真空预压法处理软土路基工法

前言
真空预压法加固软土地基的方法，最早由瑞典皇家地质学院的杰尔曼（W.Kjellman）教授于1952年提出。

该方法的提出后曾引起学术界和工程界的广泛关注，但几十年来由于抽气设备、密封材料、垂直排水通道及其打设等关键技术滞后，使该法没有大规模应用于工程实践，直至20世纪80年代初也仅仅在少量工程中被成功采用。

如1957年美国费城机场跑道扩建工程，首次采用真空预压法与深井降水联合加固获得成功；1982年日本大阪南港的填筑工程中采用该法并联得良好的加固效果。

与此同时，法国、前苏联也开始对真空预压法进行研究应用。

我国于20世纪50年代末60年初开始对真空预压法进行理论研究，由于密封与抽真空装置问题未能达到工程应用阶段。

1980年为解决天津新港的大面积软基处理问题，以交通部第一航务工程局为主，天津大学、南京水利科学研究院参加的联合国攻关小组对该法进行现场试验研究并获得成功。

该技术1983年列入国家“六五”攻关项目，并于1985年12月通过国家技术鉴定。

真空—堆载联合预压法是在真空预压法基础上发展而来的，该法更能满足荷载大、承载力要求高的工程，如公路软土路基工程。

1998年，河海大学岩土所率先将真空预压技术应用于高速公路桥头软基处理中，先后在杭金衢高速公路、沪青平高速公路、同三高速公路、甬台温高速、上海浦东外环高速等工程中进行了大量的试验研究，均取得了良好的加固效果。

建设部建质[2005]26号已将真空预压法加固软基技术作为2005年建筑业10 项新技术加以推广，目前该项技术已经在广东、浙江、江苏、上海的高速公路建设中得到了推广应用。

1工法特点
1.1真空预压法是利用大气来加固软土地基，因此和堆载排水预压法相比，不需要大量的预压材料。

1.2 真空预压法在施工时荷载无须分级施加，可以一次性快速施加到80Kpa以上而不会引起地基失稳，与堆载预压法相比加载较快，可明显缩短工期。

同时该法在卸载时只要抽气停止就可以了，因而施工起来简单、容易。

1.3在同等条件下，真空预压法处理后地基比堆载排水法处理的地基密实度高，且加固均匀，平均沉降量要大。

1.4在同等条件下，真空预压法加固地基时抗剪强度增长率比堆载排水法大。

1.5真空预压法的的工程造价主要取决于真空泵的动力消耗；
1.6真空预压与堆载预压相结合可以达到超载的目的，而不会产生填土超载预压的不利于稳定的弊端；
2适用范围
2.1堆载材料材料缺乏、价格较高，工期较紧而电力供应不紧地区。

2.2难以施加荷载的超软地基。

2.3临近危险边坡地带。

3工艺原理
真空预压法是排水固结法处理软土地基的有效方法之一，它是利用专门的设备，通过抽真空在地基中产生负压，使土体孔隙中的水分排出。

从有效应力原理可知：孔隙水排出，孔隙水压力减小后，有效应力就相应增加，在压力差作用下，土体中的水分被排出，土体得到加固，土体强度得到提高。

根据达西定律，土体中孔隙水的渗透速度与水力坡度（Δh/L）成正比，增加水头差Δh和减少排水距离L均可加速土体的排水固结。

真空预压的加固机理是通过保持土体中的总应力不变，降低垂直排水通道中的孔隙水压力使之小于原有的孔隙水压力，即产生负孔隙水压力，形成渗流需要的水力梯度；而堆载预压是通过施加外荷载使土体中的总应力增加，导致软土中孔隙水压力增加并超过垂直排水通道中的孔隙水压力，即产生正的孔隙水压力，从而形成渗流需要的水力梯度。

两者联合作用，正负孔隙水压力的压差增大，也就是增加了水头差Δh，造成孔压消散更快，加固效果更好。

真空联合堆载预压加固软基工艺原理见图3
图3真空联合堆载预压工艺原理
4工艺流程及操作要点
4.1工艺流程见图4.1
1-平整场地；2-量测地面起始高程；3-埋设施工沉降观测板；4-铺设30cm砂砾
垫层；5-打设排水板；6-铺设20cm砂砾垫层；7-铺设10cm砂垫层并敷设主管、滤管；8-埋设砂垫层中的真空度测头；9-挖密封沟；10-安置主管出膜装置；11-量测施工沉降量；12-铺土工布及土工膜；13-铺设10cm砂垫层；14-安装抽真空装置；15-回填密封沟；16-联接主管到抽真空装置；17-设置膜上沉降标；18-测沉降初值；19-试抽真空；20-检查膜上及密封沟漏气情况；21-正式抽真空；22-施工监测开始；23-土方填筑开始；24-抽真空结束；
图4.1真空-堆载联合预压法施工工艺流程图
下面结合杭州湾跨海大桥南接线工程第六合同段工程概况对真空联合堆载
预压的施工工艺予以说明。

工程概况：该工程位于浙江省慈溪市掌起镇，属于海积平原区。

软土地基的特点是②1亚粘土耕植土层厚1~2米，下伏③1层淤泥质亚粘土软土层，土工试验指标低，变异性较大。

主要的软土层为③1层：淤泥质亚粘土（Q42+m）灰色、灰褐色，饱和、流塑。

层间夹亚粘砂土或亚砂土薄层，层厚约2-4m。

具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、高灵敏度等特征，工程地质条件很差。

全合同段分布，埋深1~2米，最厚达23.4m，不宜作为基础持力层。

软土地基处理设计标准：
1、路堤稳定控制标准：采用有效固结应力法进行稳定性计算，不论在施工期还是运营期，其稳定系数K≥1.5；
2、路面设计使用年限（15年）内残余沉降满足下列要求：桥台与路堤相邻处≤0.10m,涵洞或箱型通道处≤0.20m,一般路段≤0.30m。

