水載預壓法研究與應用

陳池清 李嘉麗

1 水載預壓成因

珠江三角洲地區修建高等級公路時普遍采用傳統的等超載預壓方法，采用砂、土、碎石等原材料，等載厚度約 1m，超載厚度0.5m～2m不等。不少公路的等、超載土石方工程量接近或超過路基設計土石方量，卸載時土石方量較大，很多時候無法重新利用，造成材料的極大浪費，因而施工單位在投標時就會對此進行綜合考慮，工程費用相應增加。

由于大規模的公路建設，廣東地區，特別是珠江三角洲地區的土、砂、石等原材料資源已經瀕臨耗盡，導致這些地方原材料的價格急劇上漲，大大增加了施工成本。同時大規模挖山、撈砂以及卸載土方的廢棄也導致了不可忽視的水土流失和環境破壞問題，不少地方政府已經立法禁止取土、采石和撈砂。

針對上述預壓方法存在的不足，結合廣東地區特別是珠江三角洲地區水網密布、水資源豐富的特點，本佛山北滘—樂從公路主干線工程軟基研究段提出并試驗成功一種新的預壓方法——水載預壓法，以水代替土(砂、石等原材料)進行超載預壓。

2 研究段水載試驗

2.1 水載方法

佛山北滘—樂從公路主干線工程路基設計高度平均約 2m，等載1m，超載0.5m，等超載土方量所占比例較大。另外，該工程路基處理寬度為 90m，非常適于采用水載的方法進行等、超載預壓。為了指導設計和施工，本研究段的軟基處理研究工作中，對采用排水固結軟基處理方法的路段進行了水載預壓法的試驗，與填砂預壓法進行對比。研究段采用的是水池式水載預壓法，在軟基處理電滲區和強夯區的路基上分別設置了 2個水池，平面尺寸為90m×40m和90m×140m。圍堰高2m，水深1.8m。

2.2 施工工藝流程

水載預壓的施工工藝流程為:測量放樣→修筑圍堰→鋪膜→抽水預壓→放水卸載。1)修筑圍堰:水載圍堰高 2m，頂寬3m，內外邊坡坡率為 1∶1.5。圍堰填筑材料采用細砂(可就地選用其他材料)，推土機、挖掘機配合填筑。為便于鋪膜和保障圍堰穩定性，圍堰內、外側采用單排砂袋護堤。在圍堰上設置若干溢水口，以便排放雨水保持水深，溢水口底標高應高出設計設置水位標高10 cm。2)鋪設薄膜:薄膜采用與真空預壓工程相同的聚氯乙烯薄膜。薄膜一層厚度為0.14mm，按照每個水池的尺寸向廠家整張訂做薄膜，薄膜應完全覆蓋圍堰頂部，并考慮薄膜鋪設時應有一定的預留量，以免蓄水時薄膜被拉破。鋪膜前，對薄膜下面層進行清理，保證不存在尖銳物，以免刺穿薄膜。鋪膜時，先將整條薄膜沿路線縱向拉直擺放在水池中線上，然后同時兩側張拉、展開薄膜，直到薄膜覆蓋整個水載區(包括圍堰)，并用砂袋壓住薄膜。施工時注意天氣情況，嚴禁在刮風天氣進行鋪膜施工。鋪膜時有專人指揮，鋪膜人員務必配備小剪刀，以防安全。同時，張拉薄膜注意張拉力度，以免破壞薄膜。鋪完膜后及時檢查整張膜的完整性、接縫的密封性，如發現刺破現象及時修補。在圍堰頂部及外側設置一層砂包進行壓膜，以防止薄膜翻起和老化。另外，薄膜需覆蓋邊坡，防止雨水沖刷后形成掏空區，對圍堰的穩定性有較大影響。3)抽水預壓:薄膜鋪設完畢后，采用大功率抽水泵從附近水塘或河道中抽水預壓。抽水同時進行監測，必要時則分級進行加載，避免因加載過快引起路基失穩。在超載初期，需派專人密切注意圍堰的穩定性，當池中水量因蒸發減少時，應及時補充蓄水。圍堰頂部設置的溢水口，與附近的河道連通，防止雨水溢出涌進附近的魚塘破壞生產。4)安全措施:制作警示牌并在蓄水池四周圍上警戒帶，派專人密切注意水位變化情況及禁止人員下水游泳等。

2.3 施工注意事項

1)膜技術參數:厚度不小于0.14mm，拉伸強度(縱/橫)不小于15MPa/13MPa，斷裂伸長率(縱/橫)不小于220%/200%，滲透系數K20≤10 cm/s～11 cm/s，抗滲強度(耐靜水壓力)不小于160 kPa。

