真空—堆載預壓法在高速公路軟基處理中的應用

吳敏之

(湖南交通職業技術學院，湖南長沙 410132)

0 引言

軟土地質在我國分布廣泛，尤其是在沿海地區大量高速公路由于受到地形條件的制約不得不修建于軟土地基上。軟土具有強度低、含水量大、滲透性差、壓縮性大等特點［4，5］，為避免修建于這種地基上的高速公路在填筑過程中發生地基失穩或者工后沉降量過大等問題，必須采取技術措施進行地基加固。目前，我國高速公路進行軟土地基加固普遍采用堆載預壓法以及粉噴樁復合地基法，這些方法雖然實施簡便、技術成熟，但對于路基工后沉降及施工穩定性的要求較難滿足，本文介紹的真空—堆載聯合預壓法針對這些問題進行了大幅度地改進，并且取得了良好的加固效果。

1 真空—堆載聯合預壓法的加固機理［1-3，6，8］

真空—堆載聯合預壓技術是以大氣負壓產生的穩定真空度作為預壓載荷，路基上面的填方則作為堆載，在這兩種載荷的聯合作用下，地基土迅速排水固結，在預壓過程中完成絕大部分沉降，從而有效減少路基的工后沉降和不均勻沉降。

采用真空預壓法進行地基加固，首先要在土體中設置塑料排水板或者袋裝砂井作為豎向排水體，再在軟基表面鋪設一層厚約50 cm的砂墊層作為水平排水體，砂墊層上覆蓋一層不透氣的薄膜并進行密封，使用抽真空裝置抽出薄膜下砂墊層及軟土中的氣體以及水分，使其形成水頭差和真空負壓，從而促使土體中的孔隙水在孔壓差作用下，通過豎向和水平排水體不斷排出，完成土體的固結。當土體的膜下真空度超過60 kPa并且趨于穩定時，可將土工布鋪設于薄膜上方并進行堆載，土體中的孔隙水由于堆載產生的壓差會進一步的排出，從而實現土體的聯合加固。

在土體的真空預壓過程中，主要是通過孔隙水壓力的轉換來提高土體有效應力，即Δσ=Δu，是一個等向固結過程，即在真空預壓階段不會在剪應力方向產生增量而只生成球應力。地基土的等向固結過程就是土體強度增加的過程，因此，在真空預壓階段土體強度及穩定性得到有效提高，防止發生土體失穩。從應力路徑進行分析，設σ′30和σ′10分別為土體加固前的最小及最大有效主應力，則其平均應力為 p′0=(σ′10+ σ′30)/2，地基加固過程中增加的有效應力則設為Δσ′，即:

其中，σ′3和σ′1分別為軟基進行加固處理后的最小、最大有效主應力，如圖1所示。土體有效應力圓的位置則由D右移至D′，而土體平均應力由 p′0變為 p′=p0′+ Δσ′，應力圓半徑則保持不變。卸掉加固荷載后，土體強度會沿著超固結包線降至F點。由圖1可以看出，土體強度相對原來強度提高了Δτ。

圖1 地基土強度應力圓變化圖

綜上可知，使用真空—堆載聯合預壓法對軟土地基進行加固處理并不只是將真空、堆載兩種預壓過程進行簡單疊加，而是為了取得一種更為理想的聯合加固效果。真空預壓過程不僅可以有效改善地基土的孔壓邊界條件，還可以有效降低孔隙水壓力，而堆載預壓過程由于堆載過快孔壓得不到有效消散，導致孔壓升高，采用聯合預壓可以有效增加壓差，提高孔壓的消散速度，相對于兩者的簡單疊加可以取得更好的加固效果。

2 工程實例

某高速公路瀕臨海岸，軟土地基區域分布廣泛，軟土地層厚度一般在30 m左右，最厚超過40 m，均分布在地表硬殼層以下。土層含水量在55%～75%之間，壓縮系數則在 1.0 MPa－1～1.6 MPa－1之間。

