袋裝砂井在公路軟基處理中的應(yīng)用與分析

何陸灝 劉紅軍 劉克倫 何程鈴 雷世旺

（五邑大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，廣東江門 529020）

0 引言

軟土具有天然含水率大、滲透性差、壓縮性高和抗剪強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[1]，因此在荷載作用下，常出現(xiàn)土體不易排出孔隙水、土體易發(fā)生過大沉降變形和土體易發(fā)生剪切破壞等狀況。若工程中未采取妥當(dāng)?shù)拇胧?，將會誘發(fā)路基產(chǎn)生不均勻沉降、引發(fā)路基失穩(wěn)破壞等降低公路使用壽命的情況。目前排水固結(jié)法[2]因具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在軟基處理中得到了廣泛應(yīng)用。排水固結(jié)法主要有兩種方式：堆載預(yù)壓法[3]和真空預(yù)壓法[4]，排水體主要采用袋裝砂井[5]和塑料排水板[6]。本文主要研究堆載預(yù)壓法，該法是通過袋裝砂井作為豎向排水通道，在外荷載作用下使土體中的孔隙水通過袋裝砂井及砂墊層排出，進(jìn)而加快土體固結(jié)，達(dá)到加固地基的效果。

研究以佛山市高明大橋至富龍大橋公路工程為依托，選取采用袋裝砂井堆載預(yù)壓法處理軟基的3個斷面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，主要監(jiān)測項目有地表沉降、土體分層沉降、土體深層側(cè)向位移、孔隙水壓力等，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析、歸納變化規(guī)律和推算工后沉降等方法來評價軟基處理的效果。

1 工程概況及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

佛山市高明大橋至富龍大橋公路工程（第II合同段），即楊西大道北延線，路線長度9.02 km，樁號范圍K27+780?K36+800。按照近期雙向6車道+硬路肩、遠(yuǎn)期改造為主線雙向6車道+輔路雙向4車道斷面布置，采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)兼顧城市道路功能，主路設(shè)計速度80 km/h，輔路設(shè)計速度40 km/h。

1.2 地質(zhì)情況

沿線地貌單元以沖淤積平原及剝蝕殘丘為主，地表大多為農(nóng)林耕地、魚塘，局部水體較發(fā)育。研究區(qū)域?yàn)闆_淤積平原，是珠江三角洲西岸平原地區(qū)，主要分布里程為沿線K27+800?K30+150、K31+450?K31+750、K32+000?K33+650、K33+900?K37+150。屬第四系沉積第一階地，地形大多較平坦，周圍水系較發(fā)育。地面高程一般為3.0～11.0 m，上覆土層主要為第四系沖積、沖洪積相的黏性土、砂土等，厚度變化較大，局部魚塘、河流、溝渠等低洼地段發(fā)育軟土及飽和液化土等特殊性土層。根據(jù)勘察結(jié)果，沿線土層主要由人工填土（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)河流相沖積層（Q4al）、第四系殘積層（Q3el）等組成。人工填土層（Q4ml）為現(xiàn)有道路及其兩側(cè)填土；第四系全新統(tǒng)河流相沖積層（Q4al）以軟弱?中軟的粉質(zhì)黏土、淤泥（淤泥質(zhì)土）及透鏡狀粉砂等為主，局部厚度變化較大，空間相變較多；第四系殘積層（Q3el）由泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及砂巖等風(fēng)化殘積而成，局部厚度較大。在三個重點(diǎn)監(jiān)測斷面K35+000、K35+200和K35+400采集原狀軟土進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 軟土層的基本物理力學(xué)性質(zhì)表

2 軟基監(jiān)測內(nèi)容

2.1 監(jiān)測儀器的布設(shè)

監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)的位置如圖1所示，監(jiān)測內(nèi)容及方法有：

圖1 監(jiān)測儀器布置圖

（1）地基沉降監(jiān)測：分別在路堤的左中右處各埋設(shè)1個沉降板。采用幾何水準(zhǔn)測量法進(jìn)行監(jiān)測，隨著路堤填高逐節(jié)加高沉降板測桿和保護(hù)套管，每節(jié)接管高度為50 cm，接測桿前后分別測量標(biāo)高，以確定本期沉降量和下次測量前的初始標(biāo)高。