2)施工監測:通常情況下，將監測斷面設置在橫向圍堰處，以方便施工監測。本工程在水池中部也設置了表面沉降板，在水載區域沉降觀測通過在沉降管上綁扎塔尺進行水準測量。孔隙水壓力及土壓力觀測通過電纜連接到圍堰位置處觀測。

3)安全要求:a.為保證路基安全，要求圍堰分層填筑和碾壓，每層松鋪厚度控制在 50 cm以內。充水時應加強監測，避免路基失穩。b.在圍堰上設置若干個溢水口，溢水口底標高應高出設計設置水位標高 10 cm，基本保證降水時水深不變。水池內匯集的雨水通過溢水口連接到排水溝排放至附近河道內。c.因水載預壓期較長，在預壓期間，為保證圍堰的持久性，圍堰頂部及外側邊坡均鋪設PVC薄膜，以防雨水沖刷。同時，在圍堰頂部及外側設置一層砂包，起到壓膜和護坡的作用。d.護堤在預壓期間做好排水防護工作。e.安排專人巡視，嚴禁閑人進入施工現場。f.做好安全警示牌及安全警示線的圍閉工作。

2.4 安全耐久性分析

由于路基邊坡上的薄膜最容易老化，我們在此部位剪切一定數量的樣品進行了檢測，結果發現使用前后的物理力學指標的對比情況如表 1所示。據表 1可知，經過 150 d的風化作用后，薄膜橫向縱向拉伸強度分別減小了0.8 MPa和1.1MPa，而橫縱向的斷裂伸長率分別減小了56.6%和52.8%，依然滿足技術要求;而橫縱向的直角撕裂強度分別增加了56.5 N/mm和53.2 N/mm，遠大于其技術要求指標。這說明只要維護得當，水載預壓的安全耐久性可以得到有效保障。

表1 聚氯乙烯薄膜使用前后性能比較

2.5 應用效果分析

本研究段在樁號K12+020～K12+060和K12+130～K 12+ 270范圍內成功地加載了 1.8m高的水載，迄今為止，已經順利地預壓了將近半年，根據PVC薄膜的強度檢測結果來看，目前水載尚可維持預壓半年左右。這表明了水載的加載對于本條高等級公路來說安全是有保證的。但出于安全的考慮，水載高度不宜過高，而1.8m高的水荷載只相當于1.0m高的填砂荷載，這能否滿足本工程的等、超載要求可以根據監測數據來分析。

圖1，圖 2分別為電滲區及強夯區沉降曲線圖。可見在水載超載作用下，路基各個位置均有很明顯的沉降，表明水載不僅能加固路基中心位置的軟土，而且對路基左右側的加固效果也很好。另外，電滲區在超載將近兩個月后，沉降逐漸進入穩定狀態，而強夯區由于強夯已經消除了部分沉降，在水載超載一個月后沉降速率就已經非常小。利用電滲區和強夯區目前的實測沉降曲線，根據雙曲線法推算得到電滲區的剩余沉降僅為 10mm左右，強夯區的剩余沉降僅為 3mm左右，可滿足設計工后沉降小于10 cm～30 cm的要求。

綜上所述，水載預壓和堆載預壓的加固效果一樣，完全可以滿足本工程的等、超載要求。

水載預壓具有良好的經濟效應，與常規超載造價比較可見表2(本表格中各項費用均按本試驗段電滲區水載預壓的工作面積來計算)。通過比較可以看出水載預壓比填砂預壓要經濟得多。采用水載法預壓1.8m(相當于壓實砂1m厚度)，其工程造價平均為29.31元/m2;而采用常規堆載(填砂)預壓的工程造價約為58.74元/m2，采用水載預壓可以節約成本 50.1%。由此可見，水載預壓的經濟效益是非常可觀的。

2.6 經濟對比與推廣應用

珠江三角洲地區水源豐富，水載預壓的水源基本上可以就地取材，抽取和排泄蓄水都比較方便，既節省了運輸費用也不會對周圍的環境產生影響。另外，隨著城市建設的不斷發展，珠江三角洲各地土、砂、石等材料逐漸減少，這些材料的成本也不斷增加;而由于水資源可以循環反復利用，水載的成本就比較穩定、低廉。因此，水載預壓具有在工程實踐中推廣運用的廣闊前景。

3 結語

1)水載法分為水袋法、水箱法、水池法等，各有優缺點，進行施工時應綜合考慮，合理選擇。2)水載預壓具有節省工程造價、施工速度快，適用范圍廣，與周圍環境無危害等特點。3)工程實踐證實了水載預壓法與其他材料堆載預壓法效果相同，并可大規模地應用于南方公路軟基處理工程中。

[1] JTJ 017-96，公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].

[2] JTG B01-2003，公路土工試驗規程[S].