真空预压对既有道路影响的对比分析

李建双，田爱哲

真空预压对既有道路影响的对比分析

李建双1，田爱哲2

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津300461，2.中交一航局第一工程有限公司，天津300456）

应用真空预压法进行软基处理时，针对排水板打设深度、布置方式和压力加载方式的不同对既有公路影响进行对比分析，提出降低对公路桩基和路面影响的真空预压布置形式。选择不同排水板打设深度以及荷载加载方式进行组合，并应用有限元软件对真空预压处理效果和影响范围进行仿真分析。计算结果显示，采用40 kPa抽真空荷载加41 kPa堆载预压荷载的处理方案，产生的变形影响程度和距离相对最小；降低排水板打设深度并采用真空联合堆载预压的方案可以削弱对既有公路的影响。

软基处理；真空预压；既有道路；影响范围；侧向位移

0 引言

真空预压法是一种有效的软土地基处理方法，近年来该方法多用于机场、码头堆场、高速公路和新近吹填土地基处理[1-3]。真空荷载作用下，软土地基会产生面向加固区的侧向收缩变形，临近的建筑物或构筑物可能会受到影响，甚至发生工程事故[4-6]。因此，在真空预压的设计中，一方面需对影响区内的相邻建筑物或构筑物采取相应的安全保障措施；另一方面也需要对真空预压的打板深度和荷载布置形式进行优化，从而避免危险的发生。本文依据工程实例对不同排水板打设深度和不同荷载施加方式对既有道路的影响进行仿真分析。

1 工程概况

1.1 场址情况

某软基处理场址与既有省级公路临近，与道路管廊带最近距离7 m。此省级公路为城市主干路，双向6车道，公路采用直径为40 cm的CFG桩进行基础处理。软基处理场址区域表层回填有素土，含有部分块石，且埋深较大，插打排水板或进行搅拌墙施工难度较大。进行插板施工前首先需要对场址范围内开挖换填，部分区域需要开挖3 m深，开挖换填施工对既有道路管廊带存在一定影响，因此在开挖换填前需进行支护处理，支挡结构采用高压旋喷桩，支护结构形成的连续墙可作为真空预压密封墙。

软基处理场址与既有省级公路之间的隔离保护措施是否合理，能否保证真空预压对公路的影响足够小且不会产生过大损害，有必要进行验证。

1.2 地勘资料及软基加固方案

真空预压区处理宽度25 m，处理断面见图1。处理时首先将场地整平至2.4 m标高，然后打设支挡结构。

图1 地基处理断面图Fig.1Sectional drawing of foundation treatment

考虑最不利情况，选取一个软土层厚度最大的断面作为计算断面，计算断面土层参数如表1所示。

本文将选用不同的地基处理方式，对比分析不同方式下地基处理对既有道路的影响，这些处理方式包括工况一：真空预压处理，靠近既有公路一侧采用短排水板，长度为10 m，其它地方排水板为17 m；工况二：真空联合堆载，真空压力60 kPa，堆载压力24 kPa，排水板17 m；工况三：真空联合堆载，真空压力50 kPa，堆载压力33 kPa，排水板长度为17 m；工况四：真空联合堆载，真空压力60 kPa，堆载压力24 kPa，靠近既有公路一侧采用短排水板，长度为10 m，其它地方排水板为17 m；工况五：真空联合堆载，真空压力50 kPa，堆载压力33 kPa，靠近既有公路一侧采用短排水板，长度为10 m，其它地方排水板为17 m；工况六：真空联合堆载，真空压力40 kPa，堆载压力41 kPa，排水板长度为17 m。

表1 计算断面土层参数表Table 1Soil parameters of calculation section

2 仿真模拟计算

2.1 数值分析模型

根据表1地质资料，使用大型商业软件FLAC3D建立如图2所示力学模型。

模型中考虑对称性，只选取真空预压区的一半和公路一侧。由于管廊带CFG桩为间隔2 m的正三角形布置，因而模型厚度取1 m，整个模型尺寸为100 m×40 m×1 m，CFG桩在模型正面和背面交错布置，CFG按设计要求深入6-1粉质黏土层1 m。图2中Pile表示为真空预压区和公路之间的支挡结构，CFG_pile为快速路路基中的CFG桩，桩直径40 cm，桩身进入粉质黏土1 m，采用实体单元进行模拟。

