真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法高速公路軟基加固中的應(yīng)用

羅道銀

核工業(yè)華南建設(shè)工程集團(tuán)公司

摘要：本文主要針對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在高速公路軟基加固中的應(yīng)用展開了探討，對加固機(jī)理作了說明，系統(tǒng)闡述了軟基處理方案的設(shè)計(jì)，并對加固的效果作了分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法；高速公路；軟基加固

我國軟土地基分布廣泛，由于軟土地基具有著透水性弱，抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，決定了我們在軟土地基上施工時(shí)必須要對其進(jìn)行加固處理。在高速公路的軟基加固處理過程中，應(yīng)用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對軟件進(jìn)行加固，將可以大大減少工期，且控制工后沉降效果好，值得我們推廣應(yīng)用?；诖?，本文就真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在高速公路軟基加固中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 加固機(jī)理分析

1.1 堆載預(yù)壓法

排水固結(jié)法的基本理論是太沙基的有效應(yīng)力原理：σ=σ'+μ。其中σ為總應(yīng)力，σ'為有效應(yīng)力，μ為孔隙水壓力。而就整個(gè)土體而言，這三個(gè)參數(shù)的變化與土體的變形和強(qiáng)度變化有著密切關(guān)系。

而堆載預(yù)壓法的本質(zhì)就是通過設(shè)置豎向排水板和砂墊層，在其上進(jìn)行堆載增加總應(yīng)力，從而排出系統(tǒng)內(nèi)的孔隙水，使得孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為土體的有效應(yīng)力，這樣可以使軟弱土基的強(qiáng)度得到增強(qiáng)。

1.2 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法則是通過抽真空的方式，在外荷載不變的情況下，使得薄膜下的地基形成負(fù)壓，迅速降低孔隙水壓力，進(jìn)而增加有效應(yīng)力的方法。

在抽真空前，密封膜內(nèi)外的氣壓均為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.325kPa）；抽真空后，密封膜下的壓力隨著水平排水墊層氣體抽出而形成壓力差，也即真空度。在整個(gè)土基強(qiáng)度增長的過程中，土體空隙中的水、氣等傳遞路徑為：土體空隙中→豎向排水通道→地表水平排水墊層→真空濾管中→射流泵抽走。而真空度的傳遞及滲流路徑見圖1。

圖1 真空度的傳遞及滲流路徑示意圖

1.3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法與堆載預(yù)壓法一樣，主要包括兩個(gè)系統(tǒng)，即固結(jié)排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)，主要的區(qū)別在于加壓系統(tǒng)的不一樣。堆載預(yù)壓法的加壓系統(tǒng)主要是施加載荷加壓，而真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加壓系統(tǒng)不僅包括載荷加壓，還包括真空加壓，由這兩個(gè)部分組成的加壓系統(tǒng)在施工過程中可以同時(shí)進(jìn)行，故達(dá)到同一加固效果所需要的時(shí)間更少，可以減少工期，而且可以解決堆載材料不足的問題。

采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟基時(shí)，應(yīng)先利用真空泵對砂墊層進(jìn)行抽氣形成負(fù)壓，假設(shè)原來氣壓為Pa，抽真空后排水層和砂墊層的壓力降低為Pv，則土體內(nèi)部形成壓力差（Pa-Pv），在壓力差作用下孔隙水壓力減少，土體有效應(yīng)力增加而使得土體固結(jié)。在抽真空的同時(shí)進(jìn)行堆載，則土體中的孔隙水壓力由于外荷載的變化而升高，又由于真空壓力作用下升高的孔隙水壓力又排出消散，加大了壓力梯度，使得土體進(jìn)一步得到壓密。

圖2為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟基示意圖。

圖2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟基示意圖

2 軟基處理方案設(shè)計(jì)

2.1 方案選擇

由于本工程實(shí)例中軟土處理寬度可達(dá)23m，深度范圍為18～21m，軟基處理范圍大，深度較厚，屬于大面積軟基處理的情況。針對大面積軟基處理情況，常采用的加固方法有強(qiáng)夯法、塑料排水板堆載預(yù)壓法和真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法，但是強(qiáng)夯法對設(shè)備要求高，對淺層土層加固效果顯著，而對較深下臥層效果不明顯。又結(jié)合該工程設(shè)計(jì)車速為80km/h，對沉降控制要求較為嚴(yán)格，關(guān)鍵是工期緊，需要為后續(xù)道路構(gòu)造物的修建爭取工期，故最終決定采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對K73+420～K76+670段的軟基進(jìn)行加固處理。

