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| 真空预压下卧透水层处理方法及监测结果分析 |
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邓万福
(广东冠粤路桥有限公司 广州市 510100)
摘要：介绍了真空预压下卧透水层的处理方法，对测试结果进行了分析，并用有限元方法作出变形分析,得出一些更深入的结论。
关键词：真空预压 下卧透水层 有限元分析
1 前言
真空预压法在高速公路软土路堤施工中得到越来越广泛的应用，特别是在软土性质差、填土高度>7m路段被普遍采用，达到了加速软土固结沉降、提高路堤稳定性的目的，从而实现快速填土，缩短工期，减小工后沉降，取得良好效果。但在工程实践中也常常会发现，由于下卧透水层的存在，导致真空度下降，真空预压作用难以发挥的现象。本文以中江高速公路港口立交真空预压工程为例，系统地介绍了真空预压下卧透水层处理方法、测试结果分析、有限元分析及对周围环境的影响。
2 工程概况
2.1 地质条件
中江高速公路港口立交位于广东省中山市港口镇，真空预压处理范围k1+420~k1+620，路基长度200m，宽度50m（其中k1+420~k1+520宽12m），总面积5000m2。地质条件第1层为淤泥，厚11.4m，呈流塑~软塑状，含水量高达70%，液限指数高；第2层为淤泥质亚粘土，厚27.5m，呈软塑状，含水量60%，土质软弱；第3层为中砂砾层，厚7.1m，基底为泥质砂岩、细砂岩。场地平面如图1所示。
2.2 下卧透水层处理方法
从2002年6月10日开始抽真空，10小时真空度上升到80kPa，7月11日真空度上升到最高值88kPa后迅速下降至50kPa，经查找原因有以下情况：
（1） 经静力触探结合钻探资料认为4~10m深度范围内存在夹砂层（或夹砂透镜体）；
（2） 进行一次小试验，同时切断所有射流泵电源，真空度下降从新旧路
图1 场地平面图
堤交界至桥头呈梯度分布，交界处下降最大，说明新旧路堤袋装砂井由夹砂层串通，与大气贯通成为漏气通道；
（3）根据以往工程经验，场边4~10m范围将出现拉裂缝，但本工程拉裂缝发生在30m处，说明该裂缝不是由软土收缩引起，而是由于透水层中地下水位下降引起附加沉降导致。
综合以上情况认为场地内存在下卧透水层，经研究后决定采用搅拌桩作为防渗帷幕，搅拌桩直径70cm，深12m，搭接20cm。搅拌桩施工完成后真空度很快上升至80kPa以上，防渗效果较好。值得一提的是，当时旧路堤已填筑7m高，总沉降量2.7m，为消除新旧路堤的差异沉降，将旧路堤卸载至3m高，然后与新路堤同步填筑，每50cm加设一道单向土工格栅。
3 测试结果分析
（1） 孔隙水压力
根据太沙基的有效应力原理，真空排水预压法加固的整个过程是在总应力没有增加，加固中降低的孔隙水压力就等于增加的有效应力（Δσ1′）。孔隙水压力变化如图2所示。
软土天然强度增长计算采用如下两种方法：
图2 监测结果
① 固结引起的强度增量
Δτct=Δσ1′sinфˊcosфˊ/(1+ sinфˊ)
抗剪强度 τct=η（τ0+Δτct）
其中，τ0——天然地基抗剪强度；
η——考虑剪切变形及其他因素对强度影响的一个综合性折减系数。建议取1.1~1.3，固结度大时，η取较大值。
② Skempton提供的经验关系：
Cu/P0=0.11+0.0037Ip
P0——有效覆盖压力，可以是土的自重应力（扣除地下水浮力），或者是自重应力减去实测孔隙水压力。
③地基强度计算值比较 表1
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计算点深度（m） |
有效应力法计算的抗剪强度(kPa） |
Skempton计算的抗剪强度（kPa） |
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2 |
21.9 |
23.5 |
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4 |
26.2 |
25.4 |
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6 |
35.5 |
29.9 |
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8 |
36.8 |
30.6 |
