真空—堆载预压法在高速公路软基处理中的应用

吴敏之

(湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410132)

0 引言

软土地质在我国分布广泛，尤其是在沿海地区大量高速公路由于受到地形条件的制约不得不修建于软土地基上。软土具有强度低、含水量大、渗透性差、压缩性大等特点［4，5］，为避免修建于这种地基上的高速公路在填筑过程中发生地基失稳或者工后沉降量过大等问题，必须采取技术措施进行地基加固。目前，我国高速公路进行软土地基加固普遍采用堆载预压法以及粉喷桩复合地基法，这些方法虽然实施简便、技术成熟，但对于路基工后沉降及施工稳定性的要求较难满足，本文介绍的真空—堆载联合预压法针对这些问题进行了大幅度地改进，并且取得了良好的加固效果。

1 真空—堆载联合预压法的加固机理［1-3，6，8］

真空—堆载联合预压技术是以大气负压产生的稳定真空度作为预压载荷，路基上面的填方则作为堆载，在这两种载荷的联合作用下，地基土迅速排水固结，在预压过程中完成绝大部分沉降，从而有效减少路基的工后沉降和不均匀沉降。

采用真空预压法进行地基加固，首先要在土体中设置塑料排水板或者袋装砂井作为竖向排水体，再在软基表面铺设一层厚约50 cm的砂垫层作为水平排水体，砂垫层上覆盖一层不透气的薄膜并进行密封，使用抽真空装置抽出薄膜下砂垫层及软土中的气体以及水分，使其形成水头差和真空负压，从而促使土体中的孔隙水在孔压差作用下，通过竖向和水平排水体不断排出，完成土体的固结。当土体的膜下真空度超过60 kPa并且趋于稳定时，可将土工布铺设于薄膜上方并进行堆载，土体中的孔隙水由于堆载产生的压差会进一步的排出，从而实现土体的联合加固。

在土体的真空预压过程中，主要是通过孔隙水压力的转换来提高土体有效应力，即Δσ=Δu，是一个等向固结过程，即在真空预压阶段不会在剪应力方向产生增量而只生成球应力。地基土的等向固结过程就是土体强度增加的过程，因此，在真空预压阶段土体强度及稳定性得到有效提高，防止发生土体失稳。从应力路径进行分析，设σ′30和σ′10分别为土体加固前的最小及最大有效主应力，则其平均应力为 p′0=(σ′10+ σ′30)/2，地基加固过程中增加的有效应力则设为Δσ′，即:

其中，σ′3和σ′1分别为软基进行加固处理后的最小、最大有效主应力，如图1所示。土体有效应力圆的位置则由D右移至D′，而土体平均应力由 p′0变为 p′=p0′+ Δσ′，应力圆半径则保持不变。卸掉加固荷载后，土体强度会沿着超固结包线降至F点。由图1可以看出，土体强度相对原来强度提高了Δτ。

图1 地基土强度应力圆变化图

综上可知，使用真空—堆载联合预压法对软土地基进行加固处理并不只是将真空、堆载两种预压过程进行简单叠加，而是为了取得一种更为理想的联合加固效果。真空预压过程不仅可以有效改善地基土的孔压边界条件，还可以有效降低孔隙水压力，而堆载预压过程由于堆载过快孔压得不到有效消散，导致孔压升高，采用联合预压可以有效增加压差，提高孔压的消散速度，相对于两者的简单叠加可以取得更好的加固效果。

2 工程实例

某高速公路濒临海岸，软土地基区域分布广泛，软土地层厚度一般在30 m左右，最厚超过40 m，均分布在地表硬壳层以下。土层含水量在55%～75%之间，压缩系数则在 1.0 MPa－1～1.6 MPa－1之间。

该处理段地质①为耕殖土层，主要由亚粘土及淤泥质土组成，层厚在0.5 m～1.5 m之间，湿、可塑，呈灰黄色或褐色;②为淤泥层，层厚在3.0 m～5.8 m之间，北薄南厚、饱水、流塑、粘性好、局部夹杂薄层细砂，呈灰黑色;③为淤泥质细砂层，粉细砂含量占到总重的80%，层厚约3.2 m～8.1 m，松散、饱水、含少量贝壳，呈灰色或灰黑色;④为淤泥层，地质勘探尚未见底，流塑状态、饱水、粘性好、局部夹杂薄层细砂，呈灰黑色。

