大面積真空預(yù)壓加固法處理軟土地基技術(shù)研究

王長法

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 武漢　430063)

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大面積真空預(yù)壓加固法處理軟土地基技術(shù)研究

王長法

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 武漢430063)

摘要：真空預(yù)壓是軟土地基加固處理的一種方法,結(jié)合京滬高速鐵路上海虹橋樞紐工程的深厚軟土地基加固處理與沉降控制資料,介紹采用真空預(yù)壓加固的虹橋動車運用所軟基的一個試驗段施打排水板引起的沉降、地基表面沉降以及孔隙水壓力的現(xiàn)場觀測和試驗,并對觀測結(jié)果進行了分析。最后,結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),采用數(shù)值計算方法對地基加固措施的受力特性和沉降變形規(guī)律進行分析,得到的沉降量與實測沉降推算結(jié)果較接近。

關(guān)鍵詞：真空預(yù)壓；軟土地基；加固

1概述

真空預(yù)壓(Vacuum preloading)的基本原理最早是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院W. Kjellman教授于1952年首先提出的[1]，1958年美國費城國際機場跑道擴建工程中，首次采用真空井點降水與排水砂井聯(lián)合加固地基[2]。隨后日本、法國、前蘇聯(lián)等國家都有該技術(shù)的應(yīng)用報道[3]。我國于20世紀50年代末開始對真空預(yù)壓法加固軟基開展研究，直至20世紀70年代后，該技術(shù)在天津新港軟土地基處理經(jīng)歷了探索試驗、中間試驗，最后到工程應(yīng)用，逐步走向成熟，并于1985年12月通過國家技術(shù)鑒定[4-7]。近幾年高速鐵路飛速發(fā)展，在軟土地基上修建高速鐵路已開始采用真空預(yù)壓技術(shù)[8]，但是大面積使用真空預(yù)壓法的工程還很少，李時亮等[9-11]對真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓法處理軟基地基沉降規(guī)律、加固效果、經(jīng)濟技術(shù)性、在高速鐵路軟基處理工程應(yīng)用的適宜性等進行分析和評價。李宗江等[12]探討了津濱輕軌軟基加固真空預(yù)壓法施工，介紹真空預(yù)壓法在城市輕軌軟基處理中的應(yīng)用。李昌寧等[13]結(jié)合上海某高速鐵路軟土地基處理的實際情況，通過綜合分析與現(xiàn)場測試試驗，就真空-填土自載聯(lián)合預(yù)壓法加固深厚軟基的設(shè)計方法、施工工藝和對周圍環(huán)境影響控制措施等，進行了試驗研究。理論和實踐證明，開展關(guān)于大面積真空預(yù)壓技術(shù)的研究，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

2工程地質(zhì)條件及監(jiān)測方案

京滬高速鐵路虹橋動車運用所位于沖-海積平原區(qū)，地基為深厚軟土地基，設(shè)計要求工后沉降控制標準30 cm。為滿足地基承載力和工后沉降控制要求，共有3片場區(qū)采用了真空預(yù)壓處理措施，處理總面積22.2萬m2。

2.1試驗工點工程地質(zhì)條件

試驗工點位于虹橋動車運用所北咽喉北端動車走行線，路堤填高1～2 m。地層順序如下。

(1)人工雜填土：以碎磚、瓦礫、混凝土塊為主，夾有少量工業(yè)廢料及生活垃圾土，局部夾植物根須，厚1～2 m。

(2)1粉質(zhì)黏土(Q4al+m)：褐黃色，軟塑，局部含少量粉砂等，σ0=120 kPa，厚0～1 m。

(2)2粉質(zhì)黏土(Q4al+m)：褐灰色，軟塑，含鐵錳質(zhì)斑點、云母、粉砂等。σ0=120 kPa，厚1～2 m。

(2)3粉土(Q4al+m)：灰色，稍密，飽和，含云母，夾薄層黏性土，見貝殼碎屑，土質(zhì)不均勻，σ0=100 kPa，厚9～10 m。

(3)1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(Q4m)：灰色，流塑，含云母、有機質(zhì)、夾薄層粉砂，局部夾有貝殼碎屑，σ0=80 kPa，厚8～13 m。

