大面积真空预压加固法处理软土地基技术研究

王长法

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉　430063)



大面积真空预压加固法处理软土地基技术研究

王长法

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 武汉430063)

摘要：真空预压是软土地基加固处理的一种方法,结合京沪高速铁路上海虹桥枢纽工程的深厚软土地基加固处理与沉降控制资料,介绍采用真空预压加固的虹桥动车运用所软基的一个试验段施打排水板引起的沉降、地基表面沉降以及孔隙水压力的现场观测和试验,并对观测结果进行了分析。最后,结合现场测试数据,采用数值计算方法对地基加固措施的受力特性和沉降变形规律进行分析,得到的沉降量与实测沉降推算结果较接近。

关键词：真空预压；软土地基；加固

1概述

真空预压(Vacuum preloading)的基本原理最早是由瑞典皇家地质学院W. Kjellman教授于1952年首先提出的[1]，1958年美国费城国际机场跑道扩建工程中，首次采用真空井点降水与排水砂井联合加固地基[2]。随后日本、法国、前苏联等国家都有该技术的应用报道[3]。我国于20世纪50年代末开始对真空预压法加固软基开展研究，直至20世纪70年代后，该技术在天津新港软土地基处理经历了探索试验、中间试验，最后到工程应用，逐步走向成熟，并于1985年12月通过国家技术鉴定[4-7]。近几年高速铁路飞速发展，在软土地基上修建高速铁路已开始采用真空预压技术[8]，但是大面积使用真空预压法的工程还很少，李时亮等[9-11]对真空-堆载联合预压法处理软基地基沉降规律、加固效果、经济技术性、在高速铁路软基处理工程应用的适宜性等进行分析和评价。李宗江等[12]探讨了津滨轻轨软基加固真空预压法施工，介绍真空预压法在城市轻轨软基处理中的应用。李昌宁等[13]结合上海某高速铁路软土地基处理的实际情况，通过综合分析与现场测试试验，就真空-填土自载联合预压法加固深厚软基的设计方法、施工工艺和对周围环境影响控制措施等，进行了试验研究。理论和实践证明，开展关于大面积真空预压技术的研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。

2工程地质条件及监测方案

京沪高速铁路虹桥动车运用所位于冲-海积平原区，地基为深厚软土地基，设计要求工后沉降控制标准30 cm。为满足地基承载力和工后沉降控制要求，共有3片场区采用了真空预压处理措施，处理总面积22.2万m2。

2.1试验工点工程地质条件

试验工点位于虹桥动车运用所北咽喉北端动车走行线，路堤填高1～2 m。地层顺序如下。

(1)人工杂填土：以碎砖、瓦砾、混凝土块为主，夹有少量工业废料及生活垃圾土，局部夹植物根须，厚1～2 m。

(2)1粉质黏土(Q4al+m)：褐黄色，软塑，局部含少量粉砂等，σ0=120 kPa，厚0～1 m。

(2)2粉质黏土(Q4al+m)：褐灰色，软塑，含铁锰质斑点、云母、粉砂等。σ0=120 kPa，厚1～2 m。

(2)3粉土(Q4al+m)：灰色，稍密，饱和，含云母，夹薄层黏性土，见贝壳碎屑，土质不均匀，σ0=100 kPa，厚9～10 m。

(3)1淤泥质粉质黏土(Q4m)：灰色，流塑，含云母、有机质、夹薄层粉砂，局部夹有贝壳碎屑，σ0=80 kPa，厚8～13 m。

(4)淤泥质黏土(Q4m)：深灰色，流塑，含云母、有机质，局部夹粉土、粉砂团块，偶夹贝壳碎屑，土质均匀，光滑，σ0=80 kPa，厚6～10 m。

地基土物理力学指标见表1。

表1　地基土基本参数

2.2监测方案

本次试验的场地分E5和E6两区，其中E5区的里程范围长110 m，宽约145 m，面积为15 758 m2，E6区长130 m，宽约145 m，面积为18 737 m2。

