公路软土地基处理砂垫层排水理论初步探讨

黄旭洪

公路软土地基处理砂垫层排水理论初步探讨

黄旭洪

通过砂垫层排水理论推导,结合工程实例,分析了砂垫层中无水位现象成因,并对回填一定厚度细砂可以替代中粗砂垫层进行了探讨,从而为工程实践提供指导。

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随着我国土木工程建设日新月异,软土地基处理技术也相应得到了飞速发展。在珠江三角洲地区,大量的公路建造在软土地基上,通常其施工工艺是鱼塘清淤后采用细砂回填,然后再铺筑50 cm左右中粗砂垫层。但是在很多项目工程实践中,工程师们发现我们的中粗砂垫层里常常观察不到水位,坡脚砂垫层一直处于干燥状态。究竟是什么原因致使砂垫层处于干燥状态,下文从理论上推导砂垫层的横向排水能力,并结合某试验研究段工程实例,对其原因进行了解释。

1 理论推导

大量工程实践表明,路基底宽大于 50m时,公路路中线处横向排水体中水头高于坡脚处 0.5m～1.5m(如图 1所示)。砂垫层等横向排水体的排水能力应大于地基的最大排出水流量。

1.1 地基最大排水量

其中,L为路堤底面半宽;Sc∞为地基固结产生的最终沉降,可以采用分层总和法计算;α,β均为计算参数,见表 1。

从保守角度计算,可以假设所有堆载同时瞬时施加,取t=0,可得到地基的最大排出水流量。

设坡脚处沉降速率为 0,路堤中线处t时的固结沉降速率为Vcs,沿路基纵向单位长度 t时地基排出水流量 qtc采用下式计算：

1.2 砂垫层厚度

假设图 1中砂垫层中水头线为抛物线形状,坡脚处水头高度为 0,路中线处水力梯度为 0,水头高度 h为：

其中,p为沿路基底宽L内水平排水体所受附加应力差,可取为堤底附加应力;γw为水的重度;αs为水头系数,αs较大时,路中线处水头过高会影响固结速率,减小预压阶段的附加应力,αs很小时,对横向排水体要求高,参考《公路土工合成材料应用技术规范》,αs可取 0.05～ 0.1。

表1 不同条件下 α,β取值

其中,k为砂垫层的渗透系数。由以上推导过程可知,砂垫层厚度需求值在路中线处最小,坡脚处最大。砂垫层因不同填筑材料(如中粗砂、细砂)渗透系数 k值不同而要求的厚度就不一样。假设式(8)中L=50m,Vcs=1 cm/d,h=1m,采用中粗砂时,k=4.5m/d,坡脚处砂垫层厚度需求值为 T=1.85m。采用细砂时,k=3.06m/d,坡脚处砂垫层厚度需求值为 T=2.72m。因此,只要路基填砂厚度超过 2.72m,可以考虑取消造价昂贵的中粗砂砂垫层。

2 工程实例分析

某项目为一级公路、兼城市快速路,公路总宽度为 120m(包含路基两侧绿化带),位于珠江三角洲地区,沿线普遍分布有软土地基,该类软土具有含水量高、压缩性高、渗透性低、天然强度低的特点,是典型的珠江三角洲地区软土。为能给工程全线的设计提供可靠依据,建设方选取了 K 117+900～K 118+300段作为试验研究段。研究段共划分为 6个区,其中D区、H区分别为塑料排水板 +1层 CATT60-60钢塑格栅、袋装砂井 +1层CATTSG60-60聚合格栅软基处理方案。试验路段原地面均为鱼塘,路基施工采取鱼塘清淤换填细砂(细砂平均厚度大于 3m),然后铺设中粗砂垫层再进行软基处理。考虑到路基宽度大,路基中心的水头偏高于路基两侧,试验时对砂垫层中的水位进行观测,并在路基内砂垫层底部设置 φ60横向 PVC抽水管,每根管长 90m,水管末端60m范围内做成花管,水管间距 35m。利用射流泵从砂垫层中抽排水。但截止 2009年 9月 3日(路基填筑施工完毕),2个试验区砂垫层里一直观察不到水位,横向强制抽水装置也无水排出,坡脚砂垫层一直处于干燥状态。

2.1 D区孔隙水压力分析

图 2为塑料排水板区(D区)孔压变化过程曲线图,由图 2可看出,加载前后,不同深度孔压都发生了一次先上升后下降的过程,证明孔压工作状态正常。其中 4.5m和 5m处孔压对填土荷载的反应较快,而9.2m处孔压的反应较慢,这可能与9.2m深度处软土含砂率较低有关。截止 2010年 3月 24日,经过将近一个月的超载预压后,各个深度平均超孔隙水压力为 4.73 kPa,累计填砂荷载为 64.6 kPa,因此,根据孔压资料推算本区 10m深度范围内的平均主固结度为92.7%。这证明了本工程地质条件适宜排水固结法。尽管我们发现砂垫层中无水位,但是排水效果依然良好。

2.2 H区孔隙水压力分析

图 3为 H区孔压变化过程图,由图 3可知,在加载过程中,孔隙水压力的变化不明显,这可能是该区的软土层含砂量偏高,超孔隙水压力的增长与消散较快所致。本区完成第二层路基填筑12 d后的主固结度为 79%,依据式(9),取加固软土厚度为 10m,反算得出本区土体的水平固结系数 Ch=4.5×10-3cm2/s。

与室内试验得到的平均垂直固结系数Cv=4.54×10-3cm2/s相近。另外,根据孔压资料,填土至超载标高 11 d后,平均超孔隙水压力为 8 kPa,填土荷载为 68 kPa,因此,本区已完成 88.2%的主固结。由此可见,本区排水效果依然良好。

从D区,H区孔隙水压力分析得知,尽管砂垫层无水位,坡脚砂垫层处于干燥状态,孔隙水压力消散依然良好,说明堆载预压排出的孔隙水,主要通过鱼塘回填的细砂排出,地下水未上升到砂垫层处。

3 结语

1)理论分析表明,砂垫层厚度要求中间小两侧大,砂垫层可以不设置路拱。

2)鱼塘回填细砂厚度达到一定值时,孔隙水可以通过细砂排出,可以减薄或者取消中粗砂垫层,节省工程造价,当然,细砂要求外露,以保证排水通道畅通。

[1]《地基处理手册》编委会.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.

[2]龚晓南.高速公路地基处理理论与实践[M].北京：人民交通出版社,2005.

On primary exp loration for sand cushion drainage theory for road soft-soilbasement treatment

HUANG Xu-hong

According to the deduction of the sand cushion drainage theory,the paper,combining with the engineering examples,analyzes the reasons for the no-water-level operation in sand cushion,and exp lores the filled fine sand with some thickness can take the place of themedium and coarse sand cushion,so as to provide the direction for the engineering practice.

road,soft foundation,sand cushion,drainage

U 416.16

A

1009-6825(2011)03-0138-02

2010-10-04

黄旭洪(1981-),男,工程师,佛山市三水区交通建设投资有限公司,广东 佛山 528100