真空联合堆载预压法处理深厚软土试验研究

何长明 黎 军

(广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510060)

0 引言

改革开放后随着经济的快速发展，我国基础设施建设突飞猛进，在深厚软土地基上进行工程建设屡见不鲜。真空预压法作为一种经济、高效的软基处理方式，自1952年由瑞典皇家地质学院杰尔曼(W.Kjellman)教授提出基本原理以来，国内外进行了广泛的研究与试验，自上世纪八、九十年代起陆续在围海造陆、港口、机场建设中得到应用[1-3]。进入21世纪，真空预压加固软土技术得到了更加广泛地应用，特别对高速公路、城市道路的软基处理上，发展出利用路堤自重的真空联合堆载预压法[4-6]。

2002年，娄 炎[7]出版国内外第一本全面阐述真空预压技术的专著—《真空排水预压法加固软土技术》;2009年，交通运输部发布《真空预压加固软土地基技术规程》(JTS 147—2—2009)[8]，该规程是我国交通行业的第一本关于真空预压技术的专门规范，对规范和推动真空预压技术的发展起到积极作用。但关于真空预压法的有效加固深度，在学术界和工程界仍存在较多的争论，有学者认为真空预压的有效深度不超过10 m;闫澎旺[9]认为有效深度可超过10 m，甚至能达到20 m;齐永正[10]认为真空预压的有效加固深度为软基竖向排水体深度;颜立明[11]认为真空预压的影响深度可以达到竖向排水板以下;吴春勇[12]则测得加固深度至少可以达到地表以下23 m，并认为加固深度可以达到排水板以下2～3 m范围。

从上述分析看，真空预压的有效加固深度一般未超过25 m。本文基于珠海地区一工点最大软土厚度26.6 m，层底埋深逾30 m的场地进行现场试验，分析现场监测数据和竣工后的检测数据，检验真空预压对软土地基的加固效果，验证真空联合堆载预压法的有效加固深度，为同类工程提供参考。

1 工程概述

1.1 工程地质条件

根据现场钻孔勘察资料，该工点岩土层自上而下依次为：

①素填土：灰褐色，湿，松散状，成分复杂，土质不均匀，孔隙大，埋深为0.0 m，厚度2.5～5.1 m。

②流塑状淤泥：灰黑色，流塑状，物理力学性质差，含水量高，承载力低，埋深为2.5～5.1 m，厚度18.0～26.6 m。

③淤泥质黏土：局部钻孔有分布，深灰色，流塑，局部软塑状，埋深为25.2～34.1 m，厚度0～10.6 m。

④粉质黏土：土黄色，灰白色，灰黄色，褐红色等，可塑状，局部硬塑状，干强度中等，韧性中等，黏性较好，埋深为18.0～32.6 m，厚度2.5～9.0 m。

该区软土层起伏较大，本文主要对厚度25～30 m的软土层进行研究。从勘察资料看，软土层主要为淤泥层和淤泥质黏土层，具有高孔隙比、高含水量、高压缩性和低强度的特性，是道路工程中影响路堤稳定性和工后沉降的主要岩土层。其物理力学指标见表1。

表1 加固前土的物理力学性质

1.2 道路软基处理设计方案

设计方案中试验路段道路最大填土高度不大于2.0 m，垂直排水通道采用C型塑料排水板，正三角形布置，间距1.0 m，塑料排水板的打设深度25 m，水平排水垫层选用0.6 m厚的中粗砂，密封系统采用密封沟+双排直径0.7 m@0.5 m黏性土搅拌桩，桩长进入不透水层2.0 m且不小于7.0 m。

根据本地区软土特性和真空预压施工经验，确定真空联合堆载预压法的加荷计划，见表2。

表2 真空联合堆载预压加荷计划表

1.3 道路软基处理施工

真空联合堆载预压主要施工工序为：①场地平整，施工黏土密封墙;②砂垫层施工;③塑料排水板施工;④安装滤管真空设备;⑤铺密封膜;⑥抽真空;⑦铺设上层土工布及垫层，分层填筑路基;⑧满载预压120天;⑨沉降稳定后卸载。

