快速信息化高真空擊密法在軟基處理中的應用

李國棟

(廣西旺港高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

軟土路基由于具有天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高的工程特性,若處理不當,后期容易造成路基路面沉降開裂。軟基處理前需對軟土土層進行詳細的調(diào)查分析,針對不同性質(zhì)和深度的軟土采用適宜的方法進行處理。在當前國家積極推行“碳達峰、碳中和”的大背景下,尋找到一個技術先進、合理經(jīng)濟、安全適用、生態(tài)良好、節(jié)能環(huán)保的軟基處理方法尤為重要。

1 快速信息化高真空擊密法的應用背景

眾所周知,當前全球正面臨著資源日趨緊張、環(huán)境污染漸多等難題,再加上部分資源的開發(fā)難度較大,周期較長,資源環(huán)境承載力和工程施工大量資源消耗的矛盾日益突出。在新發(fā)展階段,必須推進實現(xiàn)“雙碳”目標,追求更高質(zhì)量、更有效率、更可持續(xù)、更為安全的發(fā)展。這是可持續(xù)發(fā)展、順應技術進步趨勢、推動經(jīng)濟結構轉型升級、促進人與自然和諧共生的迫切需要。

本文依托項目位于北海市海城區(qū)廉州灣海岸,屬于典型的濱海公路,沿線蝦塘、灘涂較多,路基普遍具有承載力低、地下水位高、水量豐富的特點,施工過程中往往會遇到路床碾壓施工難度大、路床壓實度不能滿足要求、路基工后沉降和過大的問題。對于上述問題,通常采用的方法有換填法、水泥攪拌樁法等,但由于北海地區(qū)換填所需的施工原材料較為缺乏、水泥攪拌樁費用相對較高,采用先進合理的軟基處理方案對控制整個項目造價至關重要。經(jīng)專家會研討,決定在K43+185～K43+360段進行“快速信息化高真空擊密法”試驗段施工。

2 軟基處理方法技術經(jīng)濟論證

2.1 工程概況

擬建項目主要地貌為濱海平原地貌,地形總體相對平坦開闊,地面舒緩稍有波狀起伏,地面高程一般為4～14 m。K43+180～K48+980段為道路改建工程,主要沿舊路進行改擴建,其道路中線大部分緊靠海岸線,局部樁號段位于海岸線外側(海岸灘地填土區(qū)),穿越海岸灘地、城市街區(qū)等微地貌單位直至終點向海大道路口。該路段地形稍微起伏,呈兩端低、中間高地貌特征。

該項目處理土層主要為軟弱土層①2雜填土和②1淤泥質(zhì)黏土層,屬于可塑-流塑狀、高壓縮性、滲透性差的土層,是該項目主要的軟弱土層。

擬建路段原設計方案為換填,自路床底層開始計算,換填厚度為3.2 m,采用換填法和快速信息化高真空擊密法進行對比分析。

2.2 技術對比分析

2.2.1 提高地基處理效果

換填法:只能提高表層的承載力,表層以下的土層得不到加固,處理效果不佳。

快速信息化高真空擊密法:處理影響深度為6～8 m,在表層能夠形成一定厚度的硬殼層,提高地基的抗變形能力和整體穩(wěn)定性,能夠有效控制道路的工后沉降(處理后工后沉降≤30 cm,承載力特征值≥130 kPa,回彈模量≥30 MPa),比原換填法處理深度更深、效果更好。

2.2.2 節(jié)省工程投資

節(jié)省直接投資:換填法需要大量的石渣、片石和塊石等,而快速信息化高真空擊密法屬于就地加固法,不需要大量石渣,可節(jié)省工程直接投資。

節(jié)省間接投資:換填法因處理深度有限,使用期間會因較大的工后沉降和差異,導致道路完工后易過早出現(xiàn)損壞,還會對管線造成破壞,影響道路和管線正常使用,增加工程維護費用;高真空擊密處理后道路整體性好,可減少后期維護費用,節(jié)省工程總投資。

