真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法用于軟基處理的效果分析

曠才植

(長沙市長東投資發(fā)展有限公司，湖南 長沙 410007)

地基變形、地基剛度、穩(wěn)定性、濕陷性等技術(shù)指標(biāo)都影響市政道路的工程質(zhì)量。由于市政道路大都處于城市發(fā)展控制區(qū)域內(nèi)，受周邊建筑物影響，其對路基差異沉降、整體穩(wěn)定性、工后沉降控制都有更加嚴(yán)格的要求。某市政道路施工中，采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對軟土路基進(jìn)行處理。

1 工程概況

該市政道路屬剝蝕殘丘地貌，主要出露地層為二疊系、石炭系、奧陶系，其下軟土地基大面積分布，多屬不穩(wěn)定路段。部分路段山體裸露，風(fēng)化嚴(yán)重，較破碎；少部分路段原始地基良好，為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化花崗巖層，可直接采用原始地基。該項目路線全長3.30 km。主要參數(shù)如下：1) 設(shè)計等級。城市次干路，Ⅰ級公路標(biāo)準(zhǔn)。2) 設(shè)計速度為40 km/h。3) 新建公路紅線范圍為30 m。4) 設(shè)計荷載。設(shè)計年限內(nèi)，每車道累計軸次標(biāo)準(zhǔn)為1×107次；100 kN雙輪組單軸。5) 地震動峰值加速度為0.10g。6) 車道寬度。雙向四車道,0.5 m+(2×3.5+0.5+2×3.5) m+0.5 m=15.5 m。

1.1 地質(zhì)條件

對該道路進(jìn)行地質(zhì)勘查，按40 m間距布置勘測點。對可塑～硬塑土層，勘探深度為3～5 m；對軟塑土層，勘探深度為8 m左右；對軟土、可液化土層、回填土層，勘探深度貫穿整個土層。實際勘測時，根據(jù)實際地層、實際埋深、實際地質(zhì)條件進(jìn)行勘探方案動態(tài)調(diào)整。根據(jù)勘探結(jié)果，該區(qū)域場地內(nèi)地層主要為湖區(qū)殘積層、填筑土層、花崗巖層。

1.2 軟土地基固結(jié)特性試驗分析

該項目場地軟土層呈現(xiàn)外露、水覆蓋、上部雜填土覆蓋等多種形式，根據(jù)室內(nèi)土工試驗和現(xiàn)場勘測結(jié)果，淤泥質(zhì)土體的超固結(jié)比OCR<1，為欠固結(jié)土。由于不同深度軟土層表現(xiàn)的物理力學(xué)性質(zhì)有所差異，對無覆蓋層的軟土層勘測其壓縮指數(shù)及不同深度變化情況。

1.2.1 試驗方法

軟土固結(jié)試驗按GB/T 50123-1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，試驗時間為一周。為驗證該方法的可操作性，進(jìn)行按次固結(jié)增量的平行比對試驗。

1.2.2 試驗結(jié)果分析

(1) 軟土地基上部無雜填土覆蓋時，前期壓力與壓縮指數(shù)在不考慮淤泥埋置深度時為Pc=48 kPa、Cc=0.590；存在淤泥時，按埋置深度調(diào)整前期壓力與壓縮指數(shù)取值，0～12 m時Pc=38 kPa、Cc=0.559，超過12 m時Pc=56 kPa、Cc=0.616。

(2) 軟土地基上部有雜填土覆蓋時，前期固結(jié)壓力與壓縮指數(shù)根據(jù)覆土厚度取值，厚度小于2 m時按無覆蓋填土確定，厚度為2～4 m時Pc=57 kPa、Cc=0.552，厚度超過7 m時Pc=75 kPa、Cc=0.570，并根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

2 軟土路基處理方案設(shè)計

2.1 常用軟土地基改良方案

天然地基存在承載力小、沉降差異大、強(qiáng)度低、易變形等問題，需將其處理為人工復(fù)合地基才可進(jìn)行道路鋪筑。根據(jù)多年研究及工程實際檢驗，真空聯(lián)合堆載(超載)預(yù)壓、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、拋石擠淤、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)等都是處理軟土地基的有效方法。這些方法主要分為排水固結(jié)法和樁體復(fù)合地基法兩種形式，各自特點見表1。

