水載預(yù)壓在高速公路軟土路基施工中的應(yīng)用

范 江

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410003)

0 引言

作為現(xiàn)代化交通的重要標(biāo)志，高速公路迎來了一個(gè)新的發(fā)展建設(shè)高峰，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-2]。軟土路基施工是高速公路構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要內(nèi)容，在交通荷載作用下，軟土路基容易發(fā)生沉降變形，嚴(yán)重影響公路的質(zhì)量和使用，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3-5]，目前存在多種加固方式[6-7]，其中路面堆載的方式能夠加速地基中的孔隙水壓力消散，使地基土排水固結(jié)，提高公路路基穩(wěn)定性[8-10]。傳統(tǒng)的軟土路基預(yù)壓多是采用填土堆載或者填石堆載的方式，預(yù)壓期結(jié)束后土石方需要卸載至指定棄土場(chǎng)，消耗大量土石方且占用土地資源。土石方的開采、運(yùn)輸、堆放都需要大量機(jī)械設(shè)備，不僅施工不便，而且造成環(huán)境污染，違背了“綠水青山就是金山銀山”重要指導(dǎo)思想。特別是洞庭湖等江河湖海地區(qū)，土地資源匱乏，軟土路基分布廣泛，土層含水量大、壓縮性高、強(qiáng)度低、透水性差[11-16]。針對(duì)此類地區(qū)土層特性，水載預(yù)壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，利用施工現(xiàn)場(chǎng)豐富的水資源加載水袋，施加荷載預(yù)壓軟土路基，發(fā)揮排水固結(jié)作用，是目前最為便捷和經(jīng)濟(jì)的軟土路基預(yù)壓方法[17]。

針對(duì)南益高速公路土建工程施工工期短、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，本著技術(shù)創(chuàng)新與保護(hù)環(huán)境的理念，結(jié)合水載預(yù)壓工藝，開發(fā)了一套軟土路基預(yù)壓的施工技術(shù)，并應(yīng)用于南益高速公路K19+020～K19+586路段。沉降觀測(cè)結(jié)果表明，該技術(shù)與傳統(tǒng)土載預(yù)壓施工技術(shù)相比，操作簡便，節(jié)約了資源，降低了成本，提高了工程質(zhì)量和施工技術(shù)水平，最大限度減少了對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境影響。經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益。

1 水載預(yù)壓

1.1 原理和工藝

水載預(yù)壓是一種通過大型密封水袋利用水的自身重量荷載預(yù)壓軟土路基的施工技術(shù)，利用湖區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)豐富的地表水加載水袋，通過水的重量荷載預(yù)壓軟土路基3～6個(gè)月時(shí)間。水袋加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之縮小，促使軟土路基提前發(fā)生沉降固結(jié)變形，有效應(yīng)力大大增強(qiáng)，從而提高了軟土路基穩(wěn)定性，減小通車運(yùn)行后軟土路基沉降。施工過程中通過埋設(shè)沉降板、測(cè)斜管進(jìn)行觀測(cè)分析，根據(jù)沉降量、沉降速率、水平位移數(shù)據(jù)來檢測(cè)軟土路基水載預(yù)壓成果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為保證水載預(yù)壓期間材料運(yùn)輸、施工車輛的正常通行，前進(jìn)方向左幅 8 m、高度1.6 m保留土載預(yù)壓，作為材料運(yùn)輸通道及路基精加工層的土源。軟土路基水載預(yù)壓系統(tǒng)由預(yù)壓水袋、水泵、水準(zhǔn)儀等組成。待路基填筑至設(shè)計(jì)高程后，鋪設(shè)預(yù)壓水袋，水袋下面鋪設(shè)一層土工布防止水袋扎破。水袋鋪設(shè)完成后利用輸送水管將水袋與水泵連接，連接完成后即可對(duì)水袋進(jìn)行注水。水袋注水過程按設(shè)計(jì)要求分階段進(jìn)行，每階段注水完成后利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)。水袋注水完成后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定預(yù)壓時(shí)間，預(yù)壓期結(jié)束后，分階段對(duì)水袋進(jìn)行放水，經(jīng)路基邊溝、當(dāng)?shù)厮底罱K排放至河流。

1.2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

水載預(yù)壓軟土路基施工方法適用于湖區(qū)軟土地基的公路、鐵路工程和其它地質(zhì)情況較差的工業(yè)與民用建筑工程等，適用性廣。其工藝流程如圖1所示，具體操作要點(diǎn)如下。

1.2.1準(zhǔn)備工作

水載預(yù)壓施工前調(diào)整路基橫坡向土載預(yù)壓施工通道傾斜，防止水袋側(cè)向滑動(dòng)，報(bào)驗(yàn)路基頂(-30 cm)驗(yàn)收合格后再申請(qǐng)水載預(yù)壓施工。為確保整個(gè)水載預(yù)壓施工過程安全、防止水袋爆裂，施工前，清理路基表面尖碎石等雜物，禁止非施工作業(yè)人員進(jìn)入水載預(yù)壓區(qū)域，作業(yè)人員戴安全帽、穿戴防水雨具。

