排水板真空堆载预压法在大厚度软基处理中的应用

祁迎喜 李军辉(甘肃机械化建设工程有限公司，甘肃 兰州 730060)

在东南沿海地区，许多高速公路建在软土地基上，由于软土地基厚度大、含水量高、孔隙比大等特点引起的施工阶段及工后路基沉降、差异沉降和稳定问题较为突出。单一的采用堆载或真空预压法限制了处理速度或者难以达到预计的承载力要求，考虑堆载和真空预压法的处理效果可以叠加，工程中常用真空预压对土体施加各向均等压力，控制土体稳定性，同时较快速填筑路堤，达到缩短工期和减小工后沉降的目标[1]。

1 加固机理

真空预压法是在加固软土上铺设砂垫层和封闭膜，用抽真空装置将密封膜下砂垫层和软土中的水、气抽出，由此在土体和竖向通道间产生负压和水头差，孔隙水将由土体流向竖向排水通道并引起竖向排水体中真空度下降，抽真空装置持续做功提升真空度，最终将竖向排水体中的水抽到水平向排水体排出，使土体固结[2]。

当膜下真空度满足设计要求且能保持稳定时，在真空密封膜上铺一层无纺土工织物，然后在上面填方堆载，用与设计荷载相近的荷载强迫压密沉陷，将土体孔隙水排出，进而达到真空和堆载联合加固的目的。堆载预压法是通过增加总应力，再借助竖向排水通道和水平向排水措施加快土体中孔隙水的排出速率，进而实现有效应力和孔隙水压力的相互转换，达到加固淤泥质软基的目的。堆载预压时附加应力各个方向的增长是不同的，由此带来土体固结为不等向固结[3]，因此需要分级加载以确保最大剪应力始终小于土体抗剪强度。

2 现场试验及效果评价

本工程拟建场地位于横琴新区环岛北片区，东至横琴大桥，北至马骝洲水道，西至磨刀门水道，南达中石油储油站，拟构筑的道路总长31.5公里。本文所涉及夹砂层淤泥质软基主要是滨海次干路C#路和F#路段，该区域地表水体丰富，台风季节最大潮时，潮水可漫过围堤造成大面积水浸，路基在上部路堤荷载作用下，不能满足正常使用对沉降的要求，需对其进行加固处理。

2.1 现场地质条件

经初步勘探查明，地下水位与地表平齐，地基土浅部主要为人工填土层、第四系海相沉积层和第四系海陆交互相沉积层，上部土层分布特征及其物理力学主要性质如下：第1层：冲填土，松散状，褐黄、灰黄色，主要为中细砂混粘性土或粘性土组成，层厚0.3-14.8米；第2层：中砂层，呈饱和、松散状，主要成分为石英质，含少量粘性土和淤泥质土，层厚0.8-9.0米；第3层：淤泥层，灰黑色，含有机质，具臭味，局部含有约15%的细砂，呈饱和，流塑状态，层厚2.8-35米。第4层：粗砂，主要成分是石英质，含约20%的粘性土，呈饱和、稍密状态，厚度1.30-8.1米；第5层：粘土层，主要成分是粘粒，土质一般较纯，局部含20%粗砂，呈饱和、可塑状态为主，厚度1.1-11.8米；第6层：淤泥质粘土，含有机质，呈饱和、可塑状态为主，厚度1.7-15.0米；第7、第8层为砾质粘性土和花岗岩，有较好承载力。

根据场地工程地质情况可知地基上层软弱土遍布，尤其人工填土和淤泥土层较厚，为主要加固层，设计用真空-堆载预压法达到排除水分，加固土体的作用。

2.2 淤泥质软基处理设计

本工程中人工填土、淤泥和淤泥质土是主要处理对象，设计处理深度20米。设计施工参数如下：竖向排水体采用C型原生塑料排水板(厚4mm，宽100mm)，塑料排水板间距1.0m，平面呈正方形分布，插设深度20米；埋设与砂垫层中的真空管，主管采用Φ75高强U-PVC管，支管采用Φ60柔性高强塑料管，连接采用软胶管，以适应真空预压的差异沉降，膜下真空度不低于80kPa，每800m2布置1真空泵；砂垫层上铺三层薄膜，各技术指标按规范要求，由于密封沟下方有中砂层，为保证抽真空时膜下真空度，在密封沟下部进行密封墙施工，深度至不透水层(淤泥层或淤泥质土层)中约1米，且不小于10米。真空预压20天后，保持抽真空状态，同时进行填土堆载，设计三级填筑(比单纯进行堆载预压减少3级填筑)，最终到达路床设计高4.5米，满载预压时间达120天，真空联合堆载预压直至满足停泵要求。