2 试验方案

2.1 监测方案

为准确了解真空联合堆载预压施工参数，在施工现场布置了多种监测项目的测试工作，包括设置在路中和路边地表沉降板、膜下真空度、孔隙水压力计、深层水平位移等项目，研究分析真空预压及堆载过程中位移场和孔压场的分布与变化，现场试验监测点的平面布置见图1，监测点的立面布置见图2所示。

图1 监测点平面布置图

图2 监测点立面布置图

2.2 检测方案

为评估真空联合堆载预压处理效果，软基处理完成后在原勘察钻孔附近钻取原状土样进行室内土工试验，与加固前参数进行对比，并对软土进行十字板剪切原位试验和现场载荷试验，全面检验软基处理效果。

3 监测数据分析

3.1 膜下真空度监测数据分析

膜下真空度的平均值随时间变化曲线如图3所示，本项目2017年1月开始抽真空，自1月15日达到稳压后，膜下真空度一直保持在80 kPa以上，最大的真空度达到90 kPa以上。

图3 膜下真空度-时间关系曲线

3.2 地表沉降监测数据分析

真空预压过程中，地表沉降随时间变化曲线如图4所示，地表沉降速率曲线如图5所示，从图中可以看出，地基沉降有两个明显的阶段，第一阶段是真空预压阶段，自2017年1月—2月期间，在真空预压荷载的作用下，沉降速率较大，地表沉降也越来越大;第二阶段为真空联合堆载预压阶段，自2017年3月开始加载以来，随着填土荷载的增加，沉降速率逐渐增大，并在一段较长的时间内沉降速率在一直维持在15～20 mm/d。

图4 地表沉降-时间关系曲线

图5 地表沉降速率-时间关系曲线

对比图4、图5可以看出：地表沉降量、地表沉降速率与加载具有相关性和滞后性，即加载时地表沉降速率增加，地表沉降量增加;加载停止时，地表沉降速率仍将持续一段时间保持在较高的水平。总体而言，随着加载的稳定，沉降速率逐渐降低，沉降曲线进入平缓的阶段。

从图4还可以看出，自2017年7月24日至8月12日，连续20 d实测沉降速率≤2 mm/d，沉降曲线已趋于平缓，表面沉降趋于稳定。

分析施工期间的监测数据，塑料排水板施工期间地表平均沉降390 mm，真空联合堆载预压期间平均沉降1535 mm，整个软基处理过程中，边桩沉降1855 mm，中桩沉降1995 mm，加固效果明显。

按照平均沉降曲线，利用双曲线法和ASAOKA(浅岗)计算工后沉降和固结度，工后沉降均小于100 mm，固结度大于90%，满足《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)要求。

3.3 孔隙水压力监测数据分析

孔隙水压力随时间变化曲线(见图6)可以看出：真空预压引起土体孔隙水压力下降，在整个加固区域范围内都有效果，在抽真空施工初期，浅层土体的孔隙水压力迅速消散，但消散速率逐渐减缓;满载后，在抽真空作用下，孔隙水压力再次下降并趋向于相对稳定。随抽真空施工的不间断延续，与初始孔压相比，浅层土体孔隙水压力降低，深层土体孔隙水压力表现为上升，软基处理深度中部土体孔隙水压力趋于降低但变化相对较小。

图6 孔隙水压力-时间关系曲线

从图6还可以看出，地下21 m处孔压仍有明显的消散，测得施工期间消散值18.9 kPa，地下27 m处孔压基本稳定。本次塑料排水板底部为地下25 m，说明孔隙水压力在塑料排水板以下影响很小。

3.4 深层水平位移数据分析

为测量抽真空区域的侧向位移，了解真空预压对周边环境的影响，也为有效加固深度的确定和竖向密封墙的打设深度提供参考，在试验路段设置深层水平位移观测点。埋设测斜管时需保持底部固定，本次测斜管埋设深度进入持力层3 m以上，埋深34 m。

从图7可以看出，在抽真空开始的时候，测斜管基本是一条直线，在进行抽真空的过程中，测斜管开始发生偏移，上部7 m偏移较大，最大位移达185 mm;7 m以下偏移较小，最大位移不超过25 mm，在抽真空的过程中，随着沉降的稳定，水平变形速率也在逐渐减小。

