基于塑料排水板和真空堆載預(yù)壓的公路路基處理技術(shù)研究

王 偉

（中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司,陜西 西安 710000）

引言

廣東沿海地區(qū)分布有大量軟基軟土,其土性多有軟塑或流塑狀態(tài),此種狀態(tài)下的土體承載力極低。對于在其上施作道路風(fēng)險(xiǎn)較高,必須在施工前做充分的地基處理。對于道路施工而言,在堅(jiān)實(shí)的路基之上修筑,才能確保運(yùn)營期道路路基路面的整體穩(wěn)定性以及不發(fā)生不均勻沉陷,對于公路壽命有較大影響。結(jié)合廣東南部沿海城市某道路工程施工實(shí)際,進(jìn)行基于塑料排水板和真空堆載預(yù)壓聯(lián)合處理的軟基路基加固技術(shù)分析。可使后期路基及路面施工沉降值趨于穩(wěn)定,并對道路運(yùn)營安全提供可靠的保障。

1 施工工藝原理

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)[1]通過鋪設(shè)封閉膜將施工區(qū)段隔離后進(jìn)行抽取真空作業(yè),使膜內(nèi)土體與外界大氣壓產(chǎn)生壓強(qiáng)差,在壓力作用下土中富含的水分通過埋設(shè)的排水設(shè)施排出膜外,通過塑料排水板和砂井形成雙向排水,同時(shí)過濾土粒使得土體僅有水分流失,避免造成地面沉陷。隨著孔隙水的流失,土體不斷密實(shí),各性能指標(biāo)得到提高,當(dāng)內(nèi)外界達(dá)到壓力平衡時(shí),滲流截止,土體完成固結(jié)。在抽真空作業(yè)中輔以集中堆載進(jìn)行預(yù)壓,加大土體的應(yīng)力同時(shí)加速土體的沉降,進(jìn)而壓縮固結(jié)的時(shí)間。

該加固技術(shù)是以原有預(yù)壓固結(jié)技術(shù)為基礎(chǔ)聯(lián)合真空預(yù)壓技術(shù)而形成的軟土地基加固技術(shù),適用于粘性土及淤泥土層等軟土地基加固,這些不良地基有水含量高、土體孔隙率大、承載力低、難固結(jié)、易產(chǎn)生流變、觸變等共性[2]。其施工區(qū)域橫斷面布置示意圖見圖1。

圖1 預(yù)壓橫斷面布置示意

2 軟弱地基指標(biāo)及施工方案確定

2.1 土層力學(xué)指標(biāo)

以廣東南部沿海城市某道路工程為例,其軟土地基土層劃分由上到下為填土層、粉質(zhì)黏土層、淤泥層和淤泥質(zhì)土層。土層承載力低,易產(chǎn)生變形及沉降,在進(jìn)行加固施工中,應(yīng)對地基穩(wěn)定性和施工沉降進(jìn)行嚴(yán)格控制,各土層力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 路基土層及基本物理參數(shù)檢驗(yàn)參數(shù)值

2.2 加固設(shè)計(jì)參數(shù)

塑料排水板規(guī)格為PSB-C 型,厚度在0.4～0.5 cm內(nèi),通過液壓機(jī)械打入土層并按正三角形進(jìn)行布置。排水板間距按軟土深度確定,軟土深度≥20 m 時(shí)取1.1 m,＜20 m 時(shí)取1.2 m,露出部分60 cm。真空泵為射流式,功率≥7.5 KW,控制范圍800～1200 m2。為保護(hù)密封膜,在其前后鋪設(shè)抗拉強(qiáng)度≥40 KN/m 的土工布,真空膜其縱向抗拉強(qiáng)度≥18.5 MPa,橫向≥16.5 MPa。

