真空预压排水固结法

堆载联合真空预压排水固结法加固沿海软弱地地基

王必卫 范伟 霍广勇

[摘要] 堆载预压法和真空预压法同属排水固结法，二者各有优缺点。本文结合工程实例，详细论述了堆载预压和真空预压联合加固软基的原理和施工要点。

[关键词]堆载预压：联合；真空预压；加固；软基。

一、概述

沿海地区广泛分布着含水量高、透水性差、压缩性大、强度低的海相沉积软弱粘士层，其地基承载力和稳定性很差，在荷载作用下会产生相当大的沉降和沉降差，影响建筑物的正常使用，因此，这种地基通常需要加固处理。排水固结法中的真空预压法和堆载预压法就是处理软弱地基的常用方法，二者加固地基的原理相同，只不过是施加预压的加载方式不同。真空预压法与常规的堆载预压法相比，具有加荷速度快、无需堆载材料、加荷中不出现地基失稳现象等优点，其最大缺点是预压荷载偏小（不超过100KPA）；而堆载预压法工期相对较长，需大量的预压材料，但其优点是最大预压荷载不受限制。若能将真空预压与堆载预压联合加载就刚好可以发挥二者的优点，而理论分析和工程实践都已证明真空预压法与常规的堆载预压法是可以联合使用的，这两种方法在加固软土时分别产生的负超静水压力（真空预压）和正超静水压力（堆载预压）是可以迭加的，由此产生的有效应力迭加在一起，最终使土体产生垂直压缩变形、强度增长。

堆载预压法有个特例就是用建筑物的自身重量（比如路堤土等）作为预压荷载，加固结束后不再卸载，从而节约投资、缩短工期。为和常规堆载法区分，这里称之为自载预压

法。在用排水固结法加固软基过程中，为了加快施工进度、提高加固效果，把自载预压法作主要荷载，而把真空预压当作超载来进行联合加载时，我们称之为自载联合真空预压法。

二、自载联合真空预压法在沿海公路建设中的应用

在深厚软弱地基上修建公路，通常采用自载（路堤土）预压法处理地基，但其往往面临两方面的问题：

1、 工后沉降量过大问题

在公路设计与施工时，虽然对桥头和路堤的工后沉降量提出了明确要求，但却难以做到。一是因为估算的沉降量本身就不易准确控制；二是因为预压期往往是在没有施加路面荷载的情况下确定的，因此当铺上了路面之后，路基在路面荷载的作用下又会产生新的沉降，从而使工后沉降达不到要求。有的地方为此对路堤或桥头采取了等载预压的措施，即用与路面荷载相当的堆载先对地基预压一定时期后，再将此堆载卸掉修建路面，但是这就有一个寻找土源、重新移弃堆载土的问题，既不经济，又不环保。

2、 加载过程中路堤稳定及工期过长问题

采用堆载或自载预压法处理软弱地基时，始终得考虑路堤的稳定而必须分级加载，且加载后要稳定一段时间以便地基强度的增长能随得住荷载的增加，否则就容易在施工中产生滑坡或导致软土侧向变形过大、土体固结达不到要求，因此施工速度较慢、工期过长。

如果在自载预压的前提下再辅以真空预压进行联合加载，实际上是在对路基实施超载载预压加固，超载部分就是由真空荷载来代替，该荷载施加方便、迅速，其最大荷载可达

80-95KPA，相当于4-5M的填土荷载，大大超过路面荷载（30KPA）和一般的超载（2M左右的填土），这不仅实现了等载预压、而且还真正起到了超载预压的加固作用。因此，在对修建在沿海软基上的公路路基进行加固处理时采用自载联合真空预压法，可以解决以下三方面的问题：

1、沉降问题，使地基的沉降在联合加固期间被基本消除，路堤在使用期间不致再有过大的沉降和沉降差，大大减少桥头跳车。

2、稳定问题，联合加固能加速地基土抗剪强度的增长，从而提高地基承载力和稳定性。

3、工程加快，能加快路堤的填筑速度，缩短工期达三分之一以上。

三、自载联合真实预压法加固地基的实施

自载联合真空预压排水固结法加固地基是由排水系统（垂直及水平）和加压系统两部分组成。排水系统的主要作用在于改变地基原有的排水边界条件和借助排水系统来传递真空压力，增加孔隙水排出的途径、缩短排水距离，减少加固时间；加压系统就是使地基土的有效固结压力增加而产生固结的荷载，即路堤本身自重和真空荷载。排水系统是一种手段，如果没有加压系统，孔隙中的水没有压力差就不会自然排出，地基也就得不到加固；如果只增加固结压力，无良好的排水系统或不缩短土层的排水距离，则不能取得好的加固效果或不能在预压期内尽快地完成设计所要求的沉降量，强度不能及时提高，加载也就不能顺利进行，工期要求将得不到满足。所以上述两个系统都是必不可少的，设计时总是要联系起来统筹考虑。自载联合真空预压加固的示意图如图1。

图1自载联合真空预压法加固软基示意图

自载联合真空预压加固地基时，一般先在软弱地基上按真空排水预压法的施工程序进行施工，即依次进行铺设砂垫层、打设垂直排水通道、铺设主滤管、安装抽真空装置、铺密封膜等工序，在经试抽空并确认没有漏气发生后，就可进行路堤的逐层填筑施工。