(4)淤泥質(zhì)黏土(Q4m)：深灰色，流塑，含云母、有機質(zhì)，局部夾粉土、粉砂團塊，偶夾貝殼碎屑，土質(zhì)均勻，光滑，σ0=80 kPa，厚6～10 m。

地基土物理力學(xué)指標見表1。

表1　地基土基本參數(shù)

2.2監(jiān)測方案

本次試驗的場地分E5和E6兩區(qū)，其中E5區(qū)的里程范圍長110 m，寬約145 m，面積為15 758 m2，E6區(qū)長130 m，寬約145 m，面積為18 737 m2。

本次測量共布設(shè)2個全斷面對真空度、地面沉降、深層沉降、水平位移、土工格柵變形、地基面應(yīng)力、孔隙水壓力、地下水位進行觀測，另設(shè)3個沉降斷面以及1個觀測斷面。

2.3荷載施加

路堤荷載按大面積均布荷載，填料容重取19 kN/m3，軌道+列車荷載全部換算為路基頂面均布荷載土柱高為2.6 m，荷載參數(shù)見表2。

表2　荷載參數(shù)

3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1施打排水板引起的沉降

塑料排水板打設(shè)完成后E5和E6區(qū)的沉降數(shù)據(jù)見表3，塑料排水板打設(shè)后各場地均發(fā)生了較大的沉降，分別為39.5 cm和40.3 cm，發(fā)生沉降的原因主要有兩個方面。

(1)排水板深層范圍內(nèi)欠固結(jié)土的沉降。本工程的軟土為近海沉積的厚層淤泥質(zhì)土，為欠固結(jié)土，排水板形成了排水通道，欠固結(jié)土體產(chǎn)生固結(jié)，從而產(chǎn)生固結(jié)沉降。

(2)排水板打設(shè)過程中造成軟土擾動產(chǎn)生的沉降。軟土中打設(shè)排水板后，土體的結(jié)構(gòu)性造成了一定的擾動，這種擾動會使軟土發(fā)生沉降。

表3　排水板打設(shè)后各場地的沉降數(shù)據(jù)

3.2地基表面沉降

真空預(yù)壓E5區(qū)內(nèi)對兩個斷面進行表面沉降觀測。從2009年4月9日開始抽真空，2009年8月9日停止抽真空，2009年5月8日開始堆載，2009年8月29日堆載結(jié)束。至2010年8月17日止，加固區(qū)內(nèi)HQGDK1+220斷面(C1-2沉降標，因施工破壞，僅監(jiān)測至2010年4月26日)發(fā)生的累計沉降量為421 mm，HQGDK1+260斷面(C2-2沉降標)發(fā)生的累計沉降量為360 mm。2個斷面平均沉降量為391 mm，最大沉降量為421 mm(C1-2沉降標)。具體監(jiān)測曲線見圖1。

圖1　E5區(qū)表面沉降監(jiān)測成果

E6區(qū)內(nèi)共設(shè)HQGDK1+300(斷面3)、HQGDK1+340(斷面4)、HQGDK1+370(斷面5)3個斷面進行表面沉降觀測。從2009年4月22日開始抽真空，9月3日停止抽真空，2009年5月6日開始堆載，2009年8月29日堆載結(jié)束。測試期間，3個斷面發(fā)生的最大沉降量分別為348 mm(C3-2沉降標)、369 mm(C4-1沉降標)和319 mm(C5-3沉降標)(后兩者因施工破壞，監(jiān)測數(shù)據(jù)至2月)，具體監(jiān)測曲線見圖2。

圖2　E6區(qū)表面沉降監(jiān)測成果

3.3孔隙水壓力分析

在真空預(yù)壓E5區(qū)HQGDK1+220斷面和E6區(qū)HQGDK1+340斷面分別布置孔隙水壓力計，孔深分別為3，6，9，12，15 m，對土體進行孔隙水壓力觀測，通過觀測得到的孔隙水壓力計算地基土體內(nèi)部產(chǎn)生的超孔隙水壓力變化情況。