从图7可以看出，在30 m埋深处仍测得10 mm水平位移，说明真空联合堆载预压法影响深度较大，大于塑料排水板的打设深度(25 m)。

图7 深层水平位移-时间关系曲线

3.5 施工监测数据分析

施工期膜下真空度稳定在80 kPa以上，地表沉降在加载6个月后趋于稳定，推算的工后沉降及固结度满足规范[12]要求。

从孔隙水压力随时间变化曲线看：塑料排水板范围孔压变化较明显，塑料排水板以下孔压变化不明显;深层水平位移随时间变化曲线测得在地表以下30 m处仍有水平位移，说明真空联合堆载预压法影响深度大于塑料排水板的打设深度。

但从上述监测数据也可以看出，深度越大，影响越小，建议采取一定的标准(如取0.1～0.15倍地表沉降量)区分真空预压的有效加固深度和影响深度。

4 软基加固效果的检验

4.1 十字板原位试验数据分析

软基处理后进行十字板原位检验测试，以了解淤泥软土在处理前后性状变化，通过对预压前后十字板剪切试验参数进行统计分析，并选取同一位置(距离小于2.0 m)代表性测点进行分析，试验结论详见表3、图8。

表3 加固前后十字板剪切试验数据指标变化

(1)从表3统计可以看出，预压前原状土强度16.8 kPa，预压后原状土强度34.3 kPa，原状土强度提高2.04倍，增幅显著。

(2)从表3统计可以看出，预压前重塑土强度7.9 kPa，预压后重塑土强度10.0 kPa，重塑土强度提高1.27倍。重塑土强度增幅不如原状土，说明真空预压加固对淤泥的触变性改善不明显，预压后的土体仍不宜扰动，扰动后软土强度降幅更大。

(3)图8为同一位置(距离小于2.0 m)真空预压前后十字板剪切强度的对比，其随深度的变化可以分为两段，0～18 m范围随着深度的增加，十字板剪切强度逐渐升高;18～24 m随深度增加十字板剪切强度有所降低，说明真空预压在此深度范围加固效果有所减弱，但相对加固前的强度仍提高明显，验证了真空预压的有效加固深度在地表以下24 m处仍比较明显。

4.2 现场载荷试验数据分析

对预压后地基进行现场载荷试验，各点的最大试验荷载及其在以下各级荷载作用下，沉降量较小且能相对稳定。地基的极限承载力达到或超过设计特征值的两倍，试验确定其承载力特征值满足设计要求的100 kPa。

4.3 土的物理力学参数对比分析

软基处理后对在原勘察孔附近5.0 m范围钻探取样，进行室内主要物理力学指标测定，评价加固效果资料，土的物理力学参数详见表4。

图8 加固前后十字板剪切强度对比曲线图

表4 加固前后土的物理力学指标变化

(1)从表4可以看出，真空联合堆载预压处理后，淤泥的天然含水率由68.4%降为57.4%，天然孔隙比由1.828降为1.575，液性指数由2.10降为1.31，软土的物理性质有一定的提高。

(2)从表4可以看出，淤泥的压缩模量由2.04 MPa增加到2.25 MPa，直接快剪强度指标也有一定提高。

4.4 真空预压效果分析

从施工期监测数据及检测结果分析，真空联合堆载预压法加固软土效果明显，本次试验验证了加固深度可以达到25 m及以下。土的物理、力学性质也有明显提高，地基处理效果明显。

但从十字板剪切重塑土的强度数据看，真空预压并未改变软土的基本性质(触变性)。处理后的软土仍应避免扰动。

5 结论与建议

通过对该路段现场试验表明，真空联合堆载预压法的加固深度主要为竖向排水体深度，本次试验得到影响深度达到25～30 m，但在15～20 m范围内加固效果最为显著，建议对真空预压的有效加固深度和影响深度标准进行理论分析和更深入地研究。

通过软基处理前后的参数对比及原位试验，得出该工程在真空联合堆载预压后加固效果明显，沉降趋于稳定。但考虑到该项目软土层深厚，本次塑料排水板未完全穿透软土层，建议对该项目进行长期跟踪观测，取得塑料排水板悬浮桩软基处理后的道路长期沉降数据，为同类工程提供参考。