快速信息化高真空擊密法在軟基處理中的應用

李國棟

(廣西旺港高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

軟土路基由于具有天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的工程特性,若處理不當,后期容易造成路基路面沉降開裂。軟基處理前需對軟土土層進行詳細的調查分析,針對不同性質和深度的軟土采用適宜的方法進行處理。在當前國家積極推行“碳達峰、碳中和”的大背景下,尋找到一個技術先進、合理經濟、安全適用、生態良好、節能環保的軟基處理方法尤為重要。

1 快速信息化高真空擊密法的應用背景

眾所周知,當前全球正面臨著資源日趨緊張、環境污染漸多等難題,再加上部分資源的開發難度較大,周期較長,資源環境承載力和工程施工大量資源消耗的矛盾日益突出。在新發展階段,必須推進實現“雙碳”目標,追求更高質量、更有效率、更可持續、更為安全的發展。這是可持續發展、順應技術進步趨勢、推動經濟結構轉型升級、促進人與自然和諧共生的迫切需要。

本文依托項目位于北海市海城區廉州灣海岸,屬于典型的濱海公路,沿線蝦塘、灘涂較多,路基普遍具有承載力低、地下水位高、水量豐富的特點,施工過程中往往會遇到路床碾壓施工難度大、路床壓實度不能滿足要求、路基工后沉降和過大的問題。對于上述問題,通常采用的方法有換填法、水泥攪拌樁法等,但由于北海地區換填所需的施工原材料較為缺乏、水泥攪拌樁費用相對較高,采用先進合理的軟基處理方案對控制整個項目造價至關重要。經專家會研討,決定在K43+185～K43+360段進行“快速信息化高真空擊密法”試驗段施工。

2 軟基處理方法技術經濟論證

2.1 工程概況

擬建項目主要地貌為濱海平原地貌,地形總體相對平坦開闊,地面舒緩稍有波狀起伏,地面高程一般為4～14 m。K43+180～K48+980段為道路改建工程,主要沿舊路進行改擴建,其道路中線大部分緊靠海岸線,局部樁號段位于海岸線外側(海岸灘地填土區),穿越海岸灘地、城市街區等微地貌單位直至終點向海大道路口。該路段地形稍微起伏,呈兩端低、中間高地貌特征。

該項目處理土層主要為軟弱土層①2雜填土和②1淤泥質黏土層,屬于可塑-流塑狀、高壓縮性、滲透性差的土層,是該項目主要的軟弱土層。

擬建路段原設計方案為換填,自路床底層開始計算,換填厚度為3.2 m,采用換填法和快速信息化高真空擊密法進行對比分析。

2.2 技術對比分析

2.2.1 提高地基處理效果

換填法:只能提高表層的承載力,表層以下的土層得不到加固,處理效果不佳。

快速信息化高真空擊密法:處理影響深度為6～8 m,在表層能夠形成一定厚度的硬殼層,提高地基的抗變形能力和整體穩定性,能夠有效控制道路的工后沉降(處理后工后沉降≤30 cm,承載力特征值≥130 kPa,回彈模量≥30 MPa),比原換填法處理深度更深、效果更好。

2.2.2 節省工程投資

節省直接投資:換填法需要大量的石渣、片石和塊石等,而快速信息化高真空擊密法屬于就地加固法,不需要大量石渣,可節省工程直接投資。

節省間接投資:換填法因處理深度有限,使用期間會因較大的工后沉降和差異,導致道路完工后易過早出現損壞,還會對管線造成破壞,影響道路和管線正常使用,增加工程維護費用;高真空擊密處理后道路整體性好,可減少后期維護費用,節省工程總投資。

2.2.3 節省資源

換填法:施工時有大量的棄土方,棄土堆放和運輸都對周邊環境和道路造成影響;大量的換填石料,也會對周圍的自然環境破壞嚴重。

快速信息化高真空擊密法:不需要大量的石渣,對周邊的環境影響小,屬于環保工法。

2.2.4 工期保障

換填法:工期受天氣、石料來源等影響很大,不確定因素多,施工進度慢。

快速信息化高真空擊密法:可大面積同時展開,施工過程中變更少、不確定因素少,工期可得到保障。

2.3 經濟對比分析

快速信息化高真空擊密法和換填法的經濟對比見表1。

表1 兩種方法造價對比表

由表1可知,快速信息化高真空擊密法總費用約282.5萬元,換填法總費用約544.2萬元,僅從地基處理直接投資費用考慮快速信息化高真空擊密法可節省費用約48%。與原換填方案對比,快速信息化高真空擊密法在技術、經濟和環保方面均有較大的優勢,通過試驗一旦確定快速信息化高真空擊密法的適用性并推廣使用后,可替代原換填方案,將帶來巨大的社會經濟效益。

