公路工程排水固結(jié)法處理軟土地基

摘要：公路工程中軟土地基的處理效果是影響公路建成后運(yùn)行的關(guān)鍵。本文闡述了目前常用的處理方式公路工程排水固結(jié)法的定義、組成、設(shè)計(jì)及施工要求以及在公路工程中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：軟土地基 穩(wěn)定 沉降 排水固結(jié)法

0 引言

公路工程排水固結(jié)法是目前公路地基處理中主要常用的軟基處理方法之一。簡(jiǎn)單的說排水固結(jié)法實(shí)質(zhì)上就是要盡量將三相體中的水分及氣體排除從而增加其強(qiáng)度提高其承載力。如何實(shí)現(xiàn)排除氣體及水分這個(gè)目標(biāo)是排水固結(jié)法要解決的問題。

1 公路工程排水固結(jié)法的闡述、組成、分類

排水固結(jié)法是利用天然地基土層本身的透水性或設(shè)置在地基中的豎向排水體，通過預(yù)先在地表進(jìn)行加載預(yù)壓或利用構(gòu)造物自身重量使土體中孔隙水逐漸排除、土體逐漸固結(jié)，地基土逐漸壓縮，強(qiáng)度逐步提高的方法。或者利用井點(diǎn)抽水降低地下水位、利用插入土中的通電電極使土中水發(fā)生滲流以達(dá)到區(qū)域土體自重應(yīng)力的增加，從而使土體逐漸壓密的方法。目前公路地基處理中常用的是通過施加荷載進(jìn)行預(yù)壓完成土體的固結(jié)密實(shí)。

排水固結(jié)法由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)兩部分組成。

排水系統(tǒng)主要在于改變地基原有的排水邊界條件，增加孔隙水排除途徑，縮短排水距離，系統(tǒng)主要由在土中打設(shè)的砂井、袋裝砂井或塑料排水板等豎向排水體同地面鋪設(shè)的砂石墊層構(gòu)成；也可以利用天然地基中夾粉砂薄層的“千層糕”狀土形成天然的排水系統(tǒng)；對(duì)于較薄的不含透水層的軟粘土可僅在地面鋪設(shè)一定厚度的砂墊層作為排水系統(tǒng)。

加壓系統(tǒng)是指對(duì)地基施加預(yù)壓荷載，它使地基土的固結(jié)壓力增加而產(chǎn)生固結(jié)。預(yù)壓法的加載方法可分為堆載（土、砂石料、液體、鋼錠等）、真空和降水三類。

排水固結(jié)法根據(jù)排水的措施不同可分為堆載預(yù)壓法、降水預(yù)壓法和電滲法。目前公路工程普遍使用的是造價(jià)相對(duì)較低的堆載預(yù)壓法。而根據(jù)是否設(shè)置豎向排水體和加壓系統(tǒng)的不同，堆載預(yù)壓法又可分為砂井（袋裝砂井、塑料排水板）堆載預(yù)壓法、真空（砂井、袋裝砂井、塑料排水帶）預(yù)壓法、堆載—真空聯(lián)合預(yù)壓法。

不設(shè)置豎向排水體與設(shè)置豎向排水體的區(qū)別是：前者是利用天然地基作為排水系統(tǒng)，其固結(jié)排水過程是一維固結(jié)排水過程；而后者由于在地基中設(shè)置了豎向排水體，其固結(jié)排水過程是三位固結(jié)排水過程。實(shí)踐證明，在飽和粘土厚度不超過5m或土層固結(jié)系數(shù)cv＞10-2cm2/s或飽和土層內(nèi)為“千層糕”狀土?xí)r，可考慮不設(shè)置豎向排水體，否則必須在軟土中設(shè)置豎向排水體。

真空加壓與堆載加壓的加固機(jī)理及適用性的區(qū)別在于：

①堆載加壓時(shí)，土體中的總應(yīng)力是增加的，而真空加壓中總應(yīng)力是沒有增加的；②堆載加壓時(shí)，土體孔隙中形成的孔隙水壓力增量是正值，即超靜孔隙水壓力是正值，而真空加壓中孔隙中形成的孔隙水壓力增量是負(fù)值；③堆載加壓時(shí)，土體有效應(yīng)力的增長(zhǎng)是通過正的超孔隙水壓力的消散來實(shí)現(xiàn)的而且隨著超靜孔隙水壓力逐步消散為零，有效應(yīng)力增加達(dá)到最大值；而真空加壓中，土體有效應(yīng)力的增長(zhǎng)是靠負(fù)的超靜孔隙水壓力的形成來實(shí)現(xiàn)的，隨著負(fù)的超靜孔隙水壓力的增大，有效應(yīng)力也逐漸增大，一旦負(fù)的超靜孔隙水壓力發(fā)生“消散”，則有效應(yīng)力也隨之降低。④堆載加壓時(shí)，土體加固后形成的有效應(yīng)力與上部施加的荷載大小有關(guān)，而且在垂直和水平向上大小一般是不同的，而真空加壓中土體有效應(yīng)力的增加具有最大值，理論上為一個(gè)大氣壓，一般都低于此值，由于有效應(yīng)力的增加是依賴與孔隙水壓力的降低來實(shí)現(xiàn)的。所以，土體加固過程中有效應(yīng)力增加值在垂直、水平及各個(gè)方向上具有相同值。⑤堆載加壓時(shí)，土體填筑時(shí)必須考慮地基失穩(wěn)填筑土須逐層填筑分級(jí)加載，而真空加壓中無須考慮失穩(wěn)問題，可一次加壓。⑥堆載加壓時(shí)，填筑物可根據(jù)地基強(qiáng)度的增長(zhǎng)情況逐級(jí)加載到足夠大的荷載，而真空加壓中最大加載一個(gè)大氣壓的荷載（一般在60kp～90kp）根據(jù)施工水平及設(shè)備不同而有所差異。⑦堆載加壓時(shí)，可不考慮地基土層中是否有砂層，而真空加壓中不適合用于地層中有砂層地段，否則應(yīng)采取措施防止漏氣。

