袋装砂井处理公路软基技术的探讨

目前，软土地基加固方法很多，袋装砂井作为一种简便有效的软基处理方法，具有施工方便、工期短、费用低、处理效果较理想的优点。本文结合某公路工程软土地基的具体处理方法和成效，阐述了袋装砂井处理软土路基的设计、施工和监测等内容，为同仁们在修筑公路中软土地基处理的设计和施工提供参考。
　　 1 工程概况及其地质条件
　　某公路工程路线长2.192km，其中软土地基路段约400 m，填土高度平均4.5m，位于冲积平原，地层厚度均匀，层位稳定，地层主要由第四系新近沉积的淤质土和第四系下更新统的灰、杂色粘土和砂层构成。其层次由上至下分别为粘土（硬壳层）、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粘土，其物理力学指标见表1。
　　（1）粘土（硬壳层）：灰黄色，含少量粉砂粒，湿、硬塑状，厚度0.6～1.2m；
　　（2）淤泥质粉质粘土：灰色，含较多粉砂粒，局部见清晰层理，层面间粉砂，饱和、软塑状，厚度9～12m；
　　（3）粉质粘土：灰色，具有较清晰层理，层面间粉砂，饱和、可塑状，厚度约3.5m；
　　（4）粘土：灰黄或灰色，含少量粉砂粒，湿、硬塑状，厚度2～6m。

表1 各层土的物理力学指标

　　
　　分析表1数据，可得出该软土具有以下特性：
　　（1）天然含水量高、孔隙比大，存在前期固结性差、基本承载力低的特点，在荷载的作用下将必然会造成孔隙水排出使孔隙率减小，产生沉降变形；
　　（2）天然强度低，凝聚力小、抗剪强度低，在荷载作用下易产生侧向变形，从而控制了填土速率及高度；
　　（3）固结系数小、渗透性差，固结速度缓慢，要达到一定的固结需要较长的时间；
　　（4）压缩系数大、弹性模量小，在荷载的作用下，软土层将有较大的压缩沉降，增大了沉降土方量；
　　（5）软土层含较多粉粒，层理多且层面间有粉粒，在一定范围内土的性质不均匀。
　　 2 处理方法的选择
　　该项目在实施过程中存在设计及施工工期短、资金紧缺、邻近建筑物多、施工场地有限、大型机械设备进场难度大等多种困难。结合本工程现场的实际情况，通过对技术和工程投资的综合比较，发现在本路段采用袋装砂井辅以砂垫层方法进行处理具有以下优点：
　　（1）采用袋装砂井施工措施，能较好地解决了因打入桩造成对邻近建筑物的影响；
　　（2）机械设备相对较小,能充分克服施工场地有限和不便进场的客观不利因素；
　　（3）能充分利用地材，节约工程投资；
　　（4）本方法技术成熟，施工工艺简便，在达到竖向排水固结软土目的同时能有效缩短施工工期。
　　 3 袋装砂井软基处理
　　 3.1 设计计算基本参数
　　砂井井径、间距及布置经多次固结计算确定直径为7cm、间距1.2m，按梅花型排列；砂井长度经地基稳定和工后容许沉降计算确定平均长度为10m；砂垫层厚度60cm，保证高出地表水位20cm；考虑到沉降量较大，故设置40～60cm的预留沉降量以保证砂垫层的使用质量。
　　 3.2 设计计算
　　（1）沉降及固结时间计算。
　　路基总沉降S由瞬时沉降Sd、固结沉降Sc和次固结沉降Ss三部分组成。瞬时沉降指在加荷初始地基土的孔隙水压力消散及其孔隙调整来不及，而产生侧向变形的沉降，该沉降小且完成快；固结沉降指在上覆压力作用下，地基中的孔隙水逐步排出产生体积变化引起的沉降，是地基沉降的主要组成部分；次固结沉降指孔隙水压力消散后，在一定的有效应力作用下，土骨架由于蠕动变形而产生的沉降，该沉降很小且持续时间很长，难以精确计算，因此在计算总沉降量时经常忽略不计。
本段软土为单一软土层，下卧层为粘性土，固结排水属于单面排水情况。因此，其固结沉降Sc、瞬时沉降Sd、总沉降S可分别按式⑴计算分别为65cm、9cm、74cm。
　　　　 ⑴
　　式中，e1i―第i层中点之土自重应力所对应的孔隙比；
　　 e2i―第i层中点之土自重应力和附加应力之和相对应的孔隙比；
　　 F―沉降系数，由沉降系数图查求；
　　 p―路基面中心线上的梯形荷载强度；
　　 B―换算荷载宽度，即梯形荷载平均宽度的1/2；
　　 E―地基土的弹性模量。
　　固结度包括横向固结度和竖向固结度，但由于软土层的厚度比砂井的间距要大得多，工程实际中常忽略了竖向固结度的计算。因此，固结时间可以通过式⑵求得。利用式⑵不难计算出不同固结度所需要的固结时间，本工程软土经袋装砂井处理后，经计算固结度达到80%时所需要的固结时间为207d。
　　　　 ⑵
　　式中， Th 横向固结时间因数；
　　
　　 Ur 径向平均固结度；
　　
　　 Ch 软土层的横向固结系数；
　　
　　 Cv 软土的竖向固结系数；
　　
　　 de 砂井影响范围的直径；
　　
　　 n 井径比，n=de/dw(dw砂井直径)。
　　
　　在计算得到总沉降和固结时间后，为了保证工程质量，还应对工后剩余沉降量进行计算，见式（3）。本段软土地基经处理后，设计要求在固结度达80%时，工后剩余沉降量为22cm。
　　 ΔS=S-St=(1-Ut)S ⑶
　　式中， ΔS 工后剩余沉降量；
　　
　　 St t时间的沉降量；
　　
　　 Ut t时间的固结度。
（2）稳定计算。
　　为保证软土地基在经袋装砂井处理后稳定性，可利用条分法对打砂井前和打砂井后两种情况路基的滑动破坏安全系数Fs进行计算，比较其是否达到规范要求。路基滑动破坏安全系数按式（4）计算：
　　 ⑷
　　式中： W 细条土的总荷载；
　　
　　 α 细条滑动面的平均倾角；
　　
　　 Cu 细条滑动面上土的非排水粘聚力；
　　
　　 Фu 细条滑动面上土的非排水内摩擦角；
　　
　　 l 细条滑动面的长度。
　　
　　经计算，打砂井前和打砂井后路基滑动破坏最小安全系数分别为1.38和1.06，即表明打砂井后路基方处于稳定状态。
　　 4 施工与质量控制
　　 4.1 软土路基处理施工
　　 4.1.1 施工准备
　　首先，应先将沿线水塘、沟坑水排干，并填以砂性土或中粗砂，与砂垫层袋装井构成统一排水系统；其次，选择合格的料场和适用的施工机械设备。
　　 4.1.2 材料
　　（1）砂袋：应选用渗透系数不小于砂的渗透系数的聚丙烯或其他合适材料制成的编织袋，且其抗拉强度应能保证承受砂袋自重；
　　（2）砂：必须是大于0.5mm的颗粒占总重50％以上、含泥量不大于3%、渗透系数不小于5×10-3cm/s的中粗砂。
　　 4.2 施工工艺与质量控制
　　袋装砂井处理软弱地基是一比较成熟的技术，目前常用的施工工艺流程为：整平地面→铺设下层砂垫层→设备定位→打入套管→沉入砂袋→拔出套管→设备移位→埋砂袋头→铺上层砂垫层。
　　为保证施工质量，在施工中应重点对以下内容进行有效控制：
　　（1）对原材料按一定频率进行检验，保证其质量和稳定性；
　　（2）严格控制砂袋灌砂率，并避免长时间曝晒，以保证灌砂后的砂袋达到预期的质量效果；
　　（3）打入的套管应保证符合规范要求的垂直度，同时打入深度必须符合设计要求，否则难以保证排水固结的效果；
　　（4）砂袋入井应首先垂吊，然后经套管口端部滚轮徐徐放入套管内，此间砂袋不得发生扭结、断裂等现象，同时应防止套管拔起时将砂袋带出乃至损坏；
　　（5）砂袋孔口预留长度必须满足能伸入砂垫层不少于30cm，且袋口应垂直向上不卧倒，同时砂垫层的厚度应保证高出水面20cm，确保软土地基中排出的水顺畅流出路基范围，以提高路基整体强度；
　　（6）在经袋装砂井处理的软基路段填筑路基时，应做好施工监控量测工作，并根据监测结果适时对填筑速度进行调整；在极限填高之前，因失稳可能性极小，路基填土可快速施工而不会出现失稳，但在接近和超过极限填土高度时，监测工作须按图1程序进行。

