真空—堆載聯合預壓加固軟土地基

王建功 姜忠軍

在我國某些地區,尤其是東南沿海,廣泛分布著物理力學性質極差的軟土。由于軟土具有壓縮性大、滲透性小、抗剪強度低以及明顯的流變性和觸變性特點,在軟土地基上修建高等級公路存在穩定性和沉降兩方面的問題[1]。

對于高等級公路,軟土路基的破壞主要為路堤不穩定產生剪切破壞(滑動失穩),大多是由施工速度過快、路堤邊坡太陡或地基承載力不足引起的。高等級公路對沉降變形尤其是工后不均勻沉降也提出了相當高的要求。

目前常采用的軟基處理方法主要有:粉、漿噴樁法,預壓法,預制樁復合地基,碎石樁法等。預壓法分為堆載預壓、真空預壓和真空—堆載聯合預壓。堆載預壓法雖然較經濟,但由于地基的抗剪強度較低限制了填土速率,待地基強度增大后還須挖除超載部分填土,使得工期較長;同時在路基填筑過程中也一直存在著穩定性、不均勻沉降及工后沉降偏大等問題。真空預壓雖然能縮短工期、不存在路基穩定性問題,但是它提供的真空荷載畢竟有限(一般不超過95 kPa),不能很好的滿足加固要求。將兩者的優點集于一身,就成為質量易控、經濟、施工速度快的預壓方案。

1 真空預壓法研究現狀

1952年,瑞典皇家地質學院杰爾曼教授(W.Kjellman)提出真空預壓加固軟土地基的方法,但由于當時施工工藝方面的困難使這一技術發展相當緩慢[2]。

1958年,美國費城機場成功應用真空井點降水與排水砂井相結合,解決了飛機跑道工程,但是所達到的真空度和深井井口的密封不夠理想[3]。1973年,美國威廉等人提出用二維滲流網的概念來解釋二維條件下真空預壓的加固效果,但沒有對真空預壓負壓條件下孔隙水壓力—土體的有效應力關系進行深入研究,也未考慮土體本身的固結過程,無法預估固結度、有效應力隨時間的變化規律[4]。

1982年,日本大阪南港在第二階段的加固工程中采用袋裝砂井或排水板作為垂直排水通道,抽真空與抽水相結合的方法,在被加固的吹填土上回填5 m～8 m厚的砂質土作為密封層,抽氣管口用黏土密封,解決了大面積場地的密封問題,將該技術推向了一個新階段[5]。1983年蘇聯的Fer-Mertirosyan采用拉普拉斯方程求解真空預壓的沉降量,日本的小林正樹用有限元求解真空預壓法加固地基的三維問題[6]。

在我國,20世紀50年代末,王仁權就探討過真空預壓法加固淤泥地基并對地基加固的野外試驗進行了總結。接著,天津大學[7]、南京水利科學研究所[8]和同濟大學等也做了試驗研究,但都未成功,大面積使用也就未能付諸實施。

20世紀80年代以后,由于港口的擴展,大量港口軟基必須在短期內得到加固,交通部第一航務工程局聯合天津大學、南京水利科學院土工所經過探索、研究解決了該技術關鍵的抽氣設備,使該加固技術的施工工藝取得了突破性的進展,并經過大量試驗研究使該方法逐步走向成熟。在不斷的理論和實踐中,我國采用真空預壓處理軟土地基的技術也日臻完善[9,10]。

近年來,隨著我國南方高速公路建設的發展,許多學者又結合工程實際對真空預壓法在條形場地的應用方面進行了大量的科學研究,并在二維、三維固結沉降計算模型方面做了大量研究[11,12]。

由于土體復雜的力學特性,其變形具有非線性、彈塑性、剪脹性、各向異性、流變性等特點,同時應力水平、應力路徑、應力歷史等對其變形均有影響。所以,對不同的工程,要想用一個模型來全面、正確地反映這些特性是不現實的,這就要求針對不同的巖土工程條件,做一定程度的簡化。前人在研究真空預壓變形等問題時,主要按照一維、平面問題來求解,雖然在三維問題方面展開了一系列研究,但是大部分學者把真空荷載簡化為簡單的線性分布,這是不符合實際的。目前,真空—堆載聯合預壓法處理軟土地基的設計方法仍有待于進一步完善。

2 真空—堆載預壓法的概念及加固機理

2.1 真空預壓法的概念

真空預壓法先在需要加固的軟土地基上按一定的間距打設垂直排水通道;然后在地面上鋪設一定厚度的砂墊層、布設水平排水通道;再將不透氣的薄膜鋪設在需要加固的軟土地基表面的砂墊層上,借助射流泵和埋設在砂墊層中的管道,將膜下土體間的空氣抽掉形成真空,使土體排水而壓密。

2.2 堆載預壓法的概念

在堆載排水預壓法中地基受外荷載(土料、砂石料或建筑物本身等)作用,超靜水壓力逐漸消散,土中有效應力不斷增長,土體得以固結變形,強度得到提高。通常,在地基中打設一定深度的豎向砂井或塑料排水板一類的垂直排水通道增大其滲透系數,在地基表面鋪設砂層作為水平排水渠道,加快滲透,縮短施工工期。

