一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺
阅读说明：本技术 一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺 (Variable-section waste tire pile composite foundation and construction process thereof ) 是由 岳红亚 徐润 张常勇 李怀峰 毕玉峰 刘晓威 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于道路岩土工程领域,涉及一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺,主要包括废旧轮胎条带、压烫土工布和冶炼废渣或建筑垃圾或尾矿等固废填料。本发明可充分发挥地基抗剪强度和承载性能,提高散体桩的承载力和复合地基抗滑性能优化施工设计,提高大宗固废材料的消耗率,简化施工工艺,降低工程成本,缩短工程建设周期,解决大宗固废材料带来的环境污染和土地占用问题,具有显著的环境意义和社会意义。(The invention belongs to the field of road geotechnical engineering, and relates to a variable cross-section waste tire pile composite foundation and a construction process thereof. The invention can give full play to the shear strength and the bearing performance of the foundation, improve the bearing capacity of the discrete pile and the skid resistance of the composite foundation, optimize the construction design, improve the consumption rate of a large amount of solid waste materials, simplify the construction process, reduce the engineering cost, shorten the engineering construction period, solve the problems of environmental pollution and land occupation caused by the large amount of solid waste materials, and has obvious environmental significance and social significance.)
技术领域
本发明属于道路岩土工程领域，具体涉及一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺，尤其是一种用于软弱地基加固的废旧轮胎条带联合土工布封装散体固废材料桩复合地基及现场施工工艺。
背景技术
公开该
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，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。随着我国道路和铁道工程建设规模的不断扩大，软弱地基加固与处治已成为道路建设面临的常态化工程问题。目前，常用的软基加固处治方法主要包括动力夯实、浅层置换、桩土复合地基、堆载预压等。在以上各类加固方法中，桩土复合地基由于适用范围广、加固效果明显等优势在软基加固中广泛应用。而对于特殊地段的软弱地基，如地下水位较高区域或排水条件较差的土层，常采用柔性碎石桩、砂桩和渣土桩进行加固处治。由于该类桩体内部具有天然的排水通道，可加快排水过程，减少地基固结时间，在此类地基中具有显著的加固效果。尽管如此，由于缺少径向约束，在承受上部荷载时容易发生较大的径向变形，桩基承载力降低，因此，碎石桩承载力的发挥很大程度上依赖于桩周土的约束效应。