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10 |
26.8 |
26.5 |
从表1可看出两种方法计算的抗剪强度非常接近，换算成安全填土高度分别为8.8m、8.1m，实际填土高度为10.1m未失稳，说明填土过程中软土强度仍有较大增长，同时与真空预压土体等向固结、搅拌桩约束作用有关。
从图2可知，负孔隙水压力主要随真空度变化波动，由于真空抽吸作用的存在，缓慢增加的低荷载（<10kPa）对孔隙水压力的影响很小并迅速消散，这是真空预压之所以能快速填土的主要原因。
（2） 沉降
开始抽真空15天，地基下沉69.3cm，填土过程中地基沉降速度远大于堆载预压法，最大日沉降量达36mm，填土后第三天沉降量明显减小，说明真空预压能加速软基沉降，但每层填土引起的沉降量与堆载预压法相当，因此，真空预压能否减小软基工后沉降尚待进一步验证。
4 有限元分析
采用弹性模型进行计算，砂井等效转换为四道宽1.68m的砂墙，真空荷载分布如图3。
图3 真空荷载分布
计算得中心最大沉降量为2.6m，与分层沉降法计算沉降量基本一致，说明此法具有一定的实用性。从图4a可知，在地基深部已发生较大水平位移（26cm）,塑性区形成，地基处于临界状态；从图4b可知，地面下18m范围内发生压缩变形仅1.2m，18m~30m范围发生压缩变形1.2m，真空预压影响深度约15m，因此真空预压对后期沉降作用甚微。因此在填土完毕后，当总沉降量达到1.5m以上、每天沉降量小于10mm时，应该停止抽真空。常规的软基处理方法对深层软基已是无能为力了，超载太多有可能引起地基失稳，因此，轻质填土的出现成为一种必然，它能减小地基附加应力的影响深度，减小工后沉降，从而充分发挥袋装砂井的排水效果，快速达到最终沉降量。
5 结论
（1） 下卧透水层真空预压施工关键要切断透水层，阻断补给通道，才能维持较高真空度。
（2） 孔隙水压力是球应力，故各个方向上的有效应力增量相等，因此，真空排水预压加固软土地基时，土体是等向压力下固结的，而堆载预压法在不等向压力下固结，故真空预压法有较高的抗剪强度。
（3） 真空预压的稳定控制标准与堆载预压法有所不同，在填土的前期阶段，水平位移指向场内，此时沉降不作为控制标准，可以较快的速度进行填筑；在填筑到一定高度后，水平位移指向场外，此时应以沉降、位移进行双控。当然，真空度和孔隙水压力的变化情况也是判断软基稳定性的一个重要指标。
（4） 真空预压法对周围环境有较大的影响，土体水平位移具有先向加固区内，然后向加固区外移动的特点。如果影响范围内埋有管线或者地面建筑物比较接近加固区，土体的这种往复变形会造成管线破坏或建筑物开裂。如存在下卧透水层，由于地下水位下降引起的附加沉降甚至会波及数十米远的建筑物。
参考文献：
1. 娄炎,真空排水预压加固软土技术.人民交通出版社,2002.1
2. 胡中雄,土力学与环境土工学.同济大学出版社,1997.7
图4a 水平位移示意
图4b 沉降示意
The Method of Solving the Underground Permeable Layer in Vacuum Preloading & the Analysis of Monitoring Data
Deng Wan-fu
(Guangdong Guanyue Highway & Bridge CO.,LTD,Guangzhou 510100,China)
Abstract: The method on how to cope with the underground permeable layer under the condition of Vacuum preloading is introduced. The monitoring data is analyzed, and then the Finite Element Method is adopted to perform the deformation analysis. The paper ends with some further findings and results.
Key words: Vacuum Preloading, Underground Permeable Layer, Negative Pore Water Pressure, Finite Element Analysis
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