真空聯(lián)合堆載預(yù)壓道路地基變形特性分析

劉光明，曹旭華，王 健，鄔龍剛

（廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東 廣州 510010）

0 引言

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓是深層軟土地基處理常用的方法之一，具有工期短、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。軟土通常含水量大、壓縮性高，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后變形顯著。地基變形是真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理效果的表現(xiàn)形式和預(yù)期成果，是地基處理設(shè)計和施工控制的重要指標(biāo)，也是地基處理科研的重要途徑。本文依托具體工程試驗(yàn)，對真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理地基表層沉降、地表水平位移，分層沉降、深層水平位移進(jìn)行分析，研究結(jié)果對類似工程地基處理的科研和應(yīng)用具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固機(jī)理

真空預(yù)壓法是將加固區(qū)密封后，通過抽真空使膜內(nèi)外形成大氣壓差，由于砂墊層和豎向排水井與地基土界面存在這一壓差，土中的孔隙水發(fā)生向豎井的滲流，使孔隙水壓力不斷降低，有效應(yīng)力不斷提高，而使土逐漸固結(jié)[1]。在真空預(yù)壓法中，膜下真空度被限制在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（101.3kPa，實(shí)際工程中一般為80～90kPa），因此為了進(jìn)一步改善加固效果，進(jìn)行真空預(yù)壓的同時在密封膜上堆載，即真空聯(lián)合堆載預(yù)壓。堆載增加了土體中的孔隙水壓力，于是地基土和塑料排水板之間的壓差進(jìn)一步加大，其排水速度和加固效果要優(yōu)于真空預(yù)壓法，具有真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的雙重加固效果[2-3]。雖然堆載過程中，地基土也會發(fā)生側(cè)向擠出變形，但由于有真空荷載作用，真空產(chǎn)生的側(cè)向收縮變形與堆載產(chǎn)生的側(cè)向擠出變形相抵消，另一方面真空荷載作用下地基土已發(fā)生固結(jié)，強(qiáng)度有所增長，從而可以堆載速度很快而不發(fā)生失穩(wěn)破壞[4]。

2 工程試驗(yàn)概況

2.1 工程概況及地質(zhì)條件

廣州南沙地區(qū)位于珠江三角洲的沖擊平原，某項(xiàng)目位于珠江主流末端的沙洲上。場地地層依次分為：第四系填土層，厚0.50～7.70m，平均層厚1.18m；淤泥層，厚 15～35m，平均層厚 20m；下臥粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂和基巖。淤泥層主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 淤泥層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

場地內(nèi)進(jìn)行市政路網(wǎng)建設(shè)，路基填筑高度為3～5m，地基主要采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法進(jìn)行處理。某路段軟土深度為26m，地基處理采用梅花形布置的塑料排水板，打入深度25m，間距1.2m；中粗砂墊層厚度0.6m。膜下真空度不小于85kPa，膜上堆載43.25kPa（2.5m厚中細(xì)砂）。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓荷載卸載標(biāo)準(zhǔn)為地基平均固結(jié)度不小于90%。

2.2 地基處理監(jiān)測布設(shè)

為反映出道路下方及兩側(cè)地基的變形特性，本路段地基處理主要進(jìn)行了地表沉降（D19～D21）、地表水平位移（JNW1、JNW2）、分層沉降（FC3）和深層水平位移監(jiān)測。分層沉降FC3從地表向下每3m布置一個測點(diǎn)，編號為FC3-1～FC3-8，共8個測點(diǎn)。測斜管位于堆載土方坡腳處。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)布置圖（單位：m）

3 地基變形特性分析

3.1 地表沉降特性分析

如圖2所示，從抽真空開始，3d后密封膜下最小真空預(yù)壓荷載達(dá)85kPa，5d后達(dá)到89kPa，并持續(xù)保持穩(wěn)定；25d后進(jìn)行第一次堆載10.38kPa，42d后進(jìn)行第二次堆載24.22kPa，56d后進(jìn)行第三次堆載8.65kPa。后續(xù)排水預(yù)壓過程中，荷載持續(xù)、穩(wěn)定，總抽真空時間143d。

