塑料排水板预压固结法在软基处理中的应用

2018-06-14王意明

西部交通科技 2018年2期

王意明

(广西桂东高速公路有限公司，广西南宁 530000)

0 引言

广西地貌属山地丘陵盆地地貌，石山面积约占广西陆地面积的70.8%，石灰岩地层分布广，岩层厚，褶纹断裂发育，为典型的岩溶地貌地区。广西高速公路建设中软基处理主要以碎石换填为主，其他软基处理方式运用较少，但是2008年以来，广西高速公路建设飞速发展，不可避免会经过一些水田、池塘等范围大、处理深度较深的软基路段；同时，业主对工程建设投资、工期、质量及耐久性提出了更高的要求。因此，结合具体工程软基工程特性，深入了解各种软基处理方法，可为广西高速公路软基处理寻找和确定合理的处理方案，保证工程施工质量，缩短建设工期，节约工程建设投资。

1 公路工程软基处理常见方法

公路工程软基处理的分类方法很多，如按处理深度可分为浅层软基处理和深层软基处理；按处理时间可分为临时软基处理和永久软基处理；按处理方式又可分为化学处理和物理处理等。高等级公路软土地基处理常用的方法可分为排水固结法、复合地基法、改变地基应力条件法及动力挤密法四大类。排水固结法主要包括堆载预压法、塑料排水板预压法、砂井预压法、袋装砂井预压法及真空预压法等；复合地基处理法主要包括CFG桩、碎石桩及深层搅拌桩等；改善地基应力条件法主要包括反压护道法和土工材料加固法等；动力挤密法主要包括强夯法和重锤夯实法等[1]。

2 塑料排水板预压固结法软基处理原理

2.1 塑料排水板预压固结法简介

塑料排水板预压固结法是排水固结法中的一种，和其他排水固结法一样由排水系统和加压系统组成，塑料排水带是竖向排水体，砂垫层是水平排水体，两者构成其排水系统；加压系统主要有堆载法、真空法及联合法等。

考虑到填方路堤坡脚外一定范围内的地基仍有路堤填方引起的压应力，因此，塑料排水板的布置范围扩大到两侧路堤坡脚以外1 m，以提高地基土的稳定性。塑料排水板在平面上可布置成正方形或正三角形两种形式，研究表明，在塑料排水板间距相同的情况下，正方形布置形式的有效影响半径比正三角形布置形式稍微大一些[2]，达到相同固结度的时间较短。

2.2 塑料排水板预压固结机理

根据土力学原理，土体固结是孔隙水压力的消散和有效应力增加的过程，土层的固结时间与排水距离的平方成反比。因此，土层越厚，透水性越差，固结所需时间越长[3]。

塑料排水板预压固结法就是在软土地基中插入排水板，在地基表面铺设砂垫层，然后在砂垫层上面加载。一方面，排水板及砂垫层分别作为竖向排水体及水平排水体，增加了软土排水通道，缩短了排水距离；另一方面，通过堆载预压作用下，软土地基中形成超静空隙水压力，水通过排水板及砂垫层排出，空隙水压力逐渐转化为土体有效应力，加快软体地基固结，增加土体稳定性，达到缩短建设工期的目的。

2.3 塑料排水板优点

与换填置换法相比，塑料排水板预压法具有以下优点：

(1)处理深度更深、范围更大

当软基处理深度超过5 m时，如果采用开挖置换法进行软基换填，开挖方量相对较大，开挖后四周边坡要放缓加固处理，同时又容易积水，不利于施工质量控制，而采用塑料排水板预压法可避免此问题。

(2)有利于环境保护

随着高速公路建设的发展，对环境保护的要求越来越高，采用塑料排水板预压法可以大大减少土方开挖，减少弃土方量，从而避免弃土对环境的污染。

(3)有利于节约工程建设投资

对于深度较深、范围较大的软土地基，采用塑料排水板预压法可以大大减少土方开挖、运输、回填，较少征用弃土场面积，从而节约工程建设投资。

与袋装砂井预压法相比，塑料排水板预压法具有以下优点：

(1)施工机具轻便灵活、施工效率高

目前袋装砂井施工主要采用冲击式或振动式打桩机，相对笨重，塑料排水板既可以采用以上两种打桩机也可以采用轻便的插板机，因此施工也更灵活，同时塑料排水板施工速度快，效率更高。

(2)对土体扰动少、造价低

塑料排水板断面尺寸小，施工机具轻，施工过程中对土体扰动明显少于袋装砂井施工。随着工业技术的发展，塑料排水板造价越来越低。

(3)塑料排水板还具有单孔过水面积大、排水通畅、质量轻、强度高、耐久性好的特点。

3 工程实例

3.1 土层分布及工程特性

广西某高速公路路基宽26 m，其中K287+865～K288+190段软基位于水田中，路基平均填土高度6.0 m，平时有积水，软土地基从上至下依次为：

(1)耕植土：厚0.3～0.5 m，灰褐色，由淤泥质土及粉质黏土组成，含水量高、可塑、含有少量有机质。

(2)亚黏土：厚4.5～6.0 m，平均厚度5.5 m，平均含水量约28%，黄褐色，呈软塑状态，通过轻型动力触探仪检测承载力约为48 kPa，小于设计要求150 kPa。

