真空联合堆载预压法加固软基监测及沉降分析

　　摘要：介绍了真空联合堆载预压的加固机理，结合武汉某交通主干道真空联合堆载预压地基处理的监测内容及布设，并对其监测沉降数据进行详细分析及沉降预测，认为真空联合堆载预压法处理本段软弱路基是成功的，在类似工程中应用是可行的。
　　关键词：真空联合堆载预压，软弱路基，监测，沉降分析
　　1 引言
　　近几年来我国高等级公路发展迅速，在我国沿海地区，特别是大江、大河、河口附近多为河相、海相、和泻湖相沉积，在地质上属于第四纪全新纪土层，多属于正常的饱和压密粘土，土的类别多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土。这类软土地基一般都表现为高含水率、大孔隙比、低强度、高压缩性、低透水性、中~高灵敏度等特点。一般的排水加固法处理软基，存在着排水固结时间过长、工后沉降难以满足规范要求等特点。本文根据武汉新区梅子路及四新大道真空联合堆载预压K2+920~K3+120段地基处理的监测结果，对其产生的沉降特征进行了较全面的分析，对指导真空联合堆载预压的设计与施工具有实际意义。
　　2 工程概况及加固机理
　　2.1工程概况及工程地质条件
　　武汉新区四新大道为城区客运交通主干道，道路级别为Ⅰ级。其中K2+920~K3+120段，位于梅子路与四新大道的立交互通下，采用真空联合堆载预压工法进行软基处理。K2+920~K3+120路段软基处理总长200m，真空预压面积约为9400m2，竖向排水体系采用塑料排水板，间距为1.2m，三角形布置，深度贯穿淤泥及淤泥质土层。自2005年1月11日开始抽真空，1月17日铺设膜上20cm砂垫层，3月11日及4月4日分两层进行填土施工。至6月3日抽真空共历时143天，其中真空联合堆载预压历时61天。
　　土层分布情况为：①人工填土，厚度约为0.2~4.4m，由路基工作垫层和砂垫层组成，局部为建筑垃圾。②淤泥层，呈灰黑色、灰色或灰褐色，流塑~软塑，局部为淤泥质粘土，含有机质，局部见螺壳。本层全场分布，层厚5~11m左右，力学强度低，孔隙比大，含水率高，压缩性高，为真空预压处理的主要软弱层。③粘土，呈灰色~黄褐色，可塑，含少量铁猛质结核及高岭土团块。
　　2.2真空联合堆载预压法加固机理
　　真空联合堆载预压法的原理是利用真空膜对加固区进行密封，使它与大气隔离，然后用真空泵将地下水和空气通过竖向排水体和横向排水体排出加固区外，在加固区形成真空。同时在地表砂垫层上产生负压，该负压通过真空管路及竖向排水体向下延伸，并在四周土体中扩散，使加固土体内部与排水通道砂垫层之间形成压差，在此压差作用下，土体的孔隙水不断由排水通道排出，最终使土体固结压实。
　　3 监测内容及仪器埋设
　　本次监测的主要内容包括：①沉降观测（地表沉降、土体深层分层沉降），其目的是了解沉降速率，得到沉降～时程曲线，推算最终沉降量，计算地基平均压缩度，分析残余沉降，并确定各工序开始时间；②水平位移观测（土体内水平位移及路址外地表水平位移），目的是实测位移速率，控制加荷速率，分析路堤的稳定性，确定真空预压的环境影响范围；③土体内孔隙水压力及水位观测，目的是利用孔压～荷载关系，控制加荷速率，了解真空的传递规律，推算固结度；④真空度观测，目的是了解真空度在膜下及土体内的传递规律。
　　根据本段处理区场地地貌地质特征，尤其考虑到淤泥层的空间展布情况，在K2+950处布置主监测断面，监测仪器主要布设沉降板(每断面6块，左右幅各3块)、深层分层沉降仪(2处，左右幅各1处，每处5个测点)、孔隙水压力计(2处，左右幅各1处，每处5个测点)、测斜仪(2处)、水位观测孔(8处)、膜下真空计(2只)，排水板内真空计(5只)等。K3+100处布置加密监测断面，监测仪器主要布设沉降板（每断面6块，左右幅各3块）、位移边桩（每断面6根，间距不等）及膜下真空计。
　　4 监测沉降分析
　　4.1沉降特征简析
　　主监测断面K2+950：真空卸载前总沉降量为18.011cm～24.140cm，最大沉降量发生路中测点处，沉降量主要发生在填土前的真空预压期，约占总沉降量的66.7％，差异沉降率为4.7‰，路基沉降较为均匀，最大沉降速率出现在填土前的真空预压期，为0.987cm/d；填土期间沉降速率最大值为0.335cm/d，平均值为0.108～0.122cm/d；该处真空卸载后的回弹量为3.004～3.387cm。
