塑料排水板預壓固結法在軟基處理中的應用

王意明

(廣西桂東高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

廣西地貌屬山地丘陵盆地地貌，石山面積約占廣西陸地面積的70.8%，石灰?guī)r地層分布廣，巖層厚，褶紋斷裂發(fā)育，為典型的巖溶地貌地區(qū)。廣西高速公路建設中軟基處理主要以碎石換填為主，其他軟基處理方式運用較少，但是2008年以來，廣西高速公路建設飛速發(fā)展，不可避免會經(jīng)過一些水田、池塘等范圍大、處理深度較深的軟基路段；同時，業(yè)主對工程建設投資、工期、質量及耐久性提出了更高的要求。因此，結合具體工程軟基工程特性，深入了解各種軟基處理方法，可為廣西高速公路軟基處理尋找和確定合理的處理方案，保證工程施工質量，縮短建設工期，節(jié)約工程建設投資。

1 公路工程軟基處理常見方法

公路工程軟基處理的分類方法很多，如按處理深度可分為淺層軟基處理和深層軟基處理；按處理時間可分為臨時軟基處理和永久軟基處理；按處理方式又可分為化學處理和物理處理等。高等級公路軟土地基處理常用的方法可分為排水固結法、復合地基法、改變地基應力條件法及動力擠密法四大類。排水固結法主要包括堆載預壓法、塑料排水板預壓法、砂井預壓法、袋裝砂井預壓法及真空預壓法等；復合地基處理法主要包括CFG樁、碎石樁及深層攪拌樁等；改善地基應力條件法主要包括反壓護道法和土工材料加固法等；動力擠密法主要包括強夯法和重錘夯實法等[1]。

2 塑料排水板預壓固結法軟基處理原理

2.1 塑料排水板預壓固結法簡介

塑料排水板預壓固結法是排水固結法中的一種，和其他排水固結法一樣由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成，塑料排水帶是豎向排水體，砂墊層是水平排水體，兩者構成其排水系統(tǒng)；加壓系統(tǒng)主要有堆載法、真空法及聯(lián)合法等。

考慮到填方路堤坡腳外一定范圍內的地基仍有路堤填方引起的壓應力，因此，塑料排水板的布置范圍擴大到兩側路堤坡腳以外1 m，以提高地基土的穩(wěn)定性。塑料排水板在平面上可布置成正方形或正三角形兩種形式，研究表明，在塑料排水板間距相同的情況下，正方形布置形式的有效影響半徑比正三角形布置形式稍微大一些[2]，達到相同固結度的時間較短。

2.2 塑料排水板預壓固結機理

根據(jù)土力學原理，土體固結是孔隙水壓力的消散和有效應力增加的過程，土層的固結時間與排水距離的平方成反比。因此，土層越厚，透水性越差，固結所需時間越長[3]。

塑料排水板預壓固結法就是在軟土地基中插入排水板，在地基表面鋪設砂墊層，然后在砂墊層上面加載。一方面，排水板及砂墊層分別作為豎向排水體及水平排水體，增加了軟土排水通道，縮短了排水距離；另一方面，通過堆載預壓作用下，軟土地基中形成超靜空隙水壓力，水通過排水板及砂墊層排出，空隙水壓力逐漸轉化為土體有效應力，加快軟體地基固結，增加土體穩(wěn)定性，達到縮短建設工期的目的。

2.3 塑料排水板優(yōu)點

與換填置換法相比，塑料排水板預壓法具有以下優(yōu)點：

(1)處理深度更深、范圍更大

當軟基處理深度超過5 m時，如果采用開挖置換法進行軟基換填，開挖方量相對較大，開挖后四周邊坡要放緩加固處理，同時又容易積水，不利于施工質量控制，而采用塑料排水板預壓法可避免此問題。

(2)有利于環(huán)境保護

隨著高速公路建設的發(fā)展，對環(huán)境保護的要求越來越高，采用塑料排水板預壓法可以大大減少土方開挖，減少棄土方量，從而避免棄土對環(huán)境的污染。

