高速公路水荷载等载预压可行性研究

高速公路水荷载等载预压可行性研究
摘要:本文从技术、经济、风险几方面研究了高速公路水荷载等载预压的可行性关键词：水荷载、技术、经济、风险、可行性
一．工程概况
本工程为京珠高速公路广珠北十四标，位于番禺东涌镇。

工程合同价90773388元，其中1780m为桥梁，1600m为路基段。

路基全部为软基段，软基处理为袋装沙井排水固结法，路基采用吹填砂加包边土形式，填筑高度3－6m，路基等超载预压采用吹填砂。

由于施工里程长，运距远，砂资源日益紧张，砂价上涨，使填砂进行等载预压有一定的困难；而此处的河涌发达，水资源丰富，可以考虑用水荷载预压施工。

二、水荷载初步设计方案
工艺流程：路基全断面吹填砂→包边土及封顶层填筑→水坝填筑→排水盲沟施工→各排水管道施工→PVC土工膜铺设→抽水加载预压。

1、吹填砂：先进行路基全断面（包括包边土位置）吹填砂至93区顶（即封顶土底标高），然后平整、压实、验收。

验收合格后，等载里程段再吹0.2米高。

然后把包边土位置的砂量转至路基顶面，包边土位置的砂量相当路基顶面砂层厚0.34米，即路基顶面高出93区顶0.54米。

2、包边土及封顶层填筑：路基顶层砂平整、压实后，用汽车运土进行两侧包边土及封顶层填筑。

包边土及封顶层分层填筑、压实，每层压实厚度及压实度按规范要求进行，封顶层厚50cm，分两层填筑。

3、水坝填筑：包边土及封顶层填筑完成后进行水坝填筑，筑坝所需土料与封顶层同，并用于以后封顶土填筑。

然后在埋设沉降板断面处和适合位置分段围坝，围坝外坡度为1：1.5，内坡度为1：1，高度为h=1.0×1.5+0.3=1.8m。

分段围坝进行水荷载预压有利于预压期间的维护及观测沉降。

分段围坝后要保证坝内平整，堤坝稳固。

有关数据见图：水荷载预压平面图、水荷载预压横断面图及路基分段详见表一。

4、排水盲沟、各排水管道施工：在封顶层面设置砂沟盲沟、路基纵向两道、横向两道盲沟设在路工坝内侧2米处，沟宽20cm，深15cm，横向盲沟与土坝相交处埋设10cmPVC管，并伸出土坝10cm，该处边坡设急流槽，并用7.5号砂浆抹面加固，抹面层厚3cm。

5、PVC土工膜铺设：在各段的封顶层及坝内侧面上铺一层PVC土工膜，土工膜铺设表面不得拉紧，应起皱，中间及两侧应重叠50cm，土坝坡面不得张拉太紧，以防预压沉降时拉裂PVC土工膜（见P大样图）；伸出坝外2米。

再用塑料薄膜连接覆盖至砂垫层处，以防止雨水对坝顶及侧面路基的冲刷。

6、抽水加载预压：抽水至坝里进行水荷载预压。

抽水分级进行，每次加水0.5米高（相当0.3米高砂重）。

经沉降观测符合设计要求后再进行下一级水荷载，直至达到等载标高。

卸载也用抽水方式抽走，以免污染周边农田。

表一：分段筑坝桩号
三、技术分析
1、预压效果：由于水荷载当量等于砂荷载当量，预压效果是一致的。

2、PVC土工膜：此次采用的PVC土工膜抗拉强度大，抗拉强度（纵/横）大于15/13MPa，耐静水压大于150Kpa。

在等超载预压改为水荷载预压路段水产生的压强为0.027 MPa 。

PVC土工膜的安全系数为0.15 MPa/0.027 MPa=5.56。

因此，使用这种PVC土工膜在水荷载下不会出现被撕裂的现象。

3、两侧的围坝：围坝外坡度为1：1.5，内坡度为1：1，高度为h=1.26×1.5+0.3=2.2m，土坝顶部宽度1米，底边边长为L1=1+2.2+2.2×1.5=6.5米。

