真空預(yù)壓加固深度分析與探討

吳春勇

（南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引 言

真空預(yù)壓中軟土路基的加固深度一直是研究的熱點問題之一，目前工程界與學(xué)術(shù)界仍存在較多的爭議，文獻[1]中對此作了歸納，主要有以下幾種觀點：1）認(rèn)為真空預(yù)壓法只對10 m以上的土層有加固效果，豎向排水體打設(shè)超過10 m以下部分基本上不起作用；2）認(rèn)為真空預(yù)壓法的有效深度與豎向排水體的打設(shè)深度有關(guān)；3）認(rèn)為真空預(yù)壓法的有效深度只在水位以上是真空預(yù)壓作用的有效區(qū)域，而對地下水位以下無作用。在這3種觀點中，目前爭論較多的是前面兩種觀點。從已有的工程實測資料證明，第三種觀點是錯誤的。水位下降的極限深度一般最大在5 m左右，而許多實測資料表明，水位線以下仍存在較大的沉降與水平位移。

從真空預(yù)壓加固軟基的理論分析認(rèn)為，其加固深度的判斷應(yīng)著重于以下幾個方面[2]：1）負(fù)壓傳遞的深度；2）深層土體側(cè)向位移沿深度的分布規(guī)律；3）土體產(chǎn)生固結(jié)沉降的深度分布。下面結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來分析真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的加固深度。

1 真空預(yù)壓設(shè)計

1.1 工程地質(zhì)條件

1）地層分布

依據(jù)現(xiàn)場鉆孔地質(zhì)資料結(jié)果，該地區(qū)粘土層自上而下，依次分為：

在該地區(qū)，軟土層分布隨山勢起伏較大，具有平面分布不規(guī)則、厚度變化大、不連續(xù)且土性不均勻等特性，基巖出露地段軟土層基本缺失，本文主要針對厚度近20 m的軟土層進行研究。從勘察資料的統(tǒng)計結(jié)果分析，軟土層主要以第③層淤泥、淤泥質(zhì)土為主，根據(jù)工程實際情況，施工中將②③④層一起作為壓縮層進行處理，所以本文中研究將針對這三層土的性質(zhì)，其中③層為重點研究對象。

2）主要土層物理力學(xué)指標(biāo)

本工程軟土層具有高孔隙比、高含水量、低強度等特點，因此在軟基加固處理設(shè)計中要充分考慮加載過程中的地基穩(wěn)定性，同時兼顧后期工后沉降的控制。本路段軟土層以③④層為主，具體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2.2 軟基處理設(shè)計

1）主要設(shè)計參數(shù)

該路段采用真空預(yù)壓法進行軟基處理，為確保密封系統(tǒng)在填土加載過程不受損壞，砂墊層上部采用兩層土工布與三層密封膜（見圖1），上部填土高度為4 m；排水板間距1.2 m，打設(shè)深度20 m；水平排水體為60 cm厚的中粗砂墊層；真空預(yù)壓邊界采用粘土密封墻處理（見圖2），確保真空效果。

表1 研究區(qū)軟土基本物理性質(zhì)均值指標(biāo)

主要施工工序如下：清基整平→鋪設(shè)砂墊層→打設(shè)塑料排水板→安裝真空設(shè)備→鋪設(shè)濾管→鋪設(shè)第一層土工布→鋪設(shè)三層密封膜→抽真空→鋪設(shè)第二層土工布→上部填土至設(shè)計標(biāo)高。

圖1 密封系統(tǒng)大樣圖

圖2 粘土密封墻平面布置圖

2）加荷計劃

本工程中根據(jù)土體強度增長的室內(nèi)試驗，通過穩(wěn)定計算，結(jié)合以往真空預(yù)壓法的施工經(jīng)驗，確定了路基加荷計劃，見表2。

表2 真空預(yù)壓（聯(lián)合堆載）加荷計劃表

2.3 監(jiān)測儀器布置

該路斷軟土層平均厚度23 m，路中軟土層最厚處達到25 m，排水板打設(shè)深度為21 m，該斷面共埋設(shè)孔隙水壓力測點8個，分層沉降磁環(huán)8只，深層土體水平位移測點1個，具體位置見圖3。其中在排水板底部的軟土層中分別埋設(shè)了孔隙水壓力計與分層沉降磁環(huán)。

