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摘要

本文结合软土路基的特点以及公路软土路基常用的处理方法，以及苏334省道复线沿线的工程地质条件和施工需要等因素，采用了真空联合堆载预压法处理沿线的软土路基，介绍了真空联合堆载预压加固软土地基的原理、优点和施工工艺，通过工程实例证明它是一种经济而有效的软基处理方法。

关键词：

真空联合堆载预压软土地基加固

Abstract

Inthispaper,thecharacteristicsofsoftsoilsubgradeandtheroadcommonlyusedinsoftsoilfoundationtreatment,andtheSovietUniondouble-trackalongthe334provincialhighwayandconstructionneedsofengineeringgeologicalconditionsandotherfactors,combinedwithvacuumpreloadingtreatmentofsoftsoilalongtheembankment,introducedbyvacuumpreloadingSoftprinciple,advantages,andconstructiontechnology,engineeringexampletoprovethatitisaneconomicalandeffectivemethodforsoftground.

Keywords:

vacuumpreloadingcombinedsoftfoundation

真空堆载联合预压法在公路软基处理中的应用

目录

前言1

第一章软土路基的特点分析2

第二章公路软土路基的常用处理方法3

2.1高压喷射注浆技术3

2.2冻结法3

2.3挤密法3

2.4机械碾压法4

2.5预压法4

2.6复合地基处理方法5

第三章真空堆载联合预压法在工程实例中的应用6

3.1工程概况6

3.2工程地质条件6

3.3真空堆载联合预压理论研究的目的6

3.4真空堆载联合预压加固机理6

3.5真空联合堆载预压法中最终沉降量和工后沉降8

3.6强度增长机理8

3.7地基抗失稳能力10

3.8真空联合堆载预压加固地基的优点11

3.9工程应用....................................................................................................................................11

3.10效果分析17

第四章结论25

谢辞26

参考文献27

前言

由于苏334省道复线沿线属长江三角洲冲积平原地貌区，路线大部分通过鱼塘区和虾塘区，地基软土层分布广泛且厚度大、强度低，由于高填方路基沉降量大、工期紧，根据工程各路段软土地基的特点，此标段软基主要采用真空联合堆载预压方法的处治。

真空预压法最早由瑞典皇家地质学院的W.Kjellman教授于1952年提出的，1958年首次应用于美国费城机场跑道扩建工程。

到了20世纪80年代，我国对该项加固技术联合攻关，重新进行了探索、研究，使该法日臻完善，先后在天津新港、浙江舟山市老塘山煤码头、京珠高速公路等诸多工程建设项目中应用，真空预压已成为加固软土地基有效的、常规实用的方法。

真空联合堆载预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的，其通过负压真空（压力）和堆载（正压）使土体中的孔隙水压力产生不平衡的水压力，孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水通道（塑料排水板或袋装砂井）逐渐排出，使土体产生固结变形，具有真空预压和堆载预压的双重加固效果。

本文所要解决的问题是加固沿线的软土路基，减少路基的沉降量，缩短施工工期。

为了达到预想的目的，本文采用真空联合堆载预压方法来处理。

本工程运用真空联合堆载预压法加固软土地基，充分发挥了真空预压法及堆载预压法两种软基处治的优势，加速了软基排水固结的速度，施工中路基的稳定性能得到保证，使路基填土明显加快，能够缩短施工期及预压期，因此，真空联合堆载预压法加固软基是一种安全可靠而经济有效的方法。

第一章软土路基的特点分析

软土是指滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。

软土的成分变化很大，它们不仅含有碎屑物质，而且还含有大量的化学成因物质（碳酸盐、蒸发盐等）和生物成困物质（腐殖泥等），其物质来源与周围岩性基本一致，在静水或缓慢的流水环境中沉积面成，沉积物常带有粉砂颗粒，呈现明显的层理。

