CN102296509A - 一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法及其施工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法及其施工装置，属于土木工程技术领域。所述的处理方法根据拟消除的地基沉降量，确定挤扩器的数量和直径扩展量，通过挤扩器在土中按照指定速率地逐步扩张，向周围土体施加水平载荷，迫使土体排水固结、孔隙率降低，直至孔隙减少量达到设计目标值，实现准确调控地基沉降的目的。所述的施工装置为挤扩器，所述挤扩器至少包含一个II型挤扩器单元，扩展后可以形成斜扩型变直径桩孔。本发明通过可控直径的挤扩，根据预定目标准确定量地消除地基中的孔隙，达到准确控制地基沉降量的目的；对于道路拓宽工程，可以准确的控制新老道路地基的差异沉降。施工设备简便、施工方法简单，成本低廉。

Description

一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法及其施工装置

技术领域

本发明涉及一种地基处理方法，属于土木工程技术领域。具体地说，是指一种可以准确调控地基沉降的地基处理方法及其施工装置。

技术背景

目前我国正处于公路拓宽工程的高峰期，公路拓宽工程带来了道路地基处理的新的问题。老公路经多年使用，其地基在路基路面荷载和车辆运行荷载作用下已完成固结，沉降已稳定；而新建拓宽道路路基路面施工完成后，在路基路面自重作用下和车辆运行荷载作用下，地基仍会产生相当量的沉降；从而造成新老道路差异沉降，进而造成路面结构破坏，影响道路正常使用。为避免此类现象发生，必须严格控制新老路基的差异沉降，即严格控制拓宽新建道路地基的沉降。因此，常常不得不使用工程造价昂贵的砼桩、水泥土桩等地基处理方法。然而即使是这种高成本的地基处理方法，从其工作原理及设计方法都难以准确控制其沉降量。因此难以得到安全、经济的工程效果。

发明内容

地基产生沉降的本质是其孔隙率的减小。在相同的土质条件下，只要地基孔隙率达到同一水平后，在同样荷载作用下地基的沉降量就应该是一样的。老路下的地基在路基路面结构自重和车辆运行荷载的作用下完成固结，土体孔隙率达到在此荷载作用下的最小值，因此在上述荷载作用下不会发生新的沉降。而拓宽新路的路基下的地基尚未完成固结，土的孔隙仍然较大，因此，在路基、路面及车辆荷载作用下地基土孔隙会继续减少，从而产生新老路基的差异沉降。显然，在拓宽新路的路面结构施工之前，如果能够使其下地基土的孔隙率与老路下地基土的孔隙率相等，则在路基、路面及车辆运行荷载作用下新路基也不会产生新的沉降，新老路基即不会产生差异沉降。

基于此原理，本发明提出一种在路面结构施工前就可以使拓宽新路地基土的孔隙率与老路地基土的孔隙率一致的地基处理方法。该地基处理方法可以准确控制地基沉降量并且成本低廉，从而可以准确的控制新老道路地基的差异沉降。

根据现行设计规范，在拓宽新路施工前必须进行新老道路下的地基勘察，从勘察报告中可以分别获取新、老道路下地基的孔隙率，据此可以计算得出拓宽新路下地基单位体积土体比老路下地基单位体积土体多出的孔隙体积。采用下述的施工装置和施工方法消除该多余的孔隙，即可达到消除新老道路地基差异沉降的目的。

本发明中所提供的地基处理方法是指：根据拟消除的地基沉降量，确定挤扩器的数量和直径扩展量，通过挤扩器在土中按照指定速率地逐步扩张，向周围土体施加水平载荷，迫使土体排水固结、孔隙率降低，直至孔隙减少量达到设计目标值，实现准确调控地基沉降的目的。所述的孔隙减少量是指新路下地基单位土体比老路下地基多出的孔隙量，根据所述的孔隙量可以计算得出各挤扩器的间距及挤扩器扩展直径。所述的地基处理方法具体过程如下：

