公路施工中软土地基处理研究

高庆涛/中铁十一局集团第四工程有限公司



公路施工中软土地基处理研究

高庆涛/中铁十一局集团第四工程有限公司

【摘 要】公路施工中目前加固深厚软土地基的方法有很多，本文即结合具体工程案例详细阐述了袋装砂井法和塑料排水板真空预压法在加固公路施工中软土地基中的应用。

【关键词】公路；软土地基；袋装砂井；塑料排水板；真空预压

一、软土的定义及其物理力学指标

软土主要是由水流缓慢淤积而成，形成年代一般比较长远，沉积厚度一般较深，沉积的饱和粘性土，具有含水量大、渗透性弱、天然强度低、压缩性高等特性。其物理力学指标为：天然含水量：w≥wl；天然孔隙比：E0〉1.0；压缩模量：Es〈4000kPa；渗透系数：k〈110-6cm/s；不排水抗剪强度：Cu〈30kPa。软土路基处理就是控制这些物理力学指标，使之达到规范要求，袋装砂井等排水固结法能有效地解决这些问题。

二、袋装砂井法和塑料排水板真空预压软弱地基处理技术的机理

（一）袋装砂井法加固机理

在含水量大、孔隙比大、压缩性高、软土深厚的软土地基中打入砂袋作为排水通道以增加土层的排水途径，缩短排水的距离。在上部荷载的作用下，产生的附加应力使土颗粒间的孔隙水通过插在软土层中的砂井排出地层外面以达到土颗粒间位移密实，从而大大加速了地基的固结与沉降。减少压缩性，降低孔隙比和含水量，增加土体密实度，在较短时间内达到较高的固结度，以提高软土路基的承载力和抗剪能力，从而保证路堤和地基的稳定。

（二）塑料排水板真空预压法加固机理

真空预压其原理是在需要加固的软土地基内设置塑料排水板等竖向排水通道，然后在地面上铺设中粗砂作为水平排水层，并在其上覆盖不透气的土工密封膜与大气隔绝。通过埋设于砂垫层中的吸水通道，用真空装置进行抽气，将密封膜内空气排出，使膜内外产生一个气压差，这部分气压差即相当于填筑软地基上一定高度的重量荷载。随着膜内空气的不断排出，气压差逐渐增大，地基中的水、气不断排除而发生固结。真空预压这种固结方法比一般的自然固结时间要短很多，而且造价也比较经济，所以应用较广。

三、公路施工中软土地基处理的要点

（一）袋装砂井施工技术要点

1.材料要求。

选用聚丙烯或其他适用的编织料组成，抗拉强度应能保证承受砂袋自重，装砂后砂袋渗透系数应不小于砂的渗透系数。采用渗水率较高的中粗砂大于0.5mm砂的含量应占总量的50%以上，含泥量不应大于3%，渗透系数不应小于5×10-3cm/s。

2.施工工艺。

（1）平整原地面

因原地面高低起伏，且该段土质软弱水草丛生，先采用人工清除表面生长水草淤泥，并整平，防止产生新的腐质软弱夹层。

（2）开设排水盲沟

因该地段地下水丰富，常年积水，为达到排水使表面形成一层较硬的壳，在整平原地面上设置纵横（0.8×1.0）排水盲沟，盲沟纵横向间距10m。

（3）地面铺土工布

盲沟施工完后，在地面先铺一层土工布，土工布采用300g/m2，搭接长度为20cm，路基两侧反卷宽度为2m，采用土工布有利于提高原地面土承载力，使下层砂垫层能摊铺成形，以利于软土排水固结。

