軟基真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)及其沉降規(guī)律分析

文登國(guó)，秦 陽(yáng)

(中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川成都 610081)

1 工程及地質(zhì)概況

橫琴新區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施非示范段主、次干路市政道路工程位于橫琴新區(qū)非示范區(qū)內(nèi)，主要集中在天沐河兩側(cè)及口岸服務(wù)區(qū)，項(xiàng)目包括13條道路，總長(zhǎng)約23.9 km?，F(xiàn)狀地面標(biāo)高多為－1.0 m～0，道路設(shè)計(jì)標(biāo)高為3.7～5.5 m，路基填高約5～6 m。擬建場(chǎng)地原始地貌單元為海漫灘地貌，經(jīng)后期人工回填形成現(xiàn)狀地貌景觀，現(xiàn)在多為魚(yú)塘。根據(jù)鉆孔揭露，勘探深度范圍內(nèi)自上而下可分為:第四系人工填積層、湖塘相沉積層、海相沉積層、海陸交互相沉積層、殘積層和燕山期侵入花崗巖。

路基土工程評(píng)價(jià)如下:表層填土厚度較小，多呈現(xiàn)可塑—軟塑狀，工程密實(shí)度不高，性質(zhì)差異大，工程性質(zhì)較差。軟土層主要為湖塘相和海相沉積層，軟土層較深厚，總厚度約22～48 m，平均厚度達(dá)36.48 m，含水率高達(dá)70%，液性指數(shù)高，有機(jī)質(zhì)含量高。軟土層具高含水率、高壓縮性、大孔隙比、高靈敏度，強(qiáng)度低等特性，具流變、觸變特征，易導(dǎo)致路基沉降和失穩(wěn)，不宜直接作為天然地基使用，須進(jìn)行軟基處理。軟土層以下的海陸交互相黏土及中粗砂層密實(shí)度和地基承載力較高，可作為路基下臥層。

2 軟基處理方案選擇

前述的軟土地基厚度較大、含水率高、壓縮性高、工程性質(zhì)差，對(duì)軟土地基的處理效果決定了道路建成后的工后沉降大小。城市主干道工后沉降標(biāo)準(zhǔn)為≤30 cm，城市次干道為≤50 cm，由于市政道路的特殊性，管廊等小型構(gòu)筑物(箱涵、人行通道)工后沉降≤20 cm。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算表明:該軟土地基如不經(jīng)過(guò)處理其工后沉降均不能滿足要求，所以須對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)處理。

軟土地基的處理方式一般有強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法、水泥土攪拌法等［1］。強(qiáng)夯法處理深度有限，工期較長(zhǎng)，水泥土攪拌法處理深度最多至15 m。排水固結(jié)法［2］分為堆載預(yù)壓與真空聯(lián)合堆載，堆載預(yù)壓法預(yù)壓時(shí)間長(zhǎng)、預(yù)壓土方量大;而真空聯(lián)合堆載具有工期較短、工程投資低、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。根據(jù)地質(zhì)情況、工程建設(shè)的規(guī)模及工程投資，選定采用真空聯(lián)合堆載排水固結(jié)法。

3 方案設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓原則上按(1.2～2.0)×104m2分為一個(gè)處理區(qū)。由于該區(qū)域軟土厚度較大，均厚達(dá)20～30 m，為達(dá)到更好的軟基處理效果，選擇縱向通水量、濾膜滲透系數(shù)更高的SPB-C型塑料排水板。排水體布置宜“細(xì)而密”采用正三角形布置間距1 m，等效于當(dāng)軟基處理深度＜25 m時(shí)打穿淤泥，當(dāng)軟基處理深度＞25 m時(shí)打至25 m。砂墊層采用中粗砂，黏粒含量≤3%，干密度 ＞1.5 g/cm3，滲透系數(shù)宜 ＞1×10－2cm/s。鋪設(shè)密封膜3層，膜上、下各鋪保護(hù)土工布1層，密封膜周邊壓入密封溝，見(jiàn)圖1。

