真空联合堆载预压法加固软土路基的工程实践

薛 翔

(山西路桥第八工程有限公司,山西 运城 044000)

1 工程概况

山西某高速公路全长48.62 km,双向四车道设计,路基宽26.0 m,其桩号K11+496～K13+900段位于冲积平原区,沿线地表地层主要为软塑-流塑状淤泥质土,含水量及孔隙比大,压缩性高,无法作为路基的天然持力层。结合地勘报告,该路段土体从上往下依次为:0.7 m厚的人工填土层;12.8 m厚的灰黑色高压缩性淤泥质亚黏土层,流塑状,饱和;8.9 m厚的浅黄色高压缩性低液限黏土层,黏性强,可塑;褐黄色强风化砂岩层,半土半岩状,节理裂隙发育,浸水后快速软化。各土层物理力学性质如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

为保证相应路段路基稳定,决定采用真空联合堆载预压法展开地基处理。该路段软土层厚度最大达22.8 m,路基填筑高度5.0 m,排水板在平面上按照梅花形布设,并按照1.2 m间距和20 m深度打设;按照0.5 m厚度铺设中粗砂垫层,其上再铺设2层密封膜和土工布;PVC管则选择直径76 mm、壁厚4 mm、承载力为400 kPa的标准管材,通过带筋软胶管连接主管和滤管,并在连接处预留出一定的沉降空间,防止路基不均匀沉降破坏连接处。

抽真空施工于2020年1月13日开始,同年10月24日停泵,抽真空总共持续270 d。从2020年3月10日开始填土,此后满载预压。

2 真空联合堆载预压施工

真空联合堆载预压就是在堆载预压的同时通过薄膜将大气与软基隔离,借助抽气设备抽出土体内空气并形成真空以及砂垫层负压,通过真空管路使该负压持续向下延伸,随之扩散于土体中,在土体内部和砂垫层间形成压差;受到压差作用后土体内孔隙水持续排出,孔隙水压力随之降低,最终达到土体压密固结的工程效果[1]。

施工开始前必须将地表石块、淤泥、植物根系、杂物等彻底清除,通过中粗砂换填,并初步整平压实。在边桩外侧2.0 m处开挖围堰,并在围堰外侧增设排水通道,以便排出围堰内地表积水和浅层地下水。

2.1 排水通道设置

为保证预压排水效果,按照铺设垫层和竖向排水两种方式设置排水通道。在垫层铺设前应检查垫层材料质量,材料含泥量应不超出3%,细度模数2.8,渗透系数0.012 cm/s,其余性能参数必须符合《公路工程路基施工技术规范JTGT3310-2019》要求。竖向排水也就是塑料排水板,要求压实后的垫层厚度应达到50 cm,为此,垫层应先后按照20 cm和30 cm厚度铺设,在上层垫层铺设前必须按设计要求设置塑料排水板,并在垫层铺设后展开检测,确保其压实度达到93%以上。

2.2 真空管网设置

该公路以PVC管为真空排水管,因路基整体为长条形,故排水管也分为主管和滤管两种,管径依次为75 mm和60 mm。主管按照25 m间距纵向埋设,并在管头设置变径三通连接滤管,另一端连接射流泵;滤管则按照5 m间距横向埋设,并以鱼骨形连接主管,形成管网。为便于土工布铺设施工,还必须在相应位置预留聚氯乙烯薄膜口,在场地外缘开挖密封沟。

密封膜铺设时必须保证其插入沟底的深度达到100 mm,借助翻转锚固定并填实,并再次检查密封膜铺设质量。铺设好后,其上再加铺一层土工布,起到巩固和保护作用。

2.3 抽真空及堆载

待铺设好土工布后,通过真空射流泵抽真空,期间应避免发生漏气问题;抽真空过程中还应加强真空度观察,如果真空度持续稳定5 d以上,便可展开堆载。堆载前,还应在密封膜表面填筑1层15 cm厚的素土,起到保护密封膜的作用,避免密封膜破损、漏气现象的发生。此后按照4 m高度分层堆载,并施以适当的碾压。

堆载过程中标的高度必须与路床顶部标高保持一致,并加强沉降观测,若近7 d内沉降速率始终不超出2 mm/d,则可停止抽真空。结合监测结果,若固结度达到90%及以上,且沉降量不超出30 cm,即可展开真空卸压。

3 监测方案

通过设置观测点并埋设监测仪器,取得软土路基处治施工过程中及工后变形数据,并对数据展开处理分析,掌握土体固结程度,检测处治效果。在加固区域路边和路中设置8个孔隙水压力测点,2个深层土体水平位移测点,7个地表沉降板,10只分层沉降环;同时在排水板底埋设孔压计与分层沉降环,以展开土体加固影响深度分析。

该公路K12+445段沉降量最大,为187.9 cm,在堆载前及初始抽真空时,沉降较快,并在持续抽真空第5d时沉降速率达到6.8 cm/d的最大值,在此期间,路床则始终处于稳定状态,抽真空结束后固结度能达到90%以上,沉降量始终不超出30 cm。为进一步检测土体固结状态,还必须展开孔隙水压监测,根据监测结果测算土体固结度,以客观真实反映土体抗剪强度,为施工过程中加载速率的调整提供依据。

