公路施工中軟土地基處理研究

高慶濤/中鐵十一局集團第四工程有限公司

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公路施工中軟土地基處理研究

高慶濤/中鐵十一局集團第四工程有限公司

【摘 要】公路施工中目前加固深厚軟土地基的方法有很多，本文即結合具體工程案例詳細闡述了袋裝砂井法和塑料排水板真空預壓法在加固公路施工中軟土地基中的應用。

【關鍵詞】公路；軟土地基；袋裝砂井；塑料排水板；真空預壓

一、軟土的定義及其物理力學指標

軟土主要是由水流緩慢淤積而成，形成年代一般比較長遠，沉積厚度一般較深，沉積的飽和粘性土，具有含水量大、滲透性弱、天然強度低、壓縮性高等特性。其物理力學指標為：天然含水量：w≥wl；天然孔隙比：E0〉1.0；壓縮模量：Es〈4000kPa；滲透系數：k〈110-6cm/s；不排水抗剪強度：Cu〈30kPa。軟土路基處理就是控制這些物理力學指標，使之達到規范要求，袋裝砂井等排水固結法能有效地解決這些問題。

二、袋裝砂井法和塑料排水板真空預壓軟弱地基處理技術的機理

（一）袋裝砂井法加固機理

在含水量大、孔隙比大、壓縮性高、軟土深厚的軟土地基中打入砂袋作為排水通道以增加土層的排水途徑，縮短排水的距離。在上部荷載的作用下，產生的附加應力使土顆粒間的孔隙水通過插在軟土層中的砂井排出地層外面以達到土顆粒間位移密實，從而大大加速了地基的固結與沉降。減少壓縮性，降低孔隙比和含水量，增加土體密實度，在較短時間內達到較高的固結度，以提高軟土路基的承載力和抗剪能力，從而保證路堤和地基的穩定。

（二）塑料排水板真空預壓法加固機理

真空預壓其原理是在需要加固的軟土地基內設置塑料排水板等豎向排水通道，然后在地面上鋪設中粗砂作為水平排水層，并在其上覆蓋不透氣的土工密封膜與大氣隔絕。通過埋設于砂墊層中的吸水通道，用真空裝置進行抽氣，將密封膜內空氣排出，使膜內外產生一個氣壓差，這部分氣壓差即相當于填筑軟地基上一定高度的重量荷載。隨著膜內空氣的不斷排出，氣壓差逐漸增大，地基中的水、氣不斷排除而發生固結。真空預壓這種固結方法比一般的自然固結時間要短很多，而且造價也比較經濟，所以應用較廣。

三、公路施工中軟土地基處理的要點

（一）袋裝砂井施工技術要點

1.材料要求。

選用聚丙烯或其他適用的編織料組成，抗拉強度應能保證承受砂袋自重，裝砂后砂袋滲透系數應不小于砂的滲透系數。采用滲水率較高的中粗砂大于0.5mm砂的含量應占總量的50%以上，含泥量不應大于3%，滲透系數不應小于5×10-3cm/s。

2.施工工藝。

（1）平整原地面

因原地面高低起伏，且該段土質軟弱水草叢生，先采用人工清除表面生長水草淤泥，并整平，防止產生新的腐質軟弱夾層。

（2）開設排水盲溝

因該地段地下水豐富，常年積水，為達到排水使表面形成一層較硬的殼，在整平原地面上設置縱橫（0.8×1.0）排水盲溝，盲溝縱橫向間距10m。

（3）地面鋪土工布

盲溝施工完后，在地面先鋪一層土工布，土工布采用300g/m2，搭接長度為20cm，路基兩側反卷寬度為2m，采用土工布有利于提高原地面土承載力，使下層砂墊層能攤鋪成形，以利于軟土排水固結。

