真空聯合堆載預壓法高速公路軟基加固中的應用

羅道銀

核工業華南建設工程集團公司

摘要：本文主要針對真空聯合堆載預壓法在高速公路軟基加固中的應用展開了探討，對加固機理作了說明，系統闡述了軟基處理方案的設計，并對加固的效果作了分析，以期能為有關方面的需要提供參考和借鑒。

關鍵詞：真空聯合堆載預壓法；高速公路；軟基加固

我國軟土地基分布廣泛，由于軟土地基具有著透水性弱，抗剪強度低等特點，決定了我們在軟土地基上施工時必須要對其進行加固處理。在高速公路的軟基加固處理過程中，應用真空聯合堆載預壓法對軟件進行加固，將可以大大減少工期，且控制工后沉降效果好，值得我們推廣應用。基于此，本文就真空聯合堆載預壓法在高速公路軟基加固中的應用進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

1 加固機理分析

1.1 堆載預壓法

排水固結法的基本理論是太沙基的有效應力原理：σ=σ'+μ。其中σ為總應力，σ'為有效應力，μ為孔隙水壓力。而就整個土體而言，這三個參數的變化與土體的變形和強度變化有著密切關系。

而堆載預壓法的本質就是通過設置豎向排水板和砂墊層，在其上進行堆載增加總應力，從而排出系統內的孔隙水，使得孔隙水壓力轉化為土體的有效應力，這樣可以使軟弱土基的強度得到增強。

1.2 真空預壓法

真空預壓法則是通過抽真空的方式，在外荷載不變的情況下，使得薄膜下的地基形成負壓，迅速降低孔隙水壓力，進而增加有效應力的方法。

在抽真空前，密封膜內外的氣壓均為1個標準大氣壓（101.325kPa）；抽真空后，密封膜下的壓力隨著水平排水墊層氣體抽出而形成壓力差，也即真空度。在整個土基強度增長的過程中，土體空隙中的水、氣等傳遞路徑為：土體空隙中→豎向排水通道→地表水平排水墊層→真空濾管中→射流泵抽走。而真空度的傳遞及滲流路徑見圖1。

圖1 真空度的傳遞及滲流路徑示意圖

1.3 真空聯合堆載預壓法

真空聯合堆載預壓法與堆載預壓法一樣，主要包括兩個系統，即固結排水系統和加壓系統，主要的區別在于加壓系統的不一樣。堆載預壓法的加壓系統主要是施加載荷加壓，而真空聯合堆載預壓法的加壓系統不僅包括載荷加壓，還包括真空加壓，由這兩個部分組成的加壓系統在施工過程中可以同時進行，故達到同一加固效果所需要的時間更少，可以減少工期，而且可以解決堆載材料不足的問題。

采用真空聯合堆載預壓法加固軟基時，應先利用真空泵對砂墊層進行抽氣形成負壓，假設原來氣壓為Pa，抽真空后排水層和砂墊層的壓力降低為Pv，則土體內部形成壓力差（Pa-Pv），在壓力差作用下孔隙水壓力減少，土體有效應力增加而使得土體固結。在抽真空的同時進行堆載，則土體中的孔隙水壓力由于外荷載的變化而升高，又由于真空壓力作用下升高的孔隙水壓力又排出消散，加大了壓力梯度，使得土體進一步得到壓密。

圖2為真空聯合堆載預壓法加固軟基示意圖。

圖2 真空聯合堆載預壓法加固軟基示意圖

2 軟基處理方案設計

2.1 方案選擇

由于本工程實例中軟土處理寬度可達23m，深度范圍為18～21m，軟基處理范圍大，深度較厚，屬于大面積軟基處理的情況。針對大面積軟基處理情況，常采用的加固方法有強夯法、塑料排水板堆載預壓法和真空聯合堆載預壓法，但是強夯法對設備要求高，對淺層土層加固效果顯著，而對較深下臥層效果不明顯。又結合該工程設計車速為80km/h，對沉降控制要求較為嚴格，關鍵是工期緊，需要為后續道路構造物的修建爭取工期，故最終決定采用真空聯合堆載預壓法對K73+420～K76+670段的軟基進行加固處理。

整個真空聯合堆載預壓施工流程為：場地整平→鋪設300mm中粗砂→打設排水板→鋪設200mm中粗砂→鋪設真空主濾管→安裝抽真空設備→鋪設密封膜密封→抽真空→土方堆載→繼續抽聯合預壓至結束。

2.2 排水系統設計

排水系統主要包括水平排水和豎向排水兩個部分。水平排水主要通過鋪設砂墊層來實現，該水平排水體還可以達到傳遞真空度的目的。豎向排水體主要是將土體內的水在豎直方向排除，通常采用塑料排水板來實現，其深度設置的標準常透過軟土層的厚度，結合本工程實例，可確定塑料排水板的深度約為20m。

在確定排水板的間距時，常綜合考慮到土體的滲透性、工期和加固效果，最終確定塑料排水板采用B型，且采用三角形布置，邊長取為1.2m。表1為B型豎向排水板性能指標。

表1 B型塑料排水板性能指標

注：塑料排水板型號可根據加固深度分為A、B、C、D四個型號，其中B型塑料排水板適合的處理深度為15～25m

2.3 真空預壓方案設計

真空預壓方案的設計主要包括膜下真空度、密封系統和真空抽氣過程的設計。

膜下真空度一般可以維持在80kPa，如果膜下真空度太大，則會增加抽氣設備和運行的費用；如果膜下真空度太小，則難以達到設計的預期效果，無法在規定工期內完成任務。故經過工期和費用的綜合考慮，要求膜下真空度應大于85kPa。

