用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构及施工方法与流程

本发明涉及高速公路地基处理，具体涉及用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构及施工方法。

背景技术：

1、山区高速公路服务区的选址较为困难，目前多采用开挖山坡和填筑山间坳沟的方式进行场地平整，形成场坪。单侧服务区面积约60-80亩，占地面积大，场坪按设计要求填筑后类似于中小型弃土场，沉降多以地基土的不均匀沉降为主，坳沟中的填筑体的整体稳定性较好。由于填筑体属于山区高速公路服务区的土建主体工程，加之后期需要在其上布置房屋建筑等构造物，故在低山-丘陵地区修建高速公路服务区时，多采用换填片碎石、碎石桩和素混凝土桩等方式对坳沟的软弱地基进行处理，再在处理后的地基上填筑土石形成填筑体，以保证填筑体的稳定性和沉降满足设计要求。

2、但是，采用上述方式对坳沟的软弱地基进行深层处治时，软弱地基的处治规模较大，处治费用较高；即便采用上述方式对坳沟的软弱土地基进行浅层处治，也需要开挖大量的非适宜性土，并转运至弃土场，然后回填片碎石、碎石桩和素混凝土桩等，不仅运量较大、费用较高，而且施工耗时较长，对环境的破坏较大。

技术实现思路

1、本发明意在提供用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构及施工方法，以解决现有技术对坳沟的软弱土地基进行浅层处治的费用较高、工期较长、环保性较差的技术问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构，包括从下到上依次设置的夯压片石层、石渣垫层和土工格室，夯压片石层由片石经夯压嵌入软弱土中形成，且夯压片石层内侧的厚度小于夯压片石层外侧的厚度。

4、说明：夯压片石层内侧，是指夯压片石层位于地面标高较低的一侧；相应的，夯压片石外侧，是指夯压片石层位于地面标高较高的一侧。

5、本方案的原理及有益效果是：

6、夯压片石，是抛石挤淤与低能级强夯的结合，其应用条件为：1)地基土一般为低液限粉质黏土、高液限黏土，不得为淤泥、淤泥质土；2)土体物理力学指标，天然含水量25％≤w≤35％，孔隙比0.7≤e≤1.0，压缩模量3≤es≤8mpa，静力触探指标0.4≤ps≤1.3mpa；3)底层结构为覆盖层(厚度一般为3-8m，最大不超过10m)+基岩；4)地形为种地山区的坳沟，即是由侵蚀作用而成的宽而浅的冲沟，填方的侧向约束条件较好；5)服务区填方高度一般为10-15m，最大不超过20m，当高度大于15m时，宜设置反压平台，且反压平台高度不大于10m。

7、1、本方案采用在软弱土上填筑片石，并通过夯压的方式将片石嵌入软弱土，形成夯压片石层，再在夯压片石层上依次设置石渣垫层和土工格室的方式，形成地基结构，实现对山区高速公路服务区的大面积浅层处治，相比于现有技术采用挖除软弱土，换填片碎石、碎石桩和素混凝土桩的方式进行浅层处治，本方案可以极大地减少开挖量，从而减少运量和费用，并有利于缩短工期，减少对环境的破坏。

8、2、本方案将片石采用夯压的方式嵌入软弱土中，片石间相互嵌固，软弱土填充于其间，形成硬壳层的夯压片石层，能够显著改善地基土的强度、提高地基土的抗变形能力，同时对软弱土也有挤密作用，因此，将夯压片石层作为地基结构的最底层，可以形成理想的地基结构，保证整个地基结构具有足够强的承载力，用于承载服务区的场坪区路堤填筑体，从而保证场坪区路堤填筑体的稳定性。

9、3、本方案在夯压片石层的顶部填充石渣，形成石渣垫层，由于石渣垫层的石渣具有比夯压片石层的片石更小的尺寸，石渣垫层的设置可以提高夯压片石层顶部的平整度，便于后续土工格室的水平铺设，从而对场坪区路堤进行平稳填筑，形成稳定的场坪区路堤填筑体；此外，石渣垫层相比于被挤密的土体，具有更疏松的结构，可以作为整个地基结构的排水通道，保证整个地基结构顺畅排水，从而保证地基结构的使用寿命。

10、4、本方案在石渣垫层的顶部铺设土工格室，形成完整的地基结构后，再在地基结构上填土，形成场坪区路堤填筑体，土工格室可以和填充其中的土壤一起，构成具有强大侧向限制和刚度的结构体，可以有效地增强整个地基结构的承载能力，起到分散荷载的作用，减少地基结构的不均匀沉降，从而减少场坪区路堤填筑体的变形。