1.2.2施工放樣

測(cè)量放樣定位水袋、預(yù)壓位置，水袋規(guī)格長19 m (沿橫斷面方向)、寬10 m、高2.5 m(最大加載高度)。每個(gè)水袋之間開挖一條30 cm×20 cm排水明溝，確保水載預(yù)壓期間雨水排水通暢，不浸泡路基。

1.2.3攤鋪水袋

采用新型PVC復(fù)合材料作為水袋原料，每批次水袋必須進(jìn)行檢查，并出具檢測(cè)合格證，對(duì)不能出具合格證的水袋禁止進(jìn)場(chǎng)或直接報(bào)廢。水袋攤鋪前鋪上土工布、隔水膜，確保水體不浸泡沖刷路基，水袋攤鋪時(shí)確保整齊擺放，在搬運(yùn)、攤鋪過程中嚴(yán)禁損傷水袋，攤鋪平整后仔細(xì)檢查每條水袋，發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

1.2.4加載預(yù)壓

水袋指標(biāo)如表1所示，每個(gè)水袋容積380 m3，規(guī)格為長19 m、寬10 m、高2 m。根據(jù)預(yù)壓高度的土方荷載換算，每個(gè)水袋的荷載為19.694 kN/m2(見圖2)。水袋加載通過施工現(xiàn)場(chǎng)踏勘，就近利用當(dāng)?shù)刎S富的地表水資源，部分路段水源較遠(yuǎn)的，可采取接管等方法，將水源引到預(yù)壓路段附近。在充水前檢查水質(zhì)，注意泥沙含量，泥沙較多應(yīng)設(shè)沉淀池，待水質(zhì)變清后方可往水袋充水，避免后期由于泥沙水在水袋內(nèi)沉淀導(dǎo)致水袋內(nèi)部清理困難。由于單條水袋容量較大，為了縮短充水時(shí)間，設(shè)置兩臺(tái)離心式水泵，流量達(dá)到100 m3/h，通過分流閥，同時(shí)向2條水袋兩端充水，可達(dá)到3 h充滿一條水袋；電源優(yōu)先采用施工用電，將電源引到施工場(chǎng)地附近，如距離過遠(yuǎn)可綜合考慮采取租賃發(fā)電機(jī)提供電源，注意施工過程中設(shè)置防漏電開關(guān)。

表1 水袋指標(biāo)參數(shù)項(xiàng)目幅寬/cm拉伸強(qiáng)度(N·5cm-1)撕裂強(qiáng)度/N經(jīng)向緯向經(jīng)向緯向剝離強(qiáng)度/(N·5cm-1)適用溫度/℃數(shù)值3004 1634 058547527145-30～+70參考數(shù)值300≥4 000≥4 000≥520≥480120-30～+70參考測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO 2286-1DIN 53354DIN 53363DIN 53357DIN 53361

圖2 水袋指標(biāo)參數(shù)

1.2.5沉降穩(wěn)定觀測(cè)

在路基填筑過程中埋設(shè)沉降板，每填筑一至兩層觀測(cè)一次，水載預(yù)壓加載間歇期或加載完成后的前15 d內(nèi)必須每3 d觀測(cè)一次，而后每15 d觀測(cè)一次直至卸載。沉降量、沉降速率或位移超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要停止施工，待達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后方能繼續(xù)進(jìn)行加載施工。當(dāng)加載至規(guī)定高度時(shí)，要加強(qiáng)觀測(cè)，嚴(yán)格控制加載速率，以免由于加載過快造成路基破壞。隨著水載預(yù)壓高度增加，測(cè)桿和套管相應(yīng)接高，所接長度每節(jié)不超過50 cm。測(cè)管周圍的填土宜用人工整平，并用小型夯實(shí)機(jī)夯實(shí)。沉降觀測(cè)采用電子水準(zhǔn)儀，沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)好沉降板，必須始終遵循先加載后接管、先卸管后卸載的原則。

圖3 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.2.6預(yù)壓卸載

水載預(yù)壓卸載時(shí)間由觀測(cè)單位提供，并出具相關(guān)卸載報(bào)告，連續(xù)2個(gè)月沉降不超過5 mm/月可提出卸載申請(qǐng)，并報(bào)監(jiān)理批準(zhǔn)后方可卸載。預(yù)壓卸載施工采取分階段卸載，水袋橫斷面方向預(yù)留有出水口，在出水口位置路基上鋪設(shè)防水彩條布，軟水管接入出水口至路基邊溝或當(dāng)?shù)卮笮蜏锨匀涣鞣?，一個(gè)水袋分兩次卸載完畢，卸載完成后需對(duì)路基-20 cm的填土需進(jìn)行翻曬。土載預(yù)壓土方作為路基精加工層填料，進(jìn)行攤鋪碾壓施工的壓實(shí)度需達(dá)到96%。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

