塑料排水板堆载预压技术处理软土路基变形特性研究

刘运兴，杨永民，杨智诚

（1、深圳市港嘉工程检测有限公司 深圳 518126；2、仲恺农业工程学院 广州 510225）

关键字：软土地基；塑料排水板；表沉降值；路基软土

0 引言

我国海岸线绵长，在河道入海口多是冲积形成的三角洲，该类三角洲地带以饱水的软弱黏性土沉积为主。软土包括饱水的软弱黏性土和淤泥，在软土地基上修建公路时，容易产生路堤失稳或沉降过大等问题，为此，要进行软基处理，主要是为了提高该段公路路基的稳定性和承载能力［1-3］。软土地基的处理应根据软土、游泥的物理力学性质，埋层深度，路堤高度材料场地情况，公路等级等因素分别采取换土、抛石挤游、反压护道、渗水、土工材料、塑料排水板、粉喷桩、碎石桩、超载预等措施进行处理［4-8］。

堆载预压法控制沉降技术，也是目前国内外所广泛使用的地基处理技术之一［9-11］。堆载预压法中最先出现的是砂井载预压法，于1925 年由莫兰（MORAN）提出［12-13］，就是通过在地面上堆载，用大于或等于设计荷载的堆积荷载，促使地基土体发生排水固结来达到减少土体含水率和提高地基抗剪承载力，加载一段时间后，卸去荷载，地基土体主固结沉降提前完成，起到加固地基的作用。堆载预压法通常由排水系统和加压系统两部分组成，排水系统一般由水平向排水垫层和竖向排水通道组成［14］。由于该法施工简单，技术施工要求不高，做法灵活，可同其他方法联合处理地基，例如真空联合堆载预压法、堆载预压联合强夯法等，无需特殊的施工机具，地基处理成本低。但使用该法处理地基工期较长，现在建设工程工期紧促，常联合其他方法共同使用处理地基，提高加固效率。饱和软黏土在沿海地区分布广泛，具有含水量高、孔隙比大、渗透性低，压缩性高等特性［15-16］，在荷载作用下软土地基会产生过大的沉降和沉降差。为了研究采用塑料排水板堆载预压联合方法处理三角洲地区软土地基时的沉降变形规律并对沉降的情况进行预测，本文就位于珠江三角洲地区的广州南沙某公路软土路基处理过程，通过对施工现场的地表沉降、水平位移、孔隙水压力变化的监测数据的处理分析，指导路堤施工工作，对可能出现的不利情况进行预测，控制软土地基加载速率，确保施工安全。通过收集现场资料，经过整理可以推算出工程区的固结度等土性指标，最终作出效果评价。对采用塑料排水板堆载预压联合方法处理后的软基进行研究，以期获得沉降规律并提出有效的预测方法，可供类似工程参考。

1 塑料排水板堆载预压处理软土地基变形情况分析

1.1 工程概况

某公路设计起点桩号为WHK0+000（八涌北侧），起点坐标为（X=182 448.533，Y=70 193.552），设计终点桩号为WHK4+000（十一涌东南侧），终点坐标为（X=179 679.077，Y=72 980.361），路基长度为3.559 km。

其中软基处理长度为3 083 m，塑料排水板共2 753695延米，引孔量92904m，双向土工格栅184285m2，底砂垫层99022m³，回填沙土29837m³，预压土300434m³，沉降及宽填补方151 077 m³。水塘路基长600 m，沙袋长921 m，围堰体积5 865 m³。路基软基工程全线（除九涌、十涌、十一涌桥梁段外）均采用塑料排水板+等载预压施工固结处理，塑料排水按正三角形布置，间距为1.2 m，局部K0+215-K0+540排水板间距为1.1 m。

1.2 软基处理施工监测方案

本文研究监测断面WHDK1+560 和WHDK1+860两个断面，在两个断面中的坡脚、路肩、路中、路肩和坡脚分别布置了测点，具体布置如表1所示。

表1 监测断面和监测点分布Tab.1 Monitoring Section and Monitoring Point Distribution

1.3 地表沉降规律分析

1.3.1 典型土层沉降规律

K1+560 和K1+860 两个断面路堤分层填筑过程中的沉降-荷载-时间关系如图1 和图2 所示。可见，在加载初期沉降曲线较缓，说明沉降速率小，固结速率慢：随着荷载的增加，塑料排水板的排水速率加快，沉降速率明显增大，土体固结加快：在预压后期，曲线又变得平缓，沉降速率又变小。此时本工程路基进入以次固结为主的阶段。可以看出，差异沉降存在且明显，路中沉降比左右路肩的沉降大，主要是因为路中承受的荷载较大。

图1 某公路K1+560断面FC5分层沉降累计变化-时间变化曲线Fig.1 Cumulative Change-time Change Curve of FC5 Layered Settlement at K1+560 Section of a Road

图2 某公路K1+860断面FC6分层沉降累计变化-时间变化曲线Fig.2 Cumulative Change-time Change Curve of FC6 Layered Settlement at K1+860 Section of a Road

