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真空预压法路基处理施工技术

发布时间:2014-04-11 信息来源:工勘院网站

概述

软土路基处理基本有浅层处理法、复合地基法及排水固结法。浅层处理法有换土、抛石排淤、反压护道及排水砂垫层等;排水固结法有砂井、袋装砂井、塑料排水板等;复合地基法有水泥搅拌桩、旋喷桩及粉喷桩等。浅层处理一般适用于软土层埋深浅,厚度薄,上部覆盖层较薄的情况;复合地基法施工工期短,施工方便,见效快,适用于软土厚度中等,施工工期短的工程,其加固深度一般小于10米;排水固结法适用于软土土层较厚的情况,为保证工程工后沉降,一般要预压,预压期较长,预压土方大。真空预压法是排水固结法的一种。是在要加固的软基上打设一定间距的塑料排水板或袋装砂井,然后铺上砂垫层,再将不透气的薄膜铺设在垫层上,借助于埋在砂垫层中的管道,通过真空装置进行抽气,将膜下土体的空气和水抽出,使土体排水固结,从而达到固结的目的。

作用机理

宏观机理

真空预压的整个加固过程是:土体抽真空后,真空压力直接作用在土砂垫层中的水气流体上,先提高排水边界砂垫层中的真空度,形成下部土体与砂垫层之间的压差,使得表层土体内的水和气在压差作用下,通过塑料排水板或砂井流到砂垫层中,再通过与真空泵相连的排水管道被抽出;随着时间的延续,真空度沿着塑料排水板向深度传递,并通过排水板向周围土体扩散传递,使得深部土体中的水和气被抽出,由于土体本身渗透系数很小,水源补给不可能大于或等于地下水被抽出的速度,因此同时伴随着地下水位的逐渐下降。
在整个过程中,土体中产生负的超静孔隙水压力,随着水气的排出,超静孔隙水压力不断消散,土体有效应力不断增加,使得土体得到加固。从真空预压影响的深度及真空度沿深度传递的过程来看,在加固过程中,地下水位是不断下降的,到一定程度后保持平衡与稳定。地下水位并不是齐平的下降,靠近排水板附近土体由于排水路径短,因而排水速度快,地下水位下降也快;而在排水板中间离排水板较远处,由于土体渗透系数小,排水路径长,同时由于涂抹效应和排水板附近土体固结速度较快使得土体的渗透系数变小,排水速度变慢,因而形成漏斗形的地下水位线,其最低点位于排水板周边。在加固过程中漏斗状地下水位线随时间的推移逐渐下降最后趋于较为稳定的状态,排水板周边土体中的地下水位的最低点或稳定点所在深度即为真空提水深度。真空极限提水深度是有限度的,当地下水位低于这个深度,地下水位以下的水将被汽化而不能被抽出。而工程中实际的最大真空度一般在80~90kPa 之间,因此真空提水深度线也即排水板周边土体的地下水位最深不能超过8~9m。
所以从宏观上讲,真空预压是通过抽出土体中的水和气,降低地下水位,使土体内部出现压力差,土体在压力的作用下发生固结,固结起于表层,并逐渐向深部传递。因此对于真空预压来说,最重要的是降水,地下水位下降幅度越大,土体上部非饱和区越厚,下部土体的由浮容重转化的有效应力也越大,加固效果也就更好。

微观机理

对于真空预压从微观上看,真空压力直接作用在土体中的水气流体上,而不是直接作用在土体骨架或颗粒上。在真空预压最初期,土体排水量很大,但沉降甚微,说明土体中的自由水和气被抽出,但由于土体颗粒之间的粘聚力、排斥力、接触点支撑力,土体中的有效应力增加但未发生变形,随着水、气的抽出及时间的持续,土体颗粒间的孔隙逐渐增大,且由于浮容重转化为湿容重,因而土体颗粒发生错位重新排列,使得土体的有效应力和变形增加,这是由于外因而导致其内部自发调整的一个过程,使得土体密实而得以加固,在整个过程中只是土体颗粒的重新排列和充填,而土体颗粒不会发生破碎,因而一次加载也不会出现破坏现象,同时由于其变形为内部自发调整,在宏观上表现为塑性变形;当停止抽气时,水存在一个回灌的过程,使得现场中的地下水位升高,土体颗粒仍然处于调整状态,由于水位的上升,土样的含水量增加,由于土体颗粒未发生破碎充填,颗粒之间仍然有一定的孔隙使水得以进入,使得部分土体有湿容重重新转化为浮容重,土颗粒之间的粘聚力减小,使得加固后的抗剪强度有所下降;同时颗粒之间并未有重新错动的过程即土体发生的为塑性变形,从而表现出在真空预压在卸载时回弹量很小的特征,地下水位上升的程度取决于水源补给和颗粒重组后孔隙的大小。

