真空聯合堆載預壓在某工程軟土地基處理中的應用

【摘要】真空聯合堆載預壓是工程中處理軟土地基的常用方法，本文以沿海地區某工程為實例介紹了真空聯合堆載預壓的加固機理、設計要點、施工工序及監測，為類似工程的軟土地基處理提供有益參考。

【關鍵詞】真空聯合堆載預壓;軟土地基;地基處理;監測

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、工程概況

本工程位于沿海地區，場地原始地貌單元為濱海灘涂地貌，濱海灘涂經過圍堰填海，堆填整平，場地整體地勢起伏較小。根據地勘報告，擬建場地內分布埋藏的地層主要為沖填土層，第四系海陸交互沉積層，下伏基巖為燕山期花崗巖巖漿巖。第四系海陸交互沉積層自上而下地層順序依次為淤泥質土、淤泥、粉砂、淤泥質土、粉質粘土、礫砂層，其中淤泥質土和淤泥的平均揭露厚度達20m，為防止整個廠區地面不均勻沉降，場地需進行軟土地基處理。

整個場地真空聯合堆載預壓處理面積分A、B兩個區，A處理區面積為23972m2，B處理區面積為22313m2，總的處理面積為46285m2。A、B區平面布置詳圖1。

2、真空聯合堆載預壓加固機理

真空聯合堆載預壓使土體固結的直接原因是：排出土體中的水和氣，降低土體含水量，土骨架受到有效應力的擠密作用使得土顆粒重新排列組合，改善其受力特性和能力。其微觀機理可分為3個步驟[1]：

（1）真空聯合堆載預壓初始階段：該階段實質上是真空預壓階段，僅抽真空系統開始發揮效用。砂墊層中的空氣首先被抽走，形成真空區，緊接著是與砂墊層緊密相連的待處理土層表面層中的連通孔道中的水氣因為砂墊層中產生的壓差而被“壓出”，并逐漸在該土層中形成真空滲流場。這種滲流場作用因為土體中豎向塑料排水板的布置與深部形成豎向連通通道而逐漸向土體深層延伸。該階段主要是孔隙中自由水受力排出，土體受到的有效應力增大。

（2）真空聯合堆載預壓穩定階段：此階段實質上是真空預壓的后期階段，此時整個待加固地基已經形成了一個巨大的真空滲流場，大連通孔道與小連通孔道之間再次形成壓差，這種壓差隨著時間慢慢消散，而小孔道中的水也隨之排出，隨著孔隙水的排出，使得土層中水位下降，土層中自重應力也隨之發生改變，由于上部土層自重的增加，下部土層中形成超靜孔壓，兩者同時作用使得土顆粒重新排列組合。該階段主要是增加了土體的有效應力，使得土在自重作用下產生固結。

（3）真空聯合堆載預壓作用階段：聯合作用階段即是真空預壓和堆載預壓在對土層作用發生正向疊加，真空預壓加速地下孔隙水的外排，地下水位隨之不斷下降，使得土層孔隙比不斷增大，土的有效應力不斷增大，堆載進一步加大土顆粒的有效應力，土層在附加荷載和自重應力作用下加速土顆粒的擠密和重排。該階段土層固結明顯，地基沉降量較大，土層結構強度急劇增大，軟土地基加固效果開始顯現。

3、設計要點

3.1 設計計算

（1）分級加荷固結過程詳圖2，分級加荷條件下，地基在某時間的平均總應力固結度可按下式計算[2][3]：

式中：Urz為地基在t時間的平均總應力固結度;m為加荷級數;? ? ? ? ? 為瞬時加荷條件下，對應于第i級荷載在時間t時的平均總應力固結度;t為計算應力固結度的時間（s）;Tio為第i級荷載加荷的起始時間（s）;Tif為第i級荷載加荷的終了時間（s），當計算加荷期間的應力固結度時，Tif應改為t;Pi為第i級預壓荷載（kPa），當計算加荷期間的應力固結度時，式中Pi應改為ΔPi，ΔPi為對應于第i級荷載加荷期間 t時間的荷載增量。

