高速公路軟基真空排水加固設(shè)計(jì)

郝彥龍

(河北省唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司)

1 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)106.4 km，建設(shè)工期三年，概算總投資32.55億元。該項(xiàng)目按平原微丘區(qū)雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路基寬28m，路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土路面，橋梁荷載采用公路-Ⅰ級(jí)，計(jì)算行車速度120km/h。

經(jīng)地質(zhì)勘察，該工程在樁號(hào)K39+050～K39+110處存在較厚的淤泥質(zhì)粘土層(約13m厚)，而該樁號(hào)處正處于路基高填方路段，填筑高度在6m左右，設(shè)計(jì)邊坡比為1∶2，考慮路基穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)要求在此處對(duì)天然地基進(jìn)行加固處理，加固面積為60m×70m，處理方法為真空排水預(yù)壓法。塑料排水板間距采用1.2m×1.2m，平均打設(shè)深度12m，橫向排水采用中粗砂，厚度50cm。

2 加固設(shè)計(jì)

2.1 加固區(qū)面積、形狀的設(shè)計(jì)

大量真空預(yù)壓的工程實(shí)踐可知，在同一場(chǎng)地，相同土質(zhì)條件下，真空預(yù)壓場(chǎng)地面積大小和形狀對(duì)真空預(yù)壓最終效果會(huì)產(chǎn)生影響。雖然場(chǎng)地面積與形狀對(duì)真空預(yù)壓加固效果的影響已得到工程界的普遍認(rèn)同，但到目前為止對(duì)此仍沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，有一些專家定義了幾種真空預(yù)壓加固地基場(chǎng)地的形狀系數(shù)，進(jìn)而研究場(chǎng)地面積與形狀對(duì)真空預(yù)壓加固效果的影響。

上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的場(chǎng)地形狀系數(shù)

婁炎(1990)提出的場(chǎng)地形狀系數(shù)

公式(1)、(2)中：F為加固區(qū)面積，m2;S為加固區(qū)的周長(zhǎng)，m;n為加固區(qū)長(zhǎng)寬比。

平臨高速K39+050～K39+110段的加固范圍為沿公路軸線長(zhǎng)度為70m，軟基范圍擴(kuò)大10m;加固寬度為60m，軟基范圍擴(kuò)大5m。按照公式2算得

β=(60×70)/(70/60)=3 600m

2.2 豎向排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豎向排水采用南京產(chǎn)SPB-1型排水板，結(jié)構(gòu)尺寸為100mm×4mm，按正方向布置，間距為1.2m;打設(shè)平均深度12mm，塑料排水板的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 塑料排水板的測(cè)試結(jié)果

(1)等效排水直徑。

對(duì)于帶狀塑料排水板，其等效排水直徑Dw采用考慮角邊效應(yīng)的修正計(jì)算方法，可用下式(3)計(jì)算

式中：w為塑料排水板的寬度，mm;h為塑料排水板的厚度，mm。

按公式(3)算得等效排水直徑為

Dw=2(w+h)/π =2 × (100+4)/3.14=66.2mm。

(2)影響直徑。

目前塑料排水板基本上按照等邊三角形(梅花形)或正方形布置打設(shè)。

塑料排水板影響圓的直徑D計(jì)算和砂井相同，當(dāng)塑料排水板為正方形排列時(shí)

式中：L為排水板間距，m。

排水板間距為1.2m，算得工程中塑料排水板影響直徑為

(3)塑料板的排水能力。

本工程塑料排水板的排水能力qw=90cm3/s。

(4)涂抹區(qū)范圍。

當(dāng)用芯棒將塑料板插入軟弱地基時(shí)，芯棒周圍將產(chǎn)生一個(gè)稱為涂抹區(qū)的擾動(dòng)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域里土的滲透性明顯下降了。估計(jì)涂抹效應(yīng)需要確定兩個(gè)系數(shù)：涂抹區(qū)的直徑(ds)和滲透系數(shù)比(Kh/Ks)，其中Ks是土體未擾動(dòng)區(qū)域的水平滲透系數(shù)(m/d)，Ks是涂抹區(qū)的水平滲透系數(shù)(m/d)。

基于現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，涂抹區(qū)的半徑ds可以用公式(4)計(jì)算

式中：dm是插扳機(jī)芯棒斷面的等效直徑，mm。實(shí)際上，如果沒(méi)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用估計(jì)涂抹區(qū)的范圍，建議采用ds=3dm。

本工程選用的是IJB-16型步履式插板機(jī)，同時(shí)選用與之配套的DJ60型振動(dòng)錘與導(dǎo)架、卡盤(pán)等共同沉管，采用120mm×6mm長(zhǎng)12.5m套管進(jìn)行插板。故

ds=3dm=3 ×2(120+6)/3.14=240.8mm。

2.3 水平排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平排水系統(tǒng)包括主管、濾管及砂墊層等，在真空預(yù)壓加固地基過(guò)程中起平排水和傳遞真空度的雙重作用。

2.3.1 砂墊層

砂墊層是水平排水和傳遞真空度的載體，故要求嚴(yán)格控制質(zhì)量。

(1)砂墊層的砂料應(yīng)選取中粗砂，含泥量要小于3%，排水效果好，其滲透數(shù)宜大于1×10-2cm/s。

(2)鋪設(shè)厚度大于500mm，鋪設(shè)時(shí)要厚度均勻。

(3)砂墊層在鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)將其中混有的鋼絲、玻璃、其他鋒利物等清除干凈且砂要求無(wú)石礫。

