真空联合堆载预压道路地基变形特性分析

2018-05-02刘光明曹旭华邬龙刚

城市道桥与防洪 2018年3期

刘光明，曹旭华，王健，邬龙刚

（广东省建筑设计研究院，广东广州 510010）

0 引言

真空联合堆载预压是深层软土地基处理常用的方法之一，具有工期短、经济性好等优点。软土通常含水量大、压缩性高，真空联合堆载预压处理后变形显著。地基变形是真空联合堆载预压处理效果的表现形式和预期成果，是地基处理设计和施工控制的重要指标，也是地基处理科研的重要途径。本文依托具体工程试验，对真空联合堆载预压处理地基表层沉降、地表水平位移，分层沉降、深层水平位移进行分析，研究结果对类似工程地基处理的科研和应用具有借鉴和指导意义。

1 真空联合堆载预压加固机理

真空预压法是将加固区密封后，通过抽真空使膜内外形成大气压差，由于砂垫层和竖向排水井与地基土界面存在这一压差，土中的孔隙水发生向竖井的渗流，使孔隙水压力不断降低，有效应力不断提高，而使土逐渐固结[1]。在真空预压法中，膜下真空度被限制在一个标准大气压（101.3kPa，实际工程中一般为80～90kPa），因此为了进一步改善加固效果，进行真空预压的同时在密封膜上堆载，即真空联合堆载预压。堆载增加了土体中的孔隙水压力，于是地基土和塑料排水板之间的压差进一步加大，其排水速度和加固效果要优于真空预压法，具有真空预压和堆载预压的双重加固效果[2-3]。虽然堆载过程中，地基土也会发生侧向挤出变形，但由于有真空荷载作用，真空产生的侧向收缩变形与堆载产生的侧向挤出变形相抵消，另一方面真空荷载作用下地基土已发生固结，强度有所增长，从而可以堆载速度很快而不发生失稳破坏[4]。

2 工程试验概况

2.1 工程概况及地质条件

广州南沙地区位于珠江三角洲的冲击平原，某项目位于珠江主流末端的沙洲上。场地地层依次分为：第四系填土层，厚0.50～7.70m，平均层厚1.18m；淤泥层，厚 15～35m，平均层厚 20m；下卧粉质黏土、粉细砂、中粗砂和基岩。淤泥层主要物理力学性质见表1。

表1 淤泥层主要物理力学性质指标表

场地内进行市政路网建设，路基填筑高度为3～5m，地基主要采用真空联合堆载预压法进行处理。某路段软土深度为26m，地基处理采用梅花形布置的塑料排水板，打入深度25m，间距1.2m；中粗砂垫层厚度0.6m。膜下真空度不小于85kPa，膜上堆载43.25kPa（2.5m厚中细砂）。真空联合堆载预压荷载卸载标准为地基平均固结度不小于90%。

2.2 地基处理监测布设

为反映出道路下方及两侧地基的变形特性，本路段地基处理主要进行了地表沉降（D19～D21）、地表水平位移（JNW1、JNW2）、分层沉降（FC3）和深层水平位移监测。分层沉降FC3从地表向下每3m布置一个测点，编号为FC3-1～FC3-8，共8个测点。测斜管位于堆载土方坡脚处。监测点布置如图1所示。

图1 监测点布置图（单位：m）

3 地基变形特性分析

3.1 地表沉降特性分析

如图2所示，从抽真空开始，3d后密封膜下最小真空预压荷载达85kPa，5d后达到89kPa，并持续保持稳定；25d后进行第一次堆载10.38kPa，42d后进行第二次堆载24.22kPa，56d后进行第三次堆载8.65kPa。后续排水预压过程中，荷载持续、稳定，总抽真空时间143d。

图2 地表沉降-荷载-时间历程曲线

路中和路肩沉降趋势基本一致，整体上呈现出预压前期沉降速率大、固结效果显著（抽真空开始一个月后平均固结度近50%，抽真空56d、第三级堆载完成后，平均固结度已达70%），后期沉降速率减缓、沉降逐步收敛。沉降速率随密封膜上多级分层堆载的施加而增大，分层堆载加速了地基固结，增加了地基沉降量。

抽真空143d后，路中沉降为176.3cm，两侧路肩沉降分别为159.6cm和160.3cm，略小于路中沉降，平均固结度分别为99.0%（路中）、99.1%（左侧）和99.4%（右侧），路基范围地基固结均匀。

