浅谈真空堆载联合预压加固软基法在高速公路中的应用

摘 要本文在国内外研究成果的基础上,依托某高速公路对真空联合堆载预压软基处理的试验研究,对真空堆载联合预压法的加固原理及实用效果的检测等进行了简要的研究。

关键词高速公路;真空堆载预压加固软基法;深厚软基

中图分类号 U4文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)022-0083-01

在我国东南沿海地区,软土地质分布广泛,这种地基具有强度低、含水量高、压缩性大、渗透性差等特点。在软土地基上修建高速公路,容易产生较大的不均匀沉降,并且在填筑路基的过程中容易出现路基失稳的现象。近年来,随着我国高速公路的迅速发展,软土路基的固结沉降、变形及强度问题成为国内建筑和道路工程学者研究的重要问题之一。

大量实例表明,在深厚软基的加固处理中,将真空预压法与堆载预压相结合的真空-堆载联合预压法,既能满足施工工艺的要求,又不耗费工期,而且造价比较合理,能大幅提高软基加固的效果。因此,在我国部分沿海地区的高速公路的软基处理中,真空联合堆载预压法已有较多的应用,并且已取得了较好的经济效益与社会效益。本文分析了真空联合堆载预压法的加固机理,并对浙江省内某高速公路试验段现场试验的监测结果做出了具体分析。

1真空联合堆载预压加固机理

1)堆载预压法加固原理。堆载预压法主要通过堆载预压或超载预压在软土基上施加荷载,使地基超静水压力消散、有效应力增长以及地基土强度提高。具体做法是在土基中打入沙井,增加土体中的总应力以提高土中的孔隙水压力,等增加的孔隙水压力消散后再增加土体的有效应力,其对地基的加固效果跟堆载的大小和超静孔压的消散程度有直接关系。2)真空预压法加固原理。真空预压法是借助抽真空装置使土体中产生压力差,使孔隙水排出,从而达到加固软土地基的目的。其具体做法是在需加固的软土地基上覆盖一层不透气的膜使软基与大气隔绝,然后借助抽真空装置和埋设在垫层上的管道,在垫层和排水通道中产生较高的真空度,使土体中压力差增大,孔隙水逐渐流到井中而达到软基加固的目的。真空预压法是在保持总应力不变的同时使孔隙水压力降低,从一开始就增加了有效应力,其对地基的加固效果依赖于真空度的稳定维持和有效传递。3)真空联合堆载预压法的加固机理。真空联合堆载预压法是真空预压法的基础上发展开来的,该方法利用真空预压法与堆载预压法加固效果可以叠加的特点,将真空预压法与堆载预压法结合在一起同时实施,联合施工,以取得真空预压法和堆载预压法不能达到的效果。它是先对软土地基进行真空预压,当膜下真空度达到设计要求并稳定1~2周后,再在薄膜上堆载进行预压。其实质为,土体同一时间在薄膜上的堆载与薄膜下的真空荷载联合作用下,加速排出水分,加快固结,从而提高土体强度。我们设土体本来承受一个大气压P0,进行真空预压时,膜下形成真空,其真空度换算成等效压力为P1,压差P0﹣P1使土体中的水流向砂井。进行堆载预压时,通过压载,土体中的压力增高至P2,压差P2﹣P0使土体中的水流向砂井。在真空堆载联合作用时,两者的压差为P2﹣(P0﹣P1)。压差增大加速了土体中水的排出,减小了土体的孔隙比,提高了压密率,使沉降进一步消除,进一步提高了土体的强度。真空联合堆载预压法在深厚软基上可以获得比真空预压法更大的预压荷重,因而在实际工程中的应用极其广泛。

