某公路工程直排式和铺砂垫层真空联合堆载预压加固效果分析

某公路工程直排式和铺砂垫层真空联合堆载预压加固效果分析

吴保林

(中铁广州工程局集团桥梁工程有限公司 广东省 529000)    

摘要：塑料排水板真空联合堆载预压根据是否铺设垫层可为直排式和铺砂垫层两种方式，本文以某公路工程为例，分析两种不同方式的加固效果，并将其工程措施费进行对比，直排式真空联合堆载预压更能加快、加大地基沉降和缩短项目工期，同时还可以节约垫层材料费和抽真空电费，本工程经验可供同类项目参考。

关键词：真空联合堆载预压；直排式；节约费用；节约工期

1前言

在公路软土路基处理设计中常用的方法可分为两大类：土质改良法和复合地基法，前者包括排水固结法、强夯法和其他方法，后者包括水泥土桩复合地基、碎石桩复合地基和加筋土复合地基等。而在土质改良法中排水固结是一种较好的地基处理方法，该方法包括堆载预压法、真空排水预压法和真空联合堆载预压法。堆载预压法在软基处理中比较常见，该法易施工，造价低，但工期较长；真空排水预压法具有不需要堆载材料，无噪声，工期相对较短的优点；而将二者结合成真空联合堆载预压法，具有工期短，加固效果明显等优势[1][2][3]。

2真空联合堆载预压加固机理

真空联合堆载预压加固机理是在外荷不变的情况下，通过真空压力作用于砂垫层和竖向排水体内的孔隙流体，使得孔隙压力降低并排出水和气，随着时间延长，孔隙水压力消散，有效应力增加，达到加固地基的目的[4]。

在铺设砂层的地基上利用插板机打设塑料排水板，将密封膜覆盖在其上，并将膜的四周埋入密封沟，用真空泵通过膜下管道抽气，由于竖向排水体具有较好的渗透性，真空度能较快传递形成负压，在排水体和土体之间形成压力差，使土体中的水渗入竖向排水体并经水平排水系统排出，造成土体固结。在砂资源匮乏的情况下，可采用无砂垫层的改性真空预压加固地基，该工艺是在软土上先铺一层土工布，插板后用排水支管连接排水板，通过主管和支管相连形成排水管路，在其上铺密封膜，抽真空方式与铺砂垫层的基本相同[5]。两种处理工艺见下图2-1~2-2。

3工程实例

3.1工程地质和设计概况

本工程路基填土高3~7m，软土厚6~15m，设计采用塑料排水板真空联合堆载预压处理地基，排水板间距1.0m，采用梅花形布置，软土物理力学指标见下表3-1。本次选铺设砂垫层的典型断面DM1和直排(无垫层)的典型断面DM2，通过监测数据对比分析其地基处理效果。

表3-1 软土层物理力学指标统计表

3.2施工工艺

1、平整场地：真空预压法加固地基的第一步，应做到中间高、两侧低，设计坡度1%~2%，可根据实际情况适当提高。

2、铺设垫层：在平整场地先铺厚约30cm的砂垫层，一般用中粗砂，含泥量不超3%，渗透系数不低于5×10-2cm/s，细度模数不小于2.7，垫层可兼做临时便道和水平排水体，采用机械摊铺或人工摊铺，尽量减少施工对软土表层的扰动。砂垫层应铺至坡脚外100cm范围，并用反滤土工布包边。

3、打设塑料排水板：利用插板机采用静压法打设塑料排水板，作为竖向排水体。插打排水板完成后，拔出插板机套管，割断排水板，预留段及时弯折埋于砂垫层中。

4、主管和支管布置：在砂垫层中布设主管和支管，管材选用PVC管，布管后在其上再铺一层厚约30cm的砂垫层。直排式为直接将支管与塑料排水板连接。

5、铺设土工布及密封膜：在砂垫层上先铺一层无纺土工织物，主要技术参数：单位面积质量不小于300g/m2，厚度不小于2.4mm。用人工将两层密封膜分层覆盖整个真空预压区，最后再铺一层无纺土工织物。密封膜主要技术参数：拉伸强度不小于16MPa，膜的厚度为0.14mm，刺破强度不小于50N，渗透系数不超过5×10-11cm/s。

