CN106836034B - 一种高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高速公路路基施工技术领域，涉及一种高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法，该高填方盖板涵柔性减载体系包括灌浆碎石沟槽、底层土工格栅、顶层土工格栅、柔性填料层以及路基填土；灌浆碎石沟槽沿盖板涵的轴向设置在地基中；灌浆碎石沟槽是两个且并行设置；灌浆碎石沟槽中填充有碎石以及灌填在碎石之间的浆液；底层土工格栅铺设在地基的上表面并与灌浆碎石沟槽固定连接；盖板涵设置在底层土工格栅的上表面；顶层土工格栅以及柔性填料层自上而下依次设置在盖板涵顶部；顶层土工格栅的顶部以及盖板涵的两侧部均填充有路基填土。本发明提供了一种质量可控、施工简便以及适应范围广的高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法。

Description

一种高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法
技术领域
本发明属于高速公路路基施工技术领域，涉及一种高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速发展，以及国家对基础设施建设的重视，高速公路建设进入蓬勃发展时期。在山区及黄土地区的公路修建过程中，将不可避免的穿越沟谷地区，高填方路堤由于其施工方便、工期短以及建设维修费用低等优点而得到广泛应用。
目前，高填方涵洞多采用拱涵形式。然而，由于拱涵现场浇筑施工难度较大，质量难以控制，在较高填土荷载作用下，存在质量缺陷的拱涵涵体内存在较高的应力集中和不均匀沉降变形等问题，容易引起各种不同程度的病害，轻则涵洞开裂、渗漏或积水，重则致使涵洞结构破坏，甚至出现垮塌，影响公路的正常使用。同时拱涵施工养护周期较长，工程投资较大。而相对于拱涵，盖板涵具有施工技术简单、施工期短、造价低且可批量预制、质量可控等优点，但由于其在较高填土荷载作用下跨中弯矩、变形较大，而被限制应用于高填方路基中。
为减小盖板涵的受力变形，目前通常的做法是增加盖板涵结构的厚度，这种做法不仅增加工程投资，经济性较差，而且在上覆填土荷载较高的高填方路堤并不适用。因此，寻找一种经济合理的盖板涵减载体系，从而使盖板涵能运用于高填方路基中具有重要的工程实际意义，不仅能降低施工难度，保证施工质量，同时还能加快施工进度，减少工程投资。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种质量可控、施工简便以及适应范围广的高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述高填方盖板涵柔性减载体系包括灌浆碎石沟槽、底层土工格栅、顶层土工格栅、柔性填料层以及路基填土；所述灌浆碎石沟槽沿盖板涵的轴向设置在地基中；所述灌浆碎石沟槽是两个；两个灌浆碎石沟槽并行设置；所述灌浆碎石沟槽中填充有碎石以及灌填在碎石之间的浆液；所述底层土工格栅铺设在地基的上表面并与灌浆碎石沟槽固定连接；盖板涵设置在底层土工格栅的上表面；所述顶层土工格栅以及柔性填料层自上而下依次设置在盖板涵顶部；所述顶层土工格栅的顶部以及盖板涵的两侧部均填充有路基填土。
作为优选，本发明所采用的两个灌浆碎石沟槽的内缘距盖板涵的中心轴线的水平距离s满足下述条件：
