水載預(yù)壓法研究與應(yīng)用

陳池清 李嘉麗

1 水載預(yù)壓成因

珠江三角洲地區(qū)修建高等級公路時(shí)普遍采用傳統(tǒng)的等超載預(yù)壓方法，采用砂、土、碎石等原材料，等載厚度約 1m，超載厚度0.5m～2m不等。不少公路的等、超載土石方工程量接近或超過路基設(shè)計(jì)土石方量，卸載時(shí)土石方量較大，很多時(shí)候無法重新利用，造成材料的極大浪費(fèi)，因而施工單位在投標(biāo)時(shí)就會(huì)對此進(jìn)行綜合考慮，工程費(fèi)用相應(yīng)增加。

由于大規(guī)模的公路建設(shè)，廣東地區(qū)，特別是珠江三角洲地區(qū)的土、砂、石等原材料資源已經(jīng)瀕臨耗盡，導(dǎo)致這些地方原材料的價(jià)格急劇上漲，大大增加了施工成本。同時(shí)大規(guī)模挖山、撈砂以及卸載土方的廢棄也導(dǎo)致了不可忽視的水土流失和環(huán)境破壞問題，不少地方政府已經(jīng)立法禁止取土、采石和撈砂。

針對上述預(yù)壓方法存在的不足，結(jié)合廣東地區(qū)特別是珠江三角洲地區(qū)水網(wǎng)密布、水資源豐富的特點(diǎn)，本佛山北滘—樂從公路主干線工程軟基研究段提出并試驗(yàn)成功一種新的預(yù)壓方法——水載預(yù)壓法，以水代替土(砂、石等原材料)進(jìn)行超載預(yù)壓。

2 研究段水載試驗(yàn)

2.1 水載方法

佛山北滘—樂從公路主干線工程路基設(shè)計(jì)高度平均約 2m，等載1m，超載0.5m，等超載土方量所占比例較大。另外，該工程路基處理寬度為 90m，非常適于采用水載的方法進(jìn)行等、超載預(yù)壓。為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工，本研究段的軟基處理研究工作中，對采用排水固結(jié)軟基處理方法的路段進(jìn)行了水載預(yù)壓法的試驗(yàn)，與填砂預(yù)壓法進(jìn)行對比。研究段采用的是水池式水載預(yù)壓法，在軟基處理電滲區(qū)和強(qiáng)夯區(qū)的路基上分別設(shè)置了 2個(gè)水池，平面尺寸為90m×40m和90m×140m。圍堰高2m，水深1.8m。

