CN112195701A - 软土地基结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种软土地基结构及其施工方法。软土地基结构包括软土地基、箱式基础以及路基，软土地基设有沟槽，箱式基础设于沟槽内，箱式基础为空心结构，路基覆盖于箱式基础的上表面，路基的重量、路基承载的重量以及箱式基础的重量之和与软土地基的沟槽部分被挖出的软土重量相等。软土地基结构的施工方法，步骤如下：施工准备，设计箱式基础；在软土地基中挖出部分软土形成沟槽；在沟槽内浇筑箱式基础，使箱式基础的外壁与软土地基贴合；在箱式基础的上铺路基，并进行压实处理。本发明的软土地基结构及其施工方法，可以消除路基对软土地基的附加应力，使得路基不产生竖向沉降，且箱式基础也可以作为地下的综合管廊使用，充分利用地下空间。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种软土地基结构及其施工方法。
背景技术
我国沿海地区分布着广阔的软土，软土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点。请参考图1所示，对于天然软土地基101，因其表面102没有荷载作用，软土地基101的自重应力分布曲线103分布合理，软土地基101在自重应力作用下不会产生竖向沉降。在软土地区修建道路路基时，请参考图2所示，在软土地基201的表面202填筑一定高度的路基203，软土的自重应力分布曲线204分布如图，由于软土具有高压缩性，在路基203荷载的作用下，软土地基201中会产生附加应力，附加应力曲线205分布如图，软土地基201会产生竖向沉降，过大的竖向沉降会对道路产生诸多不利影响。因此，在设计阶段需对软土地基进行处理，使处理后的路基沉降控制在规范允许范围内。
目前，软土路基处理的方法主要有三大类：排水固结法、复合地基法和轻质路堤法。排水固结法是软土地基在道路路基自身重量的作用下，通过布置竖向排水井(砂井或塑料排水袋等)，使土中的孔隙水被慢慢排出，软土地基逐渐固结，软土地基发生沉降；随着土体超静孔隙水压力的逐渐消散，土体有有效应力逐渐增加，地基抗剪强度逐渐增加，并使沉降提前或提高沉降速率，以达到路基在使用阶段减少路基沉降的目的，但是此方法的预压期长，施工工期长，且由于土体固结是一个非常漫长的过程，需要几十年或者更长，道路在运营过程中，路基还会产生一定的沉降。复合地基法是天然地基在地基处理过程中，部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋体，由天然地基土体和增强体两部分组成共同承担上部荷载的人工地基，道路工程中常采用水泥搅拌桩、高压旋喷桩、预应力管桩等对软土地基进行处理，以达到减少路基沉降的目的；轻质路堤法是利用泡沫混凝土、EPS等轻质材料作为路基填料，以减少路基自重，从而达到减少沉降的目的。复合地基法、轻质路堤法能够在一定程度上减少路基沉降，但不能从根本上消除路基沉降，尤其对于深厚软土地基(软土埋深20m～40m的地基)，路基沉降较大。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种软土地基结构及其施工方法，可以消除路基对软土地基的附加应力，使得路基不产生竖向沉降，且箱式基础也可以作为地下的综合管廊使用，充分利用地下空间。
本发明采取的技术方案如下：本发明提供一种软土地基结构，包括软土地基、箱式基础以及路基，所述软土地基设有沟槽，所述箱式基础设于所述沟槽内，所述箱式基础为空心结构，所述路基覆盖于所述箱式基础的上表面，所述路基的重量、所述路基承载的重量以及所述箱式基础的重量之和与所述软土地基的沟槽部分被挖出的软土重量相等。于本发明一实施例中，所述软土地基结构还包括隔板，所述隔板设于所述箱式基础内，所述隔板将所述箱式基础分隔成多个分隔腔，以增强箱式基础的结构强度。
