市政道路水袋預(yù)壓法的研究與應(yīng)用

陳曉發(fā)

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率不斷提高，市政道路的建成迎來(lái)了高速發(fā)展的時(shí)期。廣東省作為沿海省份，尤其是汕頭市作為沿海城市，軟土遍布，軟土深厚。采用傳統(tǒng)的軟基處理方法，如水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、預(yù)制管樁、CFG樁等，不僅價(jià)格高昂，施工機(jī)械還會(huì)產(chǎn)生噪音污染。如采用堆土預(yù)壓，則需要大量外購(gòu)堆載土方，容易揚(yáng)塵，加劇空氣污染。市政道路急需一種兼具環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性的軟基處理方法。因此，一種改良后的堆載預(yù)壓法——“水袋預(yù)壓法”應(yīng)運(yùn)而生。

1 水袋預(yù)壓法的應(yīng)用現(xiàn)狀

堆載預(yù)壓一般是采用土方進(jìn)行堆載，而后改良為水池蓄水進(jìn)行堆載。后來(lái)通過(guò)對(duì)水池堆載的進(jìn)一步改良，發(fā)展為現(xiàn)在的水袋堆載。我國(guó)對(duì)水袋預(yù)壓法的研究從2012年開始，而正式應(yīng)用于工程則是在2018年的湖南省南益高速公路[1]。近年來(lái)，廣東省高速公路等項(xiàng)目，如興寧～汕尾高速公路、廣東東海島～雷州高速公路等，也廣泛使用水袋預(yù)壓法進(jìn)行軟基處理，效果良好。受限于市政道路規(guī)模小的特點(diǎn)，目前，水袋預(yù)壓法還未廣泛應(yīng)用于市政道路。

2 水袋預(yù)壓法技術(shù)研究

2.1 水袋預(yù)壓法是水池預(yù)壓法的改進(jìn)

水池預(yù)壓法是通過(guò)水池蓄水來(lái)代替土方，通過(guò)水的重力作用進(jìn)行預(yù)壓[2]。由于水是液體，在重力的作用下會(huì)趨于水平。而路堤通常都是有坡度的，因此，當(dāng)水池長(zhǎng)度不變的情況下，縱坡i%越大，水池前后的水位高差h就越大，如圖1所示。產(chǎn)生水位差后，水位高的地方就會(huì)變成超載預(yù)壓，水位低的地方就會(huì)變成欠載預(yù)壓。當(dāng)水位差過(guò)大時(shí)，路基前后位置就會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，對(duì)車輛行駛的舒適性造成影響。

圖1 水池蓄水高度示意圖

為了保證水位差h在一定的范圍內(nèi)，當(dāng)縱坡i%變大時(shí)，需要通過(guò)調(diào)整圍堰的距離，減少水池的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，造成圍堰的土方增加，通過(guò)水池預(yù)壓節(jié)約的堆載土方量也相應(yīng)減少。水池預(yù)壓節(jié)約的土方與縱坡的比值如表1所示，水池平均水位2m，水位高差0.5m，路堤頂寬30m，圍堰平均高度2.2m，圍堰頂寬1m，坡率為1∶1。

表1 不同縱坡下水池預(yù)壓法節(jié)約土方比例表

由表中可以看出，當(dāng)縱坡大于3%時(shí)，水池預(yù)壓有60%的荷載由圍堰土方提供，水池預(yù)壓逐漸變?yōu)橥凛d預(yù)壓，水池預(yù)壓法的經(jīng)濟(jì)性不高。因此，需要尋找一種經(jīng)濟(jì)的方式將水限制在較小的寬度內(nèi)。

采用水箱進(jìn)行蓄水預(yù)壓，是一種早期的方法，水箱式水載預(yù)壓法采用水箱蓄水的方式進(jìn)行預(yù)壓。首先，采用鋼模板在路基上組裝成開口水箱，在箱內(nèi)鋪設(shè)PVC 密封膜，然后注水并安裝箱蓋后進(jìn)行預(yù)壓。該方法的水箱可以根據(jù)所需預(yù)壓水深進(jìn)行多層疊放，預(yù)壓完畢水箱可以回收并再次使用，降低成本，但一次性投入較大，對(duì)地基不均勻變形適應(yīng)性也較差，因此應(yīng)用較少。

水袋式水載預(yù)壓法采用高強(qiáng)度PVC水袋或橡膠水袋充水進(jìn)行預(yù)壓，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新工藝。采用寬度較小的水袋裝水進(jìn)行堆載成為一種選擇。當(dāng)水袋寬度為5m，道路縱坡為5%時(shí)，水袋內(nèi)高差僅為25cm。

2.2 水袋預(yù)壓法介紹

水袋預(yù)壓法是通過(guò)水袋蓄水來(lái)代替土方，通過(guò)水的重力作用進(jìn)行預(yù)壓。水載壓力Pw與水載高度ηb的關(guān)系如公式(1)所示。

Pw=ηbγwδ公式

(1)