2.3 加載實(shí)施計(jì)劃

對本項(xiàng)目,擬采用劃分層數(shù)及級(jí)數(shù)進(jìn)行預(yù)壓加載,每層厚度取0.5 m。在加載過程中需對軟土地基的孔隙水壓以及發(fā)生的位移沉降及時(shí)監(jiān)測,每一級(jí)加載間隔為一周,當(dāng)沉降量穩(wěn)定后開始下一級(jí)的加載。加載實(shí)施計(jì)劃見表2。

表2 預(yù)壓加載實(shí)施計(jì)劃

3 預(yù)壓計(jì)算分析

該路段在預(yù)壓加載施工前應(yīng)進(jìn)行加載計(jì)算分析[3],通過計(jì)算出的沉降、固結(jié)度、及穩(wěn)定計(jì)算確定實(shí)施計(jì)劃的合理性,并進(jìn)行調(diào)整。

基于篇幅限制,本研究僅針對沉降進(jìn)行計(jì)算分析。沉降計(jì)算應(yīng)滿足如下條件：施工期間產(chǎn)生的荷載應(yīng)假定為永久荷載,并計(jì)算插入排水板范圍內(nèi)和下部土層的固結(jié)度和下沉總值；在施工期結(jié)束后計(jì)算其固結(jié)度和下沉值[4]。

3.1 沉降計(jì)算

采用分層求解再依次求和的方法計(jì)算總沉降值S,其計(jì)算公式如下：

式中：ms為沉降系數(shù),與地基強(qiáng)度、加載荷載大小和速率等有關(guān),其范圍在1～1.4 之間,按經(jīng)驗(yàn)取值；Sc 為主固結(jié)沉降。

主固結(jié)沉降按e～p 曲線采用分層求解再依次求和的方法進(jìn)行計(jì)算,其公式如下：

式中：n 為地基分層層數(shù)；Δhi為第i層的土體厚度（m）；e0i為第i 層中點(diǎn)在重力作用處于穩(wěn)定時(shí)的孔隙比；e1i為第i 層中點(diǎn)在重力及外加荷載作用處于穩(wěn)定時(shí)的孔隙比。

壓縮層其厚度取值,當(dāng)滿足如下公式時(shí)可作為厚度下限：

式中：σz為附加荷載產(chǎn)生應(yīng)力值,kPa；σsz為有效自重產(chǎn)生的應(yīng)力,kPa。

若計(jì)算到較堅(jiān)硬土層時(shí)厚度仍未滿足公式（3）,只需計(jì)算到較堅(jiān)硬土層。

由于蠕變沉降值較小,在沉陷殘余值計(jì)算中不考慮此沉降值的影響。項(xiàng)目竣工驗(yàn)收后的沉降殘余值Sr 即工后沉降值計(jì)算公式如下：

3.2 固結(jié)度計(jì)算

固結(jié)度通解計(jì)算公式如下式（5）所示。因施工中在豎向和徑向兩方向都有排水固結(jié)度Uz和Ur,需對Uz和Ur聯(lián)立求得平均固結(jié)度Urz。相關(guān)計(jì)算公式如下所示：

Uz＞30%時(shí),豎向排水固結(jié)度計(jì)算公式如下：

Uz＜30%時(shí),豎向排水固結(jié)度計(jì)算公式如下：

徑向朝內(nèi)的固結(jié)度計(jì)算公式如下：

聯(lián)立Uz和Ur求得平均固結(jié)度Urz計(jì)算公式如下：

上式（6）-（10）中Cv 為豎向固結(jié)系數(shù),cm2/s；H 為土層在豎直方向上的排水高度,m；Ch為徑向固結(jié)系數(shù),cm2/s；n 為井徑比（n=de/dw）；de為排水板施工范圍內(nèi)的直徑,m；dw為排水板的有效直徑,m。