（4）摊铺下层砂垫层

采用人工摊铺一层厚40cm砂垫层。整平人工夯实，以方便打桩机移动。

（5）机具定位

机具为导管式振动打桩机，在行进方式上，采用SSD20型履带臂架，机位要严格按设计桩距，排距测量放样定位，导轨要垂直，套管对准桩位，整理桩尖。

（6）打入套管

钢套管不得弯曲，沉桩时要用经纬仪或重锤控制垂直度，垂直度偏差不应超过1.5%，井距偏差应小于15cm。

（7）沉入砂袋

为控制砂井的设计入土深度，在钢套管上应划出标尺线，以确保井底标高符合设计要求，砂袋沉入时以人工输入，管口装设滚轮。砂袋入井应用桩架吊起垂直下井，防止砂袋发生扭结、缩颈、断裂和砂袋磨损。

（8）拔出套管

应注意垂直起吊，以防止带出或损坏砂袋，施工中若发现上述现象应在原孔边缘重打。

3.袋装砂井质量控制要点。

（1）开挖路基至袋装砂井顶部，通过相关现场钻孔标准贯入试验和室内土工物理力学性质实验方法确定地基承载力，承载力值为［Q］=105～120kPa。

（2）路基达到设计标高后进行超填预压，预压时间为6个月，在路肩上埋设沉降观测点，派技术员进行跟踪观测，15天观测一次，通过一年沉降观测，沉降值符合规范要求。

（二）真空预压排水板施工

1.填筑砂砾。

用自卸汽车将砂砾运至施工路段，选用适宜的机具按设计厚度（约30cm）整平、洒水、压实。砂砾填筑前应先进行各项试验，合格后再进行填筑。施工中严防尘土、泥土和杂物污染，避免导致排水孔隙堵塞。砂砾垫层的高程、厚度、干密度、平整度及渗透系数必须符合设计要求。砂砾垫层完成后，应及时洒水养护，限制人员、机动车通行。

2.塑料排水板施工。

将排水板插入套管，启动振动锤，将套管和排水板压入土中。排水板进尺长度要定够，不允许使用搭接延续的排水板。达到设计深度后输送辊轴反转，松开排水板，套管上提时跟带排水板的长度不大于50cm。在砂砾以上20cm处切断排水板，移向下一孔位施工，并从路基两侧向路中心打塑料排水板。

一个作业段插板完成后移走插板机，整平砂垫，埋位板头，铺设剩余的（约20cm）砂砾垫层。

3.真空排水。

（1）铺设复合土工布

为了防止抽真空过程中真空膜被硬物刺破，埋管后需将外露的塑料排水板头埋入砂砾面以下，将插板时形成的孔洞填实，并将表面所有存在棱角的硬物去除，用铁铲将砂砾面拍抹平实。在施工区将复合土工布缝接成与路同宽，长约100m的大幅土工布，沿路基的纵向依次平铺，土工布缝接宽度不小于5cm，土工布块与块之间采用搭接形式，搭接宽度不小于30cm。

（2）铺设密封膜

选择无风或风力较小的时段内，分三层铺设。先将密封膜按纵向摆放在预压区的中轴线上，从一端开始向两边展开，铺好后应在膜上仔细检查有无破裂口。一般破裂口多出现在密封膜接缝处，破裂处应及时用聚乙烯胶水补好。检查无缺陷后即可进行第二、三层密封膜铺设，两层膜的粘结缝应尽量错开。出膜口应留有可收缩富余的密封膜。所有上膜操作人员必须光脚或穿软底鞋，以防止密封膜裂口。密封膜采用三层聚乙烯薄膜，根据各预压区实际长度每边各增加5m成品订购，一次成型。

（3）真空预压抽气

安装好真空系统（将水泵、水箱、闸阀、截止阀、出膜口连接好），空载调试真空射流泵，当真空射流泵上真空度达到0.09MPa以上时可试抽真空。在膜面上、压膜沟处仔细检查有无漏气处，发现后及时补好。一般在抽气时，漏气孔眼会发出鸣叫声，循声彻底检查。一旦漏气孔眼得不到及时补救，蓄水后真空度很难达到设计要求，而且需放水检查，难度很大。逐台检查真空泵系统连接处，要保证在关闸阀的情况下，泵上真空度能达到0.09MPa，以确保真空泵系统发挥最佳功效。开始阶段，为防止真空预压对加固区周围土体造成瞬间破坏，必须严格控制抽真空速率，可先开启半数真空泵，然后逐渐增加真空泵工作套数。当真空度达到设计值的80%时，经检查无漏气现象后，开始膜面蓄水，所有泵都开足，将膜下真空度提高到设计值，此时开始恒载计时。

