真空联合堆载预压在加固软土路基中的应用
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真空联合堆载预压在加固软土路基中的应用
摘要真空联合堆载预压方法已广泛应用于处理高等级公路的软土路基，与常规的堆载预压法对比，该方法能有效地降低工后沉降，节约工期，并能保证路基的稳定性，通过工程实例，阐述了真空联合堆载方法的加固机理及施工工艺，并通过对现场检测资料的分析，说明该方法用于加固软土路基所取得的良好效果。
关键词真空联合堆载预压 软土路基 加固 施工工艺
随着我国公路建设的不断发展，高等级公路也越来越多，在深厚软土地基上修建高等级公路，且满足稳定和沉降要求，需要对地基进行有效的经济处理措施。软土具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性、低透水性及中高等灵敏度的特点，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。真空联合堆载预压法是在真空预压技术和堆载预压技术基础上联合发展起来的一种软基加固技术，具有施工快捷、工期短、安全稳定，无需堆载材料（直接填筑路基相当于堆载）经济有效等优点。真空联合堆载预压法是一种经济合理、技术可行的高等级公路深厚软基处理方法，在软土路基中不断得到推广应用。
1真空联合堆载预压法的加固机理
真空联合堆载预压法是在堆载预压的同时借助大气压力，使二者联合发挥作用，加快土体固结，其原理就是利用密封膜使软土路基与大气隔离，采用抽气设备将土体中的空气抽出，形成真空，同时在地表砂垫层上产生负压，该负压通过真空管路向下延伸，并在四周土体中扩散，使加固土体内部与排水通道砂垫层之间产生压差，在此压差作用下，土体中的空隙水不断由垂直排水通道（塑料排水板）和水平纵横向排水通道（虑管）排出，造成空隙水压力的降低，最终使土体固结压密。
根据太沙基有效应力原理公式，其过程可以表示为
δ+δ1=μ1+δ1，+μ2+δ2，
式中： δ表示土中原有的总应力
δ1表示堆载产生的总应力
δ1，δ2，表示骨架承担的有效应力
μ1表示堆载产生的超孔隙水压力的绝对值
μ2表示真空度产生的孔隙水压力的绝对值
从上式可以看出，真空联合堆载预压就是通过增加总压力的同时减少孔隙水压力来增加土体的有效应力，从而加速土体的固结与沉降。
2真空联合堆载系统的组成
真空联合堆载预压法由排水系统、真空系统、和加压系统组成
2.1排水系统
排水系统由砂垫层、水平纵横虑管和竖向排水体（塑料排水板）组成，砂垫层一般采用中粗砂，含泥量应小于5%，厚度40-70cm，表面铺设平整，必须将砂垫层密封以保证不漏气。
2.2真空系统
真空系统主要由密封膜、滤水管和真空泵组成。密封膜用于密闭砂垫层和软土，滤水管成网状铺设于砂垫层中，使抽真空形成负压在砂垫层和塑料排水板中迅速扩散，并将固结释放的水输送出去，滤水管与真空泵连接，真空泵连续抽水、抽气，保证负压的形成，真空系统可以在砂垫层中形成80Kpa以上的负压。
2.3加压系统
加压系统实际上就是填土堆载，分阶段填筑到设计高度，并确保地基的稳定性，为了减少工后沉降，必要时可以实施超载预压，预压填土高度超出正常路堤高度，等地基的固结度达到设计要求后再卸载。
3真空联合堆载预压法施工中的关键技术
3.1加固效果
真空联合堆载预压法是在真空预压和堆载预压基础上发展起来的一种软基处理方法，它具有真空预压和堆载预压的双重效果，该方法在加固效果方面有以下三方面的特点。