(3)有利于節(jié)約工程建設投資

對于深度較深、范圍較大的軟土地基，采用塑料排水板預壓法可以大大減少土方開挖、運輸、回填，較少征用棄土場面積，從而節(jié)約工程建設投資。

與袋裝砂井預壓法相比，塑料排水板預壓法具有以下優(yōu)點：

(1)施工機具輕便靈活、施工效率高

目前袋裝砂井施工主要采用沖擊式或振動式打樁機，相對笨重，塑料排水板既可以采用以上兩種打樁機也可以采用輕便的插板機，因此施工也更靈活，同時塑料排水板施工速度快，效率更高。

(2)對土體擾動少、造價低

塑料排水板斷面尺寸小，施工機具輕，施工過程中對土體擾動明顯少于袋裝砂井施工。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，塑料排水板造價越來越低。

(3)塑料排水板還具有單孔過水面積大、排水通暢、質量輕、強度高、耐久性好的特點。

3 工程實例

3.1 土層分布及工程特性

廣西某高速公路路基寬26 m，其中K287+865～K288+190段軟基位于水田中，路基平均填土高度6.0 m，平時有積水，軟土地基從上至下依次為：

(1)耕植土：厚0.3～0.5 m，灰褐色，由淤泥質土及粉質黏土組成，含水量高、可塑、含有少量有機質。

(2)亞黏土：厚4.5～6.0 m，平均厚度5.5 m，平均含水量約28%，黃褐色，呈軟塑狀態(tài)，通過輕型動力觸探儀檢測承載力約為48 kPa，小于設計要求150 kPa。

(3)黏土：呈硬塑狀態(tài)，含水量較低，地基承載力可達到180 kPa。

此段路基軟基處理，原設計采用清淤3 m、再換填砂礫類土至原地面的處理方法。經(jīng)現(xiàn)場探坑開挖后，在3 m深的位置仍為軟弱層可塑狀亞黏土，地基承載力不能滿足設計要求，經(jīng)多處探坑開挖調查，該段軟基的平均深度約為5.5 m；如果按實際開挖，開挖的淤泥量比較大，初步計算挖淤約85 000 m3，軟基開挖的軟土棄運困難，很難重復堆放淤泥，對棄土場的使用面積要求很大，而大面積的土地征用困難非常大，既占用耕地，又影響環(huán)保。因此將該段軟基處理變更為塑料排水板預壓固結處理軟弱地基的施工方法，塑料排水板插入深度為6.5 m，按正方形布置，間距為1.2 m，采用路堤填土堆載預壓(見圖1)。本路段采用塑料排水板預壓固結法代替開挖置換法，經(jīng)初步計算節(jié)約建設工程投資約10萬元，既有利于施工質量控制，提高耐久性，又有利于工程投資控制。

圖1 塑料排水板堆載預壓平面示意圖

3.2 塑料排水板施工技術應用

3.2.1 施工工序

此路段處于水田中，地勢低洼，常年積水，耕植土以下的亞黏土承載力低。為了改善表面承載力，便于施工機械施工，與其他路段工藝相比，在清理表土后，增加鋪設土工格柵、無紡土工布。具體施工工序如下：清除表土、平整場地、開挖排水溝→鋪設土工格柵、無紡土工布→鋪下層砂墊層→穩(wěn)壓→放樣→插板機就位→塑料排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割斷塑料排水板→檢查并記錄施工情況→插板機移位→鋪設上層砂墊層。

3.2.2 施工工藝要求及施工質量控制

(1)水田地勢較低，容易積水，表面種植土較厚，在塑料排水板施工之前，首先應清除表層種植土，平整場地，開挖排水溝，防止積水；然后鋪設一層土工格柵，改善軟基受力均勻，同時對土工布也有一定的保護作用；然后鋪設無紡土工布，防止預壓過程中泥土侵入碎石墊層中，影響墊層排水性能；最后才鋪筑下層砂墊層。

