市政道路水袋預壓法的研究與應用

陳曉發

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著我國城鎮化率不斷提高，市政道路的建成迎來了高速發展的時期。廣東省作為沿海省份，尤其是汕頭市作為沿海城市，軟土遍布，軟土深厚。采用傳統的軟基處理方法，如水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、預制管樁、CFG樁等，不僅價格高昂，施工機械還會產生噪音污染。如采用堆土預壓，則需要大量外購堆載土方，容易揚塵，加劇空氣污染。市政道路急需一種兼具環保和經濟性的軟基處理方法。因此，一種改良后的堆載預壓法——“水袋預壓法”應運而生。

1 水袋預壓法的應用現狀

堆載預壓一般是采用土方進行堆載，而后改良為水池蓄水進行堆載。后來通過對水池堆載的進一步改良，發展為現在的水袋堆載。我國對水袋預壓法的研究從2012年開始，而正式應用于工程則是在2018年的湖南省南益高速公路[1]。近年來，廣東省高速公路等項目，如興寧～汕尾高速公路、廣東東海島～雷州高速公路等，也廣泛使用水袋預壓法進行軟基處理，效果良好。受限于市政道路規模小的特點，目前，水袋預壓法還未廣泛應用于市政道路。

2 水袋預壓法技術研究

2.1 水袋預壓法是水池預壓法的改進

水池預壓法是通過水池蓄水來代替土方，通過水的重力作用進行預壓[2]。由于水是液體，在重力的作用下會趨于水平。而路堤通常都是有坡度的，因此，當水池長度不變的情況下，縱坡i%越大，水池前后的水位高差h就越大，如圖1所示。產生水位差后，水位高的地方就會變成超載預壓，水位低的地方就會變成欠載預壓。當水位差過大時，路基前后位置就會出現不均勻沉降，對車輛行駛的舒適性造成影響。

圖1 水池蓄水高度示意圖

為了保證水位差h在一定的范圍內，當縱坡i%變大時，需要通過調整圍堰的距離，減少水池的長度來實現。這樣，造成圍堰的土方增加，通過水池預壓節約的堆載土方量也相應減少。水池預壓節約的土方與縱坡的比值如表1所示，水池平均水位2m，水位高差0.5m，路堤頂寬30m，圍堰平均高度2.2m，圍堰頂寬1m，坡率為1∶1。

表1 不同縱坡下水池預壓法節約土方比例表

由表中可以看出，當縱坡大于3%時，水池預壓有60%的荷載由圍堰土方提供，水池預壓逐漸變為土載預壓，水池預壓法的經濟性不高。因此，需要尋找一種經濟的方式將水限制在較小的寬度內。

采用水箱進行蓄水預壓，是一種早期的方法，水箱式水載預壓法采用水箱蓄水的方式進行預壓。首先，采用鋼模板在路基上組裝成開口水箱，在箱內鋪設PVC 密封膜，然后注水并安裝箱蓋后進行預壓。該方法的水箱可以根據所需預壓水深進行多層疊放，預壓完畢水箱可以回收并再次使用，降低成本，但一次性投入較大，對地基不均勻變形適應性也較差，因此應用較少。

水袋式水載預壓法采用高強度PVC水袋或橡膠水袋充水進行預壓，是近年來發展起來的一種新工藝。采用寬度較小的水袋裝水進行堆載成為一種選擇。當水袋寬度為5m，道路縱坡為5%時，水袋內高差僅為25cm。

2.2 水袋預壓法介紹

水袋預壓法是通過水袋蓄水來代替土方，通過水的重力作用進行預壓。水載壓力Pw與水載高度ηb的關系如公式(1)所示。

Pw=ηbγwδ公式

(1)

式中：δ為不均勻系數，一般在0.8～0.95。

受道路縱坡、水袋之間空隙率，水袋裝水率等因素的影響。一般，道路縱坡越大，水袋之間空隙率越高，水袋裝水率越大時，不均勻系數δ越小。相反，道路縱坡越小，水袋之間空隙率越低，水袋裝水率越小時，不均勻系數δ越大。