因此，软土的地区蓥异性很大。

大量的研究和实践表明，软土具有以下共性：

（1）含水量较高、孔隙比较大。

其原因是软土的成分主要由牯土粒组和粉土粒组组成，并含少量的有机质。

粘粒的矿物成分主要为蒙脱石，高岭石和伊利石。

这些矿物品粒很细，呈薄片状，表面带负电荷，它与周围介质的水和阳离子相互作用，形成偶极水分子，并吸附于表面形成水膜，在不同的地质环境中沉积形成各种絮状结构。

（2）具有触变特征。

当原状软土受到扰动（搅拌、挤压等）以后，结构连接受到破坏，土的强度显著降低。

其灵敏度一般在3-4之间，个别高达8-9。

（3）具有明显的流变性。

在荷载的作用下，软土承受剪应力的作用产生缓慢的剪切变形，并可能导致抗剪强度的衰减，并在主固结沉降完毕之后还可能产生”r观的次固结沉降。

（4）高压缩性。

软土的压缩模量Es＜4MPa，大部分压缩变形发生在垂直压力为100kPa左右，作为地基时的沉降量很大。

（5）低强度。

软土多属近代水下细颗粒沉积士，其天然排水抗剪强度一般小于20kPa，有效内摩擦角仅为儿度甚至接近干零。

软土抗剪强度试验值与试验方法、排水条件等密切相关，如采用固结快剪，则粘聚力和内摩擦角将比快剪指标大。

在荷载作用下，如果软土能够充分排水固结，则其强度将得到明显的改善。

（6）渗透性小一般竖向渗透系数在（106～108cm／s）之间，但其水平向的渗透系数较大，特别当含有水平夹砂层时更为显著。

（7）不均匀性。

由于沉积环境的变化，粘性上层中常局部夹有厚薄不等的粉上（砂），使水平和竖向分布有所差异，作为地基则易产生不容许的差异沉降。

第二章公路软土路基的常用处理方法

2.1高压喷射注浆技术

高压喷射注浆技术是20世纪70年代从日本引进的一种加固松软土体的应用技术，是化学注浆技术结合高压射流切割技术发展起来的。

其实质是采用钻机先钻进至预定深度后，由钻杆一端安装的特别喷嘴，把水泥浆液高压喷出，以喷射流切割搅动土体，同时钻杆边旋转边提升，使土粒与水泥浆混合凝固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥土固结体，以达到加固地基和止水防渗的目的，高压喷射注浆是一项加固和防渗的新技术，需要有一个发展和完善的过程。

成桩质检技术的研究，喷嘴结构及管路的改进，施工设计质检规范的制订，现场技术管理问题，降低成本和冒浆等问题，高压喷射注浆技术主要应用在N值（土壤标准贯入值）为0~30的淤泥、粘性土、砂土、砂砾及含部分卵石层的地基中，用于铁路、公路和建筑物基础加固防止下沉，坝基等防渗帷幕，以及施工中的临时支护等。

2.2冻结法

冻结法采用液态氮或二氧化碳膨胀的方法，或采用普通的机械制冷设备与一个封闭式液压系统相连接，而使冷却液在内流动，从而使软而湿的土进行冻结，以提高土的强度和降低土的压缩性。

适用于各类土，特别在软土地质条件，开挖深度大于7-8m，以及低于地下水位的情况下是一种普遍而有效的施工措施。

2.3挤密法

挤密法是利用挤密或振动使深层土密实，并在振动或挤密过程中，回填砂、砾石、碎石、灰土、二灰或石灰等，形成砂桩、碎石桩、灰土桩、二灰桩或石灰桩，与桩间土一起组成复合基础，从而提高地基承载力，减小沉降，消除或部分消除土的湿陷性或液化性。

砂（砂石）桩挤密法、振动水冲法、干振碎石桩法，一般适用于杂填土和松散砂土，对于软土地基经试验证明加固有效时方可使用。

灰土桩、二灰桩挤密法一般适用于地下水位以上深度为5～10m的湿陷性黄土和人工填土。

2.4机械碾压法

机械碾压法是指挖除浅层软弱土或不良土，分层碾压或夯实土，按回填的材料可分为砂（石）垫层、碎石垫层、粉煤灰垫层、干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层等，它可提高持力层的承载力，减小沉降量，消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性，防止土的冻胀作用及改善土的抗液化性。

常用于基坑面积和开挖土方量较大的回填土方工程，适用于处理浅层非饱和软弱地基、湿陷性黄土地基、膨胀土地基、季节性冻土地基、素填土和杂填土地基，这种方法简易可行，但仅限于浅层处理，一般不大于3m，对湿陷性黄土地基不大于5m；