（4）攤鋪下層砂墊層

采用人工攤鋪一層厚40cm砂墊層。整平人工夯實，以方便打樁機移動。

（5）機具定位

機具為導管式振動打樁機，在行進方式上，采用SSD20型履帶臂架，機位要嚴格按設計樁距，排距測量放樣定位，導軌要垂直，套管對準樁位，整理樁尖。

（6）打入套管

鋼套管不得彎曲，沉樁時要用經緯儀或重錘控制垂直度，垂直度偏差不應超過1.5%，井距偏差應小于15cm。

（7）沉入砂袋

為控制砂井的設計入土深度，在鋼套管上應劃出標尺線，以確保井底標高符合設計要求，砂袋沉入時以人工輸入，管口裝設滾輪。砂袋入井應用樁架吊起垂直下井，防止砂袋發生扭結、縮頸、斷裂和砂袋磨損。

（8）拔出套管

應注意垂直起吊，以防止帶出或損壞砂袋，施工中若發現上述現象應在原孔邊緣重打。

3.袋裝砂井質量控制要點。

（1）開挖路基至袋裝砂井頂部，通過相關現場鉆孔標準貫入試驗和室內土工物理力學性質實驗方法確定地基承載力，承載力值為［Q］=105～120kPa。

（2）路基達到設計標高后進行超填預壓，預壓時間為6個月，在路肩上埋設沉降觀測點，派技術員進行跟蹤觀測，15天觀測一次，通過一年沉降觀測，沉降值符合規范要求。

（二）真空預壓排水板施工

1.填筑砂礫。

用自卸汽車將砂礫運至施工路段，選用適宜的機具按設計厚度（約30cm）整平、灑水、壓實。砂礫填筑前應先進行各項試驗，合格后再進行填筑。施工中嚴防塵土、泥土和雜物污染，避免導致排水孔隙堵塞。砂礫墊層的高程、厚度、干密度、平整度及滲透系數必須符合設計要求。砂礫墊層完成后，應及時灑水養護，限制人員、機動車通行。

2.塑料排水板施工。

將排水板插入套管，啟動振動錘，將套管和排水板壓入土中。排水板進尺長度要定夠，不允許使用搭接延續的排水板。達到設計深度后輸送輥軸反轉，松開排水板，套管上提時跟帶排水板的長度不大于50cm。在砂礫以上20cm處切斷排水板，移向下一孔位施工，并從路基兩側向路中心打塑料排水板。

一個作業段插板完成后移走插板機，整平砂墊，埋位板頭，鋪設剩余的（約20cm）砂礫墊層。

3.真空排水。

（1）鋪設復合土工布

為了防止抽真空過程中真空膜被硬物刺破，埋管后需將外露的塑料排水板頭埋入砂礫面以下，將插板時形成的孔洞填實，并將表面所有存在棱角的硬物去除，用鐵鏟將砂礫面拍抹平實。在施工區將復合土工布縫接成與路同寬，長約100m的大幅土工布，沿路基的縱向依次平鋪，土工布縫接寬度不小于5cm，土工布塊與塊之間采用搭接形式，搭接寬度不小于30cm。

（2）鋪設密封膜

選擇無風或風力較小的時段內，分三層鋪設。先將密封膜按縱向擺放在預壓區的中軸線上，從一端開始向兩邊展開，鋪好后應在膜上仔細檢查有無破裂口。一般破裂口多出現在密封膜接縫處，破裂處應及時用聚乙烯膠水補好。檢查無缺陷后即可進行第二、三層密封膜鋪設，兩層膜的粘結縫應盡量錯開。出膜口應留有可收縮富余的密封膜。所有上膜操作人員必須光腳或穿軟底鞋，以防止密封膜裂口。密封膜采用三層聚乙烯薄膜，根據各預壓區實際長度每邊各增加5m成品訂購，一次成型。

（3）真空預壓抽氣

安裝好真空系統（將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口連接好），空載調試真空射流泵，當真空射流泵上真空度達到0.09MPa以上時可試抽真空。在膜面上、壓膜溝處仔細檢查有無漏氣處，發現后及時補好。一般在抽氣時，漏氣孔眼會發出鳴叫聲，循聲徹底檢查。一旦漏氣孔眼得不到及時補救，蓄水后真空度很難達到設計要求，而且需放水檢查，難度很大。逐臺檢查真空泵系統連接處，要保證在關閘閥的情況下，泵上真空度能達到0.09MPa，以確保真空泵系統發揮最佳功效。開始階段，為防止真空預壓對加固區周圍土體造成瞬間破壞，必須嚴格控制抽真空速率，可先開啟半數真空泵，然后逐漸增加真空泵工作套數。當真空度達到設計值的80%時，經檢查無漏氣現象后，開始膜面蓄水，所有泵都開足，將膜下真空度提高到設計值，此時開始恒載計時。

