真空联合堆载预压加固软土地基工法.docx
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真空联合堆载预压加固软土地基工法
真空联合堆载预压加固软土地基工法
一、前言
真空联合堆载预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层,然后埋设垂直排水通道(砂井或塑料板排水板),再在砂垫层顶面铺设一封闭薄膜使其与大气隔绝,薄膜四周埋入土中,通过砂垫层内埋设吸水管道,用真空装置进行抽气,使其形成真空(见图1)。
当抽真空时,在砂垫层、塑料板排水板通道先后形成压差,在此压差作用下,土体中的孔隙水不断由排水通道排出,从而使土体固结。
同时,利用高速公路自身修筑的路堤路基,在砂垫层上再分层铺筑路基,该部分堆载预压结合真空预压对加速软粘土的排水固结,减小工后沉降起到积极作用。
二、工法特点
本工法用塑料排水板作竖向排水体,用抽真空形成的负压代替常规堆载,同时利用路基填土进行堆载预压,克服了常规的塑料排水板、堆载预压排水固结法受堆载材料的影响,造成费工费时、加固效果欠
佳的弊端,具体表现为:
①真空度沿塑料排水板向下传递及向土体中扩展,孔隙水压力降低,而孔隙压力是一个球应力,所以不会产生剪切变形,发生的只是收缩变形,因而在水平方向增加一个向着负压源的压力,使四周土体都向预压区移动,促使土体进一步压密,所以在真空预压下土体不会发生侧向挤出破坏,真空预压可以一次快速施加而无须分级加载,大大节省了时间,缩短了工期。
②真空预压法在土体加固过程中,在真空吸力的作用下使土中的封闭气泡排出,从而使土的渗透性提高,固结过程加快。
③真空预压法加固软基,由于地基周围的土体是向着加固区移动的,这样有利于加固区内土体密实度的提高和地基承载力的增加。
④由于一般路堤填土高度较高,因而可利用该部分填土作为堆载,联合真空预压法一起加固软土地基,经济上效益好,技术上可行。
即在真空预压一段时间后,在砂垫层面按照堆载预压的施工工艺要求,填筑路堤,利用自身荷载实行预压,既增加了加固深度,同时也减少了工后沉降,因而提高了加固效果,也缩短了工期。
三、工艺原理
根据太沙基有效应力原理
P=P1+U
式中P——总压力
P1——有效应力,P1=γH,其中γ为土容重,H为高度;
U——孔隙水压力,U=γwH,γw为水容重。
将上式进行微积分,得
dP=DP1+dU
当总压力P为常量时,
dP1=-dU
上式说明孔隙水压力的降低值,就是有效应力的增加值,见图2。
对密封的膜下软土地基连续进行抽真空作业,造成膜内空气压力减小,当膜内、外空气压力差达到一定值后,迫使土中孔隙水产生渗流,经排水系统排出膜外,孔隙水压力不断降低,土体不断密实,有效应力不断增加,当压力差趋于零时,渗流停止,固结完成。
以上只考虑了抽真空引起的应力变化,在实际抽真空的作业过程中,路基填筑土石方的重量相当于堆载预压的荷载,其抽真空后的Pa—Pv—△P+γH值更大,即有效应力值更大,固结时间大大缩短。
四、适用范围
本工法适用于含水量高、孔隙比大、强度低、渗透系数和固结系
数小的粘性土和淤泥质粘土;本工法可用于铁路、公路等软土地基加固。
本工法的塑料排水板可替换成袋装砂井、碎石桩等加固措施。
五、机具材料
主要机具设备表表1
序号
名称
单位
数量
说明
1
抽真空装置
套
2
离心泵的功率为7.5KW,膜下真空度大于600mmHg汞柱
2
真空表
套
4
3
孔隙水压力器
套
4
4
沉降板
套
2
5
水平仪
台
1
6
静力触探仪
台
1
7
发电机
台
1
8
十字板剪力仪
台
1
1.抽真空装置
该装置由电动机、单极单吸离心泵、清水高压射流泵、蓄电池、进水管、出水管、回水管组成。
该装置运用高压射水流形成负压进行抽真空作业,单极单吸离心泵在电动机的驱动下,抽取水箱中的水,供给清水高压射流泵产生高喷射水流,形成真空源,经管路、滤水管、砂垫层、塑料排水板吸出软基的孔隙水。
