真空联合堆载预压加固软土地基工法

真空联合堆载预压加固软土地基工法一、前言真空联合堆载预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层，然后埋设垂直排水通道（砂井或塑料板排水板），再在砂垫层顶面铺设一封闭薄膜使其与大气隔绝，薄膜四周埋入土中，通过砂垫层内埋设吸水管道，用真空装置进行抽气，使其形成真空（见图1）。当抽真空时，在砂垫层、塑料板排水板通道先后形成压差，在此压差作用下，土体中的孔隙水不断由排水通道排出，从而使土体固结。同时，利用高速公路自身修筑的路堤路基，在砂垫层上再分层铺筑路基，该部分堆载预压结合真空预压对加速软粘土的排水固结，减小工后沉降起到积极作用。二、工法特点本工法用塑料排水板作竖向排水体，用抽真空形成的负压代替常规堆载，同时利用路基填土进行堆载预压，克服了常规的塑料排水板、堆载预压排水固结法受堆载材料的影响，造成费工费时、加固效果欠佳的弊端，具体表现为：①真空度沿塑料排水板向下传递及向土体中扩展，孔隙水压力降低，而孔隙压力是一个球应力，所以不会产生剪切变形，发生的只是收缩变形，因而在水平方向增加一个向着负压源的压力，使四周土体都向预压区移动，促使土体进一步压密，所以在真空预压下土体不会发生侧向挤出破坏，真空预压可以一次快速施加而无须分级加载，大大节省了时间，缩短了工期。②真空预压法在土体加固过程中，在真空吸力的作用下使土中的封闭气泡排出，从而使土的渗透性提高，固结过程加快。③真空预压法加固软基，由于地基周围的土体是向着加固区移动的，这样有利于加固区内土体密实度的提高和地基承载力的增加。④由于一般路堤填土高度较高，因而可利用该部分填土作为堆载，联合真空预压法一起加固软土地基，经济上效益好，技术上可行。即在真空预压一段时间后，在砂垫层面按照堆载预压的施工工艺要求，填筑路堤，利用自身荷载实行预压，既增加了加固深度，同时也减少了工后沉降，因而提高了加固效果，也缩短了工期。三、工艺原理根据太沙基有效应力原理P=P1+U式中P——总压力P1——有效应力，P1=γH，其中γ为土容重，H为高度；U——孔隙水压力，U=γwH，γw为水容重。将上式进行微积分，得dP=DP1+dU当总压力P为常量时，dP1=-dU上式说明孔隙水压力的降低值，就是有效应力的增加值，见图2。对密封的膜下软土地基连续进行抽真空作业，造成膜内空气压力减小，当膜内、外空气压力差达到一定值后，迫使土中孔隙水产生渗流，经排水系统排出膜外，孔隙水压力不断降低，土体不断密实，有效应力不断增加，当压力差趋于零时，渗流停止，固结完成。以上只考虑了抽真空引起的应力变化，在实际抽真空的作业过程中，路基填筑土石方的重量相当于堆载预压的荷载，其抽真空后的Pa—Pv—△P+γH值更大，即有效应力值更大，固结时间大大缩短。四、适用范围本工法适用于含水量高、孔隙比大、强度低、渗透系数和固结系数小的粘性土和淤泥质粘土；本工法可用于铁路、公路等软土地基加固。本工法的塑料排水板可替换成袋装砂井、碎石桩等加固措施。五、机具材料主要机具设备表表1序号名称单位数量说明1抽真空装置套2离心泵的功率为为7.5KKW，膜下真真空度大于于600mmmHg汞柱2真空表套43孔隙水压力器套44沉降板套25水平仪台16静力触探仪台17发电机台18十字板剪力仪台11．抽真空装置该装置由电动机、单极单吸离心泵、清水高压射流泵、蓄电池、进水管、出水管、回水管组成。该装置运用高压射水流形成负压进行抽真空作业，单极单吸离心泵在电动机的驱动下，抽取水箱中的水，供给清水高压射流泵产生高喷射水流，形成真空源，经管路、滤水管、砂垫层、塑料排水板吸出软基的孔隙水。