（2）分層沉降監(jiān)測：在路堤中心處布設(shè)1個觀測點(diǎn)。采用磁環(huán)式沉降儀法[7]進(jìn)行監(jiān)測，在土體中垂直埋設(shè)豎管，在豎管上按一定間距埋設(shè)磁環(huán)，磁環(huán)與土體同步沉降，利用電磁測頭測出磁環(huán)的初始位置和沉降后位置，二者之差即土層的分層沉降量。

（3）深層側(cè)向位移監(jiān)測[8]：在路堤兩側(cè)路肩處各布設(shè)2個觀測點(diǎn)。采用滑動式測斜儀，將測斜探頭慢慢放入孔內(nèi)，依據(jù)探頭軸線與鉛垂線之間夾角的變化，測出不同深度土層的水平變化量。

（4）孔隙水壓力監(jiān)測[9]：在路堤中心處布設(shè)1個觀測點(diǎn)。將振弦式孔隙水壓力布設(shè)于監(jiān)測孔內(nèi)，當(dāng)被測水壓荷載作用在孔隙水壓力計上，將引起彈性膜板的變形，其變形帶動振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動頻率。此時只需接上頻率測度儀即可讀取當(dāng)前頻率，通過計算可得孔隙水壓力值。

2.2 監(jiān)測斷面的選取

選取3個典型斷面，處理方式均采用袋裝砂井堆載預(yù)壓，按正三角形布置，排水體直徑50 cm，排水體頂面設(shè)置60 cm墊層，并鋪設(shè)一層土工格柵；軟土層厚、路基填高與處理深度如表2所示；現(xiàn)場情況如圖2所示。

表2 各斷面處理情況

圖2 模型箱效果及現(xiàn)場實(shí)物圖

3 軟基監(jiān)測結(jié)果

3.1 地基沉降分析

地表沉降是軟基沉降分析的基礎(chǔ)，其變化規(guī)律是控制公路路堤施工進(jìn)度和安排后期施工的最重要的目標(biāo)，也是理論研究結(jié)果是否正確的最直接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和加固效果的最直接反映。本工程段在采用薄層輪加法[10]進(jìn)行填土施工時，每層填土恒定為40 cm左右。在進(jìn)行軟基監(jiān)測中，每填筑一層觀測一次，若兩次填筑間隔時間較長情況，則每3～4 d觀測一次。路堤填筑完畢后，每5 d觀測一次，直至預(yù)壓期完成。K35+000、K35+200和K35+400斷面的累計沉降時程曲線如圖3?圖5所示。

圖3 K35+000沉降時程圖

圖4 K35+200沉降時程圖

圖5 K35+400沉降時程圖

通過對上述曲線進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

（1）地基的沉降與路基的填筑高度密切相關(guān)?？偝两盗侩S著填筑高度的增加而相應(yīng)地增加，且均表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。具體表現(xiàn)為：在填筑堆載期間，由于機(jī)械施工與堆載填土堆積等因素，沉降曲線普遍出現(xiàn)明顯下沉現(xiàn)象，且變化較陡；在恒載期間，隨著地基排水固結(jié)時間增長，沉降變化較緩，到后期漸趨平緩。另外，在堆載至第210 d時，3個斷面的各樁沉降量均超過200 mm，最大沉降量發(fā)生在K35+000段，為291 mm。

（2）對比左中右三個沉降板的沉降過程，可發(fā)現(xiàn)中間沉降板的沉降量一般都大于左右兩側(cè)的沉降板，這符合附加應(yīng)力的分布原理，即在地面下同一深度的水平面上的附加應(yīng)力不同，沿力的作用線上的附加應(yīng)力最大，向兩邊則逐漸減小。

3.2 地基沉降速率分析

沉降速率能直觀地反映加載過程中路基沉降的快慢，是控制路堤填土速度的重要指標(biāo)之一。在施工期間同步進(jìn)行沉降和穩(wěn)定的跟蹤觀測，嚴(yán)格控制填土速率，控制標(biāo)準(zhǔn)為路堤中心沉降速率小于10 mm/d。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取3處斷面中沉降量最大的沉降板進(jìn)行沉降速率分析，沉降速率如圖6所示。

通過對圖6沉降速率曲線進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

圖6 沉降速率曲線圖

（1）施工填土采用“薄層輪加法”進(jìn)行，監(jiān)測結(jié)果顯示沉降速率均未超過10 mm/d，且現(xiàn)場均未出現(xiàn)整體滑移破壞情況。實(shí)踐證明，該方法增加了路堤施工的穩(wěn)定性，是一種經(jīng)濟(jì)適用、合理的科學(xué)施工方法。

