真空联合堆载预压法高速公路软基加固中的应用

真空联合堆载预压法高速公路软基加固中的应用

罗道银

核工业华南建设工程集团公司

摘要：本文主要针对真空联合堆载预压法在高速公路软基加固中的应用展开了探讨，对加固机理作了说明，系统阐述了软基处理方案的设计，并对加固的效果作了分析，以期能为有关方面的需要提供参考和借鉴。

关键词：真空联合堆载预压法；高速公路；软基加固

我国软土地基分布广泛，由于软土地基具有着透水性弱，抗剪强度低等特点，决定了我们在软土地基上施工时必须要对其进行加固处理。在高速公路的软基加固处理过程中，应用真空联合堆载预压法对软件进行加固，将可以大大减少工期，且控制工后沉降效果好，值得我们推广应用。基于此，本文就真空联合堆载预压法在高速公路软基加固中的应用进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

1加固机理分析

1.1堆载预压法

排水固结法的基本理论是太沙基的有效应力原理：σ=σ'+μ。其中σ为总应力，σ'为有效应力，μ为孔隙水压力。而就整个土体而言，这三个参数的变化与土体的变形和强度变化有着密切关系。

而堆载预压法的本质就是通过设置竖向排水板和砂垫层，在其上进行堆载增加总应力，从而排出系统内的孔隙水，使得孔隙水压力转化为土体的有效应力，这样可以使软弱土基的强度得到增强。

1.2真空预压法

真空预压法则是通过抽真空的方式，在外荷载不变的情况下，使得薄膜下的地基形成负压，迅速降低孔隙水压力，进而增加有效应力的方法。

在抽真空前，密封膜内外的气压均为1个标准大气压（101.325kPa）；抽真空后，密封膜下的压力随着水平排水垫层气体抽出而形成压力差，也即真空度。在整个土基强度增长的过程中，土体空隙中的水、气等传递路径为：土体空隙中→竖向排水通道→地表水平排水垫层→真空滤管中→射流泵抽走。而真空度的传递及渗流路径见图1。

图1真空度的传递及渗流路径示意图

1.3真空联合堆载预压法

真空联合堆载预压法与堆载预压法一样，主要包括两个系统，即固结排水系统和加压系统，主要的区别在于加压系统的不一样。堆载预压法的加压系统主要是施加载荷加压，而真空联合堆载预压法的加压系统不仅包括载荷加压，还包括真空加压，由这两个部分组成的加压系统在施工过程中可以同时进行，故达到同一加固效果所需要的时间更少，可以减少工期，而且可以解决堆载材料不足的问题。

采用真空联合堆载预压法加固软基时，应先利用真空泵对砂垫层进行抽气形成负压，假设原来气压为Pa，抽真空后排水层和砂垫层的压力降低为Pv，则土体内部形成压力差（Pa－Pv），在压力差作用下孔隙水压力减少，土体有效应力增加而使得土体固结。在抽真空的同时进行堆载，则土体中的孔隙水压力由于外荷载的变化而升高，又由于真空压力作用下升高的孔隙水压力又排出消散，加大了压力梯度，使得土体进一步得到压密。

图2为真空联合堆载预压法加固软基示意图。

图2真空联合堆载预压法加固软基示意图

2软基处理方案设计

2.1方案选择

由于本工程实例中软土处理宽度可达23m，深度范围为18～21m，软基处理范围大，深度较厚，属于大面积软基处理的情况。针对大面积软基处理情况，常采用的加固方法有强夯法、塑料排水板堆载预压法和真空联合堆载预压法，但是强夯法对设备要求高，对浅层土层加固效果显著，而对较深下卧层效果不明显。又结合该工程设计车速为80km/h，对沉降控制要求较为严格，关键是工期紧，需要为后续道路构造物的修建争取工期，故最终决定采用真空联合堆载预压法对K73+420～K76+670段的软基进行加固处理。

整个真空联合堆载预压施工流程为：场地整平→铺设300mm中粗砂→打设排水板→铺设200mm中粗砂→铺设真空主滤管→安装抽真空设备→铺设密封膜密封→抽真空→土方堆载→继续抽联合预压至结束。

2.2排水系统设计

排水系统主要包括水平排水和竖向排水两个部分。水平排水主要通过铺设砂垫层来实现，该水平排水体还可以达到传递真空度的目的。竖向排水体主要是将土体内的水在竖直方向排除，通常采用塑料排水板来实现，其深度设置的标准常透过软土层的厚度，结合本工程实例，可确定塑料排水板的深度约为20m。

在确定排水板的间距时，常综合考虑到土体的渗透性、工期和加固效果，最终确定塑料排水板采用B型，且采用三角形布置，边长取为1.2m。表1为B型竖向排水板性能指标。

表1B型塑料排水板性能指标

注：塑料排水板型号可根据加固深度分为A、B、C、D四个型号，其中B型塑料排水板适合的处理深度为15～25m

2.3真空预压方案设计

真空预压方案的设计主要包括膜下真空度、密封系统和真空抽气过程的设计。

膜下真空度一般可以维持在80kPa，如果膜下真空度太大，则会增加抽气设备和运行的费用；如果膜下真空度太小，则难以达到设计的预期效果，无法在规定工期内完成任务。故经过工期和费用的综合考虑，要求膜下真空度应大于85kPa。

