真空联合堆载预压法的设计、施工及监测

1、真空联合堆载预压法的设计、施工及监测 李刚 王福胜 （中交第一公路勘察设计研究院 西安 710068） 何哓霞 （陕西省公路工程咨询公司 西安 710054）内容提要本文结合福宁高速公路A23合同段，真空联合堆载预压法地基处理的设计、施工经过，对高等级公路真空联合堆载预压的设计、施工和监测进行了介绍。关键词真空联合堆载预压 设计 施工 监测一. 概述真空预压技术是用专门的设备，通过抽真空在地基中产生负压，使土体孔隙中的水分排出；从有效应力原理可知：孔隙水排出，孔隙水压力减小后，有效应力就相应增加，在压力差作用下，土体中的水分被排出，抽气过程中，土体得到固结，土体强度得到提高。这种通过抽真空而达

2、到预压效果的方法称为真空预压。真空联合堆载预压实质是真空预压和堆载预压的迭加。根据达西定律，土体中孔隙水的渗透速度与水力坡度（h/L）成正比，增加水头差h 和减少排水距离L ，均可加速土体排水固结。真空预压的加固机理是通过降低土体中孔隙水压力，也就是使加固区内形成负的超静孔隙水压力，加固区内外存在水头差，使之形成渗流需要的水力梯度；而堆载预压是由于堆载产生正的超静孔隙水压力，通过孔压的消散而使强度得到提高，两者联合作用，正负孔隙水压力的压差增大，也就是增加水头差h ，造成孔压消散更快，加固效果更好。真空预压法的工程造价主要取决于真空泵的动力消耗, 另外需要设地下排水体提供排水通道。真空联合堆载

3、预压法的排水系统与真空预压完全相同，但加载系统由真空预压部分和堆载预压部分共两部分组成。采用真空联合堆载预压的方法可以达到超载预压的目的，而不会产生填土超载预压（不利于稳定）的弊端。因为真空预压在水平方向产生了一个向着负压源的压力，使四周土体向着预压区移动，产生等向固结，不会产生剪应力，同时还能抵消堆载引起的向外挤出变形，这样在一定程度上消除了地基因填土速率快而失稳的危险。二. 工程实例（一）工程简介福鼎至宁德高速公路（湾坞漳湾段）是同江至三亚国道主干线的一段，是我国沿海大通道的重要组成部分，建设该项目，对促进海峡两岸直接三通、以及增强国防交通保障能力具有重要意义，该项目由我中交第一公路勘察设

4、计研究院负责设计。处于A23合同段的漳湾互通式立交区位于平坦开阔的海积平原上，现多为水稻田和鱼塘。该海积平原系近代围海造地而成，软土在主线及各匝道位置均有分布。主线段软土的层底深度为1.55.5m ，匝道段软土层底最大深度8.2m（AB 匝道范围）。软土基本分上下两层，中间夹有一层低液限粘土。软土的天然含水量在60%以上，天然孔隙比为1.32.2，室内快剪试验的粘聚力520kPa ，内摩擦角110。该立交范围内高路堤有两处，一是CR 被交路跨线桥头，二是AB 匝道桥头。两段桥头路堤原设计软基分别采用挤密砂桩和挤密碎石桩处理，由于填筑速率及预压时间的要求，导致了两段桥头路堤需要很长的施工预压期：

5、CR 跨线桥约590天，AB 匝道跨线桥约360天。此外，采用挤密砂桩和挤密碎石桩处理的地基一般还需要对桥头路基采用预压反开槽施工，以消除软土层压缩的侧向推移力对桥台基础的不利影响。该路段计划的通车时间在2002年7月1日，在现有的工期内完成如此巨大的工作量几乎是不可能的，所以需要从改变处理方法上想办法，这里最直接的方法是延长桥的长度，将桥头路堤降低。经过变更，CR 跨线桥桥头设计填土高度降低约1.5m ，工期与填土的矛盾得到了一定的缓和。AB 匝道桥由于受相邻匝道的影响，桥长不宜再延长。填土高度的降低可以缩短路堤填筑的时间，但预压的时间缩短不了，要缩短预压的时间，需要靠超载来解决；显然，此处

