一种掺钢渣的复合地基结构及其施工方法与流程

本发明涉及岩土工程地基处理技术领域，特别涉及一种掺钢渣的复合地基结构及其施工方法。

背景技术：

随着经济的不断发展，人民对物质、文化需求的不断提高，道路、铁路、建筑等项目建设活动越来越频繁，而项目的建设需要大量的材料，尤其需要大量的砂石，其中，砂石是工程建设中应用最大量、最广泛的材料，价格较贵，而我国对砂石的年需求量逐年增加，导致砂石处于过度开采状态。由于对砂石的过度开采，目前我国的砂石市场处在“饥饿”状态，很多河道由于过度开采砂石，导致河床变形、景观破坏等问题。为了缓解这一矛盾，寻找新的砂石替代资源越来越重要，而目前大部分固体废弃物资源，如钢渣却得不到充分利用，利用率较低。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种掺钢渣的复合地基结构及其施工方法，从而克服现有道路、铁路和建筑等工程中主要运用砂石作为原材料，价格较贵、过度开采，以及固体废弃物钢渣利用率的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种掺钢渣的复合地基结构，包括：砾砂垫层，其铺设于地基上，所述地基包括软土层和持力层；钢渣褥垫层，其铺设于所述砾砂垫层上，该钢渣褥垫层自下至上依次包括下层钢渣褥垫层、土工格栅和上层钢渣褥垫层；以及若干个钢渣混凝土桩，所有的该钢渣混凝土桩间隔地设置于所述地基的所述软土层上，每个该钢渣混凝土桩的上端穿过所述砾砂垫层并延伸至所述钢渣褥垫层内，下端贯穿所述软土层并延伸至所述软土层底部的所述持力层内。

优选地，上述技术方案中，所述钢渣混凝土桩的原料组分和各组分的重量份为：钢渣粗集料731～742份、钢渣细集料496～523份、机制砂388～409份、天然碎石583～592份、水泥206～283份、水170～183份、缓凝型减水剂3.08～4.25份；其中，所述钢渣粗集料的体积与所述天然碎石的体积相同，所述钢渣细集料的体积与所述机制砂的体积相同。

优选地，上述技术方案中，所述钢渣粗集料和所述钢渣细集料的陈化时间均≥1年，其中，所述钢渣细集料粒径≤4.75mm，所述钢渣粗集料的粒径为5～20mm，所述天然碎石为卵石，且所述天然碎石的粒径为5～20mm。

优选地，上述技术方案中，每个所述钢渣混凝土桩的直径为500～700mm，相邻两个所述钢渣混凝土桩的间距不小于所述钢渣混凝土的直径的2倍。

优选地，上述技术方案中，每个所述钢渣混凝土桩的上端伸入所述钢渣褥垫层的长度为30～50mm，且每个所述钢渣混凝土桩的下端伸入所述持力层的长度为500～1000mm。

优选地，上述技术方案中，所述砾砂垫层由钢渣砂组成，所述钢渣砂的粒径为0.075～4.75mm，且所述砾砂垫层的厚度为15～20mm。

优选地，上述技术方案中，所述下层钢渣褥垫层和所述上层钢渣褥垫层的材料均为陈化≥1年且未筛分的钢渣集料，所述钢渣集料的粒径≤20mm，不均匀系数大于5，曲率系数为1～3；其中，所述钢渣褥垫层的厚度为300～500mm。

优选地，上述技术方案中，所述上层钢渣褥垫层的厚度和所述下层钢渣褥垫层的厚度相等。

优选地，上述技术方案中，所述土工格栅抗拉强度≥35kn/m，延伸率＜13％。

一种掺钢渣的复合地基结构的施工方法，包括以下步骤：

(1)地表处理：清理并平整地基的地表；

(2)铺筑工作垫层：完成地基的平整后，在地基上铺筑工作垫层；

(3)布设钢渣混凝土桩的桩位：完成工作垫层的铺筑后，在工作垫层上采用插入钢筋条的方式来定位所有的钢渣混凝土桩的桩位；

(4)施工钢渣混凝土桩：采用长螺旋钻机施工钢渣混凝土桩，将长螺旋钻机移动至其中一个钢渣混凝土桩的桩位上，并使长螺旋钻机的钻杆垂直对准该桩位中心，进行钻孔操作，当钻孔深度满足要求后，一边拔取钻杆，一边采用混凝土泵通过钻杆向钻孔内泵送钢渣混凝土，施工钢渣混凝土桩，并使钢渣混凝土桩的上端高出其设计标高；重复该操作，直至所有的钢渣混凝土桩完成施工；

