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真空—堆载联合预压法加固软基的设计方案研究

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  摘要:结合工程实例,介绍了真空—堆载联合预压法作为一种软土地基处理方法具有的诸多优点。探讨了该联合预压设计方案由排水(竖向、横向)和加压(堆载法、真空法)两个系统组成,并分析了联合预压下的水位变化、加固深度等问题,最后就固结度与工后沉降进行了计算。
  关键词:排水固结;真空-堆载预压;塑料排水板;工后沉降
  中图分类号TU472.33文献标识码:A文章编号:
  1工程概况
  某经济技术开发区一期工程占地约5km2,主要有路网、仓库、货场等。该区域地处软土区,软土层厚,工程性质很差。 根据勘察报告,具体地层自上往下为:第1层素填土:主要分布在河埂,由粉质粘土组成,含少量碎石、植物根,结构较松散,一般为可塑状态。第2层粘土:褐黄色,可塑状态,局部软塑。层厚O.7~4.5m,W=38.2%,ESl-2=3.OMPa,PS=O.276MPa,fnk=100kPa。第3层贝壳夹粉砂:湿,稍密,仅局部存在。第4层粘土:含有机质,软塑~流塑状态,局部为淤泥质粘土,层厚0~3.8m,分布不连续。W =46.6%,IP =20.2,IL =0.97,ESl-2=2.5MPa,PS=0.394MPa,fnk=70kPa。第5层淤泥:流塑,全场地分布,局部夹有粉砂薄层和零星贝壳,层厚17~20m,个别地段地层直接出露于地表。W =63.O%,IP =22.9,IL =1.22,PS =0.439 MPa,ESl-2=1.8MPa,fnk =45kPa,本层淤泥为高含水量、高压缩性、低强度、高灵敏度软弱土层。第5层以下为粉质粘土、粉砂、粉土等土层,压缩模量和承载力均较大,为工程性质较好的土层。
  场地地下水为孔隙潜水,赋存于覆盖土层中,主要接受大气降水补给,以蒸发及向附近沟塘排泄。勘察期间所测地下水埋深为0.30~1.60m,地下水位年变化幅度在l.0m左右。
  2地基处理要求与方案选择
  2.1地基处理要求
  地基处理要求包括路基沉降及稳定性两个方面。一般区段工后残余沉降量≤30cm,纵向及横向差异沉降量差≯4‰。稳定性要求,采用固结有效应力法计算,稳定性安全系数≥1.2。为满足建成以后使用要求,对临近堆场及保税区在施工时,不得出现道路横向4‰的差异沉降,更不得因差异沉降过大造成横向滑移路面开裂。
  2.2处理方案选择
  本工程部分地段有一层“硬壳层”,一般为粘土,层厚为2~3m,呈可塑~软塑状。但大部分地段软土直接出露地表,该层为第5层土淤泥层,层厚17~20m,含水量63%、孔隙比为1.79、塑性指数为22,抗剪强度低,渗透系数仅1.8×lO-8~9×10-8cm/s。地下水对混凝土具有弱腐蚀性。鉴于本工程地质条件复杂,地基土中淤泥土层厚且具有高含水量、高压缩性和高塑性指数,低渗透性、低强度的特点;同时考虑本项目地质条件和周围环境的具体情况,从工期、造价、工后沉降、回填材料、砂石紧缺的现状,设计决定采用真空-堆载联合预压进行排水固结方法来处理软基路基。
  堆载排水预压是在天然地基设置塑料排水板,然后分级逐渐加载,使土体中孔隙水排出,在施工期消除大部分地基沉降,从而有效的控制工后沉降,软基土性得到改良,地基承载力也得以显著提高。堆载预压的特点是需要预压材料,预压荷载一般等同于设计荷载;施工时需严格控制加载速率,通常采取分级加载进行预压,每级预压荷载不得超过前级荷载作用下地基强度增长后的地基承载力。
  真空预压法是通过将不透气的薄膜铺设在砂垫层上,借助于埋设在砂垫层中的管道,通过抽真空装置将膜下土体中的空气和水抽出,使土体得以固结,强度得以增长。真空预压法的优点是不需要大量的预压材料,抽真空可一次进行,工期较快。
  3方案设计
  排水固结法是由排水系统和加压系统两部分共同组合而成。排水系统包括竖向排水体和水平排水体,加压系统包括堆载法、真空法等。
  3.1排水系统
  3.1.1砂垫层
  垫层材料应采用级配良好的中粗砂,其渗透系数≮10-3cm/s,同时能起到一定的反滤作用。为防止堆载施工对密封膜的影响,面层5cm范围内不得有带棱角的硬物。砂垫层厚度设计为50cm。砂垫层铺筑须做到厚度均匀。先铺设30cm厚中粗砂垫层,打设塑料排水板后再铺设20cm中粗砂垫层。铺设砂垫层时采用推土机推进摊铺,先两边后中间逐步往前推进。铺设于其上的土工布要求平整,无撕裂现象。为了保证路基加固质量,同时减少后期地基处理对道路的影响,加固范围在原路基外缘适当扩大。垫层顶宽40m,坡脚宽41.5m,试验段长度取70m。
  3.1.2真空管路
  真空预压管路系统:主管为Φ82mmPVC管,滤管为Φ55mmPVC管。滤管间距为5.5m。主管和滤管间采用三通、四通连接,主管、滤管布置为鱼刺形。同管径的对接采用钢丝胶管连接,全部抽真空管道均需埋入砂垫层中,且保证PVC管上方至少有10cm厚的中粗砂。通过出膜装置将抽真空管道与射流真空泵连接。主管间距为20m。滤水管按5.5m间距鱼刺形布置。滤水管埋设在水平排水砂垫层的中部,以有效防止滤水管上尖利物体刺破密封膜。抽真空所采用的真空泵功率每台7.5kW,空抽时必须达到95kPa以上的真空吸力,按每台真空泵可控面积为1000m2左右考虑。