其中：
ts为盖板涵中涵洞顶板厚度；
tx为盖板涵中涵洞底板厚度；
tc为盖板涵中涵洞侧墙厚度；
h为盖板涵中涵洞内净高；
b为盖板涵中涵洞内净宽；
所述厚度的单位、净高的单位或净宽的单位均是米。
作为优选，本发明所采用的高填方盖板涵柔性减载体系还包括预埋在灌浆碎石沟槽顶部的预埋锚固钉；所述底层土工格栅铺设在地基的上表面并通过预埋锚固钉与灌浆碎石沟槽固定连接。
作为优选，本发明所采用的底层土工格栅通过U型钉固定在地基的上表面。
作为优选，本发明所采用的灌浆碎石沟槽的深度是2.0～4.5m；所述灌浆碎石沟槽的宽度是0.8～2.0m。
作为优选，本发明所采用的灌浆碎石沟槽内填充的碎石的最大粒径不超过100mm，所述灌浆碎石沟槽内填充的碎石的含泥量不大于5％。
作为优选，本发明所采用的灌浆碎石沟槽内灌填的浆液是水泥浆；所述水泥浆中掺入水玻璃以及UEA膨胀剂；所述水玻璃与水泥浆的重量比是1％～3％；所述UEA膨胀剂与水泥浆的重量比是8％～10％；所述水泥浆中的水灰比范围是0.45～0.8。
作为优选，本发明所采用的底层土工格栅以及顶层土工格栅的抗拉强度均不小于100kN/m；所述底层土工格栅以及顶层土工格栅的断裂延伸率均不大于5％；所述底层土工格栅以及顶层土工格栅均是一层或多层；当底层土工格栅以及顶层土工格栅均是多层时，相邻两层底层土工格栅或相邻两层顶层土工格栅之间的间距均是0.2～0.4m。
作为优选，本发明所采用的柔性填料层是松散土体层、聚苯乙烯EPS泡沫塑料层、锯末层或废旧轮胎层；所述柔性填料层的压实度低于柔性填料层周围填土的压实度。
一种对如前所述的高填方盖板涵柔性减载体系的施工方法，其特征在于：所述施工方法包括以下步骤：
1)施工放样，准确放出基础位置、盖板涵中涵洞轴线以及灌浆碎石沟槽的位置；
2)采用人工配合挖掘机开挖灌浆碎石沟槽；
3)向灌浆碎石沟槽中回填碎石，并进行注浆，形成碎石灌浆加固区；在碎石灌浆加固区的上表面预先埋置预埋锚固钉；
4)在地基的上表面铺设底层土工格栅，通过U型钉固定在地基的上表面；通过预埋在灌浆碎石沟槽中的预埋锚固钉进行固定；
5)进行盖板涵的基础、台身、台帽以及盖板施工；
6)当盖板涵的涵身混凝土强度达到设计强度的80％以后，将路基填土回填至涵顶；回填时涵台两侧时，同时对称进行，分层填筑，分层压实，每层填土厚度不大于20cm，压实度达到95％以上；
7)在涵顶铺设柔性填料层至设计高度，并将涵顶两侧的路基填土回填至柔性填料层的顶部；
8)在柔性填料层的顶部铺设顶层土工格栅；
9)继续回填路基填土直至路面标高。
本发明的优点：
本发明提供了一种高填方盖板涵柔性减载体系包括灌浆碎石沟槽、底层土工格栅、顶层土工格栅、柔性填料层以及路基填土；灌浆碎石沟槽沿盖板涵的轴向设置在地基中；灌浆碎石沟槽是两个；两个灌浆碎石沟槽并行设置；灌浆碎石沟槽中填充有碎石以及灌填在碎石之间的浆液；底层土工格栅铺设在地基的上表面并与灌浆碎石沟槽固定连接；盖板涵设置在底层土工格栅的上表面；顶层土工格栅以及柔性填料层自上而下依次设置在盖板涵顶部；顶层土工格栅的顶部以及盖板涵的两侧部均填充有路基填土。本发明通过在盖板涵两侧的地基中开挖沟槽，回填碎石并进行灌浆，形成平行于涵洞走向的加固带，增加了涵侧地基刚度；同时涵顶柔性填料层加筋体系的存在减小了涵顶土体刚度。在上覆高填方土压力作用下，由于涵洞与涵侧在垂直方向上等效刚度的差异，导致涵洞沉降大于碎石灌浆沟槽顶部填土沉降，通过介质间的剪切摩擦作用，部分涵洞承担的填土荷载将传递到碎石灌浆沟槽上，从而产生以碎石灌浆沟为拱脚的土拱效应。盖板涵位于土拱线以下，涵体基本上仅承受土拱线之内的填土荷载，大大减小盖板涵受力。此外，涵顶和涵底处土工格栅产生的“提兜效应”，可以避免柔性填料层压实而引起路堤沉降过大，且可进一步减小涵顶土压力。本发明提供的高填方盖板涵柔性减载体系使盖板涵应用于高填方路堤成为可能，具有经济合理、质量可控、施工简便、适应范围广的优点。
