堆载预压法在路桥软土路基施工中的应用
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堆载预压法在路桥软土路基施工中的应用
摘要:本文主要是从堆载预压法加固原理,详细阐述了堆载预压处理软土地基的施工方法,并通过实践证明,堆载预压和排水系统的有效结合,可以有效的达到排水固结地基的作用,加速地基土的凝固,可供同行参考。
关键词:堆载预压加固机理软土路基
前言:
随着社会的不断进步,经济的快速发展,公路软土地基加固处理的新方法、新技术越来越多,比如有水泥土搅拌法(即深层搅拌桩)、高压喷射注浆法、静压注浆法、排水固结法(包括堆载预压法、真空预压法、动力排水固结法) 等 , 而堆载预压法因其施工简便、费用较低、加固效果较好,成为应用最广泛的软基加固方法之一。
公路、铁路、市政等基础设施建设的飞速发展, 在建设中面临着大量的地基处理问题, 特别是在沿海和内陆地区广泛分布着冲击、沉积的软黏土, 这些土通常都具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强度低和厚度不均等特点,
为了减少路基的沉降和工后沉降, 都需对道路软基进行处理。地基处理的目的有两个: 一是提高天然地基承载力, 使其达到设计要求; 二是预先消除地基在使用荷载下所能发生的大部分变形, 使建筑物在使用期间不致产生不利的沉降和沉降差 。
1 堆载预压法加固原理
1 1 软土强度增长的原理
一般来说, 作用于饱和黏性土地基上的荷载,在最初时刻, 全部由土中孔隙水压力承担从而造成很大的超孔隙水压力。超孔隙水压力的区域的孔隙水向压力小的区域流动, 这就是孔隙水压力的消散。由于黏性土的渗透系数很小, 孔隙水的流出十分缓慢, 故而孔隙水压力的消散是一个相当长的过程。伴随着孔隙水的排走, 土体产生相应的压缩变形, 土的强度也随之逐渐增大。由此可见, 孔隙水压力的消散过程就是土的压缩固结过程, 也就是土的强度增长过程 。所以, 为了提高地基土的抗剪强度, 减少建筑物地基发生过大的沉降或差异沉降, 就必须使土中一部分孔隙水在建筑物正式施工前尽快排走。
孔隙水的排走通常有三条途径: 一是在地面上预加一个压力, 从而在土体内造成一个压差, 迫使孔隙水向砂层或通过预先设置的滤层排走; 二是在土体内规定的部位施加一个负压, 这样也能在土体内造成一个压差, 诱使孔隙水向负压区集中排走;三是利用电能在土体内造成一个电势差, 驱使孔隙水排走, 三种方法总称为排水加固 。
1,2 堆载预压加固软基的基本原理
堆载预压法是在建筑物施工前, 用与设计荷载相等或略大的荷载(称为预压荷重, 如土、砂、石料等), 堆积现场使地基强迫压密沉陷, 以提高地基的强度, 减少建筑物的后期沉降量。待强度变形达到设计要求后, 将预压荷载搬走, 而后在经预压过的地基上修建建筑物。有时为了缩短加固时间, 加快固结过程, 在地基中打设一定深度的竖直排水通道(如砂井、袋装砂井或塑料排水板等), 如图1 所示。
图1 堆载预压法加固软土地基
堆载预压通过对软基施加超载, 经过较长时间(一般为12 个月)的预压, 使软土中的超静孔隙水压力逐渐消散, 土体有效应力逐渐增加, 以达到减少软土地基沉降的目的。当用堆载预压法进行加固时, 在土中形成的超静水压力消散完毕后, 土体主固结完成, 根据有效应力原理, 土体的强度将会提高。堆载预压加固软基的效果取决于堆载的大小和超静孔压的消散程度; 为了达到加固效果,需要较大的堆载, 但如一次施加会超出软基的强度,因而堆载速度不能太快, 预压时间亦较长。在堆载预压时, 由于堆载的作用, 在土体中形成一个附加应力场, 这个附加应力场开始时由孔隙水承担, 即形成了一个超静孔隙水压力场, 随着孔隙水的排出, 超静孔隙水压力场消散, 超静孔隙水压力转化为有效应力, 导致土体变形和强度增加。堆载预压下固结的快慢由超静孔隙水压力场的消散决定, 与排水条件、土体渗透系数有关 。
2 袋装砂井排水系统法
2,1 袋装砂井的设计布置、成孔方法、以及砂袋、砂料的选取
袋装砂井的平面布置形式一般采用等边三角形或正方形, 砂井直径为70~
120 mm, 井间距可取为井径的15~30 倍。砂井深度应根据土层分布和设计要求而定, 一般宜穿过受压软土层。袋装砂井成孔的方法有锤击打入法、水冲法、静力压入法、钻孔法、振动贯入法 。袋装砂井的编织袋要有良好的透水性, 袋内砂不易漏失, 同时装砂后砂袋的渗透系数应不小于砂的渗透系数。袋子材料要有足够的抗拉强度, 能承受袋内砂自重及弯曲所产生的拉力, 有一定的抗老化性能和耐环境水腐蚀的性能, 同时又要便于加工制作、价格低廉。袋子材料一般可选聚丙烯或聚乙烯编织布。砂料宜采用渗水率较高的风干砂。
2,2确定加载的数量、范围、速率
预压荷载的大小, 应根据设计要求确定, 通常可与基底压力大小相同。对沉降有严格限制的建筑, 应采用超载预压法处理地基。超载数量应根据预定时间内要求消除的变形量通过计算确定。加载的范围应不小于建筑物基础外缘所包围的范围, 以保证地基得到均匀加固。
