真空預(yù)壓技術(shù)在高等級(jí)城市道路軟基處理中的應(yīng)用及效果監(jiān)測(cè)分析

摘要:真空預(yù)壓是我國(guó)推廣并廣泛使用的一項(xiàng)軟基處理技術(shù);本文結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)闡述了真空預(yù)壓技術(shù)在高等級(jí)城市道路軟基處理中的施工技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)其施工效果監(jiān)測(cè)進(jìn)行了深入分析探討和總結(jié)。

關(guān)鍵詞:城市道路;真空預(yù)壓技術(shù);軟基處理;效果監(jiān)測(cè);水平位移

中圖分類(lèi)號(hào):U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)12-0138-03

1引言

目前，真空預(yù)壓已作為較成熟的技術(shù)在港口、公路、鐵路、能源、房屋建筑工程中得到成功的應(yīng)用。在軟土地基處理過(guò)程中，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)十分重要，通過(guò)對(duì)一些項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)可以控制施工安全、分析地基的固結(jié)情況、評(píng)價(jià)加固效果，及時(shí)地為下一步施工、設(shè)計(jì)提供可靠的信息依據(jù)，同時(shí)也能為科學(xué)研究提供可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2工程概況

湖南長(zhǎng)沙一城市道路全長(zhǎng)6.5km，路寬60m。該路段多段處于臨江漫灘之上，線段內(nèi)表層人工填土較為復(fù)雜，其下在較深范圍內(nèi)均為江水沖淤積成因的土層，土層分布變化較大，強(qiáng)度低，壓縮性高。為了減少工后沉降，在樁號(hào)K5+100~K5+650段落中采用真空排水預(yù)壓法處理。

目前場(chǎng)地內(nèi)主要為農(nóng)田、魚(yú)塘、原有道路以及道路兩側(cè)未拆除的居民房屋、廠房及商店等，場(chǎng)地地勢(shì)略有起伏，其場(chǎng)地內(nèi)的土層分布如下:

①-1雜填土:褐灰~雜色，松散，由較多的碎磚、石子及少量粘土填積。局部新近堆土區(qū)，為新近填積，層厚0~5.8m。

①-2淤泥質(zhì)填土:灰~灰黑色，飽和，流塑，含較多腐殖植物及碎磚，分布于原溝、塘之中。層頂埋深0.4~1.6m，層厚0.3~1.6m。

①-3素填土:褐灰色，軟塑，亞粘土夾少量碎石填積。層頂埋深0~5.8m，層厚0.7~5.0m。

②-1粘土:灰色~黃灰色，軟~流塑，局部缺失。層頂埋深0.4~5.0m，層厚0.7~2.7m。

②-2淤泥質(zhì)粘土:灰色～褐色，流塑，局部為亞粘土，下部夾有薄層亞細(xì)砂、粉砂。層頂埋深0.9~6.6m，層厚不詳。

②-3粘土:灰色，流塑，局部為軟塑狀態(tài)，與粉砂呈交互層。層頂埋深10.8~17.8m，層厚1.2~7.2m。

②-4粉細(xì)砂:灰色，稍~中密，夾亞砂土，分布于沿線道路的中部。層頂埋深13.0~18.7m。

3軟土路基真空預(yù)壓施工技術(shù)

3.1真空堆載預(yù)壓技術(shù)作用原理

真空預(yù)壓是使加固區(qū)域內(nèi)的土體造成負(fù)壓，使邊界的孔壓降低，土體中的原來(lái)孔壓便與這些邊界的孔壓形成一定的壓力差并且發(fā)生不穩(wěn)定滲流，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，土體中的孔壓逐漸降低，降低的孔壓轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w的有效壓應(yīng)力，真空度越高，沿深度衰減越小，則增加的有效壓應(yīng)力越大，加固效果越好。

