论文部分内容阅读
摘要：真空联合堆载预压法是一种加固深厚软土地基有效的处理方法，处理后的地基土含水量、孔隙比明显降低，加固效果迭加。本文结合江苏某公路工程的实例，分析真空联合堆载预压法的加固处理效果。
关键词：软土地基；真空联合；堆载预压法；
在我国沿海地区，分布着大量近代沉积的软土地层，这些地区的地基土通常都具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强
度低和厚度不均等特点，在这种地基上修建公路等基础设施，存在很多问题：其一，软土路基的沉降和差异沉降过大，它严重影响了公路的正常使用；其二，在路基填筑过程中出现的路基稳定问题。为满足公路工程建设的需要，结合以往高速公路软基处理经验，选用江苏某公路工程第1标段为试用路段，探索真空联合堆载预压软基处治应用效果。
1工程概况
江苏某公路工程第1标段，全长2.0km。项目路线工程地质较差，流塑状淤泥、欠固结的灵敏或高灵敏淤泥质土分布广泛，厚度较大，属软土路基；且鱼塘、沟壑众多。
2初步处治方案
针对路堤高度大于4.0m、软土厚度大（大于10.0m）、路基稳定和固结时间难以控制的路段，采用真空联合堆载预压+设置水泥搅拌桩挡墙的方法加固处理。根据设计要求，选择桩号K15+200~K15+300路段试用，全长100m，平均处理宽度约45m，处理面积约4500m2。
3真空联合堆载预压工艺原理
真空联合堆载预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道（砂井或塑料板排水板），再在砂垫层顶面铺设一封闭薄膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空。当抽真空时，在砂垫层、塑料板排水板通道先后形成压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
根据太沙基有效应力原理：P=P1+U
式中：
P——总压力；
P1——有效应力，P1=γH，其中γ为土容重，H为高度；
U―孔隙水压力，U=γwH，γw为水容重。
将上式进行微积分，得：dP=DP1+dU
当总压力P为常量时，dP1＝–dU
上式说明孔隙水压力的降低值，就是有效应力的增加值。
以上只考虑了抽真空引起的应力变化，在实际抽真空的作业过程中，路基填筑土石方的重量相当于堆载预压的荷载，其抽真空后的Pa–Pv–△P+γH值更大，即有效应力值更大，固结时间大大缩短。
4真空联合堆载预压施工工序
根据稳定计算分析，对路堤填土高度大于4m，软土层较厚路段，采用真空联合堆载预压+水泥搅拌桩墙加固处治。其主要施工工序为：
（1）场地清淤、回填素土、整平，沿路按20～50m间距进行静力触探试验，根据静力触探曲线确定塑料排水板深度L及是否需要设置粘土密封墙；
（2）打设水泥搅拌桩墙，打设粘土搅拌密封墙（根据需要）;
（3）铺设50cm的中粗砂垫层，按间距100m埋设地面沉降和水平位移测点；
（4）打设塑料排水板并观侧地面沉降：
（5）监测断面埋设监测仪器，并进行监側工作：
（6）场地清理二次整平，铺设真空滤管、下层土工布，安装真空设备；
（7）开挖密封沟（深度至不透气土层以下，且不小于1.5m），用粘土回填并压实，铺设密封膜，恢复地面沉降和水平位移观侧点；
（8）真空加载并观测地面沉降和水平位移；
（9）膜下真空压力达到70kPa,10d后铺设上层土工布及中粗砂垫层，分级填筑路堤至设计路床顶面高程；
（10）真空联合堆载预压达到预压时间后真空卸载，堆载预压至地面沉降符合路面施工要求。
5施工操作要点
