真空－堆載聯合預壓加固軟基的特點和應用

袁偉，劉國祥

(中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島 266100)

真空－堆載聯合預壓法經過20多年的發展，已成為一種新興、快速、經濟、環保的軟基加固技術，在珠三角地區得到廣泛的應用，并且取得了較好的加固效果［1～2］。

1 概述

1.1 真空－堆載聯合預壓法的發展概況

真空預壓法加固軟土地基的基本原理最早由瑞典皇家地質學院杰爾曼(W．Kjellman)教授提出［3］。多年來由于抽氣設備、密封材料、垂直排水通道、打設技術等方面的原因，這項技術發展緩慢，沒有得到大規模的應用。1958年美國費城機場首次在工程上使用真空井點降水與排水砂井相結合的方法，解決了飛機場跑道的擴建工程。日本橫濱市武豐發電廠運用真空預壓法加固地基，取得了明顯的加固效果。此外，法國、前蘇聯也開展了真空預壓法的研究，用于解決土坡穩定性問題［4］。

我國從20世紀50年代末開始開展真空預壓技術的研究，1980年天津一航局科研所在塘沽新港進行了幾次現場試驗后獲得成功，并于1985年12月通過了國家技術鑒定［5］。真空－堆載聯合預壓法是在真空預壓法的基礎上發展而來。我國從1983年開始了真空－堆載聯合預壓法的研究，經過20多年的努力探索和應用，真空－堆載聯合預壓法已成為一個加固軟土基行之有效、常規實用的方法。近年來該法廣泛應用于港口、碼頭、工民建、機場、高速公路等軟土地基工程建設中，并且取得了很多成功的經驗［6］。

1.2 真空－堆載聯合預壓法的特點

真空－堆載聯合預壓法是在真空預壓和堆載預壓法基礎上發展起來的，結合了各自的優點，具有真空預壓與堆載預壓的雙重效果。

與真空預壓相比，真空－堆載聯合預壓具有如下突出特點:①提高了加固荷載。真空提供的加固荷載不能滿足使用要求時，輔助堆載預壓加以補充就能達到加固地基的要求［5］。②由堆載預壓產生的側向擠出變形可以被抽真空產生的向內的水平位移部分平衡，有利于地基的穩定［7］。③真空－堆載聯合預壓能夠加快地基的沉降速度，縮短固結時間，減少工后沉降。

與堆載預壓相比，真空－堆載聯合預壓法具有如下突出特點［2］:①加載快，真空荷載無須分級施加，可以一次性快速施加到 80 kPa以上而不會引起地基失穩，抽真空產生的壓力，不僅可以達到超載預壓的效果，有利于減少工后沉降，而且還可節省填土超載等施工。②土體固結快，在真空吸力和堆載的聯合作用下易使土體中的封閉氣泡排出，從而使土的滲透性提高、固結過程加快。③當地面沉降相同時，該法可以獲得比堆載預壓法高的土體密實度和承載力［5］。④縮短了填筑路堤的施工工期，對于高速公路和鐵路，路堤本身就是一個非常好的堆載，因此真空－堆載聯合預壓是一種在軟土地區修筑高速公路和鐵路時值得推廣的軟基處理方法［8］。

2 工程概況

2.1 工程地質概況

加固區位于膠州灣高速公路西側，原屬膠州灣濱海潮間帶，后經人工圍堰吹填、回填所形成的陸域平臺。場地大部分為第四系沉積層，廣泛分布軟土層。根據詳勘報告，該場區地層結構較復雜，層序較清晰，主要由第四系全新統人工填土層(Qml4)、海相沼澤化沉積層(Qmh4)淤泥、上更新統陸相沼澤化層(Qh3)組成。第四系成分以人工填土、淤泥、粉質粘土、粗礫砂為主。場地巖土層情況由上至下分為:

(1)第四系全新統人工填土(Qml4)

層厚 0.80 m ～10.50 m，層底標高:－10.78 m～1.46 m。灰白色等，流塑，很濕，塑性、韌性極差，有光澤，可見腐殖質斑塊，有異味，局部以沖填含淤泥粉細砂細砂為主。該層為沖填淤泥在區內淤積形成，其厚度較大，成分均一，強度極低，壓縮性大。

(2)淤泥(Qmh4)

該層廣泛分布于場區，層厚1.20 m～9.40 m。層底標高:－17.21 m～－5.10 m。黑灰，灰褐色，軟塑，流塑，很濕，混20% ～30%粉細砂，塑性較差，局部相變為粉細砂。見有腐殖質，有異味，該層頂部多含有貝殼殘屑，高壓縮性，該層局部相變為粉～細砂。

(3)粉質粘土(Qh3)

該層局部分布。層厚0.40 m～1.90 m，層底標高:－12.95 m～－7.24 m。灰綠色，軟塑 ～可塑，具有中等壓縮性，見鐵錳氧化物無結核，夾有小碎石;無搖振反應，切面有光澤，強度中等，韌性中等，差。

(4)粗礫砂(Qal+pl3)

該層分布較廣泛，局部缺失該層。揭露層厚0.30 m ～5.00 m，層頂標高:－19.01 m ～－7.24 m。褐黃色，濕，中密，以粗砂為主，分選較差，含15% ～25%粘性土，底部多呈膠結狀，碎石含量較多，局部為含粘性土粗砂。

