堆载预压处理软基原理及施工方法

张德祥

1 工程概况

沿海高速公路沧州段岐口—海丰段位于河北省沧州市东部渤海湾的顶部,属滨海平原区,路线轮廓总体呈西南走向,起于黄骅市岐口村西,终于海兴县海丰村村北。途经黄骅市、南大港农场、中捷农场、渤海新区海兴县,路线全长49.825 km。

项目所在区域属温暖带半湿润季风气候区,因为靠近渤海而略具有海洋性气候,大部分路段位于渤海沿岸。

土木第三合同段路线经过地区水系十分发育,属于水网地带。沿线多跨越盐池、虾池,地表水对混凝土结构中的钢筋具有强腐蚀性。沿线岩性主要为软弱土、软土等,该软土层厚度较大,一般为10 m左右,部分路段达15 m以上,其特点是天然含水量较大,地基容许承载力低,加荷后地基的沉降量大。

根据设计内容,本标段需要进行堆载预压处理的地基有五个段落,具体为:K26+600～K26+740,K26+804～K26+939,K27+005～K27+075,K27+005～ K27+075,K30+532～K31+218,根据预压要求,本项目堆载土预压时间为2009年11月～2010年5月。

2 堆载预压作用原理

2.1 作用机理

在加压系统的作用下,地基孔隙水自然地通过排水系统排出,从而使得地基固结及沉降速度加快,短期内达到路基稳定的目的,同时改善了路基在运营过程中的排水及维护条件。加压系统是起固结作用的堆填土方荷载,它使地基土的固结压力增加而产生固结;排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件,增加孔隙水排出的途径,缩短排水距离。

本项目软土地区的地基利用路堤填土预压,在预压结束后移去预压土体,继续进行路基的填筑施工。

为加速软土地基固结,本项目路基的五个填筑段落采用预压法与竖向排水系统相结合的方法,构成排水固结的两个要素,即加压系统和排水系统。

2.2 施工速率与预压期的控制

1)通过对软土、软弱土的厚度以及其下部压缩影响深度范围内土体地质力学特征的分析,结合构造物的结构、路堤设计高度等相关影响因素,在保证路堤稳定,不产生侧向滑移的前提下,预压荷载填筑速率宜控制在0.04 m/d。施工过程中应加强沉降观测。施工速率应满足以下要求:a.沿路堤中线地面沉降速率每昼夜不宜大于1.0 cm;b.坡角水平位移每昼夜不宜大于0.5 cm。

2)本项目采用砂垫层+土工格栅+竖向排水体+堆载预压的方式,预压期为6个月。

3 堆载预压的施工方法

3.1 袋装砂井施工

3.1.1 施工准备

1)施工前,组织施工技术人员应认真熟悉施工设计,对施工机械进行保养、调试。采用透水性、韧性强的聚丙乙烯或其他使用机织土工织物制成的抗拉强度能承受自重的砂袋,装砂后砂袋的渗透系数不小于砂的渗透系数,砂袋长度要比设计井深长150 mm～220 mm,砂袋直径符合设计要求。选用渗水率较高的干燥中粗砂,含泥量不得超过 3%,渗透系数不小于 5×10-3cm/s。大于0.5 mm的砂含量占总数量的50%以上。

2)设置排水坡及砂垫层。

3.1.2 机具定位

1)根据袋装砂井布置范围及间距,在现场采用小木桩或竹板准确定出每个砂井位置,在套管入土时再将其拔掉。

2)打设机械依据从低处往高处打设的原则安放。定位时要保证桩锤中心与地面砂井在同一点上,并用经纬仪控制桩锤导向架的垂直度。打设基底支垫物要平稳牢固。

3.1.3 安设套管与桩尖

1)套管顶端要有便于起吊的吊钩或吊环,并在套管上画出控制标高的刻度线。如套管接长时,在打设前要试接,要求连接处平顺密闭。

2)活瓣式桩尖固定在套管上,与套管成为一个整体,套管的定位是利用桩机上的起吊设备将其吊起,上端送入桩帽中,下端用人扶住,准确安插在定位点上。

3.1.4 套管打入

当套管吊起定位后即可开锤施打,开始时落锤要轻缓,防止套管突然偏斜。套管入土深度距设计深度约2 m时,要控制锤击频率,防止超深。

3.1.5 运、下砂袋

1)砂袋运输采用小推车运输,严禁在地上拖拉。2)下砂袋时,在套管口设置滚轮或滑槽,将砂袋缓慢顺直地放入套管中。

3.1.6 拔出套管

砂袋到位后即可起拔套管,起拔时要连续缓慢地进行,中途不得放松吊绳,防止因套管下坠而损坏砂袋。

3.1.7 袋头处理

套管拔出后,砂袋要露出井口30 cm以上,并将其竖直埋入砂垫层中。若有高出砂垫层部分(在满足设计井深的情况下),经检查后将其割除,重新扎牢袋口。

3.2 砂砾垫层及土工格栅施工

砂垫层的材料为中粗砂及砂砾,砂垫层分为下层30 cm,上层20 cm,分两次铺设完成,垫层的宽度宽出路堤宽度0.5 m,防止在施工过程中由于施工机械的破坏影响垫层的有效作用。