圖2 地表沉降-荷載-時間歷程曲線

路中和路肩沉降趨勢基本一致，整體上呈現(xiàn)出預(yù)壓前期沉降速率大、固結(jié)效果顯著（抽真空開始一個月后平均固結(jié)度近50%，抽真空56d、第三級堆載完成后，平均固結(jié)度已達(dá)70%），后期沉降速率減緩、沉降逐步收斂。沉降速率隨密封膜上多級分層堆載的施加而增大，分層堆載加速了地基固結(jié)，增加了地基沉降量。

抽真空143d后，路中沉降為176.3cm，兩側(cè)路肩沉降分別為159.6cm和160.3cm，略小于路中沉降，平均固結(jié)度分別為99.0%（路中）、99.1%（左側(cè)）和99.4%（右側(cè)），路基范圍地基固結(jié)均勻。

地基固結(jié)沉降速度與施加的預(yù)壓荷載有較大的關(guān)聯(lián)性，確保持續(xù)有效的真空荷載和把握良好的堆載時機(jī)，可以提高地基固結(jié)效率。在保持地基穩(wěn)定的條件下，真空荷載和各級堆載施加的越早、前期荷載施加越大，可以提高地基固結(jié)沉降效率，縮短真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時間。

3.2 地表水平位移特性分析

從圖3可見，各監(jiān)測點(diǎn)地表水平位移受真空荷載和堆載荷載的影響較大，且影響程度不同。分層堆載前，僅在真空荷載作用下，地表發(fā)生向路基側(cè)的水平位移；42d第二次分層堆載后，地表水平位移的變形趨勢被改變，JNW1點(diǎn)（近路堤）雖然繼續(xù)向路基側(cè)變形，但速率顯著減小，JNW2點(diǎn)的變形轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離路堤側(cè)；在分層堆載完畢后、持續(xù)抽真空的作用下，地表水平位移又逐漸轉(zhuǎn)向路基側(cè)。

圖3 水平位移-時間歷程曲線

真空荷載引起表層發(fā)生向真空區(qū)的水平位移，分層堆載可引起地表向遠(yuǎn)離堆載區(qū)的水平位移，適當(dāng)?shù)亩演d可以減弱或抵消真空引起的水平位移，減小地基處理引起地表變形范圍。但真空荷載和分層堆載對地表水平位移的影響程度不同，在持續(xù)抽真空作用下，地表水平位移最終仍會向真空區(qū)發(fā)展。

3.3 地基分層沉降特性分析

從圖4、圖5及表2可見，各分層沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降趨勢基本一致，演變規(guī)律與地表沉降基本相同。但從地表向下深度逐漸增加，各分層沉降量受地表分層堆載的影響逐漸減小。不同深度處沉降量與深度呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系，本工程中沉降量y=170.55e-0.098x，對該式求導(dǎo)后得各分層壓縮量與深度關(guān)系式y(tǒng)’=-16.71e-0.098x，分層沉降量和分層壓縮量均從地表向下呈指數(shù)型衰減。

圖4 分層沉降-荷載-時間歷程曲線

圖5 分層沉降量-深度曲線

表2 各分層深度沉降參數(shù)表

埋深18～25m、9～18m、0～9m深處土層的平均固結(jié)度分別在抽真空開始72d、87d、102d后達(dá)到90%。深處地基的平均固結(jié)度更容易滿足設(shè)計要求，中上部地基需要較長的固結(jié)時間，深處地基比中上部地基的平均固結(jié)度可提前30d滿足設(shè)計要求。地基0～9m、9～18m、18～25m的分層壓縮量分別為109.8cm、36.7cm、29.8cm，分別為總沉降量的62.3%、20.8%、16.9%，地基沉降主要發(fā)生在中上部。

