真空聯(lián)合堆載預(yù)壓在高速公路施工中的技術(shù)分析

丁凱

（南平高速咨詢監(jiān)理有限公司，福建南平 354299）

0 引言

對高速公路施工過程中遇到的軟土路基問題，應(yīng)該配套選擇相對符合軟土路基的對應(yīng)施工技術(shù)，再根據(jù)施工地的其他條件，對施工的方案進行優(yōu)化、改良和調(diào)整，進一步加大路基的承載能力，確保在高速路面行駛車的輛是安全穩(wěn)定的，從而在技術(shù)層面打造兼顧質(zhì)量與安全的高標(biāo)準(zhǔn)高速公路工程項目。

1 高速公路軟土路基的主要特點

1.1 含水量較高

軟土的結(jié)構(gòu)組成部分主要為黏土顆粒、淤泥，所以這就導(dǎo)致了軟土路基具備了兩大特點：一個是間隙大，另一個是含水量較高。在這中間，因為不同的地質(zhì)環(huán)境，導(dǎo)致了有少量有機物，會在沉淀作用下形成絮狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致小孔隙的形成。據(jù)悉，軟土的含水量一般情況下維持在36%～80%左右，通過剪力的作用，軟土極易產(chǎn)生剪切變形等嚴(yán)重的情況，在固結(jié)沉降后，軟土或?qū)⒊霈F(xiàn)范圍性的固結(jié)沉降的問題，這是影響交通安全、行駛安全、路面安全的一大隱患[1]。

1.2 土壤強度低

軟土土壤的結(jié)構(gòu)特點是非常明顯的，土壤強度低的原因是在其原本的結(jié)構(gòu)中，因為擠壓或震動，對原狀土的絮狀結(jié)構(gòu)造成很大的影響，從而使得土壤強度大幅度下降，更甚者會嚴(yán)重到出現(xiàn)土壤流動的狀態(tài)，而當(dāng)這些土壤受到了外力的影響和擾動后，其強度又可以緩慢進行回彈與恢復(fù)。除此之外，軟土土壤還具有兩個典型的特征，一個是壓縮性高，另一個是滲透性差。軟土一般情況下的壓縮模量在4MPa 以下甚至更低，而且與液限指數(shù)成正比的關(guān)系。另外，因為軟土本身就存在滲透性小的特征，處于垂直方向時，滲透系數(shù)大約在10-8～10-6cm/s，根據(jù)這類特征可以分析，想要土壤的重量以及土壤的負(fù)荷得到進一步的鞏固，達(dá)到一定的鞏固效果，還是需要一定的時間的[2]。

1.3 抗剪強度較低

軟土土壤還有一個明顯的特征，就是其抗剪強度較低.經(jīng)研究，在我國范圍內(nèi)，從天然軟土的結(jié)構(gòu)上來看，其不排水的情況下，抗剪強度在20MPa 以下，其內(nèi)摩擦角一般都維持在20～35o左右，那么何種情況下，軟土路基強度會發(fā)生較大變化呢？根據(jù)研究調(diào)查了解，載荷作用會導(dǎo)致其抗剪強度發(fā)生變化，而且排水固結(jié)的狀況、抗剪強度也會同樣發(fā)生變化，尤其當(dāng)排水固結(jié)持續(xù)加速的狀態(tài)下，會更加明顯感覺到抗剪強度的強烈變化。

2 工程概況

以福建南平為例，在南平市的某高速公路上，在沖填土段中，分布著大量的軟土路基，總長度大約在389m。根據(jù)地勘報告的內(nèi)容顯示，這條路段的土層從上至下可以分為以下幾部分：

一是填土與耕植土層，這類土層的厚度大約在0.3～1.1m 內(nèi)，土層色屬深灰色，濕度偏濕且有一定的壓縮性，土質(zhì)不均，有部分植物殘骸以及根系存在。

二是淤泥粉砂土層，土層的厚度在0.15～8.2m內(nèi)，土層飽和，土質(zhì)松軟不均，黏粒是其含量的組成部分，但石英是砂質(zhì)的主要成分，還有少量云母存在其中，云母主要是為地基加固處理的。

