真空—堆載預(yù)壓法在高速公路軟基處理中的應(yīng)用

吳敏之

(湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410132)

0 引言

軟土地質(zhì)在我國(guó)分布廣泛，尤其是在沿海地區(qū)大量高速公路由于受到地形條件的制約不得不修建于軟土地基上。軟土具有強(qiáng)度低、含水量大、滲透性差、壓縮性大等特點(diǎn)［4，5］，為避免修建于這種地基上的高速公路在填筑過(guò)程中發(fā)生地基失穩(wěn)或者工后沉降量過(guò)大等問(wèn)題，必須采取技術(shù)措施進(jìn)行地基加固。目前，我國(guó)高速公路進(jìn)行軟土地基加固普遍采用堆載預(yù)壓法以及粉噴樁復(fù)合地基法，這些方法雖然實(shí)施簡(jiǎn)便、技術(shù)成熟，但對(duì)于路基工后沉降及施工穩(wěn)定性的要求較難滿(mǎn)足，本文介紹的真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了大幅度地改進(jìn)，并且取得了良好的加固效果。

1 真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法的加固機(jī)理［1-3，6，8］

真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓技術(shù)是以大氣負(fù)壓產(chǎn)生的穩(wěn)定真空度作為預(yù)壓載荷，路基上面的填方則作為堆載，在這兩種載荷的聯(lián)合作用下，地基土迅速排水固結(jié)，在預(yù)壓過(guò)程中完成絕大部分沉降，從而有效減少路基的工后沉降和不均勻沉降。

采用真空預(yù)壓法進(jìn)行地基加固，首先要在土體中設(shè)置塑料排水板或者袋裝砂井作為豎向排水體，再在軟基表面鋪設(shè)一層厚約50 cm的砂墊層作為水平排水體，砂墊層上覆蓋一層不透氣的薄膜并進(jìn)行密封，使用抽真空裝置抽出薄膜下砂墊層及軟土中的氣體以及水分，使其形成水頭差和真空負(fù)壓，從而促使土體中的孔隙水在孔壓差作用下，通過(guò)豎向和水平排水體不斷排出，完成土體的固結(jié)。當(dāng)土體的膜下真空度超過(guò)60 kPa并且趨于穩(wěn)定時(shí)，可將土工布鋪設(shè)于薄膜上方并進(jìn)行堆載，土體中的孔隙水由于堆載產(chǎn)生的壓差會(huì)進(jìn)一步的排出，從而實(shí)現(xiàn)土體的聯(lián)合加固。

在土體的真空預(yù)壓過(guò)程中，主要是通過(guò)孔隙水壓力的轉(zhuǎn)換來(lái)提高土體有效應(yīng)力，即Δσ=Δu，是一個(gè)等向固結(jié)過(guò)程，即在真空預(yù)壓階段不會(huì)在剪應(yīng)力方向產(chǎn)生增量而只生成球應(yīng)力。地基土的等向固結(jié)過(guò)程就是土體強(qiáng)度增加的過(guò)程，因此，在真空預(yù)壓階段土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性得到有效提高，防止發(fā)生土體失穩(wěn)。從應(yīng)力路徑進(jìn)行分析，設(shè)σ′30和σ′10分別為土體加固前的最小及最大有效主應(yīng)力，則其平均應(yīng)力為 p′0=(σ′10+ σ′30)/2，地基加固過(guò)程中增加的有效應(yīng)力則設(shè)為Δσ′，即:

其中，σ′3和σ′1分別為軟基進(jìn)行加固處理后的最小、最大有效主應(yīng)力，如圖1所示。土體有效應(yīng)力圓的位置則由D右移至D′，而土體平均應(yīng)力由 p′0變?yōu)?p′=p0′+ Δσ′，應(yīng)力圓半徑則保持不變。卸掉加固荷載后，土體強(qiáng)度會(huì)沿著超固結(jié)包線降至F點(diǎn)。由圖1可以看出，土體強(qiáng)度相對(duì)原來(lái)強(qiáng)度提高了Δτ。

圖1 地基土強(qiáng)度應(yīng)力圓變化圖

綜上可知，使用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理并不只是將真空、堆載兩種預(yù)壓過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加，而是為了取得一種更為理想的聯(lián)合加固效果。真空預(yù)壓過(guò)程不僅可以有效改善地基土的孔壓邊界條件，還可以有效降低孔隙水壓力，而堆載預(yù)壓過(guò)程由于堆載過(guò)快孔壓得不到有效消散，導(dǎo)致孔壓升高，采用聯(lián)合預(yù)壓可以有效增加壓差，提高孔壓的消散速度，相對(duì)于兩者的簡(jiǎn)單疊加可以取得更好的加固效果。

2 工程實(shí)例

某高速公路瀕臨海岸，軟土地基區(qū)域分布廣泛，軟土地層厚度一般在30 m左右，最厚超過(guò)40 m，均分布在地表硬殼層以下。土層含水量在55%～75%之間，壓縮系數(shù)則在 1.0 MPa－1～1.6 MPa－1之間。

