一种利用袋装砂井加固软土地基的方法与流程

1.本技术属于地基加固技术领域，具体涉及一种利用袋装砂井加固软土地基的方法。


背景技术：

2.路基是由填筑或开挖而形成的直接支承轨道的结构，也叫线路下部结构。路基与桥梁、隧道相连，共同构成线路。在进行路基的施工前，必需根据需要对软土地基(我国公路行业规范对软土地基的定义是指强度低，压缩量较高的软弱土层，多数含有一定的有机物质。由于软土强度低，沉隐量大，往往给道路工程带来很大的危害，如处理不当，会给公路的施工和使用造成很大影响)进行加固，以提高软土地基土壤的强度、承载力和稳定性。一般软粘土的结构呈蜂窝状或絮状，在固体颗粒周围充满水，受到应力作用时，土体中孔隙水慢慢排出，孔隙体积变小而发生体积压缩，常称之为固结。由于粘土的孔隙率很细小，因此这一过程是非常缓慢的，一般粘土的渗透系数很小，为10-7
～10-9
cm/s，而砂的渗透系数介于10-2
～10-3
cm/s，两者相差很大。因此当地基粘土层厚度很大时，采用常规的堆载预压法而不改变粘土层的排水边界条件，粘土层固结将十分缓慢，地基土的强度增长过慢而不能快速堆载，使预压时间很长，而且还存在地基强度差、承载力差、以及地基容易沉降等问题。


技术实现要素：

3.本技术实施例通过提供一种利用袋装砂井加固软土地基的方法，解决了现有技术中地基强度差、承载力差、以及地基容易沉降等问题。
4.本发明实施例提供了一种利用袋装砂井加固软土地基的方法，包括以下步骤：
5.整平设定区域待施工的原地面，然后铺设透水性下砂垫层；
6.设置砂井的孔位、深度、直径和间距，将井管沉入地下，在所述井管内放入圆柱形的砂袋，使所述砂袋上端高出所述下砂垫层，然后拔起井管，砂袋充填在孔中并形成所述砂井，然后铺设透水性上砂垫层；
7.每隔200m设置一个观测断面，在所述观测断面设置沉降观测板和位移观测边桩；
8.在上砂垫层进行路堤土方的填筑，根据水平位移速率和沉降速率控制所述路堤土方的填筑速率；
9.所述水平位移速率和沉降速率超出设定值时，停止所述路堤土方的填筑，待恢复到所述设定值以下再进行填筑；所述下砂垫层、砂井、上砂垫层、以及路堤土方形成路堤；
10.所述路堤土方填筑完毕后采用超载预压法处理所述路堤，使其达到稳定状态。
11.在一种可能的实现方式中，所述上砂垫层和下砂垫层均包括多个砂垫分层，所述砂垫分层包括厚度为30cm的下砂垫分层和厚度为20cm的上砂垫分层；
12.铺设上砂垫层和下砂垫层时，对上砂垫层和下砂垫层均采用分层压实的方式，并使上砂垫层和下砂垫层的铺设宽度均大于原地面底宽。
13.在一种可能的实现方式中，所述砂井的直径7～12cm，砂井的间距1.5～2.0m，砂井
的井砼比为15～25。
14.在一种可能的实现方式中，所述沉降速率不得大于15mm/d，所述水平位移速率不得大于20mm/d，所述路堤土方的填筑速率不得大于0.5m/d。
15.在一种可能的实现方式中，所述上砂垫层和下砂垫层的两侧铺设有干砌片石。
16.在一种可能的实现方式中，所述上砂垫层铺设完毕后，将路堤的底面两侧进行加宽；路堤底面一侧的加宽量
△
d＝ms，其中m为路堤的设计边坡值，s为路堤的设计坡值。
17.在一种可能的实现方式中，所述位移观测边桩埋置深度在地表以下1.4m，位移观测边桩的桩顶露出地面10cm，位移观测边桩的桩身周围以150号砼浇筑固定。
18.在一种可能的实现方式中，所述沉降观测板的数量为一个，所述沉降观测板位于线路中心；所述位移观测边桩的数量为四个，四个所述位移观测边桩分别位于路堤两侧坡脚外2m和12m处。
19.在一种可能的实现方式中，所述砂井施工完毕后，在砂层上铺设土工格栅，所述土工格栅的延伸方向垂直于线路的中线，土工格栅铺设前将砂层表面压实；然后在土工格栅上铺设所述上砂垫层。
20.在一种可能的实现方式中，所述土工格栅采用聚丙烯材料，土工格栅幅宽2～18m，重量在0.1kg/m2以上，渗透系数k≥10-2cm/s，抗拉强度为10～30kn/m。
