排水板真空堆載預壓法在大厚度軟基處理中的應用

祁迎喜 李軍輝(甘肅機械化建設工程有限公司，甘肅 蘭州 730060)

在東南沿海地區(qū)，許多高速公路建在軟土地基上，由于軟土地基厚度大、含水量高、孔隙比大等特點引起的施工階段及工后路基沉降、差異沉降和穩(wěn)定問題較為突出。單一的采用堆載或真空預壓法限制了處理速度或者難以達到預計的承載力要求，考慮堆載和真空預壓法的處理效果可以疊加，工程中常用真空預壓對土體施加各向均等壓力，控制土體穩(wěn)定性，同時較快速填筑路堤，達到縮短工期和減小工后沉降的目標[1]。

1 加固機理

真空預壓法是在加固軟土上鋪設砂墊層和封閉膜，用抽真空裝置將密封膜下砂墊層和軟土中的水、氣抽出，由此在土體和豎向通道間產生負壓和水頭差，孔隙水將由土體流向豎向排水通道并引起豎向排水體中真空度下降，抽真空裝置持續(xù)做功提升真空度，最終將豎向排水體中的水抽到水平向排水體排出，使土體固結[2]。

當膜下真空度滿足設計要求且能保持穩(wěn)定時，在真空密封膜上鋪一層無紡土工織物，然后在上面填方堆載，用與設計荷載相近的荷載強迫壓密沉陷，將土體孔隙水排出，進而達到真空和堆載聯合加固的目的。堆載預壓法是通過增加總應力，再借助豎向排水通道和水平向排水措施加快土體中孔隙水的排出速率，進而實現有效應力和孔隙水壓力的相互轉換，達到加固淤泥質軟基的目的。堆載預壓時附加應力各個方向的增長是不同的，由此帶來土體固結為不等向固結[3]，因此需要分級加載以確保最大剪應力始終小于土體抗剪強度。

2 現場試驗及效果評價

本工程擬建場地位于橫琴新區(qū)環(huán)島北片區(qū)，東至橫琴大橋，北至馬騮洲水道，西至磨刀門水道，南達中石油儲油站，擬構筑的道路總長31.5公里。本文所涉及夾砂層淤泥質軟基主要是濱海次干路C#路和F#路段，該區(qū)域地表水體豐富，臺風季節(jié)最大潮時，潮水可漫過圍堤造成大面積水浸，路基在上部路堤荷載作用下，不能滿足正常使用對沉降的要求，需對其進行加固處理。

2.1 現場地質條件

經初步勘探查明，地下水位與地表平齊，地基土淺部主要為人工填土層、第四系海相沉積層和第四系海陸交互相沉積層，上部土層分布特征及其物理力學主要性質如下：第1層：沖填土，松散狀，褐黃、灰黃色，主要為中細砂混粘性土或粘性土組成，層厚0.3-14.8米；第2層：中砂層，呈飽和、松散狀，主要成分為石英質，含少量粘性土和淤泥質土，層厚0.8-9.0米；第3層：淤泥層，灰黑色，含有機質，具臭味，局部含有約15%的細砂，呈飽和，流塑狀態(tài)，層厚2.8-35米。第4層：粗砂，主要成分是石英質，含約20%的粘性土，呈飽和、稍密狀態(tài)，厚度1.30-8.1米；第5層：粘土層，主要成分是粘粒，土質一般較純，局部含20%粗砂，呈飽和、可塑狀態(tài)為主，厚度1.1-11.8米；第6層：淤泥質粘土，含有機質，呈飽和、可塑狀態(tài)為主，厚度1.7-15.0米；第7、第8層為礫質粘性土和花崗巖，有較好承載力。

根據場地工程地質情況可知地基上層軟弱土遍布，尤其人工填土和淤泥土層較厚，為主要加固層，設計用真空-堆載預壓法達到排除水分，加固土體的作用。

2.2 淤泥質軟基處理設計

本工程中人工填土、淤泥和淤泥質土是主要處理對象，設計處理深度20米。設計施工參數如下：豎向排水體采用C型原生塑料排水板(厚4mm，寬100mm)，塑料排水板間距1.0m，平面呈正方形分布，插設深度20米；埋設與砂墊層中的真空管，主管采用Φ75高強U-PVC管，支管采用Φ60柔性高強塑料管，連接采用軟膠管，以適應真空預壓的差異沉降，膜下真空度不低于80kPa，每800m2布置1真空泵；砂墊層上鋪三層薄膜，各技術指標按規(guī)范要求，由于密封溝下方有中砂層，為保證抽真空時膜下真空度，在密封溝下部進行密封墻施工，深度至不透水層(淤泥層或淤泥質土層)中約1米，且不小于10米。真空預壓20天后，保持抽真空狀態(tài)，同時進行填土堆載，設計三級填筑(比單純進行堆載預壓減少3級填筑)，最終到達路床設計高4.5米，滿載預壓時間達120天，真空聯合堆載預壓直至滿足停泵要求。