路基填土分層填筑，路基填土應(yīng)在60 d內(nèi)填筑到位，滿載后抽真空聯(lián)合預(yù)壓時(shí)間應(yīng)120 d左右，設(shè)計(jì)要求膜下真空度穩(wěn)定在－80 kPa后，連續(xù)抽真空180 d左右。由沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)推算工后沉降，結(jié)合實(shí)測(cè)沉降速率確定抽真空停泵時(shí)間，要求實(shí)測(cè)沉降三點(diǎn)法或Asaoka法推算工后沉降滿足設(shè)計(jì)要求，沉降速率＜ 3 mm/d［5］。

圖1 軟基處理典型橫斷面(單位:m)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了準(zhǔn)確計(jì)量工程量及研究真空聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理加固的機(jī)理，控制合理的加載速率，制定合理的施工方案，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大量的監(jiān)測(cè)，主要包括:地表沉降監(jiān)測(cè)、不同深度地層水平位移監(jiān)測(cè)、不同深度地層分層沉降監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)等。現(xiàn)場(chǎng)某一標(biāo)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析如下。

4.1 地表沉降規(guī)律分析

真空預(yù)壓處理每分區(qū)布置沉降板約5塊(間距約50 m)，沉降板在路基橫向分左中右間隔布置。地表沉降變化規(guī)律直接影響施工工期及土石方的準(zhǔn)確計(jì)量，也是對(duì)軟基處理方案加固效果的直接檢驗(yàn)。

在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓作用下，軟土的主固結(jié)沉降呈漸變收斂趨勢(shì)，沉降速率逐漸趨于穩(wěn)定，至卸載前各條曲線均趨于穩(wěn)定。從圖2可看出真空聯(lián)合堆載加速軟土地基沉降的效果十分明顯，真空加載后地基沉降量逐漸加大，沉降速率約為10 mm/d。當(dāng)真空荷載穩(wěn)定在80 kPa后填土加載開(kāi)始，沉降速率明顯增大約60%，沉降速率約為16 mm/d。滿載后沉降速率呈減小趨勢(shì)，至滿載后120 d左右，沉降速率為1.5 mm/d，表明土體沉降基本完成。至沉降穩(wěn)定期總沉降達(dá)到260～300 cm，也反映出該區(qū)域軟土的高壓縮性。

圖2 沉降—荷載量—時(shí)間變化曲線

4.2 不同深度土層水平位移變化規(guī)律

打設(shè)測(cè)斜管至淤泥底部定期觀測(cè)深層軟土的水平位移，從深度—水平位移變化曲線可以看出插板排水體長(zhǎng)度范圍內(nèi)土體均有不同大小的水平位移。軟土層頂部的水平位移較大，隨著軟土厚度的增加，水平位移逐漸減小，至插板底部深度約25.5 m軟土的水平位移幾乎為0。

不同深度的軟土水平位移值均為負(fù)值，表明各層土體的水平位移均指向場(chǎng)地內(nèi)部，出現(xiàn)“內(nèi)縮”現(xiàn)象。這是由于真空荷載穩(wěn)定后負(fù)壓達(dá)到80 kPa，而填土荷載約60 kPa，真空荷載大于填土荷載，由真空負(fù)壓產(chǎn)生指向場(chǎng)地內(nèi)部的位移大于由堆載產(chǎn)生指向場(chǎng)地外部的位移。故當(dāng)真空負(fù)壓大于堆載荷載時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)因填土速率過(guò)快引發(fā)地基失穩(wěn)，可保證工程施工的安全，也表明真空聯(lián)合堆載比堆載預(yù)壓更安全可靠。

