真空聯合堆載預壓道路地基變形特性分析

劉光明，曹旭華，王 健，鄔龍剛

（廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州 510010）

0 引言

真空聯合堆載預壓是深層軟土地基處理常用的方法之一，具有工期短、經濟性好等優點。軟土通常含水量大、壓縮性高，真空聯合堆載預壓處理后變形顯著。地基變形是真空聯合堆載預壓處理效果的表現形式和預期成果，是地基處理設計和施工控制的重要指標，也是地基處理科研的重要途徑。本文依托具體工程試驗，對真空聯合堆載預壓處理地基表層沉降、地表水平位移，分層沉降、深層水平位移進行分析，研究結果對類似工程地基處理的科研和應用具有借鑒和指導意義。

1 真空聯合堆載預壓加固機理

真空預壓法是將加固區密封后，通過抽真空使膜內外形成大氣壓差，由于砂墊層和豎向排水井與地基土界面存在這一壓差，土中的孔隙水發生向豎井的滲流，使孔隙水壓力不斷降低，有效應力不斷提高，而使土逐漸固結[1]。在真空預壓法中，膜下真空度被限制在一個標準大氣壓（101.3kPa，實際工程中一般為80～90kPa），因此為了進一步改善加固效果，進行真空預壓的同時在密封膜上堆載，即真空聯合堆載預壓。堆載增加了土體中的孔隙水壓力，于是地基土和塑料排水板之間的壓差進一步加大，其排水速度和加固效果要優于真空預壓法，具有真空預壓和堆載預壓的雙重加固效果[2-3]。雖然堆載過程中，地基土也會發生側向擠出變形，但由于有真空荷載作用，真空產生的側向收縮變形與堆載產生的側向擠出變形相抵消，另一方面真空荷載作用下地基土已發生固結，強度有所增長，從而可以堆載速度很快而不發生失穩破壞[4]。

2 工程試驗概況

2.1 工程概況及地質條件

廣州南沙地區位于珠江三角洲的沖擊平原，某項目位于珠江主流末端的沙洲上。場地地層依次分為：第四系填土層，厚0.50～7.70m，平均層厚1.18m；淤泥層，厚 15～35m，平均層厚 20m；下臥粉質黏土、粉細砂、中粗砂和基巖。淤泥層主要物理力學性質見表1。

表1 淤泥層主要物理力學性質指標表

場地內進行市政路網建設，路基填筑高度為3～5m，地基主要采用真空聯合堆載預壓法進行處理。某路段軟土深度為26m，地基處理采用梅花形布置的塑料排水板，打入深度25m，間距1.2m；中粗砂墊層厚度0.6m。膜下真空度不小于85kPa，膜上堆載43.25kPa（2.5m厚中細砂）。真空聯合堆載預壓荷載卸載標準為地基平均固結度不小于90%。

2.2 地基處理監測布設

為反映出道路下方及兩側地基的變形特性，本路段地基處理主要進行了地表沉降（D19～D21）、地表水平位移（JNW1、JNW2）、分層沉降（FC3）和深層水平位移監測。分層沉降FC3從地表向下每3m布置一個測點，編號為FC3-1～FC3-8，共8個測點。測斜管位于堆載土方坡腳處。監測點布置如圖1所示。

圖1 監測點布置圖（單位：m）

3 地基變形特性分析

3.1 地表沉降特性分析

如圖2所示，從抽真空開始，3d后密封膜下最小真空預壓荷載達85kPa，5d后達到89kPa，并持續保持穩定；25d后進行第一次堆載10.38kPa，42d后進行第二次堆載24.22kPa，56d后進行第三次堆載8.65kPa。后續排水預壓過程中，荷載持續、穩定，總抽真空時間143d。

圖2 地表沉降-荷載-時間歷程曲線

路中和路肩沉降趨勢基本一致，整體上呈現出預壓前期沉降速率大、固結效果顯著（抽真空開始一個月后平均固結度近50%，抽真空56d、第三級堆載完成后，平均固結度已達70%），后期沉降速率減緩、沉降逐步收斂。沉降速率隨密封膜上多級分層堆載的施加而增大，分層堆載加速了地基固結，增加了地基沉降量。

抽真空143d后，路中沉降為176.3cm，兩側路肩沉降分別為159.6cm和160.3cm，略小于路中沉降，平均固結度分別為99.0%（路中）、99.1%（左側）和99.4%（右側），路基范圍地基固結均勻。

地基固結沉降速度與施加的預壓荷載有較大的關聯性，確保持續有效的真空荷載和把握良好的堆載時機，可以提高地基固結效率。在保持地基穩定的條件下，真空荷載和各級堆載施加的越早、前期荷載施加越大，可以提高地基固結沉降效率，縮短真空聯合堆載預壓時間。

3.2 地表水平位移特性分析

從圖3可見，各監測點地表水平位移受真空荷載和堆載荷載的影響較大，且影響程度不同。分層堆載前，僅在真空荷載作用下，地表發生向路基側的水平位移；42d第二次分層堆載后，地表水平位移的變形趨勢被改變，JNW1點（近路堤）雖然繼續向路基側變形，但速率顯著減小，JNW2點的變形轉向遠離路堤側；在分層堆載完畢后、持續抽真空的作用下，地表水平位移又逐漸轉向路基側。