为解决这一问题，国内外提出了新型土工封装碎石/废渣桩，通过在外部包裹土工布和土工格栅，充分发挥土工格栅的高抗拉强度技术优势提供径向约束，同时可防止泥沙渗入，保持内部排水通道畅通，在一定程度上提高了复合地基承载力。然而，由于该类型桩基属于悬浮桩，其承载力主要由桩周摩阻力提供，而软基土本身抗剪强度较低，因此，在一些高填方等对地基承载力要求较高的路段，只能依赖于增加桩径、桩长和桩数等方法提高复合地基承载力，导致工程建设成本增加，工程建设周期延长。同时，由于该类型桩基仍属于柔性桩，自身抗剪能力差，在坡脚位置处容易出现由基底抗剪能力不足引起的路基滑移破坏。正是由于以上技术问题，导致该类型桩基很难在工程中大面积推广应用。
另一方面，随着经济的不断发展，工业固体废弃物如废渣、建筑垃圾、废旧轮胎、尾矿等材料产生量和堆存量也在逐年增加。有研究表明：有些国家的工业固体废弃物的总堆存量已超过600亿吨，且每年新增堆存量超30亿吨。工业固体废弃物的产生和堆存不仅污染环境，占用大量的土地资源，而且容易诱发火灾、堆积体坍塌等二次事故，严重威胁人类生命和财产安全。尽管工业固体废弃物的利用率在逐年上升，已超过50％，但仍具有较大的提升空间。因此，拓展大宗工业固废综合利用渠道，创新固废回收和利用技术，降低工业固废再利用成本和资源消耗，助力实现“碳达峰”和“碳中和”，成为当下工业产业亟待解决的技术问题。道路工程因具有矿物资源消耗大的特点，已经逐步成为大宗工业固废再利用的主战场。因此，如何创新固废利用技术和装备，提升工业固体废弃物在道路工程中的利用率，进一步增加工业固废消耗量，已成为工程建设者亟待考虑的问题。
发明内容
本发明为解决以上技术问题不足，进一步提升大宗工业固废再利用效率，提出一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其现场施工工艺。与现有技术相比，本发明可实现：提高现有散体桩复合地基的承载力，增强地基-路基接触面抗剪强度，减少工程中散体桩数量，缩短桩长，减小桩径，优化散体桩复合地基工程设计，具有显著的工程技术优势；增加废旧轮胎、建筑垃圾、工业废渣、尾矿等大宗工业固废的消纳量，减少固废再利用过程中二次加工成本，经济效益和社会效益显著，具有广阔的工程推广应用前景。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种变截面废旧轮胎桩复合地基，所述复合地基采用的桩体由废旧轮胎条带交织而成，所述桩体包括：多个常规截面段和多个变截面段；所述废旧轮胎条带内壁设置有压烫土工布，形成复合土工封装体，所述桩体内部填充有固废填料。
本发明的第二个方面，提供了一种变截面废旧轮胎桩复合地基的施工方法，包括：
对变截面废旧轮胎桩的性能进行测试；
确定加固后桩土复合地基承载力，根据所述承载力确定变截面废旧轮胎桩的各项设计参数；
根据确定的各项设计参数制造出符合要求的复合土工封装体；
钻孔；
套筒安装：在套筒内部安装好复合土工封装体，与套筒一同下放至钻孔中；
填筑填料：向复合土工封装体内填筑固废材料，待填筑高度达到第1节变截面段底面时时，停止填筑，并向上提升套筒至固废材料顶面；
常规截面段振捣压密：第1层固废材料填筑完成后，进行振捣压密；
变截面段振捣压密：第1节常规截面段压密完成后，继续填筑固废填料至第1节变截面段顶部，随后向上提升套筒至填料顶面，进行振捣压密；
重复上述的“填筑填料、常规截面段振捣压密、变截面段振捣压密步骤”，直至填筑至桩基设计高程；
铺设垫层：桩基施工完成后，铺设顶部垫层，在垫层和桩基顶部设置一层由废旧轮胎胎壁和连接轮胎条带制作形成的格栅加筋材料，并与加筋笼纵向轮胎条带连接。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的变截面废旧轮胎桩复合地基在道路岩土工程中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)现有碎石桩承载力有限，不适用于承载力较低的软弱地基(不排水抗剪强度小于15kPa)。本发明通过设置轮胎条带联合土工布形成复合土工封装体，充分发挥轮胎条带的抗拉强度大技术优势，有效约束内部填料径向变形，增加了桩基的整体工作性能，提高了稳定性。
(2)本发明通过设置变截面段，增大桩基与桩周土的接触面积，充分发挥桩周土的抗剪强度和抗压承载性能，显著提高桩基整体承载力，可有效减少实际工程中桩长、桩间距和桩径，降低工程成本，简化施工工艺，缩短工程建设时间。同时可提高桩顶位置处抗剪性能，增大路堤坡地的抗滑约束力。