三是淤泥層，這類土層的厚度大約在3.6～15.5m內(nèi)，土質(zhì)比較差，而且處于飽和狀態(tài)與軟塑+流塑并存的狀態(tài)。

四是淤泥質(zhì)黏土層，土層的厚度在2.6～18.7m內(nèi)，屬飽和與軟塑疊加狀態(tài)，整體土質(zhì)的濕度偏大，且土質(zhì)不均勻，含量中有些許細(xì)砂，起到了地基加固的作用。通過研究調(diào)查以及測定可以得出結(jié)論，該路段的軟基土體濕潤，其含水量在70%～93%內(nèi)，呈深厚軟基型。最終通過一系列的研究討論，決定在對該路段進行軟基處理時，采取真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方式。

3 施工方法

3.1 工藝流程

所謂的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，其主要意思是指，針對一些待處理段落，可以通過優(yōu)先在豎向排水方面進行設(shè)施的方式，先將為土壤中的水分提供通暢的排水體系，然后在對其抽真空時，適當(dāng)?shù)募尤攵演d預(yù)。在此情況下，就可以使得目標(biāo)土層通過渠道將水分及時排出，同時還可以進一步加快固結(jié)速度，從而達(dá)到目標(biāo)的固結(jié)程度，這也是路基施工主要要求之一。簡述施工過程中的工藝流程可以表現(xiàn)為，從表面清理與排水，到墊層鋪設(shè)，再到設(shè)置豎向排水結(jié)構(gòu)，此時可以設(shè)置真空管網(wǎng)，然后密封，進行抽氣、堆載，最后到達(dá)真空卸壓，以至驗收。

3.2 表面清理與排水

在處理地面的紅線范圍中，先將地表上面的一些淤泥、石塊還有部分植物進行清理，再通過中粗砂換填，要注意的是需要做好平整工作，然后等待晾曬后再重新填在地表工作面。另外要注意的是，還需要挖圍堰，圍堰的位置可以設(shè)置在邊樁外側(cè)大約2m 的距離，與此同時在圍堰外部，設(shè)置一些可以排水的通道，便于把圍堰里面的水抽干，通過這樣的方式來將地表積水以及淺層的地下水進行排出，以免在施工過程中發(fā)生意外造成不良后果。

3.3 墊層鋪設(shè)與豎向排水結(jié)構(gòu)設(shè)置

排水通道可以采取墊層鋪設(shè)與豎向排水相結(jié)合的設(shè)置模式，它的質(zhì)量可以直接影響到預(yù)壓排水的結(jié)果與效果。在鋪墊前，首先要做的就是嚴(yán)格檢驗墊層的材料，確保材料的質(zhì)量符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)定要求是，材料的含泥量要低于3.0%，細(xì)度模2.9，滲透系數(shù)0.012cm/s，且材料必須要完全符合技術(shù)要求以及工程設(shè)計規(guī)范[3]。

塑料排水板俗稱豎向排水結(jié)構(gòu)，在施工前嚴(yán)格進行檢查，確保各項指標(biāo)都達(dá)到技術(shù)要求與規(guī)范。墊層在壓實的狀態(tài)下，其厚度必須達(dá)到50cm，在此情況下，在進行鋪設(shè)時要分為兩個層次，一是先按20cm 的厚度來進行鋪設(shè)，二是按30cm 的厚度來進行鋪設(shè)。但需要強調(diào)的是，在進行第二層鋪設(shè)之前，要先設(shè)置好塑料排水板，接下來在完成鋪設(shè)后需要進行檢測；要保證在適當(dāng)碾壓的壓力情況下，其壓力度要在93%以上。另外，在設(shè)置墊層時，要處于邊樁外側(cè)約1.5m的位置，同時在頂部配套設(shè)置一個橫坡，大約在2%左右，這樣更加便于排水能力。