2.2.3 節(jié)省資源

換填法:施工時有大量的棄土方,棄土堆放和運輸都對周邊環(huán)境和道路造成影響;大量的換填石料,也會對周圍的自然環(huán)境破壞嚴重。

快速信息化高真空擊密法:不需要大量的石渣,對周邊的環(huán)境影響小,屬于環(huán)保工法。

2.2.4 工期保障

換填法:工期受天氣、石料來源等影響很大,不確定因素多,施工進度慢。

快速信息化高真空擊密法:可大面積同時展開,施工過程中變更少、不確定因素少,工期可得到保障。

2.3 經(jīng)濟對比分析

快速信息化高真空擊密法和換填法的經(jīng)濟對比見表1。

表1 兩種方法造價對比表

由表1可知,快速信息化高真空擊密法總費用約282.5萬元,換填法總費用約544.2萬元,僅從地基處理直接投資費用考慮快速信息化高真空擊密法可節(jié)省費用約48%。與原換填方案對比,快速信息化高真空擊密法在技術、經(jīng)濟和環(huán)保方面均有較大的優(yōu)勢,通過試驗一旦確定快速信息化高真空擊密法的適用性并推廣使用后,可替代原換填方案,將帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。

3 快速信息化高真空擊基本原理

該方法是由真空預壓、塑料板排水、強夯結合起來的一種工法,是一種工期較短、質(zhì)量可控、適應面廣、成本低的軟基處理新工藝。主要原理有:壓力差理論,超固結硬殼層理論。

壓力差理論:其原理是在淺層地基中插入高真空排水管,通過在土層中制造“壓差”來快速消散超孔隙水壓力(擊密產(chǎn)生的超孔隙水壓力為“正壓”,高真空產(chǎn)生的為“負壓”),使軟土中的水快速排出。

超固結硬殼層理論:由于采用高真空排水,大大提高了強夯擊密效果,通過快速高真空排水、擊密的多遍循環(huán),來增加動力排水固結效果,上部較差的軟弱地基形成一定厚度的的超固結“硬殼層”。由于硬殼層的存在,可以增加地基的整體性和抗變形能力,同時還可以增加應力擴散角,使附加應力在到達軟弱下臥層頂部時已得到擴散,減少了工后沉降和差異沉降,提高地基承載力。

4 快速信息化高真空擊密法工藝流程

結合本項目的特點,地基處理的總體原則是“加強排水、控制能量、少擊多遍”,使軟土層在不被強夯擊密破壞的前提下,盡可能提高處理效果?？焖傩畔⒒哒婵論裘芊ㄖ饕┕げ襟E和流程見圖1。

4.1 施工準備

對試驗區(qū)域測量定位,確定處理范圍。在試驗區(qū)邊界四周開挖排水溝作為施工期間的排水通道。排水溝內(nèi)每隔一定距離設置一臺水泵,將排水溝內(nèi)的水抽排至附近溝渠中。

4.2 場地摸探

在地基處理試驗正式施工之前需要進行地質(zhì)摸探,了解試驗段場地的初始情況,根據(jù)場地摸探細化施工參數(shù)。摸探手段主要可采用挖探、小螺鉆取土、靜力觸探試驗等方式,應結合現(xiàn)場實際地質(zhì)條件確定摸探方式。

圖1 高真空擊密地基處理工藝流程圖

4.3 整平場地、回填砂礫土

試驗段靠海側現(xiàn)狀標高相對較高,東側標高相對較低,在地基處理前先清表并整平場地,清表厚度暫定為30 cm,并回填砂礫土。對于標高偏高的需要開挖整平。處理前整平原則和要求如下:

(1)根據(jù)圖紙,擬建道路路面結構層厚度為79 cm,路床為120 cm。將場地整平至路床底以下10 cm,即整平標高=設計標高-2.09 m。

(2)整平后回填50 cm厚砂礫土,若現(xiàn)場施工時發(fā)現(xiàn)表層直接為軟弱土層,為滿足強夯機安全施工,對此類區(qū)域需要保證施工面以下砂礫土厚度≥1 m。

4.4 高真空管布置

根據(jù)土層的分布和地下水位情況,采用深層和淺層高真空管分層布置,深管長度為6 m,淺管長度為3～4 m,間距為3.5 m×3.5 m。

4.4.1 布管、插管

根據(jù)設計參數(shù),處理范圍內(nèi)在回填片石表面鋪設水平臥管、插設豎向真空管,處理區(qū)域四周插設真空管作為封管。有深淺兩種真空管,對土層進行分層排水、分層控制。

