真空联合堆载预压法的应用

于 慧

(珠海市金湾区建设工程质量监督检测站,广东珠海 519041)

真空联合堆载预压法的应用

于 慧

(珠海市金湾区建设工程质量监督检测站,广东珠海 519041)

堆载预压法的机理是采用提高附加应力强制排出孔隙水,减小孔隙比,提高软弱地基承载力;真空预压法的机理是采用降低孔隙水压力,吸出孔隙水,减小孔隙比,使软弱地基承载力得到提高;而真空联合堆载预压法结合上述两者的优点,使软弱地基承载力和弹性模量在短时间内得到提高。实践证明,该方法是广泛适用于道路软基处理的。

真空联合堆载预压;软弱地基;孔隙比;固结度

0 引言

预压法包括堆载预压法和真空预压法。预压法适用于处理淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基[1];在各种软弱地基处理方法中,该方法是运用较广泛的方法之一。其基本原理是软土地基在附加荷载的作用下,逐渐排出孔隙水,使孔隙比减小,产生固结变形,土体的有效应力增加,地基强度相应增加,并提高沉降速率和使沉降提前完成。堆载预压法与真空预压法的加固原理相似;实践证明,这两种方法联合使用,即真空联合堆载预压法,可以加速地基沉降,提高预压效果,缩短预压时间,从而缩短工期,取得良好的经济效益和社会效益。真空联合堆载预压法在沿海地区运用较多,在中部地区运用较少。

1 真空联合堆载预压法的原理

太沙基的有效应力原理表明:软弱土体强度的增加以及压缩量的发生,都是土体内部有效应力变化的结果。只有土体的有效应力增加,土体才会产生固结,强度才会提高。真空联合堆载预压法加固软土地基的原理就是基于此理论[2]。

1.1 堆载预压法的加固机理[3]

堆载预压法是在软土地基中设置砂井或塑料板之类的竖向排水体,在地表面铺设砂垫层作为水平排水通道,然后进行堆载预压。软土地基在附加荷载的作用下,产生超静孔隙水压力,经过一段时间的预压后,孔隙水渗出,超静水压力逐渐消散,其孔隙比不断减小,土体的有效应力不断增加,即土体的强度和弹性模量同步提高。当土体固结度达到一定程度后,剩余的工后沉降满足沉降要求时,堆载完成。

在土质均匀的情况下,土体固结度相对一致。由于土的渗水差异,工后质量与设计要求存在一定的差别。堆载预压法施工周期较长。

1.2 真空预压法的加固机理[4]

真空预压法是在软土地基地表面铺设砂垫层作为水平排水通道,设置砂井或塑料板等作为竖向排水通道,再用不透气的密封膜密封预压区域,使其与大气隔绝,密封膜四周埋入土中,通过砂垫层内埋设的管道与真空泵连接。在抽气前,密封膜内外都受大气压作用,土体孔隙中的气体和地下水都处于大气压力状态。抽气后,密封膜内和土体的气体逐渐被抽出,其压力逐渐下降,密封膜内外形成压力差(这个压力差称为真空度),通过水平和竖向排水通道扩散,并逐渐在其周边的土体传递与扩展。对土体而言,在孔隙周边压力不变的情况下,孔隙中气体与水的压力,在抽气时,不断降低;土体中形成不稳定渗流,这些渗流不断地向排水通道汇集,抽出,使孔隙比减小,达到土体加固的目的。

真空预压法荷载可快速施加,加固速度快,工期短。由于负压有限,加上土粒的摩擦阻力,造成土体中孔隙比只能减小到一定程度。土体固结度均匀性相比堆载预压法较差。

1.3 真空联合堆载预压法的加固机理

中国从上世纪80年代开始真空联合堆载预压法的研究,理论和实践表明,真空预压和堆载预压的加固效果是可以叠加的。真空预压可使土体的部分水和空气快速排出,形成渗水通道,使土体的孔隙比得到初步减小,再进行堆载和真空预压,加大孔隙压力,使土体中的水和空气沿着原有的渗水通道尽量排出,孔隙比进一步减小,土体的强度和弹性模量在短时间内得到均匀、有效的提高。

