一种排水松木桩加固软黏土地基及其施工方法.pdf

本发明公开了一种排水松木桩加固软黏土地基及其施工方法，软黏土地基中压入若干排水松木桩，所述排水松木桩以松木桩为芯材，并包裹土工织物或土工布作为排水结构层，软黏土地基表面布置水平排水砂垫层。本发明中排水松木桩将排水功能与加固功能复合于一体，特别适合于中小型水工构筑物软黏土地基的加固处理；也适合超软弱吹填土、泥炭土地基的初级加固处理，根据处理的时效性，排水松木桩可以拔出后重复使用。

权利要求书
1.  一种排水松木桩加固软黏土地基，其特征在于，软黏土地基中压入若干排水松木桩，所述排水松木桩以松木桩为芯材，并包裹土工织物或土工布作为排水结构层。

2.  根据权利要求1所述的排水松木桩加固软黏土地基，其特征在于，软黏土地基表面布置水平排水砂垫层。

3.  根据权利要求2所述的排水松木桩加固软黏土地基，其特征在于，水平排水砂垫层上方构筑水工构筑物或预压载荷层。

4.  根据权利要求1所述的排水松木桩加固软黏土地基，其特征在于，所述排水结构层是由里到外包裹的土工布、无纺型土工织物、土工织物构成的。

5.  一种排水松木桩加固软黏土地基的施工方法，其特征在于步骤如下：
（1）将天然松木材料经过简单加工，作为排水松木桩的芯材；
（2）以松木桩为芯材，包裹土工织物或土工布作为排水结构层，从而形成了排水松木桩；
（3）在软黏土地基加固处理中，根据软黏土地基的状态和加固处理要求，将排水松木桩压入软黏土地基，形成兼具排水和加固功能的复合地基。

6.  根据权利要求5所述的排水松木桩加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：所述排水结构层是由里到外包裹的土工布、无纺型土工织物、土工织物构成的。

7.  根据权利要求5所述的排水松木桩加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：排水松木桩的排水结构层超出芯材顶部，排水结构层超出部分埋于水平排水砂垫层中。

