真空預壓法在天津市輕軌路基中的應用

摘　要　結合天津輕軌工程實例,詳細介紹了真空預壓法處理軟土路基的施工技術。關鍵詞　真空預壓　塑料排水板
真空預壓排水固結法是以消除軟基有害變形, 改善軟基自身性能的加固處理方法。它通過插入軟土地基中的塑料排水板作為排水通道,與預先鋪設的砂墊層形成密封的排水體系,利用對被加固軟基抽真空形成的大氣壓差,作為預壓荷載,并通過塑料排水板傳至設計深度,使真空壓力沿深度基本呈矩形分布,不需要施加實體荷載,軟基在真空吸、擠壓共同作用下使軟土孔隙中微細水、氣泡排出,從而達到加速地基土固結沉降的目的。
1 　工程概況津濱快速軌道交通工程是天津市重點工程,西起天津市河西區中山門,延津塘公路經過軍糧城、中心莊,東至塘沽區臨港橋,全長45. 53 km 。其中DK47 + 981. 11～DK49 + 044. 40 段路基為典型海相沉積和早期吹填形成的軟土地基,軟土層厚達10 ～18 m , 軟土含水量大、密度小、壓縮性大、強度低, 且地下水對混凝土具有中等(硫酸鹽) 侵蝕性。設計要求路基工后沉降不大于30 cm 的要求。
2 　工程地質條件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。土層由上到下依次為: ② 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5 m 。③ 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4. 5 m 。④ 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團結狀態,為軟基加固處理的控制層,厚度約為5. 5 m , 土質較均勻,含有機質。⑤ 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4 m 。⑥ 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1 m 。各土層物理力學性質參考指標見表1 , 以此作為施工工藝設計及分析的參考值。
3 　設計及技術要求
根據該段軟土路基的工程特點及荷載大小、作用特點,有以下技術要求:1)真空預壓荷載達90 kPa;

表1 　各土層力學性能指標

2) 預壓加固固結度大于90 % , 連續5 天沉降速率小·
于1. 5 mmd-1,可停止抽真空卸載; 3) 預壓加固后消除軟基有害沉降,路基工后沉降不大于30 cm ; 4) 排水砂墊層采用級配良好的中～ 粗砂,其含泥量不大于5 % , 且不含有機質、垃圾等; 5) 塑料排水板采用SPB -Ⅱ 型,執行《塑料排水質量檢驗標準》。其施工平面位置偏差不大于10 cm , 豎直度不大于1 % , 回帶量應小于0. 5 m , 當回帶大于0. 5 時,在旁及時補打。
4 　施工概況及現場監測
4. 1 　施工操作要點
(1) 鋪設墊層:清理干凈地基表面的雜物,填筑70 cm 素土及30 cm 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1 m , 采取正三角形排列,平均打設深度為18 m 。現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,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25 cm , 并將其豎直地埋入砂墊層中。
(4) 真空預壓:塑料排水板全部打設完成并處理好板頭后,于加固范圍四周開挖密封溝,密封溝開挖完成后,人工整平場地,鋪設0. 2 cm 厚砂墊層,并于砂墊層內布設真空管路。濾管采用<50 mm 波紋濾水管,外包一層無紡布濾膜,捆綁結實,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,真空泵用射流泵,于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20 cm 堵水圍堰,薄膜上覆蓋10～20 cm 水。膜上覆水應在真空試抽,膜內真空度達到90 kPa , 確信密封系統不存在問題時方可進行。停止預壓時地基的固結度應大于90 % , 當連續5 天不大于1. 5 mmd-1,即可停止抽氣。其施工方法見圖1 。
4. 2 　施工工藝流程清理原位地基→鋪設砂墊層(修筑預拱面)

圖1 　塑料排水板真空預壓施工斷面圖樁位放樣→機具定位(垂直度控制) →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→填寫施工記錄。
4. 3 　現場施工監測為了更好的指導施工,驗證軟基的加固效果,施工前在D K48 + 200 和D K48 + 8200 兩個斷面進行觀測,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,并對加固前后物理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(見圖2) 。

圖2 　測試儀器埋設位置圖

5 　加固效果分析
D K48 + 687. 40～D K49 + 044. 4 段軟土路基, 總加固面積為27896 m2 。7 月16 日開始打設塑料排水板,8 月20 日開始抽真空,膜下真空壓力一直穩定在90 kPa 以上,預壓沉降穩定而有規律的增長,到11 月20 日平均沉降速率均小于1. 5 mm。d-1,該段軟基表面平均沉降量最大為766 mm , 最小高,詳細數據見圖3。為696 mm , 實際表面平均沉降量為724 mm 。
5. 1 　加固前后物理力學指標變化從表2 中可以看出,加固后地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數均比加固前降低了許多,而土的容重和粘聚力則有很大的提高。
5. 2 　十字板強度變化從加固前后地基土的十字板強度試驗結果得