该地段软基加固前各土层的物理力学指标见表1。

表1 加固前各土层物理力学指标

2.1 加固技术要求

地基加固后的残余沉降量应小于10 cm。

2.2 加固深度

对表1中数据进行分析可知，表层的耕殖土层以及第②，④层的淤泥质层的力学性能欠佳，因此，在进行加固处理时应将这几层作为主要处理对象。该地段第④层尚未见底，因此袋装砂井每隔1.3 m进行布设，埋设深度为20 m。

2.3 改善加固效果的措施

土体加固效果的好坏直接取决于密封膜下能否形成较高的真空度。一般来说，薄膜覆盖面积越大、气密性越好，真空度就越高。但是由于高速公路独特的狭长型场地，在地基3.5 m～7.3 m的深度存在一层渗透性较强的淤泥质细砂层，导致膜下真空度无法满足要求。因此，为保证真空预压的加固效果，应在加固区域表面采用两层土工布密封，四周埋入密封沟并加大埋设深度，在区域四周则布设淤泥搅拌桩(桩径0.7 m，桩长11 m，搭接0.2 m)形成纵向密封帷幕。

3 加固效果分析

从图2的真空及堆载作用曲线可以看出，在真空预压阶段，该高速公路路基的膜下真空度一直保持在80 kPa以上，加固效果良好。

图2 真空—堆载联合预压示意图

3.1 路基沉降分析

加固区的沉降及速率变化如图3，图4所示。

图3 路基沉降变化示意图

图4 路基沉降速率变化图

通过对图2～图4综合分析可知，抽真空后膜下真空度很快稳定并保持在80 kPa以上，路基沉降随时间不断增加。在膜下真空度的上升阶段，日最大沉降量可达到55 mm，日均沉降量约为35 mm。在进行联合预压的过程中，每次堆载都会产生沉降加速效应，总的趋势是随着堆载高度和加载次数的增加，加速过程也逐渐延长，但地基沉降速率却是逐渐减缓的。比如真空预压过程中的路基沉降速率逐渐减缓，日均沉降量逐渐从16 mm变为12 mm，是一个渐变收敛过程。三次堆载过程中，最大日均沉降量逐渐由32 mm变为25 mm。与其他超载预压过程相比，联合预压阶段的收敛速度更快，相对堆载预压法10 mm/d的沉降速率有了大幅提高，大大降低了路基的预压时间。

3.2 土体物理力学指标的变化

加固后土体各物理指标变化如表2所示。通过与表1中数据对比可知，软土地基的孔隙比及含水量明显降低，压缩性能显著提高，说明土体经加固后更加密实，达到了预期的加固效果。

表2 加固后土体各物理力学指标

4 结语

1)真空—堆载联合预压法能够有效消除在真空预压过程中产生的侧向收缩变形以及在堆载过程中因堆载作用而产生的侧向挤出变形;此外，在真空预压过程中土体强度已开始增加，有利于提高堆载速度的同时有效防止产生土体失稳。

2)使用真空—堆载联合预压法进行高速公路的土体加固，不仅可以有效降低软基的主固结沉降时间，土体部分次固结也可得到有效抵消，减少了工后沉降，加固效果明显。

3)在软基的真空—堆载联合预压过程中，土体会趋向加固区产生固结［7］，可以有效解决路堤在填筑过程稳定性不足的问题。但是这种土体收缩变形会对周围建筑物产生很大影响，因此，在预压之前，应先分析其对周边建筑物的影响，若抽真空会危及周边结构物的安全，应提前采取预防措施如打设深层搅拌桩来减少对周边结构物的影响。

［1］许忠发，何 钜.真空—堆载联合预压法在高速公路软基加固中的应用研究［J］.水利与建筑工程学报，2012(2):5-8.

［2］李秀峰.真空—堆载预压法在公路软基中的应用［J］.低温建筑技术，2010(1):220-223.

［3］胡 欣.真空—堆载联合预压技术在高速公路软土路基处理中的应用［J］.中外建筑，2011(7):85-86.

［4］燕晓莹.真空—堆载联合预压法在公路软基上的应用研究［D］.南京:南京大学，2012:5.

［5］刘声向.真空联合堆载预压法在软基处理工程中的应用研究［D］.郑州:河南大学，2009.

［6］彭 劼，陈永辉，洪宝宁.高速公路软基加固中应用真空—堆载联合预压法的综合效应研究［J］.华东公路，2005(2):82-85.

［7］张晓冬，张海军.真空—堆载联合预压在高速公路软基处理中的应用［J］.现代交通技术，2007(6):20-21.

［8］周金鹏，王良国.真空—堆载联合预压法加固高速公路软基探讨［J］.公路交通科技，2003(3):66-67.