表1 常用較厚軟土地基處理方法對比

2.2 加固軟基處理方案設(shè)計

2.2.1 加固軟基方案選擇

該項目受道路兩側(cè)市政管線及周邊建筑物的制約，作業(yè)面相對狹小，故選用排水固結(jié)法處理軟土地基。排水固結(jié)法兩種施工工藝中，堆載預(yù)壓法的施工周期比真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法多一倍，而處理的土方量多1.6～1.7 倍。結(jié)合該項目施工周期短、土石方缺乏、資金緊張等因素，選擇真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理試驗段軟土地基。

采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法處理試驗段軟基，在真空負(fù)壓作用下，路基側(cè)向位移呈向內(nèi)收斂趨勢。填筑過程中為保證黏土密封墻的密封性，其膜下真空度不低于 80 kPa(只有保證真空度壓力，軟土地基內(nèi)的孔隙水才能快速排出)。試驗段檢測結(jié)果顯示，處理后地基土層均勻密實，在行車荷載等作用下未出現(xiàn)波浪形病害，變形較均勻?；娱_挖時也未出現(xiàn)反涌現(xiàn)象，土坡穩(wěn)定性好，工程費用較低。

2.2.2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟基機(jī)理

真空預(yù)壓法主要通過砂墊層和豎向排水井與地基土產(chǎn)生的大氣壓差對軟土地基中的孔隙水進(jìn)行豎向滲流，從而降低孔隙水壓力、提高有效應(yīng)力，提高軟土地基承載力、降低工后沉降。施工時需將砂井或塑料排水板埋入軟基內(nèi)，然后在地面鋪設(shè)砂墊層，用真空裝置對墊層中的濾水孔管道進(jìn)行抽氣而產(chǎn)生壓力差排水。堆載預(yù)壓主要通過堆載引起的孔隙水壓力差變化對軟弱土體進(jìn)行加固。真空預(yù)壓或堆載預(yù)壓可增大加固軟弱土與排水體之間的孔隙水壓力差變化和疊加變化，加固更穩(wěn)定，同時增加軟土地基內(nèi)部分附加應(yīng)力，工后沉降量小。由于堆載排水預(yù)壓法和真空排水預(yù)壓法的工作原理相同，兩者聯(lián)合使用可同時發(fā)揮各自的優(yōu)勢，大大增加軟基內(nèi)部分附加應(yīng)力，同時提高荷載的加荷速率，加固深度大，施工周期縮短，工后沉降降低。

2.2.3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理方案設(shè)計

該項目采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處理一般路段的軟基(見圖1)，山體過渡段采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓后打設(shè)水泥攪拌樁，降低其后期差異沉降。將塑料排水板作為排水通道打入軟土地基中，在其上方鋪筑濾管和砂墊層便于橫向排水，再在其上方填筑土方荷載，加速軟土路基中孔隙水排放。

圖1 真空聯(lián)合超載預(yù)壓處理典型斷面(單位：cm)

(1) 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工時，真空預(yù)壓荷載不低于80 kPa。采用C 型非再生塑料排水板，打入18～25 m軟土地基中，排水板間距為1 m，呈正方形布設(shè)。

(2) 黏土密封墻作為真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的真空分區(qū)層，采用直徑為700 mm、搭接寬度 200 mm的雙軸深層攪拌樁及“四攪四噴”的施工方法，為保證真空效果，密封墻搭接寬度不小于1.2 m。

(3) 吹填面由60 cm砂墊層、1層土工布、3層密封膜組成。為保證真空膜的真空效果，在其上方鋪設(shè)50 cm 中粗砂墊層和1層土工布。

(4) 排水固結(jié)處治段和山體處治段設(shè)置30 m過渡段，以減小二者在運營后期產(chǎn)生的差異沉降。其中排水固結(jié)處治段樁號為GK0+74—GK1+410、GK1+220—420，處置段內(nèi)鋪筑2 m高填土。

