于 慧

(珠海市金灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站,廣東珠海 519041)

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的應(yīng)用

于 慧

(珠海市金灣區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站,廣東珠海 519041)

堆載預(yù)壓法的機(jī)理是采用提高附加應(yīng)力強(qiáng)制排出孔隙水,減小孔隙比,提高軟弱地基承載力;真空預(yù)壓法的機(jī)理是采用降低孔隙水壓力,吸出孔隙水,減小孔隙比,使軟弱地基承載力得到提高;而真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法結(jié)合上述兩者的優(yōu)點(diǎn),使軟弱地基承載力和彈性模量在短時(shí)間內(nèi)得到提高。實(shí)踐證明,該方法是廣泛適用于道路軟基處理的。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓;軟弱地基;孔隙比;固結(jié)度

0 引言

預(yù)壓法包括堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法。預(yù)壓法適用于處理淤泥質(zhì)土、淤泥和沖填土等飽和粘性土地基[1];在各種軟弱地基處理方法中,該方法是運(yùn)用較廣泛的方法之一。其基本原理是軟土地基在附加荷載的作用下,逐漸排出孔隙水,使孔隙比減小,產(chǎn)生固結(jié)變形,土體的有效應(yīng)力增加,地基強(qiáng)度相應(yīng)增加,并提高沉降速率和使沉降提前完成。堆載預(yù)壓法與真空預(yù)壓法的加固原理相似;實(shí)踐證明,這兩種方法聯(lián)合使用,即真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法,可以加速地基沉降,提高預(yù)壓效果,縮短預(yù)壓時(shí)間,從而縮短工期,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在沿海地區(qū)運(yùn)用較多,在中部地區(qū)運(yùn)用較少。

1 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的原理

太沙基的有效應(yīng)力原理表明:軟弱土體強(qiáng)度的增加以及壓縮量的發(fā)生,都是土體內(nèi)部有效應(yīng)力變化的結(jié)果。只有土體的有效應(yīng)力增加,土體才會(huì)產(chǎn)生固結(jié),強(qiáng)度才會(huì)提高。真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固軟土地基的原理就是基于此理論[2]。

1.1 堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理[3]

堆載預(yù)壓法是在軟土地基中設(shè)置砂井或塑料板之類的豎向排水體,在地表面鋪設(shè)砂墊層作為水平排水通道,然后進(jìn)行堆載預(yù)壓。軟土地基在附加荷載的作用下,產(chǎn)生超靜孔隙水壓力,經(jīng)過一段時(shí)間的預(yù)壓后,孔隙水滲出,超靜水壓力逐漸消散,其孔隙比不斷減小,土體的有效應(yīng)力不斷增加,即土體的強(qiáng)度和彈性模量同步提高。當(dāng)土體固結(jié)度達(dá)到一定程度后,剩余的工后沉降滿足沉降要求時(shí),堆載完成。

在土質(zhì)均勻的情況下,土體固結(jié)度相對一致。由于土的滲水差異,工后質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求存在一定的差別。堆載預(yù)壓法施工周期較長。

1.2 真空預(yù)壓法的加固機(jī)理[4]

真空預(yù)壓法是在軟土地基地表面鋪設(shè)砂墊層作為水平排水通道,設(shè)置砂井或塑料板等作為豎向排水通道,再用不透氣的密封膜密封預(yù)壓區(qū)域,使其與大氣隔絕,密封膜四周埋入土中,通過砂墊層內(nèi)埋設(shè)的管道與真空泵連接。在抽氣前,密封膜內(nèi)外都受大氣壓作用,土體孔隙中的氣體和地下水都處于大氣壓力狀態(tài)。抽氣后,密封膜內(nèi)和土體的氣體逐漸被抽出,其壓力逐漸下降,密封膜內(nèi)外形成壓力差(這個(gè)壓力差稱為真空度),通過水平和豎向排水通道擴(kuò)散,并逐漸在其周邊的土體傳遞與擴(kuò)展。對土體而言,在孔隙周邊壓力不變的情況下,孔隙中氣體與水的壓力,在抽氣時(shí),不斷降低;土體中形成不穩(wěn)定滲流,這些滲流不斷地向排水通道匯集,抽出,使孔隙比減小,達(dá)到土體加固的目的。

真空預(yù)壓法荷載可快速施加,加固速度快,工期短。由于負(fù)壓有限,加上土粒的摩擦阻力,造成土體中孔隙比只能減小到一定程度。土體固結(jié)度均勻性相比堆載預(yù)壓法較差。

1.3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的加固機(jī)理

中國從上世紀(jì)80年代開始真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的研究,理論和實(shí)踐表明,真空預(yù)壓和堆載預(yù)壓的加固效果是可以疊加的。真空預(yù)壓可使土體的部分水和空氣快速排出,形成滲水通道,使土體的孔隙比得到初步減小,再進(jìn)行堆載和真空預(yù)壓,加大孔隙壓力,使土體中的水和空氣沿著原有的滲水通道盡量排出,孔隙比進(jìn)一步減小,土體的強(qiáng)度和彈性模量在短時(shí)間內(nèi)得到均勻、有效的提高。