(5)桩间清土及截桩：当钢渣混凝土桩养护7天后，清理钢渣混凝土桩之间的浮土，并标注钢渣混凝土桩的设计标高，然后采用环切工艺将钢渣混凝土桩的上端高出设计标高的部分切除；

(6)铺筑砾砂垫层：当完成钢渣混凝土桩间清土和截桩后，在地基上铺筑砾砂垫层；

(7)铺筑钢渣褥垫层：当完成砾砂垫层的铺筑后，在砾砂垫层上铺筑钢渣褥垫层；在铺筑钢渣褥垫层时，先铺筑下层钢渣褥垫层，再铺筑土工格栅，最后铺筑上层钢渣褥垫层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明复合地基结构的钢渣褥垫层和钢渣混凝土桩均运用钢渣来替代原有的砂石，能够降低原料价格，节省工程材料造价，且能够减少砂石开采，节约砂石资源，保护自然环境，还可以在一定程度上提高钢渣的利用率；钢渣本身具有一定的活性，可以随时间的推移慢慢板结，板结后的钢渣集料之间的咬合力增强，具有一定的抗拉特性，再加上土工格栅的抗拉作用，能够提高该复合地基结构的刚度，具有更强的横向增强作用。

2.本发明复合地基结构的施工方法简单方便，能够提高地基的强度和刚度，减少地基沉降。

附图说明

图1是根据本发明的掺钢渣的复合地基结构的结构示意图。

主要附图标记说明：

1-钢渣褥垫层，2-土工格栅，3-钢渣混凝土桩，4-砾砂垫层，5-软土层，6-持力层。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

下列实施例所用的各组分原料均市售可得，其中，钢渣粗集料的密度为3387kg/m³，钢渣细集料的密度为3389kg/m³，机制砂的密度为2650kg/m³，天然碎石的密度为2700kg/m³。

实施例1

图1显示了根据本发明优选实施方式的一种掺钢渣的复合地基结构的结构示意图，该复合地基结构包括砾砂垫层4、钢渣褥垫层1以及若干个钢渣混凝土桩3。参考图1，砾砂垫层4铺设于地基上，地基包括软土层5和持力层6，以增强地基的横向排水功能。钢渣褥垫层1铺设于砾砂垫层4上，钢渣褥垫层1自下至上依次包括下层钢渣褥垫层、土工格栅2和上层钢渣褥垫层，在砾砂垫层上铺筑钢渣褥垫层1，且钢渣褥垫层1内铺设有土工格栅2，能够提高地基的结构强度和刚度，减少地基沉降。所有的钢渣混凝土桩3间隔的设置于地基的软土层5上，每个钢渣混凝土桩3的上端穿过砾砂垫层4并延伸至钢渣褥垫层1内，每个钢渣混凝土桩3的下端贯穿软土层5并延伸入软土层5底部的持力层6中，以提高地基的强度和刚度，避免地基沉降。采用本发明复合地基结构的钢渣褥垫层1和钢渣混凝土桩3均运用钢渣来替代原有的砂石，能够降低原料价格，节省工程材料造价，并能够减少砂石开采，节约砂石资源，保护自然环境，还可以在一定程度上提高钢渣的利用率；且钢渣本身具有一定的活性，可以随时间的推移慢慢板结，板结后的钢渣集料之间的咬合力增强，且相互胶结，具有一定的抗拉特性，再加上土工格栅2的抗拉作用，能够提高该复合地基结构的刚度，与普通混凝土桩的复合地基结构相比，掺钢渣的复合地基结构具有更强的横向增强作用。