(5) 主要材料要求。砂墊層采用不含有機(jī)質(zhì)、黏土塊且透水性良好的砂，含泥量小于 5%；土工布為200 g/m2無紡?fù)凉げ迹幻芊饽げ捎镁垡蚁┗蚓勐纫蚁┍∧?；主管為高?qiáng)度塑料管，直徑φ75 mm，壁厚 3.5～4.0 mm；濾管采用高強(qiáng)柔性塑料管，直徑φ50 mm，壁厚 3.5～4.0 mm，濾管上打孔，并外包 200 g/m2滲水土工布； 塑料排水板的板芯材料不得含再生塑料，其性能指標(biāo)見表2。

表2 塑料排水板的性能指標(biāo)

3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的施工工藝

3.1 工藝流程(見圖2)

圖2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的施工工藝流程

3.2 加荷步驟(見表3)

表3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓荷載施加步驟

3.3 填筑速率控制

(1) 嚴(yán)格控制堆載填筑速率，保證荷載均勻遞增，防止真空聯(lián)合堆載預(yù)壓過程中荷載陡增引發(fā)土體失穩(wěn)。根據(jù)荷載施加步驟，對加載階段的沉降率、側(cè)位移及孔壓力值進(jìn)行監(jiān)控，控制標(biāo)準(zhǔn)見表4。整個填筑階段，各參數(shù)需始終處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。一旦參數(shù)指標(biāo)超標(biāo)，立即停止填筑堆載，并提高監(jiān)測頻率和精度，加派監(jiān)測人員，直至參數(shù)值趨于穩(wěn)定并經(jīng)設(shè)計方同意后方可繼續(xù)施工。

表4 各參數(shù)的控制標(biāo)準(zhǔn)

(2) 在真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工階段，受到內(nèi)部真空環(huán)境擾動，土體橫向位移發(fā)展方向向內(nèi)，需切斷電源或持續(xù)超厚加載，方可產(chǎn)生反方向變形。現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)豎向沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)放寬至30 mm/d能保證填筑的穩(wěn)定性，故可以30 mm/d作為豎向沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 堆載填土施工技術(shù)

(1) 堆載填土層攤鋪前，測定其含水率，保證含水率與最佳含水率的偏差不超過2%。以最佳含水量為控制參數(shù)，含水量不能偏大，稍小有利于壓實。

(2) 松鋪厚度及松鋪系數(shù)。路基填筑平均松鋪厚度為300 mm，松鋪系數(shù)為1.2，滿足規(guī)范要求。

(3) 碾壓機(jī)械組合及遍數(shù)。采用山推R22M振動壓路機(jī)，先靜壓1遍，再小頻率振動2遍、高頻率振動4遍、收面壓實1遍。根據(jù)標(biāo)段長度確定檢測截面，單個截面上均勻布置2個測點(見圖3)，及時觀測并采集壓實度(見表5)。高頻率振動壓實5遍，即碾壓9遍后，壓實度趨于穩(wěn)定。

圖3 堆載填土層壓實度檢測斷面布置

表5 堆載填土層壓實度檢測結(jié)果

4 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固效果分析

4.1 加固效果檢測方法

為論證真空聯(lián)合堆載預(yù)壓技術(shù)處理軟基的效果，在GK1+600、GK2+800斷面進(jìn)行檢測。檢測方法如下：

(1) 十字板剪切試驗。以十字板剪力儀作為剪切試驗儀器，將十字板勻速壓入待測定位置深度，向鉆桿施加扭轉(zhuǎn)力矩，扭轉(zhuǎn)力矩以測試頭能勻速轉(zhuǎn)動為準(zhǔn)，測定對應(yīng)工況下扭轉(zhuǎn)力矩值，扭轉(zhuǎn)至土體被剪切破壞。十字板試驗位置為檢測斷面靠近中間位置，十字板與取土孔之間的間距控制在4～5 m。軟土層內(nèi)的十字板剪切試驗按每米試驗1次，試驗過程中伴隨靈敏度試驗。

(2) 鉆孔取土。為測定不同深度的處治成效，鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，取樣間距取2 m。選用薄壁取樣儀器，內(nèi)徑為110 mm，長度為200 mm。

4.2 試驗時間

(1) 十字板抗剪強(qiáng)度試驗。加固前的十字板抗剪強(qiáng)度試驗在支設(shè)塑料排水板之后開展；加固后的十字板抗剪強(qiáng)度試驗，GK1+600和GK2+800分別在真空卸載后第22、28 d進(jìn)行。

