真空联合堆载预压在某工程软土地基处理中的应用

【摘要】真空联合堆载预压是工程中处理软土地基的常用方法，本文以沿海地区某工程为实例介绍了真空联合堆载预压的加固机理、设计要点、施工工序及监测，为类似工程的软土地基处理提供有益参考。

【关键词】真空联合堆载预压;软土地基;地基处理;监测

Abstract： Vacuum combined surcharge preloading is a common method for soft soil foundation treatment in engineering. Taking a project in coastal area as an example， this paper introduces the reinforcement mechanism， design points， construction process and monitoring of vacuum combined surcharge preloading， which provides a useful reference for soft soil foundation treatment of similar projects.

Keywords： vacuum combined surcharge preloading; soft soil foundation; foundation treatment; monitoring

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.27.

1、工程概况

本工程位于沿海地区，场地原始地貌单元为滨海滩涂地貌，滨海滩涂经过围堰填海，堆填整平，场地整体地势起伏较小。根据地勘报告，拟建场地内分布埋藏的地层主要为冲填土层，第四系海陆交互沉积层，下伏基岩为燕山期花岗岩岩浆岩。第四系海陆交互沉积层自上而下地层顺序依次为淤泥质土、淤泥、粉砂、淤泥质土、粉质粘土、砾砂层，其中淤泥质土和淤泥的平均揭露厚度达20m，为防止整个厂区地面不均匀沉降，场地需进行软土地基处理。

整个场地真空联合堆载预压处理面积分A、B两个区，A处理区面积为23972m2，B处理区面积为22313m2，总的处理面积为46285m2。A、B区平面布置详图1。

2、真空联合堆载预压加固机理

真空联合堆载预压使土体固结的直接原因是：排出土体中的水和气，降低土体含水量，土骨架受到有效应力的挤密作用使得土颗粒重新排列组合，改善其受力特性和能力。其微观机理可分为3个步骤[1]：

（1）真空联合堆载预压初始阶段：该阶段实质上是真空预压阶段，仅抽真空系统开始发挥效用。砂垫层中的空气首先被抽走，形成真空区，紧接着是与砂垫层紧密相连的待处理土层表面层中的连通孔道中的水气因为砂垫层中产生的压差而被“压出”，并逐渐在该土层中形成真空渗流场。这种渗流场作用因为土体中竖向塑料排水板的布置与深部形成竖向连通通道而逐渐向土体深层延伸。该阶段主要是孔隙中自由水受力排出，土体受到的有效应力增大。

（2）真空联合堆载预压稳定阶段：此阶段实质上是真空预压的后期阶段，此时整个待加固地基已经形成了一个巨大的真空渗流场，大连通孔道与小连通孔道之间再次形成压差，这种压差随着时间慢慢消散，而小孔道中的水也随之排出，随着孔隙水的排出，使得土层中水位下降，土层中自重应力也随之发生改变，由于上部土层自重的增加，下部土层中形成超静孔压，两者同时作用使得土颗粒重新排列组合。该阶段主要是增加了土体的有效应力，使得土在自重作用下产生固结。

（3）真空联合堆载预压作用阶段：联合作用阶段即是真空预压和堆载预压在对土层作用发生正向叠加，真空预压加速地下孔隙水的外排，地下水位随之不断下降，使得土层孔隙比不断增大，土的有效应力不断增大，堆载进一步加大土颗粒的有效应力，土层在附加荷载和自重应力作用下加速土颗粒的挤密和重排。该阶段土层固结明显，地基沉降量较大，土层结构强度急剧增大，软土地基加固效果开始显现。

3、設计要点

3.1 设计计算

（1）分级加荷固结过程详图2，分级加荷条件下，地基在某时间的平均总应力固结度可按下式计算[2][3]：

式中：Urz为地基在t时间的平均总应力固结度;m为加荷级数;          为瞬时加荷条件下，对应于第i级荷载在时间t时的平均总应力固结度;t为计算应力固结度的时间（s）;Tio为第i级荷载加荷的起始时间（s）;Tif为第i级荷载加荷的终了时间（s），当计算加荷期间的应力固结度时，Tif应改为t;Pi为第i级预压荷载（kPa），当计算加荷期间的应力固结度时，式中Pi应改为ΔPi，ΔPi为对应于第i级荷载加荷期间 t时间的荷载增量。