施工中注意真空联合堆载位移报警值：在填土荷载施加时，最大沉降量不大于20mm／d，最大向外侧位移不大于5-lOmm／d。试验加固区固结度达到80%左右且连续lO天，且平均沉降速率不大于2-3mm／d设定为真空联合堆载预压停泵标准。

2.3 现场试验监测结果分析

现场从2011年5月28日开始抽真空，2011年6月19日开始路基堆载，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。项目设计选择F#路FK01+740和C#CK11+720为重点监测断面，另设3个一般监测断面，主要监测内容包括：地表沉降-荷载-时间关系；地表水平位移-荷载-时间关系；分层沉降-时间关系；深层土体水平位移-荷载-时间关系；(超静)孔隙水压力-荷载关系。以下对F#路FK1+740监测数据进行分析，监测布置点如图1所示：

图1 FK1+740断面监测点布置图

1)地表沉降：从监测得到的地表沉降-时间图(图2)可知，真空预压前期地基沉降发展较快，随时间增长速率减小，加固区中央沉降较加固区边缘略大，由前期抽真空引起土体沉降约750mm，占后期总沉降30%；开始堆载后，沉降曲线出现微小拐点，再次加速增长，在完成全部堆载后，沉降速率又逐步减小，出现明显的收敛。到2012年5月，四个监测点总沉降为1055mm(边桩D1)、2502.34mm(路肩 )、2559mm(路中 )、2397mm(路肩 )，沉降速率1.68mm／d，满足停泵要求。

图2 地表沉降-荷载-时间关系

2)地表水平位移：在离监测面的坡脚0米、3米、7米处打了3根边桩，得到地表土体水平位移-时间关系如图3：真空-堆载联合作用下坡脚外一定范围的浅层冲填土受到挤扩作用，挤扩程度与离坡脚距离成比例衰减，3米、7米处土体水平位移为坡脚处水平位移的50%、25%，水平位移受预压过程的影响同地表沉降类似，每次堆载施加瞬间坡脚水平位移都有加速增长之势，之后增长较平缓。

前期抽真空阶段监测点的水平位移较小，分别达到29mm(S1)、77mm(S2)、120mm(S3)，原因为真空作用下排水管周围土体受一定的径向收缩力，加堆载后竖向荷载大，土体受挤扩作用明显，水平位移达到98mm(S1)、269mm(S2)、403mm(S3)。

图3 地表水平位移-荷载-时间关系

3)路中土体分层沉降：每个监测面的路中布置了1根分层沉降管用于观察预压过程不同深度土层的沉降，如图4所示，初期的抽真空阶段不同深度土体的沉降迅速增大并接近430-720mm，比地表的750mm沉降略小，判断沉降主要发生在下部的淤泥层(约55%)和浅层的冲填土层(约15%)，加上堆载前2个月土体沉降速率几乎不变，之后逐渐减小并稳定。比较图2、图4可判断加堆载3个月后沉降主要发生在浅层的人工填土，2012年5月观测点F1、F2、F3、F4、F5、F6的沉降分别为1429mm、1278mm、1089mm、1039mm、964mm、932mm，浅层和下层软基的沉降占到总沉降的81%。