在具体施工时要注意以下几点：

1、一定得等膜下真空度稳定、并达到设计要求之后才能进行路堤施工，否则堆载上去之后一旦出现漏气问题就难以处理了。

2、为了防止堆第一层土时将密封膜和膜上的保护层弄破，最好在膜下也铺一层热粘针刺无纺土工布或编制土工布，以防膜被堆载中的尖利物戳破。

3、施工第一层堆载土要十分小心，可适当厚些，最好在40-50cm左右，铺设时尽量找平，先进行人工摊铺后再用机械由近向远逐步推进，压实时由轻到重进行多遍碾压。

4、第一层填土铺完碾压后不要急于铺第二层，观察一下膜下真空度的变化，以检查有否漏气。若没有异常情况发生，则可一边抽真空，一边像路堤正常施工一样分层往上连续铺筑碾压，这样才能充分发挥自载联合真空预压的长处。

5、堆载时要注意保护膜面上的沉降观测标杆，并在堆载前进行一次测量，以记好堆载前沉降曲线的起点，便于日后对加固效果进行分析。

6、一些特殊的地方（如桥头高填土）采用联合加固时，要密切注意对已有构筑物的影响，避免一些意外事故发生。

四、工程实例

深圳市宝安区某快速干道一路段长159M，宽约50M，设计填筑的路堤高5M。当时因某些原因工期要求已落后4个多月，为了赶上工期，设计与施工单位采用自载联合真空预压的加固方法加固地基，最终不仅加固达到设计要求，而且工期也弥补上来。这是自载联合真空预压法运用得比较成功的一个实例，详细介绍如下：

1、路基土层的地质概况

地质勘探资料表明，该路段自上而下由以下几层组成：

第一层，人工吹填土，厚为0.3-0.5M；由粉砂、细砂组成，含少量细碎贝壳和淤泥；

第二层，耕植土，厚0.5-1.3M，松散，含植物根系；

第三层，淤泥混砂，饱和、软塑-流塑，富含有机质，局部夹粉砂，该层含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低，是地基加固的主要对象；

第四层，粉土或砂混淤泥，厚3.5-73.5M，底板埋深一般在7.5M、最大为10.5M；饱和，该层渗透性较好，k=10-3-10-4cm/s；

第五层，淤泥或淤泥夹砂层，层厚大于10M，饱和、流塑-软塑、强度低，含水量高，孔隙比大、压缩性高、强度低，也是加固的主要对象；

第六层，淤泥质粘土层，饱和，软塑状，粘滑，含大量贝壳及腐植物，分布均匀，钻探未钻穿，应该说这也是一层需处理的对象，其对路堤的后期沉降会有较大的影响。淤泥软土的土工试验综合成果见表1所示。

表1 淤泥软土的物理力学指标

2、施工简况

（1） 场地打设了深20M、间距1.3M、直径为7CM、呈梅花形布置的袋装砂井作为垂直排水通道；表层铺设厚度为70CM的中粗砂垫层，作为水平排水通道。

（2） 在加固区外采用淤泥搅拌墙（深7M、局部10M）及垂直插塑（深5M）等密封技术，对第四层粉土及砂混淤泥进行封堵，以保证加固区内有较高的真空度；实践证明这二项技术起到了作用，在试抽时膜下真空度一天内达到80KPA，而停抽一天后真空度才损失2KPA。

（3） 密封膜上铺设了40#扁丝机织土工布（抗拉强度40KN/M）以保护其不被刺破。

（4） 抽真空装置安排12台套，其中2台套为备用。平均每台套担负800M2 面积，滤管间距为6M。

（5） 在抽真空开始、膜下真空度达到80KPA后的30天才开始用吹填方式填筑路堤，填筑共分五层，层厚依次为1.2M、1.6-1.8M、1.0M、0.5M、0.5M，共5M厚；历时67天，此后自载联合真空预压又历时124天完成加固。实际的加载历时曲线见图2，联合加载的典型断面如图3。

图2实际的加载历时曲线

图3联合加载的典型断面

3、自载联合真空预压加固的效果与分析

加固现场设置了真空度、地表沉降、水平位移和孔隙水压力等观测项目，观测结果表明加固取得了较好的效果。

（1）加固中最大沉降速率达到72MM/D，发生在抽真空的初期；在联合预压加固中，每次加载的头几天沉降速率也都在40-50MM/D；远远超出规范要求的沉降速率宜控制在20MM/D以下的标准。整个填筑过程中路提始终是稳定的，没有出现任何失稳的征兆。路中心点平均沉降达277.5CM，估计固结度达到90%左右，基本满足工后沉降量〈30CM的要求。典型断面的荷载——沉降曲线见图4。

图4典型断面的荷载——沉降曲线

（2）孔隙水压力的观测结果（见图5）表明，开始抽真空时孔隙水压力就开始下降，形成负超静水压力，在地下9M深的测头孔隙水压力值下降较快、较大；在吹填加载期间，每加一级荷载，各个测头的孔隙水压力值均明显地出现短暂的增大、随后很快便稳定，在吹填加载5M的整个过程中，其最大累计升幅为30KPA（发生在埋深18M的测头处），其余为10-20KPA，而且所有测头读数都未超过出孔压初时的稳定值。这是由于在加固区内始终丰在着稳定的真空压力，其产生的负超静水压力抵消了相当一部分堆载过程中始终处于低孔隙水压力的稳定状态，没有出现滑坡和失稳现象。也正因此才大大缩短了堆载和维持堆载稳定的时间，加快了工期；该工程比常规的堆载预压法提前了4个多月的工期，保证了全线按时通车。

图5加固中孔隙水压力时间过程线

4、 小结

本工程实例通过运用自载联合真空预压法，很好地解决了在珠江三角洲软土地基上修路时存在的两大难题，同时在施工结束后不存在卸除超载土的问题，既环保又节约了投资。因此说在沿软弱土层地区修建公路，自载联合真空预压排水固结法是一种经济而有效的地基处理方法。