（1）砂垫层是作为土体内部塑料板排水和土体外部真空设备抽气的中介层，因此砂料的均匀性、通水能力、含泥量要满足设计规范要求，确保软基加固效果。
（2）未打设的排水板和己打设排水板的外露部分，必须加以保护，防止破坏排水板的整体结构。保证单根排水板的连续性和整体性，如需接板，应采取套接法：将塑料板两端头上的滤膜剥开，板芯套插好后，将外包滤膜重新包好，不得直接搭接缝合，且尽可能减少接板率。
（3）真空预压的气密性是施工关键控制点，并受诸多因素的综合影响。因此要控制土工布、密封膜、土沟、灌水各个环节密封性，使膜下真空度满足设计要求。
（4）当抽取的真空度达到最大值时，应保持一定时间。减少塑料排水板、砂垫层、滤水管等排水阻力。
（5）测定膜下真空度时，注意控制其分布是否均匀及深度变化情况。真空预压时需加强测定经真空预压的软基垂直沉降变化情况。
（6）塑料排水板的施工：排水板间距为1m，正三角形排列，根据现场塑料排水板布置范围及间距，准确定出每个塑料排水板的打设位置采用门架型插板机打设，保证插板机平衡度满足稳定性要求。
（7）真空预压：滤管用＜50mm波纹滤水管，外包一层无纺布滤膜，滤管交点处设三通或四通钢管，钢管与滤管间用胶管连接。将滤管埋入砂垫层，通过管路出膜器与密封膜外的抽真空管路与真空泵连接，加固区两侧边缘位置每35m交错布置一台射流泵。后覆盖三层聚乙烯闭气薄膜，边缘埋入密封沟内，用粘土回填夯实大于20cm高，形成堵水围堰。
6真空联合堆载预压加固效果
为了解软土在加载过程中及填筑后地基加固程度和处理效果，控制填土速率，在加固现场设置了真空度、地表沉降等观测项目，结果表明加固效果较好。
（1）加固中最大沉降速率达12~15mm/d，发生在抽真空初期，说明排水效果明显，土体固结快；在联合预压加固中，加载前期沉降速率也都在5~8mm/d，未超规范要求。整个填筑过程路堤稳定，无失稳现象。
（2）通过钻孔取样进行室内土工试验，预压后土的含水量降低l0%以上，压后土的粘聚力增长1倍以上，内摩擦角减小。通过静力触探表明加固后地基承载力改善，土层饱和度降低，非饱和带逐渐扩展，土体加固范围扩大。证明真空预压法和堆载预压法可以叠加使用，且加固效果明显，适合加固深厚软土层。
（3）真空预压法产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，从而缩短了固结时间和施工周期。
（4）由于孔隙水排出过程中，渗流速度增大，由流力引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果，且孔隙水流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，引起土体侧向变形指向加固体，使堆载引起的侧向挤出变形与之抵消，有效保证了路基的稳定性。
（5）由于宽塑料排水板通水性能强，在地基深层板内真空度衰减较小，宜在深厚软基加固中使用。且在消除地基沉降，提高软基深层加固效果，减少地基工后沉降方面明显优于其它竖向排水体。
7结束语
（1）为保证抽真空效果，建议：提高射流泵自身性能，降低泵膜之间管中阻力，增加排水体数量，减少井径比，选择渗透性强的中粗砂作垫层，均匀合理布置滤管等，以改进、稳定真空度。
（2）加固区预测工后沉降14.8cm(小于20cm)，经真空联合堆载至填筑完成卸除真空并自载预压3个月后的地基，经实测计算地基固结度达到95%，完全满足设计要求。
（3）真空联合堆载预压法在真空荷载和路堤填筑荷载的联合作用下所产生的超孔隙水压力有正负抵消现象，在填筑速率下土体孔隙水压力系数小于0.4，计算的路基稳定安全系数大于1.5，路堤路基不会发生失稳，可确保施工安全。
