真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法在軟土路基處理中的應(yīng)用

王 彬，顧鳳祥，李學(xué)東，王玉海，殷愛峰

(江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院， 江蘇 蘇州 215129)

長(zhǎng)江流域和東部沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，近年來(lái)，隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，興建了大量的基礎(chǔ)工程設(shè)施，例如軌道交通、高層建筑深基坑、碼頭以及市政工程等。在軟土地區(qū)的各種工程建設(shè)中的問題隨之而來(lái)，由于軟土路基承載力低、易于變形，難于滿足工程要求，必需對(duì)其進(jìn)行加固處理。

目前軟土路基處理方法主要有堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法、換填墊層法、水泥土攪拌樁法等[1,2]。真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法是在真空預(yù)壓法和堆載預(yù)壓法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的軟基加固方法，具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重效果，與其他加固方法相比，具有加快土體固結(jié)速度，增大加固深度、減少后期固結(jié)沉降和防止剪切破壞的優(yōu)點(diǎn)[3,4]。

蘇州工業(yè)園區(qū)桑田島地區(qū)市政道路沿線分布有大量的軟土，該地區(qū)軟土不僅有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、滲透性小的共性，還具有有機(jī)質(zhì)含量高，縱橫向分布不均勻的特性。為確保公路建設(shè)的安全和質(zhì)量，選取代表性路段作為試驗(yàn)段，采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法進(jìn)行加固。通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，本試驗(yàn)段采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理是成功的。

1 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固機(jī)理

真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法是在堆載預(yù)壓的同時(shí)借助大氣壓力，使兩者聯(lián)合發(fā)揮作用，加快土體固結(jié)。其原理就是通過抽真空設(shè)備，使加固土體內(nèi)部與排水通道砂墊層之間產(chǎn)生壓差，在此壓差作用下，土體內(nèi)孔隙水壓力大于塑料排水板內(nèi)孔隙水壓力，在塑料排水板內(nèi)外形成水力梯度，促使土體內(nèi)孔隙水排出，達(dá)到加固軟土的目的[5]。

根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理公式σ=u+σ′，真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟基的實(shí)質(zhì)是將孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力。其加固過程可以表示為σ+σ1=u1+σ1′+u2+σ2′(式中：σ表示土中任意點(diǎn)的總應(yīng)力；σ1表示堆載產(chǎn)生的總應(yīng)力；σ1′、σ2′為土體骨架所承擔(dān)的有效應(yīng)力；μ1表示堆載產(chǎn)生的超孔隙水壓力的絕對(duì)值，μ2表示真空度產(chǎn)生的孔隙水壓力的絕對(duì)值)，可以看出，真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法就是通過增加總應(yīng)力的同時(shí)減少孔隙水壓力來(lái)增加土體的有效應(yīng)力，從而加速土體的固結(jié)與沉降[6～8]。

2 工程地質(zhì)條件

桑田島位于蘇州工業(yè)園區(qū)內(nèi)，隸屬于長(zhǎng)江三角洲東南緣太湖水網(wǎng)平原東部。受沉積環(huán)境、工程水文地質(zhì)條件、自然環(huán)境條件、水流的影響形成了桑田島軟土特有的工程性質(zhì)。本地區(qū)第四紀(jì)以來(lái)，運(yùn)動(dòng)以沉降為主，廣泛接受堆積，形成廣闊的沖積、湖積平原地貌。

根據(jù)勘查資料，桑田島地區(qū)土層分布自上而下依次為：①素填土：灰色，松散，以粘性土為主，面局部含少量碎石、磚塊，含較多植物根莖。層頂標(biāo)高-2.67～3.12 m。②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，高壓縮性，稍有光澤，中等韌性，中等干強(qiáng)度。層頂標(biāo)高-3.57～1.2 m。②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，高壓縮性，稍有光澤，中等韌性，中等干強(qiáng)度，無(wú)搖震反應(yīng)。層頂標(biāo)高-16.58～-1.78 m。③粉質(zhì)粘土：灰色，軟塑，中偏高壓縮性，稍有光澤，中等韌性，中等干強(qiáng)度。層頂標(biāo)高-12.86～0.99 m。③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色，流塑，高壓縮性，稍有光澤，中等韌性，中等干強(qiáng)度，無(wú)搖震反應(yīng)。層頂標(biāo)高-1.05 m。各土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 現(xiàn)場(chǎng)工作布置