附图说明
图1是本发明所提供的高填方盖板涵柔性减载体系的剖视结构示意图；
图2是填土-涵洞-地基作用机理示意图；
图3是本发明所提供的减载体系产生的土拱效应示意图；
其中：
1-地基；2-灌浆碎石沟槽；31-底层土工格栅；32-顶层土工格栅；4-预埋锚固钉；5-盖板涵；6-柔性填料层；7-路基填土；8-土拱效应轮廓线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的高填方盖板涵柔性减载体系及施工方法做进一步说明。
参见图1，本发明提供了一种高填方盖板涵柔性减载体系，该高填方盖板涵柔性减载体系包括灌浆碎石沟槽2、底层土工格栅31、顶层土工格栅32、柔性填料层6以及路基填土7；灌浆碎石沟槽2沿盖板涵5的轴向设置在地基1中；灌浆碎石沟槽2是两个；两个灌浆碎石沟槽2并行设置；灌浆碎石沟槽2中填充有碎石以及灌填在碎石之间的浆液；底层土工格栅31铺设在地基1的上表面并与灌浆碎石沟槽2固定连接；盖板涵5设置在底层土工格栅31的上表面；顶层土工格栅32以及柔性填料层6自上而下依次设置在盖板涵5顶部；顶层土工格栅32的顶部以及盖板涵5的两侧部均填充有路基填土7。
两个灌浆碎石沟槽2的内缘距盖板涵5的中心轴线的水平距离s满足下述条件：
其中：
ts为盖板涵5中涵洞顶板厚度；
tx为盖板涵5中涵洞底板厚度；
tc为盖板涵5中涵洞侧墙厚度；
h为盖板涵5中涵洞内净高；
b为盖板涵5中涵洞内净宽；
厚度的单位、净高的单位或净宽的单位均是米。
高填方盖板涵柔性减载体系还包括预埋在灌浆碎石沟槽2顶部的预埋锚固钉4；底层土工格栅31铺设在地基1的上表面并通过预埋锚固钉4与灌浆碎石沟槽2固定连接。
底层土工格栅31通过U型钉固定在地基1的上表面。
灌浆碎石沟槽2的深度是2.0～4.5m；灌浆碎石沟槽2的宽度是0.8～2.0m。
灌浆碎石沟槽2内填充的碎石的最大粒径不超过100mm，灌浆碎石沟槽2内填充的碎石的含泥量不大于5％。
灌浆碎石沟槽2内灌填的浆液是水泥浆；水泥浆中掺入水玻璃以及UEA膨胀剂；水玻璃与水泥浆的重量比是1％～3％；UEA膨胀剂与水泥浆的重量比是8％～10％；水泥浆中的水灰比范围是0.45～0.8。
底层土工格栅31以及顶层土工格栅32的抗拉强度均不小于100kN/m；底层土工格栅31以及顶层土工格栅32的断裂延伸率均不大于5％；底层土工格栅31以及顶层土工格栅32均是一层或多层；当底层土工格栅31以及顶层土工格栅32均是多层时，相邻两层底层土工格栅31或相邻两层顶层土工格栅32之间的间距均是0.2～0.4m。
柔性填料层6是松散土体层、聚苯乙烯EPS泡沫塑料层、锯末层或废旧轮胎层；柔性填料层6的压实度低于柔性填料层周围填土的压实度。
同时，本发明还提供了一种对前述的高填方盖板涵柔性减载体系的施工方法，该施工方法包括以下步骤：
1)施工放样，准确放出基础位置、盖板涵5中涵洞轴线以及灌浆碎石沟槽2的位置；
2)采用人工配合挖掘机开挖灌浆碎石沟槽2；