（2）對于正常固結的地基，預壓荷載下地基的最終豎向沉降量可按下式計算[2][3]：

式中：Sd∞為地基的最終豎向沉降量設計值（cm）;ms為經驗系數，可取1.0～1.3，荷載較大、地基較軟時取高值，也可按地區經驗選取;n為計算壓縮土層的分層數量;e0i為第i土層在平均自重壓力設計值作用下壓縮穩定時的孔隙比設計值，可取均值;e1i為第i土層在平均最終壓力設計值作用下壓縮穩定時的孔隙比設計值，可取均值;h為第i土層厚度（cm），當土層厚度較大時宜劃分若干小層。

3.2 主要材料選取[2][3]

塑料排水板采用C型板，靜壓式插板，正三角形（梅花形）布置，間距1.2m。

砂墊層采用中粗砂，分層鋪設并壓實。

主管為直徑75mm的PVC管，濾管為直徑50mm的PVC管，主管不打孔，濾管應均勻打孔后（孔徑6mm，孔距100mm，交錯打孔）外包200g/m2土工布。

真空泵選用射流式，電機功率不小于7.5kW，，泵后真空壓力不應小于96kPa。

真空聯合堆載預壓軟基處理標準橫斷面圖見圖3。A、B兩區的真空泵、濾管及膜下真空壓力測點平面布置圖分別見圖3、圖4、圖5。

3.3 堆載及卸載要求

堆載及卸載要求詳見表1。

真空卸載標準：根據監測數據推算的工后沉降≤設計要求的工后沉降要求;預壓期滿足90天要求;連續15天平均每天沉降量≤2mm，交工面滿足設計要求。

4、施工過程

4.1 施工工序

真空聯合堆載預壓施工工序主要包括（詳圖6）：

（1）在整平場地上打設黏土密封墻。

（2）鋪設300mm中粗砂墊層，進行一般觀測斷面觀測儀器埋設。

（3）觀測地表沉降，打設塑料排水板。

（4）埋設重點斷面監測儀器，開始監測工作。

（5）鋪設300mm砂墊層，場地清理二次整平，鋪設濾管，安裝真空設備。

（6）開挖密封溝（密封溝深度應至不透氣土層以下，且不小于1.5m，密封溝采用黏土回填并壓實），鋪設密封膜，恢復地表沉降觀測點至密封膜上。

（7）真空加載并觀測地表沉降、水平位移和膜下真空壓力等。

（8）連續10天膜下真空壓力達到80kPa后，鋪設上層土工布及500mm中粗砂墊層，再分級填筑至設計堆載高程。

（9）真空聯合堆載滿載預壓90天后，由監測單位提供監測評估報告。設計單位根據評估報告決定是否真空卸載。

（10）卸載后進行處理效果檢測。

4.2 過程監測

施工過程中除進行施工觀測外，必須對地基變形、孔隙水壓力等進行第三方觀測與監測[2]。監測內容包括：地表沉降及沉降速率，外側地表隆起（沉降），軟土層中孔隙水壓力，兩側土體深層水平位移，軟土層分層沉降，排水板內真空度，土中真空度。A、B區監測點布置詳圖7。施工過程中的監測頻率按表2執行。

結語：

（1）本工程實際沉降量為2.639m，計算沉降量為2.825m，實際沉降量達到計算沉降量的90%以上，真空聯合堆載預壓在本工程軟土地基處理中的效果十分顯著。

（2）真空預壓階段時總應力不變，不需要考慮軟土地基的剪切破壞導致土體失穩;但是堆載預壓階段時由于總應力的增加，土體中產生的剪應力相應增大，要時刻注意剪應力增加的速度要小于土體抗剪強度增加的速度，否則就會導致土體因剪切變形而失穩。

（3）軟土地基處理應建立科學的監測方法，進行信息化施工，以保證施工的質量和安全。

參考文獻：

[1]趙明華.土力學與基礎工程[M].武漢：武漢工業大學出版社，2000.

[2]真空預壓加固軟土地基技術規程（JTS147-2-2009）[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]建筑地基處理技術規范（JGJ79-2012）[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

作者簡介：

金碧（1991～），男，湖南省汨羅市人，碩士研究生，工程師，主要從事建筑結構、巖土工程的設計與研究工作。