高速公路软基真空排水加固设计

郝彦龙

(河北省唐山市交通勘察设计院有限公司)

1 工程概况

某高速公路全长106.4 km，建设工期三年，概算总投资32.55亿元。该项目按平原微丘区双向六车道高速公路标准设计，路基宽28m，路面结构为沥青混凝土路面，桥梁荷载采用公路-Ⅰ级，计算行车速度120km/h。

经地质勘察，该工程在桩号K39+050～K39+110处存在较厚的淤泥质粘土层(约13m厚)，而该桩号处正处于路基高填方路段，填筑高度在6m左右，设计边坡比为1∶2，考虑路基稳定性，设计要求在此处对天然地基进行加固处理，加固面积为60m×70m，处理方法为真空排水预压法。塑料排水板间距采用1.2m×1.2m，平均打设深度12m，横向排水采用中粗砂，厚度50cm。

2 加固设计

2.1 加固区面积、形状的设计

大量真空预压的工程实践可知，在同一场地，相同土质条件下，真空预压场地面积大小和形状对真空预压最终效果会产生影响。虽然场地面积与形状对真空预压加固效果的影响已得到工程界的普遍认同，但到目前为止对此仍没有一个统一的认识，有一些专家定义了几种真空预压加固地基场地的形状系数，进而研究场地面积与形状对真空预压加固效果的影响。

上海市《地基基础设计规范》提出的场地形状系数

娄炎(1990)提出的场地形状系数

公式(1)、(2)中：F为加固区面积，m2;S为加固区的周长，m;n为加固区长宽比。

平临高速K39+050～K39+110段的加固范围为沿公路轴线长度为70m，软基范围扩大10m;加固宽度为60m，软基范围扩大5m。按照公式2算得

β=(60×70)/(70/60)=3 600m

2.2 竖向排水系统设计

竖向排水采用南京产SPB-1型排水板，结构尺寸为100mm×4mm，按正方向布置，间距为1.2m;打设平均深度12mm，塑料排水板的测试结果见表1。

表1 塑料排水板的测试结果

(1)等效排水直径。

对于带状塑料排水板，其等效排水直径Dw采用考虑角边效应的修正计算方法，可用下式(3)计算

式中：w为塑料排水板的宽度，mm;h为塑料排水板的厚度，mm。

按公式(3)算得等效排水直径为

Dw=2(w+h)/π =2 × (100+4)/3.14=66.2mm。

(2)影响直径。

目前塑料排水板基本上按照等边三角形(梅花形)或正方形布置打设。

塑料排水板影响圆的直径D计算和砂井相同，当塑料排水板为正方形排列时

式中：L为排水板间距，m。

排水板间距为1.2m，算得工程中塑料排水板影响直径为

(3)塑料板的排水能力。

本工程塑料排水板的排水能力qw=90cm3/s。

(4)涂抹区范围。

当用芯棒将塑料板插入软弱地基时，芯棒周围将产生一个称为涂抹区的扰动区域，这个区域里土的渗透性明显下降了。估计涂抹效应需要确定两个系数：涂抹区的直径(ds)和渗透系数比(Kh/Ks)，其中Ks是土体未扰动区域的水平渗透系数(m/d)，Ks是涂抹区的水平渗透系数(m/d)。

基于现场与室内试验结果，涂抹区的半径ds可以用公式(4)计算

式中：dm是插扳机芯棒断面的等效直径，mm。实际上，如果没有试验数据用估计涂抹区的范围，建议采用ds=3dm。

本工程选用的是IJB-16型步履式插板机，同时选用与之配套的DJ60型振动锤与导架、卡盘等共同沉管，采用120mm×6mm长12.5m套管进行插板。故

ds=3dm=3 ×2(120+6)/3.14=240.8mm。

2.3 水平排水系统设计

水平排水系统包括主管、滤管及砂垫层等，在真空预压加固地基过程中起平排水和传递真空度的双重作用。

2.3.1 砂垫层

砂垫层是水平排水和传递真空度的载体，故要求严格控制质量。

(1)砂垫层的砂料应选取中粗砂，含泥量要小于3%，排水效果好，其渗透数宜大于1×10-2cm/s。

(2)铺设厚度大于500mm，铺设时要厚度均匀。

(3)砂垫层在铺设时，应将其中混有的钢丝、玻璃、其他锋利物等清除干净且砂要求无石砾。

在铺设砂垫层过程中，对高出砂垫层的塑料排水板应予剪断或埋入砂垫层中。铺设时要厚度均匀，把滤管盖住，将主管、滤管及竖向排水系统联结起来，形成一个通畅的排水排气通道。