例如，該施工所使用的是SPB-C 型排水板，按照正方形來進行鋪設(shè)，距離為1.5m 間隔，在完成了第一層鋪設(shè)以后就進行打設(shè)，采用了套管法。而且確保了打設(shè)的深度要求，同時套管垂直度也都符合規(guī)定，在打設(shè)時要注意的是，一定要避免排水板出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，也要注意防止濾膜撕裂；打設(shè)完成以后，對墊層的排水板要求是長度在25cm。根據(jù)實際情況，再縱向設(shè)置出便于觀測的中樁及邊樁，可以按照40m 的間隔設(shè)置，并分別設(shè)置水壓力儀，要求的距離是分別在地表下層的4m、8m、12m 和16m 的距離，與此同時，還需要設(shè)置沉降板，配套完成測斜儀的設(shè)置，這類設(shè)置的距離要求是在地表下8m 和18m 進行，通過上述設(shè)置，可以加固土層應(yīng)力，還可以實時監(jiān)測到位移情況以及水壓變化等情況。

3.4 真空管網(wǎng)設(shè)置與密封

通常情況下選擇PVC 管作為真空排水管，因為需要考慮到路基的整體結(jié)構(gòu)，例如當(dāng)路基整體呈現(xiàn)為長條形時，需將排水管進行區(qū)分，一共有兩個類型，一類是主管、另一類是濾管，管徑分別是75mm 與60mm。主管縱向埋設(shè)，間隔控制在25m 的距離，在管頭采用變徑三通和濾管相連，另一端與射流泵相連，可穿過密封溝；而濾管沿橫向埋設(shè)，距離間隔在5m，以魚骨形與主管相連，可以以鋼絲軟管作為相連材料，再使用接頭相連。根據(jù)實際情況，選擇出最適宜的方案將管道的接口處相連，從而形成管網(wǎng)。要注意的是，為更好地進行土工布鋪設(shè)，需要在對應(yīng)的位置預(yù)留出膜口，然后開挖密封溝，密封溝可以設(shè)置在場地外邊緣，密封膜一般采用聚氯乙烯薄膜。

在鋪設(shè)密封膜時，尤其要注意的是，密封膜插入的深度需要在溝底100mm 左右，通過翻轉(zhuǎn)錨固定后填實，最后需要再次對密封膜進行嚴(yán)格檢查，確保不會出現(xiàn)破裂等問題。如果存在破裂問題，應(yīng)立即采取補救措施；如果遇到破裂面積大的問題，應(yīng)該立即采取整體更換的方式。鋪好密封膜以后，還需要在上面再鋪設(shè)一層土工布，這樣不僅保護密封膜還能起到一定的鞏固作用，以免上部填料將密封膜破壞。

3.5 抽真空和堆載

在表面上的土工布鋪好后，可以采用真空射流泵進行抽真空處理，其抽真空的范圍可以達(dá)到900m2左右，在此過程中應(yīng)該要避免漏氣的問題產(chǎn)生，尤其要注意接頭部位，這里是最容易產(chǎn)生漏氣的位置，應(yīng)該重點注意。此時可以觀察真空度，當(dāng)其連續(xù)5d 以上且處于恒定狀態(tài)時，就可以進行堆載。堆載前，還需將一層素土建在密封膜的表面，一般情況下，要求素土厚度在15cm 即可，因為這樣可以對密封膜起到一個保護作用，從而避免密封膜產(chǎn)生漏氣、破損等問題，避免因漏氣的原因?qū)е滦秹簡栴}的產(chǎn)生，然后再進行分層堆載，這里的堆載高度應(yīng)按照4.0m 來實施，同時進行適當(dāng)碾壓。

3.6 真空卸壓

堆載標(biāo)的高度要與路床頂部標(biāo)高處于相符合的狀態(tài)，同時注意對沉降結(jié)果進行觀測，確認(rèn)沉降的速率是否達(dá)標(biāo)，一般要求是在最近7d 以內(nèi)，速率要始終不得高于2mm/d，在此情況下才可以停止抽真空。在進行施工中，停止抽真空也是有一定要求的，需要對數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，且要保證堆載后仍然達(dá)到80d 持續(xù)抽真空；通過數(shù)據(jù)監(jiān)測及核算，固結(jié)度在90%以上時，且沉降不超過30cm 時，即可進行下一步施工[4]。

