真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟土地基

王建功 姜忠軍

在我國(guó)某些地區(qū),尤其是東南沿海,廣泛分布著物理力學(xué)性質(zhì)極差的軟土。由于軟土具有壓縮性大、滲透性小、抗剪強(qiáng)度低以及明顯的流變性和觸變性特點(diǎn),在軟土地基上修建高等級(jí)公路存在穩(wěn)定性和沉降兩方面的問(wèn)題[1]。

對(duì)于高等級(jí)公路,軟土路基的破壞主要為路堤不穩(wěn)定產(chǎn)生剪切破壞(滑動(dòng)失穩(wěn)),大多是由施工速度過(guò)快、路堤邊坡太陡或地基承載力不足引起的。高等級(jí)公路對(duì)沉降變形尤其是工后不均勻沉降也提出了相當(dāng)高的要求。

目前常采用的軟基處理方法主要有:粉、漿噴樁法,預(yù)壓法,預(yù)制樁復(fù)合地基,碎石樁法等。預(yù)壓法分為堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓和真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓。堆載預(yù)壓法雖然較經(jīng)濟(jì),但由于地基的抗剪強(qiáng)度較低限制了填土速率,待地基強(qiáng)度增大后還須挖除超載部分填土,使得工期較長(zhǎng);同時(shí)在路基填筑過(guò)程中也一直存在著穩(wěn)定性、不均勻沉降及工后沉降偏大等問(wèn)題。真空預(yù)壓雖然能縮短工期、不存在路基穩(wěn)定性問(wèn)題,但是它提供的真空荷載畢竟有限(一般不超過(guò)95 kPa),不能很好的滿足加固要求。將兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一身,就成為質(zhì)量易控、經(jīng)濟(jì)、施工速度快的預(yù)壓方案。

1 真空預(yù)壓法研究現(xiàn)狀

1952年,瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼教授(W.Kjellman)提出真空預(yù)壓加固軟土地基的方法,但由于當(dāng)時(shí)施工工藝方面的困難使這一技術(shù)發(fā)展相當(dāng)緩慢[2]。

1958年,美國(guó)費(fèi)城機(jī)場(chǎng)成功應(yīng)用真空井點(diǎn)降水與排水砂井相結(jié)合,解決了飛機(jī)跑道工程,但是所達(dá)到的真空度和深井井口的密封不夠理想[3]。1973年,美國(guó)威廉等人提出用二維滲流網(wǎng)的概念來(lái)解釋二維條件下真空預(yù)壓的加固效果,但沒(méi)有對(duì)真空預(yù)壓負(fù)壓條件下孔隙水壓力—土體的有效應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行深入研究,也未考慮土體本身的固結(jié)過(guò)程,無(wú)法預(yù)估固結(jié)度、有效應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律[4]。

1982年,日本大阪南港在第二階段的加固工程中采用袋裝砂井或排水板作為垂直排水通道,抽真空與抽水相結(jié)合的方法,在被加固的吹填土上回填5 m～8 m厚的砂質(zhì)土作為密封層,抽氣管口用黏土密封,解決了大面積場(chǎng)地的密封問(wèn)題,將該技術(shù)推向了一個(gè)新階段[5]。1983年蘇聯(lián)的Fer-Mertirosyan采用拉普拉斯方程求解真空預(yù)壓的沉降量,日本的小林正樹(shù)用有限元求解真空預(yù)壓法加固地基的三維問(wèn)題[6]。

在我國(guó),20世紀(jì)50年代末,王仁權(quán)就探討過(guò)真空預(yù)壓法加固淤泥地基并對(duì)地基加固的野外試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。接著,天津大學(xué)[7]、南京水利科學(xué)研究所[8]和同濟(jì)大學(xué)等也做了試驗(yàn)研究,但都未成功,大面積使用也就未能付諸實(shí)施。

20世紀(jì)80年代以后,由于港口的擴(kuò)展,大量港口軟基必須在短期內(nèi)得到加固,交通部第一航務(wù)工程局聯(lián)合天津大學(xué)、南京水利科學(xué)院土工所經(jīng)過(guò)探索、研究解決了該技術(shù)關(guān)鍵的抽氣設(shè)備,使該加固技術(shù)的施工工藝取得了突破性的進(jìn)展,并經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究使該方法逐步走向成熟。在不斷的理論和實(shí)踐中,我國(guó)采用真空預(yù)壓處理軟土地基的技術(shù)也日臻完善[9,10]。

近年來(lái),隨著我國(guó)南方高速公路建設(shè)的發(fā)展,許多學(xué)者又結(jié)合工程實(shí)際對(duì)真空預(yù)壓法在條形場(chǎng)地的應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的科學(xué)研究,并在二維、三維固結(jié)沉降計(jì)算模型方面做了大量研究[11,12]。

由于土體復(fù)雜的力學(xué)特性,其變形具有非線性、彈塑性、剪脹性、各向異性、流變性等特點(diǎn),同時(shí)應(yīng)力水平、應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史等對(duì)其變形均有影響。所以,對(duì)不同的工程,要想用一個(gè)模型來(lái)全面、正確地反映這些特性是不現(xiàn)實(shí)的,這就要求針對(duì)不同的巖土工程條件,做一定程度的簡(jiǎn)化。前人在研究真空預(yù)壓變形等問(wèn)題時(shí),主要按照一維、平面問(wèn)題來(lái)求解,雖然在三維問(wèn)題方面展開(kāi)了一系列研究,但是大部分學(xué)者把真空荷載簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的線性分布,這是不符合實(shí)際的。目前,真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟土地基的設(shè)計(jì)方法仍有待于進(jìn)一步完善。