(3)与现有桩-土工格栅复合地基相比，本发明使用抗拉强度较大的废旧轮胎，并通过设置轮胎格栅与桩基间的连接，进一步增强了桩土复合地基的整体工作性能，地基承载力和稳定性显著提高。
(4)除复合土工封装体内部使用的土工布和连接构件外，本发明所有原材料如废旧轮胎、固废填料等均为工业固废材料，可显著减少砂石材料和土工格栅的使用，同时可消耗大量工业固废材料，有效降低工程建设成本，解决大宗工业固废材料堆存带来的环境污染和土地占用，具有显著的环境意义和社会意义。
(5)废旧轮胎经简单切割加工后可直接用于制作复合土工封装体，胎冠用于制作加筋材料，胎壁用于制作格栅材料，有效减少的二次加工过程中产生的能量消耗和固废残余等问题，固废填料可直接填筑，有效降低固废综合利用二次加工成本。
(6)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产和工程应用。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1本发明的变截面废旧轮胎桩整体示意图；
图2本发明的变截面废旧轮胎桩局部放大图；
图3本发明的轮胎条带连接方式；
图4本发明的变截面废旧轮胎桩复合地基施工步骤图；
图5本发明的成型后废旧轮胎废渣桩复合地基示意图；
其中，1、径向轮胎条带，2、轴向轮胎条带，3、压烫土工布，4、变截面加宽轮带条带，5、连接构件，6、变截面段，7、钢垫板，8、高强预紧螺栓，9、改进环氧树脂胶，10、复合土工封装体，11、套筒，12、钢丝绳，13、固废填料，14、夯锤，15、格栅层，16、垫层，17、废旧轮胎胎壁，18、废旧轮胎散体桩顶，19、连接轮胎条带。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
一种变截面废旧轮胎桩复合地基，主要包括废旧轮胎条带、压烫土工布和冶炼废渣或建筑垃圾或尾矿等固废填料组成。
在一些实施方式中，所述废旧轮胎条带由废旧轮胎直接切除胎壁形成或由胎冠沿胎面花纹沟切割而成，厚度不小于1.5cm，抗压强度不小于20Mpa，极限荷载伸长率不大于20％，其中径向胎条带宽度不小于7cm。
在一些实施方式中，按照桩体方向，所述轮胎条带分径向和轴向两种，径向轮胎条带和轴向轮胎条带垂直交叉，轴向轮胎条带在内侧，径向轮胎条带在外侧，两者交叉位置处通过改进环氧树脂胶粘结，并结合预紧螺栓和方形刚垫板进行紧固。螺栓直径不小于0.8cm，长度为3cm。方形刚垫板厚度为0.3-0.5cm，长宽分别为5cm×5cm。螺栓和刚垫板预紧锚固后应进行防腐处理，如喷涂防腐漆或采用环氧树脂密封。经连接后，纵向和轴向轮胎条带连接形成轮胎条带加筋笼结构。
在一些实施方式中，所述轮胎条带加筋体分常规截面段和变截面段，常规截面段分布深度为1-1.5m，变截面段分布深度与常规截面段相同，但总数不超过5个，最大截面处直径为常规截面段的2倍，中间呈等间距过渡。所述常规截面段径向轮胎条带由废旧轮胎直接切除胎壁形成整体环状结构，因此，桩体内部直径接近于切除胎壁后轮胎内径，上下两根径向轮胎条带彼此间距为10-15cm。所述变截面段径向轮胎条带由上述环状结构沿横向切割形成条带，再经过彼此端部连接形成不同周长的大直径环状结构。变截面段径向轮胎条带上下间距应不大于10cm，在变截面段最大直径处，应采用加宽轮胎条带。
在一些实施方式中，轴向轮胎条带左右间距为10-15cm。沿设置方向，相邻两条轴向轮胎条带和变截面段径向轮胎条带采用胶结和预紧螺栓联合方形刚垫板等方式连接，单面胶结长度不小于10cm，螺栓数量为4个，螺栓直径不小于1cm，长度为3cm。刚垫板长宽与轴向轮胎条带宽度相同，方形刚垫板厚度不小于0.4cm。
在一些实施方式中，所述压烫土工布为透水不透泥材料，抗拉强度不小于1MPa，采用209缝纫线双层缝制形成环状包裹形状，缝制搭接宽度不小于20cm，缝距不大于2cm。压烫土工布通过图钉钉装在轴向轮胎条带内壁形成复合土工封装体。
在一些实施方式中，所述桩体内部填充料可为冶炼废渣或建筑垃圾或尾矿等固废材料，以上材料应具有较好的化学稳定性，不对地下水产生污染。固废材料的粒径范围在0-5cm之间，分层填筑至复合土工封装体中，每层厚度不超过1.5m。填入后经夯锤夯击压密，单击夯击能不小于20kN·m，总夯击能不小于100kN·m。