如遇地下水，对于重要工程，需有附加降低地下水位的措施；

干渣垫层、土（灰土、二灰）垫层等；

它可提高持力层的承载力，减小沉降量，消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性，防止土的冻胀作用及改善土的抗液化性。

2.5预压法

又可分为堆载预压法、降水预压法、真空预压法以及真空一堆载联合预压法等。

（1）堆载预压：

堆载预压要有便宜方便的原材料，卸载后易于处理和利用。

实际上，填方工程开始即对地基逐步进行了加载预压。

但为了考虑通车以后的活荷载作用所引起的沉降，所以，尽管堆载到了路基面，还需要计算这些汽车荷载作用。

具体应按换算土柱加足土方才算满荷。

此后再加载时称为超载。

超载后静置的时问为三个月，实测沉降达到要求并稳定后撤除。

现在在堆载预压时经常附以砂垫层、砂井或塑料排水板等排水措施，以增强其排水能力，加快固结速度。

（2）降水预压法：

通过井点抽水使地下水位降低，从而增加土的自重应力，以达到预压的目的。

由于使用了降水法，就不需控制加荷速率，也不会有因孔隙水压力增高，而使地基破坏的情况，因此施工速度可以提高。

（3）真空预压：

真空预压法是排水固结法的一种，主要由排水系统和加压系统两部分组成：

排水系统主要包括竖向排水体和水平排水体，竖向排水体常用塑料排水板、袋装砂井、透水软管等，水平排水体常用砂垫层（纯净中粗砂），对于砂源紧缺、砂价较贵的地区可采用技术可靠的塑料盲沟或透水软管等土工合成材料，以降低工程造价。

设置排水系统主要为了改变地基原有的排水边界条件，传递真空压力，增加孔隙水的排出通道，缩短排水距离，以便在上部荷载作用下能以较快的时间使地基土的有效应力增加，地基土产生固结，完成预定的地基加固效果，满足工程建设需要。

加压系统主要是指抽真空装置。

（4）真空联合堆载预压法：

这种方法是在进行真空预压的同时，在地基上再进行堆载。

与一般的堆载预压法相比，真空联合堆载预压法可以充分发挥真空预压和堆载预压各自的优势，加速孔隙水的排出和地基的固结，提高加荷速率，缩短工期，增大加固深度及减少工后沉降。

2.6复合地基处理方法

这种方法主要有粉喷桩、旋喷桩和碎石桩等，软基处理单价较高，特别是对软土层厚的高填土路堤，如采用粉喷桩设计，对软土层厚度大于10.0m，填土设计标高8.0m以上的路堤，粉喷桩间距取1.0m，喷粉量50kg/m，其每平方米的单价是压密注浆方法的2-3倍；

若采用旋喷桩处理单价更高，大约是压密注浆处理的3-4倍。

另一方面成桩的质量难以控制，如粉喷桩，理论上讲成桩有效长度可达25m以上，但大量的工程实例反映，粉喷桩桩长过大，其质量难以保证；

在成桩过程还存在喷粉量不足、搅拌不均匀、胶接不好等先天质量问题。

在施工条件良好的情况下，复合地基处理方法有自己的优势，如在结构物反开挖过程中，它可以起到支护作用；

在桥头附近路基处理中，它可以提高桥背土体填筑速度、减小工后沉降等。

第三章真空堆载联合预压法在工程实例中的应用

3.1工程概况

苏334省道复线公路B2标路基底宽度26.5m，双向四车道。

沿线属长江三角洲冲积平原地貌区，路线大部分通过鱼塘区虾塘区，地基软土层分布广泛且厚度大、强度低，由于高填方路基沉降量大、工期紧，根据工程各路段软土地基的特点，我标段软基主要采用了真空联合堆载预压方法处治。