真空预压法路基处理施工过程

本文以津滨轻轨DK47 + 981。 11~DK49 + 044。 40 段路基为例。该段路基位于滨海冲积平原上,地形平坦,表面为坑塘底部淤泥表层,下面为10~18 m 的淤泥质粉质粘土、淤泥及淤泥质粘土软土层。软土由于形成时间较短,工程力学性质极差,主要表现为抗剪强度低、压缩性高等特性。软土层由上到下依次为: ① 粘土层,为该工程线路段软基自然脱水硬壳层,黄褐色或灰黄色,呈可塑~流塑状态,该层结构不均匀,夹有粉砂薄层,土质相对稍好,厚度约为1。6m。② 淤泥质粘土层,为粘土与粉砂交互沉积形成,亦称带状粘土层,由于粉砂薄层及粉砂斑的存在,其渗透性相对较好,为灰褐色~灰色或灰黄色,呈流塑状态,含有机质及碎贝壳,土质软而确变性比较敏感,厚度约为3。5 m。③ 淤泥层,灰褐色或灰色,呈流塑状态,该土层粘粒含量高,土层以絮团结构为主,形成孔隙率高、孔隙小、土质软、强度低、渗透性小、压缩性大,该土层一般均处于自重压力下未完全固结状态,为软基加固处理的控制层,厚度约为6。5 m,土质较均匀,含有机质。④ 淤泥质粉质粘土层,灰褐色,呈流塑状态,局部夹粉砂薄层,夹碎贝壳,土质相对较好,渗透性能较好,厚度约为5m。⑤ 粉土,灰色、湿、密实,含碎贝壳,土质好,但触变性比较敏感,厚度约为1m。

设计要求

  1. 真空预压荷载达90 kPa。
  2. 预压加固固结度大于90 %,连续5天沉降速率小于1。5 mm/d后可卸载。
  3. 路基工后沉降不大于30cm。

施工工序

表层清理→铺设垫层→桩位放样→机具定位→塑料板装靴→ 打设套管→上拔套管→孔深检查→剪断塑料板→插板机移位→埋设塑料板头→开挖密封沟→埋设吸水管→铺设密封膜→出膜连接与真空泵系统安装→抽真空→卸载。

施工要点

  1. 铺设垫层。清理干净地基表面的杂物,然后填筑70cm素土及30cm排水砂垫层,并碾压密实。
  2. 塑料排水板的施工。根据饱和软粘土特性,设计排水板间距为lm,采取正三角形排列,平均打设深度为18m。现场根据塑料排水板布置范围及间距,用木片准确定出每个塑料排水板的打设位置,排水板采用门架型插板机打设,插板机基础要设置稳固,保证其平衡度满足稳定性要求。塑料排水板穿过空心套管,插打至设计位置,套管靴头采用铁质靴头。
  3. 板头处理。当套管打设至预定位置后,将塑料排水板剪断,保证塑料排水板深入砂垫层至少25cm,并将其竖直地埋入砂垫层中。如下图所示。
板头处理
布置真空分布管、膜下真空压力观测点和真空泵。塑料排水板全部打设完成并处理好板头后,在加固范围四周开挖密封沟,人工整平场地,铺设0。2cm厚砂垫层,并于砂垫层内布设真空管路。滤管采用小于50mm 波纹滤水管,外包一层无纺布滤膜,滤管交点处设三通或四通钢管,钢管与滤管间用胶管连接,并用铁丝扎紧。将滤管埋入砂垫层,滤管通过管路出膜器与密封膜外的抽真空管路连接到真空泵上。真空泵使用射流泵,在加固区各角点分别布设一台,加固区两侧边缘位置每35 m 交错布置一台。管路布设完成后,覆盖三层聚乙烯闭气薄膜,薄膜边缘埋入密封沟内,沟内用粘土回填夯实,形成高出薄膜不小于20cm堵水围堰,薄膜上覆盖10~20cm水。膜上覆水应在真空试抽,膜内真空度达到90kPa,确信密封系统不存在问题时方可进行。当沉降量连续5天不大于1。5mm/d时,即可停止抽气。
试验和观测。为取得比较完整的综合沉降数据,了解加固效果和加固区对周围地基的影响,应分别在打塑料排水板前、后,真空预压前、后,对加固区进行试验和观测。试验和观测选取两个断面进行。施工前,在这两个观测断面的中心位置钻探,进行原状土的各种物理力学指标及真空试验,并做十字板剪切强度试验,真空预压加固完成后在相近位置进行相同试验,并对加固前后物力力学指标进行对比分析。塑料排水板打完后,在上述两个观测断面线路中心、坡脚位置埋设孔隙水压力、分层沉降管,左侧密封沟外埋设测斜管及水位管;于断面线路中心、两侧路肩及坡脚位置膜面布设沉降板进行沉降观测,线路坡脚位置膜下设真空度仪。

效果分析

(1)地耐力强度及变形分析。 真空预压可产生90Kpa等效荷载,土体上30cm砂垫层和表面50cm覆水可产生10Kpa的等效荷载,因此土体相当于经过100Kpa等效荷载预压。预压后进行荷载板试验,地基承载力可达120~160Kpa。
在经过三个月的预压期后路基完成了95 %以上的沉降,解决了软土路基工后沉降过大的问题。而且与堆载预压不同的是,随着预压荷载的增加,土体产生向内的收缩变形,对路堤稳定非常有利。
(2)经济分析。真空预压法施工与复合地基法等比较,可大量节约经费,节约投资达60%多。

结束语

真空预压法作为软土地基的加固处理方法,其施工时间短,加固费用低,加固效果好,特别是深层加固效果更好,非常适用于沿海地区公路、铁路路基处理工程以及港口、海堤的吹填加固工程。

参考文献

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[2] 李豪。 真空—堆载联合预压加固软基机理及简化计算方法研究[D]。 河海大学硕士学位论文, 2003: 23~25。
[3]高志义。 真空预压法的机理分析[J]。岩土工程学报, 1989。11(4):45~56。
[4] 李宗江,陆进文。津滨轻轨软基加固真空预压法施工[J]。《铁道标准设计》2003年8期