一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺，还包括以下施工过程：
施工前准备：
1.首先进行变截面废旧轮胎桩室内模型试验或现场单桩加载试验，明确变截面废旧轮胎桩承载力与桩径、桩长、变截面数量和地基土特性之间的变化规律，研究变截面废旧轮胎桩填充冶炼废渣、建筑垃圾和尾矿等固废材料室最佳夯击能和夯击次数等关键参数。
2.根据计算确定加固后桩土复合地基承载力，根据确定后地基承载力并考虑施工难度和经济性选择合适桩径、桩长、桩间距、变截面数量、填充物类型等，并确定最佳夯击能(夯击次数、锤重和起吊高度)等关键参数。
3.参考上一步桩径参数，选择合适尺寸的废旧轮胎，并进行轮胎条带极限拉拔试验，以确保抗拉强度满足施工要求。按照设计尺寸对轮胎条带和土工布进行切割、绑扎、连接等二次加工，形成复合土工封装体。
施工过程：
1.钻孔。可采用钻孔或者震动成孔形式，首先按照预设位置安装钻机，偏差不大于1cm，钻孔直径应大于预设桩径8cm，以预留出套筒厚度，钻孔深度应超过预设桩长0.5m，钻孔与垂直方向角度偏差不超过1°。
2.套筒安装。钻孔完成后，通过钻机下放套筒，套筒内径与常规截面段轮胎条带加筋笼外径尺寸相同，套筒壁厚为1-2cm，上下两端均不密封。下放套筒前，在其内部安装好复合土工封装体，与套筒一同下放至钻孔中。套筒下放完成后，通过钢丝绳将复合土工封装体临时吊装在钻机支架上，以防止在固废填料填筑和振捣时复合土工封装体坠落。
3.填筑填料。套筒安装完成后，向复合土工封装体内填筑固废材料，待填筑高度达到第1节变截面段(从底部算起)底面时(填高1.0-1.5m)时，停止填筑，并向上提升套筒至固废材料顶面。
4.常规截面段振捣压密。第1层固废材料填筑完成后，进行振捣压密，通过钻机起吊夯锤，夯锤锤重为1-2吨，锤径应小于复合土工封装体内径，吊升高度不大于2m，按照前期试验确定夯击能和夯击次数进行夯实压密，单击夯击能不小于20kN·m，总夯击能不小于100kN·m。
5.变截面段振捣压密。第1节常规截面段压密完成后，继续填筑固废填料至第1节变截面段顶部，随后向上提升套筒至填料顶面，进行振捣压密。振捣压密夯击方式与常规截面段相同，但总夯击能应为常规截面段的1.5倍。
6.重复以上步骤3-5，直至填筑至桩基设计高程。
7.铺设垫层。桩基施工完成后，铺设顶部垫层，垫层材料可为钢渣、尾矿、建筑垃圾和碎石。垫层厚度不小于30cm，在垫层和桩基顶部设置一层由废旧轮胎胎壁和连接轮胎条带制作形成的格栅加筋材料，并与加筋笼纵向轮胎条带连接，连接方式与上述连接方式相同，格栅应满铺整个加固地基。也可以采用轮胎条带制作形成格栅结构，轮胎条带宽度桩体轮胎条带加筋笼轴向条带宽度一致，构成格栅的轮胎条带彼此间距离为10-15cm。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，一种变截面废旧轮胎桩复合地基，主要包括废旧轮胎条带1/2、压烫土工布3和冶炼废渣或建筑垃圾或尾矿等固废填料13组成。
在一些具体实施案例中，所述废旧轮胎条带1/2由废旧轮胎直接切除胎壁17形成或由胎冠沿胎面花纹沟切割而成，厚度不小于1.5cm，抗压强度不小于20Mpa，极限荷载伸长率不大于20％，其中径向胎条带宽度不小于7cm。
在一些具体实施案例中，按照桩体方向，所述轮胎条带分径向1和轴向2两种，径向轮胎条带1和轴向轮胎条带2垂直交叉，轴向轮胎条带2在内侧，径向轮胎条带1在外侧，两者交叉位置处通过改进环氧树脂胶9粘结，并通过预紧螺栓8和方形刚垫板7进行紧固。螺栓8直径不小于0.8cm，长度为3cm。方形刚垫板7厚度为0.3-0.5cm，长宽分别为5cm×5cm。螺栓8和刚垫板7预紧锚固后应进行防腐处理，如喷涂防腐漆或采用环氧树脂密封。经连接后，纵向1和轴向2轮胎条带连接形成桩体轮胎条带加筋笼结构。
在一些具体实施案例中，所述轮胎条带加筋体分常规截面段和变截面段6，常规截面段分布深度为1-1.5m，变截面段6分布深度与常规截面段相同，总数不超过5个，最大截面处直径为常规截面段的2倍，中间呈等间距过渡。所述常规截面段径向轮胎条带1由废旧轮胎直接切除胎壁形成整体环状结构，因此桩体内部直径接近于切除胎壁后轮胎内径，上下两根径向轮胎条1带彼此间距为10-15cm。所述变截面段6径向轮胎条带由上述环状结构沿横向切割形成条带，再经过彼此端部连接形成不同周长的大直径环状结构。变截面段6径向轮胎条带1上下间距应不大于10cm，在变截面段最大直径处，应采用加宽轮胎条带4。