实施例2

参照实施例1掺钢渣的复合地基结构，在本实施例中，钢渣混凝土桩3的原料组分和各组分的重量份为：钢渣粗集料738份、钢渣细集料496份、机制砂388份、天然碎石588份、水泥283份、水170份、缓凝型减水剂4.25份，且钢渣粗集料的体积与天然碎石的体积相同，钢渣细集料的体积与机制砂的体积相同。其中，钢渣粗集料和钢渣细集料的陈化时间均≥1年，钢渣细集料粒径≤4.75mm，钢渣粗集料的粒径为5～20mm，天然碎石为卵石，且天然碎石的粒径为5～20mm。每个钢渣混凝土桩3的直径为500mm，相邻两个钢渣混凝土桩3的间距为1000mm，且每个钢渣混凝土桩3的上端伸入钢渣褥垫层1的长度为30～50mm，每个钢渣混凝土桩3的下端伸入持力层6的长度为500mm。位于地基上的砾砂垫层4由粒径为0.075～4.75mm的钢渣砂组成，砾砂垫层4的厚度为15～20mm。其中，下层钢渣褥垫层和上层钢渣褥垫层的材料均为粒径≤20mm、陈化时间≥1年且未筛分的钢渣集料，钢渣集料的不均匀系数为11.2，曲率系数为1.9；钢渣褥垫层1的厚度为300mm，且上层钢渣褥垫层的厚度和下层钢渣褥垫层的厚度均为150mm。而土工格栅2的抗拉强度为45kn/m，延伸率为8％。

实施例3

参照实施例1掺钢渣的复合地基结构，在本实施例中，钢渣混凝土桩3的原料组分和各组分的重量份为：钢渣粗集料742份、钢渣细集料509份、机制砂399份、天然碎石592份、水泥236份、水175份、缓凝型减水剂3.55份，且钢渣粗集料的体积与天然碎石的体积相同，钢渣细集料的体积与机制砂的体积相同。其中，钢渣粗集料和钢渣细集料的陈化时间均≥1年，钢渣细集料粒径≤4.75mm，钢渣粗集料的粒径为5～20mm，天然碎石为卵石，且天然碎石的粒径为5～20mm。每个钢渣混凝土桩3的直径为600mm，相邻两个钢渣混凝土桩3的间距为1750mm，且每个钢渣混凝土桩3的上端伸入钢渣褥垫层1的长度为30～50mm，且每个钢渣混凝土桩3的下端伸入持力层6的长度为750mm。位于地基上的砾砂垫层4由粒径为0.075～4.75mm的钢渣砂组成，砾砂垫层4的厚度为15～20mm。其中，下层钢渣褥垫层和上层钢渣褥垫层的材料均为粒径≤20mm、陈化时间≥1年且未筛分的钢渣集料，钢渣集料的不均匀系数为13.2，曲率系数为2.3；钢渣褥垫层1的厚度为400mm，且上层钢渣褥垫层的厚度和下层钢渣褥垫层的厚度均为200mm。而土工格栅2的抗拉强度为43kn/m，延伸率为7.5％。

实施例4

参照实施例1掺钢渣的复合地基结构，在本实施例中，钢渣混凝土桩3的原料组分和各组分的重量份为：钢渣粗集料731份、钢渣细集料523份、机制砂409份、天然碎石583份、水泥206份、水183份、缓凝型减水剂3.08份，且钢渣粗集料的体积与天然碎石的体积相同，钢渣细集料的体积与机制砂的体积相同。其中，钢渣粗集料和钢渣细集料的陈化时间均≥1年，钢渣细集料粒径≤4.75mm，钢渣粗集料的粒径为5～20mm，天然碎石为卵石，且天然碎石的粒径为5～20mm。每个钢渣混凝土桩3的直径为700mm，相邻两个钢渣混凝土桩3的间距为2500mm，且每个钢渣混凝土桩3的上端伸入钢渣褥垫层1的长度为30～50mm，每个钢渣混凝土桩3的下端伸入持力层6的长度为1000mm。位于地基上的砾砂垫层4由粒径为0.075～4.75mm的钢渣砂组成，砾砂垫层4的厚度为15～20mm。其中，下层钢渣褥垫层和所述上层钢渣褥垫层材料均为粒径≤20mm、陈化时间≥1年且未筛分的钢渣集料，钢渣集料的不均匀系数为15.1，曲率系数为2.1；钢渣褥垫层1的厚度为500mm，上层钢渣褥垫层的厚度和下层钢渣褥垫层的厚度均为250mm。而土工格栅2的抗拉强度为46kn/m，延伸率为6％。