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法具有很好的加固效果,施工效率高,施工工期短,經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的施工工藝

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的施工工藝包括排水系統(tǒng)的敷設(shè)、抽真空系統(tǒng)的安裝、密封系統(tǒng)的敷設(shè)和加載預(yù)壓。

2.1 排水系統(tǒng)的敷設(shè)

排水系統(tǒng)包括水平向和豎向排水兩個(gè)系統(tǒng)。水平排水系統(tǒng)主要是指砂墊層,在鋪設(shè)砂墊層前應(yīng)進(jìn)行場地平整,平整后的場地宜中間高兩邊低,平整場地后先平鋪中粗砂,中粗砂厚500 m,分兩次攤鋪,第一次鋪300 m,然后進(jìn)行塑料排水板的施工(圖1),然后再鋪200 m厚的砂墊層。

圖1 排水板的施工Fig.1 Construction of drainage plate

2.2 抽真空系統(tǒng)的安裝

抽真空系統(tǒng)主要是指主管、濾管的布置,主管出膜裝置、抽真空設(shè)備的安裝等。為了傳遞真空壓力和將砂墊層中的水排出,應(yīng)在砂墊層中埋設(shè)真空管網(wǎng),濾管上有均勻分布的孔洞,并在管子外包裹起反濾作用的無紡?fù)凉げ?主管將濾管與密封膜外的真空泵連在一起,主管上沒有孔洞。主管、濾管可采用PVC管,埋設(shè)在500 mm厚的砂墊層中間(圖2)。抽真空裝置主要是指真空泵,真空泵的數(shù)量應(yīng)根據(jù)加固塊的面積來確定,若真空度要求為80 kPa,一般可每1 000～1 200 m2布置一臺(tái)。

2.3 密封系統(tǒng)的敷設(shè)

圖2 主管、濾管的埋設(shè)Fig.2 Burying ofmain pipe and filter pipe

密封系統(tǒng)包括密封膜的鋪設(shè)、密封溝的開挖與回填、土層深部的密封等。密封膜一般采用PE或PVC薄膜,厚度在0.12～0.14 mm,要求有一定的強(qiáng)度。密封膜主要起隔斷作用,將預(yù)壓塊下的土體與外界隔開,因此在預(yù)壓塊四周應(yīng)挖密封溝,將密封膜埋入在密封溝內(nèi)(圖3),密封溝一般深≥1.5 m。若在被加固的土體下存在薄層透水層(如砂層或粉砂層),則應(yīng)對該土層進(jìn)行隔斷,隔斷的方法可采用灌漿法或深層攪拌法等。

圖3 密封膜的敷設(shè)Fig.3 Laying of sealmembrane

2.4 加載預(yù)壓

在前述工序完成后,可試抽真空,等真空度滿足設(shè)計(jì)要求并穩(wěn)定一周后,即可開始加載,在填土前,宜先填一層砂,以防土體中存在尖銳的石子等將密封膜劃破。第一層堆載不要太厚,最好在500 mm左右,先進(jìn)行人工攤鋪,再用機(jī)械由近向遠(yuǎn)逐步推進(jìn)。土方壓實(shí)時(shí),也應(yīng)由輕到重進(jìn)行多遍碾壓。由于真空預(yù)壓的側(cè)向位移是向預(yù)壓塊中心內(nèi)縮的,對于5.0 m高以下的路堤可不必控制堆載的速度,快速堆載反而可以節(jié)省預(yù)壓時(shí)間,減少工期,取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。

3 真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法的應(yīng)用

真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在武漢市某城市主干道中得到了運(yùn)用。擬建道路填土高度均在4 m左右,寬70 m。擬建道路地區(qū)歷史上是由圍湖造田而成,地勢普遍較低,高程在17.20 m(黃海高程)左右,場地在地貌上屬于湖泊堆積平原。地質(zhì)條件較差,軟土地基深度均在15 m左右,軟土層主要為素填土、淤泥及淤泥質(zhì)粘土層、粘土。軟土層工程力學(xué)性質(zhì)極差,主要表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高等特性。土層由上到下依次為:①素填土:厚1.40～1.50 m,淺灰色,稍密,局部松散,主要成份為粘性土,局部含少量碎石等及底部混合淤泥;②淤泥:厚0.50～4.10 m,灰色,流塑,飽和;③粘土:厚0.50～4.10 m,灰色、灰褐色,可軟塑;④淤泥質(zhì)粘土:厚4.00～8.50 m,灰色,流塑,飽和;⑤粘土:厚0.50～5.70 m,灰色、灰褐色,軟塑,局部可塑;⑥粘土:厚2.20～4.30 m,灰色、灰褐色,可塑。各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical indexes of every soil layer