  3.1.3竖向排水体
  对深厚软粘土地基,为了加速土体的固结,必须设置塑料排水带或砂井等排水竖井。最早的排水固结法是砂井排水,但此法存在的问题是地基变形后,容易产生断颈和颈缩。塑料排水板法弥补了砂井的不足,使施工工艺大大简化,工效成倍增长,具有以下特点:
  1)塑料排水板是由厂家批量生产的,质量均匀且易控制,具有良好的透水和排水性能;重量轻(15N/m),搬运方便,施工质量易控制。
  2)塑料排水板材料具有一定的强度及延伸率,适应地基变形的能力强。
  3)塑料排水板的断面尺寸小,插入时对地基土扰动小,连续性好。
  4)施工机械简单,施工速度快,劳动强度小,施工场地整洁。
  塑料排水板是系列土工聚合物排水带的简称,是淤泥、淤质土、冲土等饱和粘性及杂填土运用排水固结法时行软基处理的良好垂直通道,可大大缩短固结时间。在软土地基处理中,排水板的作用、设计、施工设备基本与袋装砂井相同。塑料排水板是带状复合型结构,一般宽为100mm,厚为3.5~6.0mm,是高压聚乙烯为原料,中间是挤出成型的塑料板芯,是排水板的骨架和通道。芯板的外面包化纤无纺布起着隔土滤膜作用。
  本工程中,考虑到路堤荷载较小,沉降量主要发生在15m范围内的土层中,因此,排水板打设深度取为15m。塑料排水板型号选用为SPB-100-B型,塑料排水板间距取1.2m,正三角形布置。
  3.2密封系统
  真空预压密封膜材料采用两层聚乙烯真空预压密封膜,每层膜厚度不低于O.14mm(14丝)。为了保护密封膜在两层密封膜的上面和下面铺设无纺土工布,质量为250g/m2。无纺土工布铺好后,用手提缝纫机缝接,缝接宽度≮50mm,加固区边缘预留一定宽度的土工布,使其有足够的余量能在周边密封沟处起到保护密封膜作用。
  3.3加压系统
  3.3.1膜内真空度
  真空预压效果和密封膜内所能达到的真空度大小关系极大。从地勘钻孔所揭露的地层来看,土体气密性较好。膜下真空度设计值为80kPa,相当于600mm汞柱。
  3.3.2加载进度
  根据本地地层条件,施工顺利的情况下,膜下真空度可以在两天内达到80kPa,通常需5~8d的观测期。真空度稳定维持在80kPa后就可以进行路基的填筑。最高路堤需填土高度为1.4m,加沉降补方量约2m。第一级加荷高度为0.50m,第二、三级加荷高度为0.75m,总的加荷高度为2.0m。为保证在抽真空作用下路堤填筑不会出现失稳现象,按设计要求稳定抽真空时间不少于75d。当表面平均沉降速率连续5d都少于2mm/d,且根据监测的表面沉降数据推算的工后沉降少于30cm时,就可以卸除真空荷载。
  4固结度与沉降计算
  4.1固结度计算
  1)塑料排水板打设区固结度计算:垂直向固结系数:CV(100)= O.312×10-3cm /s,水平向固结系数CH(100)=0.444×10-3cm /s,,按照上述塑料排水板和加载方式,计算得到真空结束时,土体的平均固结度为U1h=55%。
  2)未打设塑料排水板下卧层固结度计算:此部分按照一维太沙基固结理论进行计算,此部分土体的平均固结度为U2h=8%。
  4.2沉降计算
  1)施工沉降计算。车辆荷载在沉降计算中可以忽略。考虑路堤沉降,计算荷载为40kPa。如果不进行地基处理,本试验不利地段15m以上土体主固结沉降S01=29cm,15m以下土体主固结沉降S02=4cm。采用真空-堆载联合预压,15m以上土体最终主固结沉降S11=79.8cm,15m以下土体最终土体主固结沉降S12=14cm。
  2)工后沉降计算。按本设计施工进度,抽真空结束后,15m以上土层预压沉降量为S11×U1h=43.9cm>S01=29cm。说明塑料排水板打设区的主固结沉降已基本消除。15m以下土层预压沉降量为S12×U2h=1.2cm<S02=4cm。可见沉降量尚未消除。考虑由于打设塑料排水板对土体结构的扰动,次同结沉降Ss按总沉降S=Sll+S12的6%计算为5.6cm,因此总的工后沉降为8.4cm,完全满足规范<30cm的要求。
  5结论
  采用真空预压与等载预压联合处理方法,等载预压堆载高度为2.0m。真空预压塑料排水板间距取为1.2m,正三角形布置,上部铺设一层厚50cm砂垫层,作为水平向排水通道。从实施效果看,其一解决了沉降问题。使地基的沉降在加载预压期间大部分或基本完成,使构筑物在使用期间不致产生不利的沉降或沉降差。其二是解决了地基的稳定性问题,加速地基土的抗剪强度的增长,从而提高了地基的承载力和稳定性。
  作者简介:代松家(1985—),男,助理工程师。河南省驻马店市、 2007年毕业于江西应用学院工业与民用建筑工程专业,现河南省驻马店市工大建筑设计有限公司主要从事民用建筑结构设计工作。

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