密封系統是保證真空預壓效果的關鍵，主要包括密封溝和密封膜兩個部分。對于密封溝，當遇到軟土層中的透水層夾層時應采取深層密封措施隔斷透水層，一般情況下開挖至素填土下的淤泥層即可。

而密封膜采用人工敷設，為了確保密封膜在后期堆載過程中不被破壞，應在兩層密封膜之間加一層土工布，并鋪設200mm中粗砂于其上，鋪設的密封膜采用的是兩層聚氯乙烯薄膜，表2為其技術指標。

表2 密封膜技術指標

真空抽氣過程為：試抽氣→正式抽氣→排水→施工記錄→關注壓力表。在試抽氣過程中要調整儀器初讀數，不斷檢查膜上是否有漏氣情況；正式抽氣時不斷補充射流箱內的循環水，采用的射流真空泵功率不小于7.5kW；施工記錄中要不斷對真空度、壓力表讀數進行整理和分析以達到最佳真空預壓效果。

2.4 堆載預壓方案設計

一般堆載預壓與真空預壓的過程基本為同步進行，常在真空預壓加固后10～15d左右（一般此時真空度可達到設計要求）進行堆載預壓施工。在進行聯合堆載時應該在膜上鋪上一層土工布，采用的土工布類型為寬幅聚酯長絲無紡針刺類型，其質量指標見表3。

表3 土工布質量指標

在堆載過程中第一層應采用人工攤鋪，厚度為30cm左右。在加載過程中要嚴格對加載速率進行控制，豎向變形不應超過20mm/d，水平位移不應大于4mm/d。之后的堆載可以由輕到重采用機械化施工，但應在堆載過程前對沉降進行測量，堆載過程中注意保護沉降觀測標桿，以方便之后進行加固分析。

3 加固效果分析

為了對真空聯合堆載預壓法處理軟基加固的效果進行分析，通過沉降及固結度來評定加固效果是否滿足預期要求；通過鉆孔取土的室內實驗分析來判定加固前后土的物理性質變化情況；通過現場十字板剪切試驗比較加固前后土體強度的變化。

3.1 沉降及固結度分析

研究真空聯合堆載預壓法處理軟基后的沉降，可以科學地推測出土基的固結度，進而反映地基總體加固效果。而在整個過程中地表的沉降可以包括兩部分，即打設塑料排水板期間的沉降和預壓荷載作用下產生的沉降。在前一過程中，未經處理的軟基屬于欠固結土層，在豎向排水層打設的過程中，土體在受到外力擠壓和自重的作用下會產生部分沉降，使得土體得到一定程度的壓實和固結，提高部分強度。

根據沉降的數據可以按照下式推算固結度Ut的大小：Ut=St/S∞，其中St=S0+t/（α+β），S∞=S0+1/β，殘余沉降Sr=S∞-St。S0為滿載時地基沉降量；α、β為待定系數；St為卸載時的沉降量；S∞為最終沉降量；Ut為沉降固結度；Sr為殘余沉降。表4為地表沉降固結度分析情況。

表4 地表沉降固結度分析情況表

從表4可知，經過真空聯合堆載預壓法處理軟基后地表沉降量為1594～1728mm，固結度可達92.2%，地基加固效果明顯，殘余沉降量為134mm，小于150mm，滿足要求。

3.2 加固前后土質變化對比

為了判定真空聯合堆載預壓法加固軟土前后土質的物理性質變化，在加固前后分別進行鉆孔取土進行室內試驗分析，具體對比情況見表5。

表5 加固前后軟土層土工試驗成果對比表

從表5可知，經過真空聯合堆載預壓法加固地基后，淤泥類土質的含水率水平大幅下降，高達72%，同時壓縮模量和粘聚力大幅增加，效果明顯。

3.3 加固前后十字板強度對比

為了從加固前后的力學變化角度來分析加固效果，采用十字板剪切試驗分析加固前后強度變化，與室內土工試驗相比，該法受人為影響因素少，更能反應出實際的加固效果。圖3為軟土地基加固前后的十字板剪切強度-深度曲線。

圖3 軟土地基加固前后的十字板剪切強度-深度曲線

從圖3可知，加固前土層強度范圍是12.3～32.1kPa，在利用真空聯合堆載法加固軟基后，其土層強度范圍增加至30.3～41.4kPa，基本每個深度層的強度均有提高，且最大值增大了33%，地基承載力提高顯著。

4 結語

綜上所述，在高速公路軟基加固處理的實際過程中，真空聯合堆載預壓法的應用不僅能大大縮短施工時間，而且還顯著提高地基承載力，使得軟基加固的效果達到最佳。因此，我們需要進一步推動真空聯合堆載預壓法的應用完善，以為軟基加固的工作帶來便利。

參考文獻：

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[2]席寧中、于海成.真空聯合堆載預壓處理軟土地基測試與分析[J].建筑科學.2012（S1）.

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據，并將收費結算數據通過SDH上傳至集團公司信息中心。

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