软土路基中砂排水层的替换方式试验研究

软土路基中砂排水层的替换方式试验研究

史啸

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司  上海  200092

摘要：市政基础设施工程软土路基处理中选用真空联合堆载排水预压法，此方法的优点是操作简易、性价比高、加固效果好以及原理简单，不过处理效果会受到排水系统设计与施工影响。考虑到浙南地区砂原材料紧张，且工期较紧等因素，可以基于传统竖向排水板工艺引进替代型排水，然后做现场试验。经过试验发现复合排水垫与塑料盲沟均具有着较好通水性与集水性，且应用替代型横向排水材料后，除了减少地基沉降，还能提高表层土体真空度，具有良好的加固效果，表现出较好的经济价值与社会效益。

关键词：排水预压法；排水系统；塑料盲沟；现场试验；复合排水垫

0、引言

市政基础设施建设中常遇到软土路基处理工程，其中有较多的工程都选用真空联合堆载排水预压法，加固效果好、施工方便、原理简单，处理效果通常会受到排水系统影响，规范的施工操作与科学的排水系统是提高地基加固的重点。在加固原地基时，排水系统能够产生较大的压力，不仅可以影响到地基排水边界的状态，还可以排除孔隙水。当载荷力对排水系统产生影响以后，地基土的有效应力也会增加，从而产生了土体固结现象。当地基土加固速度变快以后，便可以符合施工的具体要求。排水系统中垂直式系统已经较为成熟，多为砂井、塑料排水板与袋装砂井[1]，变化较大的是水平式系统，如砂垫层与土工合成材料等，当使用不同的排水系统时，所起到的排水固结效果也不会相同。为此，在竖向排水已经成熟稳定的情况下，为求施工便捷和达到更佳效果，在实际排水处理过程中，需根据土地基工程地质的具体情况进行对比分析后，以明确理想的横向排水形式以供在大面积施工时所选取[2]。

塑料盲沟是一种很常见的横向排水设施，它由两部分组成（见图1）。其中，塑料盲沟芯体是一种聚烯烃高分子材料经热熔挤出塑料丝束后，采用特定成型工艺构建成三维空间结构。其和传统排水盲沟相比，塑料盲沟排有着水能力较强、承压强度较大、表面孔隙率大以及柔韧性好等特点，还可以自适应四周土体。

图2所示是一种复合排水垫，它由可以沿自身平面进行排水的芯材及粘结在芯材上下两面的聚丙烯无纺土工布组成，无纺土工布起到过滤的作用，防止芯材出现淤堵。芯材主要是有高分子聚合物（聚丙烯）通过连续挤压形成的具有固定形状的排水通道，为一种较为新型的替代型横向排水材料；接下来本文将依托背景工程对既定的软基方案，着重对几种横向排水材料进行对比研究。

图1 塑料盲沟成品                图2 复合排水垫成品

1、替代型横向排水材料真空预压处理软基方案设计

1.1工程概况

经过现场勘查资料分析，定在温州经济技术开发区滨海核心区市政基础设施工程当成试验项目，目标是软土改造后做路基使用。该海涂区域地形平坦，面积约21万m2。根据资料所得，钻探深度由下至上分别为：强风化白云岩、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、杂填土。而地下水位埋深为0.8~1.6m，中部淤泥黏土力学性质差，特点分别为孔隙比大、含水率高、压缩性高、强度低。

1.2替代型横向排水材料软基处理方案设计

本次试验采用了真空联合堆载预压固结放松。分别设置复合排水垫竖向排水加固区、塑料盲沟水平排水加固区、复合排水垫水平排水加固区、普通加固区四种试验，比较分析试验区的加固结果后，具体数据见表1。

