真空预压技术加固夹砂软土地基试验

我国东南沿海地区广泛分布着淤泥、淤泥质软土等高压缩性土层，如不加处理或处理不当将对此类地基上高速公路、铁路等基础设施建设和运营有较大的影响，并会产生过大沉降变形甚至失稳等病害[1-2]。真空预压法是一种基于土的固结原理而发展起来的经济可靠的软土地基处理方法，近些年广泛应用于公路、铁路、水利等工程中[3-4]。真空预压系统由密封系统、抽真空系统、排水系统三部分组成。其中，密封系统直接关系到真空预压法的成败[5-7]。当土体中含有强透水层或者水平成层砂土层时，真空度就会沿着强透水层向外扩散，无法向深层土体传播，深部软土的加固效果就会欠佳，甚至不会有加固效果，所以必须要进行密封处理[8-11]。我国沿海地区大多存在近代沉积的软弱黏土层，这类软土一般含水量高、压缩性大、渗透性差、强度低，而且沉积环境复杂，夹杂着其他土体，如砂土、粉土等。如何选择一种经济有效的地基加固方法变得尤为重要。

本研究以江苏江海高速公路地基加固为工程背景，探讨了真空预压法加固深厚夹砂软弱地基的效果。现场试验中引用孔压静力触探(CPTU)测试技术，精确勘察深厚砂土层的深度和厚度，并采用高压旋喷桩作为密封措施，进行了真空预压法现场试验研究，对加固过程中的真空度、孔隙水压力、地表沉降、地下水位等进行实时监测，对地基土体的加固效果进行了室内和现场原位测试，分析软土地基加固效果。

1 高速公路软土地基现场试验概况

1.1 工程概况

江海高速公路位于江苏省的东北部，所经区域分布大量软土，且部分地区的软土层较深厚。现场试验依托江海高速公路姜堰段某试验断面进行。该地区位于里下河沼积平原，软土不但深厚且土层构成情况比较复杂。现场勘察结果表明，场地土层沿深度分布依次为素填土、粉质黏土、黏土(高压缩性)、黏土(中压缩性)、粉质砂土、淤泥质黏土和黏土等。为了对现场各土层的性质有进一步了解，进行了现场钻孔取样室内试验，试验结果如图1所示。

图1 土体物理力学特性
Fig. 1 Physical and mechanical properties of soil

由图1可知，深度4～7 m的黏土具有较高的压缩性，深度7～10 m黏土的压缩性明显降低。位于深部的淤泥质黏土含水量较大，压缩性大，在工程中需要加固处理。但其上部的粉质砂土层透水透气性较强，初步分析其对真空度向深部土体传播存在影响。

为了确保真空预压法的加固效果，尤其是加固深部软土的效果，采用CPTU对试验场地土层进行测试，以便准确地勘察出各土层的深度和厚度，典型试验结果如图2所示。由图2可以看出，强透水性土层厚度为2～3 m，最大埋深为9.5～12.5 m，深厚软弱土层埋深为13～21 m。通过此次土层的精确勘察为后续真空预压法的设计和施工提供了可靠的依据。

图2 场地CPTU测试典型结果
Fig. 2 Typical results of in-situ CPTU tests

1.2 场地施工及监测

由于场地土层中含有粉质砂土层，因此需对该土层采取密封处置。目前，常用的止水密封方法主要有：深层搅拌法、注浆法和钢板桩法等[10-12]。也有学者发展了新型的深部密封方法，如密封套密封、垂直铺膜密封[13-14]。这些方法虽然在一些工程中得到应用，但是都有一定的限制条件，且施工工艺也不成熟[15-16]。针对本课题中的深厚粉质砂土层，提出采用高压旋喷桩进行深部密封。而且为了节省工程造价，主要对粉质砂土层进行密封，其他土层由于土体的渗透性较低，可暂不采取处理措施。

图3 现场平面布置示意图
Fig. 3 In-situ plane layout diagram of the high pressure jet grouting pile

高压旋喷桩止水帷幕平面布置如图3所示。塑料排水板采用梅花形布置且间距为1.2 m，排水板打设深度为23 m，砂垫层厚度为40 cm。止水帷幕所用高压旋喷桩桩径为0.5 m，桩间距为40 cm，相邻两根桩相互搭接10 cm，浆液水灰比为1.0，比重为1.50，注浆压力25 MPa，提升速度小于15 cm/min，加固深度为8～14 m。为了保证帷幕质量，加固深度范围内进行两次喷浆。高压旋喷桩通过钻孔取芯检查加固质量，并通过场地内外水位进一步检测密封效果。

试验段预压荷载主要分为两部分:一部分为真空荷载;另一部分为路堤荷载。抽真空时间为2009年7月至2010年1月，历时203 d;路堤开始填筑时间为2009年8月，历时125 d。为检验在复杂土层条件下真空预压法的加固效果，对加固过程进行了监测，监测布置方案如图4所示。

图4 现场监测仪器埋设剖面图
Fig. 4 Cross-section layout of inbuilt field monitoring instruments

2 现场监测结果分析与讨论

2.1 地下水位变化

真空预压过程中地下水位的变化可以用来分析高压旋喷桩的止水效果。试验段水位管的埋设如图4所示。水位管水位自2009年7月开始测量，测量频率为2次/d，直至真空卸载。试验段不同位置地下水位随时间变化曲线如图5所示。

由图5可知，随着真空荷载施加时间增加，加固区内水位线逐渐下降。当真空度趋于稳定时水位变化亦趋于缓慢，水位下降最大值约为2.0 m，场地外地下水变化较小。对比加固区内外水位变化规律可知，采用高压旋喷桩对粉质砂土层的密封效果良好。

