真空堆载联合预压处理高速公路软土路基

姜志强

0 引言

我省的杭嘉湖地区鱼塘、河网密布,软土地基分布十分广泛,且局部地区软土较深,软土地基具有含水量高、压缩量大、抗剪强度低、承载能力差的特点。在软基路段修筑高速公路时,必然面临着加固软土地基的难题。高速公路对路基质量要求较高,如果软土地基处理不好,则会直接影响路基填筑和路面工程的质量,出现路基滑转、路面沉陷、桥头跳车等质量病害。近年来,真空预压被逐渐应用于高速公路软基处理中,真空预压与路基堆载相结合后,便形成了真空—堆载联合预压。

1 加固机理分析

真空泵抽真空,排出密封膜内的空气后,密封膜内外形成气压差ΔP(即为真空度),真空度通过横向排水通道横向传递,通过竖向排水体逐渐向下呈递减传递,竖向排水体附近的空隙水压力降低,形成负的超空隙水压力,周围土体中水、气向竖向排水体渗流,然后通过竖向排水体向上排出到砂砾垫层内,通过水泵排出;土体中的水、气的排出,引起土中有效应力的增加,同时在抽真空时,地下水位会降低,土体的浮重度转换为湿重度,土体自重应力增加,从而使软土地基得到加固。

抽真空一段时间后,即可在地基表面逐级施加荷载,进行堆载预压,荷载作用于土体,使空隙水压力增大,促使空隙水向竖向排水体内渗流,然后通过竖向排水体汇集排出,使土体中的有效应力增加从而加固软土地基。

真空—堆载联合预压从开始抽真空到荷载卸除之前,经历了负压作用、正负压共同作用、正压作用三个阶段,主要通过排出空隙水、气,增大土体骨架有效应力达到加固软土地基的目的。

2 工程概况和工程地质条件

2.1 工程概况

采用真空—堆载联合预压处理的某段高速公路位于太湖南岸冲积平原,设计车速120km/h,双向六车道。对其中的 K26+047～K26+260和K26+292～K26+471两个路段采用真空—堆载联合预压法进行加固处理,处理宽度为45 m～49 m不等,第一段处理面积为10437 m2,第二段处理面积为8420 m2。排水体采用可测深式塑料排水板和砂砾垫层,真空度不低于85kPa,堆载高度为3.1 m～4.2 m不等。

2.2 工程地质条件

工程地质勘察报告揭示,加固路段处于湖沼沼积平原亚区,土层自上而下分布为:

①亚黏土:灰黄色,软塑,厚2 m～3.2 m;②黏土:灰色、黑灰色,流塑～软塑,厚0.8 m～3 m;③淤泥质亚黏土:灰色、黑灰色,流塑,含有机质,厚18.5 m～26 m,为主要压缩层;④亚黏土:灰绿色,软塑,夹有亚砂土,局部粉质含量高,厚10.2 m～12 m;以下土层分别为亚砂土、含碎石亚黏土、中风化砂岩。

3 真空—堆载联合预压的施工

3.1 施工顺序

施工顺序为:清除路基表土→铺设砂砾垫层→打设塑料排水板→铺设滤管→填筑厚10cm细砂→铺设复合土工布→开挖密封沟→铺设两层土工膜→试抽真空,对漏气的地方进行修补→铺设无纺土工布→填筑厚20cm细砂→连续抽真空→进行逐级堆载,直至设计标高。

3.2 施工技术要求和质量控制

1)铺设砂砾垫层和打设塑料排水板。在原地面清表压实后摊铺厚40cm砂砾垫层,要求压实度为95%,在施工前要对砂砾料进行严格检测,要求含泥量不大于5%;竖向排水体采用宽15cm、厚4.5mm可测深式粘合型塑料排水板,呈梅花形布置,间距为1.5 m,打入深度为25 m～28 m,施工时要注意控制回带长度,回带长度不得大于50cm。