圖3 監(jiān)測儀器布置圖

3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 超靜孔隙水壓力

由圖4曲線可知，在真空預(yù)壓初期，土體中超靜孔隙水壓力在真空荷載作用下逐漸降低，直至路基荷載開始填筑，才有所回升，停止填筑一段時間后，超靜孔隙水壓力又開始下降，該現(xiàn)象表明真空荷載加固的效果較為顯著。真空預(yù)壓過程中雖然超靜孔隙水壓力沿深度分布的規(guī)律性不強，這和測點與排水體的距離、土體的滲透系數(shù)有關(guān)。但土體中的超靜孔隙水壓力均呈現(xiàn)為負(fù)值[3]～[6]，表明負(fù)壓（指負(fù)的超靜孔隙水壓力）在加固區(qū)域中土體內(nèi)基本處于滿布狀態(tài)，地表下23 m孔壓測點（排水板底部土體）的變化值表明負(fù)壓荷載在土體的傳遞深度至少可以達到排水板打設(shè)的深度，甚至對排水板以下2～3 m左右的土體范圍仍產(chǎn)生影響

3.2 分層沉降

由圖5曲線可知，土體沉降量主要集中地面下16 m的范圍之內(nèi)，占總沉降量的70%，排水板以下尚有一定的沉降量，約占總沉降量的12%。從不同深度土層時間-沉降規(guī)律分析可知，施工期間土體沉降以排水板范圍內(nèi)的土體為主，同時排水板對其底部軟土仍存在一定影響，下部2～3 m厚的軟土層在真空預(yù)壓期間沉降量達到40 cm。

3.3 深層土體水平位移

圖4 超靜孔壓-荷載-時間過程線

圖5 分層沉降-荷載-時間過程線

由圖6曲線可知，在整個真空預(yù)壓過程中，土體的深層水平位移先是指向加固區(qū)內(nèi)，隨著路基填高的增大，后期表現(xiàn)為指路基外側(cè)，該現(xiàn)象表明后期產(chǎn)生了剪切變形，但總的位移量并沒有超過埋設(shè)時的位置。結(jié)合分層沉降曲線分析，認(rèn)為整個加固區(qū)內(nèi)土地體變形主要表現(xiàn)為向內(nèi)收縮，即固結(jié)變形為主。

4 加固前后土體微結(jié)構(gòu)變化

對真空預(yù)壓前后土體的SEM進行掃描，其取樣平面位置與深度基本一致。真空預(yù)壓前軟土結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩-架空結(jié)構(gòu)，說明土體顆粒間的孔隙較大，這與宏觀力學(xué)中的孔隙比測得的結(jié)果是一致的。從掃描結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加固前軟土的顆粒呈現(xiàn)團聚狀結(jié)構(gòu)，顆粒間的連接清晰可見；加固后，土體呈現(xiàn)疊片-絮凝狀結(jié)構(gòu)，顆粒間的孔隙明顯減少，顆粒的粒徑也變小，但小顆粒出現(xiàn)重組現(xiàn)象，表現(xiàn)為更大顆粒的狀態(tài)，顆粒之間大的結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)；加固前后SEM掃描結(jié)果表明，真空預(yù)壓過程中土體顆粒之間的狀態(tài)由疏松變?yōu)榫o密，顆粒之間并沒有出現(xiàn)明顯擠壓滑移現(xiàn)象，而是孔隙減小，顆粒向內(nèi)收縮成緊密狀態(tài)，這與現(xiàn)場土體出現(xiàn)位移指向加固區(qū)的現(xiàn)象是一致的[2]。

5 結(jié)論與建議

圖5 分層沉降-荷載-時間過程線

1）從以上分析可知：真空預(yù)壓過程中，負(fù)壓至少可以達到排水板打設(shè)深度以下1 m范圍內(nèi)；深層土體水位移在整個加固過程中其位移值為負(fù)，即土體沉降以固結(jié)變形為主；分層沉降曲線表明排水板以下土體仍存在固結(jié)沉降。因此，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固深度至少可以達到23 m。

2）加固深度與排水板的打設(shè)深度相關(guān)，由于受現(xiàn)場條件限制，現(xiàn)有測試結(jié)果表明至少可以達到排水板以下2～3 m范圍。

3）認(rèn)為真空預(yù)壓加固只能達到10 m的觀點是錯誤的。

4）真空預(yù)壓法的有效深度與豎向排水體的打設(shè)深度、真空邊界的密封性等條件有關(guān)。

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