据实际情况进行合理增减，在此不做限定。
45.更进一步地，桩体6的直径d为50～60cm，相邻两个桩体6间的距离d为桩体6的直径d的3～5倍，通过适当调整两桩体6间的距离，以形成土拱效应，使得堆载4施加于桩间土的附加应力大为减少，以减少桩体6对软土的刺入量，有效减少路基的总沉降量。
46.参见图2和图3，在一些实施例中，相邻两个桩体6之间的距离相等，桩体6呈正方形或正三角形布置。
47.在一些实施例中，竖向排水体5包括塑料排水板，塑料排水板可采用a型或b型，有利于在软土地基1中进行竖向排水工作。
48.参见图1，在一些实施例中，砂垫层3的顶部设有双向拉伸土工格栅7，堆载4通过双向拉伸土工格栅7安装于砂垫层3的顶部，双向拉伸土工格栅7在竖向和水平方向上都具有较大的拉伸强度，适用于地基补强和平均分布荷载，有利于堆载4预压工作的顺利进行。
49.在一些实施例中，桩体6的顶部保持在同一标高，有利于施工的高效、标准化进行。
50.在一些实施例中，素砼桩采用细石混凝土材料制造，并采用长螺旋钻孔内泵压或振动沉管成桩工艺，具有较强的刚性，压缩模量可大于20000mpa，桩身具有不可压缩性。
51.本发明还提供了一种软土地基1排水固结方法，包括以下步骤：
52.整平软土地基1的表面，可通过铺设一定厚度的路基土、素填土等硬化场地，便于放置施工设备。
53.在软土地基1的复合层处设置桩体6，并使桩体6的底部伸入持力层2中。具体地，根据需处理的软土地基1厚度，确定桩体6的类型、桩体6的长度l2、桩体6的直径d、桩间距d等，即可通过桩机钻入预定深度后安装桩体6。
54.在软土地基1的表面铺设砂垫层3；
55.在软土地基1的排水固结层处设置竖向排水体5，并使竖向排水体5的底部伸入复合层中，以插入桩体6中或相邻两个桩体6之间。具体地，根据需处理的软土地基1厚度，确定
竖向排水体5的型号、长度l1和间距等参数，即可进行安装。可以理解的是，排水件之间的距离可控制在1～1.2m之间，具体地，当桩体6呈正方形布置时，参见图2，沿水平向布置的两相邻数量排水件间的距离可为d/2；当桩体6呈正三角形布置时，参见图3，沿水平向布置的两相邻数量排水件间的距离可对应为d/2和
56.在砂垫层3的顶部放置堆载4进行预压；
57.卸载堆载4。
58.该技术方案的软土地基1排水固结方法能够减少地基总沉降，有效解决深厚软基工后沉降偏大的问题，且操作简单，利于推广应用，降低成本。
59.更进一步地，软土地基1排水固结方法还包括在砂垫层3的顶部铺设双向拉伸土工格栅7，再在双向拉伸土工格栅7的顶部放置堆载4，堆载4包括土堆和/或砂堆。
60.在一些实施例中，砂垫层3的厚度为50～60cm，砂垫层3分两层进行铺设，具有较好的排水性。可以理解的是，砂垫层3为中粗砂垫层3。
61.在本说明书的描述中，参考术语“示例”、“实施例”或“一些实施例”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。
62.当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。