真空联合堆载预压技术在现代公路施工中的应用
2012-10-18
软土地基一般都表现为高含水量、高压缩性、高粘土含量、低渗透性和低强度等特点，要在这“三高二低”的软土地基上修建好公路，必须解决好两个方面的问题：一是路基要有足够的稳定性，二是工程完工后，路基沉降稳定。为了缩短工期、加快建设速度、保证工程质量，某高速公路软土地基试验段采用了一种新的加固方法-真空联合堆载预压法，取得了良好的效果。
1、真空联合堆载预压法加固机理
众所周知，大气的压力为10t/m2，真空联合堆载预压法实际上就是在堆载预压的同时，借助大气的压力，使两者联合发挥作用，加快土体固结收缩。真空联合堆载预压法是用薄膜对需要加固的软基进行密封与大气隔离，借助射流泵抽真空，通过铺在加固体表面的砂垫层中的管道及竖向排水体袋装砂井将加固区内的空气和水抽走，形成真空，在地表砂垫层产生负压，该负压通过真空管路及竖向排水体逐渐向深度方向延升，并向四周土体扩散，使加固上体内部与排水通道、砂垫层中产生压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，使孔隙水压力降低，最终使上体固结压密。真空预压加固过程实际上是地下水气不断被抽走的同时，真空度不断向加固土体内传递、扩散并在加固土体内形成一定真空负压和负压梯度的过程。真空联合堆载预压法是在真空联合堆载预压法基础上发展起来的，是真空预压和堆载预压两种加固方法的叠加，在堆载预压的同时再加一真空荷载同时作用，促使土体充分固结压缩。
根据太沙基有效应力原理，其过程可表达为：式中分别为真空和堆载产生的总效应力绝对值，为主骨架压缩和收缩有效应力绝对值，为真空产生的孔隙应力绝对值，为堆载产生的孔隙应力绝对值），从中我们可以看出真空联合堆载预压只是通过减少孔隙水压力来增加土体的有效应力和球应力，并且土体的球应力会使土体产生向预压区内的收缩变形，以上理论在某高速公路的施工中得到了验证和应用。
2、真空联合堆载法施工中的关键技术
2.1 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，适用干设汁荷载大，承载力要求高的工程。该方法在加固效果方面有如下三个方面的特点：①固结速度。真空预压阶段，真空度通过滤管、砂垫层及垂直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。真空堆载和联合预压阶段在真空预压的基础上，再利用路堤填上进行堆载预压，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垂直排水通道的孔压要处于负压状态，这样地基中孔隙水的压差就更加大，加速了土体中水的排出，固结速度自然快，加固的效果就更加明显。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耍因素之一，它沿深度的传递与竖向排水体的井阻有关。大量的现场实测资料显示，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，真空联合堆载预压方法的加固深度大于普通的堆载预压。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80 kPa时，真空荷载相当于4m～5m高度的填上荷载，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、影响深度深等因素，都使得地基的强度增长快，而且提高幅度大。
2.2 地基稳定性，真空联合堆载预压方法是在真空预压的基础上，施加堆荷外载。由于真空产生负压，使土体产生向内收缩变形，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，可知增加了抗滑力距，因而抽真空产生负压有利于路基稳定。
3、真空联合堆载预压法的施工工艺
3.1 首先在湿软地基设置排水通道，即按常规方法先铺砂垫层，接着打袋装砂井，其长度以打穿淤泥层或不少于20m为宜，间距一般不大于1.5m。
3.2 埋设监测仪器，根据地基情况，我们在此试验段布置了两个监测断面，埋设了空隙水压力仪、测斜仪、表面沉降板和真空度测定仪等仪器，用以监测软基在加固前后的应力、应变变化情况及控制填土。由于真空预压侧向位移指向路基中心，孔压持续下降，所以不对沉降作严格要求，而以侧移和孔压系数为主要控制指标。
3.3 清理场地并安设排水（气）管。砂垫层表面要清除杂物，不能有碎石、竹签等尖锐物，防止刺破表面加铺的密封膜。然后布置真空排水（气）管道（PVC管）。高速公路路堤因是长条形，按此特点，设主管和滤管两种。主管直径6cm。沿纵向间隔30m布置两条，在主管上每间隔 6m两侧设两条直径6cm的滤管，主管和滤管用软管连接呈鱼骨状布置在砂垫层顶部，滤管埋入软基中。
3.4 从主管中接出真空管路，经过密封膜与射流泵联接，每台射流泵控制 600～800平方米的加固区。连接管路时应注意接头牢固、密封，并有一定的柔性。
3.5 管道铺设后，接着铺盖密封膜。密封膜应用抗老化好、韧性高、抗穿刺性强、整体性和密封性好的聚氯乙稀薄膜，厚度为0.14～0.16mm；然后在加固区四周开挖密封沟，其深度不少于1.5m，并以进入淤泥 50cm为佳，同时密封膜在沟内应翻转锚固，用粘性土回填密实，并构筑围堰注水密封。
3.6 当铺盖好密封膜后，开始抽真空，并随时检查是否漏气，漏气一般发生在地基、边沟、薄膜、接头等地方。正常情况下约7～10d膜内真空度可达70kPa以上，经稳定2～3d后开始堆载，堆载前，必须在密封膜上加铺一层防止填土料顶破密封膜的无纺布等其他织物。