南益高速公路第四合同段位于湖南省南縣境內(nèi)，路線所經(jīng)地形為洞庭湖平原腹地，湖、塘眾多，河汊、溝渠縱橫，農(nóng)田廣布，地基類型屬于湖區(qū)沉積軟土。地域降雨充沛，地表水系發(fā)育，水塘星羅棋布，灌溉渠道縱橫交錯(cuò)，水網(wǎng)密布，地表水豐富。南益高速公路為湖南省第一條湖區(qū)高速公路、全國首批綠色交通示范公路，其中第四合同段路線全長 9.81 km均為軟土路基，施工難度大，且路基填筑均為遠(yuǎn)距離借方。原設(shè)計(jì)路基預(yù)壓方案為借土堆載，預(yù)壓期3～6個(gè)月，堆載土方量16.6萬m3?？紤]到湖區(qū)土資源稀缺，遠(yuǎn)距離借方堆載成本高，預(yù)壓卸載二次轉(zhuǎn)運(yùn)和棄土處治及大面積取土影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境等諸多問題，采用水載預(yù)壓軟土路基施工方案，通過等載預(yù)壓方式穩(wěn)定軟土路基沉降，有效保證軟基處理路基成型質(zhì)量，為后續(xù)施工及高速公路運(yùn)營安全提供強(qiáng)有力保障。

2.2 應(yīng)用效果

以南益高速公路K19+020～K19+586段路基水載預(yù)壓施工為例，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行分析。該段路基設(shè)計(jì)預(yù)壓期3個(gè)月，主線路基標(biāo)準(zhǔn)寬度24.5 m，為0.75 m(路肩)+10.5 m(行車道)+2 m(中央隔離帶)+10.5 m(行車道)+0.75 m(路肩)+超寬部分，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 K19+020～K19+586水載預(yù)壓施工現(xiàn)場(chǎng)

通過觀測(cè)沉降數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),水載預(yù)壓施工后軟土路基沉降明顯，提前發(fā)生沉降固結(jié)變形，極大地提高了軟土路基的穩(wěn)定性，各項(xiàng)沉降數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合要求。圖5為抽取兩個(gè)預(yù)壓路基斷面的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制沉降觀測(cè)曲線圖，對(duì)比可知水載預(yù)壓和傳統(tǒng)的土載預(yù)壓能起到同等預(yù)壓沉降效果。施工過程未發(fā)生路基邊坡垮塌、水袋爆裂失穩(wěn)側(cè)滑等質(zhì)量安全事故，保證了南益高速公路軟基施工處理的質(zhì)量。

圖5 部分路段軟土路基沉降觀測(cè)結(jié)果

2.3 效益分析

采用水載預(yù)壓軟土路基施工，降低了傳統(tǒng)土載預(yù)壓軟土路基施工的成本。水載預(yù)壓利用當(dāng)?shù)刎S富的水資源，就近取水減少了山體開挖取土預(yù)壓、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、大型機(jī)械的使用，保護(hù)生態(tài)平衡同時(shí)節(jié)約工程造價(jià)。本工程水載預(yù)壓和土載預(yù)壓工程造價(jià)對(duì)比如表2所示，采取水載預(yù)壓軟土路基比較傳統(tǒng)土載預(yù)壓節(jié)約工程造價(jià)約50%以上，節(jié)省了工程投資。

表2 水載預(yù)壓和土載預(yù)壓工程造價(jià)對(duì)比項(xiàng)目細(xì)目單價(jià)/(元·m-3)單價(jià)/(元·km-1)數(shù)量/萬m3數(shù)量/km金額小計(jì)/萬元金額合計(jì)/萬元水載預(yù)壓PVC水袋27—16.6—460460土方填筑6.23—16.6—99.68土載預(yù)壓借方11.53—16.6—191.391 047運(yùn)距—0.71—36424.2棄土二次轉(zhuǎn)運(yùn)20—16.6—332.00

3 結(jié)論

1) 水載預(yù)壓施工方法不需要大量機(jī)械，少量人員配合作業(yè)就能較快充水完成路基堆載預(yù)壓，水袋可折疊，運(yùn)輸、卸載拆除方便，現(xiàn)場(chǎng)操作簡單，后期卸載拆除不會(huì)對(duì)原路基造成破壞。

2) 經(jīng)測(cè)算水載預(yù)壓施工比傳統(tǒng)土載預(yù)壓施工造價(jià)節(jié)約50%以上，可有效減少工程投資。

3) 水載預(yù)壓施工方法克服了湖區(qū)土資源稀缺的不利條件，提高了湖區(qū)高速公路軟土路基地基承載力、穩(wěn)定性，解決了沉降量大等問題，保障高速公路運(yùn)行通車后的質(zhì)量和安全，從而減少了高速公路運(yùn)維成本。