(3)黏土：呈硬塑状态，含水量较低，地基承载力可达到180 kPa。

此段路基软基处理，原设计采用清淤3 m、再换填砂砾类土至原地面的处理方法。经现场探坑开挖后，在3 m深的位置仍为软弱层可塑状亚黏土，地基承载力不能满足设计要求，经多处探坑开挖调查，该段软基的平均深度约为5.5 m；如果按实际开挖，开挖的淤泥量比较大，初步计算挖淤约85 000 m3，软基开挖的软土弃运困难，很难重复堆放淤泥，对弃土场的使用面积要求很大，而大面积的土地征用困难非常大，既占用耕地，又影响环保。因此将该段软基处理变更为塑料排水板预压固结处理软弱地基的施工方法，塑料排水板插入深度为6.5 m，按正方形布置，间距为1.2 m，采用路堤填土堆载预压(见图1)。本路段采用塑料排水板预压固结法代替开挖置换法，经初步计算节约建设工程投资约10万元，既有利于施工质量控制，提高耐久性，又有利于工程投资控制。

图1 塑料排水板堆载预压平面示意图

3.2 塑料排水板施工技术应用

3.2.1 施工工序

此路段处于水田中，地势低洼，常年积水，耕植土以下的亚黏土承载力低。为了改善表面承载力，便于施工机械施工，与其他路段工艺相比，在清理表土后，增加铺设土工格栅、无纺土工布。具体施工工序如下：清除表土、平整场地、开挖排水沟→铺设土工格栅、无纺土工布→铺下层砂垫层→稳压→放样→插板机就位→塑料排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割断塑料排水板→检查并记录施工情况→插板机移位→铺设上层砂垫层。

3.2.2 施工工艺要求及施工质量控制

(1)水田地势较低，容易积水，表面种植土较厚，在塑料排水板施工之前，首先应清除表层种植土，平整场地，开挖排水沟，防止积水；然后铺设一层土工格栅，改善软基受力均匀，同时对土工布也有一定的保护作用；然后铺设无纺土工布，防止预压过程中泥土侵入碎石垫层中，影响垫层排水性能；最后才铺筑下层砂垫层。

(2)砂垫层应采用透水性好的中粗砂，其含泥量应不超过3%，渗透系数≥10-3cm/s。

(3)将铁质或混凝土靴头套在空心管端部，固定好塑料排水板，使其在插入的过程中能有效阻止泥沙进入套管污染塑料排水板，并避免拔出套管时带出塑料排水板。

(4)施工现场堆放的塑料排水板盘带应下垫上盖，置于洁净干燥处，防止污染和暴露在空气中老化。

(5)套管下沉过程中导轨应垂直，套管不得弯曲；塑料排水板透水滤套不得撕破或污染，底部应可靠锚固在靴头，以免套管拔出时将塑料排水板带出。

(6)塑料排水板出孔长度应保证埋入砂垫层≥50 cm，使其与砂垫层能完全贯通，并在端头做好标识，做好保护措施，防止机械、车辆损坏塑料排水板，影响排水效果。

(7)插板完成后应立即铺设上层砂垫层，防止塑料排水板长时间暴露在空气中引起老化。

(8)在堆载预压前应摊平稳压上层砂垫层，铺设土工布，防止堆载填料土侵入砂垫层，影响砂垫层透水性。

3.3 沉降观测数据分析

根据施工现场情况，选取K287+900、K288+000、K288+100、K288+180四个断面为沉降观测断面，每个观测断面分别在路基左、中、右设置3个沉降观测点，中间沉降观测点距路基中心线0 m，左、右沉降观测点分别距离路基中心线13 m，沉降观测点布置图如图2所示。

图2 沉降观测点布置示意图

路堤填筑从2012年9月25日开始填筑，至2013年5月30日填筑结束，历时247 d；各沉降观测点从2012年9月25日开始至2013年9月30日结束，历时370 d，K288+000断面三个沉降观测点观测累计沉降及填土高度如图3所示。

图3 K288+000断面填土高度及累计沉降曲线图

从图3可以看出，在填筑初期，填土速度较快，沉降曲线较陡，沉降速率也较大，为了保证填筑路堤的稳定性，填筑前9 d，累计填土高度达到72 cm，最大沉降速率达到6.7 mm/d，平均沉降速率4.7 mm/d；为了确保路堤填筑稳定，适当放慢填筑速度，沉降曲线也逐渐变缓，沉降速率变小，从第10 d到第30 d，累计填土高度达到243 cm，平均沉降速率为2.7 mm/d，路堤填土结束后，路堤沉降继续发展，但沉降速率很慢，日平均沉降速率为0.8 mm/d，到300 d以后，沉降曲线基本趋于水平，说明沉降基本为零，路堤基本趋于稳定。