2.密封系统
该系统由土工布、密封膜、土沟、土堤等组成,其性能见表2
3.排水系统
该系统包括塑料排水板、砂垫层、滤水管、吸水管。
4、量测系统
量测系统包括真空表、孔隙水压力器、沉降板等组成。
六、施工工艺流程和要求
(1)施工工艺流程见下图
(2)工艺要求真空预压联合堆载预压的施工工艺主要包括以下部分:
材料性能表表2
材料名称
规格及性能要求
主水管
φ90mm的PVC管,壁厚4mm
滤水管
φ60mm的PVC管,壁厚4mm,滤管采用打孔型,孔型呈狭长条形,管外采用土工布包裹。
管间距4~5m。
土工布
规格为150g/m2,渗透系数大于10-3cm/s,等效孔径不大于0.1mm。
CBR顶破强度大于4KN,抗拉强度大于2KN/5cm
密封膜
聚乙烯薄膜,厚度0.14±0.02mm,纵横向断裂伸长率≥20%
塑料排水板
符合《塑料排水板质量检验标准》JTJ/T257-96中B型
吸水管
橡胶软管,其耐腐蚀、耐老化性能符合设计要求
①设置排水通道
首先在需加固的软基表面铺设砂垫层0.5m高,再在土体中打设塑料排水板,呈梅花状,间距1.2m~1.5m,深度需要根据地质情况计算确定,本标段的处理深度为13.5~23m,分别作为横向及竖向排水通道。
所用之砂料应采用渗水率较高的洁净中粗砂,含泥量不应大于3%,细度模数不小于3.0,有机质含量不大于1%,渗透系数不小于5×10-3cm/s。
②用PVC管作为真空滤管埋入软基表面的砂垫层中,PVC管用φ90mm作主管,φ50mm~75mm作支管,全部吸水管埋入砂垫层中,并通过出膜器及吸水管与真空泵连接。
然后在砂垫层面铺设密封膜,密封膜材料抗拉强度不小于2KN/5cm,渗透系数≥10-3cm/s,圆球顶破不小于280N,梯形撕裂不小于40N。
为保证密封膜的完好无损,确保真空度免受损失,在其上再铺一层土工布,在加固区四周开挖1m深、1m宽的沟槽,并将薄膜周边放入沟槽,再将挖出的土体回填沟槽,将薄膜周边压紧密封。
土工布双向抗拉强度均应大于30KN/m,伸长率不小于220%,延伸率、圆球顶破强度和渗透系数均应符合国
标。
③检查真空设备及各连接口,保证密封,确保气密性,根据工程地质条件及抽真空设备能力,真空度应保持在800mmHg或以上。
所选用的真空泵功率应不小于7.5KW,每个真空泵的有效处理范围不大于800m2。
当地表下10m范围内出现夹砂层,可对加固区周边用淤泥搅拌封堵,封堵厚度为60cm。
真空预压法加固地基过程中,土体中有效应力不断增加,地基产生沉降,同时产生向着加固区中心方向的水平位移,所以地基不存在失稳问题,真空预压可以持续不断地进行,因而大大地缩短了工期。
④在真空度达到80kPa以上并正常预压半个月后,在土工布上实施堆载预压,利用本身路堤填筑用的材料实施预压,分层填筑路基,在填筑第一层土时,特别要注意密封膜的保护。
所以第一层最好填砂或砂性土,且厚度不宜小于60cm,以保证其下真空预压继续顺利进行,避免密封膜被损坏,在真空预压加固区膜下真空度达80kPa以上的条件下连续抽真空三个月,即可逐段减压直至停止抽真空,路基填筑工期应不小于90天。
但是,停止抽真空后,如果每天的沉降量大于2cm时,必须减缓填筑速度,待每天的沉降量小于2cm后,再进行路基填筑。
⑤为了确保真空预压联合堆载预压加固软基的效果,及时了解地基土的固结情况,在整个施工及预压过程中应进行泵上、膜下真空度观测、地面沉降观测等。
⑥当实测路堤中心线地面沉降速率连续5~10天平均沉降量≤
2mm时,方可停止抽真空。
七、施工控制及质量检验
1.施工控制
①当抽取的真空度达到最大值时,应保持一定时间,其持续时间的长短和真空度的大小,要满足设计要求。
②要求塑料排水板、砂垫层、滤水管等排水阻力小,能顺畅地将孔隙水排出软基。
③要求土工布、密封膜、土沟、灌水各个环节密封性能好,各种管线通过密封膜处不漏气,膜下真空度满足设计要求。
