真空聯合堆載預壓法處理深厚軟土試驗研究

何長明 黎 軍

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州 510060)

0 引言

改革開放后隨著經濟的快速發展，我國基礎設施建設突飛猛進，在深厚軟土地基上進行工程建設屢見不鮮。真空預壓法作為一種經濟、高效的軟基處理方式，自1952年由瑞典皇家地質學院杰爾曼(W.Kjellman)教授提出基本原理以來，國內外進行了廣泛的研究與試驗，自上世紀八、九十年代起陸續在圍海造陸、港口、機場建設中得到應用[1-3]。進入21世紀，真空預壓加固軟土技術得到了更加廣泛地應用，特別對高速公路、城市道路的軟基處理上，發展出利用路堤自重的真空聯合堆載預壓法[4-6]。

2002年，婁 炎[7]出版國內外第一本全面闡述真空預壓技術的專著—《真空排水預壓法加固軟土技術》;2009年，交通運輸部發布《真空預壓加固軟土地基技術規程》(JTS 147—2—2009)[8]，該規程是我國交通行業的第一本關于真空預壓技術的專門規范，對規范和推動真空預壓技術的發展起到積極作用。但關于真空預壓法的有效加固深度，在學術界和工程界仍存在較多的爭論，有學者認為真空預壓的有效深度不超過10 m;閆澎旺[9]認為有效深度可超過10 m，甚至能達到20 m;齊永正[10]認為真空預壓的有效加固深度為軟基豎向排水體深度;顏立明[11]認為真空預壓的影響深度可以達到豎向排水板以下;吳春勇[12]則測得加固深度至少可以達到地表以下23 m，并認為加固深度可以達到排水板以下2～3 m范圍。

從上述分析看，真空預壓的有效加固深度一般未超過25 m。本文基于珠海地區一工點最大軟土厚度26.6 m，層底埋深逾30 m的場地進行現場試驗，分析現場監測數據和竣工后的檢測數據，檢驗真空預壓對軟土地基的加固效果，驗證真空聯合堆載預壓法的有效加固深度，為同類工程提供參考。

1 工程概述

1.1 工程地質條件

根據現場鉆孔勘察資料，該工點巖土層自上而下依次為：

①素填土：灰褐色，濕，松散狀，成分復雜，土質不均勻，孔隙大，埋深為0.0 m，厚度2.5～5.1 m。

②流塑狀淤泥：灰黑色，流塑狀，物理力學性質差，含水量高，承載力低，埋深為2.5～5.1 m，厚度18.0～26.6 m。

③淤泥質黏土：局部鉆孔有分布，深灰色，流塑，局部軟塑狀，埋深為25.2～34.1 m，厚度0～10.6 m。

④粉質黏土：土黃色，灰白色，灰黃色，褐紅色等，可塑狀，局部硬塑狀，干強度中等，韌性中等，黏性較好，埋深為18.0～32.6 m，厚度2.5～9.0 m。

該區軟土層起伏較大，本文主要對厚度25～30 m的軟土層進行研究。從勘察資料看，軟土層主要為淤泥層和淤泥質黏土層，具有高孔隙比、高含水量、高壓縮性和低強度的特性，是道路工程中影響路堤穩定性和工后沉降的主要巖土層。其物理力學指標見表1。

表1 加固前土的物理力學性質

1.2 道路軟基處理設計方案

設計方案中試驗路段道路最大填土高度不大于2.0 m，垂直排水通道采用C型塑料排水板，正三角形布置，間距1.0 m，塑料排水板的打設深度25 m，水平排水墊層選用0.6 m厚的中粗砂，密封系統采用密封溝+雙排直徑0.7 m@0.5 m黏性土攪拌樁，樁長進入不透水層2.0 m且不小于7.0 m。

根據本地區軟土特性和真空預壓施工經驗，確定真空聯合堆載預壓法的加荷計劃，見表2。

表2 真空聯合堆載預壓加荷計劃表

1.3 道路軟基處理施工

真空聯合堆載預壓主要施工工序為：①場地平整，施工黏土密封墻;②砂墊層施工;③塑料排水板施工;④安裝濾管真空設備;⑤鋪密封膜;⑥抽真空;⑦鋪設上層土工布及墊層，分層填筑路基;⑧滿載預壓120天;⑨沉降穩定后卸載。