真空联合堆载预压法具有很好的加固效果,施工效率高,施工工期短,经济效益明显。

2 真空联合堆载预压法的施工工艺

真空联合堆载预压法的施工工艺包括排水系统的敷设、抽真空系统的安装、密封系统的敷设和加载预压。

2.1 排水系统的敷设

排水系统包括水平向和竖向排水两个系统。水平排水系统主要是指砂垫层,在铺设砂垫层前应进行场地平整,平整后的场地宜中间高两边低,平整场地后先平铺中粗砂,中粗砂厚500 m,分两次摊铺,第一次铺300 m,然后进行塑料排水板的施工(图1),然后再铺200 m厚的砂垫层。

图1 排水板的施工Fig.1 Construction of drainage plate

2.2 抽真空系统的安装

抽真空系统主要是指主管、滤管的布置,主管出膜装置、抽真空设备的安装等。为了传递真空压力和将砂垫层中的水排出,应在砂垫层中埋设真空管网,滤管上有均匀分布的孔洞,并在管子外包裹起反滤作用的无纺土工布,主管将滤管与密封膜外的真空泵连在一起,主管上没有孔洞。主管、滤管可采用PVC管,埋设在500 mm厚的砂垫层中间(图2)。抽真空装置主要是指真空泵,真空泵的数量应根据加固块的面积来确定,若真空度要求为80 kPa,一般可每1 000～1 200 m2布置一台。

2.3 密封系统的敷设

图2 主管、滤管的埋设Fig.2 Burying ofmain pipe and filter pipe

密封系统包括密封膜的铺设、密封沟的开挖与回填、土层深部的密封等。密封膜一般采用PE或PVC薄膜,厚度在0.12～0.14 mm,要求有一定的强度。密封膜主要起隔断作用,将预压块下的土体与外界隔开,因此在预压块四周应挖密封沟,将密封膜埋入在密封沟内(图3),密封沟一般深≥1.5 m。若在被加固的土体下存在薄层透水层(如砂层或粉砂层),则应对该土层进行隔断,隔断的方法可采用灌浆法或深层搅拌法等。

图3 密封膜的敷设Fig.3 Laying of sealmembrane

2.4 加载预压

在前述工序完成后,可试抽真空,等真空度满足设计要求并稳定一周后,即可开始加载,在填土前,宜先填一层砂,以防土体中存在尖锐的石子等将密封膜划破。第一层堆载不要太厚,最好在500 mm左右,先进行人工摊铺,再用机械由近向远逐步推进。土方压实时,也应由轻到重进行多遍碾压。由于真空预压的侧向位移是向预压块中心内缩的,对于5.0 m高以下的路堤可不必控制堆载的速度,快速堆载反而可以节省预压时间,减少工期,取得更好的经济效果。

3 真空联合堆载预压法的应用

真空联合堆载预压法在武汉市某城市主干道中得到了运用。拟建道路填土高度均在4 m左右,宽70 m。拟建道路地区历史上是由围湖造田而成,地势普遍较低,高程在17.20 m(黄海高程)左右,场地在地貌上属于湖泊堆积平原。地质条件较差,软土地基深度均在15 m左右,软土层主要为素填土、淤泥及淤泥质粘土层、粘土。软土层工程力学性质极差,主要表现为抗剪强度低、压缩性高等特性。土层由上到下依次为:①素填土:厚1.40～1.50 m,浅灰色,稍密,局部松散,主要成份为粘性土,局部含少量碎石等及底部混合淤泥;②淤泥:厚0.50～4.10 m,灰色,流塑,饱和;③粘土:厚0.50～4.10 m,灰色、灰褐色,可软塑;④淤泥质粘土:厚4.00～8.50 m,灰色,流塑,饱和;⑤粘土:厚0.50～5.70 m,灰色、灰褐色,软塑,局部可塑;⑥粘土:厚2.20～4.30 m,灰色、灰褐色,可塑。各土层物理力学性质指标见表1。

