真空聯合堆載預壓法在公路建設中的應用

摘要：真空聯合堆載預壓加固施工是一種快速、簡便、文明的加固地基的有效方法，能夠有效地加速深厚軟土地基的排水固結，減少工后沉降。水平向位移是真空預壓施工中容易出現的問題，因此真空預壓施工在設計及施工時要考慮對周圍建筑結構的影響。真空預壓施工有投資大的缺點，這是阻礙其大力推廣的主要原因。

關鍵詞：真空聯合堆載預壓法 原理 應用

由于我國地域廣闊，氣候復雜，濕地洼田隨處可見。隨著我國公路建設的進一步發展，將不可避免地要在軟土地基上修建越來越多的高速公路。軟土地基一般都表現為高含水量、高壓縮性、高粘土含量、低滲透性和低強度等特點，要在這“三高二低”的軟土地基上修建好公路，必須解決好兩個方面的問題：一是路基要有足夠的穩定性，二是工程完工后，路基沉降穩定。為解決這個問題，以往我們采用較多的是以排水加固法為主體，再適當配以加筋土的加固方法，但是這種方法存在著排水固結時間長、工后沉降難于滿足規范要求的缺點。為了縮短工期、加快建設速度、保證工程質量，某高速公路軟土地基試驗段采用了一種新的加固方法—真空聯合堆載預壓法，取得了良好的效果。

1 真空聯合堆載預壓法加固機理

眾所周知，大氣的壓力為10t/m2，真空聯合堆載預壓法實際上就是在堆載預壓的同時，借助大氣的壓力，使兩者聯合發揮作用，加快土體固結收縮。真空聯合堆載預壓法是用薄膜對需要加固的軟基進行密封與大氣隔離，借助射流泵抽真空，通過鋪在加固體表面的砂墊層中的管道及豎向排水體袋裝砂井將加固區內的空氣和水抽走，形成真空，在地表砂墊層產生負壓，該負壓通過真空管路及豎向排水體逐漸向深度方向延升，并向四周土體擴散，使加固上體內部與排水通道、砂墊層中產生壓差，在此壓差作用下，土體中的孔隙水不斷由排水通道排出，使孔隙水壓力降低，最終使上體固結壓密。真空預壓加固過程實際上是地下水氣不斷被抽走的同時，真空度不斷向加固土體內傳遞、擴散并在加固土體內形成一定真空負壓和負壓梯度的過程。真空聯合堆載預壓法是在真空聯合堆載預壓法基礎上發展起來的，是真空預壓和堆載預壓兩種加固方法的疊加，在堆載預壓的同時再加一真空荷載同時作用，促使土體充分固結壓縮。

根據太沙基有效應力原理，其過程可表達為：式中分別為真空和堆載產生的總效應力絕對值，為主骨架壓縮和收縮有效應力絕對值，為真空產生的孔隙應力絕對值，為堆載產生的孔隙應力絕對值），從中我們可以看出真空聯合堆載預壓只是通過減少孔隙水壓力來增加土體的有效應力和球應力，并且土體的球應力會使土體產生向預壓區內的收縮變形，以上理論在某高速公路的施工中得到了驗證和應用。

2 真空聯合堆載系統的組成

真空聯合堆載預壓法由排水系統、真空系統和加壓系統組成。

2.1 排水系統

排水系統由砂墊層（橫向排水體）和豎向排水體（砂井）組成。砂墊層一般采用中粗砂，含泥量應小于5%，厚度40-70cm，表面宜鋪設平整。如果不采用真空預壓，砂墊層的邊緣必須出露以排出軟土釋放的水；對于真空聯合堆載預壓法，必須將砂墊層密封以保證不漏氣。

2.2 真空系統

真空系統主要由密封膜、濾水管和真空泵組成。密封膜用于密閉砂墊層和淺層軟土，防止漏氣；濾水管成網絡狀態鋪設在砂墊層中，使抽真空形成的負壓在砂墊層和砂井中快速擴散，并將固結釋放的水輸送出去：濾水管與真空泵相連，真空泵連續抽水、抽氣，保證負壓的形成。真空系統可以在砂墊層中形成60kPa～80kPa的負壓。

2.3 加壓系統

加壓系統實際就是填土堆載，分階段堆填到設計高度，并確保地基的穩定性。為了減少工后沉降，必要時可以實施超載預壓，預壓填土高度超出正常路堤高度，等地基沉降量達到要求后再卸荷。