2.2 施工工藝流程

水載預(yù)壓的施工工藝流程為:測量放樣→修筑圍堰→鋪膜→抽水預(yù)壓→放水卸載。1)修筑圍堰:水載圍堰高 2m，頂寬3m，內(nèi)外邊坡坡率為 1∶1.5。圍堰填筑材料采用細(xì)砂(可就地選用其他材料)，推土機(jī)、挖掘機(jī)配合填筑。為便于鋪膜和保障圍堰穩(wěn)定性，圍堰內(nèi)、外側(cè)采用單排砂袋護(hù)堤。在圍堰上設(shè)置若干溢水口，以便排放雨水保持水深，溢水口底標(biāo)高應(yīng)高出設(shè)計(jì)設(shè)置水位標(biāo)高10 cm。2)鋪設(shè)薄膜:薄膜采用與真空預(yù)壓工程相同的聚氯乙烯薄膜。薄膜一層厚度為0.14mm，按照每個(gè)水池的尺寸向廠家整張訂做薄膜，薄膜應(yīng)完全覆蓋圍堰頂部，并考慮薄膜鋪設(shè)時(shí)應(yīng)有一定的預(yù)留量，以免蓄水時(shí)薄膜被拉破。鋪膜前，對薄膜下面層進(jìn)行清理，保證不存在尖銳物，以免刺穿薄膜。鋪膜時(shí)，先將整條薄膜沿路線縱向拉直擺放在水池中線上，然后同時(shí)兩側(cè)張拉、展開薄膜，直到薄膜覆蓋整個(gè)水載區(qū)(包括圍堰)，并用砂袋壓住薄膜。施工時(shí)注意天氣情況，嚴(yán)禁在刮風(fēng)天氣進(jìn)行鋪膜施工。鋪膜時(shí)有專人指揮，鋪膜人員務(wù)必配備小剪刀，以防安全。同時(shí)，張拉薄膜注意張拉力度，以免破壞薄膜。鋪完膜后及時(shí)檢查整張膜的完整性、接縫的密封性，如發(fā)現(xiàn)刺破現(xiàn)象及時(shí)修補(bǔ)。在圍堰頂部及外側(cè)設(shè)置一層砂包進(jìn)行壓膜，以防止薄膜翻起和老化。另外，薄膜需覆蓋邊坡，防止雨水沖刷后形成掏空區(qū)，對圍堰的穩(wěn)定性有較大影響。3)抽水預(yù)壓:薄膜鋪設(shè)完畢后，采用大功率抽水泵從附近水塘或河道中抽水預(yù)壓。抽水同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，必要時(shí)則分級進(jìn)行加載，避免因加載過快引起路基失穩(wěn)。在超載初期，需派專人密切注意圍堰的穩(wěn)定性，當(dāng)池中水量因蒸發(fā)減少時(shí)，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充蓄水。圍堰頂部設(shè)置的溢水口，與附近的河道連通，防止雨水溢出涌進(jìn)附近的魚塘破壞生產(chǎn)。4)安全措施:制作警示牌并在蓄水池四周圍上警戒帶，派專人密切注意水位變化情況及禁止人員下水游泳等。

2.3 施工注意事項(xiàng)

1)膜技術(shù)參數(shù):厚度不小于0.14mm，拉伸強(qiáng)度(縱/橫)不小于15MPa/13MPa，斷裂伸長率(縱/橫)不小于220%/200%，滲透系數(shù)K20≤10 cm/s～11 cm/s，抗?jié)B強(qiáng)度(耐靜水壓力)不小于160 kPa。

2)施工監(jiān)測:通常情況下，將監(jiān)測斷面設(shè)置在橫向圍堰處，以方便施工監(jiān)測。本工程在水池中部也設(shè)置了表面沉降板，在水載區(qū)域沉降觀測通過在沉降管上綁扎塔尺進(jìn)行水準(zhǔn)測量?？紫端畨毫巴翂毫τ^測通過電纜連接到圍堰位置處觀測。

3)安全要求:a.為保證路基安全，要求圍堰分層填筑和碾壓，每層松鋪厚度控制在 50 cm以內(nèi)。充水時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，避免路基失穩(wěn)。b.在圍堰上設(shè)置若干個(gè)溢水口，溢水口底標(biāo)高應(yīng)高出設(shè)計(jì)設(shè)置水位標(biāo)高 10 cm，基本保證降水時(shí)水深不變。水池內(nèi)匯集的雨水通過溢水口連接到排水溝排放至附近河道內(nèi)。c.因水載預(yù)壓期較長，在預(yù)壓期間，為保證圍堰的持久性，圍堰頂部及外側(cè)邊坡均鋪設(shè)PVC薄膜，以防雨水沖刷。同時(shí)，在圍堰頂部及外側(cè)設(shè)置一層砂包，起到壓膜和護(hù)坡的作用。d.護(hù)堤在預(yù)壓期間做好排水防護(hù)工作。e.安排專人巡視，嚴(yán)禁閑人進(jìn)入施工現(xiàn)場。f.做好安全警示牌及安全警示線的圍閉工作。

2.4 安全耐久性分析

由于路基邊坡上的薄膜最容易老化，我們在此部位剪切一定數(shù)量的樣品進(jìn)行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用前后的物理力學(xué)指標(biāo)的對比情況如表 1所示。據(jù)表 1可知，經(jīng)過 150 d的風(fēng)化作用后，薄膜橫向縱向拉伸強(qiáng)度分別減小了0.8 MPa和1.1MPa，而橫縱向的斷裂伸長率分別減小了56.6%和52.8%，依然滿足技術(shù)要求;而橫縱向的直角撕裂強(qiáng)度分別增加了56.5 N/mm和53.2 N/mm，遠(yuǎn)大于其技術(shù)要求指標(biāo)。這說明只要維護(hù)得當(dāng)，水載預(yù)壓的安全耐久性可以得到有效保障。