图4 路中分层沉降-荷载-时间关系

图5 测斜孔CX1水平位移-时间曲线

4)深层水平位移：在边坡两侧坡址位置放置2根侧斜管，最深测量位置24米，多余长度埋设到坚硬土层作为位移不动点。监测中(图5)发现，真空预压时，深层水平位移监测点土体也向加固区外方向发生位移，位移量随深度增加逐渐减小，原因为真空预压初期，真空度在竖向排水通道中发展程度低，径向收缩效应小，而膜下砂垫层真空度较快达到设计值，对土层产生竖向空气压力，又因为深层土颗粒密实且围压大，所以弹性模量大变形小。后期真空联合堆载预压时，土体水平位移线发生弓形鼓胀，判断原因为淤泥层在一定堆载附加应力下发生蠕变现象而产生大的位移，上下层的中砂、粗砂相比结构稳定，侧向位移较小。论文[4]中淤泥软基没有夹砂层，层间土弹性模量相差不大，深层水平位移图在整个预压过程中没有发生弓形鼓胀，因此可判断蠕变现象的发生与层间土的弹性模量比、土层厚度有关，FK1+740断面砂层和淤泥层弹性模量比达到4：1，且淤泥层厚度较大，所以在6-12米处产生明显鼓胀。

图6 孔隙水压力-时间曲线

5)孔隙水压力：为监测软基孔隙水压力消散速率，判别地基的固结状态，设计在路基中线和路肩的部位埋置孔隙水压力监测点。如图7所示，在真空预压阶段，不同深度处孔压随时间延续成下降的趋势，考虑井阻作用会引起真空度损失，所以浅层(如K2、K3)土中负孔压较大；渗透性差的土层真空度发展缓慢，负孔压较小且平缓，同时土层固结压缩对负压有明显消散作用(如K1)；同一深度下路基中线处的超静孔隙水压低于路肩处超静孔隙水压(如K3、K7)，说明路肩处真空度损失大于路中。之后进行堆载，每段堆载期间超静孔隙水压先小幅升高再逐渐消散，升高幅度小于堆载引起附加应力，原因为堆载作用后土体真空度也逐渐发挥。堆载全部完成后，超孔隙水压力略有下降，呈逐渐稳定状态，2012年5月，K1、K2、K3、K5、K6、K7、K8的水压力分别达 到 -19.7KPa，-31.4KPa、-16.0KPa、-44.2KPa、-36.1KPa、-31.5KPa、-15.7KPa。

2.4 最终沉降、固结度计算及效果评估

固结度的计算常按以下方法计算：(1)超孔隙水压力的消散值与预压前孔压和堆载压力之和的比值；(2)某时刻沉降量和最终沉降量的比值。由于堆载预压过程中孔隙水压变化复杂，在某段时间内土体继续固结，但孔隙水压消散值几乎不变，造成预压期间固结度计算不准，推荐用第二种方法计算。

表1为C#路和F#路监测断面路中最终沉降推算，理论设计值与实际情况较吻合，推算15年工后沉降小于50cm的设计要求。

停泵后对工后土样的物理力学指标进行室内试验，含水率、孔隙比、压缩系数、压缩模量较施工前土样下降约35%-60%，内摩擦角、凝聚力、十字板强度大幅提高，且都满足设计要求。

表1 三点法推算最终沉降量(沉降单位：mm)

5 结语

1)真空-堆载预压法处理夹砂淤泥质软基成本低、技术可靠，可以叠合真空预压和堆载预压的作用。

2)前期真空预压时沉降主要发生在淤泥层，水平位移由地表向下逐渐减小；后期加上堆载后填土层沉降较大，淤泥层发生蠕变现象，沿土体产生弓形的水平位移，判断其与竖向荷载大小、层间土弹性模量比及软弱层的厚度有关。

3)真空-堆载预压法的孔隙水压消散情况复杂影响固结度计算，建议用沉降量推算固结度。经过真空堆载预压后土样物理力学性质均得到较大提升，满足承载要求，减少施工时间。

[1]彭劫,刘汉龙,陈永辉,李豪.真空一堆载联合预压法软基加固对周围环境的影响[J].岩土工程学报,2OO2,24(5),656-662.

[2]张庆华,汤连生,廖化荣,王占华.真空预压下土体有效应力增量的计算与应用[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增刊2),3566-3571.

[3]刘景政,杨素春,钟冬波.地基处理与实例分析.北京:中国建筑工业出版社,1998.

[4]汪志强,唐彤芝,黄康理等.真空联合堆载预压处理深厚软基试验和数值分析[J].江苏大学学报,2012,33(1),110-114.

[5]JTJ017-95,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].