2 真空—堆載預(yù)壓法的概念及加固機(jī)理

2.1 真空預(yù)壓法的概念

真空預(yù)壓法先在需要加固的軟土地基上按一定的間距打設(shè)垂直排水通道;然后在地面上鋪設(shè)一定厚度的砂墊層、布設(shè)水平排水通道;再將不透氣的薄膜鋪設(shè)在需要加固的軟土地基表面的砂墊層上,借助射流泵和埋設(shè)在砂墊層中的管道,將膜下土體間的空氣抽掉形成真空,使土體排水而壓密。

2.2 堆載預(yù)壓法的概念

在堆載排水預(yù)壓法中地基受外荷載(土料、砂石料或建筑物本身等)作用,超靜水壓力逐漸消散,土中有效應(yīng)力不斷增長(zhǎng),土體得以固結(jié)變形,強(qiáng)度得到提高。通常,在地基中打設(shè)一定深度的豎向砂井或塑料排水板一類的垂直排水通道增大其滲透系數(shù),在地基表面鋪設(shè)砂層作為水平排水渠道,加快滲透,縮短施工工期。

真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法的比較見(jiàn)表1。

表1 真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的比較

2.3 真空—堆載預(yù)壓法加固機(jī)理

真空—堆載預(yù)壓法由真空預(yù)壓和堆載兩種方法組合而成。它是先對(duì)軟土地基進(jìn)行真空預(yù)壓,當(dāng)膜下真空度穩(wěn)定后,再按照堆載預(yù)壓法的要求在薄膜上堆載進(jìn)行預(yù)壓。其實(shí)質(zhì)為在同一時(shí)間內(nèi),土體在薄膜下的真空荷載與薄膜上的堆載聯(lián)合作用下,排出其中的水分,加快土體固結(jié),使土體強(qiáng)度提高。設(shè)土體原來(lái)承受一個(gè)大氣壓pa,真空預(yù)壓時(shí),通過(guò)抽氣,膜下形成真空,該真空度換算成等效壓力為p0,使砂層和砂井中的壓力減小至pv(pv=pa-p0),在壓差pa-pv作用下,土體中的水流向砂井。堆載預(yù)壓時(shí),通過(guò)壓載,土體中的壓力增高至 pp,在壓差 pp-pa作用下,土體中的水流向砂井,故在真空—堆載聯(lián)合作用時(shí),兩者的壓差為pp-pv。由于壓差增大,加速了土體中水的排出,減小了土體的孔隙比,提高了壓密率,使土體的強(qiáng)度進(jìn)一步提高,沉降進(jìn)一步消除。

真空—堆載預(yù)壓具有真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓的雙重效果,但不是兩者簡(jiǎn)單疊加?？梢詮臐B透規(guī)律來(lái)進(jìn)一步分析其疊加效果。由達(dá)西定律可知:

其中,v為孔隙水的滲透速度;k為土的滲透系數(shù);Δh為水頭差;L為滲透距離。增加水頭差Δh和減小排水距離L,均可加速土體固結(jié)。真空預(yù)壓的加固機(jī)理是通過(guò)降低土體中孔隙水壓力,加固區(qū)內(nèi)外存在水頭差,使之形成滲流需要的水力梯度;而堆載預(yù)壓是由于堆載產(chǎn)生正的超靜孔隙水壓力,通過(guò)孔壓的消散而使強(qiáng)度提高。兩者聯(lián)合作用,正負(fù)孔隙水壓力的壓差增大,也就是增加水頭差Δh,造成孔壓消散更快,因此,真空與堆載預(yù)壓可以疊加,并且加固效果更好。

3 真空—堆載預(yù)壓法的注意事項(xiàng)

1)一定要等膜下真空度穩(wěn)定并達(dá)到設(shè)計(jì)要求之后,才能進(jìn)行堆載施工,否則,真空加固區(qū)一旦出現(xiàn)了密封問(wèn)題,就很難處理。2)為了防止第一次堆載過(guò)程將密封膜弄破,在膜上膜下最好鋪針刺無(wú)紡?fù)凉げ?以保護(hù)密封膜。3)第一層堆載不要太厚。如果堆載在施工完成后要進(jìn)行開(kāi)挖,那么第一層最好在50 cm左右,先進(jìn)行人工攤鋪后,再由機(jī)械由近及遠(yuǎn)逐漸推進(jìn)。需要壓實(shí)的,逐步由輕到重進(jìn)行多遍碾壓;如果不進(jìn)行開(kāi)挖,要作為路堤使用的話,就要嚴(yán)格按照路堤施工要求進(jìn)行堆載和壓實(shí)。4)堆載時(shí),要保護(hù)密封膜面上的沉降觀測(cè)標(biāo)桿,并在施加荷載前進(jìn)行一次測(cè)量,以記好堆載前沉降曲線的起點(diǎn),便于日后對(duì)加固效果進(jìn)行分析。5)在一些特殊的地方(如橋頭高填土)采用聯(lián)合加固時(shí),要密切注意對(duì)已有構(gòu)筑物的影響,并進(jìn)行一些必要的觀測(cè),以防意外事故的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

本文回顧了真空—堆載預(yù)壓法的發(fā)展現(xiàn)狀、加固機(jī)理和真空—堆載預(yù)壓法的施工注意事項(xiàng),證明了真空—堆載預(yù)壓法是一種較好的地基處理方法。

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