2 試驗方案

2.1 監測方案

為準確了解真空聯合堆載預壓施工參數，在施工現場布置了多種監測項目的測試工作，包括設置在路中和路邊地表沉降板、膜下真空度、孔隙水壓力計、深層水平位移等項目，研究分析真空預壓及堆載過程中位移場和孔壓場的分布與變化，現場試驗監測點的平面布置見圖1，監測點的立面布置見圖2所示。

圖1 監測點平面布置圖

圖2 監測點立面布置圖

2.2 檢測方案

為評估真空聯合堆載預壓處理效果，軟基處理完成后在原勘察鉆孔附近鉆取原狀土樣進行室內土工試驗，與加固前參數進行對比，并對軟土進行十字板剪切原位試驗和現場載荷試驗，全面檢驗軟基處理效果。

3 監測數據分析

3.1 膜下真空度監測數據分析

膜下真空度的平均值隨時間變化曲線如圖3所示，本項目2017年1月開始抽真空，自1月15日達到穩壓后，膜下真空度一直保持在80 kPa以上，最大的真空度達到90 kPa以上。

圖3 膜下真空度-時間關系曲線

3.2 地表沉降監測數據分析

真空預壓過程中，地表沉降隨時間變化曲線如圖4所示，地表沉降速率曲線如圖5所示，從圖中可以看出，地基沉降有兩個明顯的階段，第一階段是真空預壓階段，自2017年1月—2月期間，在真空預壓荷載的作用下，沉降速率較大，地表沉降也越來越大;第二階段為真空聯合堆載預壓階段，自2017年3月開始加載以來，隨著填土荷載的增加，沉降速率逐漸增大，并在一段較長的時間內沉降速率在一直維持在15～20 mm/d。

圖4 地表沉降-時間關系曲線

圖5 地表沉降速率-時間關系曲線

對比圖4、圖5可以看出：地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關性和滯后性，即加載時地表沉降速率增加，地表沉降量增加;加載停止時，地表沉降速率仍將持續一段時間保持在較高的水平。總體而言，隨著加載的穩定，沉降速率逐漸降低，沉降曲線進入平緩的階段。

從圖4還可以看出，自2017年7月24日至8月12日，連續20 d實測沉降速率≤2 mm/d，沉降曲線已趨于平緩，表面沉降趨于穩定。

分析施工期間的監測數據，塑料排水板施工期間地表平均沉降390 mm，真空聯合堆載預壓期間平均沉降1535 mm，整個軟基處理過程中，邊樁沉降1855 mm，中樁沉降1995 mm，加固效果明顯。

按照平均沉降曲線，利用雙曲線法和ASAOKA(淺崗)計算工后沉降和固結度，工后沉降均小于100 mm，固結度大于90%，滿足《公路路基設計規范》(JTG D30—2015)要求。

3.3 孔隙水壓力監測數據分析

孔隙水壓力隨時間變化曲線(見圖6)可以看出：真空預壓引起土體孔隙水壓力下降，在整個加固區域范圍內都有效果，在抽真空施工初期，淺層土體的孔隙水壓力迅速消散，但消散速率逐漸減緩;滿載后，在抽真空作用下，孔隙水壓力再次下降并趨向于相對穩定。隨抽真空施工的不間斷延續，與初始孔壓相比，淺層土體孔隙水壓力降低，深層土體孔隙水壓力表現為上升，軟基處理深度中部土體孔隙水壓力趨于降低但變化相對較小。

圖6 孔隙水壓力-時間關系曲線

從圖6還可以看出，地下21 m處孔壓仍有明顯的消散，測得施工期間消散值18.9 kPa，地下27 m處孔壓基本穩定。本次塑料排水板底部為地下25 m，說明孔隙水壓力在塑料排水板以下影響很小。

3.4 深層水平位移數據分析

為測量抽真空區域的側向位移，了解真空預壓對周邊環境的影響，也為有效加固深度的確定和豎向密封墻的打設深度提供參考，在試驗路段設置深層水平位移觀測點。埋設測斜管時需保持底部固定，本次測斜管埋設深度進入持力層3 m以上，埋深34 m。

從圖7可以看出，在抽真空開始的時候，測斜管基本是一條直線，在進行抽真空的過程中，測斜管開始發生偏移，上部7 m偏移較大，最大位移達185 mm;7 m以下偏移較小，最大位移不超過25 mm，在抽真空的過程中，隨著沉降的穩定，水平變形速率也在逐漸減小。

