真空联合堆载预压法在公路软基处理中的应用

摘要:文章分析了真空联合堆载预压法加固公路软基的机理、特点,然后结合工程软基处理实例对其加固效果进行了探讨和研究,并由此来说明真空联合堆载预压法是一种值得推广的公路软基加固方法,为该方法在公路工程的软基处理中推广应用提供参考。

关键词:真空堆载预压;公路软基;地基处理;加固机理

中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)06-0163-03

我国东南沿海和内陆广泛分布着海相、湖相以及河相沉积的软弱粘性土层。这种土具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性及中等灵敏度的特点,该类土压缩沉降量大,排水固结缓慢,沉降稳定时间很长,地基稳定性差,导致路基的承载力和稳定性常常不够,难以满足工程建设的需要。在实际工程中,软土路基通常需要采取加固处理,真空联合堆载预压法就是处理此种路基的有效方法之一。

一、加固机理

真空预压法是1952年由瑞典工程师杰尔曼首先提出的,1957年首次应用于美国费城国际机场跑道扩建工程。1980年国内首次在天津新港应用,1985年通过了真空预压法国家技术鉴定,经过多年努力探索和研究,该法日趋完善,已进入应用、实施阶段,成为加固软土地基有效的、常规实用的方法。

真空联合堆载预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的,通过真空(负压)和堆载(正压)使土体中的孔隙水产生不平衡的水压力,孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出,使土体产生固结变形,具有真空预压和堆载预压的双重加固效果。堆载过程中,地基土会发生侧向挤出变形,但在真空荷载作用下,地基产生侧向收缩变形,与堆载产生的侧向挤出变形相抵消; 另一方面真空荷载作用下地基土已发生固结,强度有所增长,可以使堆载速度较快而不发生失稳破坏。

采用真空预压法加固地基时,抽真空之前,薄膜内外都受大气压力作用,土体孔隙中的气体与地下水面以上都是处于大气压力(P)状态;而抽真空之后,薄膜内砂垫层中的气体首先被抽出,其压力逐渐下降至P 1,薄膜内外形成一压力差(△P ),使薄膜紧贴于砂垫层上,这个压差称为“真空度”,有△P =∣P - P 1∣。

砂垫层中形成的真空度△P,通过水平向排水体(砂垫层)、纵向排水体(塑料排水板或者砂井)逐渐向下延伸、扩展,引起整个加固区内的孔隙水压力降低,使形成的孔隙水压力小于原静水孔隙水压力,即静水孔隙水压力负向增长,形成负的超静孔隙水压力。根据太沙基有效应力原理有σ=σ"+u,式中,σ为总应力;σ"为有效应力;u 为孔隙水压力。

在真空预压过程中,总应力保持不变。随着孔隙水的排出,孔隙水压力降低,地基的有效应力提高,因此,加固过程中降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力,即△R"=-△u。土体的强度的增长、压缩量的发生,都是以有效应力的变化为前提的,所以,加固区内的土体就是在有效应力增加的过程中得到加固的。从孔隙水的渗透过程看,由达西定律有:

v= k (△h /L ) (1)

式中,v 为孔隙水的渗透速度;k 为土的渗透系数;△h 为水头差;L 为渗透距离。预压过程中产生的负的超静孔隙水压力使加固区内外产生水头差,使之形成渗流需要的水力坡度。从公式(1)中得到土体中孔隙水的渗透速度v 与水力坡度(△h /L)成正比,增加水头差△h (通过抽真空)和减少排水距离L (通过塑料排水板等),均可加速地基排水固结的进程。真空预压过程中的抽真空使加固区内超静孔隙水压力降低,促使地基土体产生排水固结,以达到最终加固地基的目的。

堆载排水预压法是利用路基本身作为荷载,对被加固的地基进行预压,软土地基在此附加荷载的作用下,产生正的超静水压力,在路基填筑及填筑完成以后,超静水压力慢慢消散,土体有效应力不断增长,土体产生固结,强度得到增长。

二、工程概况

双高公路起自青岛市城阳区内省道218白沙河大桥南岸,与仙山西路顺接,沿白沙河南岸展线,在白沙河治理工程的橡胶坝西侧跨越白沙河,路线转向西偏北,设大桥跨越白沙河、墨水河、洪江河,路线沿墨水河河口生态保护区、湿地体育公园北侧前行,设大桥跨越羊毛沟,与现有火炬大道顺接,到达路线终点。路线全长7.565公里。

下面以双高公路K7+200～K7+300断面工程实例作具体分析对象,路基处理宽度约为50m。主要地质资料如下:

亚粘土:(深度:0～1.3m)黄褐色,软～硬塑,含砂粒,韧性一般。

淤泥质亚粘土:(深度:1.3～3.5m)灰色～灰黑色,软塑。

淤泥质亚粘土:(深度:3.5～4.8m)灰黑色,软塑～流塑,有臭味。

亚粘土:(深度:4.8～7m)灰褐色～黄褐色,粘性中等,切面较光滑。

三、施工概况

场地地表水疏干→场地平整→铺设一层土工布→铺设下层风化砂垫层→铺设下层排水砂垫层→粘土帷幕、打设塑料排水板→埋设真空分布管→铺设上层排水砂垫层→铺设一层土工布→铺设密封膜→真空泵安装连接→抽真空→稳定后堆载预压(分层填筑)→卸载。

