公路施工中軟土地基處理研究

高慶濤

【摘 要】公路施工中目前加固深厚軟土地基的方法有很多，本文即結(jié)合具體工程案例詳細(xì)闡述了袋裝砂井法和塑料排水板真空預(yù)壓法在加固公路施工中軟土地基中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】公路；軟土地基；袋裝砂井；塑料排水板；真空預(yù)壓

一、軟土的定義及其物理力學(xué)指標(biāo)

軟土主要是由水流緩慢淤積而成，形成年代一般比較長(zhǎng)遠(yuǎn)，沉積厚度一般較深，沉積的飽和粘性土，具有含水量大、滲透性弱、天然強(qiáng)度低、壓縮性高等特性。其物理力學(xué)指標(biāo)為：天然含水量：w≥wl；天然孔隙比：E0>1.0；壓縮模量：Es<4000kPa；滲透系數(shù)：k<110-6cm/s；不排水抗剪強(qiáng)度：Cu<30kPa。軟土路基處理就是控制這些物理力學(xué)指標(biāo)，使之達(dá)到規(guī)范要求，袋裝砂井等排水固結(jié)法能有效地解決這些問(wèn)題。

二、袋裝砂井法和塑料排水板真空預(yù)壓軟弱地基處理技術(shù)的機(jī)理

（一）袋裝砂井法加固機(jī)理

在含水量大、孔隙比大、壓縮性高、軟土深厚的軟土地基中打入砂袋作為排水通道以增加土層的排水途徑，縮短排水的距離。在上部荷載的作用下，產(chǎn)生的附加應(yīng)力使土顆粒間的孔隙水通過(guò)插在軟土層中的砂井排出地層外面以達(dá)到土顆粒間位移密實(shí)，從而大大加速了地基的固結(jié)與沉降。減少壓縮性，降低孔隙比和含水量，增加土體密實(shí)度，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的固結(jié)度，以提高軟土路基的承載力和抗剪能力，從而保證路堤和地基的穩(wěn)定。

（二）塑料排水板真空預(yù)壓法加固機(jī)理

真空預(yù)壓其原理是在需要加固的軟土地基內(nèi)設(shè)置塑料排水板等豎向排水通道，然后在地面上鋪設(shè)中粗砂作為水平排水層，并在其上覆蓋不透氣的土工密封膜與大氣隔絕。通過(guò)埋設(shè)于砂墊層中的吸水通道，用真空裝置進(jìn)行抽氣，將密封膜內(nèi)空氣排出，使膜內(nèi)外產(chǎn)生一個(gè)氣壓差，這部分氣壓差即相當(dāng)于填筑軟地基上一定高度的重量荷載。隨著膜內(nèi)空氣的不斷排出，氣壓差逐漸增大，地基中的水、氣不斷排除而發(fā)生固結(jié)。真空預(yù)壓這種固結(jié)方法比一般的自然固結(jié)時(shí)間要短很多，而且造價(jià)也比較經(jīng)濟(jì)，所以應(yīng)用較廣。

三、公路施工中軟土地基處理的要點(diǎn)

（一）袋裝砂井施工技術(shù)要點(diǎn)

1.材料要求。

選用聚丙烯或其他適用的編織料組成，抗拉強(qiáng)度應(yīng)能保證承受砂袋自重，裝砂后砂袋滲透系數(shù)應(yīng)不小于砂的滲透系數(shù)。采用滲水率較高的中粗砂大于0.5mm砂的含量應(yīng)占總量的50%以上，含泥量不應(yīng)大于3%，滲透系數(shù)不應(yīng)小于5×10-3cm/s。

2.施工工藝。

（1）平整原地面

因原地面高低起伏，且該段土質(zhì)軟弱水草叢生，先采用人工清除表面生長(zhǎng)水草淤泥，并整平，防止產(chǎn)生新的腐質(zhì)軟弱夾層。

（2）開(kāi)設(shè)排水盲溝

因該地段地下水豐富，常年積水，為達(dá)到排水使表面形成一層較硬的殼，在整平原地面上設(shè)置縱橫（0.8×1.0）排水盲溝，盲溝縱橫向間距10m。

（3）地面鋪土工布

盲溝施工完后，在地面先鋪一層土工布，土工布采用300g/m2，搭接長(zhǎng)度為20cm，路基兩側(cè)反卷寬度為2m，采用土工布有利于提高原地面土承載力，使下層砂墊層能攤鋪成形，以利于軟土排水固結(jié)。

（4）攤鋪下層砂墊層

采用人工攤鋪一層厚40cm砂墊層。整平人工夯實(shí)，以方便打樁機(jī)移動(dòng)。

（5）機(jī)具定位

機(jī)具為導(dǎo)管式振動(dòng)打樁機(jī)，在行進(jìn)方式上，采用SSD20型履帶臂架，機(jī)位要嚴(yán)格按設(shè)計(jì)樁距，排距測(cè)量放樣定位，導(dǎo)軌要垂直，套管對(duì)準(zhǔn)樁位，整理樁尖。