由图1可见，在K1+560位置的FC5，各测点的沉降在前4个月沉降迅速增大，路中沉降高达500 mm，之后沉降逐渐变小区域稳定，最终的沉降值达到896 mm。采用本方法处理软土地基的一个特征是在施工期沉降能基本完成，工后沉降较小，这对公路的建设有利。由图2可见，在K1+860位置的FC6，各测点的沉降在前4个月沉降迅速增大，路中沉降高达437 mm，之后沉降逐渐变小区域稳定，最终的沉降值达到750 mm。

由表2中可见，路中沉降最大，路肩沉降较小。不同桩号的路基沉降规律基本一致。

表2 各个断面的分层沉降统计值Tab.2 Statistical Values of Layered Settlement of Each Section

1.3.2 地表土层沉降规律

从图3 和图4 中可以看出，和分层沉降的曲线一致，在加载初期沉降曲线较缓，说明沉降速率小，固结速率慢：随着荷载的增加，塑料排水板的排水速率加快，沉降速率明显增大，土体固结加快：在预压后期，曲线又变得平缓，沉降速率又变小。此时本工程路基进入以次固结为主的阶段，路中沉降比左右路肩的沉降大。

图3 某道路K1+560断面地表沉降累计变化-时间变化曲线Fig.3 Cumulative Change-time Curve of Surface Subsidence of K1+560 Section of a Road

图4 某道路K1+860断面地表沉降累计变化-时间变化曲线Fig.4 Cumulative Change-time Curve of Surface Subsidence of K1+860 Section of a Road

由图3 可见，在K1+560 各测点的沉降在前4 个月沉降迅速增大，路中沉降高达800 mm，之后沉降逐渐变小区域稳定，最终的沉降值达到1 000 mm。在K1+860 各测点的沉降在前4 个月沉降迅速增大，路中沉降高达850 mm，之后沉降逐渐变小区域稳定，最终的沉降值达到1 000 mm。由表3 可见，不同的断面沉降稍有不同，但规律基本一致。

表3 一般堆载预压路段最新监测沉降统计Tab.3 The Latest Monitoring Settlement Statistics of General SurchargePreloading Sections

此路段2019年8月10日左右打完排水板，8月15日铺设完土工格栅；8 月20 开始土方堆载施工；累计堆载预压施工约480 d，累计恒载预压施工约380 d；目前卸载前路基顶中心现测标高：K1+560断面为8.226 m，K1+860 断面为7.554 m，路中已累计填筑厚度约2.6～3.5 m，图纸设计标高K1+560 为7.832 m，K1+860 为7.518 m，目前恒载卸载前测得路中标高，基本符合设计图纸路中标高。

1.4 水平位移规律分析

地基土体在受到填土压力作用后，在发生竖向固结沉降时，也会发生水平向的位移及变形。塑料排水板虽然加快了土体排水，当加载速度过快时，剪切应力对土体影响较大，会发生侧向变形。但是加载过程中地基土体的侧向约束将减小，为确保避免出现地基滑动。故在施工监测中测斜监测也是有效手段之一，地基土的变形分析也需要利用水平位移数据。

从图5、图6 可以看出，由于荷载的增加，侧向位移会随之增大，在高程深度小于5.0 m 时随深度变化位移增加明显；当深度大于5.0 m 时，随着高程的降低，侧向位移也随之减小，到20.0 m 处位移可以忽略。通过观测可以看出，侧向位移主要是发生在淤泥质软土区域，最大值发生在地表以下3.0～7.0 m 处，这两个断面的最大位移量分别为210.2 mm、32.0 mm。各测点水平位移累计值如表4所示。

图5 某道路K1+500～K1+900 路段分层沉降累计曲线Fig.5 The Cumulative Curve of Layered Settlement of the K1+500～K1+900 Section of a Road

图6 某道路K1+500～K1+900 路段位移边桩累计曲线Fig.6 The Cumulative Curve of Displacement Side Piles in the K1+500～K1+900 Section of a Road

表4 K1+560和KA+860位移值Tab.4 K1+560 and KA+860 Displacement Values

在填筑早期，侧向位移发展缓慢但随着时间推移，在填筑中期，荷载稳定增长，侧向位移开始迅速发展；在填筑末期，土体固结基本完成，软土地基的有效应力已增长，土体强度增强，产生的侧向位移在变化缓慢，这与竖向位移的3个阶段类似。

2 结论

⑴软土地基施工期间，初期是沉降的发生阶段，路堤在填筑前期沉降小，土体发生弹性变形；填筑中期沉降速率大，此时随着荷载的不断增加，软土地基会发生塑性变形，土骨在架破坏后进行重新排列；在路堤填筑末期，沉降仍在继续发生，但沉降速率逐渐减缓，随着孔隙水的不断排除，地基的有效应力增长，直到沉降速率趋近于0。

⑵ 本工程侧向位移主要发生在高程为（-4）～（-7）m 内，在深度大于7 m 时，随着深度的增加，该值又开始减小。路堤加载初期侧向位移速率缓慢，说明在施工加载的前期，土体主要发生弹性变形，土体产生的剪切位移很小；施工中期，侧向位移增长速度迅速加快；在填筑末期，软基的有效应力已经接近稳定，土体强度逐渐加强，产生的侧向位移也在慢慢变小。

⑶采用塑料排水板处理软土地基，可以使软土地基的大部分沉降在填筑期基本完成，分层总和法计算工后沉降量少，稳定系数满足要求，采取的处理软土的方式是可行的，能满足各项指标的规定。