水载预压在高速公路软土路基施工中的应用

范 江

(湖南省高速公路集团有限公司， 湖南 长沙 410003)

0 引言

作为现代化交通的重要标志，高速公路迎来了一个新的发展建设高峰，给国家带来了巨大的经济和社会效益[1-2]。软土路基施工是高速公路构建网络中的一个重要内容，在交通荷载作用下，软土路基容易发生沉降变形，严重影响公路的质量和使用，造成巨大的经济损失[3-5]，目前存在多种加固方式[6-7]，其中路面堆载的方式能够加速地基中的孔隙水压力消散，使地基土排水固结，提高公路路基稳定性[8-10]。传统的软土路基预压多是采用填土堆载或者填石堆载的方式，预压期结束后土石方需要卸载至指定弃土场，消耗大量土石方且占用土地资源。土石方的开采、运输、堆放都需要大量机械设备，不仅施工不便，而且造成环境污染，违背了“绿水青山就是金山银山”重要指导思想。特别是洞庭湖等江河湖海地区，土地资源匮乏，软土路基分布广泛，土层含水量大、压缩性高、强度低、透水性差[11-16]。针对此类地区土层特性，水载预压技术应运而生，利用施工现场丰富的水资源加载水袋，施加荷载预压软土路基，发挥排水固结作用，是目前最为便捷和经济的软土路基预压方法[17]。

针对南益高速公路土建工程施工工期短、质量要求高等特点，本着技术创新与保护环境的理念，结合水载预压工艺，开发了一套软土路基预压的施工技术，并应用于南益高速公路K19+020～K19+586路段。沉降观测结果表明，该技术与传统土载预压施工技术相比，操作简便，节约了资源，降低了成本，提高了工程质量和施工技术水平，最大限度减少了对当地环境影响。经过实践应用，取得了较好的经济、社会和环保效益。

1 水载预压

1.1 原理和工艺

水载预压是一种通过大型密封水袋利用水的自身重量荷载预压软土路基的施工技术，利用湖区施工现场丰富的地表水加载水袋，通过水的重量荷载预压软土路基3～6个月时间。水袋加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩小，促使软土路基提前发生沉降固结变形，有效应力大大增强，从而提高了软土路基稳定性，减小通车运行后软土路基沉降。施工过程中通过埋设沉降板、测斜管进行观测分析，根据沉降量、沉降速率、水平位移数据来检测软土路基水载预压成果是否达到设计要求。为保证水载预压期间材料运输、施工车辆的正常通行，前进方向左幅 8 m、高度1.6 m保留土载预压，作为材料运输通道及路基精加工层的土源。软土路基水载预压系统由预压水袋、水泵、水准仪等组成。待路基填筑至设计高程后，铺设预压水袋，水袋下面铺设一层土工布防止水袋扎破。水袋铺设完成后利用输送水管将水袋与水泵连接，连接完成后即可对水袋进行注水。水袋注水过程按设计要求分阶段进行，每阶段注水完成后利用水准仪进行测量，观测沉降数据。水袋注水完成后，根据设计要求确定预压时间，预压期结束后，分阶段对水袋进行放水，经路基边沟、当地水系最终排放至河流。

1.2 施工工艺流程及操作要点

水载预压软土路基施工方法适用于湖区软土地基的公路、铁路工程和其它地质情况较差的工业与民用建筑工程等，适用性广。其工艺流程如图1所示，具体操作要点如下。

1.2.1准备工作

水载预压施工前调整路基横坡向土载预压施工通道倾斜，防止水袋侧向滑动，报验路基顶(-30 cm)验收合格后再申请水载预压施工。为确保整个水载预压施工过程安全、防止水袋爆裂，施工前，清理路基表面尖碎石等杂物，禁止非施工作业人员进入水载预压区域，作业人员戴安全帽、穿戴防水雨具。

1.2.2施工放样

测量放样定位水袋、预压位置，水袋规格长19 m (沿横断面方向)、宽10 m、高2.5 m(最大加载高度)。每个水袋之间开挖一条30 cm×20 cm排水明沟，确保水载预压期间雨水排水通畅，不浸泡路基。

1.2.3摊铺水袋

采用新型PVC复合材料作为水袋原料，每批次水袋必须进行检查，并出具检测合格证，对不能出具合格证的水袋禁止进场或直接报废。水袋摊铺前铺上土工布、隔水膜，确保水体不浸泡冲刷路基，水袋摊铺时确保整齐摆放，在搬运、摊铺过程中严禁损伤水袋，摊铺平整后仔细检查每条水袋，发现破损应及时修补。

1.2.4加载预压

水袋指标如表1所示，每个水袋容积380 m3，规格为长19 m、宽10 m、高2 m。根据预压高度的土方荷载换算，每个水袋的荷载为19.694 kN/m2(见图2)。水袋加载通过施工现场踏勘，就近利用当地丰富的地表水资源，部分路段水源较远的，可采取接管等方法，将水源引到预压路段附近。在充水前检查水质，注意泥沙含量，泥沙较多应设沉淀池，待水质变清后方可往水袋充水，避免后期由于泥沙水在水袋内沉淀导致水袋内部清理困难。由于单条水袋容量较大，为了缩短充水时间，设置两台离心式水泵，流量达到100 m3/h，通过分流阀，同时向2条水袋两端充水，可达到3 h充满一条水袋；电源优先采用施工用电，将电源引到施工场地附近，如距离过远可综合考虑采取租赁发电机提供电源，注意施工过程中设置防漏电开关。

