用于提高软黏土堆体稳定性的排水-加筋结构及施工方法与流程

用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构及施工方法
技术领域
1.本发明属于软黏土堆填技术领域，特别是涉及一种用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构及施工方法。


背景技术：

2.《软土地区岩土工程勘察规程》(jgj83
‑
2011)中将软黏土定义为：天然孔隙比大于或等于1.0、天然含水量大于液限、具有高压缩性、低强度，高灵敏度、低透水性和高流变性，且在较大地震力作用下可能出现震陷的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。按这些工程性质结合自然地质地理环境，将我国软黏土划分为三个分布区：华北平原、环渤海湾以及东北三江平原等地区、长江中下游地区、珠江流域和云贵高原，综上可见，我国软黏土分布甚广，区域类型较多。
3.近些年，随着我国城市化进程加快和地下空间大规模开发建设，沿海沿江地区各类建筑物、构筑物、管网等地基开挖过程中产生了大量软黏土。将开挖产生的软黏土运送到受纳场进行堆填是目前我国处置此类土的主要方式。以杭州为例，目前杭州地铁建设排放的软黏土主要经过车辆运输到中站码头，再通过船舶转运到德清、长兴等附近县市20多个受纳场进行消纳填埋。由于缺乏相关国家标准，这些受纳场通常存在超高超速堆填、压实工序缺失、导排设施不完善等问题，从而导致堆体滑坡或崩塌事故时有发生。2015年12月20日，深圳光明新区红坳渣土受纳场发生滑坡事故，约270万立方米的废弃软黏土出现失稳滑动，使33栋建筑掩埋被破坏，导致77人死亡，直接经济损失8.81亿元。因此，探索科学合理的软黏土堆填技术，既能保障堆体长期安全稳定，又能完善相关国家标准。
4.在缺乏有效排水设施的软黏土堆填工程中，随着堆体不断堆高，堆体内部逐渐饱和，排水固结进程迟缓，抗剪强度增长缓慢，当出现超高超速堆填时容易达到临界破坏点而发生滑坡现象。针对该现象，解决途径主要有以下两种：1)缩短排水路径、加快固结进程、增大密实程度，提升软黏土的抗剪强度；2)采用加筋土技术，利用筋土之间摩擦咬合作用以及筋材良好抗拉性能，提高软黏土堆体的抗剪强度。目前，途径1)和途径2)共同作用的主要方法为在软黏土层中铺设复合土工排水网。然而，已有实验发现黏性土与复合土工排水网之间的界面强度很低，甚至会低于填土本身强度，加筋效果通常无法满足工程需求。其主要原因为：1)黏性土通常具有含水率高和渗透性低的特点，从而造成其排水固结慢、压实性能差、蠕变潜力大；2)土工合成材料侧限土体、承受拉伸变形的能力是通过土与土工合成材料界面上的应力传递来实现的，由于软黏土细粒含量高，与土工合成材料间的剪切性能较差。因而在软黏土上直接辅设复合土工排水网，筋土间摩擦、黏结和嵌锁作用较弱，其加固效果并不理想。
5.中国专利公开了一种移山填沟工程中黄土高填方及其施工方法(公开号：cn106193062a，公开日：20161207)，其公开了：移山填沟工程中黄土高填方由下至上依次由石灰桩复合地基层、碎石排水层和黄土层组成。其中，碎石排水层由下至上依次由复合土工膜、碎石层和三维复合排水网层叠组成；黄土层由压实黄土层和加筋黄土层由下至上层叠
组成，加筋黄土层中均匀掺杂有玻璃纤维且铺设有多层双向土工格栅。该技术方案的不足之处在于：软黏土具有含水率高、渗透性差、抗剪强度小等特点，该技术方案排水层只设置于石灰桩复合地基和土层的中间，而土层中未设置，不利于软黏土固结，因此不适用于软黏土堆填工程。