桑田島市政道路總長(zhǎng)度5.5 km，其中東延路試驗(yàn)段長(zhǎng)度260 m，里程樁號(hào)為K1+450～K1+710，該區(qū)域地形地貌特征，尤其是軟土空間分布情況，具有很強(qiáng)的代表性。

為研究真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理方法的地基沉降變形規(guī)律，在監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)測(cè)斜管、分層沉降環(huán)、孔隙水應(yīng)力計(jì)等設(shè)備對(duì)路堤施工實(shí)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括：①地表沉降觀測(cè)；②地基分層沉降監(jiān)測(cè)；③地基孔隙水壓力監(jiān)測(cè)；④地下水位監(jiān)測(cè)；⑤水平位移監(jiān)測(cè)；⑥十字板剪切試驗(yàn)。限于篇幅，這里僅給出地表沉降和水平位移觀測(cè)的有代表性監(jiān)測(cè)結(jié)果。

在本試驗(yàn)段共布置3個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面。斷面里程號(hào)分別為：K1+480、K1+580、K1+680。與斷面里程號(hào)相對(duì)應(yīng)的沉降觀測(cè)點(diǎn)號(hào)分別為：C1、C2、C3。每個(gè)觀測(cè)斷面又分為三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別編號(hào)1、2、3，其中1、3號(hào)點(diǎn)位于路肩，2號(hào)點(diǎn)位于路中。深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別位于監(jiān)測(cè)斷面兩側(cè)路肩位置。沉降板在鋪膜后抽真空前埋沒，其它儀器則在鋪膜埋管前埋沒，為取得孔壓、分層及測(cè)斜數(shù)據(jù)穩(wěn)定值，相應(yīng)儀器必須在距離抽真空前3d埋設(shè)。觀測(cè)系統(tǒng)的平面布置見圖1。

4 觀測(cè)結(jié)果及分析

4.1 地表沉降分析

地表沉降觀測(cè)是軟基沉降分析的基礎(chǔ)，其變化規(guī)律是控制公路路基施工進(jìn)度和安排后期施工的重要依據(jù)[9]。整個(gè)聯(lián)合預(yù)壓處理過程歷時(shí)169 d，抽真空3 d后膜下真空度穩(wěn)定在600 mmHg柱以上(相當(dāng)于80 kPa以上的等效壓力)，最終整體堆土高度3 m。表2是三個(gè)觀測(cè)斷面在真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓歷時(shí)169 d時(shí)的地表沉降觀測(cè)資料。

由表2可以看出，單次沉降量和變化速率最大處均位于K1+480監(jiān)測(cè)斷面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及勘查報(bào)告分析其原因，是由于K1+480斷面淤泥層厚度比K1+580、K1+680斷面厚度大?？梢娬婵?堆載聯(lián)合預(yù)壓法在處理深厚軟土路基時(shí)效果尤為明顯。

表2 加固區(qū)測(cè)點(diǎn)地表沉降統(tǒng)計(jì)表

由表2可以看出，單次沉降量和變化速率最大處均位于K1+480監(jiān)測(cè)斷面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及勘查報(bào)告分析其原因，是由于K1+480斷面淤泥層厚度比K1+580、K1+680斷面厚度大?？梢娬婵?堆載聯(lián)合預(yù)壓法在處理深厚軟土路基時(shí)，其效果尤為明顯。

圖2為整個(gè)施工過程中9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地表沉降曲線。最大沉降量位于斷面K1+680處C1-2觀測(cè)點(diǎn)，沉降量為1639 mm，斷面最大平均沉降為1541 mm，有效減少了后期固結(jié)沉降。從聯(lián)合堆載的處理機(jī)理上分析，塑料排水板形成豎向排水通道，縮短排水路徑，在真空預(yù)壓和填土荷載聯(lián)合作用下，有利于整個(gè)軟土層的孔壓消散和固結(jié)沉降。同時(shí)由于作用在路中的荷載大于路肩，因此路中與路肩變形不協(xié)調(diào)，存在沉降差，導(dǎo)致路基沉降向路中收斂。