（4）抽真空时土体向预压区移动，不会侧向挤出，故真空压力可一次施加。若堆载较小时，真空和荷载二者也可一次施加，从而节省时间、提高质量、降低造价。
（5）真空联合堆载预压法无论从加固效果、施工周期或经济角度来讲都是值得推广的一种软基加固方法，尤其用于加固沿海地区大量近代沉积软土地层完全可行。
关键词：软土地基；真空联合；堆载预压法；
在我国沿海地区，分布着大量近代沉积的软土地层，这些地区的地基土通常都具有含水量高、压缩性大、渗透性差、灵敏度高、强
度低和厚度不均等特点，在这种地基上修建公路等基础设施，存在很多问题：其一，软土路基的沉降和差异沉降过大，它严重影响了公路的正常使用；其二，在路基填筑过程中出现的路基稳定问题。为满足公路工程建设的需要，结合以往高速公路软基处理经验，选用江苏某公路工程第1标段为试用路段，探索真空联合堆载预压软基处治应用效果。
1工程概况
江苏某公路工程第1标段，全长2.0km。项目路线工程地质较差，流塑状淤泥、欠固结的灵敏或高灵敏淤泥质土分布广泛，厚度较大，属软土路基；且鱼塘、沟壑众多。
2初步处治方案
针对路堤高度大于4.0m、软土厚度大（大于10.0m）、路基稳定和固结时间难以控制的路段，采用真空联合堆载预压+设置水泥搅拌桩挡墙的方法加固处理。根据设计要求，选择桩号K15+200~K15+300路段试用，全长100m，平均处理宽度约45m，处理面积约4500m2。
3真空联合堆载预压工艺原理
真空联合堆载预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道（砂井或塑料板排水板），再在砂垫层顶面铺设一封闭薄膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空。当抽真空时，在砂垫层、塑料板排水板通道先后形成压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。
根据太沙基有效应力原理：P=P1+U
式中：
P——总压力；
P1——有效应力，P1=γH，其中γ为土容重，H为高度；
U―孔隙水压力，U=γwH，γw为水容重。
将上式进行微积分，得：dP=DP1+dU
当总压力P为常量时，dP1＝–dU
上式说明孔隙水压力的降低值，就是有效应力的增加值。
以上只考虑了抽真空引起的应力变化，在实际抽真空的作业过程中，路基填筑土石方的重量相当于堆载预压的荷载，其抽真空后的Pa–Pv–△P+γH值更大，即有效应力值更大，固结时间大大缩短。
4真空联合堆载预压施工工序
根据稳定计算分析，对路堤填土高度大于4m，软土层较厚路段，采用真空联合堆载预压+水泥搅拌桩墙加固处治。其主要施工工序为：
（1）场地清淤、回填素土、整平，沿路按20～50m间距进行静力触探试验，根据静力触探曲线确定塑料排水板深度L及是否需要设置粘土密封墙；
（2）打设水泥搅拌桩墙，打设粘土搅拌密封墙（根据需要）;
（3）铺设50cm的中粗砂垫层，按间距100m埋设地面沉降和水平位移测点；
（4）打设塑料排水板并观侧地面沉降：
（5）监测断面埋设监测仪器，并进行监側工作：
（6）场地清理二次整平，铺设真空滤管、下层土工布，安装真空设备；
（7）开挖密封沟（深度至不透气土层以下，且不小于1.5m），用粘土回填并压实，铺设密封膜，恢复地面沉降和水平位移观侧点；
（8）真空加载并观测地面沉降和水平位移；
（9）膜下真空压力达到70kPa,10d后铺设上层土工布及中粗砂垫层，分级填筑路堤至设计路床顶面高程；
（10）真空联合堆载预压达到预压时间后真空卸载，堆载预压至地面沉降符合路面施工要求。
5施工操作要点
（1）砂垫层是作为土体内部塑料板排水和土体外部真空设备抽气的中介层，因此砂料的均匀性、通水能力、含泥量要满足设计规范要求，确保软基加固效果。