本次测量共布设2个全断面对真空度、地面沉降、深层沉降、水平位移、土工格栅变形、地基面应力、孔隙水压力、地下水位进行观测，另设3个沉降断面以及1个观测断面。

2.3荷载施加

路堤荷载按大面积均布荷载，填料容重取19 kN/m3，轨道+列车荷载全部换算为路基顶面均布荷载土柱高为2.6 m，荷载参数见表2。

表2　荷载参数

3现场监测结果分析

3.1施打排水板引起的沉降

塑料排水板打设完成后E5和E6区的沉降数据见表3，塑料排水板打设后各场地均发生了较大的沉降，分别为39.5 cm和40.3 cm，发生沉降的原因主要有两个方面。

(1)排水板深层范围内欠固结土的沉降。本工程的软土为近海沉积的厚层淤泥质土，为欠固结土，排水板形成了排水通道，欠固结土体产生固结，从而产生固结沉降。

(2)排水板打设过程中造成软土扰动产生的沉降。软土中打设排水板后，土体的结构性造成了一定的扰动，这种扰动会使软土发生沉降。

表3　排水板打设后各场地的沉降数据

3.2地基表面沉降

真空预压E5区内对两个断面进行表面沉降观测。从2009年4月9日开始抽真空，2009年8月9日停止抽真空，2009年5月8日开始堆载，2009年8月29日堆载结束。至2010年8月17日止，加固区内HQGDK1+220断面(C1-2沉降标，因施工破坏，仅监测至2010年4月26日)发生的累计沉降量为421 mm，HQGDK1+260断面(C2-2沉降标)发生的累计沉降量为360 mm。2个断面平均沉降量为391 mm，最大沉降量为421 mm(C1-2沉降标)。具体监测曲线见图1。

图1　E5区表面沉降监测成果

E6区内共设HQGDK1+300(断面3)、HQGDK1+340(断面4)、HQGDK1+370(断面5)3个断面进行表面沉降观测。从2009年4月22日开始抽真空，9月3日停止抽真空，2009年5月6日开始堆载，2009年8月29日堆载结束。测试期间，3个断面发生的最大沉降量分别为348 mm(C3-2沉降标)、369 mm(C4-1沉降标)和319 mm(C5-3沉降标)(后两者因施工破坏，监测数据至2月)，具体监测曲线见图2。

图2　E6区表面沉降监测成果

3.3孔隙水压力分析

在真空预压E5区HQGDK1+220断面和E6区HQGDK1+340断面分别布置孔隙水压力计，孔深分别为3，6，9，12，15 m，对土体进行孔隙水压力观测，通过观测得到的孔隙水压力计算地基土体内部产生的超孔隙水压力变化情况。

从图3、图4可以看出，在抽真空开始时，地基内部各深度均产生了一定的负压，负压最大值约为70.3 kPa。这表明，真空预压施工时负压有效地传到了地基土体深部。随着深度的增加，超孔压变化速度变缓，随着抽真空的进行，土体中的水被抽出，负的超孔压会逐渐减少。伴随着上部堆载的进行，超孔压有所抬升，由于抽真空的作用，超孔压又逐渐消散。2009年8月17日由于现场施工，E6区的孔压计均被破坏，至9月13日修复成功，在此期间存在孔压数据空缺。2009年10月25日，HQGDK1+340断面修复后的孔压计全部被破坏(由于铺设钢轨)。

图3　E5区孔隙水压力变化曲线

图4　E6区孔隙水压力变化曲线

4数值分析

4.1数值模型及计算参数

图5　E5、E6区采用的FLAC计算网格

根据地质勘察结果，基于FLAC建立有限差分网格(图5)。考虑到断面的对称性，取一半断面宽度进行计算，E5区的计算断面宽度为129.5 m，E6区的计算断面宽度为124.5 m。模型底部设置为水平、竖直两个方向均固定约束，模型两侧选择水平方向约束。模型表面设为透水边界，其他边界为固定边界。真空荷载按照负孔压的形式施加在地表面上，通过流固耦合计算分析真空和堆载预压联合作用下地基的沉降变形。