(2) 鉆孔取土及室內(nèi)試驗。加固前的鉆孔取土及室內(nèi)試驗在支設(shè)塑料排水板之后開展；加固后的鉆孔取土及室內(nèi)試驗，GK1+600和GK2+800分別在真空卸載后第25、30 d進(jìn)行。

4.3 試驗結(jié)果分析

加固前后十字板剪切試驗結(jié)果見表6，土樣含水率、孔隙比檢測結(jié)果分別見表7、表8，直剪粘聚力試驗結(jié)果見表9，土層土質(zhì)情況見表10、表11。

表6 加固前后十字板剪切試驗結(jié)果

表7 處治前后土樣含水率檢測結(jié)果

表8 處治前后土樣孔隙比檢測結(jié)果

表9 處治前后直剪粘聚力試驗結(jié)果

由表6～11可知：1) GK1+600截面十字板試驗強(qiáng)度均值為12.41 kPa，處治后強(qiáng)度均值提高到44.64 kPa，提高約2.5倍；土體含水率由處治前的均

表10 GK1+600 處治前后土體土質(zhì)情況對比

表11 GK2+800 處治前后土層判斷對比分析結(jié)果

值59.8%下降至處治后的均值42.6%，下降28%以上；土體孔隙比由處治前的均值1.612下降至處治后的1.179，下降27%；直剪粘聚力從處治前的均值5.7 kPa提高到處治后的10.2 kPa，增幅約79%。2) GK2+800 截面十字板試驗強(qiáng)度均值為8.79 kPa，處治后強(qiáng)度均值提高至47.48 kPa，提高約4.4倍；土體含水率由處治前的均值63.4%下降至處治后的均值44.6%，下降約30%；土體孔隙比由處治前的均值1.744下降至處治后的1.257，下降約28%；直剪粘聚力從處治前的均值6.1 kPa提高到處治后的8.4 kPa，增幅約38%。通過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處治后，軟土路基的強(qiáng)度明顯提高，含水率顯著下降，整體固結(jié)效果明顯；經(jīng)長期預(yù)壓處治的淤泥質(zhì)黏土的強(qiáng)度顯著提升，原狀土的十字板抗剪強(qiáng)度大幅提升。經(jīng)真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處治后軟土路基的各項路用性能均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

4.4 加固前后沉降量分析

軟基處理期間卸載區(qū)沉降觀測數(shù)據(jù)見表12。

表12 卸載區(qū)沉降觀測數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1) 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓施工中，受真空環(huán)境影響，土體橫向位移向內(nèi)收斂，切斷電源或持續(xù)超厚加載才會產(chǎn)生反方向變形。GK1+600、GK2+800 斷面軟弱土層處理的最深處為16 m，通過現(xiàn)場觀測及實踐總結(jié)，弱軟土層處理深度≤16 m時，豎向沉降速率控制標(biāo)準(zhǔn)可設(shè)為≤30 mm/d。

(2) 通過真空聯(lián)合堆載預(yù)壓處治后，GK1+600、GK2+800斷面的強(qiáng)度指標(biāo)分別增長 2.5 、4.4 倍，土體含水率分別降低 28%、30%，孔隙比分別降低 27%、28%，粘聚力分別增長79%、38%，軟土路基的排水固結(jié)成效和各項路用性能指標(biāo)均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

(3) 淤泥深度在16 m以內(nèi)時，真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法施工期間的沉降量設(shè)計值可按淤泥深度的8%進(jìn)行修正。該項目路面施工完畢后，經(jīng)過6個月的跟蹤觀測，路表最大總沉降量為1 cm左右，沉降發(fā)展極其緩慢，滿足規(guī)范要求。

(4) 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法實施過程中對周邊土層影響較大，可能造成已建基礎(chǔ)設(shè)施損壞，應(yīng)加強(qiáng)對周邊設(shè)施的保護(hù)，并分析特定環(huán)境的可行性。

(5) 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的費用比傳統(tǒng)堆載預(yù)壓法稍高，但可縮短建設(shè)工期、保障工程質(zhì)量，值得推廣應(yīng)用。