真空預壓法路基處理施工技術

1.概述

軟土路基處理基本有淺層處理法、復合地基法及排水固結法。淺層處理法有換土、拋石排淤、反壓護道及排水砂墊層等；排水固結法有砂井、袋裝砂井、塑料排水板等；復合地基法有水泥攪拌樁、旋噴樁及粉噴樁等。淺層處理一般適用于軟土層埋深淺，厚度薄，上部覆蓋層較薄的情況；復合地基法施工工期短，施工方便，見效快，適用于軟土厚度中等，施工工期短的工程，其加固深度一般小于10米；排水固結法適用于軟土土層較厚的情況，為保證工程工后沉降，一般要預壓，預壓期較長，預壓土方大。真空預壓法是排水固結法的一種。是在要加固的軟基上打設一定間距的塑料排水板或袋裝砂井，然后鋪上砂墊層，再將不透氣的薄膜鋪設在墊層上，借助于埋在砂墊層中的管道，通過真空裝置進行抽氣，將膜下土體的空氣和水抽出，使土體排水固結，從而達到固結的目的。

2.作用機理  

2.1 宏觀機理

真空預壓的整個加固過程是：土體抽真空后，真空壓力直接作用在土砂墊層中的水氣流體上，先提高排水邊界砂墊層中的真空度，形成下部土體與砂墊層之間的壓差，使得表層土體內的水和氣在壓差作用下，通過塑料排水板或砂井流到砂墊層中，再通過與真空泵相連的排水管道被抽出；隨著時間的延續，真空度沿著塑料排水板向深度傳遞，并通過排水板向周圍土體擴散傳遞，使得深部土體中的水和氣被抽出，由于土體本身滲透系數很小，水源補給不可能大于或等于地下水被抽出的速度，因此同時伴隨著地下水位的逐漸下降。

在整個過程中，土體中產生負的超靜孔隙水壓力，隨著水氣的排出，超靜孔隙水壓力不斷消散，土體有效應力不斷增加，使得土體得到加固。從真空預壓影響的深度及真空度沿深度傳遞的過程來看，在加固過程中,地下水位是不斷下降的，到一定程度后保持平衡與穩定。地下水位并不是齊平的下降，靠近排水板附近土體由于排水路徑短，因而排水速度快，地下水位下降也快；而在排水板中間離排水板較遠處，由于土體滲透系數小，排水路徑長，同時由于涂抹效應和排水板附近土體固結速度較快使得土體的滲透系數變小，排水速度變慢，因而形成漏斗形的地下水位線，其最低點位于排水板周邊。在加固過程中漏斗狀地下水位線隨時間的推移逐漸下降最后趨于較為穩定的狀態，排水板周邊土體中的地下水位的最低點或穩定點所在深度即為真空提水深度。真空極限提水深度是有限度的，當地下水位低于這個深度，地下水位以下的水將被汽化而不能被抽出。而工程中實際的最大真空度一般在80～90kPa 之間，因此真空提水深度線也即排水板周邊土體的地下水位最深不能超過8～9m。

所以從宏觀上講，真空預壓是通過抽出土體中的水和氣，降低地下水位，使土體內部出現壓力差，土體在壓力的作用下發生固結，固結起于表層，并逐漸向深部傳遞。因此對于真空預壓來說,最重要的是降水,地下水位下降幅度越大,土體上部非飽和區越厚,下部土體的由浮容重轉化的有效應力也越大,加固效果也就更好。