從圖7可以看出，在30 m埋深處仍測得10 mm水平位移，說明真空聯合堆載預壓法影響深度較大，大于塑料排水板的打設深度(25 m)。

圖7 深層水平位移-時間關系曲線

3.5 施工監測數據分析

施工期膜下真空度穩定在80 kPa以上，地表沉降在加載6個月后趨于穩定，推算的工后沉降及固結度滿足規范[12]要求。

從孔隙水壓力隨時間變化曲線看：塑料排水板范圍孔壓變化較明顯，塑料排水板以下孔壓變化不明顯;深層水平位移隨時間變化曲線測得在地表以下30 m處仍有水平位移，說明真空聯合堆載預壓法影響深度大于塑料排水板的打設深度。

但從上述監測數據也可以看出，深度越大，影響越小，建議采取一定的標準(如取0.1～0.15倍地表沉降量)區分真空預壓的有效加固深度和影響深度。

4 軟基加固效果的檢驗

4.1 十字板原位試驗數據分析

軟基處理后進行十字板原位檢驗測試，以了解淤泥軟土在處理前后性狀變化，通過對預壓前后十字板剪切試驗參數進行統計分析，并選取同一位置(距離小于2.0 m)代表性測點進行分析，試驗結論詳見表3、圖8。

表3 加固前后十字板剪切試驗數據指標變化

(1)從表3統計可以看出，預壓前原狀土強度16.8 kPa，預壓后原狀土強度34.3 kPa，原狀土強度提高2.04倍，增幅顯著。

(2)從表3統計可以看出，預壓前重塑土強度7.9 kPa，預壓后重塑土強度10.0 kPa，重塑土強度提高1.27倍。重塑土強度增幅不如原狀土，說明真空預壓加固對淤泥的觸變性改善不明顯，預壓后的土體仍不宜擾動，擾動后軟土強度降幅更大。

(3)圖8為同一位置(距離小于2.0 m)真空預壓前后十字板剪切強度的對比，其隨深度的變化可以分為兩段，0～18 m范圍隨著深度的增加，十字板剪切強度逐漸升高;18～24 m隨深度增加十字板剪切強度有所降低，說明真空預壓在此深度范圍加固效果有所減弱，但相對加固前的強度仍提高明顯，驗證了真空預壓的有效加固深度在地表以下24 m處仍比較明顯。

4.2 現場載荷試驗數據分析

對預壓后地基進行現場載荷試驗，各點的最大試驗荷載及其在以下各級荷載作用下，沉降量較小且能相對穩定。地基的極限承載力達到或超過設計特征值的兩倍，試驗確定其承載力特征值滿足設計要求的100 kPa。

4.3 土的物理力學參數對比分析

軟基處理后對在原勘察孔附近5.0 m范圍鉆探取樣，進行室內主要物理力學指標測定，評價加固效果資料，土的物理力學參數詳見表4。

圖8 加固前后十字板剪切強度對比曲線圖

表4 加固前后土的物理力學指標變化

(1)從表4可以看出，真空聯合堆載預壓處理后，淤泥的天然含水率由68.4%降為57.4%，天然孔隙比由1.828降為1.575，液性指數由2.10降為1.31，軟土的物理性質有一定的提高。

(2)從表4可以看出，淤泥的壓縮模量由2.04 MPa增加到2.25 MPa，直接快剪強度指標也有一定提高。

4.4 真空預壓效果分析

從施工期監測數據及檢測結果分析，真空聯合堆載預壓法加固軟土效果明顯，本次試驗驗證了加固深度可以達到25 m及以下。土的物理、力學性質也有明顯提高，地基處理效果明顯。

但從十字板剪切重塑土的強度數據看，真空預壓并未改變軟土的基本性質(觸變性)。處理后的軟土仍應避免擾動。

5 結論與建議

通過對該路段現場試驗表明，真空聯合堆載預壓法的加固深度主要為豎向排水體深度，本次試驗得到影響深度達到25～30 m，但在15～20 m范圍內加固效果最為顯著，建議對真空預壓的有效加固深度和影響深度標準進行理論分析和更深入地研究。

通過軟基處理前后的參數對比及原位試驗，得出該工程在真空聯合堆載預壓后加固效果明顯，沉降趨于穩定。但考慮到該項目軟土層深厚，本次塑料排水板未完全穿透軟土層，建議對該項目進行長期跟蹤觀測，取得塑料排水板懸浮樁軟基處理后的道路長期沉降數據，為同類工程提供參考。