袋裝砂井在公路軟基處理中的應用與分析

何陸灝 劉紅軍 劉克倫 何程鈴 雷世旺

（五邑大學 土木與建筑學院，廣東江門 529020）

0 引言

軟土具有天然含水率大、滲透性差、壓縮性高和抗剪強度低等缺點[1]，因此在荷載作用下，常出現土體不易排出孔隙水、土體易發生過大沉降變形和土體易發生剪切破壞等狀況。若工程中未采取妥當的措施，將會誘發路基產生不均勻沉降、引發路基失穩破壞等降低公路使用壽命的情況。目前排水固結法[2]因具有經濟和環保等優點，在軟基處理中得到了廣泛應用。排水固結法主要有兩種方式：堆載預壓法[3]和真空預壓法[4]，排水體主要采用袋裝砂井[5]和塑料排水板[6]。本文主要研究堆載預壓法，該法是通過袋裝砂井作為豎向排水通道，在外荷載作用下使土體中的孔隙水通過袋裝砂井及砂墊層排出，進而加快土體固結，達到加固地基的效果。

研究以佛山市高明大橋至富龍大橋公路工程為依托，選取采用袋裝砂井堆載預壓法處理軟基的3個斷面進行重點監測，主要監測項目有地表沉降、土體分層沉降、土體深層側向位移、孔隙水壓力等，通過對監測數據進行總結分析、歸納變化規律和推算工后沉降等方法來評價軟基處理的效果。

1 工程概況及地質情況

1.1 工程概況

佛山市高明大橋至富龍大橋公路工程（第II合同段），即楊西大道北延線，路線長度9.02 km，樁號范圍K27+780?K36+800。按照近期雙向6車道+硬路肩、遠期改造為主線雙向6車道+輔路雙向4車道斷面布置，采用一級公路標準兼顧城市道路功能，主路設計速度80 km/h，輔路設計速度40 km/h。

1.2 地質情況

沿線地貌單元以沖淤積平原及剝蝕殘丘為主，地表大多為農林耕地、魚塘，局部水體較發育。研究區域為沖淤積平原，是珠江三角洲西岸平原地區，主要分布里程為沿線K27+800?K30+150、K31+450?K31+750、K32+000?K33+650、K33+900?K37+150。屬第四系沉積第一階地，地形大多較平坦，周圍水系較發育。地面高程一般為3.0～11.0 m，上覆土層主要為第四系沖積、沖洪積相的黏性土、砂土等，厚度變化較大，局部魚塘、河流、溝渠等低洼地段發育軟土及飽和液化土等特殊性土層。根據勘察結果，沿線土層主要由人工填土（Q4ml）、第四系全新統河流相沖積層（Q4al）、第四系殘積層（Q3el）等組成。人工填土層（Q4ml）為現有道路及其兩側填土；第四系全新統河流相沖積層（Q4al）以軟弱?中軟的粉質黏土、淤泥（淤泥質土）及透鏡狀粉砂等為主，局部厚度變化較大，空間相變較多；第四系殘積層（Q3el）由泥巖、粉砂質泥巖及砂巖等風化殘積而成，局部厚度較大。在三個重點監測斷面K35+000、K35+200和K35+400采集原狀軟土進行基本物理力學性質測試，測試結果見表1。

表1 軟土層的基本物理力學性質表

2 軟基監測內容

2.1 監測儀器的布設

監測點布設的位置如圖1所示，監測內容及方法有：

圖1 監測儀器布置圖

（1）地基沉降監測：分別在路堤的左中右處各埋設1個沉降板。采用幾何水準測量法進行監測，隨著路堤填高逐節加高沉降板測桿和保護套管，每節接管高度為50 cm，接測桿前后分別測量標高，以確定本期沉降量和下次測量前的初始標高。

（2）分層沉降監測：在路堤中心處布設1個觀測點。采用磁環式沉降儀法[7]進行監測，在土體中垂直埋設豎管，在豎管上按一定間距埋設磁環，磁環與土體同步沉降，利用電磁測頭測出磁環的初始位置和沉降后位置，二者之差即土層的分層沉降量。

（3）深層側向位移監測[8]：在路堤兩側路肩處各布設2個觀測點。采用滑動式測斜儀，將測斜探頭慢慢放入孔內，依據探頭軸線與鉛垂線之間夾角的變化，測出不同深度土層的水平變化量。

（4）孔隙水壓力監測[9]：在路堤中心處布設1個觀測點。將振弦式孔隙水壓力布設于監測孔內，當被測水壓荷載作用在孔隙水壓力計上，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。此時只需接上頻率測度儀即可讀取當前頻率，通過計算可得孔隙水壓力值。