21.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
22.本发明实施例提供了一种利用袋装砂井加固软土地基的方法，通过设置砂井，也即采用砂井排水堆载预压法，系在软弱地基中打设袋装砂井作为竖向排水通道，在砂垫层上部压载以增加附加应力，附加应力产生超静水压力，使土体中孔隙水较快地通过砂井砂垫层排出，以达到加速土体固结、提高地基土强度的目的；上砂垫层和下砂垫层连接各个砂井形成通畅的排水面，从而将水排到场地以外；通过随时监控沉降、位移，能够保证路堤填筑过程的安全性和施工质量；采用本发明的方法可加速饱和软粘土的排水固结，使沉降及早完成和稳定，同时可大大提高地基的抗剪强度和承载力，防止基土滑动破坏，完工后的路基沉降量小，经济效益好，材料用量少，施工进度快，工程造价低，利于组织平行施工，不受场地限制。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例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。
24.图1为本发明实施例提供的利用袋装砂井加固软土地基的剖面结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的利用袋装砂井加固软土地基的方法流程图。
26.附图标记：1-下砂垫层；2-砂井；3-上砂垫层；4-沉降观测板；5-位移观测边桩；6-路堤土方；7-干砌片石；8-土工格栅；9-临时超载填土。
具体实施方式
27.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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做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。
28.在本发明实施例的需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件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。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
29.如图1和图2所示，本发明实施例提供的利用袋装砂井加固软土地基的方法，包括以下步骤：
30.整平设定区域待施工的原地面，然后铺设透水性下砂垫层1；施工前可在路基两侧5m处挖宽3m、深2m的水沟，用于排水及降低路基区水位。本实施例所述的原地面是指设定区域的施工地面。
31.设置砂井2的孔位、深度、直径和间距，并按照砂井2的布局将井管沉入地下，在井管内放入圆柱形的砂袋，使砂袋上端高出下砂垫层1，然后拔起井管，砂袋充填在孔中并形成砂井2，然后铺设透水性上砂垫层3。
32.井管沉入地下时，用振动、锤击的方式把井管沉下地下，井管沉入时定位要准确，保证砂井2具有较好的垂直度，确保排水距离与理论计算一致。砂袋入井时，用桩架吊起砂袋垂直下井，防止砂袋发生扭结、缩短、断裂或者砂袋磨损的问题，拔出井管时注意垂直起吊，防止带出或损坏砂袋。
33.砂井2施工步骤主要包括测量放样：根据施工流水线，对需施打的袋装砂井2用皮尺放出每根施打的位置，插上小竹条或硬胶条做好标记。装砂袋：装砂机可采用可装配式钢管杆件搭设四方支架，中间设滑轮，由卷扬机通过滑轮吊起装砂料斗，在料斗底部设置出料钢管，然后将砂袋套入出料钢管口进行装砂，砂袋必须采用机械灌砂和人工辅助抖实。机器就位：左右或上下移动机器，使袋装砂井2机钢套管对准位置，由工人合拢钢套管底活瓣准备沉管。打入钢套管：机器就位后，立即闭合振动锤电路，利用振动锤的动力将钢套管沉至设计深度为止，打入钢套管应垂直不得弯曲。放入砂袋：钢套管沉入设计深度后，先加入少许水后将砂袋一头用袋装砂井2机的钢丝绳绑起放入钢套管内，砂袋放入后加少许水防止砂袋回带。拔出钢套管：当砂袋放入钢套管加水后开始拔出钢套管，直至钢套管离开地面，然后移到下一个井位，进行下一根袋装砂井2施工。移机埋设砂袋头：施工完毕后应将砂袋头留出砂面方便监理工程师进行隐蔽工程检查。
