软基真空联合堆载预压技术及其沉降规律分析

文登国，秦 阳

(中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都 610081)

1 工程及地质概况

横琴新区市政基础设施非示范段主、次干路市政道路工程位于横琴新区非示范区内，主要集中在天沐河两侧及口岸服务区，项目包括13条道路，总长约23.9 km。现状地面标高多为－1.0 m～0，道路设计标高为3.7～5.5 m，路基填高约5～6 m。拟建场地原始地貌单元为海漫滩地貌，经后期人工回填形成现状地貌景观，现在多为鱼塘。根据钻孔揭露，勘探深度范围内自上而下可分为:第四系人工填积层、湖塘相沉积层、海相沉积层、海陆交互相沉积层、残积层和燕山期侵入花岗岩。

路基土工程评价如下:表层填土厚度较小，多呈现可塑—软塑状，工程密实度不高，性质差异大，工程性质较差。软土层主要为湖塘相和海相沉积层，软土层较深厚，总厚度约22～48 m，平均厚度达36.48 m，含水率高达70%，液性指数高，有机质含量高。软土层具高含水率、高压缩性、大孔隙比、高灵敏度，强度低等特性，具流变、触变特征，易导致路基沉降和失稳，不宜直接作为天然地基使用，须进行软基处理。软土层以下的海陆交互相黏土及中粗砂层密实度和地基承载力较高，可作为路基下卧层。

2 软基处理方案选择

前述的软土地基厚度较大、含水率高、压缩性高、工程性质差，对软土地基的处理效果决定了道路建成后的工后沉降大小。城市主干道工后沉降标准为≤30 cm，城市次干道为≤50 cm，由于市政道路的特殊性，管廊等小型构筑物(箱涵、人行通道)工后沉降≤20 cm。经过初步计算表明:该软土地基如不经过处理其工后沉降均不能满足要求，所以须对其进行专项处理。

软土地基的处理方式一般有强夯法、排水固结法、水泥土搅拌法等［1］。强夯法处理深度有限，工期较长，水泥土搅拌法处理深度最多至15 m。排水固结法［2］分为堆载预压与真空联合堆载，堆载预压法预压时间长、预压土方量大;而真空联合堆载具有工期较短、工程投资低、处理效果好等优点［3-4］。根据地质情况、工程建设的规模及工程投资，选定采用真空联合堆载排水固结法。

3 方案设计及要点

真空联合堆载预压原则上按(1.2～2.0)×104m2分为一个处理区。由于该区域软土厚度较大，均厚达20～30 m，为达到更好的软基处理效果，选择纵向通水量、滤膜渗透系数更高的SPB-C型塑料排水板。排水体布置宜“细而密”采用正三角形布置间距1 m，等效于当软基处理深度＜25 m时打穿淤泥，当软基处理深度＞25 m时打至25 m。砂垫层采用中粗砂，黏粒含量≤3%，干密度 ＞1.5 g/cm3，渗透系数宜 ＞1×10－2cm/s。铺设密封膜3层，膜上、下各铺保护土工布1层，密封膜周边压入密封沟，见图1。

路基填土分层填筑，路基填土应在60 d内填筑到位，满载后抽真空联合预压时间应120 d左右，设计要求膜下真空度稳定在－80 kPa后，连续抽真空180 d左右。由沉降观测数据推算工后沉降，结合实测沉降速率确定抽真空停泵时间，要求实测沉降三点法或Asaoka法推算工后沉降满足设计要求，沉降速率＜ 3 mm/d［5］。

图1 软基处理典型横断面(单位:m)

4 监测数据分析

为了准确计量工程量及研究真空联合堆载预压软基处理加固的机理，控制合理的加载速率，制定合理的施工方案，现场进行了大量的监测，主要包括:地表沉降监测、不同深度地层水平位移监测、不同深度地层分层沉降监测、孔隙水压力监测等。现场某一标段监测数据分析如下。

4.1 地表沉降规律分析

真空预压处理每分区布置沉降板约5块(间距约50 m)，沉降板在路基横向分左中右间隔布置。地表沉降变化规律直接影响施工工期及土石方的准确计量，也是对软基处理方案加固效果的直接检验。

在真空联合堆载预压作用下，软土的主固结沉降呈渐变收敛趋势，沉降速率逐渐趋于稳定，至卸载前各条曲线均趋于稳定。从图2可看出真空联合堆载加速软土地基沉降的效果十分明显，真空加载后地基沉降量逐渐加大，沉降速率约为10 mm/d。当真空荷载稳定在80 kPa后填土加载开始，沉降速率明显增大约60%，沉降速率约为16 mm/d。满载后沉降速率呈减小趋势，至满载后120 d左右，沉降速率为1.5 mm/d，表明土体沉降基本完成。至沉降稳定期总沉降达到260～300 cm，也反映出该区域软土的高压缩性。