地基固结沉降速度与施加的预压荷载有较大的关联性，确保持续有效的真空荷载和把握良好的堆载时机，可以提高地基固结效率。在保持地基稳定的条件下，真空荷载和各级堆载施加的越早、前期荷载施加越大，可以提高地基固结沉降效率，缩短真空联合堆载预压时间。

3.2 地表水平位移特性分析

从图3可见，各监测点地表水平位移受真空荷载和堆载荷载的影响较大，且影响程度不同。分层堆载前，仅在真空荷载作用下，地表发生向路基侧的水平位移；42d第二次分层堆载后，地表水平位移的变形趋势被改变，JNW1点（近路堤）虽然继续向路基侧变形，但速率显著减小，JNW2点的变形转向远离路堤侧；在分层堆载完毕后、持续抽真空的作用下，地表水平位移又逐渐转向路基侧。

图3 水平位移-时间历程曲线

真空荷载引起表层发生向真空区的水平位移，分层堆载可引起地表向远离堆载区的水平位移，适当的堆载可以减弱或抵消真空引起的水平位移，减小地基处理引起地表变形范围。但真空荷载和分层堆载对地表水平位移的影响程度不同，在持续抽真空作用下，地表水平位移最终仍会向真空区发展。

3.3 地基分层沉降特性分析

从图4、图5及表2可见，各分层沉降监测点沉降趋势基本一致，演变规律与地表沉降基本相同。但从地表向下深度逐渐增加，各分层沉降量受地表分层堆载的影响逐渐减小。不同深度处沉降量与深度呈现出指数函数关系，本工程中沉降量y=170.55e-0.098x，对该式求导后得各分层压缩量与深度关系式y’=-16.71e-0.098x，分层沉降量和分层压缩量均从地表向下呈指数型衰减。

图4 分层沉降-荷载-时间历程曲线

图5 分层沉降量-深度曲线

表2 各分层深度沉降参数表

埋深18～25m、9～18m、0～9m深处土层的平均固结度分别在抽真空开始72d、87d、102d后达到90%。深处地基的平均固结度更容易满足设计要求，中上部地基需要较长的固结时间，深处地基比中上部地基的平均固结度可提前30d满足设计要求。地基0～9m、9～18m、18～25m的分层压缩量分别为109.8cm、36.7cm、29.8cm，分别为总沉降量的62.3%、20.8%、16.9%，地基沉降主要发生在中上部。

在一些深厚软土实际工程中，排水固结处理施工结束、使用荷载填筑完毕后不久即发生较大的“工后沉降”，许多工程人员认为是地基处理深度不够导致的，但根据上述分析，使用荷载填筑完毕后短时间内发生的“工后沉降”并不满足地基沉降变形规律，不是预压期固结沉降随时间的延续，而是地基卸载后再加载形成的新的地基沉降。根据上述分层沉降规律，新的地基固结沉降也应该主要发生在地基层的中上部，地基深处仍很小。因此地基处理应该在确定合理的处理深度和措施的基础上，加强对中上部软土层的处理，将对使用荷载填筑后短时间内发生的较大“工后沉降”有良好的控制作用。一些具体的工程实践证明了加强对中上部软土变形控制思路的正确性，如在预压固结后再施以强夯或搅拌桩联合排水板地基加固等，均得到很好的效果[5-7]。

3.4 地基深层水平位移特性分析

从图6可见，真空荷载预压初期（0～9d）地基整体发生向路基侧水平位移，从地表至地基深部位移量逐渐减小；在12～22d后深层水平位移继续增大，但地表下3m处水平位移增加最显著，是水平位移的“极值”点；25～42d期间，第一层堆载10.33kPa后、第二层堆载24.22kPa前，地层仍继续向真空区移动；42d后，第一、第二层堆载总计34.55kPa加载后，地基深层水平位移发生“转向”，向远离路基侧变形，并随施加荷载和时间的增加，逐渐抵消了地基深层向路基侧已经发生的水平位移。真空荷载引起的深层水平位移主要发生在地表以下10m内，分层堆载引起的“转向”现象主要发生在地表下12m内；由于分层堆载的作用，水平位移“极值”点由地表下3m向下发展至4m处。