34.更具体地，步骤(21)：根据地下土质类型，参考设计图纸和类似于该土质类型的工程实例及施工参数，确定相邻沙井2的孔位和间距；步骤(22)：构建加固模型，通过加固模型计算砂井2的深度和直径：建立以沙井2的孔位和间距为输入量的加固数学模型；并结合步骤(21)得到最优的沙井2深度和直径；步骤(23)：确定具体施工方法，提高沙井2施工效率。
35.在地基内设置砂井2等竖向排水体系，则可缩短排水时间，有效地加速土的固结。
36.上砂垫层3和下砂垫层1的材料采用洁浄的中、粗砂，含泥量不大于5％，并将其中植物、杂质除尽，砂垫层摊铺采用小型推土机摊铺，人工配合整平。
37.砂袋的袋应具有良好的透水性、耐腐、抗老化性能，进而使其内的砂不易漏失，并有足够的抗拉强度，能承受袋内砂自重和弯曲所产生的拉力。
38.砂袋的袋一般多采用聚丙烯编织布，聚丙烯编织布渗透性大于1
×
10-2
cm/s，抗拉实验伸长率25％，抗拉强度1700kpa；弯曲180
°
试验，弯心直径7.5cm，伸长率23％，破坏情况完整，因此能够满足砂袋的使用需求。
39.砂袋在施工时应避免太阳曝晒而导致其老化，砂袋入口处的导管口应设滚轮，放砂袋要仔细，防止砂袋破损漏砂。施工中要经常检查桩尖与导管口的密封情况，避免管内进泥过多，造成井阻，进而影响加固深度。
40.砂袋的砂采用中、粗砂，含泥量不大于3％，袋中装砂宜用风干砂，不宜采用湿砂，以免干燥后，砂袋的体积减小，进而造成袋装砂井2缩短及排水垫层不搭接等质量事故。
41.确定袋装砂井2施工长度时，考虑袋内体积减小、袋装砂井2在井内的弯曲、超深及深入水平排水垫层内的长度等因素，防止砂井2全部沉入孔内，而造成顶部与排水垫层不连接，进而影响排水效果。
42.每隔200m设置一个观测断面，在所述观测断面设置沉降观测板4和位移观测边桩5；通过沉降观测板4监控沉降速率，通过位移观测边桩5监控水平位移速率。沉降及位移观测是软基处理的一个重要部分，直接影响着工程的安全与进度。通过沉降与位移观测，有助于指导施工进度，控制填筑速率，为施工期间沉降引起的增加土方量作出准确的测算，同时控制预压期，推算地基最终沉降量并对沉降稳定卸荷时间作出准确的判断，以最终保证施工的安全与质量。
43.在上砂垫层3进行路堤土方6的填筑，根据水平位移速率和沉降速率控制路堤土方6的填筑速率。所述下砂垫层1、砂井2、上砂垫层3、以及路堤土方6形成路堤，路堤是指路基顶面高于原地面的填方路基。
44.路堤土方6填筑时，选20m路堤作为试验段，进行填筑。每层填筑厚度不得超过30cm，推土机平整后，用拖拉机翻松晾晒，待接近最佳含水量时，再进行平整碾压，先用14t压路机碾压3遍，再用50t羊足碾碾压2-3遍，压实度检测合格后再填筑上一层土方。
45.试验段完成后，根据取得的参数，开始填筑路堤土方6。施工工艺为：三阶段、四区段、八流程。三阶段即施工准备阶段、施工阶段、竣工阶段；四区段即填筑区、平整区、碾压区、检测区；八流程即施工准备、基底处理、分层填筑、摊铺平整是、碾压夯实、检验签证、路面修整、边坡夯实。通过试验能够找到该地基最佳的填筑方式，进一步保证地基加固效果。
46.路堤土方6填筑时，水平位移速率和沉降速率超出设定值，停止路堤土方6的填筑，待恢复到设定值以下再进行填筑。
47.路堤土方6填筑过程中要进行沉降、位移的稳定性观测，并严格控制填土速率和观测精度。其中，布设基桩及校核基桩高程采用ⅱ等水准测量，填筑过程中的观测采用ⅲ等水准测量。
48.沉降观测板4和位移观测边桩5在施工期间每填筑一层，便进行一次观测；两次间隔时间长为每3天观测一次。路堤土方6经过分层填筑达到预压高程。在预压期前2～3个月