施工中注意真空聯合堆載位移報警值：在填土荷載施加時，最大沉降量不大于20mm／d，最大向外側位移不大于5-lOmm／d。試驗加固區(qū)固結度達到80%左右且連續(xù)lO天，且平均沉降速率不大于2-3mm／d設定為真空聯合堆載預壓停泵標準。

2.3 現場試驗監(jiān)測結果分析

現場從2011年5月28日開始抽真空，2011年6月19日開始路基堆載，至2011年12月26日路基填筑完成，至2012年5月9日路基填筑完成。項目設計選擇F#路FK01+740和C#CK11+720為重點監(jiān)測斷面，另設3個一般監(jiān)測斷面，主要監(jiān)測內容包括：地表沉降-荷載-時間關系；地表水平位移-荷載-時間關系；分層沉降-時間關系；深層土體水平位移-荷載-時間關系；(超靜)孔隙水壓力-荷載關系。以下對F#路FK1+740監(jiān)測數據進行分析，監(jiān)測布置點如圖1所示：

圖1 FK1+740斷面監(jiān)測點布置圖

1)地表沉降：從監(jiān)測得到的地表沉降-時間圖(圖2)可知，真空預壓前期地基沉降發(fā)展較快，隨時間增長速率減小，加固區(qū)中央沉降較加固區(qū)邊緣略大，由前期抽真空引起土體沉降約750mm，占后期總沉降30%；開始堆載后，沉降曲線出現微小拐點，再次加速增長，在完成全部堆載后，沉降速率又逐步減小，出現明顯的收斂。到2012年5月，四個監(jiān)測點總沉降為1055mm(邊樁D1)、2502.34mm(路肩 )、2559mm(路中 )、2397mm(路肩 )，沉降速率1.68mm／d，滿足停泵要求。

圖2 地表沉降-荷載-時間關系

2)地表水平位移：在離監(jiān)測面的坡腳0米、3米、7米處打了3根邊樁，得到地表土體水平位移-時間關系如圖3：真空-堆載聯合作用下坡腳外一定范圍的淺層沖填土受到擠擴作用，擠擴程度與離坡腳距離成比例衰減，3米、7米處土體水平位移為坡腳處水平位移的50%、25%，水平位移受預壓過程的影響同地表沉降類似，每次堆載施加瞬間坡腳水平位移都有加速增長之勢，之后增長較平緩。

前期抽真空階段監(jiān)測點的水平位移較小，分別達到29mm(S1)、77mm(S2)、120mm(S3)，原因為真空作用下排水管周圍土體受一定的徑向收縮力，加堆載后豎向荷載大，土體受擠擴作用明顯，水平位移達到98mm(S1)、269mm(S2)、403mm(S3)。

圖3 地表水平位移-荷載-時間關系

3)路中土體分層沉降：每個監(jiān)測面的路中布置了1根分層沉降管用于觀察預壓過程不同深度土層的沉降，如圖4所示，初期的抽真空階段不同深度土體的沉降迅速增大并接近430-720mm，比地表的750mm沉降略小，判斷沉降主要發(fā)生在下部的淤泥層(約55%)和淺層的沖填土層(約15%)，加上堆載前2個月土體沉降速率幾乎不變，之后逐漸減小并穩(wěn)定。比較圖2、圖4可判斷加堆載3個月后沉降主要發(fā)生在淺層的人工填土，2012年5月觀測點F1、F2、F3、F4、F5、F6的沉降分別為1429mm、1278mm、1089mm、1039mm、964mm、932mm，淺層和下層軟基的沉降占到總沉降的81%。