在真空聯(lián)合堆載作用下軟土的水平位移主要集中于1.5～10.0 m深度范圍內(nèi)，水平位移約200～－300 mm，最大水平位移值－310 mm出現(xiàn)在真空滿載深度約4.0 m處。同一深度軟土的水平位移隨著時(shí)間的推移呈減小趨勢(shì)，這是由于真空滿載80 kPa后隨著堆載的增加，真空負(fù)壓產(chǎn)生的“內(nèi)縮”作用被堆載產(chǎn)生的“外擴(kuò)”作用抵消，水平位移表現(xiàn)為逐漸減小。

4.3 不同深度地層分層沉降變化規(guī)律

圖3 1區(qū)分層沉降量—時(shí)間變化曲線

觀測(cè)不同深度地層的沉降變化，可以分析不同深度土層的加固效果及軟基處理深度。從圖3中可看出抽真空穩(wěn)定后各層土的沉降明顯增加，隨著堆載的增加沉降也在不斷的增加，各層沉降的變化速率明顯大于抽真空的沉降變化速率，滿載后各層沉降趨于穩(wěn)定。隨著深度的增加各層的沉降呈遞減趨勢(shì)，頂部土層的沉降最大，底部的沉降最小?？梢?jiàn)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓豎向排水體上部的軟土處理效果較好，這是由于真空負(fù)壓隨著排水體深度的增加出現(xiàn)了衰減。

4.4 孔隙水壓力變化規(guī)律

孔隙水壓力的變化直接反應(yīng)了土層固結(jié)度的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)土層孔隙水壓力的變化能夠真實(shí)地反應(yīng)出軟土地基固結(jié)變化，為評(píng)定軟基處理效果提供依據(jù)。在軟土層的頂部、中部和底部分別埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，監(jiān)測(cè)不同深度軟土在處理過(guò)程中的孔隙水壓力變化。真空預(yù)壓80 kPa滿載后各位置的孔隙水壓力變化較大，隨著堆載的增加，各位置的孔隙水壓力變化率明顯減小，真空聯(lián)合堆載滿載后孔隙水壓力變化率趨于平穩(wěn)。

5 處理效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)處理前后土體的室內(nèi)土工試驗(yàn)得到了加固前后其物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)比表。表1表明:經(jīng)過(guò)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后地基土的含水率降低了23%、孔隙比降低了26%、液性指數(shù)也降低了35%，土體的物理力學(xué)指標(biāo)得到明顯改善，從直剪試驗(yàn)和十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果可以看出土體的力學(xué)性質(zhì)也得到了明顯改善。

表1 軟基處理前后軟土物理力學(xué)性質(zhì)

6 工后沉降推算

通過(guò)設(shè)計(jì)沉降量和由3種方法推算的最終沉降量的對(duì)比(表2)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)沉降量和最終沉降量基本相等，不同方法推算得到的固結(jié)度均在95%以上，3種不同方法的平均工后沉降均＜10 cm，表明真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理能夠明顯減小軟土地基的沉降，滿足工后沉降要求。

表2 最終沉降推算

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓方案的分析以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和處理效果評(píng)價(jià)可以得到如下結(jié)論:

1)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固效果明顯，最大沉降速率達(dá)到16 mm/d，隨著時(shí)間推移沉降趨于穩(wěn)定，且由于真空負(fù)壓作用真空聯(lián)合堆載比堆載預(yù)壓地基土穩(wěn)定性更好。隨著排水體深度的增加土體的處理效果減弱，各層的分層沉降、孔隙水壓力及真空度呈遞減趨勢(shì)。

2)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理深度較大，排水體深度內(nèi)的土體得到了明顯改善。但由于真空度衰減效應(yīng)，上部處理效果好于下部。

3)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓能夠明顯改善軟土性質(zhì)，提高軟土的物理力學(xué)指標(biāo)。

4)采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后的軟土地基，滿足市政道路工程工后沉降要求，對(duì)類(lèi)似工后沉降要求嚴(yán)格的地基處理工程具有借鑒意義。

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