内，每天观测一次，三个月后7～15天观测一次，半年后一个月观测一次。通过随时监控沉降、位移，能够保证路堤土方6填筑过程的安全性和施工质量。
49.填筑后采用超载预压法处理软土地基，使其达到稳定状态，其中，软土地基包括原地面和路堤形成的结构，临时超载填土9为超载预压法采用的填土。
50.本发明通过设置砂井2，也即采用砂井排水堆载预压法，系在软弱地基中打设袋装砂井2作为竖向排水通道，在砂垫层上部压载以增加附加应力，附加应力产生超静水压力(超静水压力也即超静孔隙水压力，超静孔隙水压力是指饱和土体内一点的孔隙水压力中超过静水压力的那部分水压力，或指土体中超出静水压力的孔隙水压力，它由作用于土体荷载的变化而产生，随着排水固结而消散)，使土体中孔隙水较快地通过砂井2砂垫层排出，以达到加速土体固结、提高地基土强度的目的。上砂垫层3和下砂垫层1连接各个砂井2形成通畅的排水面，从而将水排到场地以外。
51.采用本发明的方法可加速饱和软粘土的排水固结，使沉降及早完成并形成稳定状态，同时可大大提高地基的抗剪强度和承载力，防止基土滑动破坏，完工后的路基沉降量小，经济效益好，材料用量少，施工进度快，工程造价低，利于组织平行施工，并不受场地限制。
52.本实施例中，上砂垫层3和下砂垫层1均包括多个砂垫分层，砂垫分层包括厚度为30cm的下砂垫分层和厚度为20cm的上砂垫分层。
53.铺设上砂垫层3和下砂垫层1时，对上砂垫层3和下砂垫层1均采用分层压实的方式，并使上砂垫层3和下砂垫层1的铺设宽度均大于原地面底宽。
54.需要说明的是，分层压实时，采用水夯法或使用轻型小压路机，即铺设完下砂垫分层或上砂垫分层后进行压实。分层填筑时，每层都要做出路拱，进而利于排水，防止下雨浸泡路堤而影响填筑质量。
55.本实施例中，砂井2的直径7～12cm，砂井2的间距1.5～2.0m，砂井的井砼比为15～25。
56.需要说明的是，砂井2可按以三角形或正方形形成的网进行布置，由于袋装砂井2直径小，间距小，因此加固同样土所需打设袋装砂井2的根数较普通砂井2多。本发明的袋装砂井2堆载预压法，是在普通砂井2堆载预压基础上改良和发展的一种新方法，该方法在软弱地基中打设袋装砂井2作为竖向排水通道，在砂垫层上部压载以增加附加应力，附加应力产生超静水压力，使土体中孔隙水较快地通过砂井2砂垫层排出，以达到加速土体固结、提高地基土强度的目的。
57.本实施例中，沉降速率不得大于15mm/d，水平位移速率不得大于20mm/d，路堤土方6的填筑速率不得大于0.5m/d。
58.本实施例中，上砂垫层3和下砂垫层1比原路面底宽0.5～1.0m，可保证竖向排水预压通畅，加速地基的固结过程；并在上砂垫层3和下砂垫层1的两侧铺设干砌片石7，以防止砂料流失。干砌片石7铺设时选用大片石，并应错缝相挤紧密，不松动。干砌片石7边缘应直顺，圆滑、牢固，主要靠石块与石块之间的嵌挤力。
59.本实施例中，上砂垫层3铺设完毕后，将路堤的底面两侧进行加宽；路堤底面一侧的加宽量
△
d＝ms，其中m为路堤的设计边坡值，s为路堤的设计坡值。
60.需要说明的是，反压护道按设计宽度，与路堤同时填筑。
61.本实施例中护道以下路堤的设计边坡值为1.75，护道以上路堤的设计边坡值为1.5，路堤的设计坡值为0.3。
62.因此，护道以下路堤每一侧加宽量：
△
d＝1.75
×
0.30＝0.525m；加上土方压实加宽值0.30m，共0.825m。护道以上路堤每一侧加宽量：
△
d＝1.5
×
0.30＝0.45m，加上土方压实加宽值0.30m，共0.75m。
63.本实施例中，位移观测边桩埋置深度在地表以下1.4m，位移观测边桩桩顶露出地面10cm，位移观测边桩桩身周围以150号砼浇筑固定，断面采用15
×
15cm正方形，长度1.5m，并在位移观测边桩桩顶预埋半圆形不锈钢耐磨测头，确保边桩埋置稳定。
64.沉降观测板4由钢筋砼底板、测杆和保护套管组成，底板为50