3.1.1固结速度。真空预压阶段，真空度通过虑管、砂垫层及竖向排水通道逐渐向上体内部传递，土体中的孔隙水在这种压差的作用下不断向外排出，从而使土体发生排水固结。在真空预压的基础上再进行堆载预压，一方面堆载的作用使土体中的孔隙水压力升高，另一方面真空预压的作用使砂垫层及竖向排水通道的孔压处于负压状态，使软基中的孔隙水压差加大，加速了土体中水的排出，固结速度加快，加固的效果更加明显。
3.1.2加固深度
加固深度主要取决于引起孔隙水压力变化的深度。在真空联合堆载预压加固软基方法中，真空度是引起孔隙水压力变化的主要因素之一，它沿深度传递与竖向排水体的排水板长度有关，事实证明，真空度沿深度的衰减明显低于堆载时总应力沿深度的衰减，因此，真空联合堆载预压法的加固效果大于普通的堆载预压。
3.1.3强度增长
在真空联合堆载预压加固软基方法中，当真空度达到80Kpa以上时，真空荷载相当于4m-5m高度的填土荷载，这使得该方法在预压过程中的等效超载高度高，加之固结速度快，影响深度等因素，都使得地基的强度增长快，而且提高幅度大。
3.2地基的稳定性
真空联合堆载预压法是在真空预压的基础上，施加堆载外载，由于真空产生负压，使土体产生向内的收缩变形，可以抵消因堆载引起的向外挤出变形，因而，地基在填土过程中的稳定性较好，从另一角度分析，地基产生向内的收缩变形，等同于在路基两侧施加反压护道，可以增加抗滑力矩，因而抽真空产生负压有利于路基稳定。
4工程实例
4.1工程概况
青岛市双积公路设计为一级公路标准，一合同段路线范围长7.65公里，实施软基处理长度6.489公里。沿线地表多为养虾池、盐池及滩涂地，场地地形平坦，近期由于人为活动，养虾池、盐池林立，荒草纵生。地貌类型为滨海堆积平原。其上部滨海相淤泥、淤泥质粘土属不良地基土，据其物理力学特征，具有高压缩性，高灵敏度，欠固结（Pc﹤Po）,抗剪强度底，分布广泛，厚度较大。路基下面有软土层，含水量大，强度低，属高压缩或中等压缩性软土。该软路基路段在上部填土，路面结构以及使用荷载作用下，将产生较大的沉降。其工程地质性质差，不能直接满足地基的变形及特定要求，必须进行软基处理。真空联合堆载预压法是处理该段软基的主要方法。
4.2真空联合堆载预压的施工工艺
4.2.1铺设土工布
先放样出真空联合堆载预压的边界线, 将地表水疏干，采用湿地挖掘机(人工配合)加以整平,清除原地面的表土及杂物(包括石块、杂草及垃圾等)。按设计图纸要求，场地整平后铺设一层400g/m2的土工布。土工布用手提缝纫机现场缝合，缝合尼龙线强度≥150N，采用包缝。在预压区场地上将土工布缝接成满足大小要求的搭幅土工布，按选定方向依次平铺，土工布缝接宽度≥5㎝。在铺设
过程中，在已铺设的土工布上每100 m2用砂包袋固定，以防施工过程中被风掀翻。
4.2.2下垫层：
土工布铺设完毕后进行下垫层施工（风化砂，颗粒均匀，无硬块），施工顺序按照场地提交顺序先后施工；在机械无法进场的路段加铺一层土工格栅。
4.2.3排水砂垫层
下垫层施工完毕后进行排水砂垫层施工，采用透水性好的中粗砂，其渗透系数不小于1.0×10-2cm/s，能起到一定反滤作用，避免土颗粒渗入垫层的空隙中阻塞排水通道。干密度应大于1.5t/m3，含泥量小于3%。
4.2.4打设塑料排水板
按设计要求布正方形布置，间距0.9米。塑料排水板要求芯板为聚乙烯或氯乙烯，滤膜为粘合型涤纶无纺土工布打设塑料排水板的平面间距偏差±50mm，插板垂直偏差不超过插板长度的1.5%，入井插板必须完整无损。拔管后露出砂垫层长度为200mm。塑料排水板插板机型号为LD-30型，其机械行走为履带式，行走方便而又稳定对地压力小，对施工场地表面不产生破坏，转弯灵活等优点，配备30KW振动式锤头无污染，噪声小，行走配备7.5KW电机2台,卷杨机配备一台30KW电机,卷扬速度为每分钟25米,底盘尽寸为长×宽×高(6m×6m×0.8m)架高为30m最大爬坡能力为20度。 