3.3 預(yù)壓計(jì)算結(jié)果分析

以本項(xiàng)目地勘報(bào)告及設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ),采用對應(yīng)的固結(jié)系數(shù)及各分層土層下的e-p 曲線,結(jié)合擬定的加載計(jì)劃計(jì)算得出施工段落沉降量范圍為98.3～274.5 cm 之間,15 年后工后沉降在5.1～20.4 cm 之間。同時(shí)經(jīng)過穩(wěn)定計(jì)算,其安全系數(shù)[5]也在規(guī)范允許范圍內(nèi),可按照此加載計(jì)劃進(jìn)行施工。

4 沉降監(jiān)測及分析

在預(yù)壓加載施工過程中沉降監(jiān)測是及其重要的一環(huán),通過監(jiān)測出的沉降速率及數(shù)值,實(shí)時(shí)觀察施工區(qū)域路基的位移動(dòng)態(tài),調(diào)節(jié)加載的速度,保障施工的安全可靠性[6]。并在加載結(jié)束后確定卸載載荷和后續(xù)路面的施工日期,預(yù)測竣工后的沉降值。

按規(guī)范要求在處理的路基沿軸線方向每隔100 m 布置一個(gè)監(jiān)測斷面,在路肩及路堤的中點(diǎn)處按要求埋設(shè)沉降標(biāo),為避免沉降標(biāo)破壞密封膜而降低抽取真空降壓效果,在沉降標(biāo)下部墊一定厚度的土工布進(jìn)行保護(hù)措施。沉降觀測期應(yīng)從施工開始至竣工驗(yàn)收結(jié)束,其觀測頻率見表3。

表3 沉降監(jiān)測頻率

在布設(shè)的監(jiān)測斷面里取K1+600、K2+000 兩個(gè)斷面記為S1、S2 進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,兩個(gè)斷面在路堤中點(diǎn)（記為點(diǎn)3）、路肩（記為點(diǎn)1、2）各有一個(gè)觀測點(diǎn),共計(jì)6 個(gè)觀測點(diǎn)。監(jiān)測區(qū)間為施工開始到恒載結(jié)束,其監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

由表4 可知在監(jiān)測區(qū)間內(nèi)該監(jiān)測斷面最大總沉降量為2.67 m,最小總沉降量為0.86 m,單次最大沉降量為1.05 m,與理論最大沉降計(jì)算值相符合,其中最大沉降值均在第3 點(diǎn)即路基中點(diǎn)處,這是因?yàn)樵诔槿≌婵兆鳂I(yè)下,由于壓強(qiáng)差產(chǎn)生的壓力使軟土路基的側(cè)向位移沿路基中心線處加大,形成向內(nèi)收斂的走向,造成路基中點(diǎn)處應(yīng)力集中,沉降增大。

表4 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

其中K1+600 單次沉降最大值在抽取真空作業(yè)后的第12 天,K2+000 單次沉降最大值在抽取真空作業(yè)后的第10 天,與預(yù)壓加載實(shí)施計(jì)劃的10-15 天相吻合,即計(jì)劃工況與現(xiàn)場實(shí)際反饋較為接近,進(jìn)一步佐證了預(yù)壓加載實(shí)施計(jì)劃的可靠性。

5 結(jié)論

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)是目前對軟土地基進(jìn)行加固較為有效與得到廣泛推廣的施工方法,本研究以廣東南部沿海城市某道路工程為例進(jìn)行真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)研究,得出如下結(jié)論：

（1）通過分析軟土地基的力學(xué)指標(biāo)及加固設(shè)計(jì)參數(shù),擬定了加載實(shí)施計(jì)劃。

（2）通過擬定的加載實(shí)施計(jì)劃進(jìn)行沉降計(jì)算得出施工段落沉降量范圍為98.3～274.5 cm 之間,15 年后工后沉降在5.1～20.4 cm 之間。

（3）通過對施工段落的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到了在某一斷面路基中點(diǎn)處沉降總量最大,以及單次沉降最大值出現(xiàn)的時(shí)間與預(yù)壓加載實(shí)施計(jì)劃的時(shí)間吻合,進(jìn)一步佐證了預(yù)壓加載實(shí)施計(jì)劃的可靠性。