6、不宜再将路堤土填高作为超载，从目前地基处理领域的一些措施来看，适宜的方法是采用真空联合堆载预压技术。（二） 方案设计（1）处理范围的确定设计中对填高在5m 以上，桥台前20m 的地段、收费站以及几条匝道的交汇处均进行了处理。（2） 堆载高度为做到既节省土方，又安全可靠，将路槽底面高度作为真空联合堆载预压的控制计算高度，即在真空负压和填土荷载的联合作用下，预压期末路堤顶面正好下沉到路槽底面的高度。（3） 施工和预压期（真空预压施工图见图1） 图1 真空联合堆载预压施工示意图根据预压设计计算结果，采用真空联合堆载预压处理区的预压填土高度为5.08.9m ，该填土荷载可分两级施加（见表1），第一级在

7、真空度稳定到80kPa 后施加，该级堆载高度3m 。考虑到对塑料膜的保护需要人工铺设其上砂垫层，该级填土速率按10cm/d考虑，填筑时间控制在30天以内。剩余的第二级荷载按30cm/d的填土速率快速施加，填筑时间控制在30天以内，最后留30天满载预压。表1 加载计划表 根据孔隙水压力观测结果，当地基固结度达到95%以上时停止抽真空，但沉降观测仍需继续进行；当连续观测2个月的地基沉降量均不超过每月5mm 时，可以进行路面的施工。（4） 钻孔灌注桩位移控制软土地基桥台的钻孔灌注桩应按预压反开挖方法施工，其目的是为了避免因地基沉降产生的侧向压力使桩产生位移, 目前的桥梁设计规范中没有对该位移制订容许

8、的量值，实际上是不容许有位移。但是，目前的实践工程中桩产生侧向位移很普遍，原因主要是地基未先预压就施工，或地基采用粉喷桩处理后达不到预期的加固效果。对这一情况的处理一般是梁能够吊装上去，且伸缩缝能正常工作即认为正常。目前AB 匝道桥已经施工的桥台钻孔灌注桩均在真空预压区内，抽真空时由于是等向固结，理论上能够保证钻孔灌注桩不偏移。此外，台前20m 路段的预压填土和台后的填土也基本能平衡，所以钻孔灌注桩的位移在联合堆载预压过程中应该很小。为了解钻孔灌注桩的位移情况，做到心中有数和采取必要的措施，可在真空预压前后观测桩的位置坐标，同时建议在真空堆载预压期间用固定在桩上的测斜仪观测。（三） 施工程序（

9、1） 塑料排水板施工塑料排水板施工前先铺30cm 厚的砂垫层，插扳机在该垫层顶作业，剪断的塑料排水板板头需露出垫层。砂垫层宜采用中粗砂，级配良好，无杂质，含泥量小于5%，以保证良好的排水效果。（2）铺设真空滤管塑料排水板施工后将表面整平，然后铺设真空滤管。考虑匝道长条形的特点，设主管和滤管两种，主管的直径10cm ，沿纵向在加固区边缘各布置一条。两主管上每间隔67m 连接一条直径7.6cm 的滤管。主管和滤管呈矩形布置，两者用软管连接，管路连接好之后，上面铺20cm 砂垫层。抽真空管路从主管上接出，经密封由出膜器通出，将出膜器与射流式真空泵连接。滤管采用PVC 塑料管, 管外侧用无纺土工布包裹

10、，使其只透水不透砂。（3）铺膜和压膜为保证密封膜在堆载过程中不受损，砂垫层上先铺一层无纺布，然后将压制成型的三层密封膜逐层铺好。铺膜要选择在无风天气，尽可能一天铺完，并及时用砂袋压好。每铺一层都要进行检查，必要时进行修补。铺膜后及时设置出膜装置，安装射流式真空泵和观测仪器。密封膜的周边需要埋在压膜沟中，压膜沟为深度1m ，底宽0.5m ，顶宽2.5m 的梯形断面，用粘土回填。密封膜采用抗老化性能好, 韧性好、抗穿刺能力强的聚乙烯或聚氯乙烯薄膜,需在工厂热合一次成型。（4）路堤填筑射流泵、沉降标布置后，调整各种观测仪器的初读数，进行开泵试抽气，并检查膜上是否有漏洞并采取措施，抽真空10天后（膜下

