真空—堆载联合预压加固软土地基

王建功 姜忠军

在我国某些地区,尤其是东南沿海,广泛分布着物理力学性质极差的软土。由于软土具有压缩性大、渗透性小、抗剪强度低以及明显的流变性和触变性特点,在软土地基上修建高等级公路存在稳定性和沉降两方面的问题[1]。

对于高等级公路,软土路基的破坏主要为路堤不稳定产生剪切破坏(滑动失稳),大多是由施工速度过快、路堤边坡太陡或地基承载力不足引起的。高等级公路对沉降变形尤其是工后不均匀沉降也提出了相当高的要求。

目前常采用的软基处理方法主要有:粉、浆喷桩法,预压法,预制桩复合地基,碎石桩法等。预压法分为堆载预压、真空预压和真空—堆载联合预压。堆载预压法虽然较经济,但由于地基的抗剪强度较低限制了填土速率,待地基强度增大后还须挖除超载部分填土,使得工期较长;同时在路基填筑过程中也一直存在着稳定性、不均匀沉降及工后沉降偏大等问题。真空预压虽然能缩短工期、不存在路基稳定性问题,但是它提供的真空荷载毕竟有限(一般不超过95 kPa),不能很好的满足加固要求。将两者的优点集于一身,就成为质量易控、经济、施工速度快的预压方案。

1 真空预压法研究现状

1952年,瑞典皇家地质学院杰尔曼教授(W.Kjellman)提出真空预压加固软土地基的方法,但由于当时施工工艺方面的困难使这一技术发展相当缓慢[2]。

1958年,美国费城机场成功应用真空井点降水与排水砂井相结合,解决了飞机跑道工程,但是所达到的真空度和深井井口的密封不够理想[3]。1973年,美国威廉等人提出用二维渗流网的概念来解释二维条件下真空预压的加固效果,但没有对真空预压负压条件下孔隙水压力—土体的有效应力关系进行深入研究,也未考虑土体本身的固结过程,无法预估固结度、有效应力随时间的变化规律[4]。

1982年,日本大阪南港在第二阶段的加固工程中采用袋装砂井或排水板作为垂直排水通道,抽真空与抽水相结合的方法,在被加固的吹填土上回填5 m～8 m厚的砂质土作为密封层,抽气管口用黏土密封,解决了大面积场地的密封问题,将该技术推向了一个新阶段[5]。1983年苏联的Fer-Mertirosyan采用拉普拉斯方程求解真空预压的沉降量,日本的小林正树用有限元求解真空预压法加固地基的三维问题[6]。

在我国,20世纪50年代末,王仁权就探讨过真空预压法加固淤泥地基并对地基加固的野外试验进行了总结。接着,天津大学[7]、南京水利科学研究所[8]和同济大学等也做了试验研究,但都未成功,大面积使用也就未能付诸实施。

20世纪80年代以后,由于港口的扩展,大量港口软基必须在短期内得到加固,交通部第一航务工程局联合天津大学、南京水利科学院土工所经过探索、研究解决了该技术关键的抽气设备,使该加固技术的施工工艺取得了突破性的进展,并经过大量试验研究使该方法逐步走向成熟。在不断的理论和实践中,我国采用真空预压处理软土地基的技术也日臻完善[9,10]。

近年来,随着我国南方高速公路建设的发展,许多学者又结合工程实际对真空预压法在条形场地的应用方面进行了大量的科学研究,并在二维、三维固结沉降计算模型方面做了大量研究[11,12]。

由于土体复杂的力学特性,其变形具有非线性、弹塑性、剪胀性、各向异性、流变性等特点,同时应力水平、应力路径、应力历史等对其变形均有影响。所以,对不同的工程,要想用一个模型来全面、正确地反映这些特性是不现实的,这就要求针对不同的岩土工程条件,做一定程度的简化。前人在研究真空预压变形等问题时,主要按照一维、平面问题来求解,虽然在三维问题方面展开了一系列研究,但是大部分学者把真空荷载简化为简单的线性分布,这是不符合实际的。目前,真空—堆载联合预压法处理软土地基的设计方法仍有待于进一步完善。

2 真空—堆载预压法的概念及加固机理

2.1 真空预压法的概念

真空预压法先在需要加固的软土地基上按一定的间距打设垂直排水通道;然后在地面上铺设一定厚度的砂垫层、布设水平排水通道;再将不透气的薄膜铺设在需要加固的软土地基表面的砂垫层上,借助射流泵和埋设在砂垫层中的管道,将膜下土体间的空气抽掉形成真空,使土体排水而压密。

2.2 堆载预压法的概念

在堆载排水预压法中地基受外荷载(土料、砂石料或建筑物本身等)作用,超静水压力逐渐消散,土中有效应力不断增长,土体得以固结变形,强度得到提高。通常,在地基中打设一定深度的竖向砂井或塑料排水板一类的垂直排水通道增大其渗透系数,在地基表面铺设砂层作为水平排水渠道,加快渗透,缩短施工工期。