3)向灌浆碎石沟槽2中回填碎石，并进行注浆，形成碎石灌浆加固区；在碎石灌浆加固区的上表面预先埋置预埋锚固钉4；
4)在地基1的上表面铺设底层土工格栅31，通过U型钉固定在地基1的上表面；通过预埋在灌浆碎石沟槽2中的预埋锚固钉4进行固定；
5)进行盖板涵5的基础、台身、台帽以及盖板施工；
6)当盖板涵5的涵身混凝土强度达到设计强度的80％以后，将路基填土7回填至涵顶；回填时涵台两侧时，同时对称进行，分层填筑，分层压实，每层填土厚度不大于20cm，压实度达到95％以上；
7)在涵顶铺设柔性填料层6至设计高度，并将涵顶两侧的路基填土7回填至柔性填料层6的顶部；
8)在柔性填料层6的顶部铺设顶层土工格栅32；
9)继续回填路基填土7直至路面标高。
本发明的实现原理是：
涵洞-填土-地基共同工作机理如图2所示，图中M12和K12分别为涵顶正上方填土质量和刚度，M11、M13和K11、K13分别为涵顶两侧填土质量；M22和K22分别为涵洞的质量和刚度，M21、M23和K21、K23分别为涵洞台背两侧填土质量和刚度；M32和K32分别为涵底正下地基的质量，M31、M33和K31、K33分别为涵底两侧地基的质量和刚度。τ1、τ2分别表示涵顶内、外土柱体之间的剪切摩擦力。
当涵洞不做减载措施处理时，由于涵洞刚度大于涵洞台背两侧填土刚度，即K11＝K13<K22，此时涵洞两侧填土竖向位移大于涵洞，通过涵顶内外土柱间的剪切摩擦力作用，将荷载传递到涵顶，导致涵顶承受的土压力较大，并产生应力集中现象，在较大荷载作用下，盖板涵跨中受力变形较大，涵顶极易开裂破坏，因此盖板涵不能应用于高填方路基中。而本发明提供的一种高填方盖板涵柔性减载体系，通过在地基中开挖灌浆碎石沟槽2增加了涵洞两侧地基的刚度，即K31＝K33>K32；而通过在涵顶铺设柔性填料层减小了涵顶上方填土刚度，即K11＝K13>K22。此时，涵洞垂直方向的等效刚度小于涵侧，在上覆填土荷载作用下涵洞沉降大于两侧填土，通过土体间剪切摩擦作用将涵洞上方的部分土压力荷载转移至碎石灌浆沟槽上，从而产生以碎石加固沟槽为拱脚的土拱效应，如图3所示。盖板涵5位于土拱线以下，基本上仅承受土拱内的松散土压力荷载，大大减小了涵洞受力变形，使盖板涵5应用于高填方路堤成为可能。
实施例1
参见图1，本发明提供的一种高填方盖板涵柔性减载体系，该体系包括布设于地基中的灌浆碎石沟槽2、铺设于地基表面的底层土工格栅31以及盖板涵顶部由柔性填料层6和顶层土工格栅32组成的柔性加筋体系。
其中，盖板涵5内净高3m，内净宽4m，顶板厚度0.25m，底板厚度0.5m，侧墙厚度0.3m。
灌浆碎石沟槽2平行于盖板涵5的涵洞走向，灌浆碎石沟槽2宽度为1.5m，深度为3m。
灌浆碎石沟槽2内缘距盖板涵5中心轴线的水平距离为4.8m。
碎石的最大粒径不超过100mm，含泥量不大于5％。
浆液采用水泥浆，并掺入2.5％的水玻璃，掺入9％的UEA膨胀剂，水灰比为0.55。
底层土工格栅31以及顶层土工格栅32均采用单层铺设，其抗拉强度为175kN/m，断裂延伸率为4.5％。
柔性填料层6采用废旧轮胎，节能环保，资源再利用。
本发明提供的高填方盖板涵柔性减载体系，其施工步骤如下：
1)施工放样，准确放出基础位置、涵洞轴线以及灌浆碎石沟槽2位置。
2)采用人工配合挖掘机开挖灌浆碎石沟槽2。
3)向碎石沟中回填碎石，并进行注浆，形成碎石灌浆加固区。
4)铺设底层土工格栅31，并通过预埋在灌浆碎石沟槽2中的预埋锚固钉4进行固定。