真空管采用φ32 mm的鋼管,下部進水孔包裹兩層尼龍漏膜形成真空管。為防止濾網(wǎng)損壞,在真空管放入前,應認真檢查,以保證濾網(wǎng)完好。臥管采用φ50 mm PVC管。真空管與水平臥管采用內(nèi)纏鋼絲軟管連接,連接的接頭應嚴密,形成縱橫聯(lián)通的排水通道。

4.4.2 連接泵組

排水通道與新型高效真空泵組連接,形成整個場地的排水系統(tǒng)。

4.5 夯實擊密

4.5.1 試夯

在施工之前先進行現(xiàn)場試夯,實際施工參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試夯情況進行調(diào)整。試夯過程中,需要對夯坑深度和坑邊隆起進行觀測,及時調(diào)整強夯參數(shù)。

4.5.2 擊密施工參數(shù)

共進行3遍點夯、1～2遍滿夯。第一遍夯擊能量約為2 500 kN·m,擊數(shù)為5擊;第二、三遍夯擊能量約為2 500 kN·m,擊數(shù)為6擊。每遍擊密時間:第一遍擊密開始于排水后11 d;第二遍和第三遍排水時間為10 d。在點夯結束、排水15 d后滿夯。

4.6 信息化監(jiān)測

施工之前應對現(xiàn)場進行踏勘,進一步了解地質(zhì)情況。施工過程中,應對地表沉降、地下水位、孔隙水壓力等參數(shù)進行監(jiān)測,施工后進行靜力觸探試驗,對各項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行詳細記錄和分析,并根據(jù)監(jiān)測反饋結果來動態(tài)調(diào)整真空管布置參數(shù)以及強夯參數(shù)。信息化監(jiān)測主要項目如圖2所示。

圖2 信息化監(jiān)測主要監(jiān)測項目圖

4.6.1 地表沉降觀測

試驗區(qū)每隔20 m布置一個斷面,埋設沉降觀測點情況,測量處理前后的高程變化情況。分別在場地回填50 cm片石后、地基處理結束后,根據(jù)控制點測量場地高程,推算高真空擊密期間的沉降量。根據(jù)處理前后高程對比,高真空擊密施工期間平均沉降約27 cm。地表沉降觀測數(shù)據(jù)見表2。

4.6.2 靜力觸探試驗

在試驗區(qū)道路沿線布置靜力觸探點,處理后點位與處理前點位一致,動態(tài)了解高真空擊密對場地地基承載力的增長的影響規(guī)律。

試驗場地后動力觸探采用圓錐動力觸探試驗進行現(xiàn)場檢測,第三方檢測單位共檢測了K1～K9九個重型圓錐動力觸探試驗,其中K5點位鉆探深度為3.2 m、K6點位鉆探深度為2.3 m,深度不滿足估算工后沉降的深度要求。其余點位(K1、K2、K3、K4、K7、K8、K9)平均鉆探深度為6.9 m。工后動探實測錘擊數(shù)如圖3所示。

表2 地表沉降觀測數(shù)據(jù)匯總表

圖3 工后動探實測錘擊數(shù)曲線圖

壓縮模量根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》(第五版)中的經(jīng)驗公式推算后綜合取值。推算方法如下:

按靜力觸探比貫入阻力Ps(MPa)確定E0和Es(MPa):

(1)Es=3.72ps+1.26(0.3 MPa≤Ps≤5 MPa)

(2)Es=3.63(ps+0.33)(Ps<5 MPa)

按圓錐動力觸探確定地基土的變形模量:

(2)功能現(xiàn)代化。①節(jié)能：外墻有防火隔熱層，采用導熱系數(shù)低的外墻材料，節(jié)能降耗；②隔聲：內(nèi)隔墻均采用隔熱隔聲處理；③防火：使用阻燃材料，防止火災的波及和蔓延；④抗震：大量使用輕質(zhì)材料，降低了建筑物自重，增加了裝配式軟性連接。