2.2 施工工藝

該加固場區的處理工程按照先北后南的順序分期分區進行。以二區為例，具體的施工工藝為:整平場地，用人工或機械分層鋪設 0.5 m厚的中粗砂墊層，形成水平向排水通道。采用B型塑料排水板作為垂直排水通道，正方形布置，間距 0.8 m。塑料排水板平均長 18 m，進入下臥層 0.5 m，地面上端露出砂墊層頂面 0.20 m。埋設監測設備，主要包括7個表面沉降板，一組深層分層沉降管，一組孔隙水壓力以及真空度，測斜儀等。其平面和剖面布置分別如圖1和圖2所示，密封膜采用3層聚氯乙烯薄膜。加固區周邊均采取泥漿攪拌墻施工，攪拌樁樁徑采用Φ60 cm，雙排，搭接 20 cm，深度 18 m，確保加固區的密封。按照850 m2/臺的原則設置真空泵。真空預壓時，膜下真空度達到 80 kPa以上，所有泵 24 h滿負荷工作。

圖1 二區監測儀器平面布置示意圖

圖2 二區監測儀器布置剖面圖

3 現場監測成果分析

3.1 表層沉降監測結果分析

圖3是加固區CJ6沉降板的表層沉降變化曲線。從圖3可以看出:①當膜下真空度達到了設計值時，沉降速率較大，最大沉降速率為 23 mm/d，隨后沉降速率逐漸減少，累計沉降量一直增加;②4月30號完成15堆載以后，累計沉降曲線斜率變大，沉降速率有8.3 mm/d增加到 19.8 mm/d，說明堆載提高了固結沉降的速度，有效縮短加固時間，降低施工成本;③至7月24日停泵為止，最大沉降量為 1 293 mm，真空堆載預壓法消除沉降的效果極為明顯。

圖3 CJ6表層沉降變化曲線

3.2 分層沉降監測結果分析

如圖 4所示，分層沉降顯示了地下2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m 處相對于原始位置的絕對沉降量隨時間(2010年5月5日分層管被破壞)的變化，可以得出在地面下 0 m～6 m的沉降量較為明顯。8 m、10 m、12 m處的沉降量較小。隨著的時間的推移，分層沉降量都日益穩定。

圖4 分層沉降變化曲線

3.3 孔隙水壓力監測結果分析

圖5 孔隙水壓力變化量曲線

圖5為真空－堆載聯合預壓區的孔隙水壓力累計變化量曲線，分別顯示地面下2 m、4 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、11 m 深度處孔隙水壓力隨時間變化的曲線。從圖中可以看出:

(1)抽真空階段，因施加負壓而使孔隙水壓力迅速消散，孔隙水壓力下降，在隨后的堆載預壓過程中，各深度處孔壓值都出現了跳躍激增，曼德爾效應非常明顯。在抽真空和堆載的聯合作用下，孔隙水壓力逐漸消散，土體的有效應力增加，強度也得到了加固。

(2)聯合堆載預壓階段，真空預壓引起的負超靜水壓力與堆載引起正的孔隙水壓力不會抵消，也不是兩者簡單的疊加。地表淺土層更易受到附加荷載的作用，地下 2 m處累計孔隙水壓力變化量由堆載前－4.5 kPa變為 22.8 kPa，增加了 27.3 kPa，到抽真空結束時，地下 2 m處累計空隙水壓力的變化量為11.1 kPa。隨著深度的增加，地下 7.5 m、8.5 m處受抽真空的作用較大，孔隙水壓力消散較快，分別下降了49.4 kPa和 57.3 kPa;而在地下 11 m處，孔隙水壓力受真空預壓和堆載預壓的雙重作用較小，孔隙水壓力變化不大。因此孔隙水壓力累計變化量并不是在各深度處都顯著變化，而是中間大，兩端小。

4 結語

通過真空－堆載聯合預壓加固軟土地基的現場監測資料分析研究，可以得到如下結論:

(1)真空－堆載聯合預壓法可以加快地基的固結沉降速度，能有效縮短加固時間，消除地基沉降，有利于減少工后沉降，是一種行之有效的軟土地基處理方法。

(2)聯合預壓階段，堆載引起的正的孔隙水壓力與真空預壓引起的負的超靜水壓力不會相互抵消，也不是兩者簡單的疊加。孔隙水壓力累計變化量并不是在各深度都顯著變化，而是中間大，兩端小。

(3)真空－堆載聯合預壓法作為一種新型的地基處理方法，加固膠州灣軟土地基效果明顯，是一種經濟環保，值得在該地區推廣的軟土地基處理方法。

［1］溫曉貴，朱建才，龔曉南．真空堆載聯合預壓加固軟基機理的試驗研究［J］．工業建筑，2004，34(5):40～43．

［2］鄭俊杰，王景蕓．真空－堆載聯合預壓法研究與應用進展［J］．華中科技大學學報(城市科學版)，2008，25(7):5 ～9．

［3］Kjellman W．Consolidation of Clay Soil by Means of Atmospheric Pressure［C］//Proceeding of Conference on Soil Stabilization，MIT，Boston，1952:258 ～263．

［4］Arutiunian R N．Vacuum－accelerated Stabilization of Liquefied Soils in Landslide Body［C］//Proceedings of the 8th ICSMFE，1983，2:575 ～576．

［5］ 婁炎．真空排水預壓法加固軟土技術［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［6］李豪，高玉峰，劉漢龍等．真空－堆載聯合預壓加固軟基簡化計算方法［J］．巖土工程學報，2003，25(1):58～62．

［7］李就好．真空－堆載聯合預壓法在軟基加固中的應用［J］．巖土力學，1999，20(4):58～62．

［8］魏波，賀懷建．甬－臺－溫高速公路真空－堆載聯合預壓軟基處理［J］．巖土力學，2002，23(增刊):81～84．