11、5、本方案从下到上依次设置夯压片石层、石渣垫层和土工格室，以形成整体的地基结构，下部的夯压片石层以片石作为骨架，对地基的软弱土进行处理，并保证结构强度；中部的石渣垫层为调平层，可以提高夯压片石层的顶部平整度，便于后续的施工；上部的土工格室则可以控制整个地基结构的不均匀沉降，保证使用寿命；因此，本方案通过夯压片石层、石渣垫层和土工格室的协同作用，不仅实现了对软弱地基的有效处理，还可以保证自身的结构强度，从而保证填筑其上的场坪区路堤填筑体的稳定性。

12、6、本方案将夯压片石层内侧的厚度设置为小于夯压片石层外侧的厚度，由于地面标高较高一侧一般具有高于地面标高较低一侧的软弱土厚度，将位于地面标高较高一侧的夯压片石层的厚度增高，可以提高对该侧软弱土的处治效果，从而提高地基结构的整体结构强度；而将位于地面标高较低一侧的夯压片石层的厚度减小，可以在保证该侧软弱土处治效果的同时，节约片石用量，从而减少处治成本。

13、优选的，作为一种改进，所述夯压片石层中的片石，利用挖方和隧道洞渣中的砂岩、灰岩、泥灰岩、砾岩等轧制，天然抗压强度大于20mpa，长度为30-50cm，厚度为15-30cm。

14、有益效果：本方案利用挖方和隧道洞渣中的砂岩、灰岩、泥灰岩、砾岩等轧制片石，作为制作夯压片石层的材料，不仅可以实现废料的利用，降低服务区地基填筑成本，而且选用天然抗压强度大于20mpa的砂岩、灰岩、泥灰岩、砾岩等作为轧制片石的原料，可以保证夯压后形成的夯压片石层的结构强度，从而有利于保证场坪区路堤填筑体的稳定性，使得场坪区路堤填筑体满足沉降要求。此外，控制轧制的片石长度为30-50cm，厚度为15-30cm，可以在保证片石被顺利夯压至软弱土中的同时，减少甚至避免夯压过程中导致的片石破碎，并保证片石被夯压至软弱土中后能够有效形成骨架，保证地基结构的支撑强度；若片石的长度和厚度过小，分别小于30cm和15cm，则将其夯压至软弱土中时，可能造成片石破碎，从而难以形成骨架对软弱土进行有效处治，不利于提高地基结构的支撑强度，进而提高场坪区路堤填筑体的稳定性；若片石的长度和厚度过大，分别大于50cm和30cm，则会导致难以将其夯压至软弱土中，增加了施工难度。

15、优选的，作为一种改进，所述石渣垫层中的石渣，利用轧制片石时产生的渣料，粒径为2-10cm，含泥量为5-10％。

16、有益效果：本方案利用轧制片石时产生的渣料，作为制作石渣垫层的材料，不仅可以进一步实现废料的利用，从而进一步降低服务区地基填筑成本，而且石渣的天然抗压强度大于20mpa，可以保证石渣垫层的结构强度，从而提高整个地基结构的支撑强度，进一步保证场坪区路堤填筑体的稳定性，使得场坪区路堤填筑体满足沉降要求。此外，控制石渣的粒径为2-10cm，且含泥量为5-10％，可以在保证石渣垫层对夯压片石层顶部的有效调平作用的同时，保证整个地基结构的排水效果。若石渣的粒径过大，大于10cm，轧制片石时产生的渣料满足要求的数量较少，可能需要额外购买，提高了处治成本，并且具有大粒径的石渣，其对夯压片石层顶部的调平效果相对减小，不利于后续的施工；若石渣的粒径过小，小于2cm，则难以保证石渣垫层的结构强度，不利于提高整个地基结构对场坪区路堤填筑体的支撑强度。若石渣的含泥量过大，大于10％，则石渣的质量太差，将其填充至夯压片石层顶部后所形成的地基结构，其排水效果较差，难以保证使用寿命；若石渣的含泥量过小，小于5％，则对材料的要求过高，轧制片石时产生的渣料满足要求的量过少，需要额外购买满足要求的石渣，增加了处治成本。

17、优选的，作为一种改进，所述土工格室，单位宽度断裂拉力为150-220kn/m。

18、有益效果：本方案对土工格室的强度进行限定，即限定土工格室的单位宽度断裂拉力为150-220kn/m，可以在保证土工格室有效控制地基结构不均匀沉降的同时，将土工格室的造价控制的合理范围内，从而控制处治成本。若土工格室的强度太低，即单位宽度断裂拉力小于150kn/m，将其铺设在石渣垫层顶部之后，在使用过程中难以对地基结构的不均匀沉降进行有效控制，则无法保证地基结构的使用寿命；若土工格室的强度太高，即单位宽度断裂拉力大于220kn/m，虽然能够起到更好的控制地基结构不均匀沉降的效果，但是相应的造价会升高较多，不利于控制整体成本。