3 快速信息化高真空擊基本原理

該方法是由真空預壓、塑料板排水、強夯結合起來的一種工法,是一種工期較短、質量可控、適應面廣、成本低的軟基處理新工藝。主要原理有:壓力差理論,超固結硬殼層理論。

壓力差理論:其原理是在淺層地基中插入高真空排水管,通過在土層中制造“壓差”來快速消散超孔隙水壓力(擊密產生的超孔隙水壓力為“正壓”,高真空產生的為“負壓”),使軟土中的水快速排出。

超固結硬殼層理論:由于采用高真空排水,大大提高了強夯擊密效果,通過快速高真空排水、擊密的多遍循環,來增加動力排水固結效果,上部較差的軟弱地基形成一定厚度的的超固結“硬殼層”。由于硬殼層的存在,可以增加地基的整體性和抗變形能力,同時還可以增加應力擴散角,使附加應力在到達軟弱下臥層頂部時已得到擴散,減少了工后沉降和差異沉降,提高地基承載力。

4 快速信息化高真空擊密法工藝流程

結合本項目的特點,地基處理的總體原則是“加強排水、控制能量、少擊多遍”,使軟土層在不被強夯擊密破壞的前提下,盡可能提高處理效果。快速信息化高真空擊密法主要施工步驟和流程見圖1。

4.1 施工準備

對試驗區域測量定位,確定處理范圍。在試驗區邊界四周開挖排水溝作為施工期間的排水通道。排水溝內每隔一定距離設置一臺水泵,將排水溝內的水抽排至附近溝渠中。

4.2 場地摸探

在地基處理試驗正式施工之前需要進行地質摸探,了解試驗段場地的初始情況,根據場地摸探細化施工參數。摸探手段主要可采用挖探、小螺鉆取土、靜力觸探試驗等方式,應結合現場實際地質條件確定摸探方式。

圖1 高真空擊密地基處理工藝流程圖

4.3 整平場地、回填砂礫土

試驗段靠海側現狀標高相對較高,東側標高相對較低,在地基處理前先清表并整平場地,清表厚度暫定為30 cm,并回填砂礫土。對于標高偏高的需要開挖整平。處理前整平原則和要求如下:

(1)根據圖紙,擬建道路路面結構層厚度為79 cm,路床為120 cm。將場地整平至路床底以下10 cm,即整平標高=設計標高-2.09 m。

(2)整平后回填50 cm厚砂礫土,若現場施工時發現表層直接為軟弱土層,為滿足強夯機安全施工,對此類區域需要保證施工面以下砂礫土厚度≥1 m。

4.4 高真空管布置

根據土層的分布和地下水位情況,采用深層和淺層高真空管分層布置,深管長度為6 m,淺管長度為3～4 m,間距為3.5 m×3.5 m。

4.4.1 布管、插管

根據設計參數,處理范圍內在回填片石表面鋪設水平臥管、插設豎向真空管,處理區域四周插設真空管作為封管。有深淺兩種真空管,對土層進行分層排水、分層控制。

真空管采用φ32 mm的鋼管,下部進水孔包裹兩層尼龍漏膜形成真空管。為防止濾網損壞,在真空管放入前,應認真檢查,以保證濾網完好。臥管采用φ50 mm PVC管。真空管與水平臥管采用內纏鋼絲軟管連接,連接的接頭應嚴密,形成縱橫聯通的排水通道。

4.4.2 連接泵組

排水通道與新型高效真空泵組連接,形成整個場地的排水系統。

4.5 夯實擊密

4.5.1 試夯

在施工之前先進行現場試夯,實際施工參數根據現場試夯情況進行調整。試夯過程中,需要對夯坑深度和坑邊隆起進行觀測,及時調整強夯參數。

4.5.2 擊密施工參數

共進行3遍點夯、1～2遍滿夯。第一遍夯擊能量約為2 500 kN·m,擊數為5擊;第二、三遍夯擊能量約為2 500 kN·m,擊數為6擊。每遍擊密時間:第一遍擊密開始于排水后11 d;第二遍和第三遍排水時間為10 d。在點夯結束、排水15 d后滿夯。

4.6 信息化監測

施工之前應對現場進行踏勘,進一步了解地質情況。施工過程中,應對地表沉降、地下水位、孔隙水壓力等參數進行監測,施工后進行靜力觸探試驗,對各項監測數據進行詳細記錄和分析,并根據監測反饋結果來動態調整真空管布置參數以及強夯參數。信息化監測主要項目如圖2所示。

圖2 信息化監測主要監測項目圖

4.6.1 地表沉降觀測

試驗區每隔20 m布置一個斷面,埋設沉降觀測點情況,測量處理前后的高程變化情況。分別在場地回填50 cm片石后、地基處理結束后,根據控制點測量場地高程,推算高真空擊密期間的沉降量。根據處理前后高程對比,高真空擊密施工期間平均沉降約27 cm。地表沉降觀測數據見表2。