圖4 路中分層沉降-荷載-時間關系

圖5 測斜孔CX1水平位移-時間曲線

4)深層水平位移：在邊坡兩側坡址位置放置2根側斜管，最深測量位置24米，多余長度埋設到堅硬土層作為位移不動點。監(jiān)測中(圖5)發(fā)現，真空預壓時，深層水平位移監(jiān)測點土體也向加固區(qū)外方向發(fā)生位移，位移量隨深度增加逐漸減小，原因為真空預壓初期，真空度在豎向排水通道中發(fā)展程度低，徑向收縮效應小，而膜下砂墊層真空度較快達到設計值，對土層產生豎向空氣壓力，又因為深層土顆粒密實且圍壓大，所以彈性模量大變形小。后期真空聯合堆載預壓時，土體水平位移線發(fā)生弓形鼓脹，判斷原因為淤泥層在一定堆載附加應力下發(fā)生蠕變現象而產生大的位移，上下層的中砂、粗砂相比結構穩(wěn)定，側向位移較小。論文[4]中淤泥軟基沒有夾砂層，層間土彈性模量相差不大，深層水平位移圖在整個預壓過程中沒有發(fā)生弓形鼓脹，因此可判斷蠕變現象的發(fā)生與層間土的彈性模量比、土層厚度有關，FK1+740斷面砂層和淤泥層彈性模量比達到4：1，且淤泥層厚度較大，所以在6-12米處產生明顯鼓脹。

圖6 孔隙水壓力-時間曲線

5)孔隙水壓力：為監(jiān)測軟基孔隙水壓力消散速率，判別地基的固結狀態(tài)，設計在路基中線和路肩的部位埋置孔隙水壓力監(jiān)測點。如圖7所示，在真空預壓階段，不同深度處孔壓隨時間延續(xù)成下降的趨勢，考慮井阻作用會引起真空度損失，所以淺層(如K2、K3)土中負孔壓較大；滲透性差的土層真空度發(fā)展緩慢，負孔壓較小且平緩，同時土層固結壓縮對負壓有明顯消散作用(如K1)；同一深度下路基中線處的超靜孔隙水壓低于路肩處超靜孔隙水壓(如K3、K7)，說明路肩處真空度損失大于路中。之后進行堆載，每段堆載期間超靜孔隙水壓先小幅升高再逐漸消散，升高幅度小于堆載引起附加應力，原因為堆載作用后土體真空度也逐漸發(fā)揮。堆載全部完成后，超孔隙水壓力略有下降，呈逐漸穩(wěn)定狀態(tài)，2012年5月，K1、K2、K3、K5、K6、K7、K8的水壓力分別達 到 -19.7KPa，-31.4KPa、-16.0KPa、-44.2KPa、-36.1KPa、-31.5KPa、-15.7KPa。

2.4 最終沉降、固結度計算及效果評估

固結度的計算常按以下方法計算：(1)超孔隙水壓力的消散值與預壓前孔壓和堆載壓力之和的比值；(2)某時刻沉降量和最終沉降量的比值。由于堆載預壓過程中孔隙水壓變化復雜，在某段時間內土體繼續(xù)固結，但孔隙水壓消散值幾乎不變，造成預壓期間固結度計算不準，推薦用第二種方法計算。

表1為C#路和F#路監(jiān)測斷面路中最終沉降推算，理論設計值與實際情況較吻合，推算15年工后沉降小于50cm的設計要求。

停泵后對工后土樣的物理力學指標進行室內試驗，含水率、孔隙比、壓縮系數、壓縮模量較施工前土樣下降約35%-60%，內摩擦角、凝聚力、十字板強度大幅提高，且都滿足設計要求。

表1 三點法推算最終沉降量(沉降單位：mm)

5 結語

1)真空-堆載預壓法處理夾砂淤泥質軟基成本低、技術可靠，可以疊合真空預壓和堆載預壓的作用。

2)前期真空預壓時沉降主要發(fā)生在淤泥層，水平位移由地表向下逐漸減小；后期加上堆載后填土層沉降較大，淤泥層發(fā)生蠕變現象，沿土體產生弓形的水平位移，判斷其與豎向荷載大小、層間土彈性模量比及軟弱層的厚度有關。

3)真空-堆載預壓法的孔隙水壓消散情況復雜影響固結度計算，建議用沉降量推算固結度。經過真空堆載預壓后土樣物理力學性質均得到較大提升，滿足承載要求，減少施工時間。

[1]彭劫,劉漢龍,陳永輝,李豪.真空一堆載聯合預壓法軟基加固對周圍環(huán)境的影響[J].巖土工程學報,2OO2,24(5),656-662.

[2]張慶華,湯連生,廖化榮,王占華.真空預壓下土體有效應力增量的計算與應用[J].巖石力學與工程學報,2006,25(增刊2),3566-3571.

[3]劉景政,楊素春,鐘冬波.地基處理與實例分析.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.

[4]汪志強,唐彤芝,黃康理等.真空聯合堆載預壓處理深厚軟基試驗和數值分析[J].江蘇大學學報,2012,33(1),110-114.

[5]JTJ017-95,公路軟土地基路堤設計與施工技術規(guī)范[S].