6.中国专利公开了一种道路路堤的高强钢丝网加筋材填筑结构(公开号：cn210507006u，授权日：20200512)，其包括高强钢丝网和填土，高强钢丝网的一端折弯有折角，折边预留有网面作为反包盖面；填土压实设置在高强钢丝网的网面上，反包盖面固定在填土的压实面上；高强钢丝网采用多层叠加铺设，上层的高强钢丝网铺设在下层的反包盖面上，每幅高强钢丝网都通过绞合钢丝绞边连接；从底部往上数第二或第三层高强钢丝网上设置有碎石排水层。该技术方案的不足之处在于：软黏土具有含水率高、渗透性差、抗剪强度小等特点，碎石排水层设置于从底部往上数第二或第三层高强钢丝网上，其余高强钢丝网上未设置，不利于软黏土堆体内部固结排水，因此不适用于软黏土堆填工程。
7.中国专利公开了格栅网管联合粗粒料深层加固软质边坡的结构及施工方法(公开号：cn110952571b，授权日：20210427)，该结构包括空心网管状的格栅网管和设置在其内部的土工管袋，土工管袋的内部填充粗粒料。该技术方案的不足之处在于：格栅网管直接与软黏土接触，由于软黏土一般细粒含量和含水率高，因此与格栅网管之间界面抗剪强度较低，不利于边坡的稳定。


技术实现要素：

8.针对以上技术问题，本发明提出一种用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构及施工方法。
9.一种用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构，所述排水
‑
加筋结构与软黏土堆体的软黏土层依次堆叠，且顺坡向与软黏土堆体的软黏土层所在的水平面间设有倾角；所述排水
‑
加筋结构包括排水层和抗拉透水层，抗拉透水层设置在排水层内，且排水层的一侧设有排水沟。
10.所述排水层包括上细粒土层、粗粒土层和下细粒土层，上细粒土层与上部的软黏土层相接触，下细粒土层与下部的软黏土层相接触；所述抗拉透水层包括上加筋层和下加筋层，上加筋层设置在上细粒土层和粗粒土层之间，粗粒土层设置在上加筋层和下加筋层之间，下加筋层设置在粗粒土层和下细粒土层之间；所述排水沟位于下细粒土层的一侧，且排水沟与下细粒土层相连通。
11.所述上细粒土层和下细粒土层均采用细砂或粉土填料填充而成，所述粗粒土层采用中
‑
粗砂或细
‑
中砾填料填充而成。
12.所述上加筋层和下加筋层均采用具有良好抗拉性能和透水性能的土工格栅或土工格室材料制成。
13.所述上细粒土层和下细粒土层的厚度的计算公式均为：
[0014][0015]
式中，h
fl
表示上细粒土层(2
‑
1)和下细粒土层(2
‑
2)的厚度，d
si
表示软黏土堆体中第i层排水
‑
加筋结构中剪切带的厚度。
[0016]
所述第i层排水
‑
加筋结构中剪切带的厚度d
si
根据筋材拉拔过程筋土界面剪应力分布曲线中剪应力不小于峰值界面剪应力5％的区间进行确定，所述筋土界面剪应力分布曲线的公式为：
[0017][0018]
式中，τ表示筋土界面剪应力；p表示排水
‑
加筋结构的上覆荷载；z表示计算点距上加筋层或下加筋层的距离，向上为正值，向下为负值。
[0019]
所述粗粒土层厚度的计算公式如下：
[0020][0021]
式中，h
ci
表示第i层排水
‑
加筋结构中粗粒土层的厚度，k表示软黏土竖向渗透系数，b表示粗粒土层的宽度，l表示粗粒土层的长度，k
c
表示粗粒土层填料的横向渗透系数。
[0022]
所述倾角的确定公式如下：
[0023][0024]
式中，s
i
表示软黏土堆体中第i层排水
‑
加筋结构之下土层的沉降量，l
i
表示第i层排水
‑
加筋结构与软黏土堆体的坡面交点处至坡顶平台的水平距离，γ表示软黏土层(1)的重度，q表示软黏土堆体的坡顶平台的外加荷载，e
s
表示软黏土压缩模量，α表示软黏土堆体整体坡度，θ
i
表示第i层排水
‑
加筋结构的倾角，n表示软黏土堆体中排水
‑
加筋结构的层数，h
i
表示第i层软黏土层(1)的厚度。
[0025]
一种采用如上所述的用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构的软黏土堆体的施工方法，包括如下步骤：
[0026]