加载速率应待地基在前一级荷载作用下达到一定的固结度后, 再施加下一级荷载。
2,3袋装砂井的施工要点
采用振动式打桩机械施工, 具体步骤 如下:
2.3.1施工准备
施工前, 组织施工技术人员应认真熟悉施工设计, 对施工机械进行保养、调试。采用透水性、韧性强的聚丙乙烯或其他使用机织土工织物制成的抗拉强度能承受自重的砂袋, 装砂后砂袋的渗透系数不小于砂的渗透系数, 砂袋直径符合设计要求。
2.3.2 测量放样, 定出砂井桩位
开工前首先对导线点、水准点进行复测, 其精度须符合技术规范要求, 对主要控制点同时设保护桩, 并布设施工控制网, 测量设备可配备全站仪、水准仪。全线导线点、水准点在施工中应进行保护,并经常复测检查
2.3.3 清理及平整场地
先对施工场地进行全面清理, 包括表土、杂物、树根等, 用挖掘机清除运走。施工前做好施工期间的临时排水设施, 对常年地表水、水塘地段, 按设计要求先做好抽水、清淤、回填工作。场地清理、平整后先铺20 cm 砂砾垫层, 且用推土机推平, 然后再进行袋装砂井作业;
2.3.4 打设机定位、对中
根据设计布置的间距采用小木桩正确定位, 机具定位时要保证锤中心与地面定位在同一线上, 并用经纬仪观测控制导向架的垂直度;
2.3.5 打入套管
将钢套管打入土中深入到设计要求深度;
2.3.6 压砂
将预先准备好的比砂井长2m 左右的聚丙稀编织袋底部装入大约一锹重的砂, 并将底子扎紧, 然后放入孔内;
2.3.7 充砂
将袋的上端固定在装砂漏斗上, 将干砂从漏斗振动流入砂袋, 装实装满为
止;
2.3.8 拔管
将套管拔出到砂垫层以上, 砂袋则留在土层孔中, 埋砂袋头。移动套管至下一桩位, 依照上述程序重复施工。
2.4 袋装砂井施工质量控制措施
( 1) 选用的砂料含泥量要小于3%; 袋中砂要用风干砂, 不能用湿砂, 以免袋内砂干燥后, 体积减少, 造成袋装砂井缩短与排水垫层不搭接等质量事故;
( 2) 砂袋灌入砂后, 露天堆放应有遮盖, 聚丙烯编织袋在施工时避免太阳光长时间直接照射, 以免砂袋老化;
( 3) 打设机定位要准确, 保证打设垂直度。为控制砂井的入土深度, 在钢套管上划出标尺, 以确保井底标高附合设计要求;
( 4) 砂袋入井, 用桩架吊起垂直下井, 防止砂袋发生扭结、缩颈、断裂和砂袋磨损;
( 5) 拔钢套管时应注意垂直起吊, 防止带出或损坏砂袋。若发现上述现象,
应在原孔边缘重打;连续两次将砂袋带出时, 应停止施工, 待查明原因并整改后再施工;
( 6) 施工中要经常检查桩尖与导管口的密封情况, 避免导管内进泥过多, 影响加固深度;
( 7) 确定袋装砂井的长度时, 需考虑袋内砂体积减小、袋装砂井在孔内的弯曲、超伸以及伸入水平排水垫层内的长度等因素, 避免砂井全部伸入孔内, 造成与砂垫层不连接。砂袋留出孔口长度应保证伸入砂垫层至少30 cm, 并不得卧倒。
3 加压系统设计
3.1 工艺原理
通过在地基土上增加预加荷载, 地基土中的孔隙水及空气在预加荷载作用下, 一部分通过地基土下的砂层等透水层排走, 一部分通过插入地基土中的排水板砂垫层排走, 地基土发生压缩沉降, 从而提高地基土的强度及承载力。
3.2堆载预压计算
一级堆载,假设堆载填土高2m。
计算最终沉降量S1
S1 = a / ( 1+ e1 ) zH。
式中: av 为土层压缩系数, 00161 cm2 / N; H 为软基平均深度,850 cm; e1 为初始孔隙比, 0671; z为土层所受平均压缩应力36N /cm2。
故S1 = 00161 / ( 1+ 0671)36850=295 cm。
计算土层固结系数CV。
CV = K ( 1+ e1 ) /av= 053 ( 1+ 0671) /
( 00161,000981) = 554103 cm2 /d。
TV = CV t /H2 = 554103 120 /8502 = 092。
U= ( 1- 8 /) exp( - 2 /4TV ) = ( 1- 8/314) exp( - 3142 /4092) = 083。
St = 295083= 245 cm。
二级堆载, 假设堆载填土高2m。
计算最终沉降量S2。
S2 = [ a / ( 1+ e1 ) ] zH = [ 00161 / ( 1+0671) ] 72850= 60 cm。
CV = K ( 1+ e1 )/av= 053( 1+ 0671) /
( 00161 000981) = 554103 cm2 /d。
TV = CV t /H2 = 554 103240 /8502 = 184。
U= ( 1- 8 /) exp[ ( - 2 /4)TV ) ] = ( 1- 8 /
314)exp( - 3142 /4 184) = 093。
St = 60093= 56 cm。
根据以上计算, 一级堆载时, 填土高2 m, 预压时间4 个月 , 沉降量为245m, 固结度为83% ,二级堆载时, 填土高2 m, 预压时间4 个月, 沉降量为56
cm, 固结度为93% , 因此可判断以上堆载预压高度与预压时间是合理的。
4.3地基处理