4.2 固結(jié)沉降速率分析

圖3為地表沉降平均變化速率時(shí)程曲線，可以看出，在真空預(yù)壓前期階段，隨著膜下真空度的提升，沉降速率變大，最高達(dá)60 mm/d。當(dāng)膜下真空度上升到80 kPa，預(yù)壓45 d后沉降速率逐漸變小，維持在5 mm/d以下，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。此時(shí)，可以進(jìn)行下一階段的堆載聯(lián)合預(yù)壓。由此可知，蘇州河湖相軟土在真空預(yù)壓45 d后可以進(jìn)行填土的堆載施工。

圖2 地表沉降曲線

截至10月25日平均速率為0.83 mm/d，連續(xù)10天路中監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均沉降速率為0.84 mm/d，達(dá)到設(shè)計(jì)提出的路中心點(diǎn)沉降速率連續(xù)10天的平均值小于1 mm/d的要求。同時(shí)表明真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加速固結(jié)沉降，消除工后沉降效果極為明顯。

圖3 地表沉降平均變化速率時(shí)程曲線

由圖3還可以看出，真空預(yù)壓初期及堆載初期地表沉降速率較大，隨時(shí)間的延長(zhǎng)沉降速率變緩，說明在荷載不變的情況下，土體的固結(jié)是隨時(shí)間而收斂的[10]。

4.3 水平位移分析

在負(fù)壓的作用下，土體側(cè)向變形是收縮變形，表現(xiàn)為水平位移向加固區(qū)中心移動(dòng)，并且位移量隨深度增加而減小[11]。圖4和圖5是K1+480監(jiān)測(cè)斷面位于路基兩側(cè)即路肩位置的水平位移曲線。

圖4 CX1-1(路肩)深層土體水平位移曲線

圖5 CX1-2(路肩)深層土體水平位移曲線

從圖中可以看出，在聯(lián)合預(yù)壓開始后，0～26 m深度范圍內(nèi)土體向路中位移較明顯，靠近地面處位移達(dá)374.32 mm，說明處理影響深度達(dá)26 m，為路基聯(lián)合處理的主要壓縮層。0～20 m內(nèi)水平位移為正值，表明真空預(yù)壓的水平位移是“向心”的，該區(qū)域土體整體向路基內(nèi)收縮變形，避免了由于擠出變形而造成的地基失穩(wěn)。

20～26 m深度內(nèi)，隨著離加固區(qū)距離變大，這種“向心”作用明顯減小，收縮變形與擠出變形由相抵消變?yōu)閿D出變形占優(yōu)勢(shì)，表明26 m以下土體變形受堆載預(yù)壓影響比受真空預(yù)壓影響大。

5 真空預(yù)壓處理效果分析

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)加固前后同一深度的土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。從表1、表2加固前后路基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)可以看出，加固后土層含水率總體上減小。淺部含水率減小幅度較大，深部相對(duì)較小，這也與淺部土體變形位移較大、深部較小相吻合。加固后土體的孔隙比較加固前減少,并且淺部減少的幅度大，深部減少的幅度小。

表3 加固后各土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

在深度20 m范圍內(nèi)，含水率、孔隙比等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)均發(fā)生了較大的變化，表明真空聯(lián)合堆載的效果是明顯的。

6 結(jié) 論

(1)采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟土路基，在河湖相軟土地基處理中效果顯著，大幅度提高了軟土地基的物理力學(xué)性質(zhì)及承載能力，在類似工程中推廣應(yīng)用是可行的。

(2)地表沉降在空間上分布不均勻，表現(xiàn)為路基邊緣沉降相對(duì)較小，中心沉降較大，路基向中心收縮變形。因此，在合理控制堆載荷載的大小及堆載速度下，能抵消因堆載引起的向外擠出變形，保證整個(gè)加固區(qū)路基的安全穩(wěn)定。

(3)在真空預(yù)壓階段，抽真空45 d后，地表沉降速率趨于穩(wěn)定且小于5 mm/d。聯(lián)合預(yù)壓階段，歷時(shí)169 d后，路中沉降速率連續(xù)10天平均值小于1 mm/d。

(4)在本工程中，路基加固影響深度達(dá)到26 m及以上，其中有效壓縮層為0～20 m以內(nèi)；路基沉降最深達(dá)1639 mm，斷面最大平均沉降為1541 mm，有效減少了后期固結(jié)沉降。

(5)在河湖相軟土地區(qū)，采用真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固軟土路基，在膜下真空度維持在80 kPa時(shí)，填土高度不超過3 m，路基的堆載是安全的。

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