加固后的固結(jié)沉降要求[5]:加固后的工后沉降(工后沉降基準(zhǔn)期為15年)在一般路段≤30 cm,涵洞或箱涵通道處≤20 cm,橋臺(tái)與路堤相鄰處≤10 cm。其他指標(biāo)為:真空度≥80 kPa,堆載至設(shè)計(jì)路面(填土高約4.0 m)停抽真空時(shí)的沉降為2 mm/d(連續(xù)一周),連續(xù)兩個(gè)月觀測的沉降量每月≤5 mm,方可卸載開挖路槽并開始路面鋪筑。

經(jīng)過預(yù)壓,各預(yù)壓塊的沉降大部分提前完成,工后沉降普遍控制在200 mm以內(nèi),停抽真空時(shí)的沉降量普遍為880～1 650 mm,沉降效果顯著。在停抽真空后的監(jiān)測結(jié)果表明,在停抽真空后一般有一定的回彈,然后地基再緩慢下沉,此時(shí)沉降速率很小且日趨減小,一般在停抽真空2～3個(gè)月后,就可施工路面,從停抽真空到施工路面時(shí),此段時(shí)間內(nèi)的沉降量約為20～40 mm。

另外,在堆載期間,基本上沒有控制堆載速度,整個(gè)工程沒有發(fā)生因?yàn)槎演d過快而引發(fā)路堤失穩(wěn)的問題,這是由于真空預(yù)壓引發(fā)的水平位移是向路堤中心的,因此,真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法對于路堤的穩(wěn)定性是相當(dāng)有利的。

通過室內(nèi)土工試驗(yàn)、現(xiàn)場的靜力觸探和十字板剪切試驗(yàn),可以判斷加固的程度和效果。室內(nèi)土工試驗(yàn)表明②淤泥層和④淤泥質(zhì)粘土層加固后的含水率和孔隙比均明顯減小,抗剪強(qiáng)度和壓縮模量明顯提高,特別是②淤泥層變化最為顯著,而對于相對較好土層③粘土層和⑤粘土層,加固前后地基土物理力學(xué)指標(biāo)基本上無變化。相對于室內(nèi)土工試驗(yàn),靜力觸探和十字板試驗(yàn)為原位測試,人為因素的影響很小,更能反應(yīng)出實(shí)際加固效果。測試結(jié)果表明,加固區(qū)地基土加固完成后強(qiáng)度指標(biāo)有了明顯提高,相對而言,②淤泥層和④淤泥質(zhì)粘土層加固后Ps值和Su值均成倍提高,表現(xiàn)出與室內(nèi)土工試驗(yàn)相同的規(guī)律性。圖4為道路在0+660處的十字板剪切試驗(yàn)結(jié)果對比。

圖4 地基加固前后十字板試驗(yàn)對比Fig.4 Cross board experimental comparison in foundation reinforcement

4 結(jié)語

盡管真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法在武漢市首次運(yùn)用,實(shí)踐表明,其能夠解決軟土地基上修筑路堤遇到的穩(wěn)定和沉降問題。通過對試驗(yàn)資料分析得出:在湖積相軟土區(qū)采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法加固地基效果明顯,加固前后土層的物理力學(xué)指標(biāo)有顯著提高。由于其對不高的路堤的堆載速度無限制,因此可快速堆載,節(jié)省預(yù)壓時(shí)間,滿足業(yè)主對工期的要求。該道路從2004年年底開始大面積施工,到目前為止通車運(yùn)行正常,取得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

[1] JGJ 79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 工程地質(zhì)手冊[S].第四版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:911.

[3] JGJ 79—2002,建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 婁炎.真空排水預(yù)壓法加固軟土技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] JTJ 017—96,公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯:胡立智)

Application of Vacuum-mound Preloading

YU Hui
(Zhuhai Jinwan A rea Construction Quality Supervision and Detection Station,Zhuhai,Guangdong519041)

Mechanism of load preloading is using a method by increasing additional stress to extrude pore water and reduce void ratio in order to improve bearing capacity of soft foundtion.Mechanism of vacuum preloading is using a method by reducing the pressure of pore water,extract the water to reduce void ratio,in order to improve bearing capacity of soft foundation.Vacuum-mound preloading combined the feature of above mentioned, improving the bearing capacity and elastic modulus of soft soil in a shot time.Practice has proved that the method has been widely used in road soft soil foundation treatment.

soft foundation;void ratio;vacuum-surcharge preloading;degree of consolidation

TU471.8

A

1671-1211(2010)03-0313-04

2009-07-09;改回日期:2010-05-31

于慧(1983-),女,自動(dòng)化專業(yè),從事建設(shè)工程方面的工作。E-mail:delia@live.cn