該處理段地質①為耕殖土層，主要由亞粘土及淤泥質土組成，層厚在0.5 m～1.5 m之間，濕、可塑，呈灰黃色或褐色;②為淤泥層，層厚在3.0 m～5.8 m之間，北薄南厚、飽水、流塑、粘性好、局部夾雜薄層細砂，呈灰黑色;③為淤泥質細砂層，粉細砂含量占到總重的80%，層厚約3.2 m～8.1 m，松散、飽水、含少量貝殼，呈灰色或灰黑色;④為淤泥層，地質勘探尚未見底，流塑狀態、飽水、粘性好、局部夾雜薄層細砂，呈灰黑色。

該地段軟基加固前各土層的物理力學指標見表1。

表1 加固前各土層物理力學指標

2.1 加固技術要求

地基加固后的殘余沉降量應小于10 cm。

2.2 加固深度

對表1中數據進行分析可知，表層的耕殖土層以及第②，④層的淤泥質層的力學性能欠佳，因此，在進行加固處理時應將這幾層作為主要處理對象。該地段第④層尚未見底，因此袋裝砂井每隔1.3 m進行布設，埋設深度為20 m。

2.3 改善加固效果的措施

土體加固效果的好壞直接取決于密封膜下能否形成較高的真空度。一般來說，薄膜覆蓋面積越大、氣密性越好，真空度就越高。但是由于高速公路獨特的狹長型場地，在地基3.5 m～7.3 m的深度存在一層滲透性較強的淤泥質細砂層，導致膜下真空度無法滿足要求。因此，為保證真空預壓的加固效果，應在加固區域表面采用兩層土工布密封，四周埋入密封溝并加大埋設深度，在區域四周則布設淤泥攪拌樁(樁徑0.7 m，樁長11 m，搭接0.2 m)形成縱向密封帷幕。

3 加固效果分析

從圖2的真空及堆載作用曲線可以看出，在真空預壓階段，該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。

圖2 真空—堆載聯合預壓示意圖

3.1 路基沉降分析

加固區的沉降及速率變化如圖3，圖4所示。

圖3 路基沉降變化示意圖

圖4 路基沉降速率變化圖

通過對圖2～圖4綜合分析可知，抽真空后膜下真空度很快穩定并保持在80 kPa以上，路基沉降隨時間不斷增加。在膜下真空度的上升階段，日最大沉降量可達到55 mm，日均沉降量約為35 mm。在進行聯合預壓的過程中，每次堆載都會產生沉降加速效應，總的趨勢是隨著堆載高度和加載次數的增加，加速過程也逐漸延長，但地基沉降速率卻是逐漸減緩的。比如真空預壓過程中的路基沉降速率逐漸減緩，日均沉降量逐漸從16 mm變為12 mm，是一個漸變收斂過程。三次堆載過程中，最大日均沉降量逐漸由32 mm變為25 mm。與其他超載預壓過程相比，聯合預壓階段的收斂速度更快，相對堆載預壓法10 mm/d的沉降速率有了大幅提高，大大降低了路基的預壓時間。

3.2 土體物理力學指標的變化

加固后土體各物理指標變化如表2所示。通過與表1中數據對比可知，軟土地基的孔隙比及含水量明顯降低，壓縮性能顯著提高，說明土體經加固后更加密實，達到了預期的加固效果。

表2 加固后土體各物理力學指標

4 結語

1)真空—堆載聯合預壓法能夠有效消除在真空預壓過程中產生的側向收縮變形以及在堆載過程中因堆載作用而產生的側向擠出變形;此外，在真空預壓過程中土體強度已開始增加，有利于提高堆載速度的同時有效防止產生土體失穩。

2)使用真空—堆載聯合預壓法進行高速公路的土體加固，不僅可以有效降低軟基的主固結沉降時間，土體部分次固結也可得到有效抵消，減少了工后沉降，加固效果明顯。

3)在軟基的真空—堆載聯合預壓過程中，土體會趨向加固區產生固結［7］，可以有效解決路堤在填筑過程穩定性不足的問題。但是這種土體收縮變形會對周圍建筑物產生很大影響，因此，在預壓之前，應先分析其對周邊建筑物的影響，若抽真空會危及周邊結構物的安全，應提前采取預防措施如打設深層攪拌樁來減少對周邊結構物的影響。

［1］許忠發，何 鉅.真空—堆載聯合預壓法在高速公路軟基加固中的應用研究［J］.水利與建筑工程學報，2012(2):5-8.

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