19、优选的，作为一种改进，所述土工格室设置有两层，且底层土工格室和石渣垫层之间的距离为30-60cm，两层土工格室之间的层间距为50-60cm。

20、有益效果：本方案在石渣垫层上设置两层土工格室，可以进一步防止地基结构发生不均匀沉降，从而进一步保证地基结构和场坪区路堤填筑体的使用寿命；若设置多层土工格室，虽然可以进一步提高对地基结构的不均匀沉降的控制效果，但是造价也会相应升高，而两层土工格室可以在保证对地基结构不均匀沉降具有良好控制效果的同时，将造价控制在合理范围内，减少处治成本。本方案将底层土工格室和石渣垫层之间的距离设置为30-60cm，两层土工格室之间的层间距设置为50-60cm，即在石渣垫层顶部填筑30-60cm厚的填土之后，再铺设底层土工格室，然后在底层土工格室顶部填筑50-60cm厚的填土之后，再铺设顶层土工格室，如此，可以保证土工格室与填土充分结合，形成具有强大侧向限制和刚度的结构体，可以有效地增强整个地基结构的承载能力，起到分散荷载的作用，减少地基结构的不均匀沉降，从而减少场坪区路堤填筑体的变形。

21、上述用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构的施工方法，包括以下步骤：

22、s1、材料准备：准备片石、石渣、土工格室等施工材料，并准备强夯机、挖掘机、铲运车等施工机械；

23、s2、施工放样：用测量仪器将设计图纸上工程建筑物的平面位置和高程测设到实地上；

24、s3、试夯：确定点夯的夯击能、夯击击数和前后两遍夯击间隔时间，确定普夯的夯击遍数和夯击能，并得到试夯总夯沉量；

25、s4、铺设夯压片石层：在软弱土上分层填筑片石，每填筑一层片石均进行一遍点夯，所有点夯完成后再进行普夯，形成夯压片石层；

26、s4-1：测量标高：清理平整场地，测量场地标高；

27、s4-2：铺设片石：铺设0.5-0.8m片石，测量场地，放出点夯的夯点；

28、s4-3、点夯：按照试夯确定的点夯的夯击能、夯击击数完成一个夯点的点夯，重复操作下一夯点，直至一遍点夯完成；

29、s4-4、平整场地：采用推土机将夯坑填平；

30、s4-5、普夯：重复上述步骤s3-1至s3-4，直至所有点夯完成后，按照试夯确定的普夯的夯击遍数和夯击能完成普夯；

31、s5、计算总夯沉量：计算实际总夯沉量，实际总夯沉量＝场地平整标高+片石填筑厚度－普夯后场地标高，实际总夯沉量与试夯总夯沉量的正负误差不超过10％；

32、s6、检查施工资料，进行载荷试验：检查锤重、锤底面积、落距、夯点布置、夯击遍数、前后两遍之间的间隔时间等，对夯压片石层进行荷载试验，确定夯压片石层的承载力，承载力＝填方高度×土体容重/1.2-1.5；；

33、s7、铺设石渣垫层：在夯压片石层上铺设石渣，通过振动压路机碾压密实，形成石渣垫层；

34、s8、铺设土工格室：在石渣垫层上填土后铺设土工格室，通过振动压力机碾压密实。

35、本方案的原理及有益效果是：

36、1、本方案对坳沟中的服务区场坪软弱土地基处理采用浅层处治时，避免使用碎石桩、素混凝土桩等复合地基，施工效率高，工程质量可靠；避免了大量的挖除软弱土，直接采用挖方中的石料轧制成片石后夯压入地基土，节省了运距，减少了土石方运量，符合绿色公路的理念；相较于现有技术采用的复合地基及大量的挖除换填，显著的降低了山区高速公路服务区场坪地基处理费用。

37、2、本方案利用分层填筑的片石嵌入进软弱土，形成硬壳层，满足场坪区路堤填筑体的承载力与稳定性的要求，并利用强夯法的有效加固深度，对较深处的软弱层进行加固，在路堤填筑之前形成一定的沉降，从而满足较高路堤填筑后的工后沉降。

38、3、本方案在铺设夯压片石层之前先进行试夯，以确定点夯的夯击能、夯击击数和前后两遍夯击间隔时间，并确定普夯的夯击遍数和夯击能，可以有效提高点夯和普夯的夯击效率，并保证夯击效果，有利于保证所形成的地基结构的承载力达到设计要求，从而保证对场坪区路堤填筑体的支撑稳定性。

