基于塑料排水板和真空堆載預壓的公路路基處理技術研究

王 偉

（中國水電建設集團十五工程局有限公司,陜西 西安 710000）

引言

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

1 施工工藝原理

真空聯合堆載預壓技術[1]通過鋪設封閉膜將施工區段隔離后進行抽取真空作業,使膜內土體與外界大氣壓產生壓強差,在壓力作用下土中富含的水分通過埋設的排水設施排出膜外,通過塑料排水板和砂井形成雙向排水,同時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,各性能指標得到提高,當內外界達到壓力平衡時,滲流截止,土體完成固結。在抽真空作業中輔以集中堆載進行預壓,加大土體的應力同時加速土體的沉降,進而壓縮固結的時間。

該加固技術是以原有預壓固結技術為基礎聯合真空預壓技術而形成的軟土地基加固技術,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、易產生流變、觸變等共性[2]。其施工區域橫斷面布置示意圖見圖1。

圖1 預壓橫斷面布置示意

2 軟弱地基指標及施工方案確定

2.1 土層力學指標

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、粉質黏土層、淤泥層和淤泥質土層。土層承載力低,易產生變形及沉降,在進行加固施工中,應對地基穩定性和施工沉降進行嚴格控制,各土層力學指標見表1。

表1 路基土層及基本物理參數檢驗參數值

2.2 加固設計參數

塑料排水板規格為PSB-C 型,厚度在0.4～0.5 cm內,通過液壓機械打入土層并按正三角形進行布置。排水板間距按軟土深度確定,軟土深度≥20 m 時取1.1 m,＜20 m 時取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。為保護密封膜,在其前后鋪設抗拉強度≥40 KN/m 的土工布,真空膜其縱向抗拉強度≥18.5 MPa,橫向≥16.5 MPa。

2.3 加載實施計劃

對本項目,擬采用劃分層數及級數進行預壓加載,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生的位移沉降及時監測,每一級加載間隔為一周,當沉降量穩定后開始下一級的加載。加載實施計劃見表2。

表2 預壓加載實施計劃

3 預壓計算分析

該路段在預壓加載施工前應進行加載計算分析[3],通過計算出的沉降、固結度、及穩定計算確定實施計劃的合理性,并進行調整。

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

3.1 沉降計算

采用分層求解再依次求和的方法計算總沉降值S,其計算公式如下：

式中：ms為沉降系數,與地基強度、加載荷載大小和速率等有關,其范圍在1～1.4 之間,按經驗取值；Sc 為主固結沉降。

主固結沉降按e～p 曲線采用分層求解再依次求和的方法進行計算,其公式如下：

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

壓縮層其厚度取值,當滿足如下公式時可作為厚度下限：

式中：σz為附加荷載產生應力值,kPa；σsz為有效自重產生的應力,kPa。

若計算到較堅硬土層時厚度仍未滿足公式（3）,只需計算到較堅硬土層。

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

3.2 固結度計算

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

Uz＞30%時,豎向排水固結度計算公式如下：

Uz＜30%時,豎向排水固結度計算公式如下：

徑向朝內的固結度計算公式如下：

聯立Uz和Ur求得平均固結度Urz計算公式如下：

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

3.3 預壓計算結果分析

以本項目地勘報告及設計圖紙為基礎,采用對應的固結系數及各分層土層下的e-p 曲線,結合擬定的加載計劃計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。同時經過穩定計算,其安全系數[5]也在規范允許范圍內,可按照此加載計劃進行施工。

4 沉降監測及分析

在預壓加載施工過程中沉降監測是及其重要的一環,通過監測出的沉降速率及數值,實時觀察施工區域路基的位移動態,調節加載的速度,保障施工的安全可靠性[6]。并在加載結束后確定卸載載荷和后續路面的施工日期,預測竣工后的沉降值。

按規范要求在處理的路基沿軸線方向每隔100 m 布置一個監測斷面,在路肩及路堤的中點處按要求埋設沉降標,為避免沉降標破壞密封膜而降低抽取真空降壓效果,在沉降標下部墊一定厚度的土工布進行保護措施。沉降觀測期應從施工開始至竣工驗收結束,其觀測頻率見表3。

表3 沉降監測頻率

在布設的監測斷面里取K1+600、K2+000 兩個斷面記為S1、S2 進行監測數據分析,兩個斷面在路堤中點（記為點3）、路肩（記為點1、2）各有一個觀測點,共計6 個觀測點。監測區間為施工開始到恒載結束,其監測數據見表4。

由表4 可知在監測區間內該監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,與理論最大沉降計算值相符合,其中最大沉降值均在第3 點即路基中點處,這是因為在抽取真空作業下,由于壓強差產生的壓力使軟土路基的側向位移沿路基中心線處加大,形成向內收斂的走向,造成路基中點處應力集中,沉降增大。

表4 沉降監測數據統計

其中K1+600 單次沉降最大值在抽取真空作業后的第12 天,K2+000 單次沉降最大值在抽取真空作業后的第10 天,與預壓加載實施計劃的10-15 天相吻合,即計劃工況與現場實際反饋較為接近,進一步佐證了預壓加載實施計劃的可靠性。

5 結論

真空聯合堆載預壓技術是目前對軟土地基進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行真空聯合堆載預壓技術研究,得出如下結論：

（1）通過分析軟土地基的力學指標及加固設計參數,擬定了加載實施計劃。

（2）通過擬定的加載實施計劃進行沉降計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測數據進行分析,得到了在某一斷面路基中點處沉降總量最大,以及單次沉降最大值出現的時間與預壓加載實施計劃的時間吻合,進一步佐證了預壓加載實施計劃的可靠性。