3.7 現(xiàn)場測試

通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，在K21+454 段沉降量將達(dá)到最大，達(dá)到188.2cm，平均148.4cm。沉降速率在堆載前、抽真空初始時，處于較快狀態(tài)。沉降在抽真空第5d 時，速率可以達(dá)到最大范圍，約為6.8cm/d；過程中通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，路床始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，結(jié)束后能確保固結(jié)度在90%以上，沉降能夠確保在30cm 以內(nèi)，這是一個成功的案例。

為進一步確保土體狀態(tài)是固結(jié)的，就需要實時監(jiān)測孔隙水壓，通過監(jiān)測的數(shù)據(jù)還可以計算出固結(jié)度，從而能夠更加清晰明了地反映出土體抗剪強度變化的具體情況，同時還可以作為數(shù)據(jù)參考對施工的加荷速率進行調(diào)整與安排。

在施工過程中，抽真空與之伴隨的是孔隙水壓會變?。划?dāng)開始加載后，孔隙水壓加大，在達(dá)到數(shù)值高峰時，就會開始下降；當(dāng)再次實施施加荷載后，水壓又會回升再逐步下降。循環(huán)往復(fù)，不斷加大地基土強度。由此可以得出結(jié)論，抽真空直接影響孔隙水壓，使超靜水壓產(chǎn)生；經(jīng)研究可知，下降速率最高的空隙水壓處于地表下12m 深；堆載填土?xí)r，伴隨著一次次荷載的施加，堆載相繼變化，因此可以在監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)孔隙水壓會增幅明顯，但持續(xù)時間是比較短暫的，之后便開始趨于持續(xù)穩(wěn)定的狀態(tài)。堆載路床時，在地表下大約16m 的位置，設(shè)置測點來監(jiān)測，數(shù)值達(dá)到28kPa 是其孔隙水壓的最大變化量，而處在10～20kPa 范圍內(nèi)的其他測點[5]，依然保持穩(wěn)定的狀態(tài)，這是由于真空壓力產(chǎn)生的結(jié)果，故堆載時數(shù)值小于孔壓初始值是避免失穩(wěn)產(chǎn)生的影響，在大堆載效率以及速度的同時，讓其始終保持穩(wěn)定的狀態(tài)，順利的完成了軟基處理，不僅達(dá)到縮短工期的效果，還進一步提高了施工效率。經(jīng)數(shù)據(jù)觀察，該方式達(dá)到了預(yù)期效果，方案可行可推廣。

4 結(jié)論

通過上述內(nèi)容可以得到以下三個方面的結(jié)論：一是經(jīng)上述處理過程，該段路基平穩(wěn)穩(wěn)定，且所在路床同樣狀態(tài)平穩(wěn)，無失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，且工后沉降滿足相關(guān)要求。想要從根本上解決路基下沉問題，尤其是在軟基分布造成的情況下，可以采取對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方法，通過科學(xué)的判定，合理的運用，從根本上進行施工的部署安排，使路基在施工以后仍然保持穩(wěn)定的狀態(tài)。二是雖然真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的整體施工工藝程序相對簡單，從施工的技術(shù)層面上來看沒有很高的要求，但要為了達(dá)到更加滿意的預(yù)期效果，在施工的過程中仍然需要進行布局和控制、比對和監(jiān)測，例如在對排水板進行插入時，對其間距、深度要嚴(yán)格控制，同時通過科學(xué)的密封過程，在真空抽取的過程中，依然控制好時間與速率。三是經(jīng)過相關(guān)的施工案例分析研究，進一步對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的可行性進行了驗證，明確了其合理性，不僅操作方便、工藝簡單，更能夠降低成本，是一項值得推廣應(yīng)用的高速工程優(yōu)秀經(jīng)驗。