在鋪設(shè)砂墊層過(guò)程中，對(duì)高出砂墊層的塑料排水板應(yīng)予剪斷或埋入砂墊層中。鋪設(shè)時(shí)要厚度均勻，把濾管蓋住，將主管、濾管及豎向排水系統(tǒng)聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成一個(gè)通暢的排水排氣通道。

本工程設(shè)計(jì)考慮采用50cm厚的砂墊層。

2.3.2 主、濾管及其布置

主管和濾管基本采用PVC管，埋設(shè)于砂墊層200mm以下。PVC管一般直徑76mm，管壁厚度3.5～4.0mm，要求能承受400kPa的壓力。主管與濾管一般直徑相同，便于連接。主管與濾管之間應(yīng)用軟膠管聯(lián)接，可以使整個(gè)管路系統(tǒng)能較好地適應(yīng)地面的不均勻沉降。主管上不開(kāi)孔。濾管上設(shè)置圓孔或狹長(zhǎng)條形孔，濾管外包一層土工布，滲透系數(shù)k＞5×10-3cm/s。

主管、濾管的布置方式一般根據(jù)真空泵數(shù)量、加固區(qū)形狀及大小等工程實(shí)際情況確定。濾管孔眼的密度和主管、濾管的布置方式能夠影響真空能量的分配，在抽真空的初期可以調(diào)控真空度的分布，但是滲透性好的砂墊層可以認(rèn)為是自由排水的通道，所以隨著時(shí)間進(jìn)行，真空度基本分布均勻。故設(shè)計(jì)基本按照傳統(tǒng)均勻布置，并盡量減少管路聯(lián)接處以減少能量損失。

本工程真空管路由濾水管、主管組成，經(jīng)出膜口由膜外管線與真空泵連接，采用條形排列方式布置真空管路。主管及濾管采用PVC管，管徑75mm，主管沿路軸線布設(shè)，間距15m，共4根，濾管垂直軸線布設(shè)，間距4m，共18根。濾管其表面均勻分布直徑8～10mm的濾水孔，按三角形排列，外用棕皮濾水層保護(hù)。

2.4 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)密封溝的選擇。

本工程采用垂直鋪塑辦法挖設(shè)密封溝，溝深1.5m。垂直鋪塑是指在加固區(qū)四周挖一定深度用于埋設(shè)密封膜的溝槽，挖好溝后將膜貼于溝的內(nèi)壁放入溝底，然后回填。它是目前挖設(shè)密封墻的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)就是密封效果好，工后處理簡(jiǎn)易，但是垂直鋪塑密封溝需要挖至滲透系數(shù)小于1.0E-5cm/s的土層，工藝復(fù)雜，且受吹填場(chǎng)地中的土質(zhì)限制，如果場(chǎng)地的土質(zhì)比較疏松，則垂直鋪塑過(guò)程中用粘土護(hù)壁則比較困難，砂層容易坍塌，很難形成能維持一段時(shí)間的密封溝。

(2)密封膜的選擇。

密封膜在真空排水預(yù)壓加固中起著關(guān)鍵的作用，近20多年來(lái)材料工業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展使本加固方法在大面積上能得以成功應(yīng)用。密封膜的選擇應(yīng)具備重量輕、強(qiáng)度大、韌性好、密封好、抗老化、耐腐蝕等基本特性。目前工程上使用的薄膜基本上由聚乙烯(PE)聚氯乙烯(PVC)制成，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也已制訂，如《土工合成材料聚氯乙烯土工膜》(GB/T17688-1999)和《土工合成材料聚乙烯土工膜 》(GB/T17643-1998)。

2.5 抽真空設(shè)備設(shè)計(jì)

抽真空設(shè)備是真空預(yù)壓的動(dòng)力來(lái)源，真空預(yù)壓所需抽真空設(shè)備的數(shù)量，按加固面積的大小和形狀、土層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以一套設(shè)備可抽真空的面積1000～1 500m2確定。實(shí)際工程中一般按此原則實(shí)施。

真空預(yù)壓加固區(qū)是一個(gè)立體土層，無(wú)論從空間還是從能量角度看，抽真空設(shè)備的配置應(yīng)該由加固地基土的體積來(lái)確定

其中：V為加固土體體積，V=F×H;F為加固區(qū)面積，m2;H為插板處理地層的深度，m;N為真空射流泵數(shù)量;V'為單臺(tái)真空泵加固土體體積，可根據(jù)工程實(shí)踐逐漸總結(jié)。

根據(jù)本工程加固的規(guī)模，設(shè)計(jì)采用4臺(tái)射流真空泵，該泵由直徑48射流箱和3BA-9型離心泵組成。每臺(tái)泵的功率為7.5 kW。

3 結(jié)束語(yǔ)

真空排水預(yù)壓法在該高速公路軟基處理中的運(yùn)用保證了軟基在加固過(guò)程中的穩(wěn)定性，處理后的路基性能得到明顯改善。此外，在施工時(shí)間上突出了快速高效，加快了后期路堤填筑施工速度，滿足了合同工期。這些表明真空排水預(yù)壓法在高速公路軟基處理上有著更廣泛的推廣性。

［1］ 婁炎.真空排水預(yù)壓法加固軟圖技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 姜弘，沈水龍，蔡豐錫等.塑料排水板處理的軟土地基的分析［J］.巖土力學(xué)，2006，(9).

［3］ 任文芳.塑料排水板間距對(duì)真空預(yù)壓加固時(shí)間的影響［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2006，(8).