四、兩種方法處理軟土地基效果比較

某工程K9+820處軟土層厚5m，采用塑料排水板處理，填土高度6.85m；K10+720處軟土層厚3.5m，采用袋裝砂井法處理，填土高度5.12m。因軟土層厚、采用的處理方法及填土高度不同，兩種處理方法的總沉降不同，不具有同等條件的可比性，用沉降量比較兩種方法的處理效果所得出的結論不是很明顯。雖然總沉降不等，但由于加載時間相同，用沉降速率比較兩種方法的處理效果，能夠得出一個相對明顯的結論。

（一）沉降量

通過分層總和法計算軟土地基總沉降量，利用地基固結度計算公式計算各級加載情況下的固結度，在分級加載情況下，分別求出兩種處理方法的軟土地基沉降量，并繪制隨時間變化曲線。

式中 s為地基的總沉降；Hi為第i層土的厚度；e1i為根據第i層土的自重應力平均值，從土的壓縮曲線上得到的相應土體孔隙比；e2i為根據第i層土的自重應力平均值和附加應力平均值之和從土的壓縮曲線上得到的相應土體孔隙比。

用分層總和法計算兩種處理方法的沉降量隨時間變化曲線見圖1。

從圖1可以看出，沉降量隨加載和加載時間呈一定比例增長。地基沉降對加載的反應較靈敏，加載過程中，沉降量明顯增大；荷載恒定階段，沉降量增幅明顯減小。

圖1　沉降量隨加載時間變化曲線圖

（二）沉降速率

沉降速率表征了經過處理的軟土地基單位時間（本文為d）內的沉降速度，用以衡量在相同加載期內不同加載情況的沉降速度。

由于兩個斷面的軟土層厚度不同，路基填土高度不同，但是沉降歷時相同，沉降觀測持續到25個月，沉降速率曲線見圖2。

圖2　沉降速率對比曲線圖

沉降速率與加載速率有一定的關系，加載前期，沉降速率的增幅較大，當路基達到一定高度停止填土，恒載期間沉降速率逐漸減小，填土高度保持不變后，雖然又填土加載，但軟土地基沉降速率的增幅卻較小，路基填土達到設計高度后，沉降速率緩慢減小，表明地基已處于良好的固結狀態。兩斷面25個月時的沉降變化見表1。

表1　 兩斷面25個月沉降變化表

從圖2及上表可以看出，在相同的固結時間條件下，袋裝砂井法處理軟土地基的沉降量是塑料排水板法的72%，沉降速率是塑料排水板法的80%。兩種軟土地基處理方法都要經歷相似的加載過程，在加載高度達到一定階段后，停止加載約7個月左右，然后繼續加載，在這個加荷過程中，袋裝砂井法沉降量較小，且在停止加荷后，兩種處理方法的沉降速度同時以很快的速度慢下來，且塑料排板法的沉降較大，這說明袋裝砂井加固軟土地基時產生較小的施工沉降，且能降低沉降速度。

（三）結論

通過對兩種軟土地基處理方法產生的沉降量、沉降速率的比較，在該工程中袋裝砂井法處理軟土地基的效果略微優于塑料排水板法。袋裝砂井和塑料排水板在處理軟土地基時各有優缺點，在實際工程中，不能一概而論，要視工程地質和施工條件而定，根據現場實際情況選取正確的處理方法，以獲得理想的處理效果。但由于地基土質等原因，有時用塑料排水板處理軟土地基出現插板困難，不易施工，這時選擇袋裝砂井法是一個較好的辦法。

參考文獻：

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