因此，為了減少不均勻系數δ的影響，常用的方法如下。

1)使用寬度較小的水袋，減少道路縱坡對水袋的影響。

2)從道路較低的一側開始鋪設水袋，依靠重力的作用，減少水袋之間的空隙率。

3)水袋裝水率控制在80%左右，其余20%填充空氣。如圖2所示，假設水袋充水高度為H米，N、N為水袋單元拉力，P為水袋內壓力，f為地面摩擦力，不考慮頂部空氣壓力，按理想狀態分析水袋受力。水袋內水壓力隨著水深的增加而增加，水袋在水壓力的作用下呈現出下寬上窄的形狀，如圖3所示。因此，當水袋裝水率越高時，水袋越不均勻，如圖4所示，裝水率80%的水袋比裝水率95%的水袋均勻。

圖2 水袋受力分析圖

圖3 水袋裝水后形狀實圖

圖4水袋不同裝水率均勻性示意圖

3 水袋預壓法應用

3.1 工程概況

項目位于汕頭市中心城區龍湖區，道路為主路雙向6車道+輔道雙向4車道。道路一般路段填土高度在2.7m左右，橋頭路段填土高度在6m左右，不進行軟基處理，一般路段沉降高度為34cm，橋頭路段為52cm，如表2所示，均不能滿足工后沉降的要求，需要進行軟基處理。道路沿線分布民房、工廠等，為人口密集區。因此，對軟基處理方法的選擇有嚴格的要求，既要環保，又要經濟。

表2 工后沉降控制標準

3.2 地質概況

根據鉆孔揭露的巖土層，道路覆蓋層主要由第四系人工填土、河流沖積相粉質粘土、砂層、海陸交互相軟土、砂層、殘積粉質粘土組成；基底由燕山期花崗巖及其風化層組成，各地層巖性特征分述如下。

1)素填土：褐黃色，稍濕，欠壓實。

2)淤泥質粉質粘土：灰黑色，飽和，流塑，含有機質，具有腥臭味，夾薄層狀淤泥質粉砂，夾多量貝殼碎屑。

3)淤泥質粉砂：灰黑色、灰色，飽和，松散，級配差，含少量淤泥質土，夾少量貝殼類生物碎屑。局部分布。

4)粉質粘土：深灰色，濕，可塑，粘性好，由淤泥質粉質粘土固結而成。

3.3 軟基處理方案

初步擬定水泥攪拌樁復合地基法、高壓旋噴樁復合地基法、CFG樁復合地基法、管樁復合地基法和堆載預壓法進行綜合比選。采用傳統的軟基處理方法噪音大、不經濟，采用土方堆載則購土困難，且項目工期主要由跨江大橋這個節點進行控制，在工期充足的情況下，經綜合比選之后，軟基處理方法決定采用水袋預壓+塑料排水板，橋頭路段再采用管樁復合地基進行二次處理。

如圖5所示，h為水袋中水的高度，h為沉降補填土方高度，h為路基填土高度。h高度根據路面結構厚度換算，路面結構平均容重為24kN/m，主路路面結構厚度為87cm，輔道路面結構厚度為79cm，換算后，主路水袋中水的高度為2.1m，輔道水袋中水的高度為1.9m，均為等載預壓。

圖5 水袋預壓法示意圖

水袋由密封橡膠水囊層、進出水閥門、排氣閥組成，如圖6所示。囊體橡膠采用天然橡膠+丁苯橡膠，抗老化、抗紫外線性能較好?；疾馁|為聚酯纖維，涂層類型為E-pvc，厚度不小于0.8mm，重量不小于1070g/m；拉力強度經向不小于4090N/5cm，緯向不小于4510N/5cm；撕裂強度經向不小于625N，緯向不小于510N；剝離強度不小于180N；囊體材料搭接5cm，接頭抗拉強度等同母材。