圖3 水平位移-時間歷程曲線

真空荷載引起表層發生向真空區的水平位移，分層堆載可引起地表向遠離堆載區的水平位移，適當的堆載可以減弱或抵消真空引起的水平位移，減小地基處理引起地表變形范圍。但真空荷載和分層堆載對地表水平位移的影響程度不同，在持續抽真空作用下，地表水平位移最終仍會向真空區發展。

3.3 地基分層沉降特性分析

從圖4、圖5及表2可見，各分層沉降監測點沉降趨勢基本一致，演變規律與地表沉降基本相同。但從地表向下深度逐漸增加，各分層沉降量受地表分層堆載的影響逐漸減小。不同深度處沉降量與深度呈現出指數函數關系，本工程中沉降量y=170.55e-0.098x，對該式求導后得各分層壓縮量與深度關系式y’=-16.71e-0.098x，分層沉降量和分層壓縮量均從地表向下呈指數型衰減。

圖4 分層沉降-荷載-時間歷程曲線

圖5 分層沉降量-深度曲線

表2 各分層深度沉降參數表

埋深18～25m、9～18m、0～9m深處土層的平均固結度分別在抽真空開始72d、87d、102d后達到90%。深處地基的平均固結度更容易滿足設計要求，中上部地基需要較長的固結時間，深處地基比中上部地基的平均固結度可提前30d滿足設計要求。地基0～9m、9～18m、18～25m的分層壓縮量分別為109.8cm、36.7cm、29.8cm，分別為總沉降量的62.3%、20.8%、16.9%，地基沉降主要發生在中上部。

在一些深厚軟土實際工程中，排水固結處理施工結束、使用荷載填筑完畢后不久即發生較大的“工后沉降”，許多工程人員認為是地基處理深度不夠導致的，但根據上述分析，使用荷載填筑完畢后短時間內發生的“工后沉降”并不滿足地基沉降變形規律，不是預壓期固結沉降隨時間的延續，而是地基卸載后再加載形成的新的地基沉降。根據上述分層沉降規律，新的地基固結沉降也應該主要發生在地基層的中上部，地基深處仍很小。因此地基處理應該在確定合理的處理深度和措施的基礎上，加強對中上部軟土層的處理，將對使用荷載填筑后短時間內發生的較大“工后沉降”有良好的控制作用。一些具體的工程實踐證明了加強對中上部軟土變形控制思路的正確性，如在預壓固結后再施以強夯或攪拌樁聯合排水板地基加固等，均得到很好的效果[5-7]。

3.4 地基深層水平位移特性分析

從圖6可見，真空荷載預壓初期（0～9d）地基整體發生向路基側水平位移，從地表至地基深部位移量逐漸減??；在12～22d后深層水平位移繼續增大，但地表下3m處水平位移增加最顯著，是水平位移的“極值”點；25～42d期間，第一層堆載10.33kPa后、第二層堆載24.22kPa前，地層仍繼續向真空區移動；42d后，第一、第二層堆載總計34.55kPa加載后，地基深層水平位移發生“轉向”，向遠離路基側變形，并隨施加荷載和時間的增加，逐漸抵消了地基深層向路基側已經發生的水平位移。真空荷載引起的深層水平位移主要發生在地表以下10m內，分層堆載引起的“轉向”現象主要發生在地表下12m內；由于分層堆載的作用，水平位移“極值”點由地表下3m向下發展至4m處。

圖6 深層水平位移變形曲線圖

適當的分層堆載可以減弱或抵消真空荷載引起的深層水平位移，減弱作用向地層深處逐漸減小，其中對地表下4m內的作用最顯著。真空荷載和分層堆載引起的深層水平位移主要分布在地表下10m和12m內，分層堆載的影響深度大于真空荷載。

4 結語

（1）路基范圍地基固結均勻，整體上呈現出預壓前期沉降速率大、固結效果顯著，后期沉降速率減緩、沉降逐步收斂的態勢。在保持地基穩定的條件下，真空荷載和各級堆載施加的越早、前期荷載施加越大，可以提高地基固結沉降效率，縮短真空聯合堆載預壓時間。

（2）適當的堆載可以減弱或抵消真空引起的單向水平位移，減小地基處理引起地表變形范圍。但真空荷載和分層堆載對地表水平位移的影響程度不同，在持續抽真空作用下，地表水平位移最終仍會向真空區發展。

（3）分層沉降量和分層壓縮量均從地表向下呈指數型衰減。深處地基的平均固結度更容易滿足要求，中上部地基需要較長的固結時間。地基沉降主要發生在中上部，加強對中上部軟土層的處理，對使用荷載填筑后短時間內發生的較大“工后沉降”有良好的控制作用。

（4）適當的分層堆載可以減弱或抵消真空荷載引起的深層水平位移，減弱作用向地層深處逐漸減小，其中對地表下4m內的作用最顯著。真空荷載和分層堆載引起的深層水平位移主要分布在地表下10m和12m內，分層堆載的影響深度大于真空荷載。

參考文獻：

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