实施例5

实施例中2-4的掺钢渣的复合地基结构，采用如下方法进行施工，即如实施例2、实施例3或实施例4的掺钢渣的复合地基结构的施工方法，具体操作步骤如下：

(1)地表处理：清理地基上的杂草和树枝等障碍物，并平整地基的地表。

(2)铺筑工作垫层：完成地基的平整后，在地基上铺筑工作垫层；其中，工作垫层采用c组以上填料铺筑，工作垫层的填料粒径≤30mm，且工作垫层铺筑的厚度应确保满足施工机械的行走和施工荷载下的承载力要求，工作垫层的厚度一般为500～800mm。

(3)布设钢渣混凝土桩3的桩位：完成工作垫层的铺筑后，在工作垫层上采用插入钢筋条的方式来定位所有的钢渣混凝土桩的桩位。

(4)施工钢渣混凝土桩3：采用长螺旋钻机施工钢渣混凝土桩3，将长螺旋钻机移动至其中一个钢渣混凝土桩3的桩位上，并使长螺旋钻机的钻杆垂直对准该桩位的中心，进行钻孔操作，当钻孔深度满足要求后，一边拔取钻杆，一边采用混凝土泵通过钻杆向钻孔内泵送钢渣混凝土，施工钢渣混凝土桩3，并使钢渣混凝土桩3的上端高出其设计标高500mm以上，当该钢渣混凝土桩3施工完成后，先停止长螺旋钻机，再停止混凝土泵泵送混凝土，以保证桩顶混凝土密实；重复该操作，直至所有的钢渣混凝土桩3完成施工。在钢渣混凝土桩3施工的过程中，抽样做混合料试块，每台长螺旋转机每天应做2组150mm×150mm×150mm的试块，在温度范围为20±2℃，湿度为95％的条件下，养护7天和28天后，测其抗压强度。

(5)桩间清土及截桩：当钢渣混凝土桩3养护7天后，清理钢渣混凝土桩3之间的浮土，并标注钢渣混凝土桩3的设计标高，然后采用环切工艺将钢渣混凝土桩3的上端高出设计标高的部分切除。

(6)铺筑砾砂垫层4：当完成钢渣混凝土桩3间清土和截桩后，在地基上铺筑砾砂垫层4。

(7)铺筑钢渣褥垫层1：当完成砾砂垫层4的铺筑后，在砾砂垫层4上铺筑钢渣褥垫层1。先铺筑下层钢渣褥垫层，再铺设土工格栅2，土工格栅2的技术指标严格按《交通工程土工合成材料土工格栅》(jt/t480-2002)执行；最后在土工格栅2上铺筑上层钢渣褥垫层。在铺筑上层钢渣褥垫层和下层钢渣褥垫层时，根据材料的干湿程度，适当地洒水，以保持钢渣集料的最佳含水量，采用压路机往复碾压，碾压的遍数，由现场试验确定，震动碾压前应先静压，静压不少于2遍，震动碾压不少于3遍，压路机的轮距搭接长度≥500mm，碾压合格后找平。在铺设土工格栅2时，土工格栅2的主要受力方向为垂直于地基的轴线方向；土工格栅2之间的连接采用人工绑扎搭接，搭接宽度≥100mm，并沿垂直于地基的轴线方向，对土工格栅2搭接部分，每隔1000mm用8号铁丝进行穿插连接，并在铺设的土工格栅2上，每隔1500mm～2000mm用u型钉固定于地面。

其中，实施例2-4中的钢渣混凝土桩的组分配比及其强度如下表所示：

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

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