塑料排水板預壓固結(jié)法在軟基處理中的應用

王意明

(廣西桂東高速公路有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

廣西地貌屬山地丘陵盆地地貌，石山面積約占廣西陸地面積的70.8%，石灰?guī)r地層分布廣，巖層厚，褶紋斷裂發(fā)育，為典型的巖溶地貌地區(qū)。廣西高速公路建設(shè)中軟基處理主要以碎石換填為主，其他軟基處理方式運用較少，但是2008年以來，廣西高速公路建設(shè)飛速發(fā)展，不可避免會經(jīng)過一些水田、池塘等范圍大、處理深度較深的軟基路段；同時，業(yè)主對工程建設(shè)投資、工期、質(zhì)量及耐久性提出了更高的要求。因此，結(jié)合具體工程軟基工程特性，深入了解各種軟基處理方法，可為廣西高速公路軟基處理尋找和確定合理的處理方案，保證工程施工質(zhì)量，縮短建設(shè)工期，節(jié)約工程建設(shè)投資。

1 公路工程軟基處理常見方法

公路工程軟基處理的分類方法很多，如按處理深度可分為淺層軟基處理和深層軟基處理；按處理時間可分為臨時軟基處理和永久軟基處理；按處理方式又可分為化學處理和物理處理等。高等級公路軟土地基處理常用的方法可分為排水固結(jié)法、復合地基法、改變地基應力條件法及動力擠密法四大類。排水固結(jié)法主要包括堆載預壓法、塑料排水板預壓法、砂井預壓法、袋裝砂井預壓法及真空預壓法等；復合地基處理法主要包括CFG樁、碎石樁及深層攪拌樁等；改善地基應力條件法主要包括反壓護道法和土工材料加固法等；動力擠密法主要包括強夯法和重錘夯實法等[1]。

2 塑料排水板預壓固結(jié)法軟基處理原理

2.1 塑料排水板預壓固結(jié)法簡介

塑料排水板預壓固結(jié)法是排水固結(jié)法中的一種，和其他排水固結(jié)法一樣由排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)組成，塑料排水帶是豎向排水體，砂墊層是水平排水體，兩者構(gòu)成其排水系統(tǒng)；加壓系統(tǒng)主要有堆載法、真空法及聯(lián)合法等。

考慮到填方路堤坡腳外一定范圍內(nèi)的地基仍有路堤填方引起的壓應力，因此，塑料排水板的布置范圍擴大到兩側(cè)路堤坡腳以外1 m，以提高地基土的穩(wěn)定性。塑料排水板在平面上可布置成正方形或正三角形兩種形式，研究表明，在塑料排水板間距相同的情況下，正方形布置形式的有效影響半徑比正三角形布置形式稍微大一些[2]，達到相同固結(jié)度的時間較短。

2.2 塑料排水板預壓固結(jié)機理

根據(jù)土力學原理，土體固結(jié)是孔隙水壓力的消散和有效應力增加的過程，土層的固結(jié)時間與排水距離的平方成反比。因此，土層越厚，透水性越差，固結(jié)所需時間越長[3]。

塑料排水板預壓固結(jié)法就是在軟土地基中插入排水板，在地基表面鋪設(shè)砂墊層，然后在砂墊層上面加載。一方面，排水板及砂墊層分別作為豎向排水體及水平排水體，增加了軟土排水通道，縮短了排水距離；另一方面，通過堆載預壓作用下，軟土地基中形成超靜空隙水壓力，水通過排水板及砂墊層排出，空隙水壓力逐漸轉(zhuǎn)化為土體有效應力，加快軟體地基固結(jié)，增加土體穩(wěn)定性，達到縮短建設(shè)工期的目的。

2.3 塑料排水板優(yōu)點

與換填置換法相比，塑料排水板預壓法具有以下優(yōu)點：

(1)處理深度更深、范圍更大

當軟基處理深度超過5 m時，如果采用開挖置換法進行軟基換填，開挖方量相對較大，開挖后四周邊坡要放緩加固處理，同時又容易積水，不利于施工質(zhì)量控制，而采用塑料排水板預壓法可避免此問題。