表1 聚氯乙烯薄膜使用前后性能比較

2.5 應(yīng)用效果分析

本研究段在樁號K12+020～K12+060和K12+130～K 12+ 270范圍內(nèi)成功地加載了 1.8m高的水載，迄今為止，已經(jīng)順利地預(yù)壓了將近半年，根據(jù)PVC薄膜的強(qiáng)度檢測結(jié)果來看，目前水載尚可維持預(yù)壓半年左右。這表明了水載的加載對于本條高等級公路來說安全是有保證的。但出于安全的考慮，水載高度不宜過高，而1.8m高的水荷載只相當(dāng)于1.0m高的填砂荷載，這能否滿足本工程的等、超載要求可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析。

圖1，圖 2分別為電滲區(qū)及強(qiáng)夯區(qū)沉降曲線圖?？梢娫谒d超載作用下，路基各個(gè)位置均有很明顯的沉降，表明水載不僅能加固路基中心位置的軟土，而且對路基左右側(cè)的加固效果也很好。另外，電滲區(qū)在超載將近兩個(gè)月后，沉降逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而強(qiáng)夯區(qū)由于強(qiáng)夯已經(jīng)消除了部分沉降，在水載超載一個(gè)月后沉降速率就已經(jīng)非常小。利用電滲區(qū)和強(qiáng)夯區(qū)目前的實(shí)測沉降曲線，根據(jù)雙曲線法推算得到電滲區(qū)的剩余沉降僅為 10mm左右，強(qiáng)夯區(qū)的剩余沉降僅為 3mm左右，可滿足設(shè)計(jì)工后沉降小于10 cm～30 cm的要求。

綜上所述，水載預(yù)壓和堆載預(yù)壓的加固效果一樣，完全可以滿足本工程的等、超載要求。

水載預(yù)壓具有良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，與常規(guī)超載造價(jià)比較可見表2(本表格中各項(xiàng)費(fèi)用均按本試驗(yàn)段電滲區(qū)水載預(yù)壓的工作面積來計(jì)算)。通過比較可以看出水載預(yù)壓比填砂預(yù)壓要經(jīng)濟(jì)得多。采用水載法預(yù)壓1.8m(相當(dāng)于壓實(shí)砂1m厚度)，其工程造價(jià)平均為29.31元/m2;而采用常規(guī)堆載(填砂)預(yù)壓的工程造價(jià)約為58.74元/m2，采用水載預(yù)壓可以節(jié)約成本 50.1%。由此可見，水載預(yù)壓的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。

2.6 經(jīng)濟(jì)對比與推廣應(yīng)用

珠江三角洲地區(qū)水源豐富，水載預(yù)壓的水源基本上可以就地取材，抽取和排泄蓄水都比較方便，既節(jié)省了運(yùn)輸費(fèi)用也不會(huì)對周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響。另外，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，珠江三角洲各地土、砂、石等材料逐漸減少，這些材料的成本也不斷增加;而由于水資源可以循環(huán)反復(fù)利用，水載的成本就比較穩(wěn)定、低廉。因此，水載預(yù)壓具有在工程實(shí)踐中推廣運(yùn)用的廣闊前景。

3 結(jié)語

1)水載法分為水袋法、水箱法、水池法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)綜合考慮，合理選擇。2)水載預(yù)壓具有節(jié)省工程造價(jià)、施工速度快，適用范圍廣，與周圍環(huán)境無危害等特點(diǎn)。3)工程實(shí)踐證實(shí)了水載預(yù)壓法與其他材料堆載預(yù)壓法效果相同，并可大規(guī)模地應(yīng)用于南方公路軟基處理工程中。

[1] JTJ 017-96，公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTG B01-2003，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].