④测定膜下真空度时,需要注意其分布是否均匀及深度的变化情况。
⑤真空预压时还需测定经真空预压的软基的垂直沉降变化情况。
以沉降变化情况验证固结度是否满足设计要求。
在进行真空预压时,由于土体只产生朝向预压区的水平位移,不产生侧向挤出而引起的地基破坏,所以不进行水平位移测量。
2.质量检验
①对塑料排水板、砂垫层的质量检验应符合相关规范的技术标准。
②真空预压期间,必须日夜不停地进行抽真空作业,对膜下真空度、垂直沉降进行量测、记录,绘制“真空度-沉降量-时间”关系曲线见图3。
发现异常应及时查明原因,采取措施使其恢复正常。
③真空预压完成后,进行如下的检验,并同加固前进行对比:
常规土工试验,检测含水量、土容重、孔隙比。
静力触探强度试验,检测贯入阻力
十字板抗剪强度试验,检测强度
真空预压验收标准见表3
序号
项目
允许偏差
检验点数
检验方法
1
膜上真空度
±0.1Kpa
每工班1次
真空表
2
沉降量
±1mm
每天1次
水平仪
3
静力触探
±0.1Kpa
每个加固区3点
4
砂垫层高度
±10mm
每个加固区3点
卷尺测量
5
密封膜长、宽
±50mm
每个加固区3点
卷尺测量
真空度—沉降值—时间关系图图3
真空度
KPa
沉降值
cm
八、劳动力组织
每班劳动力组织表表4
序号
名称
人数
工作内容
1
班长
1
负责全面工作
2
技术主管
1
负责全面的技术工作
3
技术员
1
负责测量工作
4
技术工人
2
负责真空装置操作及其相关设备的管理工作
5
辅助工人
6
负责协助量测、安装相关设备等
九、施工安全
①真空操作人员,要经过培训,持证上岗,必须熟悉真空装置工作原理及各部分作用,定期维修、保养,熟知并严守操作规程;严禁非操作人员操作。
②保护好所有管线,并做出明显标志。
③严格遵守安全用电规则。
④必须备用真空装置和发电机,以防意外情况中断抽真空作业。
⑤在抽真空过程中,必须随时监控附近区域的地面变化情况,确保地面建筑设施的安全使用。
十、经济与社会效益分析
1质量方面利用膜内外压力差形成负压,迫使土中孔隙水产生渗流,经排水固结;加固范围内固结均匀,沉降一致,且影响范围大,无堆载预压容易产生侧向挤出的危险。
确保了工程施工质量。
②工期方面真空预压一次加上,不需分期进行,加荷时间短,固结压力大,固结时间短。
同时,在进行抽真空的同时,以路基本体的填筑代替堆载预压,更加大了单一的软基土的固结压力,使固结时间更加缩短,节省了宝贵的时间,缩短了施工工期。
③成本方面采用真空联合堆载预压,其真空预压单价为73.5元/m2(工料机费),若采用塑料排水板-堆载预压,其预压土方数量远远大于填筑的路体土方数量,造成材料和工费的不必要浪费,其堆载预压单价为96.7元/m2(包括预压土方的工料机费及二次开挖、运输等费用),因此,大大节约了工程成本。
十一、工程实例
XXX路基工程都部分采用了真空联合堆载预压进行软基处理。
XXX标K36+760~K36+880段桥头路基及庙贝沙立交B匝道桥头路基采用了真空联合堆载预压进行软基处理。
该地段地质情况为:
覆土表层为海冲积淤泥、淤泥质粘土夹淤泥质砂层,厚度大15~25m,下层为冲洪积粘性土层、淤泥质土、砂层及砾石层,厚11~22m不等。
其物理力学指标平均值如下:
含水量72%,密度1.53g/cm3,孔隙比2.04,十字板抗剪强度8.1Kpa。
经过95天的真空联合堆载预压,真空度均≥0.09Mpa,地面沉降量为1.85m,平均固结度达到86%,上层含水量降至34.9%,孔隙比降至1.14,十字板抗剪强度由原来的8.1Kpa升至31.8Kpa,地基承载力提高了86.3Kpa,另外,路基填砂由原来的河砂全部改为中粗砂,满足设计要求。
经过真空联合堆载预压的处理后,很好地解决了路基的不均匀沉降和桥头跳车的问题。
受到了业主的好评。
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