圖6 水袋示意圖

由于囊體長期曝露在外會造成囊體材料老化，導致強度降低，影響結構安全，故需在囊體表面覆蓋遮陽網等保護囊體。

水袋敷設后剩余的不規則三角地帶或寬度較小位置采用土袋或小尺寸水袋進行預壓。

水袋施工前，路基兩側必須設置30cm高攔水堤壩，避免雨季對邊坡造成損害。

抽水加載應分級進行，每次加水高度不應超過50cm，經沉降觀測符合設計要求后方可進行下一級加載，直至設計等載高度。

加載與預壓過程中須加強監測與安全管理，如發現沉降速率過大、水袋漏水或堤壩出現嚴重變形等情況，應立即采取補救措施，以防出現質量安全事故。

3.4 水袋預壓法施工

1)進行場地平整；2)填筑50cm厚砂墊層；3)施工塑料排水板，插設塑料排水板采用套筒式，排水板留出孔口長度伸入砂墊層30cm，并彎折50cm；4)鋪設砂墊層頂部土工格柵；5)進行路堤填筑施工；6)水袋預壓施工工藝流程為：測量放樣——修筑攔水堤壩——鋪設防水薄膜——隔袋、分級注水——卸載。

3.5 水袋預壓法監測

1)水袋預壓路段監測斷面間距不宜大于100m，路基高度超過天然地基極限填土高度的路段監測斷面間距不宜大于50m；2)水袋預壓沉降監測宜采用沉降計，沉降較大時可采用多圈電位器式沉降計；3)水袋預壓前路基中線、路肩處應設置沉降監測點；采用沉降板時，水袋預壓施工過程中，沉降監測點宜設置在路肩處；4)施工監測宜從軟基處理前開始監測；5)每層土監測次數不宜少于2次，蓄水期間每天監測次數不應少于1次，預壓期間監測頻率不宜小于1次/15d。

3.6 應用效果分析

1)具有良好的經濟效益，水袋預壓具有良好的經濟效益。據測算，采用水袋預壓1.8m(相當于堆載土方1m)厚度，其工程造價平均為26元/m2；而采用常規堆載(堆土)預壓的工程造價約為60元/m2，采用水袋預壓可以節約成本56.7%，水袋預壓的經濟效益是非?？捎^的[3]。

2)具有良好的社會效益，水袋預壓采用密封水囊，水囊可折疊性好，運輸、拆除方便，現場操作簡單，不需要大量機械、人員配合作業，不產生噪音[4]。后期拆除便捷、速度快亦不會對原路基造成較大破壞，水為可再生資源，經處理后卸載排放至河流，避免對水體造成污染，且可循環利用，同時避免了對填土堆載預壓對山體的大面積開采，社會環保效益顯著[5]。

3)需要不斷進行改進，市政道路區別于公路的一個特點就是交叉口眾多，平均200m就會有一個交叉口。在交叉口范圍內進行水袋預壓時，轉角處需要采用土袋進行堆載，由此會產生棄土，因此，需要開發一些專門適用于交叉口范圍的異形水袋。

水袋預壓水袋高度一般在2.5m左右，如需進行超載預壓時，水袋爆袋率會增加，研究表明，當水袋超過2.5m時，水袋爆袋率會急劇提高，因此，開發一種適用于超載預壓的水袋也是水袋預壓法不斷改進的方向。

4 結語

水袋預壓法在設計和使用過程中還存在一些弊端。但水袋預壓法對比水池預壓、水箱預壓和傳統的土載預壓已具有巨大的經濟和環保優勢，隨著水袋預壓法的不斷改進，和國家對環境保護問題的日益重視和人民對環境質量的要求進一步提高，環保、安靜、經濟的水袋預壓技術將會越來越引起重視，尤其是在缺乏土方來源的市政道路建設中將會得到更加廣泛的應用。