2.2 監測斷面的選取

選取3個典型斷面，處理方式均采用袋裝砂井堆載預壓，按正三角形布置，排水體直徑50 cm，排水體頂面設置60 cm墊層，并鋪設一層土工格柵；軟土層厚、路基填高與處理深度如表2所示；現場情況如圖2所示。

表2 各斷面處理情況

圖2 模型箱效果及現場實物圖

3 軟基監測結果

3.1 地基沉降分析

地表沉降是軟基沉降分析的基礎，其變化規律是控制公路路堤施工進度和安排后期施工的最重要的目標，也是理論研究結果是否正確的最直接檢驗標準和加固效果的最直接反映。本工程段在采用薄層輪加法[10]進行填土施工時，每層填土恒定為40 cm左右。在進行軟基監測中，每填筑一層觀測一次，若兩次填筑間隔時間較長情況，則每3～4 d觀測一次。路堤填筑完畢后，每5 d觀測一次，直至預壓期完成。K35+000、K35+200和K35+400斷面的累計沉降時程曲線如圖3?圖5所示。

圖3 K35+000沉降時程圖

圖4 K35+200沉降時程圖

圖5 K35+400沉降時程圖

通過對上述曲線進行分析，可得出以下結論：

（1）地基的沉降與路基的填筑高度密切相關。總沉降量隨著填筑高度的增加而相應地增加，且均表現出一定的規律性。具體表現為：在填筑堆載期間，由于機械施工與堆載填土堆積等因素，沉降曲線普遍出現明顯下沉現象，且變化較陡；在恒載期間，隨著地基排水固結時間增長，沉降變化較緩，到后期漸趨平緩。另外，在堆載至第210 d時，3個斷面的各樁沉降量均超過200 mm，最大沉降量發生在K35+000段，為291 mm。

（2）對比左中右三個沉降板的沉降過程，可發現中間沉降板的沉降量一般都大于左右兩側的沉降板，這符合附加應力的分布原理，即在地面下同一深度的水平面上的附加應力不同，沿力的作用線上的附加應力最大，向兩邊則逐漸減小。

3.2 地基沉降速率分析

沉降速率能直觀地反映加載過程中路基沉降的快慢，是控制路堤填土速度的重要指標之一。在施工期間同步進行沉降和穩定的跟蹤觀測，嚴格控制填土速率，控制標準為路堤中心沉降速率小于10 mm/d。根據監測數據，選取3處斷面中沉降量最大的沉降板進行沉降速率分析，沉降速率如圖6所示。

通過對圖6沉降速率曲線進行分析，可得出以下結論：

圖6 沉降速率曲線圖

（1）施工填土采用“薄層輪加法”進行，監測結果顯示沉降速率均未超過10 mm/d，且現場均未出現整體滑移破壞情況。實踐證明，該方法增加了路堤施工的穩定性，是一種經濟適用、合理的科學施工方法。

（2）K35+000、K35+200和K35+400斷面的最大日沉降速率分別為8.67 mm/d、5.67 mm/d和7.33 mm/d，且均出現加載期。這說明沉降速率隨著每級加載都有一個迅速增加過程，隨后逐漸變緩收斂；在恒載后期，沉降速率迅逐漸趨于穩定。整個過程中曲線變化十分緩慢，直到曲線趨于水平，即沉降速率趨于0，這才表明整個路堤斷面的沉降過程基本完成；同時也說明了袋裝砂井發揮了良好的排水固結的作用，因此在施工過程中，嚴格控制堆載期的分級堆載大小與堆載速率有利于提高軟土地基固結度，從而更好地控制路基沉降。

3.3 分層沉降分析

在袋裝砂井堆載預壓施工的過程中，常依據分層沉降來判斷各磁環土層之間的壓縮量和分析壓縮土層的范圍。本項目每個觀測點埋設4個磁環（編號：磁環1?磁環4），分別按照2 m的間距由上往下埋設在淤泥層內，分層沉降監測成果如圖7?圖9所示，對監測成果圖進行分析，如表3所示。

對圖7?圖9及表3進行分析，可得出以下結論：

圖8 K35+200分層沉降時程圖

圖9 K35+400分層沉降時程圖

表3 分層沉降分析表

（1）不同深度的淤泥層，其沉降變化具有一定的規律，具體表現在：堆載后，不同深度的沉降測點都發生了沉降；且監測磁環越接近地表，沉降量越大，監測磁環埋深越深，沉降量越小，即上部土層沉降量變化曲線均位于下部土層沉降量曲線的下方。其中K35+000、K35+200和K35+400斷面的磁環①累計沉降分別為267 mm、233 mm和191 mm。其之間的差異是由于填土高度不同、軟土層厚不同以及實際施工狀態不同所引起，但總體差別不大。

