水袋堆載預(yù)壓法在高等級公路軟基處理中的應(yīng)用

（中鐵一局集團(tuán)第五工程有限公司，陜西 寶雞 721000）

1 導(dǎo)言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路工程建設(shè)事業(yè)也迎來了蓬勃發(fā)展的新時期，浙江省作為沿海發(fā)達(dá)省份，高等級公路建設(shè)得到迅猛發(fā)展。浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南翼，浙北、浙東平原區(qū)廣泛分布軟土層，以海相為主，部分為湖沼，近年來，大量高等級公路修建于軟土地基上，促使工程技術(shù)人員積累了大量的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，其中堆載預(yù)壓為常見的預(yù)壓處理方式，目前國內(nèi)外關(guān)于堆載預(yù)壓的研究均是建立在太沙基滲流固結(jié)理論基礎(chǔ)之上（太沙基滲流固結(jié)理論是土力學(xué)的最重要理論之一）。由于堆載預(yù)壓處理效果與堆載所采用的材料無關(guān)，只與荷載大小和預(yù)壓時間有關(guān)，無論采用何種預(yù)壓方式，路面攤鋪施工前必須進(jìn)行路基卸載，為了避免大量土方卸載，耗費(fèi)大量成本，故“以水代土“的預(yù)壓工藝“水袋堆載預(yù)壓法”順勢而生。

2 工程概況

G235 富陽靈橋至漁山段工程起于富陽區(qū)靈橋鎮(zhèn)，主要利用春永線老路拓寬，局部路段截彎取直，經(jīng)里山、漁山等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，至于富陽區(qū)漁山鄉(xiāng)與蕭山交界處（長嶺頭），沿線所經(jīng)過地區(qū)屬富春江沖海積平原、丘陵山前沖海積平原和浙西北龍門山脈低山丘陵區(qū)。線路左側(cè)為富春江，右側(cè)為平原或丘陵。路線全長10.48 公里，其中K12+310-K13+250 長960m 老路拼寬段，路基填土高度3-5m，軟土層厚達(dá)24.3m，因工后沉降不滿足≤15cm 的要求，且原有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的工后增大值＞0.5%，故設(shè)計(jì)該路段需進(jìn)行軟基處理，即超載預(yù)壓，超載材料采用路基填料，卸載界限為預(yù)壓6 個月后，且連續(xù)2月沉降速率＜8mm/月。

因本工程臨近富春江，位于二級水源保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求高，礦產(chǎn)資源匱乏，目前國家強(qiáng)抓環(huán)保治理工作，附近山體禁止開采，致使預(yù)壓土方量缺口較大，所需預(yù)壓土方均需外購，同時外購?fù)练骄嚯x較遠(yuǎn)，受道路限重、環(huán)保等因素制約，填料進(jìn)場費(fèi)用高，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度，項(xiàng)目施工成本加大。此外加載、卸載預(yù)壓土均需利用原春永線公路通行，由于老路保通（改擴(kuò)建），交通組織困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高。施工時間跨度長。

我部結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)市場調(diào)查，水囊可折疊性好，運(yùn)輸、拆除方便，現(xiàn)場操作簡單，不需要大量機(jī)械、人員配合作業(yè)，能快速充水完成路基堆載，而且采用密封設(shè)計(jì)，后期拆除便捷、速度快亦不會對原路基造成破壞，地方干擾小，經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性較好，可隨時進(jìn)行超載預(yù)壓，故計(jì)劃K12+310-K12+640 段采用橡膠密封水囊進(jìn)行水袋預(yù)壓取代堆載土預(yù)壓試驗(yàn)。

3 軟基特性及常見處理方法介紹

軟土具有高含水率、弱透水性、固結(jié)速度緩慢、大孔隙比、高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度、觸變性、流變性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)直接關(guān)系到公路路基的基礎(chǔ)形式、軟土地基的處理方式、預(yù)壓期等。在軟土地基上修建公路，容易產(chǎn)生路基整體沉降、不均勻沉降、路基失穩(wěn)，造成路面不平、開裂、橋頭跳車等病害現(xiàn)象。

現(xiàn)階段我國對于深層軟土路基的處理，基本可以分為三大類：排水固結(jié)法、復(fù)合地基法、輕質(zhì)路堤法。排水固結(jié)法由于具有環(huán)保、造價(jià)低、施工方便、在能夠保證足夠預(yù)壓期的條件下處理效果良好等特點(diǎn)，在一般路段的軟基處理上得到了廣泛應(yīng)用。排水固結(jié)法由加載系統(tǒng)和排水系統(tǒng)兩大部分組成，加載系統(tǒng)一般可分為堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓及真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，其中堆載預(yù)壓是最為常用的預(yù)壓方式。堆載預(yù)壓是指在軟土地基上施加荷載，促使地基排水、固結(jié)、壓密，以提高地基強(qiáng)度，減少在使用荷載作用下產(chǎn)生的工后沉降量。若預(yù)壓荷載等于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為等載預(yù)壓；若預(yù)壓荷載大于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為超載預(yù)壓；若預(yù)壓荷載小于路基荷載與路面等效荷載之和，稱為欠載預(yù)壓。欠載預(yù)壓通常適用于采用復(fù)合地基處理的軟土路段，對于排水固結(jié)法而言，一般以等載預(yù)壓和超載預(yù)壓為主。