表1 各土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical indexes of every soil layer

加固后的固结沉降要求[5]:加固后的工后沉降(工后沉降基准期为15年)在一般路段≤30 cm,涵洞或箱涵通道处≤20 cm,桥台与路堤相邻处≤10 cm。其他指标为:真空度≥80 kPa,堆载至设计路面(填土高约4.0 m)停抽真空时的沉降为2 mm/d(连续一周),连续两个月观测的沉降量每月≤5 mm,方可卸载开挖路槽并开始路面铺筑。

经过预压,各预压块的沉降大部分提前完成,工后沉降普遍控制在200 mm以内,停抽真空时的沉降量普遍为880～1 650 mm,沉降效果显著。在停抽真空后的监测结果表明,在停抽真空后一般有一定的回弹,然后地基再缓慢下沉,此时沉降速率很小且日趋减小,一般在停抽真空2～3个月后,就可施工路面,从停抽真空到施工路面时,此段时间内的沉降量约为20～40 mm。

另外,在堆载期间,基本上没有控制堆载速度,整个工程没有发生因为堆载过快而引发路堤失稳的问题,这是由于真空预压引发的水平位移是向路堤中心的,因此,真空联合堆载预压法对于路堤的稳定性是相当有利的。

通过室内土工试验、现场的静力触探和十字板剪切试验,可以判断加固的程度和效果。室内土工试验表明②淤泥层和④淤泥质粘土层加固后的含水率和孔隙比均明显减小,抗剪强度和压缩模量明显提高,特别是②淤泥层变化最为显著,而对于相对较好土层③粘土层和⑤粘土层,加固前后地基土物理力学指标基本上无变化。相对于室内土工试验,静力触探和十字板试验为原位测试,人为因素的影响很小,更能反应出实际加固效果。测试结果表明,加固区地基土加固完成后强度指标有了明显提高,相对而言,②淤泥层和④淤泥质粘土层加固后Ps值和Su值均成倍提高,表现出与室内土工试验相同的规律性。图4为道路在0+660处的十字板剪切试验结果对比。

图4 地基加固前后十字板试验对比Fig.4 Cross board experimental comparison in foundation reinforcement

4 结语

尽管真空联合堆载预压法在武汉市首次运用,实践表明,其能够解决软土地基上修筑路堤遇到的稳定和沉降问题。通过对试验资料分析得出:在湖积相软土区采用真空联合堆载预压法加固地基效果明显,加固前后土层的物理力学指标有显著提高。由于其对不高的路堤的堆载速度无限制,因此可快速堆载,节省预压时间,满足业主对工期的要求。该道路从2004年年底开始大面积施工,到目前为止通车运行正常,取得了良好的经济及社会效益。

[1] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[2] 工程地质手册[S].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2007:911.

[3] JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S].

[4] 娄炎.真空排水预压法加固软土技术[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] JTJ 017—96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

(责任编辑:胡立智)

Application of Vacuum-mound Preloading

YU Hui
(Zhuhai Jinwan A rea Construction Quality Supervision and Detection Station,Zhuhai,Guangdong519041)

Mechanism of load preloading is using a method by increasing additional stress to extrude pore water and reduce void ratio in order to improve bearing capacity of soft foundtion.Mechanism of vacuum preloading is using a method by reducing the pressure of pore water,extract the water to reduce void ratio,in order to improve bearing capacity of soft foundation.Vacuum-mound preloading combined the feature of above mentioned, improving the bearing capacity and elastic modulus of soft soil in a shot time.Practice has proved that the method has been widely used in road soft soil foundation treatment.

soft foundation;void ratio;vacuum-surcharge preloading;degree of consolidation

TU471.8

A

1671-1211(2010)03-0313-04

2009-07-09;改回日期:2010-05-31

于慧(1983-),女,自动化专业,从事建设工程方面的工作。E-mail:delia@live.cn