本工程设计考虑采用50cm厚的砂垫层。

2.3.2 主、滤管及其布置

主管和滤管基本采用PVC管，埋设于砂垫层200mm以下。PVC管一般直径76mm，管壁厚度3.5～4.0mm，要求能承受400kPa的压力。主管与滤管一般直径相同，便于连接。主管与滤管之间应用软胶管联接，可以使整个管路系统能较好地适应地面的不均匀沉降。主管上不开孔。滤管上设置圆孔或狭长条形孔，滤管外包一层土工布，渗透系数k＞5×10-3cm/s。

主管、滤管的布置方式一般根据真空泵数量、加固区形状及大小等工程实际情况确定。滤管孔眼的密度和主管、滤管的布置方式能够影响真空能量的分配，在抽真空的初期可以调控真空度的分布，但是渗透性好的砂垫层可以认为是自由排水的通道，所以随着时间进行，真空度基本分布均匀。故设计基本按照传统均匀布置，并尽量减少管路联接处以减少能量损失。

本工程真空管路由滤水管、主管组成，经出膜口由膜外管线与真空泵连接，采用条形排列方式布置真空管路。主管及滤管采用PVC管，管径75mm，主管沿路轴线布设，间距15m，共4根，滤管垂直轴线布设，间距4m，共18根。滤管其表面均匀分布直径8～10mm的滤水孔，按三角形排列，外用棕皮滤水层保护。

2.4 密封系统设计

(1)密封沟的选择。

本工程采用垂直铺塑办法挖设密封沟，沟深1.5m。垂直铺塑是指在加固区四周挖一定深度用于埋设密封膜的沟槽，挖好沟后将膜贴于沟的内壁放入沟底，然后回填。它是目前挖设密封墙的一项新技术，其特点就是密封效果好，工后处理简易，但是垂直铺塑密封沟需要挖至渗透系数小于1.0E-5cm/s的土层，工艺复杂，且受吹填场地中的土质限制，如果场地的土质比较疏松，则垂直铺塑过程中用粘土护壁则比较困难，砂层容易坍塌，很难形成能维持一段时间的密封沟。

(2)密封膜的选择。

密封膜在真空排水预压加固中起着关键的作用，近20多年来材料工业的进步与发展使本加固方法在大面积上能得以成功应用。密封膜的选择应具备重量轻、强度大、韧性好、密封好、抗老化、耐腐蚀等基本特性。目前工程上使用的薄膜基本上由聚乙烯(PE)聚氯乙烯(PVC)制成，相关标准也已制订，如《土工合成材料聚氯乙烯土工膜》(GB/T17688-1999)和《土工合成材料聚乙烯土工膜 》(GB/T17643-1998)。

2.5 抽真空设备设计

抽真空设备是真空预压的动力来源，真空预压所需抽真空设备的数量，按加固面积的大小和形状、土层结构特点，以一套设备可抽真空的面积1000～1 500m2确定。实际工程中一般按此原则实施。

真空预压加固区是一个立体土层，无论从空间还是从能量角度看，抽真空设备的配置应该由加固地基土的体积来确定

其中：V为加固土体体积，V=F×H;F为加固区面积，m2;H为插板处理地层的深度，m;N为真空射流泵数量;V'为单台真空泵加固土体体积，可根据工程实践逐渐总结。

根据本工程加固的规模，设计采用4台射流真空泵，该泵由直径48射流箱和3BA-9型离心泵组成。每台泵的功率为7.5 kW。

3 结束语

真空排水预压法在该高速公路软基处理中的运用保证了软基在加固过程中的稳定性，处理后的路基性能得到明显改善。此外，在施工时间上突出了快速高效，加快了后期路堤填筑施工速度，满足了合同工期。这些表明真空排水预压法在高速公路软基处理上有着更广泛的推广性。

［1］ 娄炎.真空排水预压法加固软图技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 姜弘，沈水龙，蔡丰锡等.塑料排水板处理的软土地基的分析［J］.岩土力学，2006，(9).

［3］ 任文芳.塑料排水板间距对真空预压加固时间的影响［J］.中国港湾建设，2006，(8).