從圖3、圖4可以看出，在抽真空開始時，地基內(nèi)部各深度均產(chǎn)生了一定的負壓，負壓最大值約為70.3 kPa。這表明，真空預(yù)壓施工時負壓有效地傳到了地基土體深部。隨著深度的增加，超孔壓變化速度變緩，隨著抽真空的進行，土體中的水被抽出，負的超孔壓會逐漸減少。伴隨著上部堆載的進行，超孔壓有所抬升，由于抽真空的作用，超孔壓又逐漸消散。2009年8月17日由于現(xiàn)場施工，E6區(qū)的孔壓計均被破壞，至9月13日修復(fù)成功，在此期間存在孔壓數(shù)據(jù)空缺。2009年10月25日，HQGDK1+340斷面修復(fù)后的孔壓計全部被破壞(由于鋪設(shè)鋼軌)。

圖3　E5區(qū)孔隙水壓力變化曲線

圖4　E6區(qū)孔隙水壓力變化曲線

4數(shù)值分析

4.1數(shù)值模型及計算參數(shù)

圖5　E5、E6區(qū)采用的FLAC計算網(wǎng)格

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，基于FLAC建立有限差分網(wǎng)格(圖5)?？紤]到斷面的對稱性，取一半斷面寬度進行計算，E5區(qū)的計算斷面寬度為129.5 m，E6區(qū)的計算斷面寬度為124.5 m。模型底部設(shè)置為水平、豎直兩個方向均固定約束，模型兩側(cè)選擇水平方向約束。模型表面設(shè)為透水邊界，其他邊界為固定邊界。真空荷載按照負孔壓的形式施加在地表面上，通過流固耦合計算分析真空和堆載預(yù)壓聯(lián)合作用下地基的沉降變形。

本次計算采用的參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場取樣進行室內(nèi)試驗的結(jié)果，見表4和表5。

表4　E5區(qū)FLAC計算采用的參數(shù)

表5　E6區(qū)FLAC計算采用的參數(shù)

4.2數(shù)值分析結(jié)果

FLAC計算得到的E5區(qū)和E6區(qū)表面沉降隨加載時間的變化曲線如圖6和圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)值計算的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致。

圖6　E5區(qū)表面沉降計算值與實測值比較

圖7　E6區(qū)表面沉降計算值與實測值比較

計算得到的沉降曲線在堆載時刻存在比較明顯的變化，這是因為FLAC計算中上部填土荷載是一次性堆載，一定高度的土體單元瞬間作用在模型表面上，先進行不排水分析，再進行一定時間的固結(jié)計算。

計算得到的地基深層孔隙水壓力時程曲線見圖8和圖9所示，由圖可見，地表以下6 m范圍內(nèi)均產(chǎn)生了負的孔隙水壓力。地基深部的孔隙水壓力也隨著抽真空的進行逐漸下降。在填土時，孔隙水壓力會產(chǎn)生一定的上升，這是由于填土荷載在施加時首先由地基中的孔隙水承擔，隨著時間的進行，增加的孔壓會逐漸消散，地基土產(chǎn)生固結(jié)，從而使地基產(chǎn)生沉降。計算得到的孔隙水壓力變化趨勢與實測基本接近，符合實際規(guī)律。

圖8　E5區(qū)計算得到的深層孔壓變化曲線

圖9　E6區(qū)計算得到的深層孔壓變化曲線

5結(jié)論

(1)監(jiān)測結(jié)果表明，試驗段在抽真空之前，由于排水板的打設(shè)造成了欠固結(jié)軟土結(jié)構(gòu)的擾動，產(chǎn)生了約40 cm的沉降。抽真空過程中，測試最大沉降量為36.9～42.1 cm。沉降主要發(fā)生在塑料排水板加固區(qū)，約占70%。停抽真空時地基平均固結(jié)度達到78%以上。E5、E6區(qū)預(yù)測最大工后沉降為13.0、5.3 cm，處理效果良好，滿足設(shè)計要求。

