真空-堆载联合预压法在软土路基处理中的应用

王 彬，顾凤祥，李学东，王玉海，殷爱峰

(江苏苏州地质工程勘察院， 江苏 苏州 215129)

长江流域和东部沿海地区是我国经济发展相对发达地区，近年来，随着社会的进步，经济的发展，兴建了大量的基础工程设施，例如轨道交通、高层建筑深基坑、码头以及市政工程等。在软土地区的各种工程建设中的问题随之而来，由于软土路基承载力低、易于变形，难于满足工程要求，必需对其进行加固处理。

目前软土路基处理方法主要有堆载预压法、真空预压法及真空-堆载联合预压法、换填垫层法、水泥土搅拌桩法等[1,2]。真空-堆载联合预压法是在真空预压法和堆载预压法基础上发展起来的软基加固方法，具有真空预压和堆载预压的双重效果，与其他加固方法相比，具有加快土体固结速度，增大加固深度、减少后期固结沉降和防止剪切破坏的优点[3,4]。

苏州工业园区桑田岛地区市政道路沿线分布有大量的软土，该地区软土不仅有含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性小的共性，还具有有机质含量高，纵横向分布不均匀的特性。为确保公路建设的安全和质量，选取代表性路段作为试验段，采用真空-堆载联合预压法进行加固。通过对监测数据分析表明，本试验段采用真空-堆载联合预压法处理是成功的。

1 真空-堆载联合预压法加固机理

真空-堆载联合预压法是在堆载预压的同时借助大气压力，使两者联合发挥作用，加快土体固结。其原理就是通过抽真空设备，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，土体内孔隙水压力大于塑料排水板内孔隙水压力，在塑料排水板内外形成水力梯度，促使土体内孔隙水排出，达到加固软土的目的[5]。

根据太沙基有效应力原理公式σ=u+σ′，真空-堆载联合预压加固软基的实质是将孔隙水压力转化为有效应力。其加固过程可以表示为σ+σ1=u1+σ1′+u2+σ2′(式中：σ表示土中任意点的总应力；σ1表示堆载产生的总应力；σ1′、σ2′为土体骨架所承担的有效应力；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)，可以看出，真空-堆载联合预压法就是通过增加总应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[6～8]。

2 工程地质条件

桑田岛位于苏州工业园区内，隶属于长江三角洲东南缘太湖水网平原东部。受沉积环境、工程水文地质条件、自然环境条件、水流的影响形成了桑田岛软土特有的工程性质。本地区第四纪以来，运动以沉降为主，广泛接受堆积，形成广阔的冲积、湖积平原地貌。

根据勘查资料，桑田岛地区土层分布自上而下依次为：①素填土：灰色，松散，以粘性土为主，面局部含少量碎石、砖块，含较多植物根茎。层顶标高-2.67～3.12 m。②1淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，高压缩性，稍有光泽，中等韧性，中等干强度。层顶标高-3.57～1.2 m。②2淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，高压缩性，稍有光泽，中等韧性，中等干强度，无摇震反应。层顶标高-16.58～-1.78 m。③粉质粘土：灰色，软塑，中偏高压缩性，稍有光泽，中等韧性，中等干强度。层顶标高-12.86～0.99 m。③1淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，高压缩性，稍有光泽，中等韧性，中等干强度，无摇震反应。层顶标高-1.05 m。各土层物理力学性质见表1。

表1 各土层主要物理力学性质指标

3 现场工作布置

桑田岛市政道路总长度5.5 km，其中东延路试验段长度260 m，里程桩号为K1+450～K1+710，该区域地形地貌特征，尤其是软土空间分布情况，具有很强的代表性。

为研究真空-堆载联合预压处理方法的地基沉降变形规律，在监测断面埋设测斜管、分层沉降环、孔隙水应力计等设备对路堤施工实行动态观测。监测内容主要包括：①地表沉降观测；②地基分层沉降监测；③地基孔隙水压力监测；④地下水位监测；⑤水平位移监测；⑥十字板剪切试验。限于篇幅，这里仅给出地表沉降和水平位移观测的有代表性监测结果。