于本发明一实施例中，所述隔板包括若干相互平行的纵向隔板和若干相互平行的横向隔板，所述纵向隔板与所述横向隔板相互垂直；纵向隔板之间与横向隔板之间均等间隔设置。
于本发明一实施例中，所述箱式基础的上表面比所述软土地基的表层高出0.30-0.70m。
于本发明一实施例中，所述箱式基础为钢筋混凝土箱。
于本发明一实施例中，所述路基的横断面为梯形，所述路基的边坡坡率为1:1.5；所述箱式基础的横断面为矩形。
于本发明一实施例中，所述路基的材料为石灰土。
本发明还提供一种软土地基结构的施工方法，用于上述的软土地基结构的施工，步骤如下：
步骤一：施工准备，根据软土地基设计箱式基础的结构；
步骤二：在软土地基中挖出部分软土形成用于浇筑箱式基础的沟槽；
步骤三：在沟槽内浇筑箱式基础，使得箱式基础的外壁与软土地基贴合；
步骤四：制备路基填料，在箱式基础的上表面铺设路基填料形成路基，并对路基进行压实处理。
于本发明一实施例中，所述步骤四中的路基填料为石灰与步骤二中挖出的软土混合制成的石灰土。
本发明的有益效果是：本发明提供的软土地基结构及其施工方法，包括软土地基、箱式基础以及路基，在软土地基中挖出部分软土形成沟槽，在沟槽内浇筑箱式基础，以代替被挖出的软土，由于箱式基础为空心结构，使得当体积相同时，箱式基础的重量要小于被挖出的软土的重量，再在箱式基础上铺设路基，使得箱式基础的重量和路基的重量以及路基承载的重量之和等于沟槽部分被挖出的软土的重量，使得软土地基没有增加额外重量，此时箱式基础底面所受到的应力与软土地基中同一水平的自重应力相等，软土地基的受力状态没有改变，软土地基不会发生沉降，进而路基也不会产生竖向沉降，此外，箱式基础也可以作为地下的综合管廊使用，用于排水、电力、通讯等管线的建设和管理，以充分利用地下空间。
附图说明
图1是现有的软土地基的结构示意图；
图2是现有的铺设路基后软土地基的结构示意图；
图3是本发明的软土地基结构的示意图；
图4是本发明的箱式基础的沿长宽方向的示意图；
图5是本发明的箱式基础和路基的横断面的示意图。
图中各附图标记为：1、软土地基；2、箱式基础；3、路基；4、隔板；P0为软土地基的自重应力；P为箱式基础底面所受到的应力；L为箱式基础的长度；W为箱式基础的宽度；H2为箱式基础的高度；P1为车辆荷载引起的基底应力；P2为路基荷载引起的基底应力；P3为箱式基础荷载引起的基底应力；H1为路基填高；101、软土地基；102、软土地基表面；103、软土的自重应力分布曲线；201、软土地基；202、软土地基表面；203、路基；204、软土的自重应力分布曲线；205、附加应力曲线。
具体实施方式
下面结合各附图，通过具体实施例，对本发明进行详细、完整的描述。
请参考图3所示，本发明提供一种软土地基结构，包括软土地基1、箱式基础2以及路基3，软土地基1设有沟槽，箱式基础2设于沟槽内，箱式基础2为空心结构，路基3覆盖于箱式基础2的上表面，路基3的重量、箱式基础2的重量以及路基承载的重量之和与软土地基1的沟槽部分的软土重量相等。在软土地基1中挖出部分软土形成沟槽，将箱式基础2置于沟槽内，以代替被挖出的软土，由于箱式基础2为空心结构，使得当体积相同时，箱式基础2的重量要小于被挖出的软土的重量，再在箱式基础2上铺设路基3，使得箱式基础2的重量、路基3的重量以及路基承载的重量之和等于沟槽部分被挖出的软土的重量，使得软土地基1没有增加额外重量，此时箱式基础底面所受到的应力P与软土地基1中同一水平的自重应力P0相等，软土地基1的受力状态没有改变，软土地基1不会发生沉降，进而路基3也不会产生竖向沉降，此外，箱式基础2也可以作为地下的综合管廊使用，用于排水、电力、通讯等管线的建设和管理，以充分利用地下空间。
请参考图3-5所示，软土地基结构还包括隔板4，隔板4设于箱式基础2内，隔板4将箱式基础2分隔成多个分隔腔。设置隔板4可以增强箱式基础2整体的结构强度，从而保证软体地基结构整体的使用寿命。