3 真空聯合堆載法施工中的關鍵技術

3.1 加固效果

真空聯合堆載預壓法是在真空預壓和堆載預壓基礎上發展起來的一種軟基處理方法，它具有真空預壓和堆載預壓的雙重效果，適用干設計荷載大，承載力要求高的工程。該方法在加固效果方面有如下三個方面的特點：

①固結速度

真空預壓階段，真空度通過濾管、砂墊層及垂直排水通道逐漸向上體內部傳遞，土體中的孔隙水在這種壓差的作用下不斷向外排出，從而使土體發生排水固結。真空堆載和聯合預壓階段在真空預壓的基礎上，再利用路堤填上進行堆載預壓，一方面堆載的作用使土體中的孔隙水壓力升高；另一方面真空預壓的作用使砂墊層及垂直排水通道的孔壓要處于負壓狀態，這樣地基中孔隙水的壓差就更加大，加速了土體中水的排出，固結速度自然快，加固的效果就更加明顯。

②加固深度

加固深度主要取決于引起孔隙水壓力變化的深度。在真空聯合堆載預壓加固軟基方法中，真空度是引起孔隙水壓力變化的主要因素之一，它沿深度的傳遞與豎向排水體的井阻有關。大量的現場實測資料顯示，真空度沿深度的衰減明顯低于堆載時總應力沿深度的衰減。因此，真空聯合堆載預壓方法的加固深度大于普通的堆載預壓。

③強度增長

在真空聯合堆載預壓加固軟基方法中，當真空度達80 kPa時，真空荷載相當于4m～5m高度的填上荷載，這使得該方法在預壓過程中的等效超載高度高，加之固結速度快、影響深度深等因素，都使得地基的強度增長快，而且提高幅度大。

3.2 地基穩定性

真空聯合堆載預壓方法是在真空預壓的基礎上，施加堆荷外載。由于真空產生負壓，使土體產生向內收縮變形，可以抵消因堆載引起的向外擠出變形，因而，地基在填土過程中的穩定性較好。從另一角度分析，地基產生向內的收縮變形，等同于在路基兩側施加反壓護道，可知增加了抗滑力距，因而抽真空產生負壓有利于路基穩定。

4 真空聯合堆載預壓法的施工工藝

4.1 首先在濕軟地基設置排水通道，即按常規方法先鋪砂墊層，接著打袋裝砂井，其長度以打穿淤泥層或不少于20m為宜，間距一般不大于1.5m。

4.2 埋設監測儀器。根據地基情況，我們在此試驗段布置了兩個監測斷面，埋設了空隙水壓力儀、測斜儀、表面沉降板和真空度測定儀等儀器，用以監測軟基在加固前后的應力、應變變化情況及控制填土。由于真空預壓側向位移指向路基中心，孔壓持續下降，所以不對沉降作嚴格要求，而以側移和孔壓系數為主要控制指標。

4.3 清理場地并安設排水(氣)管。砂墊層表面要清除雜物，不能有碎石、竹簽等尖銳物，防止刺破表面加鋪的密封膜。然后布置真空排水(氣)管道(PVC管)。高速公路路堤因是長條形，按此特點，設主管和濾管兩種。主管直徑6cm，沿縱向間隔30m布置兩條，在主管上每間隔6m兩側設兩條直徑6cm的濾管，主管和濾管用軟管連接呈魚骨狀布置在砂墊層頂部，濾管埋入軟基中。

4.4 從主管中接出真空管路，經過密封膜與射流泵聯接，每臺射流泵控制 600～800平方米的加固區。連接管路時應注意接頭牢固、密封，并有一定的柔性。

4.5 管道鋪設后，接著鋪蓋密封膜。密封膜應用抗老化好、韌性高、抗穿刺性強、整體性和密封性好的聚氯乙稀薄膜，厚度為0.14 ～0.16mm；然后在加固區四周開挖密封溝，其深度不少于1.5m，并以進入淤泥 50cm為佳，同時密封膜在溝內應翻轉錨固，用粘性土回填密實，并構筑圍堰注水密封。

4.6 當鋪蓋好密封膜后，開始抽真空，并隨時檢查是否漏氣，漏氣一般發生在地基、邊溝、薄膜、接頭等地方。正常情況下約7～10d膜內真空度可達70kPa以上，經穩定2～3d后開始堆載，堆載前，必須在密封膜上加鋪一層防止填土料頂破密封膜的無紡布等其他織物。

參考文獻：

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[2]王劍平等.真空排水預壓法處理臺州路橋污水處理廠大型剛性混凝土構筑物軟土地基.[J].第七屆全國地基處理學術討論會論文集.2002.