(2)有利于環(huán)境保護

隨著高速公路建設(shè)的發(fā)展，對環(huán)境保護的要求越來越高，采用塑料排水板預壓法可以大大減少土方開挖，減少棄土方量，從而避免棄土對環(huán)境的污染。

(3)有利于節(jié)約工程建設(shè)投資

對于深度較深、范圍較大的軟土地基，采用塑料排水板預壓法可以大大減少土方開挖、運輸、回填，較少征用棄土場面積，從而節(jié)約工程建設(shè)投資。

與袋裝砂井預壓法相比，塑料排水板預壓法具有以下優(yōu)點：

(1)施工機具輕便靈活、施工效率高

目前袋裝砂井施工主要采用沖擊式或振動式打樁機，相對笨重，塑料排水板既可以采用以上兩種打樁機也可以采用輕便的插板機，因此施工也更靈活，同時塑料排水板施工速度快，效率更高。

(2)對土體擾動少、造價低

塑料排水板斷面尺寸小，施工機具輕，施工過程中對土體擾動明顯少于袋裝砂井施工。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，塑料排水板造價越來越低。

(3)塑料排水板還具有單孔過水面積大、排水通暢、質(zhì)量輕、強度高、耐久性好的特點。

3 工程實例

3.1 土層分布及工程特性

廣西某高速公路路基寬26 m，其中K287+865～K288+190段軟基位于水田中，路基平均填土高度6.0 m，平時有積水，軟土地基從上至下依次為：

(1)耕植土：厚0.3～0.5 m，灰褐色，由淤泥質(zhì)土及粉質(zhì)黏土組成，含水量高、可塑、含有少量有機質(zhì)。

(2)亞黏土：厚4.5～6.0 m，平均厚度5.5 m，平均含水量約28%，黃褐色，呈軟塑狀態(tài)，通過輕型動力觸探儀檢測承載力約為48 kPa，小于設(shè)計要求150 kPa。

(3)黏土：呈硬塑狀態(tài)，含水量較低，地基承載力可達到180 kPa。

此段路基軟基處理，原設(shè)計采用清淤3 m、再換填砂礫類土至原地面的處理方法。經(jīng)現(xiàn)場探坑開挖后，在3 m深的位置仍為軟弱層可塑狀亞黏土，地基承載力不能滿足設(shè)計要求，經(jīng)多處探坑開挖調(diào)查，該段軟基的平均深度約為5.5 m；如果按實際開挖，開挖的淤泥量比較大，初步計算挖淤約85 000 m3，軟基開挖的軟土棄運困難，很難重復堆放淤泥，對棄土場的使用面積要求很大，而大面積的土地征用困難非常大，既占用耕地，又影響環(huán)保。因此將該段軟基處理變更為塑料排水板預壓固結(jié)處理軟弱地基的施工方法，塑料排水板插入深度為6.5 m，按正方形布置，間距為1.2 m，采用路堤填土堆載預壓(見圖1)。本路段采用塑料排水板預壓固結(jié)法代替開挖置換法，經(jīng)初步計算節(jié)約建設(shè)工程投資約10萬元，既有利于施工質(zhì)量控制，提高耐久性，又有利于工程投資控制。

圖1 塑料排水板堆載預壓平面示意圖

3.2 塑料排水板施工技術(shù)應用

3.2.1 施工工序

此路段處于水田中，地勢低洼，常年積水，耕植土以下的亞黏土承載力低。為了改善表面承載力，便于施工機械施工，與其他路段工藝相比，在清理表土后，增加鋪設(shè)土工格柵、無紡土工布。具體施工工序如下：清除表土、平整場地、開挖排水溝→鋪設(shè)土工格柵、無紡土工布→鋪下層砂墊層→穩(wěn)壓→放樣→插板機就位→塑料排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割斷塑料排水板→檢查并記錄施工情況→插板機移位→鋪設(shè)上層砂墊層。

3.2.2 施工工藝要求及施工質(zhì)量控制

(1)水田地勢較低，容易積水，表面種植土較厚，在塑料排水板施工之前，首先應清除表層種植土，平整場地，開挖排水溝，防止積水；然后鋪設(shè)一層土工格柵，改善軟基受力均勻，同時對土工布也有一定的保護作用；然后鋪設(shè)無紡土工布，防止預壓過程中泥土侵入碎石墊層中，影響墊層排水性能；最后才鋪筑下層砂墊層。