图2 沉降—荷载量—时间变化曲线

4.2 不同深度土层水平位移变化规律

打设测斜管至淤泥底部定期观测深层软土的水平位移，从深度—水平位移变化曲线可以看出插板排水体长度范围内土体均有不同大小的水平位移。软土层顶部的水平位移较大，随着软土厚度的增加，水平位移逐渐减小，至插板底部深度约25.5 m软土的水平位移几乎为0。

不同深度的软土水平位移值均为负值，表明各层土体的水平位移均指向场地内部，出现“内缩”现象。这是由于真空荷载稳定后负压达到80 kPa，而填土荷载约60 kPa，真空荷载大于填土荷载，由真空负压产生指向场地内部的位移大于由堆载产生指向场地外部的位移。故当真空负压大于堆载荷载时，不会出现因填土速率过快引发地基失稳，可保证工程施工的安全，也表明真空联合堆载比堆载预压更安全可靠。

在真空联合堆载作用下软土的水平位移主要集中于1.5～10.0 m深度范围内，水平位移约200～－300 mm，最大水平位移值－310 mm出现在真空满载深度约4.0 m处。同一深度软土的水平位移随着时间的推移呈减小趋势，这是由于真空满载80 kPa后随着堆载的增加，真空负压产生的“内缩”作用被堆载产生的“外扩”作用抵消，水平位移表现为逐渐减小。

4.3 不同深度地层分层沉降变化规律

图3 1区分层沉降量—时间变化曲线

观测不同深度地层的沉降变化，可以分析不同深度土层的加固效果及软基处理深度。从图3中可看出抽真空稳定后各层土的沉降明显增加，随着堆载的增加沉降也在不断的增加，各层沉降的变化速率明显大于抽真空的沉降变化速率，满载后各层沉降趋于稳定。随着深度的增加各层的沉降呈递减趋势，顶部土层的沉降最大，底部的沉降最小。可见真空联合堆载预压竖向排水体上部的软土处理效果较好，这是由于真空负压随着排水体深度的增加出现了衰减。

4.4 孔隙水压力变化规律

孔隙水压力的变化直接反应了土层固结度的变化，通过监测土层孔隙水压力的变化能够真实地反应出软土地基固结变化，为评定软基处理效果提供依据。在软土层的顶部、中部和底部分别埋设孔隙水压力计，监测不同深度软土在处理过程中的孔隙水压力变化。真空预压80 kPa满载后各位置的孔隙水压力变化较大，随着堆载的增加，各位置的孔隙水压力变化率明显减小，真空联合堆载满载后孔隙水压力变化率趋于平稳。

5 处理效果评价

通过对处理前后土体的室内土工试验得到了加固前后其物理力学性质对比表。表1表明:经过真空联合堆载预压处理后地基土的含水率降低了23%、孔隙比降低了26%、液性指数也降低了35%，土体的物理力学指标得到明显改善，从直剪试验和十字板剪切试验结果可以看出土体的力学性质也得到了明显改善。

表1 软基处理前后软土物理力学性质

6 工后沉降推算

通过设计沉降量和由3种方法推算的最终沉降量的对比(表2)，发现设计沉降量和最终沉降量基本相等，不同方法推算得到的固结度均在95%以上，3种不同方法的平均工后沉降均＜10 cm，表明真空联合堆载预压处理能够明显减小软土地基的沉降，满足工后沉降要求。

表2 最终沉降推算

7 结论

通过对真空联合堆载预压方案的分析以及现场监测数据和处理效果评价可以得到如下结论:

1)真空联合堆载预压加固效果明显，最大沉降速率达到16 mm/d，随着时间推移沉降趋于稳定，且由于真空负压作用真空联合堆载比堆载预压地基土稳定性更好。随着排水体深度的增加土体的处理效果减弱，各层的分层沉降、孔隙水压力及真空度呈递减趋势。

2)真空联合堆载预压处理深度较大，排水体深度内的土体得到了明显改善。但由于真空度衰减效应，上部处理效果好于下部。

3)真空联合堆载预压能够明显改善软土性质，提高软土的物理力学指标。

4)采用真空联合堆载预压处理后的软土地基，满足市政道路工程工后沉降要求，对类似工后沉降要求严格的地基处理工程具有借鉴意义。

［1］刘增荣.土力学［M］.上海:同济大学出版社，2004.

［2］林婵华.排水固结法处理软土地基效果分析［J］.福建建材，2010(3):64-65，67.

［3］唐风华，崔大伟，杜广印，等.搅拌桩复合地基沉降与固结特性研究综述［J］.公路交通科技:应用技术版，2013(9):168-172.

［4］张可誉，李洪峰，张令诺.真空—联合堆载预压处理软土地基的研究［J］.铁道建筑，2008(10):79-80.

［5］徐新跃.软土地基沉降预测方法的探讨［J］.建筑结构，2003(3):36-38，64.