整個(gè)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工流程為：場地整平→鋪設(shè)300mm中粗砂→打設(shè)排水板→鋪設(shè)200mm中粗砂→鋪設(shè)真空主濾管→安裝抽真空設(shè)備→鋪設(shè)密封膜密封→抽真空→土方堆載→繼續(xù)抽聯(lián)合預(yù)壓至結(jié)束。

2.2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排水系統(tǒng)主要包括水平排水和豎向排水兩個(gè)部分。水平排水主要通過鋪設(shè)砂墊層來實(shí)現(xiàn)，該水平排水體還可以達(dá)到傳遞真空度的目的。豎向排水體主要是將土體內(nèi)的水在豎直方向排除，通常采用塑料排水板來實(shí)現(xiàn)，其深度設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)常透過軟土層的厚度，結(jié)合本工程實(shí)例，可確定塑料排水板的深度約為20m。

在確定排水板的間距時(shí)，常綜合考慮到土體的滲透性、工期和加固效果，最終確定塑料排水板采用B型，且采用三角形布置，邊長取為1.2m。表1為B型豎向排水板性能指標(biāo)。

表1 B型塑料排水板性能指標(biāo)

注：塑料排水板型號可根據(jù)加固深度分為A、B、C、D四個(gè)型號，其中B型塑料排水板適合的處理深度為15～25m

2.3 真空預(yù)壓方案設(shè)計(jì)

真空預(yù)壓方案的設(shè)計(jì)主要包括膜下真空度、密封系統(tǒng)和真空抽氣過程的設(shè)計(jì)。

膜下真空度一般可以維持在80kPa，如果膜下真空度太大，則會增加抽氣設(shè)備和運(yùn)行的費(fèi)用；如果膜下真空度太小，則難以達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，無法在規(guī)定工期內(nèi)完成任務(wù)。故經(jīng)過工期和費(fèi)用的綜合考慮，要求膜下真空度應(yīng)大于85kPa。

密封系統(tǒng)是保證真空預(yù)壓效果的關(guān)鍵，主要包括密封溝和密封膜兩個(gè)部分。對于密封溝，當(dāng)遇到軟土層中的透水層夾層時(shí)應(yīng)采取深層密封措施隔斷透水層，一般情況下開挖至素填土下的淤泥層即可。

而密封膜采用人工敷設(shè)，為了確保密封膜在后期堆載過程中不被破壞，應(yīng)在兩層密封膜之間加一層土工布，并鋪設(shè)200mm中粗砂于其上，鋪設(shè)的密封膜采用的是兩層聚氯乙烯薄膜，表2為其技術(shù)指標(biāo)。

表2 密封膜技術(shù)指標(biāo)

真空抽氣過程為：試抽氣→正式抽氣→排水→施工記錄→關(guān)注壓力表。在試抽氣過程中要調(diào)整儀器初讀數(shù)，不斷檢查膜上是否有漏氣情況；正式抽氣時(shí)不斷補(bǔ)充射流箱內(nèi)的循環(huán)水，采用的射流真空泵功率不小于7.5kW；施工記錄中要不斷對真空度、壓力表讀數(shù)進(jìn)行整理和分析以達(dá)到最佳真空預(yù)壓效果。

2.4 堆載預(yù)壓方案設(shè)計(jì)

一般堆載預(yù)壓與真空預(yù)壓的過程基本為同步進(jìn)行，常在真空預(yù)壓加固后10～15d左右（一般此時(shí)真空度可達(dá)到設(shè)計(jì)要求）進(jìn)行堆載預(yù)壓施工。在進(jìn)行聯(lián)合堆載時(shí)應(yīng)該在膜上鋪上一層土工布，采用的土工布類型為寬幅聚酯長絲無紡針刺類型，其質(zhì)量指標(biāo)見表3。

表3 土工布質(zhì)量指標(biāo)

在堆載過程中第一層應(yīng)采用人工攤鋪，厚度為30cm左右。在加載過程中要嚴(yán)格對加載速率進(jìn)行控制，豎向變形不應(yīng)超過20mm/d，水平位移不應(yīng)大于4mm/d。之后的堆載可以由輕到重采用機(jī)械化施工，但應(yīng)在堆載過程前對沉降進(jìn)行測量，堆載過程中注意保護(hù)沉降觀測標(biāo)桿，以方便之后進(jìn)行加固分析。

3 加固效果分析

為了對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟基加固的效果進(jìn)行分析，通過沉降及固結(jié)度來評定加固效果是否滿足預(yù)期要求；通過鉆孔取土的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析來判定加固前后土的物理性質(zhì)變化情況；通過現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)比較加固前后土體強(qiáng)度的變化。