第一步：根据不同深度土层拟消除的孔隙量(根据拟加固土的孔隙率与目标孔隙率的差值计算确定)，确定挤扩器不同深度挤扩后直径以及各挤扩器之间的距离；

第二步：将组合好的处于收缩状态的挤扩器植入土中设计深度；

第三步：根据土质条件确定挤扩器扩张时直径扩展速率，使挤扩器在设计深度处开始扩展，迫使土中的水进入扩展后的挤扩孔中或者被挤扩器挤扩入土层中设置的砂井或排水板，土层中的孔隙逐步减少，直至挤扩器扩张至设计直径和形状。

第四步：将挤扩形成的桩孔中的水疏干，向桩孔中浇注桩体材料、向上收起挤扩器，即完成地基处理施工。其中，视土质条件，挤扩器可以在桩体材料浇筑之前收起，也可以在桩体材料浇筑之后收起。

所述挤扩器至少包含一个II型挤扩器单元。所述的II型挤扩器单元主要由中心螺杆、反向螺母、正向螺母、支撑杆、支撑梁、扩展叶片和透水滤膜构成。所述中心螺杆由三段相间排列的反向螺纹段和正向螺纹段组成，每段正向螺纹段上旋套有一个正向螺母，每段反向螺纹段上旋套有一个反向螺母，每个反向螺母和正向螺母上铰接有数量相同的若干支撑杆。其中相邻的一对正反向螺纹段的螺距相同，且其上旋套的一对正反向螺母上铰接的支撑杆长度相同，形成若干支撑杆对，支撑杆对中的支撑杆的另一端铰接在支撑梁上同一点。第三段螺纹段的螺距与上述正反两段螺纹段的螺距不同，其上旋套的正向或者反向螺母上铰接的支撑杆长度与上面所述的支撑杆对的支撑杆的长度相同或不同，该支撑杆另一端铰接于所述的支撑梁上另一点，支撑梁外连扩展叶片，扩展叶片外包覆透水滤膜。

本发明具有如下优点及功效：

1)通过筒型和斜扩型挤扩器可控直径的挤扩，可以根据预定目标准确定量地消除地基中的孔隙，从而达到准确控制地基沉降量的目的；特别是对于道路拓宽工程，可以准确的控制新老道路地基的差异沉降。

2)施工设备简便、施工方法简单，是成本低廉的准确控制地基沉降量的地基处理方法。

附图说明

图1a——I型挤扩器单元挤扩前横剖面示意图；

图1b——I型挤扩器单元挤扩后横剖面示意图；

图1c——I型挤扩器单元挤扩前纵剖面示意图；

图1d——I型挤扩器单元挤扩后纵剖面示意图；

图2a——II型挤扩器单元挤扩前纵剖面示意图；

图2b——II型挤扩器单元挤扩后纵剖面示意图；

图3——类扇形扩展叶片简易示意图；

图4——实施例二中的变截面组合挤扩器简易示意图；

图5——为实施例三中的变截面组合挤扩器简易示意图。

图中标号及符号说明如下：

A反向螺纹段；B扩展叶片；C反向螺母；D正向螺母；F支撑梁；G支撑杆；H正向螺纹段；I中心螺杆；Y透水滤膜。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进—步的详细说明。

本发明提供一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法，所述的处理方法具体为：

第一步：根据不同深度土层拟消除的孔隙量，确定挤扩器不同深度挤扩后直径以及各挤扩器之间的距离；所述的孔隙量根据拟加固土的孔隙率与目标孔隙率的差值计算确定。

第二步：将组合好的处于收缩状态的挤扩器植入土层至设计深度；

第三步：使挤扩器在设计深度处开始扩展，迫使土中的水进入扩展后的挤扩孔中或者被挤扩器挤扩入土层中设置的砂井或排水板，土层中的孔隙逐步减少，直至挤扩器扩张至设计直径和形状。