其中,砂垫层(包括风化砂垫层和排水砂垫层)1m厚;塑料排水板宽度为10cm,打设深度为6m,正方形布置,间距0.8m;抽真空设备采用射流真空泵。

K7+200～K7+300工程段于2009年7月26日开始抽真空,8月10日真空度达到80kPa,以后真空度控制在80kPa以上,9月28日开始堆载,截至10月12日堆载高度为0.5m,距离设计堆载高度1.7m还有1.2m,真空度、孔压稳定。

四、现场监测及成果分析

为了检验真空联合堆载预压法加固软基的效果,判别地基稳定与否,监测地基不同深度土体的侧向变形发展情况,进一步研究真空联合堆载预压加固机理,在加固区内埋设了大量现场观测仪器设备,包括表面沉降板、孔隙水压力计等。

(一)表面沉降分析

表面沉降观测是软基沉降分析的基础,其变化规律是控制施工进度和安排后期施工的最重要指标之一,也是加固效果最直接的反映。

根据观测资料进行分析,处于加固区边缘区的T5左和T5右点沉降量较小,截至10月12日,累计沉降量分别为112mm和100mm,而处于加固区中心的T4、T5中和T6点沉降量较大,累计沉降量分别为159mm、150mm和156mm,呈现整体加固区的土体向场内收缩,对土体稳定有利,说明真空预压加固方法对加速土体沉降的效果十分显著;沉降速率方面,最大值为19mm/d,发生在抽真空初期,真空联合堆载预压后期,平均沉降速率仅为0.2mm/d～0.5mm/d.说明土体沉降基本稳定。各沉降标的沉降见图1。从图1可以看出,在抽真空初期曲线较陡,而最后趋于平缓。即初期沉降速率较大,随时间的延长,沉降速率逐渐变缓,说明土体主固结变化速率是一个渐变收敛的过程。

(二)孔隙水压力分析

孔隙水压力是了解地基土体固结状态最直接的手段,根据孔隙水压力的变化规律,分析地基土体的固结机理,进一步研究真空预压法加固软基的机理和土体强度增长规律,亦可判断被加固土体的加固效果。

双高公路K7+200～K7+300断面共埋设三只孔隙水压力计,地面标高分别为0m、-2m和-4m,从图2可以看出,随着抽真空的开始,不同标高的孔压值均有所下降,孔压值在抽真空初期迅速下降,到8月10日以后,孔压趋于稳定,随着后期堆载的进行,孔压值会有所上升,再经历平稳期,然后再缓慢下降,直至最终固结稳定。

在真空预压过程中,由于有时下雨,大量的降水引起的水位差造成渗流,同时地下水位也发生了变化,是孔隙水压力上升的主要原因。

(三)真空度观测

真空度达到设计要求是软基处理成功的重要保证,真空度的大小是真空预压施工是否成功的最直接的反映。7月26开始抽真空,真空度持续上升较快,各真空表读数相当接近,表明膜下真空度均匀,即场地密封效果良好,8月10日真空度达到80kPa,往后除少数由于停电,真空泵停止运行造成真空度有所起伏外,真空度均能保持在80kPa以上,满足设计要求。

(四)水平位移分析

从图3中可以看出,随着真空预压的进行,加固区两侧土体会有明显的收缩变形,这也是真空预压效果的反映,对保证加固区的稳定起着积极的作用,这一点也是真空预压相对于堆载预压优越性的体现。

在抽真空初期,变形明显,然后日趋稳定。在堆载开始以后,水平位移会保持在原位,或有所反弹,但位移量很小,保证加固土体处于稳定状态。

五、结语

1.真空联合堆载预压法具有真空预压和堆载预压的双重加固效果,加固效果明显,沉降速率较快,最大速率远远超过单纯堆载预压的沉降速率。

2.用真空联合堆载预压法加固软基,堆载过程中地基土产生的侧向挤出变形与真空荷载作用下产生的侧向收缩变形相抵消;另一方面真空荷载作用下地基发生固结,强度有所增长,从而可以使堆载速度较快而不至于发生失稳破坏。

3.加固深度较大,减少了工后沉降,根据实测资料,能消除下卧软弱土层部分次固结沉降。

4.真空联合堆载预压法施工管理和质量检验简单易行。

5.真空联合堆载预压法在大范围地基加固处理方面,相对于其他地基处理方案,工期及经济优势比较明显,值得推广应用。

参考文献

[1]陈希哲.土力学地基基础(第四版)[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]牛志荣.地基处理技术及工程应用[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

作者简介:杨浩宇(1974-),男,甘肃武山人,中铁一局集团第一工程有限公司西宝铁路客运专线项目部副经理,工程师,研究方向:公路建设。

推荐访问:预压 真空 公路 联合