（2）K35+000、K35+200和K35+400斷面的最大日沉降速率分別為8.67 mm/d、5.67 mm/d和7.33 mm/d，且均出現(xiàn)加載期。這說明沉降速率隨著每級加載都有一個迅速增加過程，隨后逐漸變緩收斂；在恒載后期，沉降速率迅逐漸趨于穩(wěn)定。整個過程中曲線變化十分緩慢，直到曲線趨于水平，即沉降速率趨于0，這才表明整個路堤斷面的沉降過程基本完成；同時也說明了袋裝砂井發(fā)揮了良好的排水固結(jié)的作用，因此在施工過程中，嚴(yán)格控制堆載期的分級堆載大小與堆載速率有利于提高軟土地基固結(jié)度，從而更好地控制路基沉降。

3.3 分層沉降分析

在袋裝砂井堆載預(yù)壓施工的過程中，常依據(jù)分層沉降來判斷各磁環(huán)土層之間的壓縮量和分析壓縮土層的范圍。本項目每個觀測點(diǎn)埋設(shè)4個磁環(huán)（編號：磁環(huán)1?磁環(huán)4），分別按照2 m的間距由上往下埋設(shè)在淤泥層內(nèi)，分層沉降監(jiān)測成果如圖7?圖9所示，對監(jiān)測成果圖進(jìn)行分析，如表3所示。

對圖7?圖9及表3進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

圖8 K35+200分層沉降時程圖

圖9 K35+400分層沉降時程圖

表3 分層沉降分析表

（1）不同深度的淤泥層，其沉降變化具有一定的規(guī)律，具體表現(xiàn)在：堆載后，不同深度的沉降測點(diǎn)都發(fā)生了沉降；且監(jiān)測磁環(huán)越接近地表，沉降量越大，監(jiān)測磁環(huán)埋深越深，沉降量越小，即上部土層沉降量變化曲線均位于下部土層沉降量曲線的下方。其中K35+000、K35+200和K35+400斷面的磁環(huán)①累計沉降分別為267 mm、233 mm和191 mm。其之間的差異是由于填土高度不同、軟土層厚不同以及實(shí)際施工狀態(tài)不同所引起，但總體差別不大。

（2）分層沉降磁環(huán)變化曲線圖（見圖7?圖9）與地表沉降量曲線圖（見圖3?圖5）的變化趨勢相同，都是在堆載施工期間沉降較大，曲線變化較陡；在恒載期間沉降減緩，并顯示沉降呈收斂狀態(tài)。而且埋深越大的磁環(huán)，曲線收斂得越快。這也符合附加應(yīng)力的分布原理，即在荷載分布范圍內(nèi)任意點(diǎn)沿垂線的地基附加應(yīng)力隨深度愈向下愈小。

（3）磁環(huán)間單位壓縮量主要出現(xiàn)在“磁環(huán)①至磁環(huán)②”和“磁環(huán)②至磁環(huán)③”之間，即壓縮量主要發(fā)生在深度2～6 m間的土層。而且地表以下至深度6 m范圍內(nèi)的壓縮量占總壓縮量約為70%，因此，從分層沉降的監(jiān)測結(jié)果來看，埋深2～6 m范圍內(nèi)屬于地基處理顯著影響區(qū)域。

3.4 深層側(cè)向位移分析

深層側(cè)向位移能夠反映不同深度土層的側(cè)向變形情況，是判斷控制填土速率、地基穩(wěn)定狀態(tài)的重要指標(biāo)。若填土速率過快，則土體最大側(cè)向位移迅速增大，曲線斜率增大；若在填土高度超過極限填土高度后，土體將從彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，側(cè)向位移也會明顯增加，曲線斜率變大，出現(xiàn)向上拐點(diǎn)。上述兩種情況均說明路基有失穩(wěn)的風(fēng)險，此時應(yīng)采取停載、卸載等措施。

所研究的斷面均在路堤左右兩側(cè)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頻率為1次/5 d。由于篇幅有限，本文僅列舉左幅監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，堆載期取15 d為一周期，恒載期取30 d為一周期，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果繪制深層側(cè)向位移曲線圖（見圖10?圖12）。