(2)砂墊層應采用透水性好的中粗砂，其含泥量應不超過3%，滲透系數(shù)≥10-3cm/s。

(3)將鐵質(zhì)或混凝土靴頭套在空心管端部，固定好塑料排水板，使其在插入的過程中能有效阻止泥沙進入套管污染塑料排水板，并避免拔出套管時帶出塑料排水板。

(4)施工現(xiàn)場堆放的塑料排水板盤帶應下墊上蓋，置于潔凈干燥處，防止污染和暴露在空氣中老化。

(5)套管下沉過程中導軌應垂直，套管不得彎曲；塑料排水板透水濾套不得撕破或污染，底部應可靠錨固在靴頭，以免套管拔出時將塑料排水板帶出。

(6)塑料排水板出孔長度應保證埋入砂墊層≥50 cm，使其與砂墊層能完全貫通，并在端頭做好標識，做好保護措施，防止機械、車輛損壞塑料排水板，影響排水效果。

(7)插板完成后應立即鋪設(shè)上層砂墊層，防止塑料排水板長時間暴露在空氣中引起老化。

(8)在堆載預壓前應攤平穩(wěn)壓上層砂墊層，鋪設(shè)土工布，防止堆載填料土侵入砂墊層，影響砂墊層透水性。

3.3 沉降觀測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施工現(xiàn)場情況，選取K287+900、K288+000、K288+100、K288+180四個斷面為沉降觀測斷面，每個觀測斷面分別在路基左、中、右設(shè)置3個沉降觀測點，中間沉降觀測點距路基中心線0 m，左、右沉降觀測點分別距離路基中心線13 m，沉降觀測點布置圖如圖2所示。

圖2 沉降觀測點布置示意圖

路堤填筑從2012年9月25日開始填筑，至2013年5月30日填筑結(jié)束，歷時247 d；各沉降觀測點從2012年9月25日開始至2013年9月30日結(jié)束，歷時370 d，K288+000斷面三個沉降觀測點觀測累計沉降及填土高度如圖3所示。

圖3 K288+000斷面填土高度及累計沉降曲線圖

從圖3可以看出，在填筑初期，填土速度較快，沉降曲線較陡，沉降速率也較大，為了保證填筑路堤的穩(wěn)定性，填筑前9 d，累計填土高度達到72 cm，最大沉降速率達到6.7 mm/d，平均沉降速率4.7 mm/d；為了確保路堤填筑穩(wěn)定，適當放慢填筑速度，沉降曲線也逐漸變緩，沉降速率變小，從第10 d到第30 d，累計填土高度達到243 cm，平均沉降速率為2.7 mm/d，路堤填土結(jié)束后，路堤沉降繼續(xù)發(fā)展，但沉降速率很慢，日平均沉降速率為0.8 mm/d，到300 d以后，沉降曲線基本趨于水平，說明沉降基本為零，路堤基本趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文結(jié)合廣西某高速水田路段軟基處理實例，提出了水田路段塑料排水板施工工藝要求及質(zhì)量控制要點，得出兩點結(jié)論：

(1)在范圍較大、深度超過5 m的軟基處理中，與換填法相比，塑料排水板堆載預壓軟基處理方法具有施工工期短、質(zhì)量可控、耐久性更好及降低工程造價的優(yōu)點；與袋裝砂井預壓法相比，具有靈活便捷、施工效率高等優(yōu)點。

(2)用塑料排水板預壓固結(jié)法進行軟基處理，初期沉降速率較大，施工現(xiàn)場應該根據(jù)沉降速率，適當降低填筑速率，以保證路堤填筑穩(wěn)定。

塑料排水板預壓固結(jié)法能成功應用到水田路段軟基處理，為同類工程施工提供了借鑒。

[1]黃生文.公路工程地處理手冊[M].長沙：人民交通出版社，2004.

[2]李曉明，丹莊高速公路軟基處理的研究[D].大連：大連理工大學，2007.

[3]張誠厚，袁文明，戴濟群.高速公路軟基處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.