s1，在平整的场地上铺设下细粒土层；
[0027]
s2，在下细粒土层上铺设下加筋层；
[0028]
s3，在下细粒土层和下加筋层的靠近坡面的一侧设置排水沟，连通下细粒土层和排水沟；
[0029]
s4，在下加筋层上铺设粗粒土层；
[0030]
s5，在粗粒土层上铺设上加筋层；
[0031]
s6，在上加筋层上铺设上细粒土层；
[0032]
s7，在上细粒土层上铺设软黏土层；
[0033]
s8，根据软黏土堆体的层数要求，按照步骤s1
‑
s7的方法从下至上依次铺设每层的排水
‑
加筋结构和软黏土层。
[0034]
本发明的有益效果：本发明能够使软黏土堆体缩短排水路径，进而加快排水固结，从而提高软黏土的抗剪强度；能够增强筋土界面的摩擦强度，从而充分发挥加筋层的抗拉性能；能够使软黏土堆体内部应力分布更加均匀，从而减小软黏土堆体的不均匀沉降，显著提升软黏土堆体的整体稳定性能。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为排水
‑
加筋结构的倾角的示意图。
[0037]
图2为排水
‑
加筋结构的结构示意图。
[0038]
图3为筋土界面剪应力分布曲线的示意图。
[0039]
图4为软黏土堆体的结构示意图。
[0040]
图中，1为软黏土层，2
‑
1为上细粒土层，2
‑
2为下细粒土层，3
‑
1为上加筋层，3
‑
2为下加筋层，4为粗粒土层，5为排水孔，6为排水沟。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例1：一种用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构，如图4所示，所述软黏土堆体中包含若干层软黏土层1，每层软黏土层1的下部均设有排水
‑
加筋结构；如图1所示，所述排水
‑
加筋结构与软黏土堆体的软黏土层依次堆叠，且顺坡向与水平面间设有一定的倾角；每个排水
‑
加筋结构均包括排水层和抗拉透水层，抗拉透水层设置在排水层的内部，且排水层的一侧设有排水沟6，排水沟6用于收集并排出软黏土中的水分。所述排水
‑
加筋结构的设置能够显著提升软黏土堆体的整体稳定性能，这主要从以下三个方面来体现：首先，能够使软黏土堆体缩短排水路径，加快排水固结，从而提高软黏土的抗剪强度；其次，能够增强筋土界面的摩擦强度，从而充分发挥抗拉透水层的抗拉性能；最后，能够使软黏土堆体的内部应力分布更加均匀，从而减小软黏土堆体的不均匀沉降。
[0043]
如图2所示，所述排水层均包括上细粒土层2
‑
1、粗粒土层4和下细粒土层2
‑
2，上细粒土层2
‑
1与上部的软黏土层1相接触，下细粒土层2
‑
2与下部的软黏土层1相接触；所述抗拉透水层包括上加筋层3
‑
1和下加筋层3
‑
2，上加筋层3
‑
1设置在上细粒土层2
‑
1和粗粒土层4之间，粗粒土层4设置在上加筋层3
‑
1和下加筋层3
‑
2之间，下加筋层3
‑
2设置在粗粒土层4和下细粒土层2
‑
2之间；所述排水沟6位于下细粒土层2
‑
2的一侧，且排水沟6与下细粒土层2
‑
2相连通；排水沟6的一侧设有排水孔5，下细粒土层2
‑
2通过排水孔5与排水沟6连通；所述排水沟6的侧面高度与对应的下加筋层3
‑
1和下细粒土层2
‑
2的高度相匹配，以方便粗粒土层4中的水分侧排，排水沟6的底部与下细粒土层2
‑
2的底部相匹配，便于下细粒土层中的水分均匀导流排出。上细粒土层2
‑
1和下细粒土层2
‑
2主要用于竖向导流从软黏土层1中排出的水分，同时还可以阻止软黏土层1中的软黏土颗粒进入到粗粒土层4中造成粗粒土层4的堵塞。粗粒土层4主要用于将上细粒土层2
‑
1中排出的水分侧向导流至排水沟6中，便于水分排出。上加筋层3
‑
1和下加筋层3
‑
2主要用于提高软黏土堆体的整体刚度和整体强度，从而减小软黏土堆体的不均匀沉降，增强软黏土堆体的稳定性。
[0044]
