基于塑料排水板和真空堆载预压的公路路基处理技术研究

王 伟

（中国水电建设集团十五工程局有限公司,陕西 西安 710000）

引言

广东沿海地区分布有大量软基软土,其土性多有软塑或流塑状态,此种状态下的土体承载力极低。对于在其上施作道路风险较高,必须在施工前做充分的地基处理。对于道路施工而言,在坚实的路基之上修筑,才能确保运营期道路路基路面的整体稳定性以及不发生不均匀沉陷,对于公路寿命有较大影响。结合广东南部沿海城市某道路工程施工实际,进行基于塑料排水板和真空堆载预压联合处理的软基路基加固技术分析。可使后期路基及路面施工沉降值趋于稳定,并对道路运营安全提供可靠的保障。

1 施工工艺原理

真空联合堆载预压技术[1]通过铺设封闭膜将施工区段隔离后进行抽取真空作业,使膜内土体与外界大气压产生压强差,在压力作用下土中富含的水分通过埋设的排水设施排出膜外,通过塑料排水板和砂井形成双向排水,同时过滤土粒使得土体仅有水分流失,避免造成地面沉陷。随着孔隙水的流失,土体不断密实,各性能指标得到提高,当内外界达到压力平衡时,渗流截止,土体完成固结。在抽真空作业中辅以集中堆载进行预压,加大土体的应力同时加速土体的沉降,进而压缩固结的时间。

该加固技术是以原有预压固结技术为基础联合真空预压技术而形成的软土地基加固技术,适用于粘性土及淤泥土层等软土地基加固,这些不良地基有水含量高、土体孔隙率大、承载力低、难固结、易产生流变、触变等共性[2]。其施工区域横断面布置示意图见图1。

图1 预压横断面布置示意

2 软弱地基指标及施工方案确定

2.1 土层力学指标

以广东南部沿海城市某道路工程为例,其软土地基土层划分由上到下为填土层、粉质黏土层、淤泥层和淤泥质土层。土层承载力低,易产生变形及沉降,在进行加固施工中,应对地基稳定性和施工沉降进行严格控制,各土层力学指标见表1。

表1 路基土层及基本物理参数检验参数值

2.2 加固设计参数

塑料排水板规格为PSB-C 型,厚度在0.4～0.5 cm内,通过液压机械打入土层并按正三角形进行布置。排水板间距按软土深度确定,软土深度≥20 m 时取1.1 m,＜20 m 时取1.2 m,露出部分60 cm。真空泵为射流式,功率≥7.5 KW,控制范围800～1200 m2。为保护密封膜,在其前后铺设抗拉强度≥40 KN/m 的土工布,真空膜其纵向抗拉强度≥18.5 MPa,横向≥16.5 MPa。

2.3 加载实施计划

对本项目,拟采用划分层数及级数进行预压加载,每层厚度取0.5 m。在加载过程中需对软土地基的孔隙水压以及发生的位移沉降及时监测,每一级加载间隔为一周,当沉降量稳定后开始下一级的加载。加载实施计划见表2。

表2 预压加载实施计划

3 预压计算分析

该路段在预压加载施工前应进行加载计算分析[3],通过计算出的沉降、固结度、及稳定计算确定实施计划的合理性,并进行调整。

基于篇幅限制,本研究仅针对沉降进行计算分析。沉降计算应满足如下条件：施工期间产生的荷载应假定为永久荷载,并计算插入排水板范围内和下部土层的固结度和下沉总值；在施工期结束后计算其固结度和下沉值[4]。

3.1 沉降计算

采用分层求解再依次求和的方法计算总沉降值S,其计算公式如下：

式中：ms为沉降系数,与地基强度、加载荷载大小和速率等有关,其范围在1～1.4 之间,按经验取值；Sc 为主固结沉降。

主固结沉降按e～p 曲线采用分层求解再依次求和的方法进行计算,其公式如下：

式中：n 为地基分层层数；Δhi为第i层的土体厚度（m）；e0i为第i 层中点在重力作用处于稳定时的孔隙比；e1i为第i 层中点在重力及外加荷载作用处于稳定时的孔隙比。