隔板4包括若干相互平行的纵向隔板4和若干相互平行的横向隔板4，纵向隔板4与横向隔板4相互垂直；纵向隔板4之间与横向隔板4之间均等间隔设置。但不限于此，箱式基础2内也可以只设置纵向隔板4，而不设置横向隔板4，由于箱式基础2的结构强度主要取决于竖向的结构强度，仅设置纵向隔板4在保证箱式基础2的结构强度前提下，还可以减少箱式基础2整体的重量。隔板4的设置方式可以根据具体的使用情况进行设置。
箱式基础2的上表面比软土地基1的表层高出0.30-0.70m，在保证箱式基础2的结构稳定的前提下，不仅可以减少软土地基1的开挖深度，还可以减小路基3的实际填高，大大减少了施工的工作量。
箱式基础2为钢筋混凝土箱。钢筋混凝土箱的强度高，具有很高的抗压强度、抗弯拉强度和抗磨耗能力，能够用于重载的交通，且稳定性好，整体的强度随着时间的延长，强度逐渐提高，不会存在“老化”现象，经久耐用，使用寿命长。
路基3的横断面为梯形；箱式基础2的横断面为矩形，设计合理，结构强度具有稳定性。路基3的边坡坡率为1:1.5，能够较好地保护和支撑路基3。
路基3的材料为石灰土，石灰土制成的路基3相对于土石混合料路基填料来说，其强度高、整体性好，可大大延长路面的使用寿命，且造价低，经济性好。
本发明还提供一种软土地基结构的施工方法，用于上述的软土地基结构的施工，步骤如下：
步骤一：施工准备，根据软土地基1设计箱式基础2的结构；
步骤二：在软土地基1中挖出部分软土形成用于浇筑箱式基础2的沟槽；
步骤三：在沟槽内浇筑箱式基础2，使得箱式基础2的外壁与软土地基1贴合；
步骤四：制备路基3填料，在箱式基础2的上表面铺设路基3填料形成路基3，并对路基3进行压实处理。
在软土地基1中挖出部分软土形成沟槽，在沟槽内浇筑箱式基础2，以代替被挖出的软土，由于箱式基础2为空心结构，使得当体积相同时，箱式基础2的重量要小于被挖出的软土的重量，再在箱式基础2上铺设路基3，使得箱式基础2的重量、路基3的重量以及路基承载的重量之和等于沟槽部分被挖出的软土的重量，使得软土地基1没有增加额外重量，此时箱式基础底面所受到的应力P与软土地基1中同一水平的自重应力P0相等，软土地基1的受力状态没有改变，软土地基1不会发生沉降，进而路基3也不会产生竖向沉降，此外，箱式基础2也可以作为地下的综合管廊使用，用于排水、电力、通讯等管线的建设和管理，以充分利用地下空间。
步骤四中的路基3填料为石灰与步骤二中挖出的软土混合制成的石灰土。将挖出的软土作为原材料，可以达到废土综合利用目的，既环保，又降低工程造价；同时还可以避免因路基3填料采购而开挖山体，节约矿产资源。
一实施例中，箱式基础的结构设计如下：
现选取某高速公路某路段进行软土地基结构设计。该设计适用于双向六车道高速公路，设计速度为100km/h，路基宽33.5m，该路段路基3填高3.96m～4.31m不等，平均填高约为4.0m，路基3两侧的边坡均为1：1.5，路基3横坡为2％，设计荷载为公路-Ⅰ级。
(1)检测工程地质情况
本段地基位于海积平原区，地势开阔平坦。钻孔揭示地基下方表层黏土，灰黄色，可塑，厚度0～1.6m；下层为淤泥，灰色，流塑，高压缩性，厚度约14m；下伏淤泥、砾砂、黏土，具体参数如下表1所示：
表1本段地基地质断面与各层地质基础参数
(2)箱式基础平面尺寸拟定
请参考图4和图5所示，箱式基础2厚0.50m，隔板4厚0.30m。箱式基础2长度L为100m，宽度W为44m，高度H2。
(3)基底应力计算
3.1车辆荷载引起的基底应力P1
根据《公路桥涵设计通用规范》，设计为双向六车道，路基3宽33.5m，车辆荷载横向布设按八辆重车考虑，车辆荷载作用下对箱式基础2基底应力：
P1＝∑G/A＝8×550/[(33.5+3×(H1-0.5))×(13+2×(H1-0.5)×TAN(30°))]＝5.87KN/m2
3.2路基荷载引起的基底应力P2
路基3顶宽33.5m，路基3边坡坡率为1：1.5，路基3高H1＝4.0m，箱式基础2顶板伸入路基3底部0.50m，路基底宽为3(H1-0.5)。路基填料采用石灰土，石灰土容重为18KN/m3。