2．密封系统该系统由土工布、密封膜、土沟、土堤等组成，其性能见表23．排水系统该系统包括塑料排水板、砂垫层、滤水管、吸水管。4、量测系统量测系统包括真空表、孔隙水压力器、沉降板等组成。六、施工工艺流程和要求施工工艺流程见下图施工准备施工准备测量放线铺砂垫层施工塑料排水板安装抽真空设备铺密封膜安装观测设备抽气检查密封膜及系统运转情况真空度及沉降观测联合堆载预压完毕拆除相关设备真空泵测试抽真空设备进场开挖沟槽、土堤路基填筑路面施工真空联合堆载预压施工工艺流程图工艺要求真空预压联合堆载预压的施工工艺主要包括以下部分：材料性能表表2材料名称规格及性能要求求主水管φ90mm的PVVC管，壁厚厚4mm滤水管φ60mm的PVVC管，壁厚厚4mm，滤滤管采用打打孔型，孔孔型呈狭长长条形，管管外采用土土工布包裹裹。管间距距4～5m。土工布规格为150gg/m2，渗透系系数大于10-3cm/s，等效孔孔径不大于于0.1mmm。CBR顶破强度度大于4KN，抗拉强强度大于2KNN/5cmm密封膜聚乙烯薄膜，厚厚度0.144±0.002mm，纵纵横向断裂裂伸长率≥20%塑料排水板符合《塑料排水水板质量检检验标准》JTJ//T2577-96中B型吸水管橡胶软管，其耐耐腐蚀、耐耐老化性能能符合设计计要求①设置排水通道首先在需加固的软基表面铺设砂垫层0.5m高，再在土体中打设塑料排水板，呈梅花状，间距1.2m～1.5m，深度需要根据地质情况计算确定，本标段的处理深度为13.5~23m，分别作为横向及竖向排水通道。所用之砂料应采用渗水率较高的洁净中粗砂，含泥量不应大于3%，细度模数不小于3.0，有机质含量不大于1%，渗透系数不小于5×10-3cm/s。②用PVC管作为真空滤管埋入软基表面的砂垫层中，PVC管用φ90mm作主管，φ50mm～75mm作支管，全部吸水管埋入砂垫层中，并通过出膜器及吸水管与真空泵连接。然后在砂垫层面铺设密封膜，密封膜材料抗拉强度不小于2KN/5cm，渗透系数≥10-3cm/s，圆球顶破不小于280N，梯形撕裂不小于40N。为保证密封膜的完好无损，确保真空度免受损失，在其上再铺一层土工布，在加固区四周开挖1m深、1m宽的沟槽，并将薄膜周边放入沟槽，再将挖出的土体回填沟槽，将薄膜周边压紧密封。土工布双向抗拉强度均应大于30KN/m，伸长率不小于220%，延伸率、圆球顶破强度和渗透系数均应符合国标。③检查真空设备及各连接口，保证密封，确保气密性，根据工程地质条件及抽真空设备能力，真空度应保持在800mmHg或以上。所选用的真空泵功率应不小于7.5KW，每个真空泵的有效处理范围不大于800m2。当地表下10m范围内出现夹砂层，可对加固区周边用淤泥搅拌封堵，封堵厚度为60cm。真空预压法加固地基过程中，土体中有效应力不断增加，地基产生沉降，同时产生向着加固区中心方向的水平位移，所以地基不存在失稳问题，真空预压可以持续不断地进行，因而大大地缩短了工期。④在真空度达到80kPa以上并正常预压半个月后，在土工布上实施堆载预压，利用本身路堤填筑用的材料实施预压，分层填筑路基，在填筑第一层土时，特别要注意密封膜的保护。所以第一层最好填砂或砂性土，且厚度不宜小于60cm，以保证其下真空预压继续顺利进行，避免密封膜被损坏，在真空预压加固区膜下真空度达80kPa以上的条件下连续抽真空三个月，即可逐段减压直至停止抽真空，路基填筑工期应不小于90天。但是，停止抽真空后，如果每天的沉降量大于2cm时，必须减缓填筑速度，待每天的沉降量小于2cm后，再进行路基填筑。