计算简图如下图所示：
堤坝稳
4、土坝定验算如下：
已知：γW=10KN/ m3,γ砂=18KN/m3，γ土=18KN/m3，吹填砂的凝聚力为C=8.2KP，磨擦角为ф=33.4o，考虑最危险滑面，如图（AB线）所示：
滑动面对应水平长度：L2=1+2.2×1+(2.2+3.5) ×1.5=11.75m
滑动面与水平的夹角：α=arctan(2.2/11.75)=16.6o
滑动面的长度：L=L2/cosα=12.3m
滑动面以上土体的面积：A=0.5×2.2×(1+6.5)+0.5×3.5×6.5=19.6m²
滑动面以上土体及砂体的重量：G=A×γ=19.6×18=353.3KN/m
土自重引起的切向分力（下滑力）：
F1=G×sinα=353.3×sin16.6o=100.89KN/m
土自重引起的法向分力：
F2=G×cosα=353.3×cos16.6o=338.53KN/m
水压力：Fw=0.5×γ×hw×hw/sinβ=0.5×9.8×1.9×1.9/sin45o=25KN/m
水压力在滑面上的切向分力：F3=Fw×cos(90-β-α)=22KN/m
水压力在滑面上的法向分力：F4=Fw×sin(90-β-α)=11.9KN/m
总下滑力：F=F1+F3=100.89+22=122.899KN/M
总抗滑力：P=（F2+F4）×tanΦ
=(338.53+11.9×tan33.4+8.2×12.3=331.61KN/m
所以，安全系数为：Kt=P/F=331.61/122.899=2.7>1.3
故：满足规范要求，边坡稳定，不会发生崩溃的现象。

5、加载、卸载速度及数量方便快捷，利于控制路基沉降速率，从而保证路基稳定。

四、经济分析：
1．直接经济效益：
水荷载实际替代砂量为20720m3，填砂单价为25元/m3,卸载单价为8元/m3,填砂预压费用合计683760元。

采用水荷载预压各项费用预算见表，共计28万元。

直接经济效益为40.4万元。

水荷载预算费用表单位：元
2．间接经济效益：
水荷载预压可缩短工期，工期对比如下：
水荷载缩短工期节省了项目的管理费开支。

3、社会效益：
水荷载预压施工节约砂资源降低对环境的破坏，社会效益显著。

五、风险决策分析：
由于水荷载预压施工在高速公路上没有类似工程经验可借鉴，因此有必要作风险分析。

首先对本项目进行风险识别，主要有外部风险 、技术风险、管理风险。

其中外部风险为地震、洪水、台风、战争等，是不可抗力的风险。

本工程已投保建筑工程一切险，此类风险已转移。

技术风险包括路基水坝稳定性计算、水坝施工、加载控制、沉降控制、测斜控制等。

对于此类风险应采取积极有效针对性的技术措施、防范措施，将风险控制到最低或消失。

管理风险包括水荷载施工过程的管理、工人的交底、教育、预压期的管理等风险。

对于此类风险也应采取针对的措施，进行防范、控制，将风险降到最底或消失。

经有效控制后，预测风险发生的概率为0.2。

而风险发生损失规模及其概率，经小组讨论（头脑风暴法）后确定如表：
单位：元
风险发生的加权损失为：
5000*0.25+10000*0.25+20000*0.15+50000*0.07+100000*0.05+200000*0.02+500000*0.01=25250
风险决策树可以看出，经加权后，水荷载方案期望值为-28.51万元，砂荷载则为-68.38万元，可节约资金39.87万元，因此决定采用水荷载施工方案。

同时也可以看出风险损失大的概率虽小，一旦发生则损失巨大。

所以在水荷载施工中必须加强管理，加强风险控制避免损失发生。

-28
-28.5 -29 -30
六、结论
用水荷载代替砂荷载在技术上是可行的；在经济效益上是显著的；在资源日益紧张的今天，用水代替砂也符合社会的环保要求，其社会效益巨大；同时在高速公路上我局率先采用水荷载施工也会提高局的竞争力和社会影响力。