（6）打入套管

鋼套管不得彎曲，沉樁時(shí)要用經(jīng)緯儀或重錘控制垂直度，垂直度偏差不應(yīng)超過(guò)1.5%，井距偏差應(yīng)小于15cm。

（7）沉入砂袋

為控制砂井的設(shè)計(jì)入土深度，在鋼套管上應(yīng)劃出標(biāo)尺線，以確保井底標(biāo)高符合設(shè)計(jì)要求，砂袋沉入時(shí)以人工輸入，管口裝設(shè)滾輪。砂袋入井應(yīng)用樁架吊起垂直下井，防止砂袋發(fā)生扭結(jié)、縮頸、斷裂和砂袋磨損。

（8）拔出套管

應(yīng)注意垂直起吊，以防止帶出或損壞砂袋，施工中若發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象應(yīng)在原孔邊緣重打。

3.袋裝砂井質(zhì)量控制要點(diǎn)。

（1）開(kāi)挖路基至袋裝砂井頂部，通過(guò)相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和室內(nèi)土工物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)方法確定地基承載力，承載力值為[Q]=105～120kPa。

（2）路基達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行超填預(yù)壓，預(yù)壓時(shí)間為6個(gè)月，在路肩上埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，派技術(shù)員進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，15天觀測(cè)一次，通過(guò)一年沉降觀測(cè)，沉降值符合規(guī)范要求。

（二）真空預(yù)壓排水板施工

1.填筑砂礫。

用自卸汽車(chē)將砂礫運(yùn)至施工路段，選用適宜的機(jī)具按設(shè)計(jì)厚度（約30cm）整平、灑水、壓實(shí)。砂礫填筑前應(yīng)先進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，合格后再進(jìn)行填筑。施工中嚴(yán)防塵土、泥土和雜物污染，避免導(dǎo)致排水孔隙堵塞。砂礫墊層的高程、厚度、干密度、平整度及滲透系數(shù)必須符合設(shè)計(jì)要求。砂礫墊層完成后，應(yīng)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，限制人員、機(jī)動(dòng)車(chē)通行。

2.塑料排水板施工。

將排水板插入套管，啟動(dòng)振動(dòng)錘，將套管和排水板壓入土中。排水板進(jìn)尺長(zhǎng)度要定夠，不允許使用搭接延續(xù)的排水板。達(dá)到設(shè)計(jì)深度后輸送輥軸反轉(zhuǎn)，松開(kāi)排水板，套管上提時(shí)跟帶排水板的長(zhǎng)度不大于50cm。在砂礫以上20cm處切斷排水板，移向下一孔位施工，并從路基兩側(cè)向路中心打塑料排水板。

一個(gè)作業(yè)段插板完成后移走插板機(jī)，整平砂墊，埋位板頭，鋪設(shè)剩余的（約20cm）砂礫墊層。

3.真空排水。

（1）鋪設(shè)復(fù)合土工布

為了防止抽真空過(guò)程中真空膜被硬物刺破，埋管后需將外露的塑料排水板頭埋入砂礫面以下，將插板時(shí)形成的孔洞填實(shí)，并將表面所有存在棱角的硬物去除，用鐵鏟將砂礫面拍抹平實(shí)。在施工區(qū)將復(fù)合土工布縫接成與路同寬，長(zhǎng)約100m的大幅土工布，沿路基的縱向依次平鋪，土工布縫接寬度不小于5cm，土工布?jí)K與塊之間采用搭接形式，搭接寬度不小于30cm。

（2）鋪設(shè)密封膜

選擇無(wú)風(fēng)或風(fēng)力較小的時(shí)段內(nèi)，分三層鋪設(shè)。先將密封膜按縱向擺放在預(yù)壓區(qū)的中軸線上，從一端開(kāi)始向兩邊展開(kāi)，鋪好后應(yīng)在膜上仔細(xì)檢查有無(wú)破裂口。一般破裂口多出現(xiàn)在密封膜接縫處，破裂處應(yīng)及時(shí)用聚乙烯膠水補(bǔ)好。檢查無(wú)缺陷后即可進(jìn)行第二、三層密封膜鋪設(shè)，兩層膜的粘結(jié)縫應(yīng)盡量錯(cuò)開(kāi)。出膜口應(yīng)留有可收縮富余的密封膜。所有上膜操作人員必須光腳或穿軟底鞋，以防止密封膜裂口。密封膜采用三層聚乙烯薄膜，根據(jù)各預(yù)壓區(qū)實(shí)際長(zhǎng)度每邊各增加5m成品訂購(gòu)，一次成型。