3.2工程地质条件

（1）填筑土：

褐黄色、灰黄色，主要由粘性土组成，厚度一般为0.9-2.1m。

（2）淤泥、淤泥质土：

沉积土，灰黑色、灰色，局部为淤泥质土与粉细砂互层，含腐植质，呈流塑状，饱和，属高压缩性土。

平均含水量49%，最大达60%以上，密度1.70g/cm3，孔隙比1.419，液性指数1.25。

该层分布广泛，厚度为5.0-20.0m。

3.3真空堆载联合预压理论研究的目的

众所周知，路桥工程中，地基土体在上部结构荷载作用下的变形，实际上包括了土颗粒结构的压缩，土中空隙水的排出过程，它包括了：

压缩量的绝对大小，最终沉降量的大小；

压缩量随时间的变化；

软土地基在荷载作用下强度增长的规律等。

而研究真空堆载联合预压理论的目的在于如何使上述变化向有利于公路工程的发展：

（1）地基的最终沉降和工后沉降问题。

（2）在真空堆载联合预压作用下，土体的固结程度和强度增长问题。

（3）真空堆载联合预压对路基稳定性的影响。

3.4真空堆载联合预压加固机理

真空预压理论最早由瑞典皇家地质学院的W.Kjellman教授于1952年在美国土体加固会议上提出的“利用大气压加固粘土的说法”，此后国内外许多专家学者和科研部门对此进行了一系列的研究，1958年首次应用于美国费城国际机场跑道扩建工程。

我国对真空预压理论的研究开始于20世纪50年代末60年代初，到了20世纪80年代，我国对该项加固技术联合攻关，重新进行了探索、研究，使该法日臻完善，先后在天津新港、浙江舟山市老塘山煤码头、京珠高速公路等诸多工程建设项目中应用，真空预压已成为加固软土地基有效的、常规实用的方法。

由于真空预压理论为解决软土地基的沉降速度、固结进程、地基承载力等问题提供了可能，目前国内外许多专家学者仍在不遗余力地致力于该理论的研究。

真空联合堆载预压法是在真空预压和堆载预压法基础上发展起来的，两者都属于排水固结法，具有真空预压和堆载预压的双重加固效果,但不是两者简单的叠加。

根据达西渗透定律,土体中孔隙水的渗透速度与水力坡降（Δh/L）成正比,增加水头差Δh或减少排水距离L,均可以加速,土体排水固结。

其通过负压真空（压力）和堆载（正压）使土体中的孔隙水压力产生不平衡的水压力，孔隙水在这种不平衡力的作用下通过竖向排水通道（塑料排水板或袋装砂井）逐渐排出，使土体产生固结变形。

采用真空预压法加固地基时，在抽气前，密封膜内外都受大气压力作用，土体孔隙中的气体与地下水面以上都是处于大气压力状态。

抽气后，密封膜内砂垫层中的气体首先被抽出，其压力逐渐下降，密封膜内外形成一压力差（△P），使密封膜紧贴于砂垫层上，这个压力差称为“真空度”。

砂垫层中形成的真空度通过垂直排水通道逐渐向下延伸、扩展，引起整个加固区内孔隙水压力降低，使形成的孔隙水压力小于原静水孔隙压力，即静水孔隙水压力负向增长，形成负的超静孔隙水压力。

从而使土体孔隙中的气体和水由土体向垂直排水通道渗流，最后由垂直排水通道汇至地表砂垫层中被真空泵抽出。

通过真空预压过程中的抽真空使加固区内超静孔隙水压力降低，促使地基土体产生排水固结，达到了最终加固地基的目的。

堆载排水预压法是利用路基本身作为荷载，对被加固的地基进行预压，软土地基在此附加荷载作用下产生正的超静水压力，在路基填筑及填筑完成以后，超静水压力慢慢消散，土体有效应力不断增长，土体产生固结，强度得到增长。

真空联合堆载预压法的施工步骤一般可分两步进行,首先,按常规方法进行真空预压施工。

当真空度达到要求后,在真空预压膜上逐级堆载,使地基在真空与堆载的共同作用下得到加固。

3.5真空联合堆载预压法中最终沉降量和工后沉降

根据土力学理论，地基沉降包括两方面的内容,一是地基表面的最终沉降，二是沉降的时间过程。

首先，地基的最终沉降量也就是它的最大沉降量与土质的性质和土体所承受过的荷载压力有关，根据卡萨格兰德1936年的先期固结理论，当土体历史上受到过的固结压力大于目前的荷载压力时，对该土体而言则处于超固结状态，此时土体将不产生变形或仅产生微小变形;

但当目前土体所承受的荷载力大于原有固结压力时，此时土体处于欠固结状态，土体在新的荷载作用下将继续压缩变形。

在真空堆载联合预压法模式中，由于其所堆荷载即为今后的路堤荷载，而真空荷载则作为今后的路面荷载及超载，所以今后路基土体则处于超固结状态下，其最终沉降量是不变的，而工后沉降量主要取决于前期沉降的大小及速度，这就是沉降理论的另一方面即沉降随时间的变化问题。

