真空聯合堆載預壓技術在道路工程中的應用

孫 青 隋 乾 劉云龍

(1.膠州市城鄉建設局，山東 青島 266300； 2.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266061)

1 概述

1.1 軟土定義

根據JGJ 83—2011軟土地區巖土工程勘察規程，天然孔隙比不小于1、天然含水率大于液限、具有高壓縮性、低強度、高靈敏度、低透水性和高流變性，且在較大地震力作用下可能出現震陷的細粒土。軟土的工程性質包括黏力含量高、天然含水率高、天然孔隙比大、滲透系數小、高壓縮性、強度指標小、靈敏度高等特點。

1.2 軟土路基主要病害類型

1)路基沉陷。當車輛荷載作用于道路路基時，軟土地基由于未經處治或處置不充分，導致地面比較軟弱、地面承載力不足，引起路基沉陷。

2)不均勻沉降。當軟土地基處理不充分時，導致路基強度沿道路縱/橫向路基不一致，引起路基不均勻沉降，嚴重影響道路平整度，導致行車發生危險。

3)凍脹翻漿。由于軟土路基含水率過大，導致在冬季負溫影響下，路基中的水分不斷向上遷移、積聚而凍結，導致路基體積膨脹，引起路面開裂，從而凍脹；春季氣溫升高時，路基上部凍土先融化，因水分無法及時排出而使路基土泡水稀軟，在行車荷載作用下，泥漿沿路面裂縫被擠出，導致翻漿。

1.3 軟基處理目的

提高軟土的強度、降低其壓縮性，從而在道路使用過程中，不發生坑槽、沉陷、不均勻沉降等病害。

1.4 真空聯合堆載預壓法定義

真空和聯合堆載預壓法是將真空預壓法和堆載預壓法聯合使用的一種方法。在粘土層上鋪設砂墊層，然后用薄膜密封砂墊層，用真空泵對砂墊層和砂井抽氣，降低地下水位，固結地基；同時在砂墊層上方堆土或砂石，預先完成部分或大部分地基沉降，并能加速排水。

1.5 真空聯合堆載預壓法適用條件

1)適用軟土類型。軟土層厚度一般大于5 m；軟土層一般處于路基最頂層或不大于2 m的路基上層位置；剪切強度低：十字板剪切強度小于35 kPa；塑性指數大于25；天然含水量大于35%；壓縮模量一般在1 MPa～3 MPa之間；滲透系數不小于10-5cm/s(一般約10-7cm/s)。

2)方案比選。在道路路基處理過程中，常見兩大類思路：一是時間換金錢，二是金錢換時間。思路一為時間換金錢：一般為排水固結法，包括堆載預壓法(1年～2年)、真空預壓法(9個月)、真空聯合堆載預壓法(6個月)。思路二為金錢換時間：一般包括換填法(軟基深度1 m～2 m)、拋石擠淤法(2 m～3 m)、強夯法(3 m～8 m)、攪拌樁法(6 m～10 m)、PCC樁法(10 m～20 m)。

當工期較長、資金緊張時，宜選擇真空聯合堆載預壓法。

2 青島某工程示例

青島市位于山東半島南部，南依黃海，在某些道路工程位于海濱時，需進行軟基處理，現以青島某工程示例詳解真空聯合堆載預壓法。

2.1 地質情況

1)地形地貌。工程周邊原為鹽田及蝦池，現狀地塊以回填為主，壩埂錯落，沿線場區地形整體較平緩。場區原地貌屬濱海淺灘，后經人工回填改造。

2)巖土層分布。該工程現狀地面平均標高為-1 m，第①層大部分為淤泥質粉質黏土(層厚5 m流塑～軟塑，地基承載力特征值fak=40 kPa～60 kPa，壓縮模量Es1-2=1 MPa～3 MPa)，零星位置上層附1 m～3 m厚土粗顆粒填土及黏性土素填土(軟塑～可塑狀態)；第②層為粉質黏土(可塑～硬塑，fak=190 kPa～240 kPa，壓縮模量Es1-2=6 MPa～9 MPa)；第③層為安山巖強風化帶(厚1 m～6 m，fak=400 kPa～500 kPa。變形模量E0=25 MPa～30 MPa)；第④層為安山巖中等風化帶(厚2 m～6 m，fa=2 000 kPa～2 800 kPa，彈性模量E=5×103MPa～-8×103MPa)，見圖1。

2.2 施工工藝

2.2.1施工流程

場地地表水疏干→場地整平→鋪設1.0 m砂性土工作墊層→鋪設下層30 cm排水砂墊層→粘土帷幕、打設塑料排水板(機具就位→定位→塑料排水板穿靴→沉管→拔管→割斷塑料排水板)→觀測設備埋設→埋設真空分布濾管→鋪設上層20 cm排水砂墊層→鋪設密封膜及土工布→真空泵安裝連接→抽真空→監測→堆載砂性土→卸載。

2.2.2重要步驟難點解析

1)場地整平。由于工程沿線多為吹填土，為使設備能夠進入場地，需預先設置一條臨時便道，臨時便道宜采用砂礫土。結合地勘報告，沿線現狀道路表面局部存在粗顆粒素填土，回填碎石—塊石為主，影響塑料排水板插入，場地整平時應進行挖除?，F狀回填碎石可作為路床整平回填土(為防止碎石刺穿密封膜，現狀碎石不可作為底層堆載荷載)。