施工期间,随着抽真空过程的继续,孔隙水压将减小,而加载开始后,孔隙水压增大,达到一定高度后便下降;而再次施加荷载后孔隙水压又会回升和下降。在如此循环往复中,地基土强度不断增大。根据勘测结果,降速最大的孔隙水压位于地表以下12 m深处。填土堆载时,随着荷载的施加,孔隙水压增幅明显,但持续时间不长,此后便区域稳定。而路床堆载时,孔隙水压最大变幅出现在地表以下16 m处,而其他测点处则保持稳定。以上真空压力结果能使堆载数值小于孔隙水压初始值,避免软基处理过程中发生失稳,利于缩短工期,提升工效。

4 加固效果评价

4.1 路堤力学性能分析

应用真空联合堆载预压法处治该公路软土路基后,对处治前后各类土工试验数据展开比较,路基土体物理力学性能得到较大改善,具体见图1。由图可知,土层含水率从加固处治前的66.4%降至处治后的49.4%;孔隙比均值从处治前的1.678降至1.345。十字板剪切试验所得到的土层承载力从加固前的26.3 kPa提升至加固后的84.8 kPa,并具有持续增大的趋势。与此同时,处治后的路基土体抗剪强度、压缩性、黏聚力均有不同程度的提高,而内摩擦角减小,但降幅并不大。综合以上分析,该高速公路软土路基经真空联合堆载预压处治后,土层抗剪强度明显提升。

图1 路堤加固前后力学性能参数的比较

4.2 沉降预测

根据加固区域地表沉降随时间变化过程线,从2020年1月13日抽真空开始,地表发生明显沉降,且沉降速率持续增大;随着抽真空继续进行,测点沉降速率逐渐降低,沉降曲线也变得缓和;此后,从3月10日开始各级填土荷载持续向地表面施加,沉降曲线重新变得陡峭,这也是真空堆载联合作用下固结沉降加速的表现[2]。随着填筑速率的减缓,9月24日开始将填土加至80 kPa,直至2021年2月23日预压持续5个月后再施加下一级荷载,这期间段内沉降曲线变化较为平缓。从开始抽真空到2020年10月24日,真空预压已经满9个月,结合沉降监测结果,期间的最后2个月沉降速率原本较大的路右2曲线沉降速率达到23 mm/mon,符合真空卸载要求,见图2。

图2 地面沉降随时间变化过程线

试通车时最大沉降监测值为204.9 cm,对应的路基固结度达到92.5%,通车1年后最大沉降量达到211 cm,对应的固结度为95.7%。通车1年后的沉降量最大值与试通车时最大沉降之差6.1 cm即为通车1年的实际工后沉降。

根据分层沉降随时间变化过程线,开始抽真空时,不同埋深下沉降磁环快速下沉,随后沉降速度减缓,直至堆载开始后因受到联合预压作用沉降速率再次增大[3]。地表以下淤泥质黏土沉降速率最快,其沉降量在总沉降量中的占比达到65%;排水板以下沉降量仅占总沉降量的10%左右,排水板对其下土层固结存在一定影响。

4.3 孔隙水压力

抽真空开始后加固区域不同深度测点处孔隙水压力均快速下降,同时形成超静孔隙水压力负值,但不同深度测点孔隙水压力并未表现出Mandel-Cryer效应,表明软土路基上下孔隙水压力消散能力良好。随着抽真空过程的持续,孔隙水压力降速减缓,根据孔隙水压力消散程度可以看出,抽真空开始后至堆载前,软土路基不同深度孔隙水压力消散值趋于一致,仅深度8.0 m和17.0 m处孔隙水压力消散值偏大,原因在于这两处位置测点和排水板距离较近且土体渗透系数较大[4],深度在20.0 m以下的软土孔隙水压力消散值最小,意味着排水板以下土体排水难度增大。孔隙水压力消散程度如表2所示。

表2 孔隙水压力消散程度

堆载开始后填筑速率达到1.04 kPa/d,且根据实测资料,深度11.0 m及14.0 m处测点孔隙水压力升高至0,对路基稳定较为不利,而停止填土20 d后,各测点孔隙水压力持续下降至-25 kPa以下,再次恢复填筑;且在此后的填筑过程中,孔隙水压力始终保持在负压的稳定状态,为路基施工稳定提供了保证。

5 结 论

综上所述,应用真空联合堆载预压施工技术处治高速公路软土路基,能保证土体快速固结,进而缩短工期,通过堆载速度及真空度控制,完全能保证孔隙水压力及时消散,在加速土体固结的同时提升路基抗失稳性能。真空预压使土层内产生负的超静孔隙水压力,而堆载预压使土层内产生正的超静孔隙水压力,由两者所构成的总的超静孔隙水压力随抽真空的开始而先降后增,且通常取负值。为保证路基稳定,应尽可能避免因填筑施工速率过快而造成孔隙水压力大幅回升,以保证较大深度处总超静孔隙水压力始终为负值。