水袋堆載預壓法在高等級公路軟基處理中的應用

（中鐵一局集團第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 導言

隨著我國經濟的高速發展，公路工程建設事業也迎來了蓬勃發展的新時期，浙江省作為沿海發達省份，高等級公路建設得到迅猛發展。浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，浙北、浙東平原區廣泛分布軟土層，以海相為主，部分為湖沼，近年來，大量高等級公路修建于軟土地基上，促使工程技術人員積累了大量的設計與施工經驗，其中堆載預壓為常見的預壓處理方式，目前國內外關于堆載預壓的研究均是建立在太沙基滲流固結理論基礎之上（太沙基滲流固結理論是土力學的最重要理論之一）。由于堆載預壓處理效果與堆載所采用的材料無關，只與荷載大小和預壓時間有關，無論采用何種預壓方式，路面攤鋪施工前必須進行路基卸載，為了避免大量土方卸載，耗費大量成本，故“以水代土“的預壓工藝“水袋堆載預壓法”順勢而生。

2 工程概況

G235 富陽靈橋至漁山段工程起于富陽區靈橋鎮，主要利用春永線老路拓寬，局部路段截彎取直，經里山、漁山等鄉鎮，至于富陽區漁山鄉與蕭山交界處（長嶺頭），沿線所經過地區屬富春江沖海積平原、丘陵山前沖海積平原和浙西北龍門山脈低山丘陵區。線路左側為富春江，右側為平原或丘陵。路線全長10.48 公里，其中K12+310-K13+250 長960m 老路拼寬段，路基填土高度3-5m，軟土層厚達24.3m，因工后沉降不滿足≤15cm 的要求，且原有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增大值＞0.5%，故設計該路段需進行軟基處理，即超載預壓，超載材料采用路基填料，卸載界限為預壓6 個月后，且連續2月沉降速率＜8mm/月。

因本工程臨近富春江，位于二級水源保護區，環保要求高，礦產資源匱乏，目前國家強抓環保治理工作，附近山體禁止開采，致使預壓土方量缺口較大，所需預壓土方均需外購，同時外購土方距離較遠，受道路限重、環保等因素制約，填料進場費用高，嚴重影響工程進度，項目施工成本加大。此外加載、卸載預壓土均需利用原春永線公路通行，由于老路保通（改擴建），交通組織困難，安全風險高。施工時間跨度長。

我部結合現場實際情況，根據市場調查，水囊可折疊性好，運輸、拆除方便，現場操作簡單，不需要大量機械、人員配合作業，能快速充水完成路基堆載，而且采用密封設計，后期拆除便捷、速度快亦不會對原路基造成破壞，地方干擾小，經濟型和實用性較好，可隨時進行超載預壓，故計劃K12+310-K12+640 段采用橡膠密封水囊進行水袋預壓取代堆載土預壓試驗。

3 軟基特性及常見處理方法介紹

軟土具有高含水率、弱透水性、固結速度緩慢、大孔隙比、高壓縮性、低抗剪強度、觸變性、流變性等特點，這些特點直接關系到公路路基的基礎形式、軟土地基的處理方式、預壓期等。在軟土地基上修建公路，容易產生路基整體沉降、不均勻沉降、路基失穩，造成路面不平、開裂、橋頭跳車等病害現象。

現階段我國對于深層軟土路基的處理，基本可以分為三大類：排水固結法、復合地基法、輕質路堤法。排水固結法由于具有環保、造價低、施工方便、在能夠保證足夠預壓期的條件下處理效果良好等特點，在一般路段的軟基處理上得到了廣泛應用。排水固結法由加載系統和排水系統兩大部分組成，加載系統一般可分為堆載預壓、真空預壓及真空聯合堆載預壓，其中堆載預壓是最為常用的預壓方式。堆載預壓是指在軟土地基上施加荷載，促使地基排水、固結、壓密，以提高地基強度，減少在使用荷載作用下產生的工后沉降量。若預壓荷載等于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為等載預壓；若預壓荷載大于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為超載預壓；若預壓荷載小于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為欠載預壓。欠載預壓通常適用于采用復合地基處理的軟土路段，對于排水固結法而言，一般以等載預壓和超載預壓為主。

4 水袋預壓系統介紹

我國對預壓水袋的研發始于2012年，由武漢速安達建筑橡膠制品有限公司開發出了外加筋PVC 密封水袋，應用與橋梁支架預壓，在實際使用過程中由于PVC 水袋強度低，容易老化，耐磨性能差等缺點，難以滿足橋梁試壓水袋要求質量輕，強度高，柔軟性高，耐磨性好，耐候性好，成本低等要求，市面上無適合的材料和加工設備能夠滿足要求，因此難以推廣應用。直至2017年，該公司研制出的橡膠水袋成功應用于橋梁支架預壓，之后在橋梁鋼桁架配載、移動模架預壓、掛籃吊重方案均有應用。

2018年5月，湖南南益高速首次采用水袋堆載預壓，廣東興寧至汕尾高速、潮汕環線高速等先后進行了成功應用。

4.1 水袋系統組成

路基水袋堆載預壓系統包含水袋、加載系統、安全控制系統及零星設備系統；

圖4-1 路基水袋堆載系統工作效果

4.2 水袋結構構成

其中堆載水袋由囊身、進（出）水閥門、排氣閥門組成，根據常規路基堆載荷載要求選擇堆載水袋結構尺寸。

圖4-2 水袋結構示意

4.3 水袋材料性能

本工程采用整體硫化成型橡膠堆載預壓水袋，與傳統的方法相比，繼承了傳統橡膠材料的強度高、耐磨性好、耐老化、密封性好等特點；同時降低1/3 左右成本，1/2 左右重量，還具有良好的加工性能。