11、真空度达到80kPa ）开始路堤填筑。为保护密封膜不被填料挤压破，首先在密封膜上再铺一层无纺布，然后人工铺设50cm 厚的砂垫层，再用机械填1.0m 厚的细料土，最后即可按正常路堤填筑压实施工，直到设计的预压高度。（四）施工中的监测为确保地基加固的质量，及时掌握加固过程中各土层的固结和沉降情况，有效地控制路堤填筑过程中的沉降与稳定, 应对施工过程进行监测。（1）地表沉降观测地表沉降采用埋设的沉降板进行观测，沉降观测点原则上在断面中心、坡脚（加固区边缘）设置，50m 一个观测断面，共25处。在填土、抽气期间每天观测一次，在路堤填到设计高之后每三天观测一次，直到地基沉降稳定。水准仪采用S3级水准仪

12、，水准尺固定专用尺（如果后期沉降量太小，可用铟钢尺）。（2）分层沉降观测分层沉降采用分层沉降仪（沉降磁环）观测，分层沉降仪在AB 匝道桥桥头部位、AB 匝道和KL 匝道起点处设置，共3处。在填土、抽气期间每天观测一次，在路堤填到设计高之后每三天观测一次，直到地基沉降稳定。（3）侧向位移观测侧向位移采用数显测斜仪观测，仪器埋设在AB 匝道桥桥头部位加固区周边，共2处。在填土、抽气期间每天观测一次，在路堤填到设计高之后每三天观测一次，直到地基沉降稳定。（4）孔隙水压力观测孔隙水压力采用孔隙水压力计观测，孔隙水压力计选钢弦式。孔隙水压力计设在AB 匝道桥桥头部位下面的土层中，共2处（6只）。孔隙水压

13、力在填土、抽气期间每天观测一次，路堤填到设计高之后停止观测。（5）真空度观测观测真空度的真空表布置9只。抽气开始时每2小时观测一次，真空度稳定后每天观测一次。（6）补充勘探为保证设计方案的准确性和方案实施的效果，需要对实施区域的地质状况进行详细的调查。 勘探采用钻探、十字板和静力触探三种方法，分别在ABK0+050、ABK0+420、GHK0+400、CRK1+080和CRK1+520（CR 被交路为计划实施项目）断面上布孔，孔深穿透软土层至下部的亚粘土混卵石层。钻探每米取原状样一次，进行含水量、塑液限、密度、孔隙比、快剪和固结快剪的c 、值、固结系数、e-p 曲线（100kPa 、200kP

14、a 、300kPa 、400kPa 四级压力）试验。每个孔位必须测稳定的地下水位。十字板试验每0.5米做一次，提供十字板抗剪强度。静力触探采用双桥探头，提供q c 和f s 曲线。三. 结束语福鼎至宁德高速公路真空联合堆载预压地基处理段的施工已经结束，由于采用了真空预压的处理技术，不仅明显加快了工程进度（预压期由360天缩短为116天），而且大大减小了了地基因填土速率快而失稳的危险，节约工程造价400余万元，创造了良好的社会和经济效益。由于我国高等级公路采用真空联合堆载预压技术的工程并不多，其使用效果还有待于工程实践的进一步检验。撰此文，仅希望能抛砖引玉，如有不当之处敬请同行专家批评指正。参考

15、文献1公路软土路堤设计与施工技术规范 JTJ007-96 人民交通出版社 19962地基处理新技术 龚晓南 著 陕西科学技术出版社 20003 同江至三亚国道主干线福鼎至宁德高速公路（湾坞漳湾段）施工图设计文件 中交第一公路勘察设计研究院 1999The design , construction and monitoring of vacuum-preloading Method（The First Highway Survey & Design Institute Of China Ligang Wang Fusheng）（The Highway engineering Consultation Co. of Shanxi Province He xiaoxia）Abstract Combined With contract section A23 of Fuding to Nide Highway , this page introduces a ne