4.6.2 靜力觸探試驗

在試驗區道路沿線布置靜力觸探點,處理后點位與處理前點位一致,動態了解高真空擊密對場地地基承載力的增長的影響規律。

試驗場地后動力觸探采用圓錐動力觸探試驗進行現場檢測,第三方檢測單位共檢測了K1～K9九個重型圓錐動力觸探試驗,其中K5點位鉆探深度為3.2 m、K6點位鉆探深度為2.3 m,深度不滿足估算工后沉降的深度要求。其余點位(K1、K2、K3、K4、K7、K8、K9)平均鉆探深度為6.9 m。工后動探實測錘擊數如圖3所示。

表2 地表沉降觀測數據匯總表

圖3 工后動探實測錘擊數曲線圖

壓縮模量根據《工程地質手冊》(第五版)中的經驗公式推算后綜合取值。推算方法如下:

按靜力觸探比貫入阻力Ps(MPa)確定E0和Es(MPa):

(1)Es=3.72ps+1.26(0.3 MPa≤Ps≤5 MPa)

(2)Es=3.63(ps+0.33)(Ps<5 MPa)

按圓錐動力觸探確定地基土的變形模量:

(2)功能現代化。①節能：外墻有防火隔熱層，采用導熱系數低的外墻材料，節能降耗；②隔聲：內隔墻均采用隔熱隔聲處理；③防火：使用阻燃材料，防止火災的波及和蔓延；④抗震：大量使用輕質材料，降低了建筑物自重，增加了裝配式軟性連接。

表3 工后沉降估算結果表

根據上述分析,試驗區工程根據圓錐動力觸探試驗結果推算的工后沉降范圍為2.0～3.9 cm,平均工后沉降為2.9 cm,滿足工后沉降≤30 cm的設計要求。

4.6.3 地下水位觀測

在試驗區設置4個水位觀測孔,起初10 d內每天早、晚觀測2次,后續每天觀測1次。及時掌握在施工過程中的地下水位變化規律,優化真空系統的設計參數。水位深度觀測結果曲線如圖4所示。

圖4 水位深度觀測曲線圖

由圖4水位觀測結果曲線可知,在高真空排水初期水位下降速率較快,第一遍排水約11 d后水位開始穩定,之后每遍排水約10 d后水位基本穩定,根據水位變化情況可確定每遍高真空排水總時間約為10～11 d。

4.6.4 孔隙水壓力觀測

為了檢測每遍高真空擊密產生的超孔隙水壓力及其消散情況,判斷下一遍擊密時間,并根據超孔隙水壓力的變化規律進一步研究加固機理和土體強度正常規律。根據試驗方案要求,在K43+185～K43+280段和K43+280～K43+360段分別埋設2組孔壓計,每組埋設3個,埋設深度分別為2.0 m、3.0 m和4.0 m。

將帶有孔壓計的真空管放入孔內,到孔底后再用人力壓入0.5 m,然后用黏土充填真空管與鉆孔之間的縫隙,保證不漏氣。孔隙水壓力觀測結果曲線如圖5所示。

圖5 孔隙水壓力觀測結果曲線圖

從對孔隙水壓力隨時間的變化可得出以下結論:

(2)高真空排水效果明顯。擊密后超孔隙水壓力瞬間升高很大,在高真空排水作用下孔壓消散很快,這說明高真空排水效果很明顯。

(3)超孔隙水壓力消散>80%。每遍擊密前超孔隙水壓力消散基本上均>80%,說明對于該工程,兩遍高真空擊密之間的間隔時間在10 d左右即可以滿足要求,這與水位觀測結論也是吻合的。

5 試驗段總結

地基處理施工自檢數據、第三方檢測結果均表明,試驗區段快速信息化高真空擊密法地基處理效果顯著,處理后指標可滿足設計要求。

(1)從施工期沉降數據來看,地基處理過程中沉降平均為27 cm。

(2)第三方檢測結果表明,承載力、回彈模量、工后沉降均滿足設計要求。

5.1 經濟效益

從經濟性角度考慮,原方案不含路床需要換填3.2 m石料,與換填相比,僅從地基處理直接投資費用考慮即可節省約48%,說明快速信息化高真空擊密法具有良好的經濟效益。

5.2 大面積應用建議

通過高真空擊密試驗,達到預期的目的,得出以下結論:

(1)工程質量可靠:經快速信息化高真空擊密法處理后各項指標可滿足設計要求。

(2)可節省工程投資:與傳統的換填法相比,造價節約48%左右。

(3)工期可控:大面積軟基處理時更具備工期優勢,受外部因素的影響較小。

(4)保護自然資源:施工過程中無須向土體中摻入任何固化劑或外加劑,無棄土,真正做到了對環境的零污染。

(5)提高了強夯法對飽和軟黏土的適用性。快速信息化高真空擊密法質量、經濟和工期優勢都比較明顯,具有較好的社會經濟效益,在類似工程中是適合廣泛應用的。

6 結語

試驗段研究結果表明,經過“快速信息化高真空擊密法”處理后可有效提高路基承載力,減少路基沉降過大造成的病害發生。今后還應進行更深入細致的研究,積極采用“四新”技術,提高工程項目科技含量,達到經濟、適用、安全、環保的要求,為公路工程建設、技術優化進步貢獻綿薄之力。