表4-1 水袋性能參數

4.4 路基堆載水袋受力分析

假設水袋充水高度為H 米，不考慮頂部空氣壓力，按理想狀態分析水袋受力。現取5 厘米寬（材料檢測標準寬度）水袋單元材料受力最大處分析：

圖4-3 密封水囊受力分析圖

其中N1、N2 為水袋單元拉力，P 為水袋內壓力，f2 為地面摩擦力，根據力矩平衡：N2XH=PX2H/3，P=ρgLH2/2，其中L 為單元寬度。

袋體材料最大受力：N2=ρgH2L/3（注：此計算理論未考慮內部空氣壓力等因素）

圖4-4 密封水囊受力圖

5 水袋預壓法應用

為確保我部軟土路基工程順利進行，提高工程效率，保證工程質量，避免盲目施工給工程帶來損失，決定K12+310-K12+640 段進行水袋堆載預壓試驗段施工。因堆載預壓處理效果與堆載所采用的材料無關，只與荷載大小和預壓時間有關。因水與宕渣質量比1∶2.32，經每平方荷載等質量換算，厚度為100cm 預壓宕渣等于2.3m 高水袋重量，同時考慮本工程為改擴建（部分路段截彎取直），路基全寬不等（32-36m），故水袋采取橫向及縱向相結合的方式布置，即尺寸為27m×10m×2.5m 大水袋與10m×5m×2.5m 小水袋。

圖5-1 水袋布置方式

5.1 施工準備

在已驗收完成待預壓路基上攤鋪重量不低于300g 的土工布，進一步保護水袋避免被尖銳物損壞，然后在其上攤鋪隔水層，避免施工用水浸泡路基及卸載水沖刷路基；土工布和隔水層攤鋪要注意和機械設備協調配合，切忌機械將其損壞，攤鋪時搭接20cm，防止水袋直接接觸路基面層。

5.2 水袋定位

為了保證后續水袋注水后能貼緊，避免漏壓，水袋擺放前必須先行定位，再行擺放，水袋定位主要采取控制相鄰水袋閥門的距離，利用皮尺和石灰等工具將水袋位置畫出，確保水袋的整齊劃一。

5.3 水袋攤鋪

必須保證水袋無大褶皺，特別是水袋底部和端部，確保平順，以免影響后期注水后水袋的外形，直接降低水袋的安全性，此過程可以依靠風機協助。

5.4 水袋注水

水袋攤鋪到位后，可進行注水作業，注水期間根據設計要求，加強沉降監測，根據沉降速率分級加載，平均一臺水泵約6 小時可注滿一條水袋，注水施工關鍵是關注水袋的狀態，一旦有異常及時暫停注水作業，待查明情況。

5.5 水袋卸載

經持續不間斷沉降觀測至一定時間段，判定達到卸載要求后，方可連接水管將水袋內水排至指定位置，然后打包堆放。

圖5-2 現場預壓情況

6 水袋預壓優缺點

表6-1 水袋預壓法優缺點對比

7 效益分析

7.1 經濟效益：

土方預壓及卸載施工工期1 個月，水袋預壓及卸載工期15 天且不受雨季影響，工期顯著縮短；土方施工填筑及卸載費用相比水袋預壓加載及卸載費用較高；水袋預壓無加載棄土處置費，無土方購置等費用。

7.2 技術效益：

使用水袋預壓方案后，既解決了取土問題，也告別了傳統堆載土施工工序多，后期卸載時間長以及卸載土方處置等問題，避免設置卸載土方棄土場、減少開挖土方和渣土車作業。水袋預壓采用密封水囊，水囊可折疊性好，運輸、拆除方便，現場操作簡單，不需要大量機械、人員配合作業，能快速充水完成對路基堆載，且不受天氣影響。后期拆除便捷、速度快亦不會對原路基造成較大破壞，水為可再生資源，經處理后排放至河流，避免對水體造成污染，且可循環利用。

7.3 社會效益：

將原設計軟基段土方堆載預壓，采用水袋預壓法，即節能減排，也很好的保護當地生態環境不被破壞，面對節能減排、循環經濟、低碳經濟的新時代要求，水袋預壓的成功應用，完全符合當代“綠水青山就是金山銀山”的理念，將節能環保、綠色循環、低碳發展融入公路規劃、設計、建設管理等各個環節，符合我國生態文明建設要求。在業主及地方政府多次環水保檢查中，得到了各界領導的一致好評，也為沿海（江）地區公路路基軟基水袋預壓處理提供了寶貴經驗，具有較好的推廣應用前景。

8 總結

本工程水袋預壓試驗路段根據土方堆載預壓要求，經等載換算，水體預壓高度為2.3m，現場自2019年6月25日對水袋進行加載，2019年7月7日加載完成，預壓至2020年2月14日結束，經水袋預壓段及土方預壓段現場實測沉降數據比對，兩者數據變化一致且各點位數據均符合設計及規范要求。成功完成了該段試驗段相關工作，為后續大面積軟土路基預壓工程施工獲得了寶貴的經驗。

同時近年來國家對環水保的要求明顯提高，綠水青山理念深入人心，大量礦山關閉，路基填料來源愈發緊張，遠距離的運輸導致土方成本劇增，由于水袋預壓具有成本低，可就地取材，施工速度快，綠色環保等特點，預計在水源豐富的軟土地基路段，采用水袋荷載取代設計路床以上部分的填土荷載（水袋預壓法）應用前景廣闊。