4 水袋預(yù)壓系統(tǒng)介紹

我國對預(yù)壓水袋的研發(fā)始于2012年，由武漢速安達(dá)建筑橡膠制品有限公司開發(fā)出了外加筋PVC 密封水袋，應(yīng)用與橋梁支架預(yù)壓，在實(shí)際使用過程中由于PVC 水袋強(qiáng)度低，容易老化，耐磨性能差等缺點(diǎn)，難以滿足橋梁試壓水袋要求質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，柔軟性高，耐磨性好，耐候性好，成本低等要求，市面上無適合的材料和加工設(shè)備能夠滿足要求，因此難以推廣應(yīng)用。直至2017年，該公司研制出的橡膠水袋成功應(yīng)用于橋梁支架預(yù)壓，之后在橋梁鋼桁架配載、移動模架預(yù)壓、掛籃吊重方案均有應(yīng)用。

2018年5月，湖南南益高速首次采用水袋堆載預(yù)壓，廣東興寧至汕尾高速、潮汕環(huán)線高速等先后進(jìn)行了成功應(yīng)用。

4.1 水袋系統(tǒng)組成

路基水袋堆載預(yù)壓系統(tǒng)包含水袋、加載系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)及零星設(shè)備系統(tǒng)；

圖4-1 路基水袋堆載系統(tǒng)工作效果

4.2 水袋結(jié)構(gòu)構(gòu)成

其中堆載水袋由囊身、進(jìn)（出）水閥門、排氣閥門組成，根據(jù)常規(guī)路基堆載荷載要求選擇堆載水袋結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4-2 水袋結(jié)構(gòu)示意

4.3 水袋材料性能

本工程采用整體硫化成型橡膠堆載預(yù)壓水袋，與傳統(tǒng)的方法相比，繼承了傳統(tǒng)橡膠材料的強(qiáng)度高、耐磨性好、耐老化、密封性好等特點(diǎn)；同時降低1/3 左右成本，1/2 左右重量，還具有良好的加工性能。

表4-1 水袋性能參數(shù)

4.4 路基堆載水袋受力分析

假設(shè)水袋充水高度為H 米，不考慮頂部空氣壓力，按理想狀態(tài)分析水袋受力。現(xiàn)取5 厘米寬（材料檢測標(biāo)準(zhǔn)寬度）水袋單元材料受力最大處分析：

圖4-3 密封水囊受力分析圖

其中N1、N2 為水袋單元拉力，P 為水袋內(nèi)壓力，f2 為地面摩擦力，根據(jù)力矩平衡：N2XH=PX2H/3，P=ρgLH2/2，其中L 為單元寬度。

袋體材料最大受力：N2=ρgH2L/3（注：此計(jì)算理論未考慮內(nèi)部空氣壓力等因素）

圖4-4 密封水囊受力圖

5 水袋預(yù)壓法應(yīng)用

為確保我部軟土路基工程順利進(jìn)行，提高工程效率，保證工程質(zhì)量，避免盲目施工給工程帶來損失，決定K12+310-K12+640 段進(jìn)行水袋堆載預(yù)壓試驗(yàn)段施工。因堆載預(yù)壓處理效果與堆載所采用的材料無關(guān)，只與荷載大小和預(yù)壓時間有關(guān)。因水與宕渣質(zhì)量比1∶2.32，經(jīng)每平方荷載等質(zhì)量換算，厚度為100cm 預(yù)壓宕渣等于2.3m 高水袋重量，同時考慮本工程為改擴(kuò)建（部分路段截彎取直），路基全寬不等（32-36m），故水袋采取橫向及縱向相結(jié)合的方式布置，即尺寸為27m×10m×2.5m 大水袋與10m×5m×2.5m 小水袋。

圖5-1 水袋布置方式

5.1 施工準(zhǔn)備

在已驗(yàn)收完成待預(yù)壓路基上攤鋪重量不低于300g 的土工布，進(jìn)一步保護(hù)水袋避免被尖銳物損壞，然后在其上攤鋪隔水層，避免施工用水浸泡路基及卸載水沖刷路基；土工布和隔水層攤鋪要注意和機(jī)械設(shè)備協(xié)調(diào)配合，切忌機(jī)械將其損壞，攤鋪時搭接20cm，防止水袋直接接觸路基面層。