测量队在砂垫层上放样中桩和边桩,以及施工区的起止桩号，并定出板位(用经纬仪和钢尺按图纸设计板位，用竹签或排水板芯等插入垫层作标记)，做好标记后经监理验收合格后进行施工，保证施工区域的准确性。施工前对施工人员进行技术交底。打设排水板采用套管打法,插板机移机定位，安装排水板桩靴，打设机定位时管靴与板位标记偏差应控制在100mm范围内, 塑料排水板平面间距偏差不大于50mm。垂直下插塑料排水板打设桩管到设计标高。施工操作人员根据安装在插板机上的金属活动垂针和刻度盘，控制桩管下插时的垂直偏差不得大于1.5%。上拔桩管到桩管下端高出垫层面50cm。上拔桩管时，施工人员应仔细观察排水板有没有回带现象，若回带长度超过50cm，则在板位旁45cm处补打一根。且回带根数不宜超过打设总根数的5%。切割排水板，控制排水板在垫层顶面以上的外露长度为20cm。检查并记录每根板的施工情况，符合验收标准无误时才能移机，否则在临近板位处补打。移机进行下一根排水板施工。在排水板施工过程中，要派专人做好原始记录，以备抽查。一个区段的排水板验收合格后，要及时用砂料回填打设时在排水板周围形成的孔洞，并将排水板埋置于垫层中。
4.2.5止水帷幕及密封沟
为了充分保证抽真空密闭效果，在真空预压区周围设置了止水帷幕，止水帷幕为纵向5根粘土桩/2米（桩径纵向搭接0.2米），桩径0.6米，采用四搅二喷工艺，拌和粘土泥浆。止水帷幕顶端开挖密封压膜沟，密封沟采用开挖回填粘
土制作，挖沟时如遇到塑料排水板，应沿沟边向上插入到砂层中至少200mm长，不能剪断；开挖共用密封沟时，宜采用人工开挖，以避免将塑料排水板挖断。密封沟开挖后应清除沟内的砂土、石块和其它杂物，铺设密封膜后将沟用粘土回填压实。
4.2.6滤管制作
铺设滤管时根据现场实际情况对二通、三通和四通的数量和形状做适当调整，确保滤管排水通畅。滤管采用Φ60mm塑料软管，打孔加工后包土工织物滤水层，并捆扎结实，达到只透水不透砂。真空滤管可用胶管连接，胶管套入滤管长约100mm，并用铅丝绑紧，铅丝结头朝下。
4.2.7埋设真空管路和膜下测头
滤管按间距按设计呈框格形布置。按每个预压区的设计尺寸，先将滤管摆设并连接好，接头处用铁丝绑扎牢固，然后在管路旁边开挖滤管沟，沟深约20cm，再一边挖沟一边埋管入沟，并用中、粗砂填平。出膜处采用无缝镀锌钢管和接头相连接，垂直伸出膜面约30cm。膜下测头即膜下真空度测量采气端，采用硬质空囊（可采用椰子汁罐及硬质铁罐头盒等），钻以花孔，外包无纺布，将真空表集气塑料细管插入空囊中并固定即可。真空测头按设计图纸所示位置布置，埋设在砂垫层中间，真空细管另一端从密封膜引出，制成喇叭口和真空表相连接，以直观反映膜下真空度。
4.2.8场地整平
为防止抽真空过程中真空膜被硬物刺破，埋好真空管后，需将外露的塑料排水板板头埋入砂面以下，并将插板时形成的孔洞填实，同时清除面层的淤泥块和所有有棱角的硬物等杂物，用铁铲将砂面拍抹平实。
4.2.9铺设密封膜
密封膜单层厚度为0.12～0.17mm，共铺设3层，采用聚乙烯薄膜，密封膜每边长度应大于加固区相应边长的4.5m，密封膜铺设应避免在抽真空前各环节下的太阳光线的直接照射，在采用真空联合预压时，应在3层密封膜上下各铺设一层土工布，以保护密封膜不受损坏。铺设时选择无风或风力较小的时段内。先将密封膜按纵向摆放在预压区的中轴线上，从一端开始向两边展开，铺好后应在膜上仔细检查有无可见的破裂口，一般破裂口多出现在密封膜接缝处，破裂处应及时用聚乙烯胶水补好。检查无缺陷后即可进行第二层密封膜铺设，三层膜的粘接缝应尽量错开。出膜口应留有可收缩富余的密封膜。所有上膜操作人员必须光脚或穿软底鞋，以防止刺破密封膜。