真空預壓法和堆載預壓法的比較見表1。

表1 真空預壓和堆載預壓的比較

2.3 真空—堆載預壓法加固機理

真空—堆載預壓法由真空預壓和堆載兩種方法組合而成。它是先對軟土地基進行真空預壓,當膜下真空度穩定后,再按照堆載預壓法的要求在薄膜上堆載進行預壓。其實質為在同一時間內,土體在薄膜下的真空荷載與薄膜上的堆載聯合作用下,排出其中的水分,加快土體固結,使土體強度提高。設土體原來承受一個大氣壓pa,真空預壓時,通過抽氣,膜下形成真空,該真空度換算成等效壓力為p0,使砂層和砂井中的壓力減小至pv(pv=pa-p0),在壓差pa-pv作用下,土體中的水流向砂井。堆載預壓時,通過壓載,土體中的壓力增高至 pp,在壓差 pp-pa作用下,土體中的水流向砂井,故在真空—堆載聯合作用時,兩者的壓差為pp-pv。由于壓差增大,加速了土體中水的排出,減小了土體的孔隙比,提高了壓密率,使土體的強度進一步提高,沉降進一步消除。

真空—堆載預壓具有真空預壓與堆載預壓的雙重效果,但不是兩者簡單疊加。可以從滲透規律來進一步分析其疊加效果。由達西定律可知:

其中,v為孔隙水的滲透速度;k為土的滲透系數;Δh為水頭差;L為滲透距離。增加水頭差Δh和減小排水距離L,均可加速土體固結。真空預壓的加固機理是通過降低土體中孔隙水壓力,加固區內外存在水頭差,使之形成滲流需要的水力梯度;而堆載預壓是由于堆載產生正的超靜孔隙水壓力,通過孔壓的消散而使強度提高。兩者聯合作用,正負孔隙水壓力的壓差增大,也就是增加水頭差Δh,造成孔壓消散更快,因此,真空與堆載預壓可以疊加,并且加固效果更好。

3 真空—堆載預壓法的注意事項

1)一定要等膜下真空度穩定并達到設計要求之后,才能進行堆載施工,否則,真空加固區一旦出現了密封問題,就很難處理。2)為了防止第一次堆載過程將密封膜弄破,在膜上膜下最好鋪針刺無紡土工布,以保護密封膜。3)第一層堆載不要太厚。如果堆載在施工完成后要進行開挖,那么第一層最好在50 cm左右,先進行人工攤鋪后,再由機械由近及遠逐漸推進。需要壓實的,逐步由輕到重進行多遍碾壓;如果不進行開挖,要作為路堤使用的話,就要嚴格按照路堤施工要求進行堆載和壓實。4)堆載時,要保護密封膜面上的沉降觀測標桿,并在施加荷載前進行一次測量,以記好堆載前沉降曲線的起點,便于日后對加固效果進行分析。5)在一些特殊的地方(如橋頭高填土)采用聯合加固時,要密切注意對已有構筑物的影響,并進行一些必要的觀測,以防意外事故的發生。

4 結語

本文回顧了真空—堆載預壓法的發展現狀、加固機理和真空—堆載預壓法的施工注意事項,證明了真空—堆載預壓法是一種較好的地基處理方法。

[1] 張誠厚,袁文明,戴濟群.高速公路地基處理[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[2] W.Kjellman.Consolidation of clay by mean of atmospheric pressure[J].In proceeding of a Conference on Soil Stabilization,M IT,Boston,1952(5):258-263.

[3] Halton.費城國際機場跑道的軟基加固[J].港口工程,1982(1):37-40.

[4] 陳 環.真空預壓法機理研究十年[J].港口工程,1991(4):17-25.

[5] 三立正人,大西關雄.大阪南港用降低地下水位的方法加固地基[J].水利水運科技情報,1985(2):17-20.

[6] 龔曉南,岑仰潤.真空預壓加固地基若干問題[J].地基處理,2002(49):7-10.

[7] 候 釗.天津軟土地基[M].天津:天津科學技術出版社,1987:73-84.

[8] 趙令偉,沈珠江.排水沙井預壓法的理論與實踐——南京水利科學研究院研究報告[R].1962.

[9] 陳 環,鮑秀清.負壓條件下土的固結有效應力[J].巖土工程學報,1984(5):39-47.

[10] 閻澎旺,陳 環.用真空加固軟土地基的機制與計算方法[J].巖土工程學報,1986(2):35-43.

[11] 于志頑,趙維炳,顧 吉.粘彈—塑性軟基排水預壓的三維有限元分析[J].河海大學學報,1995,23(5):1-7.

[12] 趙維炳,錢家歡.真空預壓砂井地基的設計[A].排水預壓加固軟土地基設計理論研究論文集[C].南京:河海大學巖土工程研究所,1997.