所述的挤扩器扩张时按照一定的扩展速率进行，挤扩直径的扩展速率需根据土质条件(如强度、渗透系数等)设计确定，一般按每次扩展2～5mm，每3～4小时扩展一次的方式进行扩展。

第四步：桩孔中的水排除后，向桩孔中浇注桩体材料、向上收起挤扩器，即完成消除土体预定孔隙量的施工。其中，视土质条件，挤扩器可以在填充材料浇注之前收起，也可以在填充材料浇注之后收起。当土质条件较好，挤扩后的孔可以自立，挤扩器收起后孔不会坍塌时，则可以先收起挤扩器，然后浇注桩体材料。如果土质条件不好，挤扩后孔不能自立，挤扩器收起后孔壁土体会坍塌，则可以先浇注填充材料，然后收起挤扩器。

上述的地基处理方法中所述的挤扩器由若干节挤扩器单元组合连接而成，挤扩前的挤扩器为直筒形收缩状态，挤扩后的挤扩器为变直径的扩展状态，如图2a、2b所示，所述的挤扩器至少包含一个II型挤扩器单元，所述的II型挤扩器单元主要由中心螺杆I、反向螺母C、正向螺母D、支撑杆G、支撑梁F、扩展叶片B和透水滤膜Y构成。所述中心螺杆I由三段相间排列的两个反向螺纹段A和一个正向螺纹段H组成，正向螺纹段H上旋套有一个正向螺母D，每段反向螺纹段A上旋套有一个反向螺母C，每个反向螺母C和正向螺母D上铰接有数量相同的若干支撑杆G。其中相邻的一对正反向螺纹段的螺距相同，如图2a中上面两个正向螺纹段H和反向螺纹段A，且其上旋套的一对正反向螺母上铰接的支撑杆G长度相同，形成若干支撑杆对，支撑杆对中的两个支撑杆的另一端铰接在支撑梁F上的同一点处。另一反向螺纹段A的螺距与上述正反两段螺纹段的螺距不同，其上旋套的反向螺母C上铰接的支撑杆G长度与上面所述的支撑杆对的支撑杆的长度相同或不同，该支撑杆G另一端铰接于所述的支撑梁F上另一点，支撑梁F外连扩展叶片B，扩展叶片B外包覆透水滤膜Y。所述的II型挤扩器单元也可以是由一个反向螺纹段A和两个正向螺纹段H组成。

所述的支撑梁F和扩展叶片B之间为铰接，扩展叶片B的形状为扇形弧状结构，如图3所示。

所述的透水滤膜Y包覆在扩展叶片B外面，当挤扩器处于收缩状态时，不同支撑梁F上的扩展叶片B交叠形成筒状外形，当旋转中心螺杆I，旋套在反向螺纹段A和正向螺纹段H上的反向螺母C和正向螺母D沿中心螺杆I轴向运动，在中心螺杆I上的距离发生变化，使得支撑杆G的外端凸起，向外撑起支撑梁F，进而使得扩展叶片B及其上包覆的透水滤膜Y扩展，由于三段螺纹段的螺距不同，支撑杆的长度不同，挤扩后形成斜扩型的桩孔，此时，挤扩器将土层中的水排入周围土体中设置的砂井或者排水板中；如果扩展叶片B上设计有透水孔，则土层中的水会透过透水滤膜Y和透水孔渗入进挤扩器内部桩孔中，而土壤等固体颗粒不能进入。

