薛 翔

(山西路橋第八工程有限公司,山西 運城 044000)

1 工程概況

山西某高速公路全長48.62 km,雙向四車道設(shè)計,路基寬26.0 m,其樁號K11+496～K13+900段位于沖積平原區(qū),沿線地表地層主要為軟塑-流塑狀淤泥質(zhì)土,含水量及孔隙比大,壓縮性高,無法作為路基的天然持力層。結(jié)合地勘報告,該路段土體從上往下依次為:0.7 m厚的人工填土層;12.8 m厚的灰黑色高壓縮性淤泥質(zhì)亞黏土層,流塑狀,飽和;8.9 m厚的淺黃色高壓縮性低液限黏土層,黏性強,可塑;褐黃色強風(fēng)化砂巖層,半土半巖狀,節(jié)理裂隙發(fā)育,浸水后快速軟化。各土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

為保證相應(yīng)路段路基穩(wěn)定,決定采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法展開地基處理。該路段軟土層厚度最大達22.8 m,路基填筑高度5.0 m,排水板在平面上按照梅花形布設(shè),并按照1.2 m間距和20 m深度打設(shè);按照0.5 m厚度鋪設(shè)中粗砂墊層,其上再鋪設(shè)2層密封膜和土工布;PVC管則選擇直徑76 mm、壁厚4 mm、承載力為400 kPa的標(biāo)準(zhǔn)管材,通過帶筋軟膠管連接主管和濾管,并在連接處預(yù)留出一定的沉降空間,防止路基不均勻沉降破壞連接處。

抽真空施工于2020年1月13日開始,同年10月24日停泵,抽真空總共持續(xù)270 d。從2020年3月10日開始填土,此后滿載預(yù)壓。

2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓就是在堆載預(yù)壓的同時通過薄膜將大氣與軟基隔離,借助抽氣設(shè)備抽出土體內(nèi)空氣并形成真空以及砂墊層負(fù)壓,通過真空管路使該負(fù)壓持續(xù)向下延伸,隨之?dāng)U散于土體中,在土體內(nèi)部和砂墊層間形成壓差;受到壓差作用后土體內(nèi)孔隙水持續(xù)排出,孔隙水壓力隨之降低,最終達到土體壓密固結(jié)的工程效果[1]。

施工開始前必須將地表石塊、淤泥、植物根系、雜物等徹底清除,通過中粗砂換填,并初步整平壓實。在邊樁外側(cè)2.0 m處開挖圍堰,并在圍堰外側(cè)增設(shè)排水通道,以便排出圍堰內(nèi)地表積水和淺層地下水。

2.1 排水通道設(shè)置

為保證預(yù)壓排水效果,按照鋪設(shè)墊層和豎向排水兩種方式設(shè)置排水通道。在墊層鋪設(shè)前應(yīng)檢查墊層材料質(zhì)量,材料含泥量應(yīng)不超出3%,細(xì)度模數(shù)2.8,滲透系數(shù)0.012 cm/s,其余性能參數(shù)必須符合《公路工程路基施工技術(shù)規(guī)范JTGT3310-2019》要求。豎向排水也就是塑料排水板,要求壓實后的墊層厚度應(yīng)達到50 cm,為此,墊層應(yīng)先后按照20 cm和30 cm厚度鋪設(shè),在上層墊層鋪設(shè)前必須按設(shè)計要求設(shè)置塑料排水板,并在墊層鋪設(shè)后展開檢測,確保其壓實度達到93%以上。

2.2 真空管網(wǎng)設(shè)置

該公路以PVC管為真空排水管,因路基整體為長條形,故排水管也分為主管和濾管兩種,管徑依次為75 mm和60 mm。主管按照25 m間距縱向埋設(shè),并在管頭設(shè)置變徑三通連接濾管,另一端連接射流泵;濾管則按照5 m間距橫向埋設(shè),并以魚骨形連接主管,形成管網(wǎng)。為便于土工布鋪設(shè)施工,還必須在相應(yīng)位置預(yù)留聚氯乙烯薄膜口,在場地外緣開挖密封溝。