（2）分層沉降磁環變化曲線圖（見圖7?圖9）與地表沉降量曲線圖（見圖3?圖5）的變化趨勢相同，都是在堆載施工期間沉降較大，曲線變化較陡；在恒載期間沉降減緩，并顯示沉降呈收斂狀態。而且埋深越大的磁環，曲線收斂得越快。這也符合附加應力的分布原理，即在荷載分布范圍內任意點沿垂線的地基附加應力隨深度愈向下愈小。

（3）磁環間單位壓縮量主要出現在“磁環①至磁環②”和“磁環②至磁環③”之間，即壓縮量主要發生在深度2～6 m間的土層。而且地表以下至深度6 m范圍內的壓縮量占總壓縮量約為70%，因此，從分層沉降的監測結果來看，埋深2～6 m范圍內屬于地基處理顯著影響區域。

3.4 深層側向位移分析

深層側向位移能夠反映不同深度土層的側向變形情況，是判斷控制填土速率、地基穩定狀態的重要指標。若填土速率過快，則土體最大側向位移迅速增大，曲線斜率增大；若在填土高度超過極限填土高度后，土體將從彈性變形階段進入塑性變形階段，側向位移也會明顯增加，曲線斜率變大，出現向上拐點。上述兩種情況均說明路基有失穩的風險，此時應采取停載、卸載等措施。

所研究的斷面均在路堤左右兩側布設監測點，監測頻率為1次/5 d。由于篇幅有限，本文僅列舉左幅監測數據進行分析，堆載期取15 d為一周期，恒載期取30 d為一周期，并根據監測結果繪制深層側向位移曲線圖（見圖10?圖12）。

圖10 K35+000深層側向位移圖

圖11 K35+200深層側向位移圖

圖12 K35+400深層側向位移圖

通過對圖10?圖12深層側向位移曲線分析，可得出以下結論：

（1）側向水平位移值隨深度逐漸減小，這符合附加應力的分布規律，即在荷載分布范圍內任意點沿垂線的地基附加應力隨深度愈向下愈小。各斷面最終最大水平位移出現在深度0.5 m處，其數值分別76.58 mm、71.82 mm和62.50 mm；另外，水平位移主要發生在深度6 m以上的土層中，占到總位移量的約95%。

（2）在加載初期，土體位移量較大，位移速率較快；隨著堆載的完成，位移速率快速減小。在填筑期間，各測點最大位移速率分別為4.62 mm/d、4.26 mm/d、3.99 mm/d，均未超過設計允許值5 mm/d。這也說明采用薄層輪加法進行填土施工，土體水平位移相對較小，且未出現明顯滑移現象，表明路堤處于穩定狀態。

3.5 孔隙水壓力分析

土體內孔隙水壓力是反映土體固結程度的一個重要指標。通過在不同深度埋設孔隙水壓力計對地基土孔隙水壓力變化過程進行監控，從而判斷地基土體是否處于穩定狀態和判斷地基強度的增長情況，以便有效指導路基填筑施工。在3處所監測斷面路中沿地基不同深度埋設了4個孔隙水壓力計，位置分別在地面以下2 m、4 m、6 m和8 m處。監測頻率為1次/4 d（堆載期）、1次/6 d（恒載期）。堆載預壓過程中監測到的孔隙水壓力變化情況如圖13?圖15所示。

通過對圖13?圖15孔隙水壓力變化曲線分析，可得出以下結論：

圖13 K35+000孔隙水壓力變化曲線圖

圖14 K35+200孔隙水壓力變化曲線圖

圖15 K35+400孔隙水壓力變化曲線圖

（1）從上一次加載到下一次加載的過程中，孔隙水壓力值都經歷了增長→消散→增長→消散的過程，這說明附加總應力不斷地在向有效應力轉化，即在分級加載時，土體內孔隙水壓力增大；停載一段時間后，超靜孔隙水壓力消散，測得的孔隙水壓力在減小和回落；在恒載過程中，孔隙水壓力隨著時間的推移也在慢慢消散。此現象較好地反映土體中孔隙水壓力隨上部荷載變化而消散的規律。

（2）對不同深度孔隙水壓力計監測結果進行分析，整個填土預壓過程中綜合孔壓系數（即孔隙水壓力增量和荷載增量之比）最大值為0.371，滿足填土速率控制中要求綜合孔壓系數B小于0.4的要求。

（3）隨著固結時間的增長，孔隙水壓力呈現迅減現象，且越接近排水面的孔隙水壓力計，其變化越明顯。這說明超孔隙水壓力變化敏感度跟排水有關系，即越接近排水面變化越迅速，越遠離排水面則越緩慢。