表3 工后沉降估算結果表

根據(jù)上述分析,試驗區(qū)工程根據(jù)圓錐動力觸探試驗結果推算的工后沉降范圍為2.0～3.9 cm,平均工后沉降為2.9 cm,滿足工后沉降≤30 cm的設計要求。

4.6.3 地下水位觀測

在試驗區(qū)設置4個水位觀測孔,起初10 d內(nèi)每天早、晚觀測2次,后續(xù)每天觀測1次。及時掌握在施工過程中的地下水位變化規(guī)律,優(yōu)化真空系統(tǒng)的設計參數(shù)。水位深度觀測結果曲線如圖4所示。

圖4 水位深度觀測曲線圖

由圖4水位觀測結果曲線可知,在高真空排水初期水位下降速率較快,第一遍排水約11 d后水位開始穩(wěn)定,之后每遍排水約10 d后水位基本穩(wěn)定,根據(jù)水位變化情況可確定每遍高真空排水總時間約為10～11 d。

4.6.4 孔隙水壓力觀測

為了檢測每遍高真空擊密產(chǎn)生的超孔隙水壓力及其消散情況,判斷下一遍擊密時間,并根據(jù)超孔隙水壓力的變化規(guī)律進一步研究加固機理和土體強度正常規(guī)律。根據(jù)試驗方案要求,在K43+185～K43+280段和K43+280～K43+360段分別埋設2組孔壓計,每組埋設3個,埋設深度分別為2.0 m、3.0 m和4.0 m。

將帶有孔壓計的真空管放入孔內(nèi),到孔底后再用人力壓入0.5 m,然后用黏土充填真空管與鉆孔之間的縫隙,保證不漏氣?？紫端畨毫τ^測結果曲線如圖5所示。

圖5 孔隙水壓力觀測結果曲線圖

從對孔隙水壓力隨時間的變化可得出以下結論:

(2)高真空排水效果明顯。擊密后超孔隙水壓力瞬間升高很大,在高真空排水作用下孔壓消散很快,這說明高真空排水效果很明顯。

(3)超孔隙水壓力消散>80%。每遍擊密前超孔隙水壓力消散基本上均>80%,說明對于該工程,兩遍高真空擊密之間的間隔時間在10 d左右即可以滿足要求,這與水位觀測結論也是吻合的。

5 試驗段總結

地基處理施工自檢數(shù)據(jù)、第三方檢測結果均表明,試驗區(qū)段快速信息化高真空擊密法地基處理效果顯著,處理后指標可滿足設計要求。

(1)從施工期沉降數(shù)據(jù)來看,地基處理過程中沉降平均為27 cm。

(2)第三方檢測結果表明,承載力、回彈模量、工后沉降均滿足設計要求。

5.1 經(jīng)濟效益

從經(jīng)濟性角度考慮,原方案不含路床需要換填3.2 m石料,與換填相比,僅從地基處理直接投資費用考慮即可節(jié)省約48%,說明快速信息化高真空擊密法具有良好的經(jīng)濟效益。

5.2 大面積應用建議

通過高真空擊密試驗,達到預期的目的,得出以下結論:

(1)工程質(zhì)量可靠:經(jīng)快速信息化高真空擊密法處理后各項指標可滿足設計要求。

(2)可節(jié)省工程投資:與傳統(tǒng)的換填法相比,造價節(jié)約48%左右。

(3)工期可控:大面積軟基處理時更具備工期優(yōu)勢,受外部因素的影響較小。

(4)保護自然資源:施工過程中無須向土體中摻入任何固化劑或外加劑,無棄土,真正做到了對環(huán)境的零污染。

(5)提高了強夯法對飽和軟黏土的適用性?？焖傩畔⒒哒婵論裘芊ㄙ|(zhì)量、經(jīng)濟和工期優(yōu)勢都比較明顯,具有較好的社會經(jīng)濟效益,在類似工程中是適合廣泛應用的。

6 結語

試驗段研究結果表明,經(jīng)過“快速信息化高真空擊密法”處理后可有效提高路基承載力,減少路基沉降過大造成的病害發(fā)生。今后還應進行更深入細致的研究,積極采用“四新”技術,提高工程項目科技含量,達到經(jīng)濟、適用、安全、環(huán)保的要求,為公路工程建設、技術優(yōu)化進步貢獻綿薄之力。