真空－堆载联合预压加固软基的特点和应用

袁伟，刘国祥

(中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100)

真空－堆载联合预压法经过20多年的发展，已成为一种新兴、快速、经济、环保的软基加固技术，在珠三角地区得到广泛的应用，并且取得了较好的加固效果［1～2］。

1 概述

1.1 真空－堆载联合预压法的发展概况

真空预压法加固软土地基的基本原理最早由瑞典皇家地质学院杰尔曼(W．Kjellman)教授提出［3］。多年来由于抽气设备、密封材料、垂直排水通道、打设技术等方面的原因，这项技术发展缓慢，没有得到大规模的应用。1958年美国费城机场首次在工程上使用真空井点降水与排水砂井相结合的方法，解决了飞机场跑道的扩建工程。日本横滨市武丰发电厂运用真空预压法加固地基，取得了明显的加固效果。此外，法国、前苏联也开展了真空预压法的研究，用于解决土坡稳定性问题［4］。

我国从20世纪50年代末开始开展真空预压技术的研究，1980年天津一航局科研所在塘沽新港进行了几次现场试验后获得成功，并于1985年12月通过了国家技术鉴定［5］。真空－堆载联合预压法是在真空预压法的基础上发展而来。我国从1983年开始了真空－堆载联合预压法的研究，经过20多年的努力探索和应用，真空－堆载联合预压法已成为一个加固软土基行之有效、常规实用的方法。近年来该法广泛应用于港口、码头、工民建、机场、高速公路等软土地基工程建设中，并且取得了很多成功的经验［6］。

1.2 真空－堆载联合预压法的特点

真空－堆载联合预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的，结合了各自的优点，具有真空预压与堆载预压的双重效果。

与真空预压相比，真空－堆载联合预压具有如下突出特点:①提高了加固荷载。真空提供的加固荷载不能满足使用要求时，辅助堆载预压加以补充就能达到加固地基的要求［5］。②由堆载预压产生的侧向挤出变形可以被抽真空产生的向内的水平位移部分平衡，有利于地基的稳定［7］。③真空－堆载联合预压能够加快地基的沉降速度，缩短固结时间，减少工后沉降。

与堆载预压相比，真空－堆载联合预压法具有如下突出特点［2］:①加载快，真空荷载无须分级施加，可以一次性快速施加到 80 kPa以上而不会引起地基失稳，抽真空产生的压力，不仅可以达到超载预压的效果，有利于减少工后沉降，而且还可节省填土超载等施工。②土体固结快，在真空吸力和堆载的联合作用下易使土体中的封闭气泡排出，从而使土的渗透性提高、固结过程加快。③当地面沉降相同时，该法可以获得比堆载预压法高的土体密实度和承载力［5］。④缩短了填筑路堤的施工工期，对于高速公路和铁路，路堤本身就是一个非常好的堆载，因此真空－堆载联合预压是一种在软土地区修筑高速公路和铁路时值得推广的软基处理方法［8］。

2 工程概况

2.1 工程地质概况

加固区位于胶州湾高速公路西侧，原属胶州湾滨海潮间带，后经人工围堰吹填、回填所形成的陆域平台。场地大部分为第四系沉积层，广泛分布软土层。根据详勘报告，该场区地层结构较复杂，层序较清晰，主要由第四系全新统人工填土层(Qml4)、海相沼泽化沉积层(Qmh4)淤泥、上更新统陆相沼泽化层(Qh3)组成。第四系成分以人工填土、淤泥、粉质粘土、粗砾砂为主。场地岩土层情况由上至下分为:

(1)第四系全新统人工填土(Qml4)

层厚 0.80 m ～10.50 m，层底标高:－10.78 m～1.46 m。灰白色等，流塑，很湿，塑性、韧性极差，有光泽，可见腐殖质斑块，有异味，局部以冲填含淤泥粉细砂细砂为主。该层为冲填淤泥在区内淤积形成，其厚度较大，成分均一，强度极低，压缩性大。

(2)淤泥(Qmh4)

该层广泛分布于场区，层厚1.20 m～9.40 m。层底标高:－17.21 m～－5.10 m。黑灰，灰褐色，软塑，流塑，很湿，混20% ～30%粉细砂，塑性较差，局部相变为粉细砂。见有腐殖质，有异味，该层顶部多含有贝壳残屑，高压缩性，该层局部相变为粉～细砂。

(3)粉质粘土(Qh3)

该层局部分布。层厚0.40 m～1.90 m，层底标高:－12.95 m～－7.24 m。灰绿色，软塑 ～可塑，具有中等压缩性，见铁锰氧化物无结核，夹有小碎石;无摇振反应，切面有光泽，强度中等，韧性中等，差。

(4)粗砾砂(Qal+pl3)

该层分布较广泛，局部缺失该层。揭露层厚0.30 m ～5.00 m，层顶标高:－19.01 m ～－7.24 m。褐黄色，湿，中密，以粗砂为主，分选较差，含15% ～25%粘性土，底部多呈胶结状，碎石含量较多，局部为含粘性土粗砂。