對(duì)于天然地基，地基土一般處于K0固結(jié)狀態(tài)，即 ，由于孔隙水壓力是球應(yīng)力，所以真空預(yù)壓時(shí)減少的孔壓(增加的有效壓應(yīng)力)是各向相等的，因此地基中土體單元的莫爾圓大小并沒(méi)有改變，只是向右發(fā)生平移，當(dāng)“荷載”卸除后，被加固土體由正常固結(jié)狀態(tài)變?yōu)槌探Y(jié)狀態(tài)，和加固前相比，強(qiáng)度增加了 。真空預(yù)壓使地基產(chǎn)生沉降，一般在加固區(qū)的中心點(diǎn)產(chǎn)生的沉降值最大，使加固區(qū)表面呈鍋底狀，這種收縮的特性使土體更利于擠密。

3.2豎向排水體施工工藝

主要工序?yàn)?場(chǎng)地平整、鋪砂墊層→前期勘探、埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器→打設(shè)豎向排水體→粘性土柔性密封墻施工→鋪設(shè)水平濾管，安裝真空泵→鋪土工布、膜→開(kāi)挖、回填密封溝→抽氣管道和真空泵連接→抽真空、軟基監(jiān)測(cè)→抽真空穩(wěn)定至設(shè)計(jì)天數(shù)→效果檢測(cè)→卸除真空荷載。

真空預(yù)壓法處理軟土地基的關(guān)鍵在于真空度的有效傳遞和穩(wěn)定維持，所以在其施工過(guò)程中需特別注意以下幾點(diǎn)。

真空度是通過(guò)打設(shè)在地基里面的豎向排水體向下及向土體中傳遞的，因此豎向排水體的施工工藝直接影響著真空預(yù)壓施工的效果。常用豎向排水體的形式有:普通砂井、袋裝砂井、塑料排水板。在本次工程中，采用袋裝砂井的形式。成孔方式采用振動(dòng)沉管法，即將帶套有混凝土端靴的套管沉到預(yù)定深度，然后在管內(nèi)放入做好的袋裝砂井，拔出套管便形成了砂井，要求拔管后帶上砂袋的長(zhǎng)度≤0.50m。另一方面，灌入砂袋的砂宜用干砂，并應(yīng)灌制密實(shí)，砂袋長(zhǎng)度應(yīng)較砂井孔長(zhǎng)度長(zhǎng)50cm，使其放入井孔后能露出地面，以便埋入排水砂墊層中。袋裝砂井施工時(shí)，所用鋼管的內(nèi)徑宜略大于砂井直徑，不宜過(guò)大，以減小施工過(guò)程對(duì)地基土的擾動(dòng)。

3.3水平排水體施工工藝

墊層材料應(yīng)采用透水性好的砂料，通常采用級(jí)配良好的中粗砂，含泥量≤3%。施工中需注意:

1)墊層平面尺寸和厚度符合設(shè)計(jì)要求，厚度誤差為±h/10(h為墊層設(shè)計(jì)厚度)，每100m2挖坑檢驗(yàn)，在本次施工中，因?yàn)樗綁|層上鋪設(shè)了雙層的土工布和塑料膜，所以墊層的厚度只有30cm;

2)與豎向排水通道連接好，不允許雜物堵塞或隔斷連接處，在本次施工中，砂料都經(jīng)過(guò)了一定的篩分;

3)盡量不擾動(dòng)天然地基;

4)不得將泥土或其它雜物混入墊層，以免堵塞濾管;

5)真空預(yù)壓墊層，其面層4cm厚度范圍內(nèi)不得有帶棱角的硬物。

3.4水平濾管的布設(shè)

水平濾管有主、支管之別，材料有鋼管和PVC管2種，在本工程中選用了后者。濾水管的平面布置可以有多種形式，如條形、魚(yú)刺形等。為保證真空壓快速而均勻地傳至場(chǎng)地各個(gè)部位，可以根據(jù)場(chǎng)地大小和形狀，因地制宜地進(jìn)行濾水管排列設(shè)計(jì)并增設(shè)幾道主管，這樣即使個(gè)別泵停機(jī)檢修，對(duì)真空度幾乎無(wú)影響。

