实例分析真空预压法在市政软基工程中的运用及其与堆载预压法的比较-岩土工程论文
摘 要:关于实例分析真空预压法在市政软基工程中的运用及其与堆载预压法的比较的岩土工程论文：对真空预压法和堆载预压法加固软基的机理进行研究,分析采用真空预压法加固软基的加固效果和土体变形的特点,通过某工程实例,对现场的实测数据进行分析,进一步比较两种方法的加固效果,得到一些有益的结论。
关键词:软基加固;真空预压法;加固效果;变形;工后沉降
真空预压法和堆载预压法两者都属于排水固结法,先在软基打设塑料排水板或袋装砂井作为竖向排水体,并在软基上铺设砂垫层作为水平向排水体,通过真空压力(负压)或堆载(正压),使土体中的孔隙水压力产生不平衡水压力,孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水体逐渐排出,从而使土体产生固结变形。堆载预压时,地基土由于荷载作用而产生的附加应力开始由孔隙水压力(u)所承担,而有效应力不变;随着时间的推迟,孔压逐渐消散并全部转变为有效应力,土体强度得以提高。而真空预压法是总应力(σ)不变,通过抽真空降低边界孔隙水压力,而使土体孔隙水压力(u)降低,孔压消散并全部转变为有效应力,土体强度进一步提高;同时,由于抽真空产生负压,增加的是球向应力,土体向内收缩变形,地基不会因填土速率快而出现稳定性问题,路基可快速填筑,而堆载预压加载时引起土体向外挤出变形,路基不可快速填筑。因此,真空预压法比堆载预压法安全可靠,效果更好。
1 工程概况
1•1 工程概况加固区位于深圳市宝安区西乡镇固戍村固戍开发区内。由于该路段原始地貌为海积阶地,沉积物以海湖相沉积物居多;加上该地区人口稠密,动物活动频繁,植物茂盛,造成土质中有许多有机质,而充足的雨量、炎热的气候等因素使得该地区的淤泥具有含水量高、压缩性大、强度低、厚度大的特点。根据深圳市宝安规划设计院和铁道科学研究院深圳研究设计院的设计,对此路段K0+340~K0+625•16采用真空预压法进行软基处理。真空预压处理段先打设塑料排水板,长度9•0~11•0 m,间距0•9 m,梅花形布置,然后进行真空预压。设计真空度75 kPa,抽真空3个月。
1•2 工程地质条件根据工程地质勘察报告中的钻探资料和室内试验结果揭露,该段地层由上到下分别如下。(1)人工填土层:大多为素填土,成分为砂质亚黏土,自然堆积而成,层厚0•8~6•8 m,结构松软且不均匀。(2)淤泥:灰黑色,软塑~流塑,属超软土层,厚0•9~9•6 m,平均含水量82•4%,孔隙比2•21。(3)砂质黏土:冲洪积成因,黄至棕黄色,呈可塑状,含有砂质。(4)砂质亚黏土层:风化残积成因,呈可塑至硬塑状,属性质较好的下卧持力层。土层物理力学性质见表1。
1•3 工程评价(1)从加固区土层的物理力学性质指标来看,该软土层含水量高、液塑性指标大,压缩性高、渗透性差、强度低,属性质极差的淤泥。由于土体的黏性大、抗剪能力低、稳定性差,完成固结需要的时间长。(2)加固区地质条件比较复杂,加固区两边修筑厂房时挤进大量碎石,对采用真空预压加固软基不利,可能造成加固区外的水气进入密封区,影响真空度上升和维持,必须采取有效的处理措施,防止密封不当。(3)加固区软土层抗剪强度低,黏聚力均小于10•0 kPa,内摩擦角也较低,属海相地层,含较多有机质,因而具有中高灵敏性。打设塑料排水板后,根据以往经验,强度降低20%~60%。因此,必须考虑施工扰动对土的结构的影响而造成土的强度降低。
1•4 施工情况真空预压加固软基施工准备工作包括:清表、购买材料、铺设砂垫层(厚度70 mm左右,作为横向排水体)、打设塑料排水板(间距0•9 m、长度9~11 m,梅花形布置)、开挖密封沟等。排水滤管埋设,密封膜铺设及真空系统安装,布设14台真空泵,抽真空,2 d后膜下真空度达到65 kPa,6 d后真空度达到80 kPa左右,在抽真空的3个月内真空度一直保持在75~80 kPa。从整个施工过程来看,由于两侧回填石块的挤压给塑料排水板的施工带来很大难度,最后改为振动插板机才完成。密封沟的施工难度更大,由于石块较多,施工场地受限制,为保证密封效果,将密封沟的深度挖到2•5~3•0 m。从施工后真空度看,密封膜、膜面及膜周边密封良好,膜下真空度达到设计值,并保持稳定,真空预压施工是成功的。
2 现场观测结果
(1)表面沉降观测表面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堤施工进度和安排后期施工的最重要指标,也是理论研究结果是否正确的最直接检验标准和加固效果最直接的反映。表2是真空预压阶段各测点的沉降资料,可以反映加固过程中土体的变化特点。