(2)砂墊層應采用透水性好的中粗砂，其含泥量應不超過3%，滲透系數(shù)≥10-3cm/s。

(3)將鐵質或混凝土靴頭套在空心管端部，固定好塑料排水板，使其在插入的過程中能有效阻止泥沙進入套管污染塑料排水板，并避免拔出套管時帶出塑料排水板。

(4)施工現(xiàn)場堆放的塑料排水板盤帶應下墊上蓋，置于潔凈干燥處，防止污染和暴露在空氣中老化。

(5)套管下沉過程中導軌應垂直，套管不得彎曲；塑料排水板透水濾套不得撕破或污染，底部應可靠錨固在靴頭，以免套管拔出時將塑料排水板帶出。

(6)塑料排水板出孔長度應保證埋入砂墊層≥50 cm，使其與砂墊層能完全貫通，并在端頭做好標識，做好保護措施，防止機械、車輛損壞塑料排水板，影響排水效果。

(7)插板完成后應立即鋪設上層砂墊層，防止塑料排水板長時間暴露在空氣中引起老化。

(8)在堆載預壓前應攤平穩(wěn)壓上層砂墊層，鋪設土工布，防止堆載填料土侵入砂墊層，影響砂墊層透水性。

3.3 沉降觀測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，選取K287+900、K288+000、K288+100、K288+180四個斷面為沉降觀測斷面，每個觀測斷面分別在路基左、中、右設置3個沉降觀測點，中間沉降觀測點距路基中心線0 m，左、右沉降觀測點分別距離路基中心線13 m，沉降觀測點布置圖如圖2所示。

圖2 沉降觀測點布置示意圖

路堤填筑從2012年9月25日開始填筑，至2013年5月30日填筑結束，歷時247 d；各沉降觀測點從2012年9月25日開始至2013年9月30日結束，歷時370 d，K288+000斷面三個沉降觀測點觀測累計沉降及填土高度如圖3所示。

圖3 K288+000斷面填土高度及累計沉降曲線圖

從圖3可以看出，在填筑初期，填土速度較快，沉降曲線較陡，沉降速率也較大，為了保證填筑路堤的穩(wěn)定性，填筑前9 d，累計填土高度達到72 cm，最大沉降速率達到6.7 mm/d，平均沉降速率4.7 mm/d；為了確保路堤填筑穩(wěn)定，適當放慢填筑速度，沉降曲線也逐漸變緩，沉降速率變小，從第10 d到第30 d，累計填土高度達到243 cm，平均沉降速率為2.7 mm/d，路堤填土結束后，路堤沉降繼續(xù)發(fā)展，但沉降速率很慢，日平均沉降速率為0.8 mm/d，到300 d以后，沉降曲線基本趨于水平，說明沉降基本為零，路堤基本趨于穩(wěn)定。

4 結語

本文結合廣西某高速水田路段軟基處理實例，提出了水田路段塑料排水板施工工藝要求及質量控制要點，得出兩點結論：

(1)在范圍較大、深度超過5 m的軟基處理中，與換填法相比，塑料排水板堆載預壓軟基處理方法具有施工工期短、質量可控、耐久性更好及降低工程造價的優(yōu)點；與袋裝砂井預壓法相比，具有靈活便捷、施工效率高等優(yōu)點。

(2)用塑料排水板預壓固結法進行軟基處理，初期沉降速率較大，施工現(xiàn)場應該根據(jù)沉降速率，適當降低填筑速率，以保證路堤填筑穩(wěn)定。

塑料排水板預壓固結法能成功應用到水田路段軟基處理，為同類工程施工提供了借鑒。

[1]黃生文.公路工程地處理手冊[M].長沙：人民交通出版社，2004.

[2]李曉明，丹莊高速公路軟基處理的研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[3]張誠厚，袁文明，戴濟群.高速公路軟基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.