表1 水袋指标参数项目幅宽/cm拉伸强度(N·5cm-1)撕裂强度/N经向纬向经向纬向剥离强度/(N·5cm-1)适用温度/℃数值3004 1634 058547527145-30～+70参考数值300≥4 000≥4 000≥520≥480120-30～+70参考测试标准DIN EN ISO 2286-1DIN 53354DIN 53363DIN 53357DIN 53361

图2 水袋指标参数

1.2.5沉降稳定观测

在路基填筑过程中埋设沉降板，每填筑一至两层观测一次，水载预压加载间歇期或加载完成后的前15 d内必须每3 d观测一次，而后每15 d观测一次直至卸载。沉降量、沉降速率或位移超过规定标准时要停止施工，待达到标准后方能继续进行加载施工。当加载至规定高度时，要加强观测，严格控制加载速率，以免由于加载过快造成路基破坏。随着水载预压高度增加，测杆和套管相应接高，所接长度每节不超过50 cm。测管周围的填土宜用人工整平，并用小型夯实机夯实。沉降观测采用电子水准仪，沉降观测点布置如图3所示，施工过程中，应加强保护好沉降板，必须始终遵循先加载后接管、先卸管后卸载的原则。

图3 沉降观测点布置示意图

1.2.6预压卸载

水载预压卸载时间由观测单位提供，并出具相关卸载报告，连续2个月沉降不超过5 mm/月可提出卸载申请，并报监理批准后方可卸载。预压卸载施工采取分阶段卸载，水袋横断面方向预留有出水口，在出水口位置路基上铺设防水彩条布，软水管接入出水口至路基边沟或当地大型沟渠自然流放，一个水袋分两次卸载完毕，卸载完成后需对路基-20 cm的填土需进行翻晒。土载预压土方作为路基精加工层填料，进行摊铺碾压施工的压实度需达到96%。

2 工程实例

2.1 工程概况

南益高速公路第四合同段位于湖南省南县境内，路线所经地形为洞庭湖平原腹地，湖、塘众多，河汊、沟渠纵横，农田广布，地基类型属于湖区沉积软土。地域降雨充沛，地表水系发育，水塘星罗棋布，灌溉渠道纵横交错，水网密布，地表水丰富。南益高速公路为湖南省第一条湖区高速公路、全国首批绿色交通示范公路，其中第四合同段路线全长 9.81 km均为软土路基，施工难度大，且路基填筑均为远距离借方。原设计路基预压方案为借土堆载，预压期3～6个月，堆载土方量16.6万m3。考虑到湖区土资源稀缺，远距离借方堆载成本高，预压卸载二次转运和弃土处治及大面积取土影响当地生态环境等诸多问题，采用水载预压软土路基施工方案，通过等载预压方式稳定软土路基沉降，有效保证软基处理路基成型质量，为后续施工及高速公路运营安全提供强有力保障。

2.2 应用效果

以南益高速公路K19+020～K19+586段路基水载预压施工为例，对其应用效果进行分析。该段路基设计预压期3个月，主线路基标准宽度24.5 m，为0.75 m(路肩)+10.5 m(行车道)+2 m(中央隔离带)+10.5 m(行车道)+0.75 m(路肩)+超宽部分，施工现场如图4所示。

图4 K19+020～K19+586水载预压施工现场

通过观测沉降数据可以发现,水载预压施工后软土路基沉降明显，提前发生沉降固结变形，极大地提高了软土路基的稳定性，各项沉降数据指标均符合要求。图5为抽取两个预压路基断面的沉降观测数据，绘制沉降观测曲线图，对比可知水载预压和传统的土载预压能起到同等预压沉降效果。施工过程未发生路基边坡垮塌、水袋爆裂失稳侧滑等质量安全事故，保证了南益高速公路软基施工处理的质量。

图5 部分路段软土路基沉降观测结果

2.3 效益分析

采用水载预压软土路基施工，降低了传统土载预压软土路基施工的成本。水载预压利用当地丰富的水资源，就近取水减少了山体开挖取土预压、远距离运输、大型机械的使用，保护生态平衡同时节约工程造价。本工程水载预压和土载预压工程造价对比如表2所示，采取水载预压软土路基比较传统土载预压节约工程造价约50%以上，节省了工程投资。

表2 水载预压和土载预压工程造价对比项目细目单价/(元·m-3)单价/(元·km-1)数量/万m3数量/km金额小计/万元金额合计/万元水载预压PVC水袋27—16.6—460460土方填筑6.23—16.6—99.68土载预压借方11.53—16.6—191.391 047运距—0.71—36424.2弃土二次转运20—16.6—332.00

3 结论

1) 水载预压施工方法不需要大量机械，少量人员配合作业就能较快充水完成路基堆载预压，水袋可折叠，运输、卸载拆除方便，现场操作简单，后期卸载拆除不会对原路基造成破坏。

2) 经测算水载预压施工比传统土载预压施工造价节约50%以上，可有效减少工程投资。

3) 水载预压施工方法克服了湖区土资源稀缺的不利条件，提高了湖区高速公路软土路基地基承载力、稳定性，解决了沉降量大等问题，保障高速公路运行通车后的质量和安全，从而减少了高速公路运维成本。