(2)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，在真空預(yù)壓初期，地基內(nèi)部各深度均產(chǎn)生了一定負的超孔隙水壓力，最大值-70.3 kPa，隨著抽真空的進行，土體中的水被抽出，負的超孔隙水壓力逐漸減小。

(3)土體的本構(gòu)模型選擇Mohr-Coulomb模型，采用FLAC程序，對E5、E6區(qū)測試斷面進行了數(shù)值分析，對土體的沉降和超孔壓進行了計算，測試結(jié)果與變化規(guī)律與實測值基本一致。

參考文獻：

[1]Kjellman W. Consolidation of clay by Means of Atmosphere Pressure[C]∥Proceedings of a conference on soil stabilization， Boston: MIT Press， 1952:258-263.

[2]Holton G R. Vacuum stabilization of subsoil beneath runway extension at Philadelphia inter-national airport[C]∥Proc. of IV.ICSMFE， 1965:61-65.

[3]Arutiunian.R.N. Vacuum-accelerated stabilization of liquefied soils in landslide body[C]∥Proc. of VIII ECSMFE， 1983:575-576.

[4]中華人民共和國交通運輸部.JTS 147—2010港口工程地基規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2010.

[5]崔俊杰，韓志霞，宋緒國.天津港集裝箱物流中心堆場地基加固設(shè)計[J]. 鐵道工程學(xué)報，2007(10)：25-27.

[6]唐紅，余江，劉輝.采用加壓真空預(yù)壓技術(shù)加固深厚軟土地基施工工藝[J].鐵道建筑，2011(6)：99-100.

[7]孫立強，閆澍旺，李偉.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固吹填土地基有限元分析法的研究[J].巖土工程學(xué)報，2010，32(4)：592-599.

[8]沈宇鵬，馮瑞玲，鐘順元，等.增壓式真空預(yù)壓在鐵路站場地基處理的優(yōu)化設(shè)計研究[J].鐵道學(xué)報，2012，34(4)：88-93.

[9]李時亮.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理高速鐵路路堤軟基分析[J].鐵道標準設(shè)計，2007(11)：7-11.

[10]陳華明，李時亮.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓處理路堤軟基相關(guān)問題分析[J].鐵道工程學(xué)報，2010(11)：18-22.

[11]李時亮.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓地基沉降計算方法分析[J].鐵道標準設(shè)計，2006(12)：8-10.

[12]李宗江，陸進文.津濱輕軌軟基加固真空預(yù)壓法施工[J].鐵道標準設(shè)計，2003(8)：85-86.

[13]李昌寧.真空-填土自載聯(lián)合預(yù)壓軟基加固技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].鐵道工程學(xué)報，2005(5)：28-33.

Technological Research on Treating Soft Foundation with Large Area Vacuum Preloading MethodWANG Chang-fa

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Vacuum preloading is a method to treat soft foundation. With reference to the data of soft soil foundation reinforcement and settlement control from Shanghai Hongqiao hub project on Beijing-Shanghai high-speed railway, this paper introduces the test section of Hongqiao soft foundation where settlement is caused by placing draining board in the process of vacuum preloading reinforcement, and on-site observation and tests of ground surface settlement and pore water pressure are conducted And the results of observation are analyzed. Finally, the mechanical characteristics and the rule of the settlement of foundation reinforcing measures are analyzed with numerical calculation method based on field test data, and the calculated settlement is close to the measured result.

Key words：Vacuum preloading; Soft foundation; Reinforcement

中圖分類號：U213.1+4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.006

文章編號：1004-2954(2015)05-0028-04

作者簡介：王長法(1965—)，男，高級工程師，1987年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，E-mail：tsywcf@126.com。

基金項目：鐵道部京滬高速鐵路科技重大專項科研課題(2008G031-C)

收稿日期：2014-07-31； 修回日期：2014-09-01