四、两种方法处理软土地基效果比较

某工程K9+820处软土层厚5m，采用塑料排水板处理，填土高度6.85m；K10+720处软土层厚3.5m，采用袋装砂井法处理，填土高度5.12m。因软土层厚、采用的处理方法及填土高度不同，两种处理方法的总沉降不同，不具有同等条件的可比性，用沉降量比较两种方法的处理效果所得出的结论不是很明显。虽然总沉降不等，但由于加载时间相同，用沉降速率比较两种方法的处理效果，能够得出一个相对明显的结论。

（一）沉降量

通过分层总和法计算软土地基总沉降量，利用地基固结度计算公式计算各级加载情况下的固结度，在分级加载情况下，分别求出两种处理方法的软土地基沉降量，并绘制随时间变化曲线。

式中 s为地基的总沉降；Hi为第i层土的厚度；e1i为根据第i层土的自重应力平均值，从土的压缩曲线上得到的相应土体孔隙比；e2i为根据第i层土的自重应力平均值和附加应力平均值之和从土的压缩曲线上得到的相应土体孔隙比。

用分层总和法计算两种处理方法的沉降量随时间变化曲线见图1。

从图1可以看出，沉降量随加载和加载时间呈一定比例增长。地基沉降对加载的反应较灵敏，加载过程中，沉降量明显增大；荷载恒定阶段，沉降量增幅明显减小。

图1　沉降量随加载时间变化曲线图

（二）沉降速率

沉降速率表征了经过处理的软土地基单位时间（本文为d）内的沉降速度，用以衡量在相同加载期内不同加载情况的沉降速度。

由于两个断面的软土层厚度不同，路基填土高度不同，但是沉降历时相同，沉降观测持续到25个月，沉降速率曲线见图2。

图2　沉降速率对比曲线图

沉降速率与加载速率有一定的关系，加载前期，沉降速率的增幅较大，当路基达到一定高度停止填土，恒载期间沉降速率逐渐减小，填土高度保持不变后，虽然又填土加载，但软土地基沉降速率的增幅却较小，路基填土达到设计高度后，沉降速率缓慢减小，表明地基已处于良好的固结状态。两断面25个月时的沉降变化见表1。

表1　 两断面25个月沉降变化表

从图2及上表可以看出，在相同的固结时间条件下，袋装砂井法处理软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%。两种软土地基处理方法都要经历相似的加载过程，在加载高度达到一定阶段后，停止加载约7个月左右，然后继续加载，在这个加荷过程中，袋装砂井法沉降量较小，且在停止加荷后，两种处理方法的沉降速度同时以很快的速度慢下来，且塑料排板法的沉降较大，这说明袋装砂井加固软土地基时产生较小的施工沉降，且能降低沉降速度。

（三）结论

通过对两种软土地基处理方法产生的沉降量、沉降速率的比较，在该工程中袋装砂井法处理软土地基的效果略微优于塑料排水板法。袋装砂井和塑料排水板在处理软土地基时各有优缺点，在实际工程中，不能一概而论，要视工程地质和施工条件而定，根据现场实际情况选取正确的处理方法，以获得理想的处理效果。但由于地基土质等原因，有时用塑料排水板处理软土地基出现插板困难，不易施工，这时选择袋装砂井法是一个较好的办法。

参考文献：

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［2］白周全.基于塑料排水板处理软土路基施工技术分析［J］.四川水泥.2016（02）.

［3］鲍富军.塑料排水板施工技术控制［J］.中华民居（下旬刊）.2013（02）.