4 路基最終沉降量與工后沉降的推算與分析

目前，通過實測數據來預測沉降曲線擬合的方法有：雙曲線法[11]、指數曲線法[12]、沉降速率法[13]、三點法[14]、泊松法[15]等。在這幾種常用的方法中，雙曲線法推算的工后沉降偏于保守，這在工程實際中比較有利，因而工程中常用雙曲線法。在分析實測沉降數據發現，沉降量與時間有良好的雙曲線關系，所以本工程采用雙曲線法來推算最終沉降量以及工后沉降。

根據地表沉降觀測的結果，按雙曲線圖解法來推算地表最終沉降量及工后沉降量，按照規范要求，選取中樁作為推算對象。根據雙曲線基本公式，確定沉降量推算的基本步驟為：①確定起點時間t0，本文取路基填方施工最后一級荷載加載后為起點時間；②根據實測沉降數據繪制Δt?Δt/Δs曲線，確定系數α與β；③計算s∞；④計算st，st取設計使用年限15年；⑤根據公式進行擬合對比。經雙曲線推算最終沉降及工后沉降如表4所示；擬合曲線如圖10所示。

表4 雙曲線法推算最終沉降量及工后沉降量

通過對表4與圖16進行分析，可得出以下結論：

圖16 擬合曲線圖

（1）根據雙曲線計算結果，可發現上述3處斷面的工后沉降分別為64.429 mm、34.714 mm和64.053 mm，且均小于規范限定的200 mm[10]。這表明：在低路堤填筑中，袋裝砂井堆載預壓法對于公路工程軟土路基處理是可行和有效的。

（2）上述推算的最終沉降量指在當前荷載下發生的，可能與路面施工后的實際工后沉降相比并非絕對準確，由于地質條件的復雜性、多變性、隨機性，例如觀測工程沉降板受損破壞、造成數據間斷都會給沉降推算結果帶來一定的誤差，但從宏觀上卻能表明沉降量的相對大小及其發展趨勢。如果要求實測數據精度較高，則需要較長的預壓時間，對預壓時間超過6個月的沉降計算結果較為理想。

（3）采用雙曲線法對3處斷面進行工后沉降的推算，其曲線擬和的相關系數R2均大于0.90，這說明采用雙曲線推算的結果與實測數據的關聯度較大，可信度較高。

5 結論

以廣東佛山某公路工程為例，選取3處采用袋裝砂井堆載預壓法的斷面進行研究，得出以下結論：

（1）在相接近的軟土層厚度、處理深度與填土高度下，采用袋裝砂井堆載預壓法處理的地基，地基的總沉降量隨著填筑高度的增加而增加。且在分級加載期間，沉降曲線斜率較陡；但加載完畢后，沉降曲線逐漸趨于平緩，說明地基的沉降量是有限的，符合地基的壓縮沉降規律。

（2）沉降速率較大值多發生在堆載期，最大值為8.67 mm/d，小于規范限定的日沉降速率10 mm/d；而在恒載預壓期間，沉降速率明顯減緩，這說明了袋裝砂井發揮了良好的排水固結的作用，使得軟土地基固結度提高。

（3）所研究斷面在深度2～6 m范圍內的軟土屬于地基處理影響顯著的區域（該范圍內軟土的壓縮量占總壓縮量約為70%）。另外監測磁環越接近地表，沉降量越大，監測磁環埋深越深，沉降量越小，且分層沉降磁環變化趨勢與地表沉降的變化趨勢相同。

（4）軟土側向水平位移主要發生在深度6 m以上的土層中，占到總位移量的約95%。另外，在加載初期，土體側向水平位移量較大，位移速率較快；隨著堆載的完成，位移速率快速減小。因嚴格控制加載速率，在進行填土施工未出現明顯滑移現象，表明路堤處于穩定狀態。

（5）對不同深度孔隙水壓力計監測結果進行分析，整個填土預壓過程中綜合孔壓系數B最大值為0.371，小于規范限定的0.4。另外，從上一次加載到下一次加載的過程中，孔隙水壓力值都經歷了增長→消散→增長→消散的過程，這說明在分級加載時，土體內孔隙水壓力增大；停載一段時間后，超靜孔隙水壓力消散，孔隙水壓力在減小和回落；在恒載過程中，孔隙水壓力隨著時間的推移也在慢慢的消散。隨著固結時間的增長，孔隙水壓力呈現迅減現象，且越接近排水面越明顯。

（6）使用雙曲線法對軟土路基進行最終沉降及工后沉降推算，其工后沉降控制在34～64 mm之間，小于規范限定的200 mm，而且經現場驗證，3處斷面均處于穩定狀態，表明采用袋裝砂井堆載預壓法對控制工后沉降具有一定的作用。