2)預壓分區。預壓加固范圍較大時應分區加固，分區面積宜為2萬m2～4萬m2。本工程處理路基約6萬m2，因此設置了兩個各約3萬m2的預壓分區。

3)設置排水墊層。墊層作用一為排水，二為整平，作為路基處理過程中，主要起到排水作用，宜選擇砂墊層，但為保證其反濾作用，防止大顆粒土壤堵塞，其滲透系數須不小于0.01 cm/s，含泥量小于3%。

4)設置粘土帷幕。因粘土具有很好地隔絕空氣和水的效果，保證施工范圍內為真空密閉環境，因此預壓時用作設置帷幕，滲透系數須小于5×10-8cm/s，粘土帷幕樁參數：間距0.5 m、搭接0.2 m、樁徑約0.7 m、帷幕寬度0.7 m、樁長約1 m。粘土帷幕頂面開挖密封壓膜溝時，塑料排水板不剪斷，應沿溝邊向上插入到砂墊層中至少0.2 m。用素粘土回填密封溝和填筑覆水圍埝，如圖2所示。

5)打設排水板。塑料排水板板頭埋入排水砂墊層中，與砂墊層貫通，并采取保護措施。塑料排水板插入長度：塑料排水板底高程在淤泥層底以上1 m，不穿透淤泥層，形成底面封閉層，以保證真空環境。排水板不得進行搭接，外部須用塑料帶包無紡土工布濾膜，如圖3，圖4所示。

6)設置濾管。真空分布濾管目的：將砂墊層中的水和空氣排出，保留砂子在外側，以保證排水砂墊層始終可以真空排水。參數：塑料軟管、直徑約60 cm、打孔加工、外包土工織物濾水層、設置于砂墊層中間位置、周邊用砂填實以防止非真空狀態。

7)密封膜。施工工藝：首先，將施工加載和監測設施提前布置好并做好出密封膜時的密閉真空處理；其次，為保證其密封性能，建議使用兩層同時鋪設，并加鋪一層土工布以防密封膜受損。

材料要求：膜厚約0.15 mm±3 mm，材質采用聚氯乙烯膜，邊長須外伸出加固區約3 m，材質須具備一定的延展性及防穿破性。

8)射流真空泵。參數要求：膜內真空度不小于650 mm泵柱；抽真空連續有效時間約90 d；真空壓力不小于96 kPa。

9)監測。施工過程中，需對每個處理分區采用監測儀器實施監測，以保證軟土路基的加固效果。項目如下：地表沉降標：監測沉降量(P—T—S，S∞，Ch，U)；孔隙水壓力觀測儀：實測各土層在軟基處理過程中的孔隙水壓力消散情況和土的固結情況，繪制各土層的P—T—S曲線，推算各土層的固結度；深層分層沉降觀測儀：實測各土層的沉降及土層沿深度變化特征，繪制各土層P—T—S曲線，推算S∞，Ch，U；軟土處理采用分層總和法計算最終總沉降量在0.65 m～0.97 m范圍內。設置深層側向位移觀測儀：觀測軟基處理過程中軟土的側向位移及深層滑動情況，繪制軟土層的P—T—Sxy曲線及各土層最大的側向位移。設置水位觀測儀：觀測軟路基處理過程中地下水位變化情況。軟路基處理前、后，各區鉆原狀孔和現場十字板孔各兩個，并對土樣進行物理力學實驗，以檢測軟路基處理前、后地基土的改良情況。設置邊樁：測定側向地面水平位移量并兼測地面沉降或隆起量，以監測穩定性。

10)上部堆載施工宜在真空預壓膜下真空穩定度達到80 kPa且抽真空30 d后進行。砂性土厚度為2.0 m，堆載總荷載約為48 kPa，分一級等速加載，加載速率為6 kPa/d，加載完成后堆載預壓84 d，方可卸載進行管線敷設。

11)卸載標準：固結度大于80%、連續10 d沉降速率不大于1.5 mm/d、地基承載能力要求不低于130 kPa，工后沉降值小于30 cm。

2.3 施工工期

結合本工程，真空聯合堆載預壓法施工工期約10個月，觀測工后沉降約11個月，具體施工工期如下：抽真空前施工工期：當年3月初～8月初；抽真空工期：8月初～11月底；堆載工期：9月初～9月中旬；堆載預壓持續60 d卸載工期：9月中旬～11月底；觀測沉降量工期：4月初～11月底；觀測工后沉降工期：12月初～次年10月底。

3 結語

1)真空聯合堆載預壓路基處理施工完成后道路使用期間，經持續觀測工后沉降及平整度等參數，道路整體質量較好，行車舒適性良好，達到了實際效果，獲得了業主及市民的好評。

2)對軟土地基采用真空聯合堆載預壓，能夠有效提高地基承載力、減少工后沉降，常用于濱海地區的大范圍軟黏土道路，但也存在其路基處理工藝上的局限性，受多種因素的制約影響，比如地基條件(土質情況)、地基構成及分布情況(軟土層厚度)、道路條件(道路等級、道路幾何形狀)、施工條件(工期、材料、施工機械作業面、對周邊環境影響)、投資等，工程實際過程中需結合不同的地質情況采用合理的路基處理方式。