所述的挤扩器由上述的两个以上的II型挤扩器单元连接组成，也可以是由I型挤扩器单元和II型挤扩器单元组成，所述的I型挤扩器单元如图1a～1d所示，主要包括中心螺杆I、反向螺母C、正向螺母D、支撑杆G、支撑梁F、扩展叶片B及透水滤膜Y，所述的中心螺杆I由正向螺纹段H和反向螺纹段A两段组成，其中反向螺纹段A上螺纹连接反向螺母C，正向螺纹段H上螺纹连接正向螺母D，每个正向螺母D和反向螺母C为一对，正向螺母D和反向螺母C上分别铰接有数量相同、均匀分布的支撑杆G，对应位置上铰接的每两个支撑杆G形成支撑杆对，支撑杆对的另一端铰接在支撑梁F上的同一点，支撑梁外铰接扩展叶片B，扩展叶片B外包覆有透水滤膜Y。所述的I型挤扩器单元在挤扩器处于收缩状态，正向螺母D和反向螺母C之间的距离最远，当旋转中心螺杆I时，正向螺母D和反向螺母C之间发生相对运动并且二者之间的距离变短，驱使铰接在其上的支撑杆G向外凸起，使得支撑梁F推动扩展叶片B向外扩展，形成直径变大的扩展状态挤扩器单元。此时，土层中的水被挤压排入土层中预先设置的砂井或者排水板中；如果所述的扩展叶片B上具有透水孔，则土层中的水透过透水滤膜Y和透水孔进行挤扩器单元内部，灌注桩体材料之前需要先排空挤扩器单元内部的水。

上述的两个以上的I型挤扩器单元之间的中心螺杆I连接后，可以形成预设长度和挤扩直径要求的筒形挤扩器，用于地基沉降处理方法中。筒形挤扩器中的各I型挤扩器单元可以共用支撑梁F和扩展叶片B。

所述的两个以上的II型挤扩器单元之间的中心螺杆I连接后，可以形成预设长度和挤扩直径要求的斜扩型挤扩器，用于地基沉降处理方法中。

根据地基沉降处理的不同需求，也可以将一个以上的筒型挤扩器单元和一个以上的II型挤扩器单元的中心螺杆I连接，形成组合式挤扩器。

所述的透水滤膜Y选取材料为具有足够强度和透水能力并可阻隔土粒的片状材料，例如：植物纤维编织布、高分子纤维编织布、无机非金属材料纤维编织布、金属丝编织片材、土工织物、无纺布以及它们的组合。

扩展叶片B为具有足够抗压、抗拉强度的任意材料制成的多孔板或格栅状板。也可以将扩展叶片B和包覆的透水滤膜Y叠合制成同时具有足够抗压、抗拉强度和透水能力且可阻隔土粒的复合扩展叶片。所述的扩展叶片B的形状如图3所示，可以设计为扇形结构。

实施例一：

某公路拓宽工程，根据工程勘查报告可知：工程场地5米深度内的土层为流塑态淤泥质粘土，其下土质坚硬。需拓宽路基的孔隙率为0.9；老路下的地基在路面荷载和车辆运行荷载下已经完成排水固结，孔隙率为0.6。挤扩器采用铝合金制作，采用斜扩型挤扩器，透水滤膜Y为高分子纤维编织布，如图2a、2b，扩展叶片B具有透水孔结构。挤扩器在收缩状态下直径150mm，挤扩后最大直径为350mm，挤扩器长6m。挤扩器间距设置为1m，用静压方式将处于收缩状态的挤扩器压入土中。旋转挤扩器中心螺杆I使挤扩器按每次扩展5mm，每3小时扩展一次的方式扩展至直径350mm，将挤扩形成的桩孔中排水后浇筑流态水泥土浆，然后反向旋转中心螺杆I并向上收起挤扩器，完成挤密过程。挤密后拓宽路段场地地基孔隙率达到0.65，挤扩孔中水泥土浆硬化后无侧限抗压强度达到0.7Mpa。