6、真空泵布置和管道连接：本项目真空泵采用SK-4B水汽分离机，单机功率不小于7.5kW，膜下真空度可达到90kPa，出气量约为每小时240m³，按每5000m2范围布置一台真空泵。

3.3监测成果分析

1、地表沉降监测

(1)地表沉降随时间变化

在密封膜铺设完成后埋设沉降板，下图3-1为DM1路中地表沉降速率变化曲线，沉降速率较小仅为2mm/d，2023年11月25日抽真空后沉降速率增大到16.6mm/d，后趋于减小，2023年12月1日第一层填土后速率从10.28mm/d增加到49.8mm/d，随后再趋于减小，至最后一层填土沉降速率2.6mm/d，每层填土后的速率增幅基本都小于第一层填土。2024年8月2日停泵，受真空压力卸载影响地基有所回弹，速率从停泵前的0.9mm/d减小为0.7mm/d。该路段在停泵后继续堆载预压4个半月，目前沉降速率仅为0.15mm/d。图3-2中DM2路中地表沉降速率变化与DM1基本一致，后者沉降变化在加载后的增幅更为明显，但沉降收敛速度相对较快，而前者沉降速率在联合堆载预压初期保持“高位状态”，可见直排式处理地基排水效果更好。

(2)地表沉降随空间变化

根据两个典型断面监测数据分析，并结合同类项目经验，在真空联合堆载预压作用下道路中间沉降较两侧大，沿路基横向形成一个中间低、两侧高的“马鞍形”。而且靠近真空泵一侧，地基排水相对较快，沉降较另外一侧偏大。

2、真空度监测

在开始抽真空以后，膜下真空度上升很快，一般几个小时可达到80kPa，4~5天后上升到90kPa，说明在抽真空初始阶段，随着膜下空气被抽出，膜下真空度快速增长，达到80kPa后膜下空气稀薄，真空度上升速度变缓。排水板中的真空度也随抽真空时间的增加而增长，浅部真空度上升幅度大于深部，但排水板不同深度的真空度均小于膜下真空度。在抽真空的初始阶段，淤泥中的真空度上升较快，但随着浅层土体发生固结，孔隙比减小，受淤泥低渗透性影响，真空度难以下传，深层淤泥真空度上升较慢。

3、地下水位监测

在抽真空初始阶段，地下水位下降较快，随后进入相对稳定状态。填土堆载后地基土孔隙水压力迅速上升，地下水位随之上升，随着填土完成进入联合堆载预压阶段，在真空压力作用下水位总体呈下降趋势，并最终处于相对稳定状态。但在停泵后，地下水位快速回升，基本接近原水位高度。在抽真空作用下，靠近真空泵一侧地下水位下降较快，远离真空泵一侧，由于渗透路径长，水位下降较慢。

4地基加固效果和经济效益分析

4.1地基加固效果分析

1、施工期沉降

DM1和DM2两个断面软土厚度、填土高度基本一致，两段路基抽真空时间8~10个月，均超设计6个月，监测累计沉降量分别为160.9cm和250.3cm，其中联合堆载预压期间的沉降量在沉降总量的占比分别为96.8%和93.5%，淤泥层压缩比分别为18.3%和25.9%，可见直排式联合堆载加固地基的沉降量较铺设砂垫层的要大，而且淤泥层压缩比超7.8个百分点，说明该施工工艺排水加固效果更好。