5.2 水袋定位

為了保證后續(xù)水袋注水后能貼緊，避免漏壓，水袋擺放前必須先行定位，再行擺放，水袋定位主要采取控制相鄰水袋閥門的距離，利用皮尺和石灰等工具將水袋位置畫出，確保水袋的整齊劃一。

5.3 水袋攤鋪

必須保證水袋無大褶皺，特別是水袋底部和端部，確保平順，以免影響后期注水后水袋的外形，直接降低水袋的安全性，此過程可以依靠風(fēng)機(jī)協(xié)助。

5.4 水袋注水

水袋攤鋪到位后，可進(jìn)行注水作業(yè)，注水期間根據(jù)設(shè)計(jì)要求，加強(qiáng)沉降監(jiān)測，根據(jù)沉降速率分級加載，平均一臺水泵約6 小時可注滿一條水袋，注水施工關(guān)鍵是關(guān)注水袋的狀態(tài)，一旦有異常及時暫停注水作業(yè)，待查明情況。

5.5 水袋卸載

經(jīng)持續(xù)不間斷沉降觀測至一定時間段，判定達(dá)到卸載要求后，方可連接水管將水袋內(nèi)水排至指定位置，然后打包堆放。

圖5-2 現(xiàn)場預(yù)壓情況

6 水袋預(yù)壓優(yōu)缺點(diǎn)

表6-1 水袋預(yù)壓法優(yōu)缺點(diǎn)對比

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)效益：

土方預(yù)壓及卸載施工工期1 個月，水袋預(yù)壓及卸載工期15 天且不受雨季影響，工期顯著縮短；土方施工填筑及卸載費(fèi)用相比水袋預(yù)壓加載及卸載費(fèi)用較高；水袋預(yù)壓無加載棄土處置費(fèi)，無土方購置等費(fèi)用。

7.2 技術(shù)效益：

使用水袋預(yù)壓方案后，既解決了取土問題，也告別了傳統(tǒng)堆載土施工工序多，后期卸載時間長以及卸載土方處置等問題，避免設(shè)置卸載土方棄土場、減少開挖土方和渣土車作業(yè)。水袋預(yù)壓采用密封水囊，水囊可折疊性好，運(yùn)輸、拆除方便，現(xiàn)場操作簡單，不需要大量機(jī)械、人員配合作業(yè)，能快速充水完成對路基堆載，且不受天氣影響。后期拆除便捷、速度快亦不會對原路基造成較大破壞，水為可再生資源，經(jīng)處理后排放至河流，避免對水體造成污染，且可循環(huán)利用。

7.3 社會效益：

將原設(shè)計(jì)軟基段土方堆載預(yù)壓，采用水袋預(yù)壓法，即節(jié)能減排，也很好的保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不被破壞，面對節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、低碳經(jīng)濟(jì)的新時代要求，水袋預(yù)壓的成功應(yīng)用，完全符合當(dāng)代“綠水青山就是金山銀山”的理念，將節(jié)能環(huán)保、綠色循環(huán)、低碳發(fā)展融入公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)管理等各個環(huán)節(jié)，符合我國生態(tài)文明建設(shè)要求。在業(yè)主及地方政府多次環(huán)水保檢查中，得到了各界領(lǐng)導(dǎo)的一致好評，也為沿海（江）地區(qū)公路路基軟基水袋預(yù)壓處理提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

8 總結(jié)

本工程水袋預(yù)壓試驗(yàn)路段根據(jù)土方堆載預(yù)壓要求，經(jīng)等載換算，水體預(yù)壓高度為2.3m，現(xiàn)場自2019年6月25日對水袋進(jìn)行加載，2019年7月7日加載完成，預(yù)壓至2020年2月14日結(jié)束，經(jīng)水袋預(yù)壓段及土方預(yù)壓段現(xiàn)場實(shí)測沉降數(shù)據(jù)比對，兩者數(shù)據(jù)變化一致且各點(diǎn)位數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。成功完成了該段試驗(yàn)段相關(guān)工作，為后續(xù)大面積軟土路基預(yù)壓工程施工獲得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

同時近年來國家對環(huán)水保的要求明顯提高，綠水青山理念深入人心，大量礦山關(guān)閉，路基填料來源愈發(fā)緊張，遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸導(dǎo)致土方成本劇增，由于水袋預(yù)壓具有成本低，可就地取材，施工速度快，綠色環(huán)保等特點(diǎn)，預(yù)計(jì)在水源豐富的軟土地基路段，采用水袋荷載取代設(shè)計(jì)路床以上部分的填土荷載（水袋預(yù)壓法）應(yīng)用前景廣闊。