所述上细粒土层2
‑
1和下细粒土层2
‑
2均采用细砂或粉土填料填充而成，所述粗粒土层4采用中
‑
粗砂或细
‑
中砾填料填充而成。所述上加筋层3
‑
1和下加筋层3
‑
2均采用具有良好抗拉性能和透水性能的土工格栅或土工格室材料制成，由于上加筋层3
‑
1和下加筋层3
‑
2设置在细粒土层与粗粒土层之间界面处，相比于设置在软黏土层1中的传统方式，能够显著提高筋土界面抗拉拔力，使筋土界面摩擦强度和加筋层的抗拉强度相匹配，防止加筋层在软黏土堆体中发生拔出破坏。
[0045]
所述上细粒土层2
‑
1和下细粒土层2
‑
2的厚度均应至少大于筋土界面剪切带厚度的一半，其中，剪切带是指拉拔时加筋层和细粒土层或加筋层和粗粒土层接触面的变形厚度，因此，上细粒土层2
‑
1和下细粒土层2
‑
2的厚度的计算公式均为：
[0046][0047]
式中，h
fl
表示上细粒土层2
‑
1和下细粒土层2
‑
2的厚度，d
si
表示软黏土堆体中第i层排水
‑
加筋结构中剪切带的厚度，本实施例中，剪切带的厚度d
si
取上剪切带的厚度。
[0048]
所述第i层排水
‑
加筋结构中剪切带的厚度d
si
根据筋材拉拔过程筋土界面剪应力分布曲线中剪应力不小于峰值界面剪应力5％的区间进行确定，如图3所示，筋土界面剪应力分布曲线以上加筋层为中轴，类似于正态分布，由于正态分布一般以95％为置信水平，因本文界面剪应力只落在曲线上，因此取峰值界面剪应力的5％为界限，不小于峰值界面剪应力5％的区间为置信区间，即为剪切带厚度的取值范围。
[0049]
所述筋土界面剪应力分布曲线的公式为：
[0050][0051]
式中，τ表示筋土界面剪应力；p表示排水
‑
加筋结构的上覆荷载；z表示计算点距上加筋层3
‑
1的距离，向上为正值，向下为负值，也即是指以上加筋层为0轴，向上为正方向，向下为负方向，距加筋材料正负0.40m范围内的不同z值(每一个z值所对应的点即为计算点)的界面剪应力。
[0052]
所述粗粒土层4的厚度应至少满足水分侧向导流所需，因此粗粒土层4的厚度根据以下公式进行确定：
[0053][0054]
式中，h
ci
表示第i层排水
‑
加筋结构中粗粒土层4的厚度，k表示软黏土竖向渗透系数，b表示粗粒土层4的宽度，l表示粗粒土层4的长度，本实施例中，取粗粒土层的顶部的长度为计算长度，k
c
表示粗粒土层4填料的横向渗透系数。
[0055]
所述倾角是指排水
‑
加筋结构顺坡向与水平方向之间的夹角，需满足水分侧向导流所需，倾角的计算公式如下：
[0056]
[0057]
式中，s
i
表示软黏土堆体中第i层排水
‑
加筋结构之下土层的沉降量，l
i
表示第i层排水
‑
加筋结构与软黏土堆体的坡面交点处至坡顶平台的水平距离，γ表示软黏土层1的重度，q表示软黏土堆体的坡顶平台的外加荷载，e
s
表示软黏土压缩模量，α表示软黏土堆体的整体坡度，θ
i
表示第i层排水
‑
加筋结构的倾角，n表示软黏土堆体中排水
‑
加筋结构的层数，h
i
表示第i层软黏土层1的厚度。
[0058]
如下，以我国某地区基坑开挖产生的软黏土为例，其基本特性如表1所示。软黏土堆填高度为5.0m，堆填坡度为1:3，坡顶平台的长度2m，则软黏土堆体的坡底宽长度约为17m，坡顶平台无外加荷载。排水
‑
加筋结构从下到上共设置为5层，则每层软黏土层1的厚度为1.0m。细粒土层填料采用级配良好的细砂，粗粒土层填料采用洁净的粗砂，加筋层采用具有良好抗拉性能和透水性能的土工格栅。其中，粗砂的横向饱和渗透系数为5
×
10
‑5m/s。
[0059]
表1软黏土基本特性
[0060][0061]
两个细粒土层厚度的确定：根据软黏土的天然密度，5层排水
‑