在整个处理段6块沉降板中,抽真空历时3个月,最大沉降量已达到912 mm,考虑到排水板施工时的沉降量,总沉降量达1 100 mm左右。按照设计的要求计算,固结度已达到90%左右。在真空预压范围内,边缘地方沉降较小,真空预压中心地带沉降较大,使得整个加固区的土体向里收缩,对土体稳定有利,说明真空预压加固方法对加速土体沉降的效果十分显著。表2中最大沉降速率为35•0 mm/d,最小沉降速率为0•3mm/d,平均最大沉降速率在18•1 mm/d。根据表面沉降随时间变化曲线图,抽真空初期沉降速率较大,随时间的延长,沉降速率逐渐变缓,说明土体主固结变化速率也是一个渐变收敛的过程,与堆载预压基本一致,但沉降速率比堆载预压要大,说明真空预压方法比堆载预压方法具有一定的优势。同时,当2001年4月18日停止抽真空后,沉降有所反弹,最大的反弹量为4•6cm,最小的反弹量为3•1 cm。由此可以看出,真空预压的作用十分明显,可以保证路面结构施工时不会产生大的沉降。
(2)孔隙水压力孔隙水压力观测是了解地基土体固结状态最直接的手段,根据孔隙水压力的变化规律,分析地基土体的固结机理;通过不同深度孔压随时间变化曲线的实测资料,进一步研究真空预压法加固软基的机理和土体强度增长规律。从图1可看出,在真空预压阶段,孔压不同深度的4个测点随时间的延续呈下降趋势,特别是2•5 m测点,从2月12日起孔压已降到负值,5 m测点孔压已接近负值,说明真空压力随着竖向排水体(塑料排水板)向地基深处传递良好,加固效果显著;10 m处测点由于真空传递较慢,孔压下降速率较慢,而塑料排水板长度10 m左右,下卧层土体加固效果十分明显。
孔压观测资料显示,沿着深度方向将孔压消散值从大到小排列,依次为2•5、5•0、7•0、10•0 m,真空预压法加固软基的深度较大,可以消除下卧软土层的部分次固结沉降,从而减少了工后沉降。当4月18日停止抽真空后,孔压值迅速上升。尤其是10 m处测点上升速度最快,到4月28日逐渐趋于平稳。
(3)真空度观测真空度达到设计要求是软基处理成功的重要保证,真空度的大小是真空预压施工是否成功的最直接的反映。1月13日开始抽真空,真空度持续上升较快,19日达到80 kPa左右,膜下真空度各测点基本维持在75~80 kPa,满足设计要求。沿深度埋设的真空度测点有4个,上部测点(2 m)保持在33 kPa左右,这些测点埋设在塑料排水板之间淤泥中,由于处理段淤泥性质很差,成孔时各测点完全被淤泥包围,真空压力无法沿排水通道传递,因而其他测点真空表均没有反映。
(4)地下水位观测地下水位观测目的是了解加固区地下水位的变化规律,进一步分析地基土体的固结机理。从理论上讲,真空预压是通过抽真空使加固区产生负压,利用该负压将土体内孔隙中的水部分排出,达到使土体加固的目的。同时,水位的变化与膜下真空度的高低有关,1月14日~3月22日地下水位逐渐下降到-3•65 m,3月23~3月29日地下水位反弹60 mm,3月30日之后继续下降,虽然地下水位的变化与季节有关,但在施工期间,地下水位随时间缓慢下降,当停止抽真空后,水位迅速回升,3 d后即回升到抽真空前的水位。
3 真空预压法与堆载预压法比较
在广东地区修筑公路,最常采用的软基处理方法是堆载预压。虽然,堆载预压方法不乏成功的范例,但对施工工期紧的市政工程软基加固仍存在不尽人意的地方。按堆载预压方法设计,要达到工后沉降要求(一般路基<20 cm,结构物附近路基<10 cm),必须进行超载,因此要完成填筑施工预压时间大约需较长时间(视填土高度而定),这显然制约了整个工程的施工进度。为了解决软基加固与施工工期的矛盾,采用真空预压方法可有效解决这一问题,该方法特点如下。(1)缩短施工工期软土层其特征为含水量高、压缩性大、抗剪强度低、渗透性差、灵敏性高。在这样的软土层修筑高等级公路或市政道路,填筑路堤的速度是制约施工工期的关键因素。将南昌路真空预压段(K0+340~K0+625•16)与航空路堆载预压段(K0+030~K0+420)的沉降作一对比(表3)。
从表2和表3各沉降数据比较可以看出,真空预压法处理段施工时间短,而累计沉降量和沉降速率均比堆载预压要大得多,说明真空预压法的加固效果要比堆载预压法显著。(2)解决填筑过程中的稳定性问题真空预压法在加固软基过程中,加固区始终处于负压状态。土体在负压状态下,产生向内的收缩变形