完成准备工作后即可施工下层(30 cm)砂垫层,松铺系数设为1.25,30 cm时松铺厚度为37.5 cm,为了增加地基土的抗剪强度,提高路堤的整体稳定性,达到排水及隔离的作用,在垫层中铺设土工格栅。

上层砂垫层在土工格栅铺设后采用人工铺设;砂垫层分段(每段长30 cm～50 cm)并从路基两边向中间铺设,最后挂线整平砂砾垫层表面。

3.3 预压填土

3.3.1 预压填土及堆载预压

1)堆载或超载预压部分采用细粒土分层填筑,具体要求与路基本体相同。顶部修整使具有3%的横坡,以保持预压期内有良好的排水条件。超载预压部分压实度达到85%。超载预压到后期,卸除超载土方,路堤挖至路槽顶(路面底),并将路槽顶以下的虚填部分土层压实,压实度应大于96%。2)在预压期间重视预压和沉降补方。填土预压时间越长日后沉降就越小。因此,对有预压要求的地段,尤其是桥头路段和箱涵相接路段,在施工安排上尽可能早的堆载预压。堆载顶面要求平整密实有横坡,沉降后及时补方,一次补方厚度不超过一层填筑厚度,并适当压实。对地基稳定性较好的路段,也可按预测沉降随路堤一次抛填到位。对于堆载预压期间低于原定预压标高以下的均需及时补填。

3.3.2 施工速率与预压期的控制

1)通过对沿线软土、软弱土分布区段硬壳层的厚度,软土、软弱土的厚度以及下部压缩影响深度范围内土体地质学特征的分析,结合构造物的结构、基础类型、路堤设计高度等相关影响因素,施工速率满足三点要求:a.保证路堤稳定,不产生侧向滑移;b.沿路堤中线地面沉降速率每昼夜不大于1.0 cm;c.坡脚水平位移每昼夜不大于0.5 cm。

2)采用砂垫层+土工格栅+竖向排水体+预压,预压期一般不小于6个月。当预压期准确值也依赖于沉降稳定观测。施工过程中,应根据实测沉降过程观测曲线来计算最终沉降,校正设计误差,并以此作为下道工序的依据。

3.4 沉降观测

仪器设备及埋设。本项目按照设计采用沉降板进行沉降观测,沉降板设置于路基中心,为600 mm×600 mm×10 mm的钢板,沉降板埋入地下10 cm。沉降观测板中央焊接直径25 mm钢管(壁厚不小于3 mm),钢管每节长300 mm,钢管接长采用外接管箍丝扣连接。钢管外用50 mm镀锌圆管保护,每300 mm一节螺扣相接,不与钢管相连。沉降板埋置时先用砂找平,沉降板放置后必须水平,且钢管平行于垂线。

水准点设置。水准点应设在路基坡脚外不少于40 m且不易被破坏扰动的地方,应保证其稳定性。水准点桩采用10 cm×10 cm×100 cm的钢筋混凝土桩,桩顶预埋钢筋测头。桩周顶部50 cm现浇混凝土固定,并在地面上浇筑1.0 m×1.0 m×0.2 m的观测平台,桩顶露出平台10 cm。所有水准点需用图表形式呈送监理工程师。水准点桩的混凝土标号不小于25。

观测频率。路堤连续填筑时,每填筑一层观测一次,但至少2 d一次;如果路堤不是连续填筑,施工期间每2 d测一次。路堤填筑达到预压标高后,前3个月每7 d观测一次,后3个月每15 d观测一次。

施工过程中沉降的控制标准为沿路堤中线地面沉降速率每昼夜不宜大于1.0 cm;根据本项目软基特点建议按连续三个月月平均沉降值小于5 mm为沉降稳定标准。

观测人员必须认真负责,按记录表格认真填写原始记录,观测期间,由观测单位保护好所有观测点和观测标志。

4 结语

1)根据预压结果显示,本项目预压后的平均总沉降量为21.5 mm,小于设计总沉降量,本项目设计平均总沉降量为414 mm,达到了设计沉降要求。2)堆载预压和排水系统的有效结合,可以有效排出地基土中的水分,加速地基土的凝固,提高地基强度,是一种有效的软基处理方法。

[1]杨文渊.公路工程质检工程师手册[M].北京:人民交通出版社,2008.

[2]刘树良.公路路基施工技术规范[M].北京:人民交通出版社,2006.

[3]叶春华.真空预压法加固机理新探讨[J].山西建筑,2009,35(27):126-127.