压缩层其厚度取值,当满足如下公式时可作为厚度下限：

式中：σz为附加荷载产生应力值,kPa；σsz为有效自重产生的应力,kPa。

若计算到较坚硬土层时厚度仍未满足公式（3）,只需计算到较坚硬土层。

由于蠕变沉降值较小,在沉陷残余值计算中不考虑此沉降值的影响。项目竣工验收后的沉降残余值Sr 即工后沉降值计算公式如下：

3.2 固结度计算

固结度通解计算公式如下式（5）所示。因施工中在竖向和径向两方向都有排水固结度Uz和Ur,需对Uz和Ur联立求得平均固结度Urz。相关计算公式如下所示：

Uz＞30%时,竖向排水固结度计算公式如下：

Uz＜30%时,竖向排水固结度计算公式如下：

径向朝内的固结度计算公式如下：

联立Uz和Ur求得平均固结度Urz计算公式如下：

上式（6）-（10）中Cv 为竖向固结系数,cm2/s；H 为土层在竖直方向上的排水高度,m；Ch为径向固结系数,cm2/s；n 为井径比（n=de/dw）；de为排水板施工范围内的直径,m；dw为排水板的有效直径,m。

3.3 预压计算结果分析

以本项目地勘报告及设计图纸为基础,采用对应的固结系数及各分层土层下的e-p 曲线,结合拟定的加载计划计算得出施工段落沉降量范围为98.3～274.5 cm 之间,15 年后工后沉降在5.1～20.4 cm 之间。同时经过稳定计算,其安全系数[5]也在规范允许范围内,可按照此加载计划进行施工。

4 沉降监测及分析

在预压加载施工过程中沉降监测是及其重要的一环,通过监测出的沉降速率及数值,实时观察施工区域路基的位移动态,调节加载的速度,保障施工的安全可靠性[6]。并在加载结束后确定卸载载荷和后续路面的施工日期,预测竣工后的沉降值。

按规范要求在处理的路基沿轴线方向每隔100 m 布置一个监测断面,在路肩及路堤的中点处按要求埋设沉降标,为避免沉降标破坏密封膜而降低抽取真空降压效果,在沉降标下部垫一定厚度的土工布进行保护措施。沉降观测期应从施工开始至竣工验收结束,其观测频率见表3。

表3 沉降监测频率

在布设的监测断面里取K1+600、K2+000 两个断面记为S1、S2 进行监测数据分析,两个断面在路堤中点（记为点3）、路肩（记为点1、2）各有一个观测点,共计6 个观测点。监测区间为施工开始到恒载结束,其监测数据见表4。

由表4 可知在监测区间内该监测断面最大总沉降量为2.67 m,最小总沉降量为0.86 m,单次最大沉降量为1.05 m,与理论最大沉降计算值相符合,其中最大沉降值均在第3 点即路基中点处,这是因为在抽取真空作业下,由于压强差产生的压力使软土路基的侧向位移沿路基中心线处加大,形成向内收敛的走向,造成路基中点处应力集中,沉降增大。

表4 沉降监测数据统计

其中K1+600 单次沉降最大值在抽取真空作业后的第12 天,K2+000 单次沉降最大值在抽取真空作业后的第10 天,与预压加载实施计划的10-15 天相吻合,即计划工况与现场实际反馈较为接近,进一步佐证了预压加载实施计划的可靠性。

5 结论

真空联合堆载预压技术是目前对软土地基进行加固较为有效与得到广泛推广的施工方法,本研究以广东南部沿海城市某道路工程为例进行真空联合堆载预压技术研究,得出如下结论：

（1）通过分析软土地基的力学指标及加固设计参数,拟定了加载实施计划。

（2）通过拟定的加载实施计划进行沉降计算得出施工段落沉降量范围为98.3～274.5 cm 之间,15 年后工后沉降在5.1～20.4 cm 之间。

（3）通过对施工段落的沉降监测数据进行分析,得到了在某一断面路基中点处沉降总量最大,以及单次沉降最大值出现的时间与预压加载实施计划的时间吻合,进一步佐证了预压加载实施计划的可靠性。