（2）未打设的排水板和己打设排水板的外露部分，必须加以保护，防止破坏排水板的整体结构。保证单根排水板的连续性和整体性，如需接板，应采取套接法：将塑料板两端头上的滤膜剥开，板芯套插好后，将外包滤膜重新包好，不得直接搭接缝合，且尽可能减少接板率。
（3）真空预压的气密性是施工关键控制点，并受诸多因素的综合影响。因此要控制土工布、密封膜、土沟、灌水各个环节密封性，使膜下真空度满足设计要求。
（4）当抽取的真空度达到最大值时，应保持一定时间。减少塑料排水板、砂垫层、滤水管等排水阻力。
（5）测定膜下真空度时，注意控制其分布是否均匀及深度变化情况。真空预压时需加强测定经真空预压的软基垂直沉降变化情况。
（6）塑料排水板的施工：排水板间距为1m，正三角形排列，根据现场塑料排水板布置范围及间距，准确定出每个塑料排水板的打设位置采用门架型插板机打设，保证插板机平衡度满足稳定性要求。
（7）真空预压：滤管用＜50mm波纹滤水管，外包一层无纺布滤膜，滤管交点处设三通或四通钢管，钢管与滤管间用胶管连接。将滤管埋入砂垫层，通过管路出膜器与密封膜外的抽真空管路与真空泵连接，加固区两侧边缘位置每35m交错布置一台射流泵。后覆盖三层聚乙烯闭气薄膜，边缘埋入密封沟内，用粘土回填夯实大于20cm高，形成堵水围堰。
6真空联合堆载预压加固效果
为了解软土在加载过程中及填筑后地基加固程度和处理效果，控制填土速率，在加固现场设置了真空度、地表沉降等观测项目，结果表明加固效果较好。
（1）加固中最大沉降速率达12~15mm/d，发生在抽真空初期，说明排水效果明显，土体固结快；在联合预压加固中，加载前期沉降速率也都在5~8mm/d，未超规范要求。整个填筑过程路堤稳定，无失稳现象。
（2）通过钻孔取样进行室内土工试验，预压后土的含水量降低l0%以上，压后土的粘聚力增长1倍以上，内摩擦角减小。通过静力触探表明加固后地基承载力改善，土层饱和度降低，非饱和带逐渐扩展，土体加固范围扩大。证明真空预压法和堆载预压法可以叠加使用，且加固效果明显，适合加固深厚软土层。
（3）真空预压法产生的负压使地基土的孔隙水加速排出，从而缩短了固结时间和施工周期。
（4）由于孔隙水排出过程中，渗流速度增大，由流力引起的附加应力也随之增大，提高了加固效果，且孔隙水流向及渗流力引起的附加应力均指向被加固土体，引起土体侧向变形指向加固体，使堆载引起的侧向挤出变形与之抵消，有效保证了路基的稳定性。
（5）由于宽塑料排水板通水性能强，在地基深层板内真空度衰减较小，宜在深厚软基加固中使用。且在消除地基沉降，提高软基深层加固效果，减少地基工后沉降方面明显优于其它竖向排水体。
7结束语
（1）为保证抽真空效果，建议：提高射流泵自身性能，降低泵膜之间管中阻力，增加排水体数量，减少井径比，选择渗透性强的中粗砂作垫层，均匀合理布置滤管等，以改进、稳定真空度。
（2）加固区预测工后沉降14.8cm(小于20cm)，经真空联合堆载至填筑完成卸除真空并自载预压3个月后的地基，经实测计算地基固结度达到95%，完全满足设计要求。
（3）真空联合堆载预压法在真空荷载和路堤填筑荷载的联合作用下所产生的超孔隙水压力有正负抵消现象，在填筑速率下土体孔隙水压力系数小于0.4，计算的路基稳定安全系数大于1.5，路堤路基不会发生失稳，可确保施工安全。
（4）抽真空时土体向预压区移动，不会侧向挤出，故真空压力可一次施加。若堆载较小时，真空和荷载二者也可一次施加，从而节省时间、提高质量、降低造价。
（5）真空联合堆载预压法无论从加固效果、施工周期或经济角度来讲都是值得推广的一种软基加固方法，尤其用于加固沿海地区大量近代沉积软土地层完全可行。