3.5塑料土工布、膜的鋪設(shè)

真空預(yù)壓施工中所用的密封膜為密封性、韌性好、抗老化性能和抗穿刺能力強(qiáng)的專(zhuān)用密封膜。其參考指標(biāo)為:厚度≥0.14mm，抗拉強(qiáng)度≥100N/5cm，延伸率≥250%(縱向)，滲透系數(shù)≤1.0×10-10cm/s。加工好的密封膜面積要大于加固場(chǎng)地面積，一般要求每邊應(yīng)大于加固區(qū)相應(yīng)邊4~5m。而土工布則要求采用大于300g/m2的無(wú)紡?fù)凉げ肌?/p>

為了保證整個(gè)預(yù)壓過(guò)程中的密封性，在本次施工過(guò)程中先鋪了1層土工布，然后再在其上鋪設(shè)2層密封膜，在每層鋪好后都要檢查和粘補(bǔ)了破漏處，以保證最佳的密封性。而在加固區(qū)四周，土工布和密封膜分別留有2m~3m和4m~5m的超寬余量。

3.6密封溝的開(kāi)挖和回填

本次工程采用了人工結(jié)合機(jī)械開(kāi)挖的方式進(jìn)行密封溝施工，開(kāi)挖寬度>1.0m、深度>1.5m，有的地方達(dá)到了3.0m，進(jìn)入淤泥層，鋪設(shè)密封膜后，密封溝用挖出的淤泥質(zhì)粘土回填，并用挖掘機(jī)前斗夯實(shí)。在施工過(guò)程中邊開(kāi)挖、邊埋膜、邊回填，同時(shí)埋好膜后在溝內(nèi)覆水，以更好地達(dá)到密封效果。

4施工監(jiān)測(cè)布置與效果分析

真空預(yù)壓處理道路軟基應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，及時(shí)監(jiān)測(cè)路堤在軟基處理和路堤填筑施工過(guò)程中地基的變形和穩(wěn)定性，全面分析評(píng)價(jià)軟基加固效果及其主要影響因素，為軟土路堤的后續(xù)施工提供科學(xué)依據(jù)。

根據(jù)工程需要和地質(zhì)條件，確定現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的主要內(nèi)容為:表面沉降觀測(cè)、分層沉降觀測(cè)、水平位移觀測(cè)、真空度觀測(cè)等。具體監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置見(jiàn)表1。在真空預(yù)壓處理軟基期間，對(duì)監(jiān)測(cè)斷面表面沉降、分層沉降、水平位移、真空度進(jìn)行了定期觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)成果匯總、繪制相關(guān)曲線圖。

4.1表面沉降觀測(cè)

地層表面沉降是加固效果最直接的反映。表面沉降觀測(cè)是評(píng)價(jià)地基固結(jié)情況和加固效果的基礎(chǔ)，其變化規(guī)律是控制填土施工進(jìn)度和后續(xù)施工的重要指標(biāo)，也是驗(yàn)證理論研究結(jié)果正確與否的直接檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。地層表面沉降觀測(cè)采用沉降板的形式。

表面沉降板的布設(shè)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求確定測(cè)點(diǎn)的位置，在同一橫斷面上埋設(shè)3個(gè)沉降板，分別在路堤的中心和左、右路肩上。

K5+190斷面表面沉降曲線，見(jiàn)圖1，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，抽真空初期地表下沉速率較大，抽真空前幾天，雖然真空度還未達(dá)到設(shè)計(jì)值80kPa，但大部分?jǐn)嗝娴娜粘两邓俾试?~3cm/d之間。隨著施工的進(jìn)行，沉降速率變緩，抽真空大約50d后，日沉降速率下降到2mm/d以下。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果還可以看出:路中心的沉降量較路肩的沉降量大，這是真空度的不均勻分布造成的，一般而言，中心的真空度要略低于邊緣。由于整個(gè)加固區(qū)回填時(shí)間較短，土質(zhì)處于欠壓實(shí)狀態(tài)，局部回填厚度和壓實(shí)度有差異，導(dǎo)致加固區(qū)產(chǎn)生了沉降差異。