表1替代型横向排水材料加固软基方案及设计参数

1.3现场测试方案及仪器埋设

为了监测加固中地基的固结变化情况，具体比较分析了不同排水材料的加固效果，同时按照各种排水体类型，设置预测断面，示意图如下。

图3 现场测试断面图

2、替代型横向排水材料加固功效分析

针对砂源较多的区域，当对其地基进行真空处理时，通常会将砂垫层作为水平排水体，其主要目的是更好传递真空压力和水平排水。

抽真空后密封膜内砂垫层中的气体会率先被抽出，同时由于密封膜会与砂垫层紧密结合到一起，因此使得膜的内外区域产生了压力差，载荷会直接作用到砂垫层上，此类压力差即为真空度，真空度在砂垫层中形成，且由竖向排水通道向地基土传递，土中孔隙水压力会减少，并产生一种负超静孔压，土体孔隙中的水体山土体渗入竖向排水通道，直至地表，进而流入砂垫层，最后由吸水主管与滤管抽出[3]。

不管是复合排水垫还是塑料盲沟，均具有较好通水性与集水性，其排水效果显著，可以通过以下两点来判断真空预压工程的有效性：

一是经济性，以成本来判断造价和经济实惠性；二是传递真空压力的能力，判断进行抽真空后，在限定时间内加固区膜的真空度是否大于80kPa[4]，有没有达到预期要求。

2.2抽真空后膜下真空度上升情况分析

通过膜下真空度观测，分别对普通砂垫层、塑料盲沟与复合排水垫的不同水平排水体曲线进行绘制（见下图）。

图4 不同水平排水体抽真空后膜下真空度上升曲线

根据图4可以看出，试验场地密封性较好时，试验天数约4~5天时，普通砂垫层中膜下真空度升至90kPa以上。通过真空处理以后，砂垫层内部的气体会被排出，其内部的真空度会逐渐增加。由于采用的砂垫层级配不均，因而颗粒间通常为点接触，并保持较好的透气性，因此真空度在砂垫层的传递是均匀的、迅速的[5]。对于水平排水体而言，在应用塑料盲沟后，其对应的摸下真空度会不会出现急剧变化。在初期阶段中，真空度数值会缓慢增加。一般情况下，将真空度数值提高到80kPa，大约花费20天。关于复合排水垫方案，其真空度抽真空的情况与砂垫层基本相同，在前四到五个小时内，真空度会快速提升，并接近65kPa。仅花费12天真空度数值就能增加到80kPa。

从理论层面来看，如果真空预压排水管道系统有着不错的密封效果，且加固区域的密封系统非常可靠，不会出现漏气问题，那么将复合排水垫及塑料盲沟作为排水方式，其与砂垫层模下真空度增加到设计数值的时间没有太大差异[6]。

2.3便于对地基沉降量进行对比分析

针对建筑工程项目，在地基处理过程中，核心目标是降低地基沉降量。在软基固结期间，通过深入分析减少地基沉降量的原因，能够为新工艺及新材料的地基处理工作提供指标数据。本文基于三种材料得到了多种地基沉积数据，具体见下表。

表2  不同水平排水材料地基沉降量对比分析

自纯抽真空之后的一个月内，依据消除地基沉降量的数值可知，这三种材料对应的地基沉降量数值没有太大差异。结合上表中的平均速率可知，符合排水垫与砂垫层的数值为3.09 mm/d，而塑料盲沟的数值为3.84 mm/d，这也表明三种材料在该指标上的差异不大。由此可知，同时使用塑料盲沟、复合排水垫，可以使地基的沉降量变小，这表明上述材料能够取代砂垫层，且满足软基处理的多种要求。

2.4地基变形规律分析

结合图5中的数据可知，随着深度的增加，地基土的沉降会表现递减特征，与地表相接近的地基沉降量与地表的地基沉降量基本相同。

通过地基沉降集中在地下10m以上的区域，超过10m以后，地基的沉降量相对较少，但也会存在压缩变形的情况。

由此可以看出，水平排水体选用新型材料，能够与竖向排水板紧密结合到一起，在真空主管的作用下，真空度会经竖向排水板传递到地基更深处，因此真空度不会出现较大的损失，地基孔隙内部的水可以借助排水板进入到真空主管中，然后被泵送出去，地基能够起到较好的加固效果。