实施例二：

某公路拓宽工程，根据工程勘查报告可知：拓宽路基场地3米深度内的土层为软塑填土层，其下10m土层为淤泥质土层。需拓宽路段场地地基3m深度范围内孔隙率为0.8，3m以下淤泥层孔隙率为1.0；老路基3m深度范围内孔隙率为0.6，3m以下淤泥层孔隙率由0.65逐步变化为13m处的0.8。挤扩器采用高强不锈钢制作，采用变截面组合挤扩器，透水滤膜为无机非金属材料纤维编织布，如图4。该变截面组合挤扩器为双梯形扩大头桩孔挤扩器，它由一个I型挤扩器单元和两种斜扩型挤扩器组合而成。所述的斜扩型挤扩器由一个II-1型、II-2、II-3、II-4型挤扩器单元构成，其中，每个挤扩器单元的中心螺杆I是固定连接的，可是是螺纹连接或者是焊接等固定连接方式，I型挤扩器单元与斜扩型挤扩器中的挤扩器单元的支撑杆长度及中心螺杆螺距不同，其中的II-2、II-3和II-4型挤扩器单元共用支撑梁和扩展叶片。挤扩器在收缩状态下直径150mm，挤扩后上部I型挤扩器直径为250mm，中间II-1型挤扩器上端直径250mm，下端直径350mm，下部II-2型挤扩器上端直径350mm，下端直径320mm，II-3型挤扩器单元的上端直径320mm，下端直径300mm，II-4型挤扩器单元的上端直径300mm，下端直径280mm，挤扩器总长为13m。I型挤扩器单元纵向尺寸为1.5m，II-1型挤扩器单元纵向尺寸为2.5m，II-2型挤扩器纵向尺寸为2.5m，II-3型挤扩器单元纵向尺寸为3.5m，II-4型挤扩器单元总行尺寸为3m。挤扩器间距设置为1.2m，用钻机钻直径150mm孔，将处于收缩状态的挤扩器压入孔中。旋转挤扩器中心螺杆使其扩展至设计直径，反向旋转中心螺杆收缩后并向上收起扩孔器，形成桩孔，如图4所示。向挤扩形成的孔中注入粗砂，放入混凝土振捣棒进行振捣，边注入粗砂边振捣提升，直至注满振实为止，挤密后拓宽路段场地地基孔隙率可达到0.6。

实施例三：

某公路路基路面修复工程，该公路经过一段时间运营后，由于局部地基沉降过大，导致局部路段发生一定沉陷，路面发生破坏。由于只是部分路段的地基发生问题，所以只需要对破坏路段的地基进行修复而不希望破坏道路的整体结构。根据工程勘查报告知：正常道路路基下土层孔隙率为0.6，发生沉陷路段路基下土层孔隙率为0.75。在发生沉陷的路段的地基采用挤扩器密实土体，使其孔隙率与正常使用路段的地基孔隙率相近，实现对沉陷路段的修复。挤扩器采用低合金碳素钢制作，采用由两个I型挤扩器单元组成的直扩型挤扩器和一个II型挤扩器单元组成的挤扩器，透水滤膜为金属丝编织片材，如图5。挤扩器在收缩状态下直径100mm，挤扩后直扩型挤扩器的最大直径为260mm，II型挤扩器单元上端直径为380mm，下端直径为260mm，I型挤扩器单元组合后纵向尺寸为3m，I型挤扩器单元纵向尺寸为2.5m，挤扩器总长5.5m。挤扩器间距设置为1m，用静压方式将处于收缩状态的挤扩器压入土中。旋转挤扩器中心螺杆I使挤扩器按每次扩展2mm，每4小时扩展一次的方式扩展至最后的扩展直径，将挤扩形成的桩孔内注入石灰-粉煤灰浆(石灰∶粉煤灰＝2∶8)。挤密后修复路段路基孔隙率达到0.6。

Claims (8)

1.一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法，其特征在于：所述的地基处理方法是根据拟消除的地基沉降量，确定挤扩器的数量和直径扩展量，通过挤扩器在土中按照指定速率地逐步扩张，向周围土体施加水平荷载，迫使土体排水固结、孔隙率降低，直至孔隙减少量达到设计目标值，实现准确调控地基沉降的目的。