（3）真空預(yù)壓抽氣

安裝好真空系統(tǒng)（將水泵、水箱、閘閥、截止閥、出膜口連接好），空載調(diào)試真空射流泵，當(dāng)真空射流泵上真空度達(dá)到0.09MPa以上時(shí)可試抽真空。在膜面上、壓膜溝處仔細(xì)檢查有無(wú)漏氣處，發(fā)現(xiàn)后及時(shí)補(bǔ)好。一般在抽氣時(shí)，漏氣孔眼會(huì)發(fā)出鳴叫聲，循聲徹底檢查。一旦漏氣孔眼得不到及時(shí)補(bǔ)救，蓄水后真空度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，而且需放水檢查，難度很大。逐臺(tái)檢查真空泵系統(tǒng)連接處，要保證在關(guān)閘閥的情況下，泵上真空度能達(dá)到0.09MPa，以確保真空泵系統(tǒng)發(fā)揮最佳功效。開(kāi)始階段，為防止真空預(yù)壓對(duì)加固區(qū)周?chē)馏w造成瞬間破壞，必須嚴(yán)格控制抽真空速率，可先開(kāi)啟半數(shù)真空泵，然后逐漸增加真空泵工作套數(shù)。當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)計(jì)值的80%時(shí)，經(jīng)檢查無(wú)漏氣現(xiàn)象后，開(kāi)始膜面蓄水，所有泵都開(kāi)足，將膜下真空度提高到設(shè)計(jì)值，此時(shí)開(kāi)始恒載計(jì)時(shí)。

四、兩種方法處理軟土地基效果比較

某工程K9+820處軟土層厚5m，采用塑料排水板處理，填土高度6.85m；K10+720處軟土層厚3.5m，采用袋裝砂井法處理，填土高度5.12m。因軟土層厚、采用的處理方法及填土高度不同，兩種處理方法的總沉降不同，不具有同等條件的可比性，用沉降量比較兩種方法的處理效果所得出的結(jié)論不是很明顯。雖然總沉降不等，但由于加載時(shí)間相同，用沉降速率比較兩種方法的處理效果，能夠得出一個(gè)相對(duì)明顯的結(jié)論。

（一）沉降量

通過(guò)分層總和法計(jì)算軟土地基總沉降量，利用地基固結(jié)度計(jì)算公式計(jì)算各級(jí)加載情況下的固結(jié)度，在分級(jí)加載情況下，分別求出兩種處理方法的軟土地基沉降量，并繪制隨時(shí)間變化曲線。

式中 s為地基的總沉降；Hi為第i層土的厚度；e1i為根據(jù)第i層土的自重應(yīng)力平均值，從土的壓縮曲線上得到的相應(yīng)土體孔隙比；e2i為根據(jù)第i層土的自重應(yīng)力平均值和附加應(yīng)力平均值之和從土的壓縮曲線上得到的相應(yīng)土體孔隙比。

用分層總和法計(jì)算兩種處理方法的沉降量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，沉降量隨加載和加載時(shí)間呈一定比例增長(zhǎng)。地基沉降對(duì)加載的反應(yīng)較靈敏，加載過(guò)程中，沉降量明顯增大；荷載恒定階段，沉降量增幅明顯減小。

（二）沉降速率

沉降速率表征了經(jīng)過(guò)處理的軟土地基單位時(shí)間（本文為d）內(nèi)的沉降速度，用以衡量在相同加載期內(nèi)不同加載情況的沉降速度。

由于兩個(gè)斷面的軟土層厚度不同，路基填土高度不同，但是沉降歷時(shí)相同，沉降觀測(cè)持續(xù)到25個(gè)月，沉降速率曲線見(jiàn)圖2。

沉降速率與加載速率有一定的關(guān)系，加載前期，沉降速率的增幅較大，當(dāng)路基達(dá)到一定高度停止填土，恒載期間沉降速率逐漸減小，填土高度保持不變后，雖然又填土加載，但軟土地基沉降速率的增幅卻較小，路基填土達(dá)到設(shè)計(jì)高度后，沉降速率緩慢減小，表明地基已處于良好的固結(jié)狀態(tài)。兩斷面25個(gè)月時(shí)的沉降變化見(jiàn)表1。

從圖2及上表可以看出，在相同的固結(jié)時(shí)間條件下，袋裝砂井法處理軟土地基的沉降量是塑料排水板法的72%，沉降速率是塑料排水板法的80%。兩種軟土地基處理方法都要經(jīng)歷相似的加載過(guò)程，在加載高度達(dá)到一定階段后，停止加載約7個(gè)月左右，然后繼續(xù)加載，在這個(gè)加荷過(guò)程中，袋裝砂井法沉降量較小，且在停止加荷后，兩種處理方法的沉降速度同時(shí)以很快的速度慢下來(lái)，且塑料排板法的沉降較大，這說(shuō)明袋裝砂井加固軟土地基時(shí)產(chǎn)生較小的施工沉降，且能降低沉降速度。

（三）結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種軟土地基處理方法產(chǎn)生的沉降量、沉降速率的比較，在該工程中袋裝砂井法處理軟土地基的效果略微優(yōu)于塑料排水板法。袋裝砂井和塑料排水板在處理軟土地基時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工程中，不能一概而論，要視工程地質(zhì)和施工條件而定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選取正確的處理方法，以獲得理想的處理效果。但由于地基土質(zhì)等原因，有時(shí)用塑料排水板處理軟土地基出現(xiàn)插板困難，不易施工，這時(shí)選擇袋裝砂井法是一個(gè)較好的辦法。

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