根据土力学的基本知识，在外荷载的作用下，土中孔隙水排出，土体因发生体积变化而压密的过程称为固结，而地基土层在某压力的作用下，经历T时所产生的变形量与最终变形量之比称为固结度（Ut=St/S）,它是衡量土体压缩的标准。

根据太沙基固结理论，土体的变形速率取决于孔隙水的排出速率，即孔隙水压力的消散速率。

当然，这里讲的固结是指土体的主固结，而因土颗粒蠕动产生的次固结则作为工后沉降，在此不做考虑，也就是说，当土中的超孔隙水压力u=0时，其固结度Ut=100%。

在真空联合堆载预压法中，由于真空预压和堆载压力同时作用于土体，使孔隙水的压差很大，孔隙水压力消散速度很快，也就是说土体的前期沉降较快，随时间的推移，沉降速率衰减快，沉降稳定所需要的时间短，从而使工后沉降相对减少，这对路基工程质量是十分有利的。

3.6强度增长机理

从有效应力路径分析,加固前地基应力状态如图1.平均应力为p′0=（R′10+R′30）/2,式中,R′10和R′30分别表示加固前地基土体中的最大有效主应力和最小有效主应力.加固过程中,地基土体增加的有效应力为ΔR′。

由于孔隙水压力是一个球应力,所以在各个方向均增加ΔR′,因此,R′1=R′10+ΔR′;

R′3=R′30+ΔR′。

（a）加固示意图

图1真空排水预压加固软土地基的应力分布示意图

式中,R1′和R3′分别表示加固后地基土体中的最大有效主应力和最小有效主应力。

图2中,其有效应力圆由D位置向右移到D′,平均应力由p′0增加到p′=p′0+ΔR′。

但是,应力圆的半径没有变化,当加固的荷载移除之后,地基土的强度沿着超固结包线退回到F点,从图2中可看到,和原来强度相比增加了ΔS,即软土土体强度提高了ΔS。

图2土体强度应力圆变化示意图

真空堆载联合预压法实际上是真空排水预压法和堆载预压法的联合应用,理论和实践都已经证明这两种方法可以联合使用,两种方法加固时分别产生的负的超静水压力（真空预压）和正超静水压力（堆载法）是可以叠加的,能使土体产生快速的固结并使土体强度得到增长.在路基的稳定性方面,真空排水预压法由于负压的存在使加固的路基的侧向变形是向着路基方向发展的,而堆载预压法由于荷载的作用,侧向变形是向着远离加固区的,两种方法联合使用的好处就是能使路基的侧向稳定性得到更好的控制,能够降低路基的失稳可能性.

由于侧重点的不同,真空堆载联合预压法分为两种:

一种是真空预压能提供的加固荷载不够,这时,可以辅以堆载预压来补充.另一种就是把自载（自身的重量）作为主要荷载,而把真空压力作为超载对待,这个自载在工程结束后往往不能被移走,例如公路路基处理中的填土荷载.

3.7地基抗失稳能力

一般地说，由于软土地基土地的抗剪强度较低，而且排水固结速度比较缓慢，所以路基工程成败的前提就是土体的稳定性。

根据工程经验估计，路堤的极限高度约为3.85-5.06m，而在以往的超载预压处理软基路堤中，超高的荷载往往接近或超过天然地基承载力，如果加荷速度控制不严，地基强度增长速率低于加载速率，路堤就会因地基的破坏而滑动。

因此必须对加载过程中的地基稳定性严加控制，这是经过多次经验教训总结出来的，已成为公认的共识。

根据我国《建筑地基处理规范》，关于地基稳定性现场监控有三个标准，即沉降、位移和孔隙水压力。

也就是说，在路堤填筑过程中，地基的沉降速率，地基的侧向位移和土体中的孔隙水压力是控制路基稳定性的三大因素。

在真空堆载联合预压模型中，由于路堤填筑前，首先对土体施加真空负压力并在其影响下提高土体中有效应力，而土中的剪应力不变，使土体进行固结，达到增强土体强度的目的，提高了土体的抗失稳性。

这样一来，在路堤填筑时，土体中的剪应力