×
50
×
3cm，用150号砼预制，测杆采用钢管，与底板固定在垂直位置上，保护套管采用塑料套管，套管尺寸以能套住测杆并使标尺能进入为宜，随着填土的增高，测杆和套管亦相应接高，每节尺不超过50cm，接高后测杆顶面应略高于套管上口，测杆用顶帽封住管口，避免填料落入套管内而影响下沉自由度，顶面高出碾压高度不大于50cm。
65.本实施例中，所述沉降观测板4的数量为一个，所述沉降观测板4位于线路中心；所述位移观测边桩5的数量为四个，四个所述位移观测边桩5分别位于路堤两侧坡脚外2m和12m处。
66.本实施例中，砂井2施工完毕后，在砂层上铺设土工格栅8，土工格栅8的延伸方向垂直于线路的中线，铺设前将砂层表面压实；然后在土工格栅8上铺设上砂垫层3。
67.需要说明的是，土工格栅8加固地基在软弱地基中或边坡上埋设土工格栅8作为加筋，使形成弹性复合土体，起到排水、反滤、隔离、加固和补强等方面的作用，以提高土体承载力，减少沉降和增加地基的稳定。
68.土工格栅8施工方便，抗拉强度高，弹性、耐磨、耐腐蚀性、耐久性和抗微生物性好，不易霉烂和虫蛀，但抗紫外线能力较低，适用于加固软弱地基，以加速土的固结，提高土体强度。
69.土工格栅8铺设前，将砂层表面压实、修整平顺均匀，清除杂物、草根，表面应平整。土工格栅8垂直于线路的中线铺设，设置于距砂层底部30cm处。土工格栅8铺设从一端向另一端进行，端部先铺填，中间后铺填，端部必须精心铺设锚固，铺设松紧适度，防止绷拉过紧或褶皱，同时需保持连续性、完整性。避免过量拉伸超过其强度和变形的极限而发生破坏、撕裂或局部顶破等。在斜坡上摊铺时，保持一定松紧度。铺设时，在路基每边各留2m的锚固长度，回折覆裹在压实的填料面上，平整顺实，外侧用砂覆盖，以免人为破坏。
70.土工格栅8一般采用搭接、缝合、胶合或u型钉钉合等方法。采用搭接时，一般为0.3～0.9m；在搭接处尽量避免受力，以防移动。缝合采用缝合机对面或折迭缝合，用尼龙或涤纶线，针距7～8mm。
71.土工格栅8铺设一次不宜过长，以免下雨渗水难以处理，格栅铺好后立即铺设上面砂垫层，避免长时间爆晒和暴露，使土工格栅8材料劣化。
72.土工格栅8上铺设垫层时，第一层厚度应在50cm以下，用推土机铺垫时，应防止刮土板损坏土工格栅8，在局部不应过量集中应力。
73.本实施例中，土工格栅8采用聚丙烯材料，土工格栅8幅宽2～18m，重量在0.1kg/m2以上，渗透系数k≥10-2cm/s，抗拉强度为10～30kn/m。
74.需要说明的是，聚丙烯材料是一种无色、无臭、无毒、半透明固体物质，是一种性能优良的热塑性合成树脂，为无色半透明的热塑性轻质通用塑料，具有耐化学性、耐热性、电绝缘性、高强度机械性能和良好的高耐磨加工性能等，因此聚丙烯材料能够满足本发明的土工格栅8的应用。
75.本发明通过设置砂井，也即采用砂井排水堆载预压法，系在软弱地基中打设袋装砂井作为竖向排水通道，在砂垫层上部压载以增加附加应力，附加应力产生超静水压力，使土体中孔隙水较快地通过砂井砂垫层排出，以达到加速土体固结、提高地基土强度的目的；上砂垫层和下砂垫层连接各个砂井形成通畅的排水面，从而将水排到场地以外；通过随时监控沉降、位移，能够保证路堤填筑过程的安全性和施工质量；采用本发明的方法可加速饱和软粘土的排水固结，使沉降及早完成和稳定，同时可大大提高地基的抗剪强度和承载力，防止基土滑动破坏，完工后的路基沉降量小，经济效益好，材料用量少，施工进度快，工程造价低，利于组织平行施工，不受场地限制。
76.本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
77.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对本技术限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术技术方案的范围。