公路軟土地基處理砂墊層排水理論初步探討

黃旭洪

公路軟土地基處理砂墊層排水理論初步探討

黃旭洪

通過砂墊層排水理論推導,結合工程實例,分析了砂墊層中無水位現象成因,并對回填一定厚度細砂可以替代中粗砂墊層進行了探討,從而為工程實踐提供指導。

公路,軟基,砂墊層,排水

隨著我國土木工程建設日新月異,軟土地基處理技術也相應得到了飛速發展。在珠江三角洲地區,大量的公路建造在軟土地基上,通常其施工工藝是魚塘清淤后采用細砂回填,然后再鋪筑50 cm左右中粗砂墊層。但是在很多項目工程實踐中,工程師們發現我們的中粗砂墊層里常常觀察不到水位,坡腳砂墊層一直處于干燥狀態。究竟是什么原因致使砂墊層處于干燥狀態,下文從理論上推導砂墊層的橫向排水能力,并結合某試驗研究段工程實例,對其原因進行了解釋。

1 理論推導

大量工程實踐表明,路基底寬大于 50m時,公路路中線處橫向排水體中水頭高于坡腳處 0.5m～1.5m(如圖 1所示)。砂墊層等橫向排水體的排水能力應大于地基的最大排出水流量。

1.1 地基最大排水量

其中,L為路堤底面半寬;Sc∞為地基固結產生的最終沉降,可以采用分層總和法計算;α,β均為計算參數,見表 1。

從保守角度計算,可以假設所有堆載同時瞬時施加,取t=0,可得到地基的最大排出水流量。

設坡腳處沉降速率為 0,路堤中線處t時的固結沉降速率為Vcs,沿路基縱向單位長度 t時地基排出水流量 qtc采用下式計算：

1.2 砂墊層厚度

假設圖 1中砂墊層中水頭線為拋物線形狀,坡腳處水頭高度為 0,路中線處水力梯度為 0,水頭高度 h為：

其中,p為沿路基底寬L內水平排水體所受附加應力差,可取為堤底附加應力;γw為水的重度;αs為水頭系數,αs較大時,路中線處水頭過高會影響固結速率,減小預壓階段的附加應力,αs很小時,對橫向排水體要求高,參考《公路土工合成材料應用技術規范》,αs可取 0.05～ 0.1。

表1 不同條件下 α,β取值

其中,k為砂墊層的滲透系數。由以上推導過程可知,砂墊層厚度需求值在路中線處最小,坡腳處最大。砂墊層因不同填筑材料(如中粗砂、細砂)滲透系數 k值不同而要求的厚度就不一樣。假設式(8)中L=50m,Vcs=1 cm/d,h=1m,采用中粗砂時,k=4.5m/d,坡腳處砂墊層厚度需求值為 T=1.85m。采用細砂時,k=3.06m/d,坡腳處砂墊層厚度需求值為 T=2.72m。因此,只要路基填砂厚度超過 2.72m,可以考慮取消造價昂貴的中粗砂砂墊層。

2 工程實例分析

某項目為一級公路、兼城市快速路,公路總寬度為 120m(包含路基兩側綠化帶),位于珠江三角洲地區,沿線普遍分布有軟土地基,該類軟土具有含水量高、壓縮性高、滲透性低、天然強度低的特點,是典型的珠江三角洲地區軟土。為能給工程全線的設計提供可靠依據,建設方選取了 K 117+900～K 118+300段作為試驗研究段。研究段共劃分為 6個區,其中D區、H區分別為塑料排水板 +1層 CATT60-60鋼塑格柵、袋裝砂井 +1層CATTSG60-60聚合格柵軟基處理方案。試驗路段原地面均為魚塘,路基施工采取魚塘清淤換填細砂(細砂平均厚度大于 3m),然后鋪設中粗砂墊層再進行軟基處理。考慮到路基寬度大,路基中心的水頭偏高于路基兩側,試驗時對砂墊層中的水位進行觀測,并在路基內砂墊層底部設置 φ60橫向 PVC抽水管,每根管長 90m,水管末端60m范圍內做成花管,水管間距 35m。利用射流泵從砂墊層中抽排水。但截止 2009年 9月 3日(路基填筑施工完畢),2個試驗區砂墊層里一直觀察不到水位,橫向強制抽水裝置也無水排出,坡腳砂墊層一直處于干燥狀態。

2.1 D區孔隙水壓力分析

圖 2為塑料排水板區(D區)孔壓變化過程曲線圖,由圖 2可看出,加載前后,不同深度孔壓都發生了一次先上升后下降的過程,證明孔壓工作狀態正常。其中 4.5m和 5m處孔壓對填土荷載的反應較快,而9.2m處孔壓的反應較慢,這可能與9.2m深度處軟土含砂率較低有關。截止 2010年 3月 24日,經過將近一個月的超載預壓后,各個深度平均超孔隙水壓力為 4.73 kPa,累計填砂荷載為 64.6 kPa,因此,根據孔壓資料推算本區 10m深度范圍內的平均主固結度為92.7%。這證明了本工程地質條件適宜排水固結法。盡管我們發現砂墊層中無水位,但是排水效果依然良好。

2.2 H區孔隙水壓力分析

圖 3為 H區孔壓變化過程圖,由圖 3可知,在加載過程中,孔隙水壓力的變化不明顯,這可能是該區的軟土層含砂量偏高,超孔隙水壓力的增長與消散較快所致。本區完成第二層路基填筑12 d后的主固結度為 79%,依據式(9),取加固軟土厚度為 10m,反算得出本區土體的水平固結系數 Ch=4.5×10-3cm2/s。

與室內試驗得到的平均垂直固結系數Cv=4.54×10-3cm2/s相近。另外,根據孔壓資料,填土至超載標高 11 d后,平均超孔隙水壓力為 8 kPa,填土荷載為 68 kPa,因此,本區已完成 88.2%的主固結。由此可見,本區排水效果依然良好。

從D區,H區孔隙水壓力分析得知,盡管砂墊層無水位,坡腳砂墊層處于干燥狀態,孔隙水壓力消散依然良好,說明堆載預壓排出的孔隙水,主要通過魚塘回填的細砂排出,地下水未上升到砂墊層處。

3 結語

1)理論分析表明,砂墊層厚度要求中間小兩側大,砂墊層可以不設置路拱。

2)魚塘回填細砂厚度達到一定值時,孔隙水可以通過細砂排出,可以減薄或者取消中粗砂墊層,節省工程造價,當然,細砂要求外露,以保證排水通道暢通。

[1]《地基處理手冊》編委會.地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2000.

[2]龔曉南.高速公路地基處理理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2005.

On primary exp loration for sand cushion drainage theory for road soft-soilbasement treatment

HUANG Xu-hong

According to the deduction of the sand cushion drainage theory,the paper,combining with the engineering examples,analyzes the reasons for the no-water-level operation in sand cushion,and exp lores the filled fine sand with some thickness can take the place of themedium and coarse sand cushion,so as to provide the direction for the engineering practice.

road,soft foundation,sand cushion,drainage

U 416.16

A

1009-6825(2011)03-0138-02

2010-10-04

黃旭洪(1981-),男,工程師,佛山市三水區交通建設投資有限公司,廣東 佛山 528100