在一些具体实施案例中，轴向轮胎条带2左右间距为10-15cm。沿设置方向，相邻两条轴向轮胎条带2和变截面段6径向轮胎条带1采用胶结9和预紧螺栓8联合方形刚垫板7等方式连接，单面胶结长度不小于10cm，螺栓8数量为4个，螺栓8直径不小于1cm，长度为3cm。刚垫板7长宽与轴向轮胎条带2宽度相同，方形刚垫板7厚度不小于0.4cm。
在一些具体实施案例中，所述压烫土工布3为透水不透泥材料，抗拉强度不小于1MPa，采用209缝纫线双层缝制形成环状包裹形状，缝制搭接宽度不小于20cm，缝距不大于2cm。压烫土工布通过图钉钉装在轴向轮胎条带2内壁形成复合土工封装体10。
在一些具体实施案例中，所述桩体内部填充料可为冶炼废渣或建筑垃圾或尾矿等固废材料13，以上材料应具有较好的化学稳定性，不对地下水产生污染。固废材料13的粒径范围在0-5cm之间，分层填筑至复合土工封装体10中，每层厚度不超过1.5m。填入后经夯锤夯击14压密，单击夯击能不小于20kN·m，总夯击能不小于100kN·m。
一种变截面废旧轮胎桩复合地基及其施工工艺，还包括以下施工过程：
试验方法包括以下步骤：
步骤1.首先进行变截面废旧轮胎桩室内模型试验或现场单桩加载试验，明确变截面废旧轮胎桩承载力与桩径、桩长、变截面数量和地基土特性之间的变化规律，研究变截面废旧轮胎桩填充冶炼废渣、建筑垃圾和尾矿等固废材料13室最佳夯击能和夯击次数等关键参数。
步骤2.根据计算确定加固后桩土复合地基承载力，根据确定后地基承载力并考虑施工难度和经济性选择合适桩径、桩长、桩间距、变截面数量、填充物类型等，并确定最佳夯击能(夯击次数、锤重和起吊高度)等关键参数。
步骤3.参考上一步桩径参数，选择合适尺寸的废旧轮胎，并进行轮胎条带1/2极限拉拔试验，以确保抗拉强度满足施工要求。按照设计尺寸对轮胎条带1/2和土工布3进行切割、绑扎、连接等二次加工，形成复合土工封装体10。
步骤3.钻孔。可采用钻孔或者震动成孔形式，首先按照预设位置安装钻机，偏差不大于1cm，钻孔直径应大于预设桩径8cm，以预留出套筒11厚度，钻孔深度应超过预设桩长0.5m，钻孔与垂直方向角度偏差不超过1°。
步骤4.套筒11安装。钻孔完成后，通过钻机下放套筒11，套筒11内径与常规截面段轮胎条带1/2加筋笼外径尺寸相同，套筒壁11厚为1-2cm，上下两端均不密封。下放套筒11前，在其内部安装好复合土工封装体10，与套筒11一同下放至钻孔中。套筒11下放完成后，通过钢丝绳12将复合土工封装体10临时吊装在钻机支架上，以防止在固废填料13填筑和振捣时复合土工封装体10坠落。
步骤5.填筑填料。套筒11安装完成后，向复合土工封装体10内填筑固废材料13，待填筑高度达到第1节变截面段(从底部算起)底面时(填高1.0-1.5m)时，停止填筑，并向上提升套筒11至固废材料13顶面。
步骤6.常规截面段振捣压密。第1层固废材料13填筑完成后，进行振捣压密，通过钻机起吊夯锤14，夯锤14锤重为1-2吨，锤径应小于复合土工封装体10内径，吊升高度不大于2m，按照前期试验确定夯击能和夯击次数进行夯实压密，单击夯击能不小于20kN·m，总夯击能不小于100kN·m。
步骤7.变截面段6振捣压密。第1节常规截面段压密完成后，继续填筑固废填料13至第1节变截面段顶部，随后向上提升套筒11至填料13顶面，进行振捣压密。振捣压密夯击方式与常规截面段相同，但总夯击能应为常规截面段的1.5倍。
步骤8.重复以上步骤3-5，直至填筑至桩基设计高程。
步骤9.铺设垫层16。桩基施工完成后，铺设顶部垫层16，垫层16材料可为钢渣、尾矿、建筑垃圾和碎石。垫层16厚度不小于30cm，在垫层16和桩基顶18部设置一层由废旧轮胎胎壁17和连接轮胎条带19制作形成的格栅加筋材料，并与加筋笼纵向轮胎条带1/2连接，连接方式与上述连接方式相同，格栅应满铺整个加固地基。也可以采用轮胎条带1/2制作形成格栅结构，轮胎条带1/2宽度桩体轮胎条带加筋笼轴向条带2宽度一致，构成格栅的轮胎条带彼此间距离为10-15cm。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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