图2 真空预压区力学模型Fig.2Mechanical model of vacuum preloading area

2.2 数值模拟

2.2.1 工况一

靠近既有公路一侧10 m范围内采用长度为10 m的短排水板，其它地方排水板皆为17 m，由于不再具有对称性，因而建立全力学模型。支挡结构采用高压旋喷桩，另一侧的支挡结构为黏土密封墙。计算结果见图3。

图3 工况一地基沉降云图Fig.3Foundation settlement contour of condition 1

由图3可以看出，最大沉降发生在真空区中心远离10 m短板一侧。靠近路一侧10 m内采用10 m短排水板时，地基处理对既有公路的影响范围为24 m，路管廊带紧邻真空区的CFG桩最大侧向位移为12.2 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为6.6 cm。

2.2.2 工况二

建立轴对称力学模型，排水板长度为17 m。模型中堆载作为面荷载添加。真空压力10 d时间达到60 kPa，然后保持不变，15 d后开始进行堆载预压，经过10 d时间堆载达到24 kPa，保持110 d后卸载。计算结果见图4。

图4 工况二地基沉降云图Fig.4Foundation settlement contour of condition 2

由图4可以看出真空预压区中心表面沉降最大，往周围和地基深处方向沉降逐渐减小。真空预压区和非真空预压区沉降存在明显边界，整个模型沉降最大值为2.27 m。最大侧向位移发生在真空预压区靠近支挡结构附近，其值达到0.4 m。

采用全部长排水板并真空压力60 kPa加堆载压力24 kPa方案时，地基处理对既有公路的影响范围为20 m，既有公路管廊带紧邻真空区CFG桩最大侧向位移为8.3 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为5.3 cm。

2.2.3 工况三

力学模型中排水板长度为17 m，采用真空联合堆载预压的方法进行地基处理，真空压力为50 kPa，堆载压力为33 kPa，真空压力10 d时间达到50 kPa，然后保持不变，15 d后开始进行堆载预压，经过10 d时间堆载达到33 kPa，保持100 d后卸载。

由计算结果得出真空预压区中心表面沉降最大，整个模型沉降最大值为2.23 m。最大侧向位移发生在真空预压区靠近支挡结构附近，其值达到0.44 m。

采用全部长排水板并真空压力50 kPa加堆载压力33 kPa方案时，对既有公路的影响范围为15 m，既有公路管廊带紧邻真空区CFG桩最大侧向位移为5.4 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为3.3 cm。

2.2.4 工况四

力学模型中靠近既有公路一侧10 m排水板采用长度为10 m短板，其它地方采用17 m长板。真空压力10 d时间达到60 kPa，然后保持不变，15 d后开始进行堆载预压，经过10d时间堆载达到24 kPa，保持110 d后卸载。计算结果见图5。

图5 工况四桩基最大位移云图Fig.5Maximum displacement of pile foundation of condition 4

由图5可看出整个模型沉降最大值为2.17 m。采用长短排水板结合并真空压力60 kPa加堆载压力24 kPa方案时，对既有公路的影响范围为1.9 m，既有公路管廊带紧邻真空区CFG桩最大侧向位移为5.8 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为2.0 cm。

由图5可看出，靠近挡墙的几根CFG桩侧向位移有正有负，桩身发生了扭曲，这对CFG桩基的稳定非常不利。

2.2.5 工况五

力学模型靠近既有公路一侧10 m排水板采用长度为10 m短板，其它地方采用17 m长板。真空压力10 d时间达到50 kPa，然后保持不变，15 d后开始进行堆载预压，经过10 d时间堆载达到33 kPa，保持100 d后卸载。