⑤为了确保真空预压联合堆载预压加固软基的效果，及时了解地基土的固结情况，在整个施工及预压过程中应进行泵上、膜下真空度观测、地面沉降观测等。⑥当实测路堤中心线地面沉降速率连续5～10天平均沉降量≤2mm时，方可停止抽真空。七、施工控制及质量检验1．施工控制①当抽取的真空度达到最大值时，应保持一定时间，其持续时间的长短和真空度的大小，要满足设计要求。②要求塑料排水板、砂垫层、滤水管等排水阻力小，能顺畅地将孔隙水排出软基。③要求土工布、密封膜、土沟、灌水各个环节密封性能好，各种管线通过密封膜处不漏气，膜下真空度满足设计要求。④测定膜下真空度时，需要注意其分布是否均匀及深度的变化情况。⑤真空预压时还需测定经真空预压的软基的垂直沉降变化情况。以沉降变化情况验证固结度是否满足设计要求。在进行真空预压时，由于土体只产生朝向预压区的水平位移，不产生侧向挤出而引起的地基破坏，所以不进行水平位移测量。2．质量检验①对塑料排水板、砂垫层的质量检验应符合相关规范的技术标准。②真空预压期间，必须日夜不停地进行抽真空作业，对膜下真空度、垂直沉降进行量测、记录，绘制“真空度-沉降量-时间”关系曲线见图3。发现异常应及时查明原因，采取措施使其恢复正常。③真空预压完成后，进行如下的检验，并同加固前进行对比：常规土工试验，检测含水量、土容重、孔隙比。静力触探强度试验，检测贯入阻力十字板抗剪强度试验，检测强度真空预压验收标准见表3序号项目允许偏差检验点数检验方法1膜上真空度±0.1Kpaa每工班1次真空表2沉降量±1mm每天1次水平仪3静力触探±0.1Kpaa每个加固区3点点4砂垫层高度±10mm每个加固区3点点卷尺测量5密封膜长、宽±50mm每个加固区3点点卷尺测量真空度—真空度—沉降值—时间关系图图3真空度KPa沉降值cm八、劳动力组织每班劳动力组织表表4序号名称人数工作内容1班长1负责全面工作2技术主管1负责全面的技术术工作3技术员1负责测量工作4技术工人2负责真空装置操操作及其相相关设备的的管理工作作5辅助工人6负责协助量测、安安装相关设设备等九、施工安全①真空操作人员，要经过培训，持证上岗，必须熟悉真空装置工作原理及各部分作用，定期维修、保养，熟知并严守操作规程；严禁非操作人员操作。②保护好所有管线，并做出明显标志。③严格遵守安全用电规则。④必须备用真空装置和发电机，以防意外情况中断抽真空作业。⑤在抽真空过程中，必须随时监控附近区域的地面变化情况，确保地面建筑设施的安全使用。十、经济与社会效益分析质量方面利用膜内外压力差形成负压，迫使土中孔隙水产生渗流，经排水固结；加固范围内固结均匀，沉降一致，且影响范围大，无堆载预压容易产生侧向挤出的危险。确保了工程施工质量。②工期方面真空预压一次加上，不需分期进行，加荷时间短，固结压力大，固结时间短。同时，在进行抽真空的同时，以路基本体的填筑代替堆载预压，更加大了单一的软基土的固结压力，使固结时间更加缩短，节省了宝贵的时间，缩短了施工工期。③成本方面采用真空联合堆载预压，其真空预压单价为73.5元/m2（工料机费），若采用塑料排水板-堆载预压，其预压土方数量远远大于填筑的路体土方数量，造成材料和工费的不必要浪费，其堆载预压单价为96.7元/m2（包括预压土方的工料机费及二次开挖、运输等费用），因此，大大节约了工程成本。十一、工程实例XXX路基工程都部分采用了真空联合堆载预压进行软基处理。XXX标K36+760～K36+880段桥头路基及庙贝沙立交B匝道桥头路基采用了真空联合堆载预压进行软基处理。该地段地质情况为：覆土表层为海冲积淤泥、淤泥质粘土夹淤泥质砂层，厚度大15～25m，下层为冲洪积粘性土层、淤泥质土、砂层及砾石层，厚11～22m不等。其物理力