圖3 　加固前后地基土十字板強度變化曲線出,真空預壓后不同深度的土體強度均有很大的提1 -加固前土體十字板強度;加固后土體十字板強度

表2 　加固前后物力力學指標變化表

5. 3 　表面沉降從圖4 可以看出,幾天真空度就上升到80 kPa 以上, 此后一直維持在80 kPa 以上, 最大達到90 kPa , 再加上膜面覆水,整個當量加固荷載超過90 kPa 。距加固區邊緣的總沉降量相對較小,加固區中心的總沉降量相對較大。隨著真空預壓時間的增長,表面沉降量逐漸增大,在真空度上升階段,沉圖5 　分層沉降-時間關系曲線降速率變化較大,隨后沉降速率逐漸變緩。說明真1 -0. 2～1 m 段沉降量; 2 -1～6 m 段沉降量;

空預壓階段,土體的固結變化速率是一個漸變收斂3 -6～10. 5 m 段沉降量; 4 -10. 5～15. 5 m 段沉降量; 過程。典型的沉降曲線如圖5 所示。5 -15. 5～19. 5 m 段沉降量; 6 -19. 5～20. 5 m 段沉降量 很快,說明真空預壓的效果是明顯的,而且隨著時間的延長,其曲線的拐點在不斷下移,說明土體加固的深度在不斷延伸,影響深度可以達到塑料排水板底部以下約2～3 m 處。
5. 5 　孔隙水壓力
從圖6 上看,各測點孔隙水壓力的消散度呈上圖4 　膜下真空壓力-地表沉降時程變化曲線升變化趨勢,開始孔隙水壓力消散較快,隨后消散速 1 -膜下真空度; 2 -線路中心處沉降量; 3 -左側坡腳處沉降量; 4 -右側坡腳處沉降量率逐漸較緩,預壓90 天時,其各土層中的孔隙水壓
5. 4 　分層沉降力消散度均達到90 % 以上,說明塑料排水板排水固
抽真空階段各土層的壓縮曲線的沉降速率變化結效果明顯。

圖6 　孔隙水壓力平均消散度-時間關系曲線1 -3. 5 m 深處傳感器; 2 -6 m 深處傳感器; 3 -8. 5 m 深處傳感器; 4 -11 m 深處傳感器; 5 -13. 5 m 深處傳感器; 6 -16 m 深處傳感器; 7 -18. 5 m 深處傳感器; 8 -21 m 深處傳感器
5. 6 　水平位移通過觀測發現,由于測斜管埋設位置不同,其水平位移有所差異,埋在填土邊緣的測斜管其水平位移量要比埋在填土中間的大。從圖7 看水平位移最大位置在地面以下6～10. 5 m 的淤泥質粘土層,典型的水平位移-深度過程曲線見圖7 。整個抽真空 過程中側向水平位移速率大多在 0. 5 ～ ·· 1. 8 mmd-1,最大水平位移速率為4. 5 mmd-1,停止抽真空后位移速率降為1 mm

圖7 　水平位移隨深度變化曲線

5. 7 　固結度真空預壓結束后該段路基實際表面平均總沉降量為724 mm , 根據實測沉降過程曲線推算最終沉降量為727 mm , 實際計算固結度為99. 6 % , 已經達到設計要求的固結度達90 % 以上。根據預壓前后相關試驗計算出各土層的加固效果,具體數值如表3 所示。從表中可以看出,理論計算的沉降量和通過儀器實測沉降量基本接近。

表3 　軟基加固固結度分析表

6 　結　論
(1) 通過對檢測資料結果分析得出:加固范圍內各土層固結度均達到設計要求,加固前后各土層物理力學指標有顯著提高,加固效果都很明顯,達到了預期目的。
(2) 利用真空預壓作為超載荷載,可以一次性在最早期加載,預壓時間長,而且荷載數值大大超過設計運營荷載,使得路堤軟土地基壓縮層土層在預壓期內(預壓期為3 個月) 完成95 % 以上的沉降,可以較好的解決軟土路基工后沉降過大的問題。
(3) 側向位移量和位移速率與荷載大小有明顯的相關性,隨著預壓荷載的增加,位移量和位移速率逐漸增大,在達到預壓荷載后,位移量和位移速率顯著減小,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。 (4) 在工程造價方面,真空預壓法處理軟土路基比傳統的攪拌樁、碎石樁法等可節約45 %～50 % , 比較經濟合理。

原作者：郭宏偉