密封膜鋪設(shè)時必須保證其插入溝底的深度達到100 mm,借助翻轉(zhuǎn)錨固定并填實,并再次檢查密封膜鋪設(shè)質(zhì)量。鋪設(shè)好后,其上再加鋪一層土工布,起到鞏固和保護作用。

2.3 抽真空及堆載

待鋪設(shè)好土工布后,通過真空射流泵抽真空,期間應(yīng)避免發(fā)生漏氣問題;抽真空過程中還應(yīng)加強真空度觀察,如果真空度持續(xù)穩(wěn)定5 d以上,便可展開堆載。堆載前,還應(yīng)在密封膜表面填筑1層15 cm厚的素土,起到保護密封膜的作用,避免密封膜破損、漏氣現(xiàn)象的發(fā)生。此后按照4 m高度分層堆載,并施以適當(dāng)?shù)哪雺骸?/p>

堆載過程中標(biāo)的高度必須與路床頂部標(biāo)高保持一致,并加強沉降觀測,若近7 d內(nèi)沉降速率始終不超出2 mm/d,則可停止抽真空。結(jié)合監(jiān)測結(jié)果,若固結(jié)度達到90%及以上,且沉降量不超出30 cm,即可展開真空卸壓。

3 監(jiān)測方案

通過設(shè)置觀測點并埋設(shè)監(jiān)測儀器,取得軟土路基處治施工過程中及工后變形數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)展開處理分析,掌握土體固結(jié)程度,檢測處治效果。在加固區(qū)域路邊和路中設(shè)置8個孔隙水壓力測點,2個深層土體水平位移測點,7個地表沉降板,10只分層沉降環(huán);同時在排水板底埋設(shè)孔壓計與分層沉降環(huán),以展開土體加固影響深度分析。

該公路K12+445段沉降量最大,為187.9 cm,在堆載前及初始抽真空時,沉降較快,并在持續(xù)抽真空第5d時沉降速率達到6.8 cm/d的最大值,在此期間,路床則始終處于穩(wěn)定狀態(tài),抽真空結(jié)束后固結(jié)度能達到90%以上,沉降量始終不超出30 cm。為進一步檢測土體固結(jié)狀態(tài),還必須展開孔隙水壓監(jiān)測,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果測算土體固結(jié)度,以客觀真實反映土體抗剪強度,為施工過程中加載速率的調(diào)整提供依據(jù)。

施工期間,隨著抽真空過程的繼續(xù),孔隙水壓將減小,而加載開始后,孔隙水壓增大,達到一定高度后便下降;而再次施加荷載后孔隙水壓又會回升和下降。在如此循環(huán)往復(fù)中,地基土強度不斷增大。根據(jù)勘測結(jié)果,降速最大的孔隙水壓位于地表以下12 m深處。填土堆載時,隨著荷載的施加,孔隙水壓增幅明顯,但持續(xù)時間不長,此后便區(qū)域穩(wěn)定。而路床堆載時,孔隙水壓最大變幅出現(xiàn)在地表以下16 m處,而其他測點處則保持穩(wěn)定。以上真空壓力結(jié)果能使堆載數(shù)值小于孔隙水壓初始值,避免軟基處理過程中發(fā)生失穩(wěn),利于縮短工期,提升工效。

4 加固效果評價

4.1 路堤力學(xué)性能分析

應(yīng)用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處治該公路軟土路基后,對處治前后各類土工試驗數(shù)據(jù)展開比較,路基土體物理力學(xué)性能得到較大改善,具體見圖1。由圖可知,土層含水率從加固處治前的66.4%降至處治后的49.4%;孔隙比均值從處治前的1.678降至1.345。十字板剪切試驗所得到的土層承載力從加固前的26.3 kPa提升至加固后的84.8 kPa,并具有持續(xù)增大的趨勢。與此同時,處治后的路基土體抗剪強度、壓縮性、黏聚力均有不同程度的提高,而內(nèi)摩擦角減小,但降幅并不大。綜合以上分析,該高速公路軟土路基經(jīng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處治后,土層抗剪強度明顯提升。