密封系统是保证真空预压效果的关键，主要包括密封沟和密封膜两个部分。对于密封沟，当遇到软土层中的透水层夹层时应采取深层密封措施隔断透水层，一般情况下开挖至素填土下的淤泥层即可。

而密封膜采用人工敷设，为了确保密封膜在后期堆载过程中不被破坏，应在两层密封膜之间加一层土工布，并铺设200mm中粗砂于其上，铺设的密封膜采用的是两层聚氯乙烯薄膜，表2为其技术指标。

表2密封膜技术指标

真空抽气过程为：试抽气→正式抽气→排水→施工记录→关注压力表。在试抽气过程中要调整仪器初读数，不断检查膜上是否有漏气情况；正式抽气时不断补充射流箱内的循环水，采用的射流真空泵功率不小于7.5kW；施工记录中要不断对真空度、压力表读数进行整理和分析以达到最佳真空预压效果。

2.4堆载预压方案设计

一般堆载预压与真空预压的过程基本为同步进行，常在真空预压加固后10～15d左右（一般此时真空度可达到设计要求）进行堆载预压施工。在进行联合堆载时应该在膜上铺上一层土工布，采用的土工布类型为宽幅聚酯长丝无纺针刺类型，其质量指标见表3。

表3土工布质量指标

在堆载过程中第一层应采用人工摊铺，厚度为30cm左右。在加载过程中要严格对加载速率进行控制，竖向变形不应超过20mm/d，水平位移不应大于4mm/d。之后的堆载可以由轻到重采用机械化施工，但应在堆载过程前对沉降进行测量，堆载过程中注意保护沉降观测标杆，以方便之后进行加固分析。

3加固效果分析

为了对真空联合堆载预压法处理软基加固的效果进行分析，通过沉降及固结度来评定加固效果是否满足预期要求；通过钻孔取土的室内实验分析来判定加固前后土的物理性质变化情况；通过现场十字板剪切试验比较加固前后土体强度的变化。

3.1沉降及固结度分析

研究真空联合堆载预压法处理软基后的沉降，可以科学地推测出土基的固结度，进而反映地基总体加固效果。而在整个过程中地表的沉降可以包括两部分，即打设塑料排水板期间的沉降和预压荷载作用下产生的沉降。在前一过程中，未经处理的软基属于欠固结土层，在竖向排水层打设的过程中，土体在受到外力挤压和自重的作用下会产生部分沉降，使得土体得到一定程度的压实和固结，提高部分强度。

根据沉降的数据可以按照下式推算固结度Ut的大小：Ut=St/S∞，其中St=S0+t/（α+β），S∞=S0+1/β，残余沉降Sr=S∞－St。S0为满载时地基沉降量；α、β为待定系数；St为卸载时的沉降量；S∞为最终沉降量；Ut为沉降固结度；Sr为残余沉降。表4为地表沉降固结度分析情况。

表4地表沉降固结度分析情况表

从表4可知，经过真空联合堆载预压法处理软基后地表沉降量为1594～1728mm，固结度可达92.2%，地基加固效果明显，残余沉降量为134mm，小于150mm，满足要求。

3.2加固前后土质变化对比

为了判定真空联合堆载预压法加固软土前后土质的物理性质变化，在加固前后分别进行钻孔取土进行室内试验分析，具体对比情况见表5。

表5加固前后软土层土工试验成果对比表

从表5可知，经过真空联合堆载预压法加固地基后，淤泥类土质的含水率水平大幅下降，高达72%，同时压缩模量和粘聚力大幅增加，效果明显。

3.3加固前后十字板强度对比

为了从加固前后的力学变化角度来分析加固效果，采用十字板剪切试验分析加固前后强度变化，与室内土工试验相比，该法受人为影响因素少，更能反应出实际的加固效果。图3为软土地基加固前后的十字板剪切强度－深度曲线。

图3软土地基加固前后的十字板剪切强度－深度曲线

从图3可知，加固前土层强度范围是12.3～32.1kPa，在利用真空联合堆载法加固软基后，其土层强度范围增加至30.3～41.4kPa，基本每个深度层的强度均有提高，且最大值增大了33%，地基承载力提高显著。

4结语

综上所述，在高速公路软基加固处理的实际过程中，真空联合堆载预压法的应用不仅能大大缩短施工时间，而且还显著提高地基承载力，使得软基加固的效果达到最佳。因此，我们需要进一步推动真空联合堆载预压法的应用完善，以为软基加固的工作带来便利。

参考文献：

[1]许忠发、何钜.真空-堆载联合预压法在高速公路软基加固中的应用研究[J].水利与建筑工程学报.2012（02）.

[2]席宁中、于海成.真空联合堆载预压处理软土地基测试与分析[J].建筑科学.2012（S1）.