4.2分層沉降觀測(cè)

分層沉降觀測(cè)是針對(duì)不同深度、層位的土體進(jìn)行沉降觀測(cè)，由沉降管、沉降環(huán)、電磁式分層沉降儀及其它配套設(shè)施構(gòu)成整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于沉降環(huán)是隨著土體一起下沉的，因此沉降環(huán)的沉降過(guò)程也是地基土的沉降過(guò)程。觀測(cè)時(shí)，先用水準(zhǔn)儀測(cè)得沉降管的管口高層，再通過(guò)分層沉降儀測(cè)得各磁環(huán)的位置。據(jù)此算出各土層的沉降量。

埋設(shè)沉降管時(shí)，應(yīng)根據(jù)地層條件確定沉降管的埋設(shè)深度和沉降環(huán)的布設(shè)間距。分層沉降管布置在斷面的中央位置，共布置3個(gè)，沉降管埋深25m，磁環(huán)間距定為2m。

K5+190斷面分層沉降曲線見(jiàn)圖2，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，土體發(fā)生沉降集中在12m以上的土層中，也就是說(shuō)真空預(yù)壓的影響深度在12m左右。從分層沉降變化的曲線來(lái)看，由于沿程的井阻作用，越是淺層的土體壓縮越明顯，14m以下的土體幾乎沒(méi)有發(fā)生固結(jié)。在停止抽真空以后，主要是8m以上的土體出現(xiàn)回彈，而8m以下的土體并未出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

4.3水平位移的觀測(cè)

軟基處理和路堤填筑過(guò)程中，埋設(shè)測(cè)斜管進(jìn)行水平位移觀測(cè)可以直觀地反映地基的穩(wěn)定性，這是因?yàn)槠錅y(cè)得的側(cè)向變形的動(dòng)態(tài)是路基穩(wěn)定與滑動(dòng)的直接反映，測(cè)量中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)路基發(fā)生側(cè)向位移的準(zhǔn)確位置和位移量。

真空預(yù)壓施工中，量測(cè)水平位移的變化情況，可以了解土體側(cè)向移動(dòng)對(duì)鄰近建筑物的影響，也可以了解土體側(cè)向移動(dòng)對(duì)土體垂直變形的影響。

量測(cè)土體水平位移使用的儀器是活動(dòng)應(yīng)變式測(cè)斜儀。在施工之前，先把測(cè)斜管埋設(shè)到一定深度(一般打到穩(wěn)定地層1~2m)。施工過(guò)程中，土體發(fā)生側(cè)向移動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致側(cè)斜管也有相應(yīng)的變形。通過(guò)測(cè)斜儀量測(cè)斜管與鉛垂線的夾角，利用幾何關(guān)系計(jì)算出測(cè)斜管的水平偏移量，即是土體的水平位移量。

本工程抽真空結(jié)束時(shí)，K5+190、K5+300和K5+600 三個(gè)斷面發(fā)生水平位移的最大深度分別為9m、12m和13m，發(fā)生最大水平位移的位置在地表處，K5+190斷面水平位移曲線見(jiàn)圖3。預(yù)壓加固區(qū)四周出現(xiàn)了大小不一的平行于加固區(qū)邊界的裂縫，原有的公路距加固區(qū)邊緣20～30m處，也出現(xiàn)了明顯的開(kāi)裂。

4.4孔隙水壓力觀測(cè)