5)进行盖板涵5的基础、台身、台帽以及盖板施工。
6)当盖板涵5的涵身混凝土强度达到设计强度的80％以后，将路基填土7回填至涵顶。回填时涵台两侧应同时对称进行，分层填筑，分层压实，每层填土厚度为20cm，压实度应达到95％以上。
7)在涵顶铺设废旧轮胎至设计高度，并将涵顶两侧的路基填土7回填至柔性填料层顶部。
8)铺设顶层土工格栅32。
9)继续路堤填筑至路面标高。
本发明通过在盖板涵两侧的地基中开挖沟槽，回填碎石并进行灌浆，形成平行于涵洞走向的加固带，增加了涵侧地基刚度；同时涵顶柔性填料层加筋体系的存在减小了涵顶土体刚度。在上覆高填方土压力作用下，由于涵洞与涵侧在垂直方向上等效刚度的差异，导致涵洞沉降大于碎石灌浆沟槽顶部填土沉降，通过介质间的剪切摩擦作用，部分涵洞承担的填土荷载将传递到碎石灌浆沟槽上，从而产生以碎石灌浆沟为拱脚的土拱效应。盖板涵位于土拱线以下，涵体基本上仅承受土拱线之内的填土荷载，大大减小盖板涵受力。此外，涵顶和涵底处土工格栅产生的“提兜效应”，可以避免柔性填料层压实而引起路堤沉降过大，且可进一步减小涵顶土压力。本发明提供的高填方盖板涵柔性减载体系使盖板涵应用于高填方路堤成为可能，具有经济合理、质量可控、施工简便、适应范围广的优点。
最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，凡对本发明技术方案进行等效修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围的，皆应属于本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述高填方盖板涵柔性减载体系包括灌浆碎石沟槽(2)、底层土工格栅(31)、顶层土工格栅(32)、柔性填料层(6)以及路基填土(7)；所述灌浆碎石沟槽(2)沿盖板涵(5)的轴向设置在地基(1)中；所述灌浆碎石沟槽(2)是两个；两个灌浆碎石沟槽(2)并行设置；所述灌浆碎石沟槽(2)中填充有碎石以及灌填在碎石之间的浆液；所述底层土工格栅(31)铺设在地基(1)的上表面并与灌浆碎石沟槽(2)固定连接；盖板涵(5)设置在底层土工格栅(31)的上表面；所述顶层土工格栅(32)以及柔性填料层(6)自上而下依次设置在盖板涵(5)顶部；所述顶层土工格栅(32)的顶部以及盖板涵(5)的两侧部均填充有路基填土(7)；盖板涵顶部由柔性填料层(6)和顶层土工格栅(32)组成的柔性加筋体系，该柔性加筋体系的存在减小了涵顶土体刚度；
所述两个灌浆碎石沟槽(2)的内缘距盖板涵(5)的中心轴线的水平距离s满足下述条件：
其中：
ts为盖板涵(5)中涵洞顶板厚度；
tx为盖板涵(5)中涵洞底板厚度；
tc为盖板涵(5)中涵洞侧墙厚度；
h为盖板涵(5)中涵洞内净高；
b为盖板涵(5)中涵洞内净宽；
所述厚度的单位、净高的单位或净宽的单位均是米；
实际施工工程中，在上覆高填方土压力作用下，由于盖板涵的涵洞与涵侧在垂直方向上等效刚度的差异，导致涵洞沉降大于碎石灌浆沟槽顶部填土沉降，通过介质间的剪切摩擦作用，部分涵洞承担的填土荷载将传递到碎石灌浆沟槽上，从而产生以碎石灌浆沟槽为拱脚的土拱效应。
2.根据权利要求1所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述高填方盖板涵柔性减载体系还包括预埋在灌浆碎石沟槽(2)顶部的预埋锚固钉(4)；所述底层土工格栅(31)铺设在地基(1)的上表面并通过预埋锚固钉(4)与灌浆碎石沟槽(2)固定连接。