2.2 微觀機理 

對于真空預壓從微觀上看，真空壓力直接作用在土體中的水氣流體上，而不是直接作用在土體骨架或顆粒上。在真空預壓最初期，土體排水量很大，但沉降甚微，說明土體中的自由水和氣被抽出，但由于土體顆粒之間的粘聚力、排斥力、接觸點支撐力，土體中的有效應力增加但未發生變形，隨著水、氣的抽出及時間的持續，土體顆粒間的孔隙逐漸增大，且由于浮容重轉化為濕容重，因而土體顆粒發生錯位重新排列，使得土體的有效應力和變形增加，這是由于外因而導致其內部自發調整的一個過程，使得土體密實而得以加固，在整個過程中只是土體顆粒的重新排列和充填，而土體顆粒不會發生破碎，因而一次加載也不會出現破壞現象，同時由于其變形為內部自發調整，在宏觀上表現為塑性變形；當停止抽氣時,水存在一個回灌的過程，使得現場中的地下水位升高，土體顆粒仍然處于調整狀態，由于水位的上升，土樣的含水量增加，由于土體顆粒未發生破碎充填，顆粒之間仍然有一定的孔隙使水得以進入，使得部分土體有濕容重重新轉化為浮容重，土顆粒之間的粘聚力減小，使得加固后的抗剪強度有所下降；同時顆粒之間并未有重新錯動的過程即土體發生的為塑性變形，從而表現出在真空預壓在卸載時回彈量很小的特征，地下水位上升的程度取決于水源補給和顆粒重組后孔隙的大小。

3.真空預壓法路基處理施工過程

本文以津濱輕軌DK47 + 981. 11～DK49 + 044. 40 段路基為例。該段路基位于濱海沖積平原上，地形平坦，表面為坑塘底部淤泥表層，下面為10～18 m 的淤泥質粉質粘土、淤泥及淤泥質粘土軟土層。軟土由于形成時間較短，工程力學性質極差，主要表現為抗剪強度低、壓縮性高等特性。軟土層由上到下依次為： ① 粘土層，為該工程線路段軟基自然脫水硬殼層,黃褐色或灰黃色，呈可塑～流塑狀態，該層結構不均勻，夾有粉砂薄層，土質相對稍好，厚度約為1.6m。② 淤泥質粘土層，為粘土與粉砂交互沉積形成，亦稱帶狀粘土層，由于粉砂薄層及粉砂斑的存在，其滲透性相對較好，為灰褐色～灰色或灰黃色，呈流塑狀態，含有機質及碎貝殼，土質軟而確變性比較敏感，厚度約為3.5 m。③ 淤泥層，灰褐色或灰色，呈流塑狀態，該土層粘粒含量高，土層以絮團結構為主，形成孔隙率高、孔隙小、土質軟、強度低、滲透性小、壓縮性大，該土層一般均處于自重壓力下未完全固結狀態，為軟基加固處理的控制層，厚度約為6.5 m，土質較均勻，含有機質。④ 淤泥質粉質粘土層，灰褐色，呈流塑狀態，局部夾粉砂薄層，夾碎貝殼，土質相對較好，滲透性能較好，厚度約為5m。⑤ 粉土，灰色、濕、密實，含碎貝殼，土質好，但觸變性比較敏感，厚度約為1m。

3.1 設計要求 

（1）真空預壓荷載達90 kPa。

（2）預壓加固固結度大于90 %，連續5天沉降速率小于1.5 mm/d后可卸載。

（3） 路基工后沉降不大于30cm。

3.2 施工工序

表層清理→鋪設墊層→樁位放樣→機具定位→塑料板裝靴→ 打設套管→上拔套管→孔深檢查→剪斷塑料板→插板機移位→埋設塑料板頭→開挖密封溝→埋設吸水管→鋪設密封膜→出膜連接與真空泵系統安裝→抽真空→卸載。 

3.3 施工要點 

（1）鋪設墊層。清理干凈地基表面的雜物，然后填筑70cm素土及30cm排水砂墊層，并碾壓密實。 

（2）塑料排水板的施工。根據飽和軟粘土特性，設計排水板間距為lm，采取正三角形排列，平均打設深度為18m?，F場根據塑料排水板布置范圍及間距，用木片準確定出每個塑料排水板的打設位置，排水板采用門架型插板機打設，插板機基礎要設置穩固，保證其平衡度滿足穩定性要求。塑料排水板穿過空心套管，插打至設計位置，套管靴頭采用鐵質靴頭。 （3）板頭處理。當套管打設至預定位置后，將塑料排水板剪斷，保證塑料排水板深入砂墊層至少25cm，并將其豎直地埋入砂墊層中。如下圖所示。