2真空堆载联合预压加固法现场试验研究

2.1工程概况

观测工程位于浙江省某高速公路试验段,该段路基软土深厚,采用真空堆载联合预压法加固地基,处理宽度约25m。其地层分布情况至上而下分别为:1)素填土层,杂色,主要由块石、砂碎石等组成,厚0.5m左右。2)粘土,灰色,可塑—硬塑状态,厚2.2m左右。3)淤泥,灰色,流塑状,含水量66.0%,孔隙比o=1.82,压缩模量Es=1.30MPa,厚20.2m左右,为主要压缩层。4)砾石,灰黄色,中密状,粘性土含量小于20%,厚度为2.8m,埋深在22.9-25.7m,天然的排水层,塑料排水板应避免进入此层。5)淤泥质粘土,深灰色,饱和,软塑,局部为粘土,厚度为4.8m。6)卵石,稍密一中密状,粘性土含量小于20%,埋深在30.5-33.6m为天然的排水层。

2.2施工情况

塑料排水板按五角星状布置,间距1.4m,打设深度为22m。1999年11月25日正式抽空,由于薄膜出厂时搭接处密封性不好,刚开始十天左右真空度不稳,在65kPa左右。后来真空度基本均维持在80KPa以上,满足设计要求。近6000平方米的加固区,只用三台真空泵,就可以保证膜下真空度维持在80kPa以上。

在开始抽真空后,沉降速率增加迅速,几天内即达到10.8mm/天,仅15天的时间,地基的沉降量就达到了10.05cm,尽管沉降速率和沉降量比较大,地基没有出现失稳。然后,真空度维持不变,沉降速率开始减慢,这说明地基的渗流并不是稳定的。

2000年2月12加堆载后,沉降速率急剧增加,最大可达到11.8mm/天,而且地基没有发生失稳。这说明在真空荷载作用下,地基的强度有了明显的提高,在效果上,真空荷载对堆载荷载有一定的抵消作用。二者的叠加作用使地基固结加快,并且真空荷载很好地改善了地基的稳定性。当堆载荷载达到一定程度以后,随着荷载的继续施加,沉降速率逐渐减小。但是在短短的两个月内填土高度达到了5.5m,这是堆载预压所达不到的。堆载结束后,沉降速率进一步减小,但是土体沉降仍然在持续发展。4月28日,沉降速率已经降至1.3mm/天。5月3日卸除真空荷载,5月6日测得沉降量仅为0.1cm。

根据观测得出,只作用真空荷载时,差异沉降只有3 cm,这是因为土体在真空荷载作用下等向固结。堆载荷载施加后,由于附加应力的作用,差异沉降迅速增加,5月6日达14cm。可见差异沉降主要由堆载荷载引起。

3真空联合堆载预压的优点

1)真空堆载联合预压法利用大气作为一部分荷载加固地基,可以减少大量借方和弃方,缩减了堆载预压材料的使用量,不仅可以节省大量的费用,而且施工工艺较环保,具有更高的社会效益和经济效益。2)真空堆载联合预压法加固软土地基的过程中,地基在真空负压与堆载正压的相互作用下,土体在加固过程中的侧向变形指向加固体内,与堆载引起的向外的侧向变形相抵消,在加载过程中不会发生地基失稳,加固过程安全可靠,不需要刻意控制堆载施加速度。3)真空堆载联合预压过程中,由于抽气产生真空,大气压差使土体中的封闭气泡排出,并且由于堆载产生的压力,提高了孔隙水排出的速度、加快了固结过程,缩短了固结时间。4)真空预压加固过程中土体产生的向加固区内的变形,与堆载预压法产生的垂直变形的联合作用使地基的加固效果更加明显。加固后地基土的强度可以提高2-3倍,加固效果明显。5)真空堆载联合预压法中真空荷载使土体产生等向固结过程,提高了土体的抗剪强度,同时增大了无剪应力,降低了堆载预压剪应力引起的地基的抗剪强度的衰减。6)真空荷载施加难度低,时间短,地基土不会发生剪切破坏,抽真空一段时间后路基填土可以连续施加,不需间歇,大大缩短了施工期。

4总结

真空堆载联合预压加固软基法作为一种新的高速公路软基的加固方法,在施工造价、工期以及环保等方面都比传统的方法具有优越性,但是因为发展的时间较短,真空堆载联合预压法在加固机理、施工工艺、设计思路和加固效果等方面都仍然存在着很多值得进一步研究和完善的地方,对此笔者将在今后的工作和学习中进行更深入的研究和探讨。

参考文献

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