圖10 K35+000深層側(cè)向位移圖

圖11 K35+200深層側(cè)向位移圖

圖12 K35+400深層側(cè)向位移圖

通過對圖10?圖12深層側(cè)向位移曲線分析，可得出以下結(jié)論：

（1）側(cè)向水平位移值隨深度逐漸減小，這符合附加應(yīng)力的分布規(guī)律，即在荷載分布范圍內(nèi)任意點(diǎn)沿垂線的地基附加應(yīng)力隨深度愈向下愈小。各斷面最終最大水平位移出現(xiàn)在深度0.5 m處，其數(shù)值分別76.58 mm、71.82 mm和62.50 mm；另外，水平位移主要發(fā)生在深度6 m以上的土層中，占到總位移量的約95%。

（2）在加載初期，土體位移量較大，位移速率較快；隨著堆載的完成，位移速率快速減小。在填筑期間，各測點(diǎn)最大位移速率分別為4.62 mm/d、4.26 mm/d、3.99 mm/d，均未超過設(shè)計允許值5 mm/d。這也說明采用薄層輪加法進(jìn)行填土施工，土體水平位移相對較小，且未出現(xiàn)明顯滑移現(xiàn)象，表明路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.5 孔隙水壓力分析

土體內(nèi)孔隙水壓力是反映土體固結(jié)程度的一個重要指標(biāo)。通過在不同深度埋設(shè)孔隙水壓力計對地基土孔隙水壓力變化過程進(jìn)行監(jiān)控，從而判斷地基土體是否處于穩(wěn)定狀態(tài)和判斷地基強(qiáng)度的增長情況，以便有效指導(dǎo)路基填筑施工。在3處所監(jiān)測斷面路中沿地基不同深度埋設(shè)了4個孔隙水壓力計，位置分別在地面以下2 m、4 m、6 m和8 m處。監(jiān)測頻率為1次/4 d（堆載期）、1次/6 d（恒載期）。堆載預(yù)壓過程中監(jiān)測到的孔隙水壓力變化情況如圖13?圖15所示。

通過對圖13?圖15孔隙水壓力變化曲線分析，可得出以下結(jié)論：

圖13 K35+000孔隙水壓力變化曲線圖

圖14 K35+200孔隙水壓力變化曲線圖

圖15 K35+400孔隙水壓力變化曲線圖

（1）從上一次加載到下一次加載的過程中，孔隙水壓力值都經(jīng)歷了增長→消散→增長→消散的過程，這說明附加總應(yīng)力不斷地在向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)化，即在分級加載時，土體內(nèi)孔隙水壓力增大；停載一段時間后，超靜孔隙水壓力消散，測得的孔隙水壓力在減小和回落；在恒載過程中，孔隙水壓力隨著時間的推移也在慢慢消散。此現(xiàn)象較好地反映土體中孔隙水壓力隨上部荷載變化而消散的規(guī)律。

（2）對不同深度孔隙水壓力計監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，整個填土預(yù)壓過程中綜合孔壓系數(shù)（即孔隙水壓力增量和荷載增量之比）最大值為0.371，滿足填土速率控制中要求綜合孔壓系數(shù)B小于0.4的要求。

（3）隨著固結(jié)時間的增長，孔隙水壓力呈現(xiàn)迅減現(xiàn)象，且越接近排水面的孔隙水壓力計，其變化越明顯。這說明超孔隙水壓力變化敏感度跟排水有關(guān)系，即越接近排水面變化越迅速，越遠(yuǎn)離排水面則越緩慢。

4 路基最終沉降量與工后沉降的推算與分析

目前，通過實(shí)測數(shù)據(jù)來預(yù)測沉降曲線擬合的方法有：雙曲線法[11]、指數(shù)曲線法[12]、沉降速率法[13]、三點(diǎn)法[14]、泊松法[15]等。在這幾種常用的方法中，雙曲線法推算的工后沉降偏于保守，這在工程實(shí)際中比較有利，因而工程中常用雙曲線法。在分析實(shí)測沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，沉降量與時間有良好的雙曲線關(guān)系，所以本工程采用雙曲線法來推算最終沉降量以及工后沉降。