2.2 施工工艺

该加固场区的处理工程按照先北后南的顺序分期分区进行。以二区为例，具体的施工工艺为:整平场地，用人工或机械分层铺设 0.5 m厚的中粗砂垫层，形成水平向排水通道。采用B型塑料排水板作为垂直排水通道，正方形布置，间距 0.8 m。塑料排水板平均长 18 m，进入下卧层 0.5 m，地面上端露出砂垫层顶面 0.20 m。埋设监测设备，主要包括7个表面沉降板，一组深层分层沉降管，一组孔隙水压力以及真空度，测斜仪等。其平面和剖面布置分别如图1和图2所示，密封膜采用3层聚氯乙烯薄膜。加固区周边均采取泥浆搅拌墙施工，搅拌桩桩径采用Φ60 cm，双排，搭接 20 cm，深度 18 m，确保加固区的密封。按照850 m2/台的原则设置真空泵。真空预压时，膜下真空度达到 80 kPa以上，所有泵 24 h满负荷工作。

图1 二区监测仪器平面布置示意图

图2 二区监测仪器布置剖面图

3 现场监测成果分析

3.1 表层沉降监测结果分析

图3是加固区CJ6沉降板的表层沉降变化曲线。从图3可以看出:①当膜下真空度达到了设计值时，沉降速率较大，最大沉降速率为 23 mm/d，随后沉降速率逐渐减少，累计沉降量一直增加;②4月30号完成15堆载以后，累计沉降曲线斜率变大，沉降速率有8.3 mm/d增加到 19.8 mm/d，说明堆载提高了固结沉降的速度，有效缩短加固时间，降低施工成本;③至7月24日停泵为止，最大沉降量为 1 293 mm，真空堆载预压法消除沉降的效果极为明显。

图3 CJ6表层沉降变化曲线

3.2 分层沉降监测结果分析

如图 4所示，分层沉降显示了地下2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m 处相对于原始位置的绝对沉降量随时间(2010年5月5日分层管被破坏)的变化，可以得出在地面下 0 m～6 m的沉降量较为明显。8 m、10 m、12 m处的沉降量较小。随着的时间的推移，分层沉降量都日益稳定。

图4 分层沉降变化曲线

3.3 孔隙水压力监测结果分析

图5 孔隙水压力变化量曲线

图5为真空－堆载联合预压区的孔隙水压力累计变化量曲线，分别显示地面下2 m、4 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m、9.5 m、11 m 深度处孔隙水压力随时间变化的曲线。从图中可以看出:

(1)抽真空阶段，因施加负压而使孔隙水压力迅速消散，孔隙水压力下降，在随后的堆载预压过程中，各深度处孔压值都出现了跳跃激增，曼德尔效应非常明显。在抽真空和堆载的联合作用下，孔隙水压力逐渐消散，土体的有效应力增加，强度也得到了加固。

(2)联合堆载预压阶段，真空预压引起的负超静水压力与堆载引起正的孔隙水压力不会抵消，也不是两者简单的叠加。地表浅土层更易受到附加荷载的作用，地下 2 m处累计孔隙水压力变化量由堆载前－4.5 kPa变为 22.8 kPa，增加了 27.3 kPa，到抽真空结束时，地下 2 m处累计空隙水压力的变化量为11.1 kPa。随着深度的增加，地下 7.5 m、8.5 m处受抽真空的作用较大，孔隙水压力消散较快，分别下降了49.4 kPa和 57.3 kPa;而在地下 11 m处，孔隙水压力受真空预压和堆载预压的双重作用较小，孔隙水压力变化不大。因此孔隙水压力累计变化量并不是在各深度处都显著变化，而是中间大，两端小。

4 结语

通过真空－堆载联合预压加固软土地基的现场监测资料分析研究，可以得到如下结论:

(1)真空－堆载联合预压法可以加快地基的固结沉降速度，能有效缩短加固时间，消除地基沉降，有利于减少工后沉降，是一种行之有效的软土地基处理方法。

(2)联合预压阶段，堆载引起的正的孔隙水压力与真空预压引起的负的超静水压力不会相互抵消，也不是两者简单的叠加。孔隙水压力累计变化量并不是在各深度都显著变化，而是中间大，两端小。

(3)真空－堆载联合预压法作为一种新型的地基处理方法，加固胶州湾软土地基效果明显，是一种经济环保，值得在该地区推广的软土地基处理方法。

［1］温晓贵，朱建才，龚晓南．真空堆载联合预压加固软基机理的试验研究［J］．工业建筑，2004，34(5):40～43．

［2］郑俊杰，王景芸．真空－堆载联合预压法研究与应用进展［J］．华中科技大学学报(城市科学版)，2008，25(7):5 ～9．

［3］Kjellman W．Consolidation of Clay Soil by Means of Atmospheric Pressure［C］//Proceeding of Conference on Soil Stabilization，MIT，Boston，1952:258 ～263．

［4］Arutiunian R N．Vacuum－accelerated Stabilization of Liquefied Soils in Landslide Body［C］//Proceedings of the 8th ICSMFE，1983，2:575 ～576．

［5］ 娄炎．真空排水预压法加固软土技术［M］．北京:人民交通出版社，2002．

［6］李豪，高玉峰，刘汉龙等．真空－堆载联合预压加固软基简化计算方法［J］．岩土工程学报，2003，25(1):58～62．

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

［8］魏波，贺怀建．甬－台－温高速公路真空－堆载联合预压软基处理［J］．岩土力学，2002，23(增刊):81～84．