圖1 路堤加固前后力學(xué)性能參數(shù)的比較

4.2 沉降預(yù)測

根據(jù)加固區(qū)域地表沉降隨時間變化過程線,從2020年1月13日抽真空開始,地表發(fā)生明顯沉降,且沉降速率持續(xù)增大;隨著抽真空繼續(xù)進行,測點沉降速率逐漸降低,沉降曲線也變得緩和;此后,從3月10日開始各級填土荷載持續(xù)向地表面施加,沉降曲線重新變得陡峭,這也是真空堆載聯(lián)合作用下固結(jié)沉降加速的表現(xiàn)[2]。隨著填筑速率的減緩,9月24日開始將填土加至80 kPa,直至2021年2月23日預(yù)壓持續(xù)5個月后再施加下一級荷載,這期間段內(nèi)沉降曲線變化較為平緩。從開始抽真空到2020年10月24日,真空預(yù)壓已經(jīng)滿9個月,結(jié)合沉降監(jiān)測結(jié)果,期間的最后2個月沉降速率原本較大的路右2曲線沉降速率達到23 mm/mon,符合真空卸載要求,見圖2。

圖2 地面沉降隨時間變化過程線

試通車時最大沉降監(jiān)測值為204.9 cm,對應(yīng)的路基固結(jié)度達到92.5%,通車1年后最大沉降量達到211 cm,對應(yīng)的固結(jié)度為95.7%。通車1年后的沉降量最大值與試通車時最大沉降之差6.1 cm即為通車1年的實際工后沉降。

根據(jù)分層沉降隨時間變化過程線,開始抽真空時,不同埋深下沉降磁環(huán)快速下沉,隨后沉降速度減緩,直至堆載開始后因受到聯(lián)合預(yù)壓作用沉降速率再次增大[3]。地表以下淤泥質(zhì)黏土沉降速率最快,其沉降量在總沉降量中的占比達到65%;排水板以下沉降量僅占總沉降量的10%左右,排水板對其下土層固結(jié)存在一定影響。

4.3 孔隙水壓力

抽真空開始后加固區(qū)域不同深度測點處孔隙水壓力均快速下降,同時形成超靜孔隙水壓力負(fù)值,但不同深度測點孔隙水壓力并未表現(xiàn)出Mandel-Cryer效應(yīng),表明軟土路基上下孔隙水壓力消散能力良好。隨著抽真空過程的持續(xù),孔隙水壓力降速減緩,根據(jù)孔隙水壓力消散程度可以看出,抽真空開始后至堆載前,軟土路基不同深度孔隙水壓力消散值趨于一致,僅深度8.0 m和17.0 m處孔隙水壓力消散值偏大,原因在于這兩處位置測點和排水板距離較近且土體滲透系數(shù)較大[4],深度在20.0 m以下的軟土孔隙水壓力消散值最小,意味著排水板以下土體排水難度增大?？紫端畨毫ο⒊潭热绫?所示。

表2 孔隙水壓力消散程度

堆載開始后填筑速率達到1.04 kPa/d,且根據(jù)實測資料,深度11.0 m及14.0 m處測點孔隙水壓力升高至0,對路基穩(wěn)定較為不利,而停止填土20 d后,各測點孔隙水壓力持續(xù)下降至-25 kPa以下,再次恢復(fù)填筑;且在此后的填筑過程中,孔隙水壓力始終保持在負(fù)壓的穩(wěn)定狀態(tài),為路基施工穩(wěn)定提供了保證。

5 結(jié) 論

綜上所述,應(yīng)用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工技術(shù)處治高速公路軟土路基,能保證土體快速固結(jié),進而縮短工期,通過堆載速度及真空度控制,完全能保證孔隙水壓力及時消散,在加速土體固結(jié)的同時提升路基抗失穩(wěn)性能。真空預(yù)壓使土層內(nèi)產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力,而堆載預(yù)壓使土層內(nèi)產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力,由兩者所構(gòu)成的總的超靜孔隙水壓力隨抽真空的開始而先降后增,且通常取負(fù)值。為保證路基穩(wěn)定,應(yīng)盡可能避免因填筑施工速率過快而造成孔隙水壓力大幅回升,以保證較大深度處總超靜孔隙水壓力始終為負(fù)值。