根據(jù)地表沉降觀測的結(jié)果，按雙曲線圖解法來推算地表最終沉降量及工后沉降量，按照規(guī)范要求，選取中樁作為推算對象。根據(jù)雙曲線基本公式，確定沉降量推算的基本步驟為：①確定起點(diǎn)時間t0，本文取路基填方施工最后一級荷載加載后為起點(diǎn)時間；②根據(jù)實(shí)測沉降數(shù)據(jù)繪制Δt?Δt/Δs曲線，確定系數(shù)α與β；③計算s∞；④計算st，st取設(shè)計使用年限15年；⑤根據(jù)公式進(jìn)行擬合對比。經(jīng)雙曲線推算最終沉降及工后沉降如表4所示；擬合曲線如圖10所示。

表4 雙曲線法推算最終沉降量及工后沉降量

通過對表4與圖16進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論：

圖16 擬合曲線圖

（1）根據(jù)雙曲線計算結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)上述3處斷面的工后沉降分別為64.429 mm、34.714 mm和64.053 mm，且均小于規(guī)范限定的200 mm[10]。這表明：在低路堤填筑中，袋裝砂井堆載預(yù)壓法對于公路工程軟土路基處理是可行和有效的。

（2）上述推算的最終沉降量指在當(dāng)前荷載下發(fā)生的，可能與路面施工后的實(shí)際工后沉降相比并非絕對準(zhǔn)確，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性、隨機(jī)性，例如觀測工程沉降板受損破壞、造成數(shù)據(jù)間斷都會給沉降推算結(jié)果帶來一定的誤差，但從宏觀上卻能表明沉降量的相對大小及其發(fā)展趨勢。如果要求實(shí)測數(shù)據(jù)精度較高，則需要較長的預(yù)壓時間，對預(yù)壓時間超過6個月的沉降計算結(jié)果較為理想。

（3）采用雙曲線法對3處斷面進(jìn)行工后沉降的推算，其曲線擬和的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.90，這說明采用雙曲線推算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度較大，可信度較高。

5 結(jié)論

以廣東佛山某公路工程為例，選取3處采用袋裝砂井堆載預(yù)壓法的斷面進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）在相接近的軟土層厚度、處理深度與填土高度下，采用袋裝砂井堆載預(yù)壓法處理的地基，地基的總沉降量隨著填筑高度的增加而增加。且在分級加載期間，沉降曲線斜率較陡；但加載完畢后，沉降曲線逐漸趨于平緩，說明地基的沉降量是有限的，符合地基的壓縮沉降規(guī)律。

（2）沉降速率較大值多發(fā)生在堆載期，最大值為8.67 mm/d，小于規(guī)范限定的日沉降速率10 mm/d；而在恒載預(yù)壓期間，沉降速率明顯減緩，這說明了袋裝砂井發(fā)揮了良好的排水固結(jié)的作用，使得軟土地基固結(jié)度提高。

（3）所研究斷面在深度2～6 m范圍內(nèi)的軟土屬于地基處理影響顯著的區(qū)域（該范圍內(nèi)軟土的壓縮量占總壓縮量約為70%）。另外監(jiān)測磁環(huán)越接近地表，沉降量越大，監(jiān)測磁環(huán)埋深越深，沉降量越小，且分層沉降磁環(huán)變化趨勢與地表沉降的變化趨勢相同。

（4）軟土側(cè)向水平位移主要發(fā)生在深度6 m以上的土層中，占到總位移量的約95%。另外，在加載初期，土體側(cè)向水平位移量較大，位移速率較快；隨著堆載的完成，位移速率快速減小。因嚴(yán)格控制加載速率，在進(jìn)行填土施工未出現(xiàn)明顯滑移現(xiàn)象，表明路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）對不同深度孔隙水壓力計監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，整個填土預(yù)壓過程中綜合孔壓系數(shù)B最大值為0.371，小于規(guī)范限定的0.4。另外，從上一次加載到下一次加載的過程中，孔隙水壓力值都經(jīng)歷了增長→消散→增長→消散的過程，這說明在分級加載時，土體內(nèi)孔隙水壓力增大；停載一段時間后，超靜孔隙水壓力消散，孔隙水壓力在減小和回落；在恒載過程中，孔隙水壓力隨著時間的推移也在慢慢的消散。隨著固結(jié)時間的增長，孔隙水壓力呈現(xiàn)迅減現(xiàn)象，且越接近排水面越明顯。

（6）使用雙曲線法對軟土路基進(jìn)行最終沉降及工后沉降推算，其工后沉降控制在34～64 mm之間，小于規(guī)范限定的200 mm，而且經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，3處斷面均處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明采用袋裝砂井堆載預(yù)壓法對控制工后沉降具有一定的作用。