2、工后沉降

推算工后沉降常用方法有双曲线法、Asaoka法和指数三点法等，双曲线法是一种曲线配合的方法，而Asaoka法和三点法都是建立在一维垂直固结方程基础上的方法，根据众多工程案例双曲线法推算结果偏大，采用Asaoka法和指数三点法计算结果比较吻合，但相对较小，为了工程安全，通常使用双曲线法推算工后沉降作为施工控制[6][7][8]。本工程利用双曲线法计算DM1和DM2两个断面的工后沉降量分别为1.7cm和5.8cm，均小于设计工后沉降，直排式联合堆载加固地基的工后沉降较砂垫层工艺稍大[9]。施工期和工后沉降计算成果见下表4-1，双曲线法拟合关系见下图4-1~4-2，三种方法工后沉降推算曲线见图4-3~4-4。

表4-1 联合堆载预压期沉降和工后沉降计算成果表

4.2经济效益分析

在真空吸力作用下，直排式真空联合堆载预压工艺竖向排水体更易形成“真空负压通道”，与周边土体的压力差增大，由常规堆载预压作用下单一的“挤压式排水”模式转变为“挤压+吸引式排水”，从而加速排水固结。根据两个断面的监测数据对比，在淤泥厚度、填土高度和抽真空时间基本一致的情况下，直排式真空联合堆载预压处理工艺不仅能够节约砂垫层材料费用，更能加快、加大地基沉降，在一定程度上节约工程投资，同时还可缩短项目工期。

按照直排式和铺设砂垫层真空联合堆载预压工艺，每台真空泵按5000m2范围控制，取处理路段长100m、宽50m，垫层厚度60cm，假定直排式工艺较铺砂垫层工艺加固地基节约30天时间，真空泵在满负荷状态下每小时用电量约12度，对砂垫层材料费和真空泵抽水电费进行对比见下表4-2 ，可见采用直排式真空联合堆载预压处理工艺每平方米可节约工程费用约115元。

表4-2  两种真空联合堆载预压工艺垫层材料费和电费对比统计表

5结论

(1)直排式真空联合堆载预压工艺竖向排水体更易形成“真空负压通道”，排水模式由常规堆载预压作用下单一的“挤压式”转变为“挤压+吸引式”，加速排水固结。

(2)本工程采用铺设垫层和直排式真空联合堆载预压工艺加固地基效果良好，淤泥层压缩比分别为18.3%和25.9%，直排式联合堆载预压工艺加快、加大地基固结沉降效果更好。通过三种方法推算工后沉降，两种工艺加固地基工后沉降较小，直排式工艺工后沉降相对较大，但均能满足设计要求。

(3)直排式联合堆载预压工艺不仅可以节约垫层材料费，同时还可缩短项目工期。根据本项目两个典型断面测算，直排式工艺相比于常规砂垫层工艺，每平方米可节省工程费用115元。

(4)本工程两段路基抽真空时间均超过设计6个月，分析其主要原因可能有：密封墙密封效果不足，导致周边地下水不断渗透进入真空区；受降雨影响填土堆载时间过长，导致地基土固结缓慢；直排式竖向排水通道打通后，真空排水需要更长时间。

参考文献：

[1]朱建才.真空联合堆载预压加固软基机理及工艺研究.浙江大学博士学位论文，2004.

[2]魏旭辉，董志良等.利用真空预压技术处理深圳河一期工程边坡及施工监测[J].中山大学，2001，第z3期.

[3]俞永华.路桥过渡段差异沉降处治技术研究.长安大学博士学位论文，2004.

[4]万为胜.真空-联合堆载预压加固软土地基工后沉降控制的探讨[J].铁道建设，2003，第4期.

[5]胡中雄.土力学与环境土工学［M］．上海：同济大学出版社，1997．

[6]韩汝才，李亮等.利用灰色理论对地基沉降进行不等时距预测[J].探矿工程，2002年，第2期。

[7]李福民，赵有明.深圳软土地基处理中Asaoka法的应用[J].中国铁道科学，2004年6月.

[8]王绪锋.路桥过渡段差异沉降特性研究.河海大学硕士学位论文，2008.

[9]张惠明，徐玉胜等.深圳软土变形特性与工后沉降[J].岩土工程学报，2002年7月.