加筋结构从下到上所受上覆荷载分别为84.5kpa、67.6kpa、50.7kpa、33.8kpa、16.9kpa。根据筋土界面剪应力分布曲线公式计算得到如图3所示的筋土界面剪应力分布曲线，则剪应力的峰值分别为27.46pa、24.30pa、19.86pa、14.90pa、9.65pa。剪切带的判定标准筋土界面剪应力分布曲线中剪应力值不小于峰值界面剪应力的5％，即为1.373pa、1.215pa、0.993pa、0.745pa、0.483pa。因此从下到上剪切带厚度为0.12m、0.22m、0.55m、0.68m和0.74m；因细粒土层厚度应至少大于筋土界面剪切带厚度的一半，则从下到上5层排水
‑
加筋结构的细粒土层厚度应不小于0.06m、0.11m、0.28m、0.34m和0.37m。
[0062]
粗粒土层的厚度确定：粗粒土层厚度只与软黏土的渗透系数、计算长度以及粗砂的渗透系数相关，则5层排水
‑
加筋结构从下到上计算长度l分别为17m、14m、11m、8m和5m，粗粒土层厚度从下到上分别为0.19m、0.16m、0.13m、0.09m和0.06m。
[0063]
排水
‑
加筋结构的倾角θ确定：根据软黏土的天然密度，5层排水
‑
加筋结构从下到上所受上覆均布荷载分别为84.5kpa、67.6kpa、50.7kpa、33.8kpa、16.9kpa。从下到上第1层排水
‑
加筋结构因铺设在地基上，则倾角θ1为0
°
。其余4层排水
‑
加筋结构下土层的变形量分别为0.124m、0.217m、0.279m和0.310m。排水
‑
加筋结构与坡面交点处至均布荷载与竖直三角形分布荷载交点处的长度l分别为12m、9m、6m和3m，计算得到4层排水
‑
加筋结构的倾角θ均不小于0.59
°
、1.38
°
、2.66
°
、5.90
°
，分别取为0.60
°
、1.40
°
、2.70
°
和5.90
°
。
[0064]
综上所述，5层排水
‑
加筋结构的细粒土层厚度、粗粒土层厚度以及倾角取值分别如表2所示。
[0065]
表2排水
‑
加筋结构参数取值
[0066][0067]
实施例2：一种采用如实施例1所述的用于提高软黏土堆体稳定性的排水
‑
加筋结构的软黏土堆体的施工方法，包括如下步骤：
[0068]
s1，在平整的场地上铺设级配良好的细砂形成下细粒土层2
‑
2，下细粒土层2
‑
2的厚度和倾角如实施例1中的表2所示。
[0069]
s2，在下细粒土层2
‑
2上铺设一层具有良好抗拉性能和透水性能的土工格栅形成下加筋层3
‑
2。
[0070]
s3，在下细粒土层2
‑
2和下加筋层3
‑
2接近坡面的一侧设置排水沟6，连通排水沟6和下细粒土层2
‑
2；
[0071]
排水沟6可根据《水土保持工程设计规范》(gb51018
‑
2014)确定：排水沟宜采用梯形或矩形断面，排水沟断面的底宽和深度不宜小于0.40m。梯形排水沟的内坡宜采用1:1.0～1:1.5。排水沟与下细粒土层的相连处设置直径为50mm的排水孔5，利于下细粒土层底部积水及时、顺利地排入排水沟。
[0072]
s4，在下加筋层3
‑
2上铺设粗砂形成粗粒土层4，粗粒土层4的厚度和倾角如实施例1中的表2所示。
[0073]
s5，在粗粒土层4上再铺设一层具有良好抗拉性能和透水性能的土工格栅形成上加筋层3
‑
1。
[0074]
s6，在已铺设好的上加筋层3
‑
1上铺设一层级配良好的细砂形成上细粒土层2
‑
1，上细粒土层2
‑
1的厚度和倾角与步骤s1中的下细粒土层2
‑
2的厚度和倾角相同；
[0075]
下细粒土层、下加筋层、粗粒土层、上加筋层和上细粒土层从下至上依次铺设形成铺设好的排水
‑
加筋结构。
[0076]
s7，在上细粒土层2
‑
1上铺设1m厚的软黏土形成软黏土层1。
[0077]
s8，根据排水
‑
加筋结构的层号改变上细粒土层、粗粒土层、下细粒土层的厚度和倾角依次铺设每层的加筋结构和软黏土层，直至软黏土堆体达到设计标高。
[0078]
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。