真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理深厚軟土試驗研究

何長明 黎 軍

(廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州 510060)

0 引言

改革開放后隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)突飛猛進(jìn)，在深厚軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)屢見不鮮。真空預(yù)壓法作為一種經(jīng)濟、高效的軟基處理方式，自1952年由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院杰爾曼(W.Kjellman)教授提出基本原理以來，國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究與試驗，自上世紀(jì)八、九十年代起陸續(xù)在圍海造陸、港口、機場建設(shè)中得到應(yīng)用[1-3]。進(jìn)入21世紀(jì)，真空預(yù)壓加固軟土技術(shù)得到了更加廣泛地應(yīng)用，特別對高速公路、城市道路的軟基處理上，發(fā)展出利用路堤自重的真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法[4-6]。

2002年，婁 炎[7]出版國內(nèi)外第一本全面闡述真空預(yù)壓技術(shù)的專著—《真空排水預(yù)壓法加固軟土技術(shù)》;2009年，交通運輸部發(fā)布《真空預(yù)壓加固軟土地基技術(shù)規(guī)程》(JTS 147—2—2009)[8]，該規(guī)程是我國交通行業(yè)的第一本關(guān)于真空預(yù)壓技術(shù)的專門規(guī)范，對規(guī)范和推動真空預(yù)壓技術(shù)的發(fā)展起到積極作用。但關(guān)于真空預(yù)壓法的有效加固深度，在學(xué)術(shù)界和工程界仍存在較多的爭論，有學(xué)者認(rèn)為真空預(yù)壓的有效深度不超過10 m;閆澎旺[9]認(rèn)為有效深度可超過10 m，甚至能達(dá)到20 m;齊永正[10]認(rèn)為真空預(yù)壓的有效加固深度為軟基豎向排水體深度;顏立明[11]認(rèn)為真空預(yù)壓的影響深度可以達(dá)到豎向排水板以下;吳春勇[12]則測得加固深度至少可以達(dá)到地表以下23 m，并認(rèn)為加固深度可以達(dá)到排水板以下2～3 m范圍。

從上述分析看，真空預(yù)壓的有效加固深度一般未超過25 m。本文基于珠海地區(qū)一工點最大軟土厚度26.6 m，層底埋深逾30 m的場地進(jìn)行現(xiàn)場試驗，分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和竣工后的檢測數(shù)據(jù)，檢驗真空預(yù)壓對軟土地基的加固效果，驗證真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的有效加固深度，為同類工程提供參考。

1 工程概述

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔勘察資料，該工點巖土層自上而下依次為：

①素填土：灰褐色，濕，松散狀，成分復(fù)雜，土質(zhì)不均勻，孔隙大，埋深為0.0 m，厚度2.5～5.1 m。

②流塑狀淤泥：灰黑色，流塑狀，物理力學(xué)性質(zhì)差，含水量高，承載力低，埋深為2.5～5.1 m，厚度18.0～26.6 m。

③淤泥質(zhì)黏土：局部鉆孔有分布，深灰色，流塑，局部軟塑狀，埋深為25.2～34.1 m，厚度0～10.6 m。

④粉質(zhì)黏土：土黃色，灰白色，灰黃色，褐紅色等，可塑狀，局部硬塑狀，干強度中等，韌性中等，黏性較好，埋深為18.0～32.6 m，厚度2.5～9.0 m。

該區(qū)軟土層起伏較大，本文主要對厚度25～30 m的軟土層進(jìn)行研究。從勘察資料看，軟土層主要為淤泥層和淤泥質(zhì)黏土層，具有高孔隙比、高含水量、高壓縮性和低強度的特性，是道路工程中影響路堤穩(wěn)定性和工后沉降的主要巖土層。其物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 加固前土的物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 道路軟基處理設(shè)計方案

設(shè)計方案中試驗路段道路最大填土高度不大于2.0 m，垂直排水通道采用C型塑料排水板，正三角形布置，間距1.0 m，塑料排水板的打設(shè)深度25 m，水平排水墊層選用0.6 m厚的中粗砂，密封系統(tǒng)采用密封溝+雙排直徑0.7 m@0.5 m黏性土攪拌樁，樁長進(jìn)入不透水層2.0 m且不小于7.0 m。

根據(jù)本地區(qū)軟土特性和真空預(yù)壓施工經(jīng)驗，確定真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加荷計劃，見表2。

表2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加荷計劃表

1.3 道路軟基處理施工

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓主要施工工序為：①場地平整，施工黏土密封墻;②砂墊層施工;③塑料排水板施工;④安裝濾管真空設(shè)備;⑤鋪密封膜;⑥抽真空;⑦鋪設(shè)上層土工布及墊層，分層填筑路基;⑧滿載預(yù)壓120天;⑨沉降穩(wěn)定后卸載。