3.1 沉降及固結(jié)度分析

研究真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟基后的沉降，可以科學(xué)地推測出土基的固結(jié)度，進(jìn)而反映地基總體加固效果。而在整個(gè)過程中地表的沉降可以包括兩部分，即打設(shè)塑料排水板期間的沉降和預(yù)壓荷載作用下產(chǎn)生的沉降。在前一過程中，未經(jīng)處理的軟基屬于欠固結(jié)土層，在豎向排水層打設(shè)的過程中，土體在受到外力擠壓和自重的作用下會產(chǎn)生部分沉降，使得土體得到一定程度的壓實(shí)和固結(jié)，提高部分強(qiáng)度。

根據(jù)沉降的數(shù)據(jù)可以按照下式推算固結(jié)度Ut的大小：Ut=St/S∞，其中St=S0+t/（α+β），S∞=S0+1/β，殘余沉降Sr=S∞-St。S0為滿載時(shí)地基沉降量；α、β為待定系數(shù)；St為卸載時(shí)的沉降量；S∞為最終沉降量；Ut為沉降固結(jié)度；Sr為殘余沉降。表4為地表沉降固結(jié)度分析情況。

表4 地表沉降固結(jié)度分析情況表

從表4可知，經(jīng)過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理軟基后地表沉降量為1594～1728mm，固結(jié)度可達(dá)92.2%，地基加固效果明顯，殘余沉降量為134mm，小于150mm，滿足要求。

3.2 加固前后土質(zhì)變化對比

為了判定真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土前后土質(zhì)的物理性質(zhì)變化，在加固前后分別進(jìn)行鉆孔取土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，具體對比情況見表5。

表5 加固前后軟土層土工試驗(yàn)成果對比表

從表5可知，經(jīng)過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固地基后，淤泥類土質(zhì)的含水率水平大幅下降，高達(dá)72%，同時(shí)壓縮模量和粘聚力大幅增加，效果明顯。

3.3 加固前后十字板強(qiáng)度對比

為了從加固前后的力學(xué)變化角度來分析加固效果，采用十字板剪切試驗(yàn)分析加固前后強(qiáng)度變化，與室內(nèi)土工試驗(yàn)相比，該法受人為影響因素少，更能反應(yīng)出實(shí)際的加固效果。圖3為軟土地基加固前后的十字板剪切強(qiáng)度-深度曲線。

圖3 軟土地基加固前后的十字板剪切強(qiáng)度-深度曲線

從圖3可知，加固前土層強(qiáng)度范圍是12.3～32.1kPa，在利用真空聯(lián)合堆載法加固軟基后，其土層強(qiáng)度范圍增加至30.3～41.4kPa，基本每個(gè)深度層的強(qiáng)度均有提高，且最大值增大了33%，地基承載力提高顯著。

4 結(jié)語

綜上所述，在高速公路軟基加固處理的實(shí)際過程中，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的應(yīng)用不僅能大大縮短施工時(shí)間，而且還顯著提高地基承載力，使得軟基加固的效果達(dá)到最佳。因此，我們需要進(jìn)一步推動真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的應(yīng)用完善，以為軟基加固的工作帶來便利。

參考文獻(xiàn)：

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[2]席寧中、于海成.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理軟土地基測試與分析[J].建筑科學(xué).2012（S1）.

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據(jù)，并將收費(fèi)結(jié)算數(shù)據(jù)通過SDH上傳至集團(tuán)公司信息中心。

路段管理中心收費(fèi)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立，它的核心交換設(shè)備利用收費(fèi)數(shù)據(jù)匯聚交換機(jī)，各收費(fèi)結(jié)算服務(wù)器和計(jì)算機(jī)通過該設(shè)備實(shí)現(xiàn)互連；同時(shí)，它通過SDH接收收費(fèi)站上傳的收費(fèi)結(jié)算數(shù)據(jù)，并通過收費(fèi)系統(tǒng)防火墻與集團(tuán)信息中心連接；它還可利用PTN傳輸通道作為上傳備份鏈路，以保障對集團(tuán)信息中心的連通性。

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路段管理中心綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)辦公OA業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)、語音通信業(yè)務(wù)、視頻會議業(yè)務(wù)、客服業(yè)務(wù)，上述業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過PTN通道上傳集團(tuán)信息中心及下達(dá)至收費(fèi)站。

設(shè)置路段管理中心綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)核心交換設(shè)備連接各業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要的接入交換機(jī)、服務(wù)器和辦公計(jì)算機(jī)，辦公OA業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)、視頻會議業(yè)務(wù)、語音通信業(yè)務(wù)、客服業(yè)務(wù)配置相應(yīng)接入交換機(jī)或直接接入核心交換機(jī)，設(shè)置防火墻與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行隔離。

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