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摘要：文章以实际工程为例，介绍了塑料排水板堆载预压法在路基软土地基处理中的应用，并从加固机理，软基处理方案设计及加固效果等方面进行了研究，实践表明，塑料排水板堆载预压法能够满足设计要求，不论是技术还是经济方面，都具有明显的的优势，值得推广。
关键词：软基处理；塑料排水板；堆载预压法
软土地基就是强度低、压缩性高的软弱土层，主要分为软粘性土、淤泥质土、淤泥、泥炭质土及泥炭等类型，我国沿海、沿江、沿湖地区广泛分布着软土。随着我国经济的快速发展，道路交通越来越发达，在软土地基上铺设道路不断增加，故对软基的处理非常关键。塑料排水板堆载预压法是将带状塑料排水板用插板机将其插入软弱土层中，组成垂直和水平排水体系，然后在地基表面堆载预压（或真空预压），弱土中孔隙水沿塑料排水板的沟槽上升逸出地面排走，从而加速了软土地基的沉降过程，使地基得到压密加固。在软土地基中使用塑料排水板堆载预压法，能很好地排出其中的水分，减少地基的沉降，地基强度随之提高。
1 工程概况
某公路设计速度为80km/h，其中K173＋420—K176＋670段宽18～32m，平均宽度达29.6m。根据地质勘探结果，其下卧软土层厚度为18～21m，压缩性高、强度低，需处理软基面积大且对沉降要求较高，若处理不当，地基承载力和工后沉降难以满足要求，而且会给路基和路面构成潜在危险，难以保证其通行能力和安全。根据相关研究成果，对于大面积软基，常用方法为强夯法和塑料排水板堆载预压法，其中强夯法对设备要求高，对浅层土层加固效果显著，而对较深下卧层效果不明显；塑料排水板堆载预压法可弥补这一缺点，不仅处理大面积软基效果明显，而且控制工后沉降效果好。故采用塑料排水板堆载预压法对该工程软基进行加固处理。
2 加固机理分析
塑料排水板堆载预压法主要利用排水固结的方法对软基进行处理，主要包括排水系统和加压系统。排水系统又分为水平排水和竖向排水，水平排水主要依靠在软基处理前铺设一定厚度的砂垫层得以实现，铺设的砂垫层透水性强且可以使其上的堆载均匀传递给软基层，达到均匀、快速排水的目的；竖向排水则通过插入一定深度的塑料排水板实现，插入的塑料排水板相当于增加竖向排水孔的数量，增加软基固结效率。加压系统是在铺设的砂垫层上通过堆载预压的方式增加地基土体的总应力，随着时间的推移产生超孔隙水压力进而排出孔隙水，使孔隙水压力转化为地基的有效应力。图1为塑料排水板堆载预压法加固软基的横断面示意图。
图1 塑料排水板堆载预压法加固软基的横断面示意图.png)
塑料排水板堆载预压法处理软基的强度增长机理可用太沙基理论加以解释。由太沙基有效应力原理σ＝σ′＋μ，两边微分并移向得dσ′＝dσ－dμ，其中σ为总应力，σ′为有效应力，μ为孔隙水压力。通常对于未处理的软基，其孔隙水压力不再变化；而有效应力的大小直接与软基强度有关，故堆载预压法的目的就是增大有效应力。通过竖向排水堆载预压法在砂垫层上堆载预压，使总应力增加，初期总应力增量就等于孔隙水压力的增量，随着时间的推移孔隙水逐步排除，孔隙水压力则转化为土体的有效应力，软基的强度得到增强。
3 软基处理方案设计
该工程软基处理面积较大，处理深度较深，且对工后沉降的要求高，故选用塑料排水板堆载预压法进行加固处理，通过在软土中设置竖向排水板及水平排水系统，通过堆载的方式增加总应力，从而在短时间内减少工后沉降。其施工流程为整理场地→铺设砂垫层→安设塑料排水板→设置监测点位→堆载预压→实时记录数据。
3.1 塑料排水板的施工方案