真空预压法和堆载预压法的比较见表1。

表1 真空预压和堆载预压的比较

2.3 真空—堆载预压法加固机理

真空—堆载预压法由真空预压和堆载两种方法组合而成。它是先对软土地基进行真空预压,当膜下真空度稳定后,再按照堆载预压法的要求在薄膜上堆载进行预压。其实质为在同一时间内,土体在薄膜下的真空荷载与薄膜上的堆载联合作用下,排出其中的水分,加快土体固结,使土体强度提高。设土体原来承受一个大气压pa,真空预压时,通过抽气,膜下形成真空,该真空度换算成等效压力为p0,使砂层和砂井中的压力减小至pv(pv=pa-p0),在压差pa-pv作用下,土体中的水流向砂井。堆载预压时,通过压载,土体中的压力增高至 pp,在压差 pp-pa作用下,土体中的水流向砂井,故在真空—堆载联合作用时,两者的压差为pp-pv。由于压差增大,加速了土体中水的排出,减小了土体的孔隙比,提高了压密率,使土体的强度进一步提高,沉降进一步消除。

真空—堆载预压具有真空预压与堆载预压的双重效果,但不是两者简单叠加。可以从渗透规律来进一步分析其叠加效果。由达西定律可知:

其中,v为孔隙水的渗透速度;k为土的渗透系数;Δh为水头差;L为渗透距离。增加水头差Δh和减小排水距离L,均可加速土体固结。真空预压的加固机理是通过降低土体中孔隙水压力,加固区内外存在水头差,使之形成渗流需要的水力梯度;而堆载预压是由于堆载产生正的超静孔隙水压力,通过孔压的消散而使强度提高。两者联合作用,正负孔隙水压力的压差增大,也就是增加水头差Δh,造成孔压消散更快,因此,真空与堆载预压可以叠加,并且加固效果更好。

3 真空—堆载预压法的注意事项

1)一定要等膜下真空度稳定并达到设计要求之后,才能进行堆载施工,否则,真空加固区一旦出现了密封问题,就很难处理。2)为了防止第一次堆载过程将密封膜弄破,在膜上膜下最好铺针刺无纺土工布,以保护密封膜。3)第一层堆载不要太厚。如果堆载在施工完成后要进行开挖,那么第一层最好在50 cm左右,先进行人工摊铺后,再由机械由近及远逐渐推进。需要压实的,逐步由轻到重进行多遍碾压;如果不进行开挖,要作为路堤使用的话,就要严格按照路堤施工要求进行堆载和压实。4)堆载时,要保护密封膜面上的沉降观测标杆,并在施加荷载前进行一次测量,以记好堆载前沉降曲线的起点,便于日后对加固效果进行分析。5)在一些特殊的地方(如桥头高填土)采用联合加固时,要密切注意对已有构筑物的影响,并进行一些必要的观测,以防意外事故的发生。

4 结语

本文回顾了真空—堆载预压法的发展现状、加固机理和真空—堆载预压法的施工注意事项,证明了真空—堆载预压法是一种较好的地基处理方法。

[1] 张诚厚,袁文明,戴济群.高速公路地基处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[2] W.Kjellman.Consolidation of clay by mean of atmospheric pressure[J].In proceeding of a Conference on Soil Stabilization,M IT,Boston,1952(5):258-263.

[3] Halton.费城国际机场跑道的软基加固[J].港口工程,1982(1):37-40.

[4] 陈 环.真空预压法机理研究十年[J].港口工程,1991(4):17-25.

[5] 三立正人,大西关雄.大阪南港用降低地下水位的方法加固地基[J].水利水运科技情报,1985(2):17-20.

[6] 龚晓南,岑仰润.真空预压加固地基若干问题[J].地基处理,2002(49):7-10.

[7] 候 钊.天津软土地基[M].天津:天津科学技术出版社,1987:73-84.

[8] 赵令伟,沈珠江.排水沙井预压法的理论与实践——南京水利科学研究院研究报告[R].1962.

[9] 陈 环,鲍秀清.负压条件下土的固结有效应力[J].岩土工程学报,1984(5):39-47.

[10] 阎澎旺,陈 环.用真空加固软土地基的机制与计算方法[J].岩土工程学报,1986(2):35-43.

[11] 于志顽,赵维炳,顾 吉.粘弹—塑性软基排水预压的三维有限元分析[J].河海大学学报,1995,23(5):1-7.

[12] 赵维炳,钱家欢.真空预压砂井地基的设计[A].排水预压加固软土地基设计理论研究论文集[C].南京:河海大学岩土工程研究所,1997.