8.  根据权利要求6所述的排水松木桩加固软黏土地基的施工方法，其特征在于：在水平排水砂垫层上方构筑水工构筑物或预压载荷层。

说明书一种排水松木桩加固软黏土地基及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种软黏土地基及其施工方法，属于软土工程技术领域。
背景技术
软黏土地基是指由软黏土（淤泥、淤泥质土）构成的地基，它是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的。软黏土的具有“黏粒含量高、含水率高、渗透性低、不排水强度低、流变性高”的特征。软黏土的工程特性决定了软黏土地基承载力低、地基变形大、不均匀变形也大，且变形稳定历时较长，常导致软弱地基上的构筑物发生沉降、倾斜、开裂等病害，严重者导致构筑物倒塌或是丧失了正常使用功能。
针对软黏土地基的工程特性，在多年工程实践和理论研究的基础上，形成了多种软黏土地基加固处理方法，其加固机理、施工工艺、适用范围及优缺点互有异同，简述如下：
方法1：化学加固法。即采用深层搅拌、高压旋喷等方法，形成水泥土桩柱体，桩柱体比软弱土具有更高的强度刚度，桩柱体和软土形成复合地基共同承担上部荷载、协调变形，从而达到提高软软地基承载力、减小地基变形的目的。该方法需要专门的施工机械设备，适合场地平整的较大面积软弱地基的加固处理；且当软土中有机质含量较高时（如泥炭土），化学加固效果则很不稳定，需要专门研究改性使用。
方法2：排水预压法。排水预压法包括排水系统和加压系统。排水系统通常采用砂井、袋装砂井、塑料排水带构成竖向排水系统，水平向排水系统常有砂垫层构成。加压系统常采用堆载预压和真空预压。加压系统的作用是使得软弱地基中产生水头差，排水系统的作用是缩短排水路径，加速固结完成的时间。预压法需要专门的施工设备、施工工艺要求较高，适合大面积平整场地的加固处理。
方法3：碎石桩法：采用振冲法、沉管法、强夯置换等方法，在软弱中形成散体材料桩，碎石桩在复合地基中起到置换、排水、桩体作用。该法需要专门施工设备，对施工场地平整度、施工条件有一定要求。在软黏土地基中，碎石桩的承载力主要取决于软黏土本身对碎石桩的侧向极限约束力，因此当软黏土较软弱时，碎石桩法在软弱地基中很难形成有效的桩柱体。
方法4：刚性桩法：常采用打入预制桩、或者采用CFG桩法就地形成刚性桩处理软弱地基。该法需要专业的施工设备，且一般在软弱地基工程特性较好的场地才能充分发挥刚性桩的效果。在超软弱黏性土地基中，刚性桩难以发挥其承载力高的特点。
方法5：松木桩法：对于一些修建在软弱地基上的中小型水工构筑物，常采用小松木桩进行软黏土地基的加固处理。这是由于中小型水工构筑物高度一般不大（如3.0m~6.0m），作用于软黏土地基的应力也不高（一般小于200kPa），而中小型水工构筑物常呈细长型，需要根据地形地貌条件设置；在这种条件下，采用大型常规软黏土地基处理方法存在施工场地条件差、大型设备转场困难、施工材料难以就地取材、地基过度处理、施工成本高等问题。从技术经济方面考虑，工程中常采用压入（打入）小松木桩（就地取材，简单加工）进行中小型水工构筑物的软黏土地基处理，经济效果明显。但小松木桩加固处理软黏土地基，常存在如下问题：
i)当软黏土地基工程特性较好、水工构筑物不高时，松木桩处理软黏土地基效果较好，使用多年水工构筑物变形很小，能够满足正常使用的要求；
ii)当软黏土地基工程特性较差时（如软土液性指数较高，处于软塑或流塑状态），松木桩复合地基使用多年后，常出现水工构筑物沉降变形较大且多年难以稳定，造成水工构筑物（挡土挡水结构）开裂甚至失稳破坏的问题。该问题一直未引起业界足够重视的原因主要有如下几点：a)中小型水工构筑物变形是一个长期的过程，短期内变形积累没有明显影响构筑的正常使用；b)多年后变形过大时，常采用拆除重修的方法解决；正因为变形的缓慢性和长期性，松木桩复合地基常用于中小型水工构筑物软黏土地基的加固处理，但对其长期变形破坏机理及解决方案长期以来一直没有引起工程界的重视，使得小松木桩处理软黏土地基的缺陷长期存在而未得到应有的改进和解决。
可见，传统松木桩加固软黏土地基存在变形大的问题，该问题长期以来未引起工程界的重视和解决，限制了松木桩在软黏土地基加固处理中的应用。针对松木桩加固软黏土地基的变形问题的土力学原理，改进松木桩结构，将排水固结功能引入松木桩，使传统松木桩兼具排水固结和加固补强作用，是解决松木桩处理软黏土地基变形问题的一种有效方法。这是本发明的技术背景和出发点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种排水松木桩加固软黏土地基及其施工方法，以解决传统松木桩加固软黏土地基时存在的如下几个问题：(i)沉降变形过大问题；(ii)沉降变形时间过长问题；(iii)地基承载力难以通过固结排水途径提高的问题；(iv)软土粘地基在荷载作用下蠕变变形较大问题。
本发明采用了下述技术方案，一种排水松木桩加固软黏土地基，其特征在于，软黏土地基中压入若干排水松木桩，所述排水松木桩以松木桩为芯材，并包裹土工织物或土工布作为排水结构层。
进一步改进，软黏土地基表面布置水平排水砂垫层。
进一步，水平排水砂垫层上方构筑水工构筑物或预压载荷层。
上述排水松木桩软黏土地基的施工方法，步骤如下：
（1）将天然松木材料经过简单加工（直径约100mm~200mm），作为排水松木桩的芯材（同传统松木桩）；长度可根据工程性质和场地条件确定，一般适合处理1.5m~4.0m浅层软弱地基；
（2）以松木桩为芯材，包裹土工织物或土工布作为排水结构层，从而形成了排水松木桩；排水结构层总厚度为10mm~15mm，具有良好的纵向和横向排水能力，可起到排水减压、缩短排水路径长度的作用。
（3）在软黏土地基加固处理中，根据软黏土地基的状态和加固处理要求，将排水松木桩采用人工静压（或者采用挖掘机等辅助静压）方式，以一定的间距和深度压入软黏土地基，形成兼具排水和加固功能的复合地基。