图1 接近和超过极限填土高度时监测程序

5 软土地基处理效果观测
　　为验证袋装砂井在本路段软土地基处理中设计、施工的可行性，施工和填筑中对路基进行了沉降、侧向位移的动态跟踪观测。监控量测共选取4个横断面分别布设地面沉降板和地面位移桩。路基填筑过程中，其中心沉降板沉降速率为4~7mm/d，平均5mm/d，小于设计要求的控制沉降速率10mm/d；地面位移桩位移为2~5 mm/d ，平均4mm/d，小于设计要求的5mm/d；地面位移桩在测试过程中，没有发生沉降和抬起现象。地面沉降板和地面位移桩在填筑时每天测试、停载时每3~4 d观测1次、路基完成后每10 d观测1次。经对观测数据分析发现，路堤完成后放置60d达到最终沉降量的剩余沉降为20~23mm，与设计计算的22mm接近。
　　 6 结论
　　通过对以上各个环节及相关监控量测结果分析，可以得出以下结论：
　　 ⑴处理效果观测结果数据表明：该路基一直都在稳定的状态下进行加载，其设计结果参数与工后的观测数据能基本吻合，处理的设计及采取的施工工艺均较合理，处理的结果是成功的。通过近4年的道路通车运行，该路段路基、路面目前均未出现明显的沉降、失稳等病害，较好的证明以上结论。
　　 ⑵在工程设计和施工中，应对所在区域的工程地质和水文条件进行详细的勘察，针对所在区域内发现的软土地基要因地制宜、就地取材，通过合理的技术经济比较，选择一种合理的方案是软土地基处理成功与否的关键所在。
　　 ⑶软基处理属于隐蔽工程，为此施工应严格按照规范及设计要求进行，抓好每一个工艺过程，使其程序化和规范化。
　　 ⑷软基处理除了进行认真设计和施工外，还应高度重视沉降观测工作。必须做到：详细设计沉降观测方案，认真收集原始观测数据，加强施工动态控制、沉降及稳定性分析，随时指导施工。