該處理段地質(zhì)①為耕殖土層，主要由亞粘土及淤泥質(zhì)土組成，層厚在0.5 m～1.5 m之間，濕、可塑，呈灰黃色或褐色;②為淤泥層，層厚在3.0 m～5.8 m之間，北薄南厚、飽水、流塑、粘性好、局部夾雜薄層細(xì)砂，呈灰黑色;③為淤泥質(zhì)細(xì)砂層，粉細(xì)砂含量占到總重的80%，層厚約3.2 m～8.1 m，松散、飽水、含少量貝殼，呈灰色或灰黑色;④為淤泥層，地質(zhì)勘探尚未見(jiàn)底，流塑狀態(tài)、飽水、粘性好、局部夾雜薄層細(xì)砂，呈灰黑色。

該地段軟基加固前各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 加固前各土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.1 加固技術(shù)要求

地基加固后的殘余沉降量應(yīng)小于10 cm。

2.2 加固深度

對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，表層的耕殖土層以及第②，④層的淤泥質(zhì)層的力學(xué)性能欠佳，因此，在進(jìn)行加固處理時(shí)應(yīng)將這幾層作為主要處理對(duì)象。該地段第④層尚未見(jiàn)底，因此袋裝砂井每隔1.3 m進(jìn)行布設(shè)，埋設(shè)深度為20 m。

2.3 改善加固效果的措施

土體加固效果的好壞直接取決于密封膜下能否形成較高的真空度。一般來(lái)說(shuō)，薄膜覆蓋面積越大、氣密性越好，真空度就越高。但是由于高速公路獨(dú)特的狹長(zhǎng)型場(chǎng)地，在地基3.5 m～7.3 m的深度存在一層滲透性較強(qiáng)的淤泥質(zhì)細(xì)砂層，導(dǎo)致膜下真空度無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此，為保證真空預(yù)壓的加固效果，應(yīng)在加固區(qū)域表面采用兩層土工布密封，四周埋入密封溝并加大埋設(shè)深度，在區(qū)域四周則布設(shè)淤泥攪拌樁(樁徑0.7 m，樁長(zhǎng)11 m，搭接0.2 m)形成縱向密封帷幕。

3 加固效果分析

從圖2的真空及堆載作用曲線可以看出，在真空預(yù)壓階段，該高速公路路基的膜下真空度一直保持在80 kPa以上，加固效果良好。

圖2 真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓示意圖

3.1 路基沉降分析

加固區(qū)的沉降及速率變化如圖3，圖4所示。

圖3 路基沉降變化示意圖

圖4 路基沉降速率變化圖

通過(guò)對(duì)圖2～圖4綜合分析可知，抽真空后膜下真空度很快穩(wěn)定并保持在80 kPa以上，路基沉降隨時(shí)間不斷增加。在膜下真空度的上升階段，日最大沉降量可達(dá)到55 mm，日均沉降量約為35 mm。在進(jìn)行聯(lián)合預(yù)壓的過(guò)程中，每次堆載都會(huì)產(chǎn)生沉降加速效應(yīng)，總的趨勢(shì)是隨著堆載高度和加載次數(shù)的增加，加速過(guò)程也逐漸延長(zhǎng)，但地基沉降速率卻是逐漸減緩的。比如真空預(yù)壓過(guò)程中的路基沉降速率逐漸減緩，日均沉降量逐漸從16 mm變?yōu)?2 mm，是一個(gè)漸變收斂過(guò)程。三次堆載過(guò)程中，最大日均沉降量逐漸由32 mm變?yōu)?5 mm。與其他超載預(yù)壓過(guò)程相比，聯(lián)合預(yù)壓階段的收斂速度更快，相對(duì)堆載預(yù)壓法10 mm/d的沉降速率有了大幅提高，大大降低了路基的預(yù)壓時(shí)間。

3.2 土體物理力學(xué)指標(biāo)的變化

加固后土體各物理指標(biāo)變化如表2所示。通過(guò)與表1中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，軟土地基的孔隙比及含水量明顯降低，壓縮性能顯著提高，說(shuō)明土體經(jīng)加固后更加密實(shí)，達(dá)到了預(yù)期的加固效果。

表2 加固后土體各物理力學(xué)指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

1)真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法能夠有效消除在真空預(yù)壓過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)向收縮變形以及在堆載過(guò)程中因堆載作用而產(chǎn)生的側(cè)向擠出變形;此外，在真空預(yù)壓過(guò)程中土體強(qiáng)度已開(kāi)始增加，有利于提高堆載速度的同時(shí)有效防止產(chǎn)生土體失穩(wěn)。

2)使用真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法進(jìn)行高速公路的土體加固，不僅可以有效降低軟基的主固結(jié)沉降時(shí)間，土體部分次固結(jié)也可得到有效抵消，減少了工后沉降，加固效果明顯。

3)在軟基的真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓過(guò)程中，土體會(huì)趨向加固區(qū)產(chǎn)生固結(jié)［7］，可以有效解決路堤在填筑過(guò)程穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。但是這種土體收縮變形會(huì)對(duì)周?chē)ㄖ锂a(chǎn)生很大影響，因此，在預(yù)壓之前，應(yīng)先分析其對(duì)周邊建筑物的影響，若抽真空會(huì)危及周邊結(jié)構(gòu)物的安全，應(yīng)提前采取預(yù)防措施如打設(shè)深層攪拌樁來(lái)減少對(duì)周邊結(jié)構(gòu)物的影響。

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