2.根据权利要求1所述的一种用于准确调控地基沉降的地基处理方法，其特征在于：所述的地基处理方法具体过程如下：

第一步：根据不同深度土层拟消除的孔隙量，确定挤扩器不同深度挤扩后直径以及各挤扩器之间的距离；

第二步：将组合好的处于收缩状态的挤扩器植入土中设计深度；

第三步：根据土质条件确定挤扩器扩张时直径扩展速率，使挤扩器在设计深度处开始扩展，迫使土中的水进入扩展后的挤扩孔中或者被挤扩器挤扩入土层中设置的砂井或排水板，土层中的孔隙逐步减少，直至挤扩器扩张至设计直径和形状；

第四步：将挤扩形成的桩孔中的水疏干，向桩孔中浇注桩体材料、向上收起挤扩器；或者先将挤扩器收起，然后向桩孔中浇筑桩体材料，即完成地基处理施工。

3.一种实现权利要求1所述的用于准确调控地基沉降的地基处理方法的施工装置，其特征在于：所述施工装置为挤扩器，所述的挤扩器至少包含一个II型挤扩器单元，所述的II型挤扩器单元主要由中心螺杆、反向螺母、正向螺母、支撑杆、支撑梁、扩展叶片和透水滤膜构成；所述中心螺杆由三段相间排列的反向螺纹段和正向螺纹段组成，每段正向螺纹段上旋套有一个正向螺母，每段反向螺纹段上旋套有一个反向螺母，每个反向螺母和正向螺母上铰接有数量相同的、均匀分布的若干支撑杆，其中相邻的一对正反向螺纹段的螺距相同，且其上旋套的一对正反向螺母上铰接的支撑杆长度相同，形成若干支撑杆对，每组支撑杆对中的两个支撑杆的另一端铰接在支撑梁上同一点；另一正向或反向螺纹段的螺距与上述正反两段螺纹段的螺距不同，其上旋套的正向或者反向螺母上铰接的支撑杆长度与上面所述的支撑杆对的支撑杆的长度相同或不同，该支撑杆另一端铰接于所述的支撑梁上另一点，支撑梁外铰接扩展叶片，扩展叶片外包覆透水滤膜。

4.根据权利要求3所述的施工装置，其特征在于：所述的挤扩器由两个以上的II型挤扩器单元组成的斜扩型挤扩器组成，所述的II型挤扩器单元之间通过中心螺杆连接。

5.根据权利要求3所述的施工装置，其特征在于：所述的挤扩器由直扩型挤扩器和斜扩型挤扩器构成，所述的直扩型挤扩器由两个以上的I型挤扩器单元构成，所述的I型挤扩器主要由中心螺杆、反向螺母、正向螺母、支撑杆、支撑梁、扩展叶片及透水滤膜组成，所述的中心螺杆由正向螺纹段和反向螺纹段构成，其中反向螺纹段上螺纹连接反向螺母，正向螺纹段上螺纹连接正向螺母，每个正向螺母和反向螺母为一对，正向螺母和反向螺母上分别铰接有数量相同、均匀分布的支撑杆，对应位置上铰接的每两个支撑杆形成支撑杆对，支撑杆对的另一端铰接在支撑梁上的同一点，支撑梁外铰接扩展叶片，扩展叶片外包覆有透水滤膜。

6.根据权利要求3或5所述的施工装置，其特征在于：所述的透水滤膜为植物纤维编织布、高分子纤维编织布、无机非金属材料纤维编织布、金属丝编织片材、土工织物或无纺布，或上述材料的组合。

7.根据权利要求3或5所述的施工装置，其特征在于：所述的扩展叶片上具有透水孔。

8.根据权利要求3或5所述的施工装置，其特征在于：所述的扩展叶片为扇形弧状结构。

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