塑料排水板对竖向排水有着重要作用，是软基处理中的关键环节，故科学合理的塑料排水板施工方案可改善该方法处理软基的效果。塑料排水板的施工工艺流程为铺设底层砂垫层→插塑板机定位→安装插销→下插桩至标高处→上拔桩管至离地50cm→切割排水板→回填桩孔→移机至下一桩位。
依据软基处理深度，工程中将塑料排水板分为A、B、C、D 4个型号，其中B型塑料排水板适合处理的深度为15～25m。该工程软基处理深度为18～21m，故采用B型塑料排水板，其性能指标见表1。
表1 B型塑料排水板的性能指标.png)
塑料排水板施工中需注意：1）塑料排水板在打设时应套入管中，并采用振动式插板机进行施工。为方便实时了解打入深度是否满足设计要求，应在插板机上配备深度自动记录仪。2）为提高塑料排水板竖向排水效果，在打设塑料排水板时，要求平面位置偏差不大于70mm，砂垫层以上至少露出200mm以方便进一步操作，套管的垂直度偏差应控制在1.5%以内以保证塑料排水板布置均匀。3）塑料排水板应以整板打入，如果出现板长不足，应采取正确的搭接方式，即在搭接时先剥开滤膜，使板芯对插后用铁丝或大号订书钉进行固定连接，搭接长度应大于200mm以保证搭接效果。由于这种接长板会在一定程度上影响竖向排水效果，故其总量应控制在全部竖向排水版数量的10%以内。
3.2 堆载预压方案
堆载预压是使软基强度增长的重要环节，若堆载方式、加载速率等控制不好，预压效果将不够理想。堆载预压时需注意：1）严格控制含水量。施工堆载的填料含水率与最佳含水率之差应控制在2%以内并立即摊铺，可以不作碾压，每层厚度应不超过0.5m。如果进行碾压，为保证碾压效果，采用1遍静压→1遍弱振→3～6遍强振→1遍弱振→1遍静压的碾压方式。为保证碾压的均匀和完整，应按照特定的顺序进行碾压，相邻两区段纵向重叠应大于2m。2）预压土顶层表面应保持平整，并做好排水措施以防雨水冲刷，如设置排水沟等。
3.3 监测方案
施工监测是塑料排水板堆载预压法乃至整个公路修建过程中不可缺少的环节。通过施工监测可有效防止堆载预压过程中发生失稳现象，及时掌握施工过程中的固结程度和速率；通过对地基沉降速率和孔隙水压力消散情况的监测，可对施工速率进行控制以保证填筑过程中边界的稳定；现场监测数据还可用于处理效果评价及工后沉降推算，能有效防止重大事故和质量问题的出现。
3.3.1 地基沉降监测
对地基沉降进行实时监测，可得到地基土体变形和应力的变化关系，这些实时监测数据可指导施工，保证施工工艺和质量；后期结合实测数据可采用曲线拟合法对地基沉降进行预测，得到工后沉降和固结度，对评价塑料排水板堆载预压法处理效果有重要作用。
在地基沉降监测时，主要解决施工过程中监测点的保护及防止监测点对施工造成影响的问题。实施地基沉降监测时主要考虑以下几点：1）设置监测基准点。监测点设置要考虑到施工影响和人为破坏两个因素，在离地基加固区较远且不容易遭受外界影响的地方设置监测点。监测过程中还要定期对基准点进行校正，以保证监测数据科学、有效。2）制作沉降盘。沉降盘是将φ40mm镀锌钢管焊接在厚钢垫板（500mm×500mm×8mm）上而制成，每条钢管长度为1m左右，且可随着堆载高度的变化而加长。在沉降板上部观测管不断接长时，应注意接长前测量一次数据，接长后再测量一次数据，并记录实时高程。3）放置沉降盘。在放置沉降盘前要铺设砂垫层，放置时平稳下放至设计深度，回填时保持竖管的垂直度。沉降盘放置好后应立即对初始高程进行测量。
3.3.2 孔隙水压力监测
孔隙水压力是土体固结度的指标，通过其监测数据可计算固结度，分析地基强度增长情况。主要依靠埋置在不同深度处的孔隙水压力计来监测。