2 試驗方案

2.1 監(jiān)測方案

為準(zhǔn)確了解真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工參數(shù)，在施工現(xiàn)場布置了多種監(jiān)測項目的測試工作，包括設(shè)置在路中和路邊地表沉降板、膜下真空度、孔隙水壓力計、深層水平位移等項目，研究分析真空預(yù)壓及堆載過程中位移場和孔壓場的分布與變化，現(xiàn)場試驗監(jiān)測點的平面布置見圖1，監(jiān)測點的立面布置見圖2所示。

圖1 監(jiān)測點平面布置圖

圖2 監(jiān)測點立面布置圖

2.2 檢測方案

為評估真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理效果，軟基處理完成后在原勘察鉆孔附近鉆取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，與加固前參數(shù)進(jìn)行對比，并對軟土進(jìn)行十字板剪切原位試驗和現(xiàn)場載荷試驗，全面檢驗軟基處理效果。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 膜下真空度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

膜下真空度的平均值隨時間變化曲線如圖3所示，本項目2017年1月開始抽真空，自1月15日達(dá)到穩(wěn)壓后，膜下真空度一直保持在80 kPa以上，最大的真空度達(dá)到90 kPa以上。

圖3 膜下真空度-時間關(guān)系曲線

3.2 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

真空預(yù)壓過程中，地表沉降隨時間變化曲線如圖4所示，地表沉降速率曲線如圖5所示，從圖中可以看出，地基沉降有兩個明顯的階段，第一階段是真空預(yù)壓階段，自2017年1月—2月期間，在真空預(yù)壓荷載的作用下，沉降速率較大，地表沉降也越來越大;第二階段為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓階段，自2017年3月開始加載以來，隨著填土荷載的增加，沉降速率逐漸增大，并在一段較長的時間內(nèi)沉降速率在一直維持在15～20 mm/d。

圖4 地表沉降-時間關(guān)系曲線

圖5 地表沉降速率-時間關(guān)系曲線

對比圖4、圖5可以看出：地表沉降量、地表沉降速率與加載具有相關(guān)性和滯后性，即加載時地表沉降速率增加，地表沉降量增加;加載停止時，地表沉降速率仍將持續(xù)一段時間保持在較高的水平?？傮w而言，隨著加載的穩(wěn)定，沉降速率逐漸降低，沉降曲線進(jìn)入平緩的階段。

從圖4還可以看出，自2017年7月24日至8月12日，連續(xù)20 d實測沉降速率≤2 mm/d，沉降曲線已趨于平緩，表面沉降趨于穩(wěn)定。

分析施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，塑料排水板施工期間地表平均沉降390 mm，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓期間平均沉降1535 mm，整個軟基處理過程中，邊樁沉降1855 mm，中樁沉降1995 mm，加固效果明顯。

按照平均沉降曲線，利用雙曲線法和ASAOKA(淺崗)計算工后沉降和固結(jié)度，工后沉降均小于100 mm，固結(jié)度大于90%，滿足《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2015)要求。

3.3 孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

孔隙水壓力隨時間變化曲線(見圖6)可以看出：真空預(yù)壓引起土體孔隙水壓力下降，在整個加固區(qū)域范圍內(nèi)都有效果，在抽真空施工初期，淺層土體的孔隙水壓力迅速消散，但消散速率逐漸減緩;滿載后，在抽真空作用下，孔隙水壓力再次下降并趨向于相對穩(wěn)定。隨抽真空施工的不間斷延續(xù)，與初始孔壓相比，淺層土體孔隙水壓力降低，深層土體孔隙水壓力表現(xiàn)為上升，軟基處理深度中部土體孔隙水壓力趨于降低但變化相對較小。

圖6 孔隙水壓力-時間關(guān)系曲線

從圖6還可以看出，地下21 m處孔壓仍有明顯的消散，測得施工期間消散值18.9 kPa，地下27 m處孔壓基本穩(wěn)定。本次塑料排水板底部為地下25 m，說明孔隙水壓力在塑料排水板以下影響很小。

3.4 深層水平位移數(shù)據(jù)分析

為測量抽真空區(qū)域的側(cè)向位移，了解真空預(yù)壓對周邊環(huán)境的影響，也為有效加固深度的確定和豎向密封墻的打設(shè)深度提供參考，在試驗路段設(shè)置深層水平位移觀測點。埋設(shè)測斜管時需保持底部固定，本次測斜管埋設(shè)深度進(jìn)入持力層3 m以上，埋深34 m。

從圖7可以看出，在抽真空開始的時候，測斜管基本是一條直線，在進(jìn)行抽真空的過程中，測斜管開始發(fā)生偏移，上部7 m偏移較大，最大位移達(dá)185 mm;7 m以下偏移較小，最大位移不超過25 mm，在抽真空的過程中，隨著沉降的穩(wěn)定，水平變形速率也在逐漸減小。

從圖7可以看出，在30 m埋深處仍測得10 mm水平位移，說明真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法影響深度較大，大于塑料排水板的打設(shè)深度(25 m)。