计算结果可以看出整个模型沉降最大值为2.17 m。

采用长短板结合并真空压力50 kPa加堆载压力33 kPa方案时，对既有公路的影响范围为8 m，既有公路管廊带紧邻真空区CFG桩最大侧向位移为-7.7 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为-3.1 cm。侧向位移为负值说明土向既有公路方向运动，靠近挡墙的几根CFG桩桩身发生扭曲。

通过结果分析可以看出，长、短板相结合容易造成靠近挡墙的CFG桩发生扭曲，而真空联合堆载预压方法有助于削弱对既有公路的不利影响。

2.2.6 工况六

力学模型排水板长度为17 m，真空压力10 d时间达到40 kPa，然后保持不变，15 d后开始进行第一级堆载预压，经过10 d时间堆载达到25 kPa，保持5 d，然后进行第二级堆载预压，经过10 d，堆载达到41 kPa，保持100 d后卸载。

由计算结果可以看出真空预压区中心表面沉降最大，整个模型沉降最大值为2.17 m。最大侧向位移发生在真空预压区靠近支挡结构附近，其值达到0.37 m。

排水板全部采用长板，真空压力40 kPa，堆载压力41 kPa时，既有公路管廊带紧邻真空区CFG桩最大侧向位移为4.3 cm，既有公路距真空区15 m处CFG桩最大侧向位移为2.5 cm，管廊带和既有公路的侧向位移都小于5 cm。

2.3 各方案对比分析

对排水板不同打设方式和不同荷载施加方式进行对比，对比结果列于表2中。根据计算可知采用长短板结合方案对削弱真空预压及真空联合堆载预压对既有公路的侧向位移影响是有效的，从影响范围和影响程度上均有明显降低。

表2 不同排水板打设方式对既有公路的影响效果对比表Table 2Comparison of the effect of different setting modes of drainage plate on existing highway

在真空联合堆载预压并采用长短板结合的方案时出现了CFG扭曲现象，对CFG桩基的稳定不利，因而不建议在真空联合堆载预压时采用长短板结合的方式打设排水板。

在对比分析不同压力加载方式对公路影响时可知，真空联合堆载预压对公路的不利影响普遍小于真空预压的影响，而且真空压力与堆载压力越接近，对既有桩基础和既有建筑物的不利影响越小。

3 结语

本文针对不同排水板打设深度、布设方式和荷载加载方式进行了数值分析，得出以下结论：

1）采用长短板结合方案对削弱真空预压软基处理对道路的影响是有效的，从影响范围和影响程度上均有明显降低。

2）采用降低真空荷载、增加堆载预压荷载的处理方式可有效降低软基处理对公路桩基的影响，从影响范围和影响程度上看对公路桩基的保护效果均比较明显。

3）在真空联合堆载预压并采用长短板结合的方案时出现了CFG扭曲现象，对CFG桩基的稳定不利，不建议在真空联合堆载预压时采用长短板结合的方式打设排水板。

4）采用40 kPa抽真空荷载加41 kPa堆载预压荷载的处理方案，产生的变形影响程度和距离相对最小。

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Comparative analysis on the influence of vacuum preloading on the existing highway

LI Jian-shuang1,TIAN Ai-zhe2
（1.CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.No.1 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300456,China）

When vacuum preloading method is used to treat soft foundation,the influence of the setting depth,layout mode and pressure loading mode of the drainage plate on the existing highway is analyzed and compared,a layout mode of vacuum preloading to reduce the impact of the pile foundation and pavement is put forward.We chosen the combination of different setting depth and loading modes of drainage plate used the finite element software to simulate the effect of vacuum preloading treatment and its influence range.The calculations show that the deformation and the influence distance are small by using the 40 kPa vacuum loading and 41 kPa surcharge load preloading.Reducing the depth of the drainage plate and using the vacuum combined surcharge preloading can weaken the influence to the existing highway.

soft foundation treatment;vacuum preloading;existing highway;influence scope;lateral displacement

U655.544.4；TU470

A

2095-7874（2017）08-0023-05

10.7640/zggwjs201708006

2017-04-12

2017-07-18

李建双（1974—），男，天津市人，硕士，工程师，建筑工程（路桥）专业。E-mail：ljs111@163.com