式中：δ為不均勻系數(shù)，一般在0.8～0.95。

受道路縱坡、水袋之間空隙率，水袋裝水率等因素的影響。一般，道路縱坡越大，水袋之間空隙率越高，水袋裝水率越大時(shí)，不均勻系數(shù)δ越小。相反，道路縱坡越小，水袋之間空隙率越低，水袋裝水率越小時(shí)，不均勻系數(shù)δ越大。

因此，為了減少不均勻系數(shù)δ的影響，常用的方法如下。

1)使用寬度較小的水袋，減少道路縱坡對(duì)水袋的影響。

2)從道路較低的一側(cè)開始鋪設(shè)水袋，依靠重力的作用，減少水袋之間的空隙率。

3)水袋裝水率控制在80%左右，其余20%填充空氣。如圖2所示，假設(shè)水袋充水高度為H米，N、N為水袋單元拉力，P為水袋內(nèi)壓力，f為地面摩擦力，不考慮頂部空氣壓力，按理想狀態(tài)分析水袋受力。水袋內(nèi)水壓力隨著水深的增加而增加，水袋在水壓力的作用下呈現(xiàn)出下寬上窄的形狀，如圖3所示。因此，當(dāng)水袋裝水率越高時(shí)，水袋越不均勻，如圖4所示，裝水率80%的水袋比裝水率95%的水袋均勻。

圖2 水袋受力分析圖

圖3 水袋裝水后形狀實(shí)圖

圖4水袋不同裝水率均勻性示意圖

3 水袋預(yù)壓法應(yīng)用

3.1 工程概況

項(xiàng)目位于汕頭市中心城區(qū)龍湖區(qū)，道路為主路雙向6車道+輔道雙向4車道。道路一般路段填土高度在2.7m左右，橋頭路段填土高度在6m左右，不進(jìn)行軟基處理，一般路段沉降高度為34cm，橋頭路段為52cm，如表2所示，均不能滿足工后沉降的要求，需要進(jìn)行軟基處理。道路沿線分布民房、工廠等，為人口密集區(qū)。因此，對(duì)軟基處理方法的選擇有嚴(yán)格的要求，既要環(huán)保，又要經(jīng)濟(jì)。

表2 工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 地質(zhì)概況

根據(jù)鉆孔揭露的巖土層，道路覆蓋層主要由第四系人工填土、河流沖積相粉質(zhì)粘土、砂層、海陸交互相軟土、砂層、殘積粉質(zhì)粘土組成；基底由燕山期花崗巖及其風(fēng)化層組成，各地層巖性特征分述如下。

1)素填土：褐黃色，稍濕，欠壓實(shí)。

2)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰黑色，飽和，流塑，含有機(jī)質(zhì)，具有腥臭味，夾薄層狀淤泥質(zhì)粉砂，夾多量貝殼碎屑。

3)淤泥質(zhì)粉砂：灰黑色、灰色，飽和，松散，級(jí)配差，含少量淤泥質(zhì)土，夾少量貝殼類生物碎屑。局部分布。

4)粉質(zhì)粘土：深灰色，濕，可塑，粘性好，由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土固結(jié)而成。

3.3 軟基處理方案

初步擬定水泥攪拌樁復(fù)合地基法、高壓旋噴樁復(fù)合地基法、CFG樁復(fù)合地基法、管樁復(fù)合地基法和堆載預(yù)壓法進(jìn)行綜合比選。采用傳統(tǒng)的軟基處理方法噪音大、不經(jīng)濟(jì)，采用土方堆載則購(gòu)?fù)晾щy，且項(xiàng)目工期主要由跨江大橋這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，在工期充足的情況下，經(jīng)綜合比選之后，軟基處理方法決定采用水袋預(yù)壓+塑料排水板，橋頭路段再采用管樁復(fù)合地基進(jìn)行二次處理。

如圖5所示，h為水袋中水的高度，h為沉降補(bǔ)填土方高度，h為路基填土高度。h高度根據(jù)路面結(jié)構(gòu)厚度換算，路面結(jié)構(gòu)平均容重為24kN/m，主路路面結(jié)構(gòu)厚度為87cm，輔道路面結(jié)構(gòu)厚度為79cm，換算后，主路水袋中水的高度為2.1m，輔道水袋中水的高度為1.9m，均為等載預(yù)壓。

圖5 水袋預(yù)壓法示意圖

水袋由密封橡膠水囊層、進(jìn)出水閥門、排氣閥組成，如圖6所示。囊體橡膠采用天然橡膠+丁苯橡膠，抗老化、抗紫外線性能較好?；疾馁|(zhì)為聚酯纖維，涂層類型為E-pvc，厚度不小于0.8mm，重量不小于1070g/m；拉力強(qiáng)度經(jīng)向不小于4090N/5cm，緯向不小于4510N/5cm；撕裂強(qiáng)度經(jīng)向不小于625N，緯向不小于510N；剝離強(qiáng)度不小于180N；囊體材料搭接5cm，接頭抗拉強(qiáng)度等同母材。

圖6 水袋示意圖

由于囊體長(zhǎng)期曝露在外會(huì)造成囊體材料老化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，影響結(jié)構(gòu)安全，故需在囊體表面覆蓋遮陽(yáng)網(wǎng)等保護(hù)囊體。

