中铁建工集团北京路桥分公司 北京 100000
摘要：我国软土分布广泛，这些软土的主要性质表现在强度低、压缩性高、渗透性小及易出现塑性流变等。若对软土特性认识不足，选择处理方法不当，技术控制不严，就会在筑路过程中出现地基失稳而滑动，并产生较大的不均匀沉降，使公路通车后出现桥头跳车、路面开裂破坏，影响行车的安全和正常使用。因此，合理有效地处理软土地基已成为高速公路建设的一个关键问题。
关键词：堆载预压;砂井排水固结;深厚软基
引言
从上世纪80年代中期起,我国开始了大规模的高速公路建设。由于区域经济发展极不平衡,我国高速公路大部分建于沿海诸省。我国沿海诸省,除山东部分地段外,大部分为泥质海岸,土层多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土及泥混砂层,属于饱和的正常压密软粘土。这种土类压缩性高,排水固结慢,地基稳定性差。这些软弱地基的存在常导致高等级公路质量问题,往往是高等级公路设计、施工的关键问题。地基处理方法常有:换土垫层法、深层密实法、排水固结法、加筋法、胶结法及热学法。而袋装砂井堆载预压法是属于排水固结法中的一种地基处理方法,适用于透水性低的软弱粘性土处理。
1袋装砂井排水固结机制
Biot理论是目前比较完善的固结理论体系，它从严格的固结机制出发正确反映了孔隙水压力消散与骨架变形的相互关系，充分考虑了土体的变形协调条件，因此，被称为“真二维或三维固结理论”。从软土地基的结构条件来分析，黏性土中的黏粒具有胶体或准胶体的特性，它们在沉积过程中会和周围溶液发生复杂的物理化学作用，并在其表面形成不同类型的孔隙水，可分为强结合水、弱结合水和自由水。其中，与粘性土释水固结关系最密切的是弱结合水和自由水。在一定的水头差或外力作用下，一部分抗剪强度较小的弱结合水处于流动之中，而尚有一部分结合水处于类固体状态，不能流动。随着土体内孔隙水的排出，孔隙体积变小而发生体积压缩，同时随着超静孔隙水压力的逐渐消散，有效应力逐渐提高，地基土强度逐渐增长。
外加压力愈大，孔隙水压力消散愈快。但据实测资料，当孔隙水压力消散到10kPa左右时，消散速率就变得非常小，孔压很难回到0，施加的压力越大，这种现象就越明显。这是因为压力较大时，土体中的大、中孔隙逐渐转变成小孔隙和微孔隙，而小孔隙和微孔隙中以结合水为主，随着其内自由水的排出，结合水发挥主导作用，孔隙比变化愈来愈小，孔隙水压力消散的就愈来愈慢，地基土强度增长也就很缓慢。同时，由于软粘性土透水性很差，其内的孔隙水渗透非常慢，当工程上遇到的软黏土层很厚时，如果仅采用预压法则软黏土固结十分缓慢，地基土强度增长慢，使预压时间延长或者在一定时间内所需的超载过大而难以施工。为提高土体内超静孔隙水压力消散速率，可以在地基内设置袋装砂井作为竖向排水体，以缩短排水距离，加速土层固结。
2袋装砂井堆载预压法的原理
袋装砂井辅以堆载预压,称为袋装砂井堆载预压法。袋装砂井堆载预压法是属于排水固结法中的一种地基处理方法。其原理为:饱和软粘土地基在荷载作用下,孔隙中的水被慢慢排出,孔隙体积慢慢地减小,地基发生固结变形,同时,随着超静水压力逐渐消散,有效应力逐渐提高,地基土的强度逐渐增长。根据固结理论,粘性土固结所需时间和排水距离的平方成正比,土层越厚,固结延续的时间越长。为了加速土层的固结,最有效的办法是增加土层的排水途径,缩短排水距离。袋装砂井和砂垫层就是为此而设立的竖向排水体和水平排水垫层。堆载是排水固结法的加压系统,它使地基土的固结压力增加而产生固结。
3袋装砂井加固处理方案
3.1袋装砂井排水系统