图5 加固区内外地下水位变化曲线
Fig. 5 Groundwater level variations at the reinforcement area

2.2 超静孔隙水压力变化

孔隙水压力的测量结果可以反映真空度沿深度传递规律，也能间接反映高压旋喷桩对于粉质砂土层的止水效果。本次现场试验的孔隙水压力监测结果如图6所示。

由图6中不同深度处孔压计测得的超静孔压值可知：抽真空期间，粉质砂土层以下土体中的孔压计测得负的超静孔隙水压力，这说明真空度已经传递到深部软土层，高压旋喷桩密封效果良好；超静孔隙水压力值与真空度有密切关系，浅层土体超静孔隙水压力受真空度变化影响显著。在抽真空初期，随着膜下真空度逐渐达到稳定值，各孔压计测值逐渐趋于稳定。

图6 超静孔隙水压力随时间变化曲线
Fig. 6 Variations of excessive pore pressures vs. time

测得的超静孔隙水压力最大值沿深度依次为：-50.3，-43.2，-36.0，-28.6，-22.0，-14.84，-10.86 kPa，深度为4 m处的孔压计测得的超静孔隙水压力变化最大，但随着深度的增加，超静孔隙水压力变化幅度逐渐变小。这说明，随着深度的增加，真空度沿深度衰减，深部土体真空度很小，处理效果就会难以达到预期目标。

在停止抽真空时，孔隙水压力变化显著，甚至会出现正的超静孔隙水压力，但随着时间的增加，这种逆增长会逐渐缓慢地消散。

2.3 地表层沉降变化

地表沉降随时间的变化规律可以直接反映此次真空预压地基处理的加固效果。图7所示为本次现场试验断面处不同位置的加固区沉降随时间变化情况。由图可知，在真空荷载施加开始时，地基土体沉降变形较大，土体沉降速率高达12 mm/d，随着时间的增长，沉降变化逐渐缓慢，至真空卸载结束时，地基土体累计沉降达463 mm。

图7 表层沉降随时间变化曲线
Fig. 7 Variations of settlements vs. time

3 软土地基加固效果分析

为评价真空预压法的加固效果，在真空荷载卸除后，对场地的加固效果进行前后对比试验检测。主要进行了钻孔取样室内试验和现场CPTU试验对比，分析加固前后土体参数变化。

3.1 原位CPTU测试

加固前后的CPTU锥尖阻力和侧摩阻力如图8所示。由图可知，加固后土体的锥尖阻力和侧摩阻力得到了提高，锥尖阻力提高幅度较为明显，但是侧摩阻力提高的幅度不大，这是由于部分土层受到扰动，侧摩阻力会出现了一定程度减低，但幅度很小。

随着深度增加，锥尖阻力和侧摩阻力提高幅度逐渐变小，浅层土体加固效果明显优于深部土体，但由于高压旋喷桩的隔离作用，深部土体的性质也能得到改善。

图8 土体锥尖阻力和侧摩阻力变化
Fig. 8 Variations of cone tip resistance and side friction

3.2 土体基本物理力学参数变化

加固前后土体物理力学指标测试结果对比如图9所示。由图9可知，土体含水量加固后明显减小，减小幅度为6%～18%，平均降幅达11%，且深部软土的减小幅度约为8%，上部软土的减小幅度高达18%；加固后土体的重度较加固前也有所增加，增长幅度为1.8%～4.7%，平均增幅约为2.6%；加固后土体的孔隙比较加固前的孔隙比减小，降低幅度为6.7%～16.9%，平均降幅达10.7%，其中粉质砂土层以上土体降低幅度高达16.9%，粉质砂土层以下土体降低幅度约为8.5%；除粉质砂土层外，土体的压缩性指标均得到大幅降低，加固后土体压缩系数比加固前降低了22%～32.3%，平均降幅达到24.8%。

由以上分析可知，加固后土体的含水量、孔隙比、压缩系数均比加固前降低且降幅明显，可见真空预压法加固效果良好，对粉质砂土层以下的软土层亦起到较好的加固效果。但从各参数变化幅度也可以看出，真空预压加固效果会随着深度增加而减弱，深部加固效果明显不如浅部土层，说明真空预压法加固也存在一定的局限性。

图9 加固前后土体物理力学参数变化分析
Fig. 9 Analysis of physical and mechanical parameters of soil before and after reinforcement

4 结 论

本研究针对夹砂软弱地层，采用CPTU测试技术准确判断了试验场地粉质砂土层的深度和厚度，优化了高压旋喷桩隔水密封设计参数，有效节约了工程造价，保障了真空预压加固的效果，通过对真空预压法加固深厚夹砂软土地基现场原位测试分析等研究，得到以下主要结论：

1)利用CPTU测试技术准确判断本次现场试验粉质砂土层的深度和厚度，试验场地粉质砂土层埋深为9.5～12.5 m，采用8～14 m的高压旋喷桩进行密封，宜达到最佳综合处置效果；

2)地下水位、孔隙水压力、表层沉降监测结果表明，真空预压配合高压旋喷桩的处置效果良好，真空度能传递到粉质砂土层以下的软土层中，有力抑制了地基的沉降变形；

3)钻孔取样室内试验和现场CPTU原位测试对比分析表明，加固后土体强度显著提高。加固后土体的含水量、孔隙比、压缩性比加固前有明显降低，加固后土体的重度比加固前的重度有所增大；

4)真空预压的加固效果具有一定的深度效应，对其工程的适用性仍需要综合比较，合理确定实施方案，并选择合适的辅助工法。