由上述数据可知，在消除地基深层变形的作用方面，复合排水垫与塑料盲沟能够起到与砂垫层差不多的效果。

图5 两类横向排水深层沉降变化曲线

2.5深层软土土性指标分析

在地基软体进行加固以后，对软件的加固情况进行分析，通过对比方式对真空预压所起到的加固作用进行分析。其中，在进行真空预压加固之前和之后，在加固区域的多个观测断面的同个地点完成了静压力触探及十字板剪切试验，并通过钻孔采集到加固区域的土，完成室内土工试验。

结合进行加固处理之前和之后的试验数据，采用对比分析方式了解软土的改善情况，并对加固效果进行评价。

针对加固之前和之后的淤泥质黏土层软土，对相应的物理力学指标进行对比分析，具体可见下表所示。

表3 淤泥质粘土层加固前后主要土性指标变化情况汇总

结合上表中的数据发现，在使用上表中的材料以后，能够明显减小软土内部的孔隙比及含水率，同时也能增加软土密度及压缩模量。

相比以往的砂垫层方式，在使用复合垫排水方式时，深层淤泥质土体的压缩指标没得起到满意的效果。不过，复合垫排水及塑料盲沟的其它加固效果与传统砂垫层基本相同，这表明这种方式能够替代横向排水材料。

3、经济性对比分析

针对一些砂源较为紧张的区域，可以使用复合排水垫和塑料盲沟结构，以此替换砂垫层，成为新型的水平排水结构，这样可以有效减少排水管的用量。

针对水平排水模式，本文给出了替代材料，通过综合分析这些材料与砂垫层水平模式的经济成本，可以深入了解替代材料的经济应用性。将加固面积设计成5000 m2,并确保排水板间的间隔距离为1.2m,选用复合排水垫或者塑料盲沟替代原设计中40 cm厚度砂垫层，接着计算出工程造价的具体数值，详情见下表。

表4 不同水平排水体单价对比分析

结合上表数据可知，将复合排水垫和塑料盲沟当作水平排水结构，相比砂垫层，能够节约经济成本，约节约工程造价16-18元/m2，所以这两种方式有着不错的经济效益。其中，复合排水垫方案的成本略低于塑料盲沟的经济成本。

4、结论

（1）在温州到浙南滨海区域，砂石料资源相对较少，可以尝试使用横向排水材料，降低砂石料的使用量及施工成本。

（2）结合上述研究数据可知，复合排水垫及塑料盲沟均可以用作排水材料，并能替代砂垫层取得不错效果，也符合软基层的加固要求。此外，使用这两种排水材料以后，能够提高施工的便利性，有效提高社会及经济效益。

（3）具体选用塑料盲沟和复合排水垫，可根据道路的路幅宽度和结合成本因素，按照现场的实际情况进行选用代替砂垫层的方式。

参考文献：

[1] 李世洋,曾长贤,李一帆,等． 不同方法加固路堤下上覆砂层下卧淤泥层地基的效果对比[J].工业建筑,2014,44(12):88－94.

[2] 赵亮,王昌贤,王俊杰. 高速公路软土地基加固效果数值模拟[J].重庆交通大学学报( 自然科学版),2014,33(1):60－63.

[3］顾军明，钱均. 三种软基处理方法加固效果对比分析研究[J].现代交通技术，2017,14(2):11-15．

[4］宋修广, 周志东，杨阳,等． 强夯法加固无黏性土路基的现场试验与数值分析[J].公路交通科技,2014,31(3):1-6．

[5］谭颖． 软基处理加固效果的试验研究及相关问题的处理[J]．北方交通，2010(3)．34-36.