孔隙水压力计的埋设与校准很重要，实施时需注意：1）孔隙水压力计的校核。在埋设前，应先放入煮沸的开水，以排空仪器中的气泡，以获得准确的测量数据。2）埋设孔隙水压力计。埋设前要用钻机打孔，钻孔深度应在设计深度以上0.5m处，同时套管跟进后注满水。利用钻杆将校核好的孔隙水压力计传感器压入设计深度，检查传感器能正常工作后利用膨胀土进行封孔，并将孔隙水压力计数据线集成束安放妥当。3）确定并记录初始读数，根据孔隙水压力计观测结果绘制孔隙水压力－荷载－时间曲线，并计算孔隙水压力和固结度。
3.3.3 监测频率
监测主要分为两个阶段，分别是路堤填筑期和预压期。路堤填筑期是指软基处理和堆载预压之间的施工区段，在该阶段，浅层沉降和孔隙水压力监测频率均为2次/d，可根据工程实际情况加以调整。在预压期阶段，浅层沉降和孔隙水压力监测频率均为5次/d，也可根据工程实际情况加以调整。
4 软基处理效果分析
4.1 监测成果
根据现场实际情况，选取3个典型观测点进行分析，分别为K174＋640、K175＋500和K176＋238，这3个观测点沉降数据具有观测时间长、准确度高和代表性好的优点。其填土高度－沉降量－时间曲线见图2～4。
图2 K174＋640填土高度－沉降量－时间曲线.png)
图3 K175＋500填土高度－沉降量－时间曲线.png)
图4 K176＋238填土高度－沉降量－时间曲线.png)
由图2～4可知：在塑料排水板打设到堆载预压前，沉降曲线较为平缓；随着填土高度的增加，即堆载预压开始后，沉降曲线明显变陡，说明塑料排水板只提供竖向排水的作用，而堆载预压阶段才是本质上加速软基固结的阶段。表2为各观测点堆载预压时间及累计沉降量。
表2 各观测点堆载预压时间及累计沉降.png)
4.2 固结度计算
固结度可根据实测数据进行推算。根据有效应力原理，土的变形和强度变化只随着有效应力而变化。由一维竖向渗透固结原理可知：
Ut＝＝＝
式中：Ut为土层平均固结度；St为t时刻地基累计沉降量；S′∞为地基最终沉降量；S∞为通过双曲线拟合法推算出的地基最终沉降量。
4.3 加固效果分析
要对塑料排水板堆载预压法处理软基效果进行评价，应选取科学的评价方法和评价指标，其中评价指标一般包括地基强度、固结度和工后沉降。结合该工程实际情况，选取固结度和工后沉降2个指标进行评价。各断面固结度和工后沉降见表3。
表3 各断面固结度及工后沉降.png)
注：U50、U100、Ut分别表示预压50、100d和卸载时的固结度。
从表3可知：在堆载初期，软基的固结度增加较快；在堆载预压50D左右，软基的固结度基本可达到30%～40%；随着时间的推移，固结度的增长速度逐渐降低，最后趋于平缓。该工程采用塑料排水板堆载预压法进行处理后，软基固结度达到80%～90%，且工后沉降只有18～34mm，软基固结沉降速率较快，工后沉降减少明显，处理效果好。
5 结语
总之，在公路建设中，对软基的处理非常关键。工程实践表明，对软基采用打设塑料排水板结合堆载预压法处理方法，应用于本工程是成功的，取得了预期的效果，在满足质量、工期要求的前提下，提高了路堤整体稳定性，保障了工程质量，也降低了工程造价，其合理性、经济性值得肯定，具有重要的工程应用价值和推广意义。应注意的是，针对不同工程采用该方法时，要结合具体地质条件及要求具体分析，以达到最佳处理效果。
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论文作者:谭任由
论文发表刊物:《基层建设》2016年13期
论文发表时间:2016/10/17
标签：预压论文; 孔隙论文; 塑料论文; 水压论文; 排水板论文; 地基论文; 应力论文; 《基层建设》2016年13期论文;