在本试验段共布置3个主要监测断面。断面里程号分别为：K1+480、K1+580、K1+680。与断面里程号相对应的沉降观测点号分别为：C1、C2、C3。每个观测断面又分为三个监测点，分别编号1、2、3，其中1、3号点位于路肩，2号点位于路中。深层水平位移监测点分别位于监测断面两侧路肩位置。沉降板在铺膜后抽真空前埋没，其它仪器则在铺膜埋管前埋没，为取得孔压、分层及测斜数据稳定值，相应仪器必须在距离抽真空前3d埋设。观测系统的平面布置见图1。

4 观测结果及分析

4.1 地表沉降分析

地表沉降观测是软基沉降分析的基础，其变化规律是控制公路路基施工进度和安排后期施工的重要依据[9]。整个联合预压处理过程历时169 d，抽真空3 d后膜下真空度稳定在600 mmHg柱以上(相当于80 kPa以上的等效压力)，最终整体堆土高度3 m。表2是三个观测断面在真空-堆载联合预压历时169 d时的地表沉降观测资料。

由表2可以看出，单次沉降量和变化速率最大处均位于K1+480监测断面。根据现场踏勘及勘查报告分析其原因，是由于K1+480断面淤泥层厚度比K1+580、K1+680断面厚度大。可见真空-堆载联合预压法在处理深厚软土路基时效果尤为明显。

表2 加固区测点地表沉降统计表

由表2可以看出，单次沉降量和变化速率最大处均位于K1+480监测断面。根据现场踏勘及勘查报告分析其原因，是由于K1+480断面淤泥层厚度比K1+580、K1+680断面厚度大。可见真空-堆载联合预压法在处理深厚软土路基时，其效果尤为明显。

图2为整个施工过程中9个观测点的地表沉降曲线。最大沉降量位于断面K1+680处C1-2观测点，沉降量为1639 mm，断面最大平均沉降为1541 mm，有效减少了后期固结沉降。从联合堆载的处理机理上分析，塑料排水板形成竖向排水通道，缩短排水路径，在真空预压和填土荷载联合作用下，有利于整个软土层的孔压消散和固结沉降。同时由于作用在路中的荷载大于路肩，因此路中与路肩变形不协调，存在沉降差，导致路基沉降向路中收敛。

4.2 固结沉降速率分析

图3为地表沉降平均变化速率时程曲线，可以看出，在真空预压前期阶段，随着膜下真空度的提升，沉降速率变大，最高达60 mm/d。当膜下真空度上升到80 kPa，预压45 d后沉降速率逐渐变小，维持在5 mm/d以下，沉降逐渐趋于稳定。此时，可以进行下一阶段的堆载联合预压。由此可知，苏州河湖相软土在真空预压45 d后可以进行填土的堆载施工。

图2 地表沉降曲线

截至10月25日平均速率为0.83 mm/d，连续10天路中监测点平均沉降速率为0.84 mm/d，达到设计提出的路中心点沉降速率连续10天的平均值小于1 mm/d的要求。同时表明真空-堆载联合预压加速固结沉降，消除工后沉降效果极为明显。

图3 地表沉降平均变化速率时程曲线

由图3还可以看出，真空预压初期及堆载初期地表沉降速率较大，随时间的延长沉降速率变缓，说明在荷载不变的情况下，土体的固结是随时间而收敛的[10]。

4.3 水平位移分析

在负压的作用下，土体侧向变形是收缩变形，表现为水平位移向加固区中心移动，并且位移量随深度增加而减小[11]。图4和图5是K1+480监测断面位于路基两侧即路肩位置的水平位移曲线。