进一步优选，排水松木桩的排水结构层超出芯材顶部约500mm，排水结构层超出部分埋于水平排水砂垫层中。
排水松木桩将塑料排水带的排水功能与木桩的加固功能复合于一体，特别适合于中小型水工构筑物软黏土地基的加固处理；也适于超软弱吹填土、泥炭土地基的初级加固处理，根据处理的时效性，排水松木桩可以拔出后重复使用。
与现有技术比较，本发明具有如下优点：
i)与传统松木桩相比较：由于增加了排水结构层，工程荷载引起的超孔隙水压力可通过排水结构层快速排出，压缩沉降可短期完成；由于排水固结作用可有效提高软黏土的不排水抗剪强度，从而起到提高复合地基承载力、减小工后沉降的作用和效果。
ii)与传统刚性状（CFG桩，混凝土桩）相比：排水松木桩采用天然材料，可就地取材；施工工艺简单，对场地条件的适宜性强；从技术经济方面来看，在中小型水工结构软土地基处理、泥炭质有机土软弱地基、超软弱吹填土软弱地基的初级处理中，排水松木桩技术具有较明显的技术经济优势。
iii)与单纯的砂井、袋装砂井、塑料排水带处理软黏土地基相比：排水松木桩复合结构中的松木桩可作为竖向增强体起到桩柱体的作用，通过置换作用可提高复合地基的承载力；而传统的砂井、袋装砂井、塑料排水带在软弱地基处理中仅起到排水减压作用，而没有竖向增强体的置换增强作用。
iv)与散体材料桩（碎石桩）相比：碎石桩处理软土地基时碎石桩的承载力取决于软黏土的极限侧向约束力，从而限制了碎石桩复合地基承载力的提高；而排水松木桩的极限承载力取决于桩侧极限摩阻力和桩端极限端承力，因此在软弱地基中，可通过调节排水松木桩的桩长而提高其单桩承载力，不受软弱地基极限侧向约束力的限制。
附图说明
图1为本发明所述排水松木桩的横断面图。
图2为本发明所述排水松木桩的纵断面图
图3为本发明所述排水松木桩加固中小型水工构筑物软黏土地基示意图。
图4为本发明所述排水松木桩加固超软弱吹填土地基示意图
在图中：1.芯材（松木桩）2.土工布3.无纺型土工织物4.土工织物5.排水松木桩6.软黏土地基7.水平排水砂垫层8.水工构筑物9.超软弱吹填土地基10.预压荷载层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐明。
实施例1
一种排水松木桩加固中小型水工构筑物软黏土地基施工方法，包括如下步骤：
（1）以顺直天然松木树干为原料，将其加工成为直径作为排水松木桩5的芯材1，长度为1500mm~4000mm；并使用化学溶液法(或者涂沥青)进行防腐防蚀处理；
（2）排水结构层：如图1和图2所示，以松木桩为芯材1，由里到外包裹土工布2、无纺型土工织物3、土工织物4作为排水结构层；最内层的土工布2的厚度1mm～2mm，采用环氧树脂等粘结剂与松木桩牢固粘贴，目的是增加界面握裹力；中间层采用具有良好透水性（水平及垂直渗透系数约10-1~10-2cm/s）的无纺型土工织物3（厚度约5mm～8mm），目的是在软塑-流塑性遗址土中起到排水固结、提高软黏土本身的不排水抗剪切强度的作用；最外层为具有一定的垂直向渗透性和过滤性性的0.5mm~1.0mm厚的土工织物4，目的是即可透水减压又可以增加与软黏土土界面的表面摩阻力。注意排水结构层应超出排水松木桩顶端约500mm，用于与水平排水砂垫层结合；
（3）在中小型水工构筑物软黏土地基的加固处理时，根据水工构筑物的体量规模、荷载大小、和软黏土的具体特性指标，按照一定间距将排水松木桩5静力压入（或机械辅助打入）软黏土地基6中至一定深度（设计计算确定）；
（4）软黏土地基6表面铺设水平排水砂垫层7作为水平向排水系统。排水松木桩5的排水结构层超出芯材1顶部约500mm，排水结构层超出部分埋于水平排水砂垫层7中，形成良好的水平排水系统；
（5）水平排水砂垫层7上方修筑水工构筑物8；由水工构筑物8修建引起的超孔隙水压力，经过排水结构层竖向渗流至水平排水砂垫层7而排出；软黏土地基随着排水固结过程的进行，强度及承载力随之提高，从而达到提高地基承载力、减小工后沉降的目的。最终形成了图3所示的水工构筑物软黏土地基。
实施例2
一种排水松木桩加固超软弱吹填土地基施工方法，包括如下步骤：
（1）以顺直天然松木树干为原料，将其加工成为直径作为排水松木桩5的芯材1，长度约为1500mm~3000mm；并使用化学溶液法(或者涂沥青)进行防腐防蚀处理；
（2）排水结构层：如图1和图2所示，以松木桩为芯材1，由里到外包裹土工布2、无纺型土工织物3、土工织物4作为排水结构层；最内层为1mm～2mm厚的土工布2，采用环氧树脂等粘结剂与松木桩牢固粘贴，目的是增加界面握裹力；中间层采用具有良好透水性（水平及垂直渗透系数约10-1~10-2cm/s）的无纺型土工织物3（厚度约5mm～8mm），目的是在软塑-流塑性遗址土中起到排水固结、提高软黏土本身的不排水抗剪切强度的作用；最外层土木织物为具有一定的垂直向渗透性和过滤性性的0.5mm~1.0mm厚的土工织物4，目的是即可透水减压又可以增加与软黏土土界面的表面摩阻力。注意排水结构层应超出排水松木桩顶端约500mm，用于与水平排水砂垫层结合；
（3）在超软弱吹填土地基9的加固处理时，根据初级预压荷载的体量规模、荷载大小、和超软弱吹填土的具体特性指标，按照一定间距将排水松木桩5静力压入（或机械辅助打入）超软弱吹填土地基9中至一定深度（设计计算确定）；
（4）在超软弱吹填土地基9表面铺设水平排水砂垫层7作为水平向排水系统。排水松木桩5的排水结构层超出芯材1顶部约500mm，排水结构层超出部分埋于水平排水砂垫层7中，形成良好的水平排水系统）；
（5）水平排水砂垫层7上方堆载预压载荷层10，施工完毕后结构如图4所示；由预压载荷层10荷重引起的超孔隙水压力，经过排水结构层竖向渗流至水平排水砂垫层7而排出；超软弱吹填土地基9随着排水固结过程的进行，强度及承载力随之提高，从而达到提高地基承载力、减小工后沉降的目的。随着超软弱吹填土地基9加固处理初级阶段的完成，排水松木桩即可作为永久处理的一部分保留在软弱地基中继续发挥作用；也可以拔出后重复使用。