（2）对于正常固结的地基，预压荷载下地基的最终竖向沉降量可按下式计算[2][3]：

式中：Sd∞为地基的最终竖向沉降量设计值（cm）;ms为经验系数，可取1.0～1.3，荷载较大、地基较软时取高值，也可按地区经验选取;n为计算压缩土层的分层数量;e0i为第i土层在平均自重压力设计值作用下压缩稳定时的孔隙比设计值，可取均值;e1i为第i土层在平均最终压力设计值作用下压缩稳定时的孔隙比设计值，可取均值;h为第i土层厚度（cm），当土层厚度较大时宜划分若干小层。

3.2 主要材料选取[2][3]

塑料排水板采用C型板，静压式插板，正三角形（梅花形）布置，间距1.2m。

砂垫层采用中粗砂，分层铺设并压实。

主管为直径75mm的PVC管，滤管为直径50mm的PVC管，主管不打孔，滤管应均匀打孔后（孔径6mm，孔距100mm，交错打孔）外包200g/m2土工布。

真空泵选用射流式，电机功率不小于7.5kW，，泵后真空压力不应小于96kPa。

真空联合堆载预压软基处理标准横断面图见图3。A、B两区的真空泵、滤管及膜下真空压力测点平面布置图分别见图3、图4、图5。

3.3 堆载及卸载要求

堆载及卸载要求详见表1。

真空卸载标准：根据监测数据推算的工后沉降≤设计要求的工后沉降要求;预压期满足90天要求;连续15天平均每天沉降量≤2mm，交工面满足设计要求。

4、施工过程

4.1 施工工序

真空联合堆载预压施工工序主要包括（详图6）：

（1）在整平场地上打设黏土密封墙。

（2）铺设300mm中粗砂垫层，进行一般观测断面观测仪器埋设。

（3）观测地表沉降，打设塑料排水板。

（4）埋设重点断面监测仪器，开始监测工作。

（5）铺设300mm砂垫层，场地清理二次整平，铺设滤管，安装真空设备。

（6）開挖密封沟（密封沟深度应至不透气土层以下，且不小于1.5m，密封沟采用黏土回填并压实），铺设密封膜，恢复地表沉降观测点至密封膜上。

（7）真空加载并观测地表沉降、水平位移和膜下真空压力等。

（8）连续10天膜下真空压力达到80kPa后，铺设上层土工布及500mm中粗砂垫层，再分级填筑至设计堆载高程。

（9）真空联合堆载满载预压90天后，由监测单位提供监测评估报告。设计单位根据评估报告决定是否真空卸载。

（10）卸载后进行处理效果检测。

4.2 过程监测

施工过程中除进行施工观测外，必须对地基变形、孔隙水压力等进行第三方观测与监测[2]。监测内容包括：地表沉降及沉降速率，外侧地表隆起（沉降），软土层中孔隙水压力，两侧土体深层水平位移，软土层分层沉降，排水板内真空度，土中真空度。A、B区监测点布置详图7。施工过程中的监测频率按表2执行。

结语：

（1）本工程实际沉降量为2.639m，计算沉降量为2.825m，实际沉降量达到计算沉降量的90%以上，真空联合堆载预压在本工程软土地基处理中的效果十分显著。

（2）真空预压阶段时总应力不变，不需要考虑软土地基的剪切破坏导致土体失稳;但是堆载预压阶段时由于总应力的增加，土体中产生的剪应力相应增大，要时刻注意剪应力增加的速度要小于土体抗剪强度增加的速度，否则就会导致土体因剪切变形而失稳。

（3）软土地基处理应建立科学的监测方法，进行信息化施工，以保证施工的质量和安全。

参考文献：

[1]赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉工业大学出版社，2000.

[2]真空预压加固软土地基技术规程（JTS147-2-2009）[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

作者简介：

金碧（1991～），男，湖南省汨罗市人，硕士研究生，工程师，主要从事建筑结构、岩土工程的设计与研究工作。