本次计算采用的参数根据现场取样进行室内试验的结果，见表4和表5。

表4　E5区FLAC计算采用的参数

表5　E6区FLAC计算采用的参数

4.2数值分析结果

FLAC计算得到的E5区和E6区表面沉降随加载时间的变化曲线如图6和图7所示，可以发现数值计算的结果与实测数据规律基本一致。

图6　E5区表面沉降计算值与实测值比较

图7　E6区表面沉降计算值与实测值比较

计算得到的沉降曲线在堆载时刻存在比较明显的变化，这是因为FLAC计算中上部填土荷载是一次性堆载，一定高度的土体单元瞬间作用在模型表面上，先进行不排水分析，再进行一定时间的固结计算。

计算得到的地基深层孔隙水压力时程曲线见图8和图9所示，由图可见，地表以下6 m范围内均产生了负的孔隙水压力。地基深部的孔隙水压力也随着抽真空的进行逐渐下降。在填土时，孔隙水压力会产生一定的上升，这是由于填土荷载在施加时首先由地基中的孔隙水承担，随着时间的进行，增加的孔压会逐渐消散，地基土产生固结，从而使地基产生沉降。计算得到的孔隙水压力变化趋势与实测基本接近，符合实际规律。

图8　E5区计算得到的深层孔压变化曲线

图9　E6区计算得到的深层孔压变化曲线

5结论

(1)监测结果表明，试验段在抽真空之前，由于排水板的打设造成了欠固结软土结构的扰动，产生了约40 cm的沉降。抽真空过程中，测试最大沉降量为36.9～42.1 cm。沉降主要发生在塑料排水板加固区，约占70%。停抽真空时地基平均固结度达到78%以上。E5、E6区预测最大工后沉降为13.0、5.3 cm，处理效果良好，满足设计要求。

(2)现场监测结果表明，在真空预压初期，地基内部各深度均产生了一定负的超孔隙水压力，最大值-70.3 kPa，随着抽真空的进行，土体中的水被抽出，负的超孔隙水压力逐渐减小。

(3)土体的本构模型选择Mohr-Coulomb模型，采用FLAC程序，对E5、E6区测试断面进行了数值分析，对土体的沉降和超孔压进行了计算，测试结果与变化规律与实测值基本一致。

参考文献：

[1]Kjellman W. Consolidation of clay by Means of Atmosphere Pressure[C]∥Proceedings of a conference on soil stabilization， Boston: MIT Press， 1952:258-263.

[2]Holton G R. Vacuum stabilization of subsoil beneath runway extension at Philadelphia inter-national airport[C]∥Proc. of IV.ICSMFE， 1965:61-65.

[3]Arutiunian.R.N. Vacuum-accelerated stabilization of liquefied soils in landslide body[C]∥Proc. of VIII ECSMFE， 1983:575-576.

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[11]李时亮.真空-堆载联合预压地基沉降计算方法分析[J].铁道标准设计，2006(12)：8-10.

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Technological Research on Treating Soft Foundation with Large Area Vacuum Preloading MethodWANG Chang-fa

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Vacuum preloading is a method to treat soft foundation. With reference to the data of soft soil foundation reinforcement and settlement control from Shanghai Hongqiao hub project on Beijing-Shanghai high-speed railway, this paper introduces the test section of Hongqiao soft foundation where settlement is caused by placing draining board in the process of vacuum preloading reinforcement, and on-site observation and tests of ground surface settlement and pore water pressure are conducted And the results of observation are analyzed. Finally, the mechanical characteristics and the rule of the settlement of foundation reinforcing measures are analyzed with numerical calculation method based on field test data, and the calculated settlement is close to the measured result.

Key words：Vacuum preloading; Soft foundation; Reinforcement

中图分类号：U213.1+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.006

文章编号：1004-2954(2015)05-0028-04

作者简介：王长法(1965—)，男，高级工程师，1987年毕业于中国地质大学水文地质与工程地质专业，E-mail：tsywcf@126.com。

基金项目：铁道部京沪高速铁路科技重大专项科研课题(2008G031-C)

收稿日期：2014-07-31； 修回日期：2014-09-01