　　加密监测断面K3+100：卸载前总沉降量为31.706cm～40.733cm，最大沉降量发生在右路肩测点处，最大沉降速率出现在填土前的真空预压期，为0.683cm/d；由于填土期较短，所以沉降量主要发生在填土前的真空预压期和恒载期，此两阶段的沉降量相差不大，填土期间沉降速率最大值为0.550cm/d，平均值为0.225～0.308cm/d；真空卸载后的回弹量为1.523～2.056cm；填土期及恒载期的膜下真空度平均值分别为82和78kPa；抽真空期间路基的差异沉降率为4.0‰，路基沉降较为均匀。
　　4.2沉降推算
　　目前沉降及最终沉降量的计算尚无准确的定量公式，大量的工程实践表明，利用部分实测沉降曲线来推算沉降及最终沉降更为可行。通常推算最终沉降的方法有3种：即三点法、双曲线法及Asaoka法。
　　（1）最终沉降量的估算
　　由于缺少土层的e~p曲线，因而无法采用e~p及e~logp法预估地基的最终沉降量，现采用规范推荐的应力面积法进行计算。填土重度取20kN/m3,真空荷载取膜下真空度数值为80kPa，计算矩形基础的中点的沉降量见表1。考虑到土体水平位移量较小，经验系数m取为0.95。表1
　　断面 填土高度（m） 压力面积法计算地总沉降量（cm） 备注
　　K2+950(右) 1.17 37.402 ZK1
　　 1.17 41.106 ZK2
　　K3+100(右) 1.15 52.257 ZK3
　　 1.15 43.457 ZK4
　　计算深度按ΔSi≤0.025ΔS确定，一般至粘土层即可。由于总的沉降量与填土厚度及软弱土层厚度成正相关性，同时还与软土层上硬壳层的厚度有关，硬壳层的厚度越大，最终沉降量越小。又由计算沉降量值较大程度上受到土层剖面及Es取值的影响，因而上述计算仅作参考。
　　（2）工后沉降量的估算
　　利用实测的荷载～沉降～时间曲线（见图1），采用图解法可以推算出地基的最终沉降量进而求得工后沉降量。为了对比的需要，此处采用双曲线法、三点法及Asaoka法等三种方法进行最终沉降量的预估，所得结果如下表2。表2
　　断面 实测沉降量(cm) 预测最终沉降量（cm） 工后沉降量（cm）
　　  双曲线法 三点法 Asaoka法 双曲线法 三点法 Asaoka法
　　K2+950(右) 27.397 32.780 29.950 30.808 5.383 2.553 3.411
　　K3+100(右) 40.733 55.723 49.002 49.769 14.990 8.269 9.036
　　双曲线法及三点法是要求恒载下的沉降观测时间不少于半年或曲线基本处于收敛状态，而Asaoka法不受此限制，因而使用价值更大。
　　图1K2+950及K3+100（右）沉降~荷载~时间曲线图
　　（3）土层压缩度的估算
　　由实测的沉降量与通过计算或图解法预估的总沉降量相比较即可以得到土层的各种压缩度如下表3。
　　表3
　　断面 实测沉降量（cm） 计算总沉降量（cm） 图解总沉降量（cm） 压缩度（％）
　　   双曲线法 三点法 Asaoka法 计算法 双曲线 三点法 Asaoka法
　　K2+950(右) 27.397 37.402 32.780 29.950 30.808 74 84 91 89
　　K3+100(右) 40.733 52.257 55.723 49.002 49.769 78 73 83 82
　　由于计算总沉降量受到地质剖面及土层指标选取等因素的影响较大，而实测沉降量中往往又不含有沉降板埋设前期的土层沉降量，因而会造成计算压缩度偏小。而采用Asaoka法虽然忽略了前期沉降量会使压缩度减小，但影响值不大。
　　经上述三种方法推算沉降结果的比对，采用Asaoka法推算的结果与实际较为接近，土层的平均压缩度为(84～91)％及(73～83)％，在仅考虑填土作用下地基固结度平均值为90%以上。说明场区经真空联合堆载预压后，软土固结排水大部分已完成，真空联合堆载预压处理效果明显。
　　5 结论
　　（1）基于上述沉降分析，本人认为在武汉四新大道K2+950~K3+100路段采用真空联合堆载预压法处理软基效果显著，是非常成功的；
　　（2）在两断面处采用三种方法预测的工后沉降量为2.553～5.383cm及8.269～14.99cm，按一般路段考虑满足设计对工后沉降的要求；
　　（3）真空联合堆载预压法在类似工程中应用是可行的。
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