39、4、本方案在普夯完成后，对实际总夯沉量进行计算，则可以将实际总夯沉量与试夯总夯沉量进行比较，若实际总夯沉量小于试夯总夯沉量，且实际总夯沉量与试夯总夯沉量的负误差超过10％，可以及时进行补夯，以保证夯压片石结构达到施工要求。

40、5、本方案在铺设石渣垫层之前，先对夯压片石层进行荷载试验，以确定夯压片石层的承载力，则可以将确定的夯压片石层的承载力与设计规范进行比较，若确定的额夯压片石层的承载力达不到设计规范的要求，可以及时对其进行补夯，以保证夯压片石层的支撑强度，从而保证整个地基结构的支撑强度。

41、优选的，作为一种改进，所述点夯的夯击能为400-2000kn，按400-600kn一级，每遍点夯的能级逐步增大；每遍点夯的夯击击数为2-5击，且随着点夯遍数的增加，每遍点夯的夯击击数加大；点夯的夯击遍数为3遍。

42、有益效果：本方案设置上述点夯的夯击能、每遍点夯的夯击击数以及点夯的夯击遍数，保证既能将片石有效夯压至软弱土中，又不会过多击碎片石，同时避免对地基土造成过多扰动。若点夯的夯击能、每遍点夯的夯击击数以及点夯的夯击遍数过小，则难以保证片石的压入深度，若点夯的夯击能、每遍点夯的夯击击数以及点夯的夯击遍数过大，则会过多击碎片石，均会导致夯压片石层的结构强度降低，难以对场坪区路堤填筑体进行稳定支撑。

43、本方案将每遍点夯的能级逐渐增大，以保证将片石按照预期压入软弱土，相比于每遍都采用高能级进行点夯，本方案可以避免击碎片石，保证压入软弱土中的片石所形成的片石骨架具有较高的完整性，有利于提高地基结构的承载力，从而保证场坪区路堤填筑体的稳定性。

44、本方案将每遍点夯的夯击击数随着点夯遍数的增加而加大，可以在保证片石夯压效果的同时，节约能源；由于第一遍压入的片石没有阻挡，因此采用较小的夯击击数即可将其按照预期压入软弱土，而后面压入的片石，由于前面压入的片石的阻挡，需要增加夯击击数，以保证所有片石均按预期被压入软弱土中，提高夯压片石层的结构强度。

45、优选的，作为一种改进，所述普夯的夯击遍数为1-3遍，夯击能为800-1000kn，单点夯击击数为2-3击。

46、有益效果：本方案将普夯设置上述的夯击遍数、夯击能和单点夯击击数，可以有效达到初步调整点夯处理后的片石骨架结构、初步平整场地的目的。普夯的目的只是为了平整场地，若夯击能和单点夯击击数过小，则无法达到预期的平整场地的效果；而普夯已经无法再向软弱土中压入片石，若夯击遍数过多、夯击能和单点夯击击数过大，则会造成能源的浪费。

47、优选的，作为一种改进，所述点夯的夯点按正三角形布置，且锤印彼此不搭接；普夯的锤印彼此搭接不小于1/4锤径。

48、有益效果：本方案将点夯的夯点按正三角形布置，相比于将夯点按矩阵布置的方式，可以取得更大地置换率，夯击效果更好。点夯实为了向软弱土中夯压入片石，故夯点之间需要有一定的间距，本方案将点夯的锤印设置为彼此不搭接，可以避免点夯的夯点过密，从而有效将片石压入软弱土中。而普夯的目的是调整夯压片石层顶部的片石骨架结构，实现平整场地，因此本方案将普夯的锤印设置为彼此搭接不小于1/4，可以保证普夯的效果，即提高夯压片石层顶部的平整性，以方便后续施工步骤的开展。

49、优选的，作为一种改进，软弱土的含水量较大时，点夯的夯击遍数为5-6遍，且前后两遍夯击间隔时间为4-6天。

50、有益效果：当软弱土的含水量较大时，夯击时孔隙水压力也较大，夯击能的损失较大，每遍点夯对片石下部土体的预固效果不明显，需要增加点夯的夯击遍数(从3遍)至5-6遍，以保证片石下部土体的沉降到位，从而保证工后沉降较小，有利于延长使用寿命。此外，将前后两遍夯击间隔时间设置为4-6天，可以给足孔隙水压力消散的时间，保证点夯对片石下部土体的固结压缩效果。

51、总的来说，上述用于山区高速公路服务区浅层处治的地基结构的施工方法，其设计施工时采用“低能级、少击数、多遍数、先轻后重”的原则，其锤底面积较强夯置换法大得多，与强夯置换、强夯半置换等在加固机理、设计理念上具有较大的差别。