在一些深厚軟土實(shí)際工程中，排水固結(jié)處理施工結(jié)束、使用荷載填筑完畢后不久即發(fā)生較大的“工后沉降”，許多工程人員認(rèn)為是地基處理深度不夠?qū)е碌?，但根?jù)上述分析，使用荷載填筑完畢后短時間內(nèi)發(fā)生的“工后沉降”并不滿足地基沉降變形規(guī)律，不是預(yù)壓期固結(jié)沉降隨時間的延續(xù)，而是地基卸載后再加載形成的新的地基沉降。根據(jù)上述分層沉降規(guī)律，新的地基固結(jié)沉降也應(yīng)該主要發(fā)生在地基層的中上部，地基深處仍很小。因此地基處理應(yīng)該在確定合理的處理深度和措施的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對中上部軟土層的處理，將對使用荷載填筑后短時間內(nèi)發(fā)生的較大“工后沉降”有良好的控制作用。一些具體的工程實(shí)踐證明了加強(qiáng)對中上部軟土變形控制思路的正確性，如在預(yù)壓固結(jié)后再施以強(qiáng)夯或攪拌樁聯(lián)合排水板地基加固等，均得到很好的效果[5-7]。

3.4 地基深層水平位移特性分析

從圖6可見，真空荷載預(yù)壓初期（0～9d）地基整體發(fā)生向路基側(cè)水平位移，從地表至地基深部位移量逐漸減??；在12～22d后深層水平位移繼續(xù)增大，但地表下3m處水平位移增加最顯著，是水平位移的“極值”點(diǎn)；25～42d期間，第一層堆載10.33kPa后、第二層堆載24.22kPa前，地層仍繼續(xù)向真空區(qū)移動；42d后，第一、第二層堆載總計34.55kPa加載后，地基深層水平位移發(fā)生“轉(zhuǎn)向”，向遠(yuǎn)離路基側(cè)變形，并隨施加荷載和時間的增加，逐漸抵消了地基深層向路基側(cè)已經(jīng)發(fā)生的水平位移。真空荷載引起的深層水平位移主要發(fā)生在地表以下10m內(nèi)，分層堆載引起的“轉(zhuǎn)向”現(xiàn)象主要發(fā)生在地表下12m內(nèi)；由于分層堆載的作用，水平位移“極值”點(diǎn)由地表下3m向下發(fā)展至4m處。

圖6 深層水平位移變形曲線圖

適當(dāng)?shù)姆謱佣演d可以減弱或抵消真空荷載引起的深層水平位移，減弱作用向地層深處逐漸減小，其中對地表下4m內(nèi)的作用最顯著。真空荷載和分層堆載引起的深層水平位移主要分布在地表下10m和12m內(nèi)，分層堆載的影響深度大于真空荷載。

4 結(jié)語

（1）路基范圍地基固結(jié)均勻，整體上呈現(xiàn)出預(yù)壓前期沉降速率大、固結(jié)效果顯著，后期沉降速率減緩、沉降逐步收斂的態(tài)勢。在保持地基穩(wěn)定的條件下，真空荷載和各級堆載施加的越早、前期荷載施加越大，可以提高地基固結(jié)沉降效率，縮短真空聯(lián)合堆載預(yù)壓時間。

（2）適當(dāng)?shù)亩演d可以減弱或抵消真空引起的單向水平位移，減小地基處理引起地表變形范圍。但真空荷載和分層堆載對地表水平位移的影響程度不同，在持續(xù)抽真空作用下，地表水平位移最終仍會向真空區(qū)發(fā)展。

（3）分層沉降量和分層壓縮量均從地表向下呈指數(shù)型衰減。深處地基的平均固結(jié)度更容易滿足要求，中上部地基需要較長的固結(jié)時間。地基沉降主要發(fā)生在中上部，加強(qiáng)對中上部軟土層的處理，對使用荷載填筑后短時間內(nèi)發(fā)生的較大“工后沉降”有良好的控制作用。

（4）適當(dāng)?shù)姆謱佣演d可以減弱或抵消真空荷載引起的深層水平位移，減弱作用向地層深處逐漸減小，其中對地表下4m內(nèi)的作用最顯著。真空荷載和分層堆載引起的深層水平位移主要分布在地表下10m和12m內(nèi)，分層堆載的影響深度大于真空荷載。

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