在真空預(yù)壓加固中，埋于淤泥土中的孔隙水壓力測(cè)頭是為了了解土體中有效應(yīng)力發(fā)展變化的情況與過(guò)程。在真空排水預(yù)壓中產(chǎn)生的孔隙水壓力是負(fù)的超孔隙壓力，加固中土體的總應(yīng)力并沒(méi)有變化，而只是孔隙水壓力下降，從而有效應(yīng)力增加。通過(guò)量測(cè)孔隙水壓力隨時(shí)間的變化過(guò)程，可以了解地基土強(qiáng)度增長(zhǎng)的情況，同時(shí)還可以作沉降計(jì)算和反推土體的固結(jié)系數(shù)，得到土體的固結(jié)度。

常見(jiàn)的孔隙水壓力計(jì)有水管式、差動(dòng)電阻式、測(cè)壓管式和鋼弦式等，鋼弦式孔隙水壓力計(jì)穩(wěn)定性好，靈敏度高，使用效果較理想，且能適應(yīng)負(fù)壓下的工作狀態(tài)，近年來(lái)最為常用。

本工程實(shí)踐中，共埋設(shè)3組鋼弦式孔隙水壓力計(jì)，每組4個(gè)孔隙水壓力計(jì)，埋深分別為6m、9m、12m、15m。

從K5+190斷面孔壓曲線圖4可以看出，真空預(yù)壓剛開(kāi)始時(shí)，孔隙水壓力明顯下降，隨著抽真空的進(jìn)行，孔隙水壓力消散的速度逐漸變緩，到后期，埋藏較淺的孔隙水壓力值降為負(fù)值。停泵以后，孔隙水壓力值會(huì)明顯上升，且埋深越小的孔隙水壓力計(jì)值上升越明顯。

5真空預(yù)壓卸載時(shí)的沉降分析

真空預(yù)壓加固地基的結(jié)束時(shí)間取決于3個(gè)控制指標(biāo):固結(jié)度、總沉降量和沉降速率。工程實(shí)踐表明，真空預(yù)壓到一定階段，總沉降量和按沉降定義的固結(jié)度指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)值，但沉降速率仍然較大，難以達(dá)到停泵的設(shè)計(jì)要求。這是由真空預(yù)壓加固地基總沉降計(jì)算不準(zhǔn)確等因素造成的。同時(shí)，也有一些工程中，沉降量遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但沉降速率很快降到設(shè)計(jì)指標(biāo)以下。這是因?yàn)榧庸掏馏w中還有透水層，導(dǎo)致周?chē)迪蚣庸虆^(qū)內(nèi)補(bǔ)給太多，抽真空的能量都損耗在抽補(bǔ)給水上了。因此，真空預(yù)壓應(yīng)綜合考慮上述3個(gè)指標(biāo)，否則將增加工后沉降量。

在抽真空60d左右，該路段沉降速率連續(xù)一周在2mm/d以下，固結(jié)度也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，停止預(yù)壓。在停泵后，立即填土，土體未發(fā)生明顯回彈。由于路堤填土高度不大，預(yù)測(cè)后期的沉降量也很小。

6結(jié)論

綜上所述，從該道路真空預(yù)壓處理軟基段的監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，可以得出以下結(jié)論:

6.1真空預(yù)壓的有效加固深度在12m左右，這與土層的性質(zhì)、排水板的打設(shè)深度、間距和真空度的大小及在土層中的傳遞等眾多因素有關(guān)。

6.2真空預(yù)壓對(duì)周?chē)h(huán)境會(huì)造成不良影響，若加固區(qū)周?chē)兄匾ㄖ蛟O(shè)施時(shí)，應(yīng)充分論證其適用性。

6.3對(duì)于真空預(yù)壓加固軟土地基，在真空預(yù)壓過(guò)程中，不存在地基穩(wěn)定性問(wèn)題，但在卸載后，路堤填筑過(guò)程中，仍有可能出現(xiàn)地基失穩(wěn)的現(xiàn)象，因此后期的監(jiān)測(cè)也不容忽視。

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