圖7 深層水平位移-時間關(guān)系曲線

3.5 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工期膜下真空度穩(wěn)定在80 kPa以上，地表沉降在加載6個月后趨于穩(wěn)定，推算的工后沉降及固結(jié)度滿足規(guī)范[12]要求。

從孔隙水壓力隨時間變化曲線看：塑料排水板范圍孔壓變化較明顯，塑料排水板以下孔壓變化不明顯;深層水平位移隨時間變化曲線測得在地表以下30 m處仍有水平位移，說明真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法影響深度大于塑料排水板的打設(shè)深度。

但從上述監(jiān)測數(shù)據(jù)也可以看出，深度越大，影響越小，建議采取一定的標(biāo)準(zhǔn)(如取0.1～0.15倍地表沉降量)區(qū)分真空預(yù)壓的有效加固深度和影響深度。

4 軟基加固效果的檢驗

4.1 十字板原位試驗數(shù)據(jù)分析

軟基處理后進(jìn)行十字板原位檢驗測試，以了解淤泥軟土在處理前后性狀變化，通過對預(yù)壓前后十字板剪切試驗參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，并選取同一位置(距離小于2.0 m)代表性測點進(jìn)行分析，試驗結(jié)論詳見表3、圖8。

表3 加固前后十字板剪切試驗數(shù)據(jù)指標(biāo)變化

(1)從表3統(tǒng)計可以看出，預(yù)壓前原狀土強度16.8 kPa，預(yù)壓后原狀土強度34.3 kPa，原狀土強度提高2.04倍，增幅顯著。

(2)從表3統(tǒng)計可以看出，預(yù)壓前重塑土強度7.9 kPa，預(yù)壓后重塑土強度10.0 kPa，重塑土強度提高1.27倍。重塑土強度增幅不如原狀土，說明真空預(yù)壓加固對淤泥的觸變性改善不明顯，預(yù)壓后的土體仍不宜擾動，擾動后軟土強度降幅更大。

(3)圖8為同一位置(距離小于2.0 m)真空預(yù)壓前后十字板剪切強度的對比，其隨深度的變化可以分為兩段，0～18 m范圍隨著深度的增加，十字板剪切強度逐漸升高;18～24 m隨深度增加十字板剪切強度有所降低，說明真空預(yù)壓在此深度范圍加固效果有所減弱，但相對加固前的強度仍提高明顯，驗證了真空預(yù)壓的有效加固深度在地表以下24 m處仍比較明顯。

4.2 現(xiàn)場載荷試驗數(shù)據(jù)分析

對預(yù)壓后地基進(jìn)行現(xiàn)場載荷試驗，各點的最大試驗荷載及其在以下各級荷載作用下，沉降量較小且能相對穩(wěn)定。地基的極限承載力達(dá)到或超過設(shè)計特征值的兩倍，試驗確定其承載力特征值滿足設(shè)計要求的100 kPa。

4.3 土的物理力學(xué)參數(shù)對比分析

軟基處理后對在原勘察孔附近5.0 m范圍鉆探取樣，進(jìn)行室內(nèi)主要物理力學(xué)指標(biāo)測定，評價加固效果資料，土的物理力學(xué)參數(shù)詳見表4。

圖8 加固前后十字板剪切強度對比曲線圖

表4 加固前后土的物理力學(xué)指標(biāo)變化

(1)從表4可以看出，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理后，淤泥的天然含水率由68.4%降為57.4%，天然孔隙比由1.828降為1.575，液性指數(shù)由2.10降為1.31，軟土的物理性質(zhì)有一定的提高。

(2)從表4可以看出，淤泥的壓縮模量由2.04 MPa增加到2.25 MPa，直接快剪強度指標(biāo)也有一定提高。

4.4 真空預(yù)壓效果分析

從施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)及檢測結(jié)果分析，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土效果明顯，本次試驗驗證了加固深度可以達(dá)到25 m及以下。土的物理、力學(xué)性質(zhì)也有明顯提高，地基處理效果明顯。

但從十字板剪切重塑土的強度數(shù)據(jù)看，真空預(yù)壓并未改變軟土的基本性質(zhì)(觸變性)。處理后的軟土仍應(yīng)避免擾動。

5 結(jié)論與建議

通過對該路段現(xiàn)場試驗表明，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加固深度主要為豎向排水體深度，本次試驗得到影響深度達(dá)到25～30 m，但在15～20 m范圍內(nèi)加固效果最為顯著，建議對真空預(yù)壓的有效加固深度和影響深度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行理論分析和更深入地研究。

通過軟基處理前后的參數(shù)對比及原位試驗，得出該工程在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后加固效果明顯，沉降趨于穩(wěn)定。但考慮到該項目軟土層深厚，本次塑料排水板未完全穿透軟土層，建議對該項目進(jìn)行長期跟蹤觀測，取得塑料排水板懸浮樁軟基處理后的道路長期沉降數(shù)據(jù)，為同類工程提供參考。