3.根据权利要求1所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述底层土工格栅(31)通过U型钉固定在地基(1)的上表面。
4.根据权利要求1或2或3所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述灌浆碎石沟槽(2)的深度是2.0～4.5m；所述灌浆碎石沟槽(2)的宽度是0.8～2.0m。
5.根据权利要求4所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述灌浆碎石沟槽(2)内填充的碎石的最大粒径不超过100mm，所述灌浆碎石沟槽(2)内填充的碎石的含泥量不大于5％。
6.根据权利要求5所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述灌浆碎石沟槽(2)内灌填的浆液是水泥浆；所述水泥浆中掺入水玻璃以及UEA膨胀剂；所述水玻璃与水泥浆的重量比是1％～3％；所述UEA膨胀剂与水泥浆的重量比是8％～10％；所述水泥浆中的水灰比范围是0.45～0.8。
7.根据权利要求6所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述底层土工格栅(31)以及顶层土工格栅(32)的抗拉强度均不小于100kN/m；所述底层土工格栅(31)以及顶层土工格栅(32)的断裂延伸率均不大于5％；所述底层土工格栅(31)以及顶层土工格栅(32)均是一层或多层；当底层土工格栅(31)以及顶层土工格栅(32)均是多层时，相邻两层底层土工格栅(31)或相邻两层顶层土工格栅(32)之间的间距均是0.2～0.4m。
8.根据权利要求7所述的高填方盖板涵柔性减载体系，其特征在于：所述柔性填料层(6)是松散土体层、聚苯乙烯EPS泡沫塑料层、锯末层或废旧轮胎层；所述柔性填料层(6)的压实度低于柔性填料层(6)周围填土的压实度。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的高填方盖板涵柔性减载体系的施工方法，其特征在于：所述施工方法包括以下步骤：
1)施工放样，准确放出基础位置、盖板涵(5)中涵洞轴线以及灌浆碎石沟槽(2)的位置；
2)采用人工配合挖掘机开挖灌浆碎石沟槽(2)；
3)向灌浆碎石沟槽(2)中回填碎石，并进行注浆，形成碎石灌浆加固区；在碎石灌浆加固区的上表面预先埋置预埋锚固钉(4)；
4)在地基(1)的上表面铺设底层土工格栅(31)，通过U型钉固定在地基(1)的上表面；通过预埋在灌浆碎石沟槽(2)中的预埋锚固钉(4)进行固定；
5)进行盖板涵(5)的基础、台身、台帽以及盖板施工；
6)当盖板涵(5)的涵身混凝土强度达到设计强度的80％以后，将路基填土(7)回填至涵顶；回填时涵台两侧时，同时对称进行，分层填筑，分层压实，每层填土厚度不大于20cm，压实度达到95％以上；
7)在涵顶铺设柔性填料层(6)至设计高度，并将涵顶两侧的路基填土(7)回填至柔性填料层(6)的顶部；
8)在柔性填料层(6)的顶部铺设顶层土工格栅(32)；
9)继续回填路基填土(7)直至路面标高。
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