图4 CX1-1(路肩)深层土体水平位移曲线

图5 CX1-2(路肩)深层土体水平位移曲线

从图中可以看出，在联合预压开始后，0～26 m深度范围内土体向路中位移较明显，靠近地面处位移达374.32 mm，说明处理影响深度达26 m，为路基联合处理的主要压缩层。0～20 m内水平位移为正值，表明真空预压的水平位移是“向心”的，该区域土体整体向路基内收缩变形，避免了由于挤出变形而造成的地基失稳。

20～26 m深度内，随着离加固区距离变大，这种“向心”作用明显减小，收缩变形与挤出变形由相抵消变为挤出变形占优势，表明26 m以下土体变形受堆载预压影响比受真空预压影响大。

5 真空预压处理效果分析

通过室内土工试验，对加固前后同一深度的土层物理力学参数指标进行对比。从表1、表2加固前后路基土物理力学性质指标可以看出，加固后土层含水率总体上减小。浅部含水率减小幅度较大，深部相对较小，这也与浅部土体变形位移较大、深部较小相吻合。加固后土体的孔隙比较加固前减少,并且浅部减少的幅度大，深部减少的幅度小。

表3 加固后各土层主要物理力学性质指标

在深度20 m范围内，含水率、孔隙比等物理力学性质指标均发生了较大的变化，表明真空联合堆载的效果是明显的。

6 结 论

(1)采用真空-堆载联合预压法加固软土路基，在河湖相软土地基处理中效果显著，大幅度提高了软土地基的物理力学性质及承载能力，在类似工程中推广应用是可行的。

(2)地表沉降在空间上分布不均匀，表现为路基边缘沉降相对较小，中心沉降较大，路基向中心收缩变形。因此，在合理控制堆载荷载的大小及堆载速度下，能抵消因堆载引起的向外挤出变形，保证整个加固区路基的安全稳定。

(3)在真空预压阶段，抽真空45 d后，地表沉降速率趋于稳定且小于5 mm/d。联合预压阶段，历时169 d后，路中沉降速率连续10天平均值小于1 mm/d。

(4)在本工程中，路基加固影响深度达到26 m及以上，其中有效压缩层为0～20 m以内；路基沉降最深达1639 mm，断面最大平均沉降为1541 mm，有效减少了后期固结沉降。

(5)在河湖相软土地区，采用真空-堆载联合预压加固软土路基，在膜下真空度维持在80 kPa时，填土高度不超过3 m，路基的堆载是安全的。

[1] 殷宗泽. 土体固结与沉降[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998.

[2] 许 胜,王 媛. 真空预压法加固软土地基理论研究现状及展望[J]. 岩土力学, 2006, 27(s1): 943-947.

[3] 童 中,汪建斌. 软土路基真空联合堆载预压位移监测与分析[J]. 岩土力学, 2002, 23(5): 661-666.

[4] 陈新国, 冯晓腊, 胡朝阳. 真空联合堆载预压法在加固软土路基中的应用[J]. 安全环境与工程, 2005, 12(4): 82-88.

[5] 周金鹏, 王良国. 真空-堆载联合预压法加固高速公路软基探讨[J]. 公路交通科技, 2003, 20(3): 32-36.

[6] 谢弘帅, 宰金璋, 刘庆华. 真空井点降水堆载联合加固软土路基机理[J]. 岩土工程学报, 2003, 25(1): 119-121.

[7] 乐琪浪, 赵常洲, 杨为民. 真空-堆载联合预压法加固软基过程中气、水、土变化规律的试验研究[J]. 建筑科学, 2010, 26(1): 50-55.

[8] 彭 劼, 刘汉龙, 陈永辉, 等. 真空-堆载联合预压法软基加固对周围环境的影响[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(5): 656-659.

[9] 徐 超, 叶观宝, 姜竹生, 等. 基于现场监测的软土地基联合处理机理研究[J]. 岩土工程学报, 2006, 28(7): 918-921.

[10] 朱 超, 张季超, 刘 晨. 真空预压处理广州南沙区软基的加固深度探讨[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(s2): 421-425.

[11] 李就好. 真空-堆载联合预压法处理在软基加固中的应用[J]. 岩土力学, 1999, 20(4): 58-62.