2 堆載預(yù)壓處理公路軟土地基設(shè)計(jì)及施工要求

2.1 施加預(yù)壓荷載

堆載預(yù)壓所采用的材料主要有土、砂石料、液體、鋼錠等，公路工程中路堤自身即為預(yù)壓荷載。根據(jù)道路施工工期及工程對(duì)沉降的要求，荷載可分為欠載、等載、及超載。實(shí)際工程中根據(jù)不同情況進(jìn)行選用。需要注意的是一般路堤填料為土質(zhì)或砂質(zhì)，根據(jù)路基施加荷載的要求要考慮路面材料的密度與路基填料材料的不同。在采用等載及超載預(yù)壓時(shí)要進(jìn)行換算，另外還要將通車后的活載換算為等代土柱高度，進(jìn)行加壓。

軟基土質(zhì)較軟、地基承載力很低采用堆載預(yù)壓時(shí)，為了避免地基因發(fā)生塑性變形而失穩(wěn)，需要分級(jí)加載、控制加載速度以及每次加載載重使其與地基的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度相適應(yīng)。每級(jí)加載不應(yīng)超過前級(jí)荷載作用下地基強(qiáng)度增加后的允許承載力。在計(jì)算強(qiáng)度增量時(shí)，要考慮加載預(yù)壓過程中由于土體剪切蠕動(dòng)引起的強(qiáng)度衰減。

2.2 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)是保證土顆粒間自由水能夠順利排走、地基迅速固結(jié)的必要條件。排水系統(tǒng)由水平排水層（一般為砂墊層）以及設(shè)置于其間的盲溝、豎向排水體（一般為袋裝砂井或塑料排水板）組成。

2.3 結(jié)合工程實(shí)例分析塑料排水板在工程中的應(yīng)用

結(jié)合眾多工程實(shí)例，塑料排水板在公路工程及其他行業(yè)地基處理中已應(yīng)用多年，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)注意如下：

①設(shè)計(jì)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)并明確塑料排水板的型號(hào)及斷面尺寸。②設(shè)計(jì)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)塑料排水板應(yīng)采用可測(cè)深度的塑料排水板。③塑料排水板一般應(yīng)達(dá)到軟土層的層底，若軟土層較厚（如超過建筑物底寬的2倍），排水通道的打設(shè)深度不小于1/2建筑物底寬，同時(shí)排水板必須穿過土體穩(wěn)定計(jì)算的弧形滑動(dòng)面至少2m。④調(diào)查清楚地質(zhì)情況，盡可能的與實(shí)際地質(zhì)吻合。⑤塑料排水板一定要采用正規(guī)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，每次使用前必須對(duì)每批次產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，杜絕因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量影響到工程質(zhì)量。⑥插打塑料排水板時(shí)必須使用套管，套管的驅(qū)動(dòng)方式可以用振動(dòng)也可以用靜壓，但在邊坡上插板時(shí)為保持邊坡的穩(wěn)定，只允許采用靜壓的方式。⑦要保證插板的插達(dá)深度，控制排水板的回帶量在20～50cm，當(dāng)發(fā)現(xiàn)排水板的回帶量超過50cm，應(yīng)就近重新補(bǔ)插。⑧為保證插板質(zhì)量，應(yīng)要求在每臺(tái)插板機(jī)上必須安裝排水板打設(shè)自動(dòng)檢測(cè)記錄儀，沒有安裝的嚴(yán)禁施工。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過檢測(cè)、樁深、水深、帶深和實(shí)際的涂面高程，就可以換算出回帶長(zhǎng)度。如果在下樁過程距離樁底目標(biāo)高程50cm以上，拔出時(shí)其深度報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)提醒。⑨在復(fù)合地基中插打塑料排水板的也可起到消散孔隙水壓力的作用，但應(yīng)從其經(jīng)濟(jì)性仔細(xì)分析論證，確定其插打密度做到盡量經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語

施工過程中軟土路堤最重要的就是做好施工的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，尤其是采用排水固結(jié)法處理軟土地基時(shí)更要做好監(jiān)測(cè)工作。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的目的是掌握塑料軟基沉降、側(cè)向位移及孔隙水壓力消散規(guī)律，控制填土速率，保證路堤穩(wěn)定以及為預(yù)測(cè)工后沉降提供與實(shí)際最接近的數(shù)據(jù)。同時(shí)也可檢驗(yàn)采用的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)方法是否合理。

在軟土地基上施工最重要的首先要確定軟土地基填土的臨界高度，這樣在臨界高度以下填土可以不考慮填土速率，路堤是不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象的，同時(shí)盡可能提高填筑速率，為后期的預(yù)壓爭(zhēng)取時(shí)間，用排水固結(jié)法施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行觀測(cè)。

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