水袋敷設(shè)后剩余的不規(guī)則三角地帶或?qū)挾容^小位置采用土袋或小尺寸水袋進(jìn)行預(yù)壓。

水袋施工前，路基兩側(cè)必須設(shè)置30cm高攔水堤壩，避免雨季對(duì)邊坡造成損害。

抽水加載應(yīng)分級(jí)進(jìn)行，每次加水高度不應(yīng)超過(guò)50cm，經(jīng)沉降觀測(cè)符合設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行下一級(jí)加載，直至設(shè)計(jì)等載高度。

加載與預(yù)壓過(guò)程中須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與安全管理，如發(fā)現(xiàn)沉降速率過(guò)大、水袋漏水或堤壩出現(xiàn)嚴(yán)重變形等情況，應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施，以防出現(xiàn)質(zhì)量安全事故。

3.4 水袋預(yù)壓法施工

1)進(jìn)行場(chǎng)地平整；2)填筑50cm厚砂墊層；3)施工塑料排水板，插設(shè)塑料排水板采用套筒式，排水板留出孔口長(zhǎng)度伸入砂墊層30cm，并彎折50cm；4)鋪設(shè)砂墊層頂部土工格柵；5)進(jìn)行路堤填筑施工；6)水袋預(yù)壓施工工藝流程為：測(cè)量放樣——修筑攔水堤壩——鋪設(shè)防水薄膜——隔袋、分級(jí)注水——卸載。

3.5 水袋預(yù)壓法監(jiān)測(cè)

1)水袋預(yù)壓路段監(jiān)測(cè)斷面間距不宜大于100m，路基高度超過(guò)天然地基極限填土高度的路段監(jiān)測(cè)斷面間距不宜大于50m；2)水袋預(yù)壓沉降監(jiān)測(cè)宜采用沉降計(jì)，沉降較大時(shí)可采用多圈電位器式沉降計(jì)；3)水袋預(yù)壓前路基中線、路肩處應(yīng)設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；采用沉降板時(shí)，水袋預(yù)壓施工過(guò)程中，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜設(shè)置在路肩處；4)施工監(jiān)測(cè)宜從軟基處理前開始監(jiān)測(cè)；5)每層土監(jiān)測(cè)次數(shù)不宜少于2次，蓄水期間每天監(jiān)測(cè)次數(shù)不應(yīng)少于1次，預(yù)壓期間監(jiān)測(cè)頻率不宜小于1次/15d。

3.6 應(yīng)用效果分析

1)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，水袋預(yù)壓具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)測(cè)算，采用水袋預(yù)壓1.8m(相當(dāng)于堆載土方1m)厚度，其工程造價(jià)平均為26元/m2；而采用常規(guī)堆載(堆土)預(yù)壓的工程造價(jià)約為60元/m2，采用水袋預(yù)壓可以節(jié)約成本56.7%，水袋預(yù)壓的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的[3]。

2)具有良好的社會(huì)效益，水袋預(yù)壓采用密封水囊，水囊可折疊性好，運(yùn)輸、拆除方便，現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)單，不需要大量機(jī)械、人員配合作業(yè)，不產(chǎn)生噪音[4]。后期拆除便捷、速度快亦不會(huì)對(duì)原路基造成較大破壞，水為可再生資源，經(jīng)處理后卸載排放至河流，避免對(duì)水體造成污染，且可循環(huán)利用，同時(shí)避免了對(duì)填土堆載預(yù)壓對(duì)山體的大面積開采，社會(huì)環(huán)保效益顯著[5]。

3)需要不斷進(jìn)行改進(jìn)，市政道路區(qū)別于公路的一個(gè)特點(diǎn)就是交叉口眾多，平均200m就會(huì)有一個(gè)交叉口。在交叉口范圍內(nèi)進(jìn)行水袋預(yù)壓時(shí)，轉(zhuǎn)角處需要采用土袋進(jìn)行堆載，由此會(huì)產(chǎn)生棄土，因此，需要開發(fā)一些專門適用于交叉口范圍的異形水袋。

水袋預(yù)壓水袋高度一般在2.5m左右，如需進(jìn)行超載預(yù)壓時(shí)，水袋爆袋率會(huì)增加，研究表明，當(dāng)水袋超過(guò)2.5m時(shí)，水袋爆袋率會(huì)急劇提高，因此，開發(fā)一種適用于超載預(yù)壓的水袋也是水袋預(yù)壓法不斷改進(jìn)的方向。

4 結(jié)語(yǔ)

水袋預(yù)壓法在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中還存在一些弊端。但水袋預(yù)壓法對(duì)比水池預(yù)壓、水箱預(yù)壓和傳統(tǒng)的土載預(yù)壓已具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，隨著水袋預(yù)壓法的不斷改進(jìn)，和國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日益重視和人民對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高，環(huán)保、安靜、經(jīng)濟(jì)的水袋預(yù)壓技術(shù)將會(huì)越來(lái)越引起重視，尤其是在缺乏土方來(lái)源的市政道路建設(shè)中將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。