2)安设滤管和真空泵。主滤管为直径82mm PVC管,支滤管为直径55mm PVC管,全部滤管均埋入砂垫层内,施工时要注意滤管的间距和连接的紧密性;真空泵功率为7.5 kW,共铺设了14台真空泵,其中4台为备用。

3)铺设密封膜。铺设密封膜前,首先在砂垫层上铺设一层复合土工布,土工布要用手提缝纫机接缝,两边预留一定的长度;然后沿加固区四周开挖密封沟,开挖深度大于1.5 m,并进入淤泥层。密封膜采用两层土工膜,人工铺设第一层土工膜,认真检查是否有漏洞并进行及时修补,再铺设第二层土工膜,最后用黏土回填密封沟,回填时谨防把尖锐物体落入沟中,刺破密封膜。

4)抽真空、进行膜上堆载。把滤水管通过出膜器与真空泵连接后,就开始抽真空。抽真空后,加固区膜下真空度会持续上升,当真空度达到并维持在85kPa以上时,即进入了正常真空预压阶段。在抽真空过程中,要巡回检查气压计读数,如发现问题及时采取措施处理,并作好施工记录。在进行堆载前应在密封膜上铺设无纺土工布和砂垫层,防止填料刺破密封膜。正常抽真空10 d后,可进行路基填筑施工;第一层填料应采用细料,路基填筑速度不应过快,严格按照沉降情况进行堆载施工,防止加荷速率过快发生路基失稳现象。

3.3 施工监测

真空—堆载联合预压的路段沉降量一般都比较大,施工监测工作就显得极其重要。在实际施工中,施工监测主要包括真空度、沉降和位移观测。真空度每隔4 h观测一次,并作好观测记录。在路中、路肩埋设沉降板,并在坡角位置埋设位移桩;沉降和位移在施工的第一个月内每两天观测一次,以后每周观测一次,并及时整理、分析观测资料,以沉降和位移速率控制路基填筑施工,当每天的沉降量大于1cm或位移大于3mm时,应该放缓路基填筑速率。

4 加固效果分析

4.1 沉降量计算

根据土层物理力学性质指标和e—p曲线图,采用分层总和法计算路基的沉降量,计算公式见式(1)。

其中,SC为地基最终沉降量,mm;n为地基沉降计算分层层数;Δhi为地基沉降计算分层第i层计算分层厚度;eoi为地基中第 i层分层中点在自重应力作用下稳定时的空隙比;eli为地基中第i层分层中点在自重应力与附加应力作用下稳定时的空隙比。

经过计算,第一段沉降量为2.084 m,第二段沉降量为1.932 m。

4.2 固结度计算

根据沉降观测所得的沉降资料,可得 t时刻的累计沉降量St,利用式(2)来计算t时刻的固结度。

4.3 加固效果分析

根据固结度和残余沉降来分析加固效果。

第一段在持续抽真空240 d后,停止抽真空,观测得到的累计沉降量为1.909 m,计算沉降量为2.084 m,此时固结度为91.6%,工后残余沉降为17.5mm,满足规范要求。

第二段在持续抽真空240 d后,停止抽真空,观测得到的累计沉降量为1.784 m,计算沉降量为1.932 m,此时固结度为92.3%,工后残余沉降为14.8mm,满足规范要求。

两个路段在停止抽真空时,土层的压缩沉降大部分已完成,路基趋以稳定,工后残余沉降均满足规范和设计要求,总体加固效果良好。

5 结语

真空—堆载联合预压在本工程的应用中,各项指标均满足设计和规范要求,证明是一种处理深厚软基的好方法,取得了令人满意的效果;采用此法来处理深厚软土地基相对于等超载预压、

粉喷桩等加固软基的传统方法而言,具有加固效果明显、造价低等优点。由于资料和技术所限,计算软土地基沉降量采用的计算方法过于简单,对影响软基沉降的因素考虑的不够全面,计算结果与实际观测结果有的地方出入较大,沉降计算方法有待进一步研究和修正。

[1] JTJ 017-96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

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