（4）布置真空分布管、膜下真空壓力觀測點和真空泵。塑料排水板全部打設完成并處理好板頭后，在加固范圍四周開挖密封溝，人工整平場地，鋪設0.2cm厚砂墊層，并于砂墊層內布設真空管路。濾管采用小于50mm 波紋濾水管，外包一層無紡布濾膜，濾管交點處設三通或四通鋼管，鋼管與濾管間用膠管連接，并用鐵絲扎緊。將濾管埋入砂墊層，濾管通過管路出膜器與密封膜外的抽真空管路連接到真空泵上。真空泵使用射流泵，在加固區各角點分別布設一臺，加固區兩側邊緣位置每35 m 交錯布置一臺。管路布設完成后，覆蓋三層聚乙烯閉氣薄膜，薄膜邊緣埋入密封溝內，溝內用粘土回填夯實，形成高出薄膜不小于20cm堵水圍堰，薄膜上覆蓋10～20cm水。膜上覆水應在真空試抽，膜內真空度達到90kPa，確信密封系統不存在問題時方可進行。當沉降量連續5天不大于1.5mm／d時，即可停止抽氣。 

（5）試驗和觀測。為取得比較完整的綜合沉降數據，了解加固效果和加固區對周圍地基的影響，應分別在打塑料排水板前、后，真空預壓前、后，對加固區進行試驗和觀測。試驗和觀測選取兩個斷面進行。施工前，在這兩個觀測斷面的中心位置鉆探，進行原狀土的各種物理力學指標及真空試驗，并做十字板剪切強度試驗，真空預壓加固完成后在相近位置進行相同試驗，并對加固前后物力力學指標進行對比分析。塑料排水板打完后，在上述兩個觀測斷面線路中心、坡腳位置埋設孔隙水壓力、分層沉降管，左側密封溝外埋設測斜管及水位管；于斷面線路中心、兩側路肩及坡腳位置膜面布設沉降板進行沉降觀測，線路坡腳位置膜下設真空度儀。

3.4 效果分析 

（1）地耐力強度及變形分析。 真空預壓可產生90Kpa等效荷載，土體上30cm砂墊層和表面50cm覆水可產生10Kpa的等效荷載，因此土體相當于經過100Kpa等效荷載預壓。預壓后進行荷載板試驗，地基承載力可達120～160Kpa。

在經過三個月的預壓期后路基完成了95 %以上的沉降，解決了軟土路基工后沉降過大的問題。而且與堆載預壓不同的是，隨著預壓荷載的增加，土體產生向內的收縮變形，對路堤穩定非常有利。

（2）經濟分析。真空預壓法施工與復合地基法等比較，可大量節約經費，節約投資達60%多。

4.結束語    

真空預壓法作為軟土地基的加固處理方法，其施工時間短，加固費用低，加固效果好，特別是深層加固效果更好，非常適用于沿海地區公路、鐵路路基處理工程以及港口、海堤的吹填加固工程。

參考文獻：

[1] 胡利文，王永平.南沙港區陸域吹填工程真空預壓軟基處理技術[J].《施工技術》2004年10期

[2] 李豪. 真空—堆載聯合預壓加固軟基機理及簡化計算方法研究[D]. 河海大學碩士學位論文, 2003: 23～25. 

[3]高志義. 真空預壓法的機理分析[J].巖土工程學報, 1989.11(4):45～56. 

[4] 李宗江，陸進文.津濱輕軌軟基加固真空預壓法施工[J].《鐵道標準設計》2003年8期