P2＝∑G/A＝[(33.5+33.5+3(H1-0.5))×(H1-0.5)/2]×γ/[33.5+3×(H1-0.5)]＝55.48KN/m2
3.3箱式基础荷载引起的基底应力P3
为了减少基础开挖深度，将箱式基础2露出软土地基1高度约为0.50m，使得路基3实际填高减少0.50m。箱式基础2横向宽度为33.5+3(H1-0.5)m，计算基底应力时纵向按5m计。箱式基础2的厚度为0.50m，箱式基础2的上表面所在的一侧为顶板，箱式基础2的底面所在的一侧为底板，箱式基础2内部的隔板为0.30m，箱式基础2高度为H2，箱体采用C30钢筋混凝土浇筑，混凝土密度为25KN/m3。
∑G＝G顶板+G底板+G横向隔板+G纵向隔板
P3＝∑G/A＝[(33.5+3(H1-0.5)-2×0.5)+(5-2×0.3)×6]×0.3×(H2-2×0.5)×γ/[(33.5+3×(H1-0.5))×5]+2×0.5×γ＝2.37H2+22.63
3.4软土地基自重应力P0
箱式基础2所处的软土地基有两层，第一层土为黏土，土层厚度为1.6m，天然湿密度为19.7KN/m3，第二层为淤泥，土层厚度为13.8m，天然湿密度为16.5KN/m3。
P0＝γh＝1.6×19.7+(H2-0.5-1.6)×16.5＝16.5H2-3.13
(4)箱式基础高度计算
为了使箱式基础2基底不产生附加应力，即软土地基1自重应力与其上部荷载产生的基底应力相等，其中箱式基础底面所受到的应力P＝P1+P2+P3，即
P0＝P1+P2+P3
16.5H2-3.13＝5.87+55.48+2.37H2+22.63
H2＝6.1m
(5)不同路基填筑高度对应箱式基础高度
经计算分析，箱式基础2基底不产生附加应力时，路基3宽度、淤泥天然湿密度对箱式基础2的埋深影响较小，箱式基础2的埋深主要受路基3填高影响，现根据不同的路基3填高按上述方法计算确定相应的箱式基础2参数表，详见表2。
表2路基填高与箱式基础的关系
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种软土地基结构，其特征在于，包括软土地基、箱式基础以及路基，所述软土地基设有沟槽，所述箱式基础设于所述沟槽内，所述箱式基础为空心结构，所述路基覆盖于所述箱式基础的上表面，所述路基的重量、所述路基承载的重量以及所述箱式基础的重量之和与所述软土地基的沟槽部分被挖出的软土重量相等。
2.如权利要求1所述的软土地基结构，其特征在于，还包括隔板，所述隔板设于所述箱式基础内，以增强箱式基础的结构强度。
3.如权利要求2所述的软土地基结构，其特征在于，所述隔板包括若干相互平行的纵向隔板和若干相互平行的横向隔板，所述纵向隔板与所述横向隔板相互垂直；纵向隔板之间与横向隔板之间均等间隔设置。
4.如权利要求1所述的软土地基结构，其特征在于，所述箱式基础的上表面比所述软土地基的表层高出0.30-0.70m。
5.如权利要求1所述的软土地基结构，其特征在于，所述箱式基础为钢筋混凝土箱。
6.如权利要求1所述的软土地基结构，其特征在于，所述路基的横断面为梯形，所述路基的边坡坡率为1:1.5；所述箱式基础的横断面为矩形。
7.如权利要求1所述的软土地基结构，其特征在于，所述路基的材料为石灰土。
8.一种软土地基结构的施工方法，其特征在于，用于权利要求1-7任一所述的软土地基结构的施工，步骤如下：
施工准备，根据软土地基设计箱式基础的结构；
在软土地基中挖出部分软土形成用于浇筑箱式基础的沟槽；
在沟槽内浇筑箱式基础，使得箱式基础的外壁与软土地基贴合；
制备路基填料，在箱式基础的上表面铺设路基填料形成路基，并对路基进行压实处理。
9.如权利要求8所述的软土地基结构的施工方法，其特征在于，所述步骤四中的路基填料为石灰与步骤二中挖出的软土混合制成的石灰土。
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2020
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