设计采用的袋装砂井桩径为70mm,平面上按照正三角形布置,横断面上袋装砂井打至坡脚外1m。袋装砂井桩长根据软土层分布深度变化而变化,要求贯穿整个软弱土层并进入透水性较好的圆砾土层至少50cm。百安路互通立交桥左侧辅道范围内袋装砂井桩间距为1.4m,桩长为16.5m～21m;互通立交桥右侧辅道范围内袋装砂井桩间距为1.3m,桩长为12m～16.5m。互通立交桥左侧桥头袋装砂井联合CFG桩加固主线范围内的袋装砂井桩间距为1.2m,辅道范围袋装砂井桩间距为1.5m,桩长均为12m。互通立交桥右侧桥头袋装砂井联合水泥搅拌桩加固范围内袋装砂井的桩间距为1.2m,桩长14m。
袋装砂井排水系统由袋装砂井竖向排水和砂垫层水平向排水共同构成。砂垫层厚50cm,铺设在整平的施工场地表面。袋装砂井设置长度要求上端高出砂垫层至少30cm,使得竖向排水通道与水平排水层相连。袋装砂井打设完毕后在水平砂垫层表面铺设一层双向土工格栅,然后开始填土堆载预压。
3.2堆载预压
堆载预压系统的设计关键在于确定总堆载高度,以及分级加载速率和每次加载大小。本工程采用超载预压方法,预压填土总高度为5.27m～6.97m,包括设计交工面设计填土高度、预留的预压期沉降量以及高度为1.0m的超载预压高度。每次分级加载以30cm厚为标准分层碾压密实。根据每次填土的厚度、地基强度的增长量、施工期间监测的沉降变形和孔隙水压力变化特征确定分级加载间歇时间,控制加载速率。预压期最长为14个月,最短为10个月。
3.3软基处理施工监控
为了控制填土速率,确定合理的卸载时机,防止因填土过快发生路堤剪切滑移破坏,本工程对整个预压过程进行了现场监测。在软基加固范围内布设了1个重点监测断面和4个普通监测断面。其中重点监测断面布置在右侧桥头,桩号为K23+800;监测内容包括地面沉降板观测路堤总沉降、测斜管观测深部位移、孔隙水压力计观测孔隙水压力情况以及位移边桩观测路堤水平位移。普通监测断面布置在立交工程跨线桥辅道范围内,监测断面桩号分别为K23+400、K23+500、K23+600和K23+700,沿横断面在两侧路肩分别埋设地面沉降板进行地表位移监测。
4施工观测
由于软土性质的复杂性和多变性,在软基上填筑路基,必须采取严密而完善的监测措施对施工进行全过程监控,利用信息化施工的思想,进行施工管理。这样可以有效地了解软基的沉降发展状况和规律。确保施工过程中地基稳定的有效方法,是验证设计的重要手段,同时观测的沉降量是推算路面铺筑时间的基础资料。本工程中,普通观测断面每隔100m设置1个,每个断面设置表面沉降板3块,分别埋设于路堤中心及两侧路肩处。沉降板在软基处理施工完成后埋设。
结语
地基处理的方法有很多,各种处理方法都有它的适用范围、局限性和优缺点。同样,袋装砂井堆载预压法适用于透水性低的软弱粘性土处理,处理软基的深度可达15m左右,造价便宜,工艺成熟,便于施工。其缺点是不适用于泥炭土等有机质沉积物,预压时间较长。对每一具体工程,应从地基条件,处理要求,工程费用以及材料、机具来源等各方面进行综合考虑,以确定合适的地基处理方法。
参考文献
[1]郭丰永,史宇.高速公路软土地基沉降的FLAC3D数值模拟[J].天津城市建设学院学报,2005,11(4):263－266.
[2]《地基处理手册》编写委员会.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.
[3]刘松玉.公路地基处理[M].南京:东南大学出版社,2001.
[4]刘红军,程培峰,杨殿海.寒区湿地软土地基固结沉降的预测[J].沈阳建筑大学学报,2008,24(2):234-238.