4.2.1水平排水系统施工
4.2.1.1 清除表土，整平场地形成自路中心向两侧2%的横坡；
4.2.1.2砂的质量和规格必须符合设计要求和规范规定；
4.2.1.3砂垫层表面不得存留石块及其他尖利杂物并符合表４.2.1.3要求；
4.2.2垂直排水系统施工
4.2.2.1 塑料排水板的施工工艺如下:
移动插板机就位,调正套管垂直度,对准桩位。

在空心套管中插穿入钢靴，再将排水板回插入套管扁咀中，拉紧排水板，使钢靴紧贴套管沉入土层，至设计要求深度；
以振动加压的方式将套管沉入土层，至设计要求深度；
拔出空心套管，由于土对钢靴及排水板的粘结力而使排水板留在土中；
留出排水板埋入砂垫层的长度约30cm，将排水板剪断，移动导管至下一桩位，继续下一根排水板施工。

4.2.2.2排水板施工注意事项
施工前根据设计要求打设深度及地质情况选用合适的插板机；
排水板在打设当中回带现象较严重时，除严格控制淤泥进入套管外，必要时可向管内适量注水，如回带超过0.5m时应重新补打；
打设排水板时留在孔口的淤泥应及时清除，以防污染砂垫层；
打设排水板不应扭曲,滤膜不应破损或污染;
排水板接长时应拆开滤膜,对准芯板槽口，再包好滤膜，用钉固定，搭接长度不应小于0.2m，严禁浮放搭接；
排水板应露出第一层砂垫层15cm，弯倒埋入第一层砂垫层。

4.2.2.3塑料排水板施工要求应符合表４.2.2.3规定
4.2.2.4排水板打设完毕并验收合格后应及时仔细地用砂料把打设时在每根塑料排水板周围形成的孔洞回填好否则抽真空时这些孔洞附近的密封薄膜很容易破损造成漏气从而难以达到和维持要求的真空度；
4.2.3抽真空系统施工
4.2.3.1抽真空系统施工内容包括：主、滤管安装，主管出膜装置，抽真空设备安装；
4.2.3.2一般每台真空泵担负软基处理面积为800~1000m2,据此可根据软基处理总面积算得真空泵的数量，再根据真空泵的数量计算出主管间距,滤管间距一般为６~８m。

主、滤管布置要求见图4.2.3.2。

图4.2.3.2主、滤管布置图
4.2.3.3 滤管与滤管连接可在管头涂PVC胶水，再将小管头塞入略大管头
相连接。

4.2.3.4 主管与滤管连接由三通和四通构成，三通、四通与各管采用钢丝橡胶软管，要求钢丝橡胶软管套入真空管和三通、四通的长度≥10cm，并用12号铅丝绑扎，绑扎时注意沿线路横向不应过紧，达到不使砂砾进入真空管即可，并要求铅丝头向下，以防止其损坏密封膜。

4.2.3.5 主管出膜采用在膜上挖洞，在膜外用专用塑料胶水粘贴双层密封膜堵漏进行处理，要求见图4.2.3.5
图4.2.3.5主管出膜图
4.2.3.6 主管出膜后用橡胶软管接入止回阀，止回阀再与抽真空装置连接，其安装见图4.2.3.6
图4.2.3.6 主管与阀门图
4.2.3.7 抽真空装置由水箱、射流喷嘴、真空吸管、污水泵组成，安装见图4.2.3. 7,水箱安装在密封沟上，并应使其高度低于密封膜面高度
图4.2.3.7 抽真空装置图
4.2.4密封系统施工
4.2.4.1密封系统施工包括密封膜，密封沟，土体深层密封，加固中地表开裂的密封。

4.2.4.2密封膜加工时，尺寸大小应考虑埋入密封沟的部分；
4.2.4.3密封膜铺设自一边开始，两层一道依顺序同时由近及远进行铺设；
4.2.4.4密封膜埋入密封沟时，注意膜不要被石头、草根、树根等戳破；
4.2.4.5密封沟回填好后，在沟中放水，水深控制在10cm左右，若密封沟有漏气，水面会有漩涡。

4.2.4.6密封膜铺好后，进行试抽真空，检查密封膜有无漏气。

具体方法：一般膜有漏洞的地方会发出风鸣声，此时派人穿软底鞋在膜上进行地毯式寻查，发现膜破时用小块薄膜粘贴补好。

4.2.4.7 在试抽真空度稳定在80Kpa后保持７~10天，地基土达到一定强度时，才能进行堆载预压；
4.2.4.8密封沟是指在加固区四周开挖用于埋设密封膜的沟槽，其深度一般为1.2~1.5m，当被加固区土层粘粒含量较高，渗透性较差时，取较小值；沟的宽度0.6~0.8m，人工开挖时可适当加大。

4.2.4.9密封沟挖好后，将膜放入沟中，应注意将膜贴于沟的内壁，并将膜放至沟底，然后分层回填；
4.2.4.10当被加固的地层表面以下不太深（3~5m）的地方，有一层厚度不大（2~3m）的透水层存在，应考虑采用钢板桩法、灌浆法、深层搅拌法等对该透水层进行密封处理；
4.2.4.11加固区出现裂缝时，一旦发现漏气，可用一定稠度的粘土浆倒灌裂缝中，将其封闭。

4.2.5施工监测
4.2.
5.1施工监测项目有：沉降观测、侧向位移观测、真空度观测
4.2.
5.2 沉降观测分为施工沉降和填筑沉降两部分。

施工沉降指打设排水板、铺设砂垫层、安装真空等引起的沉降。

4.2.
5.2施工沉降在平整场地后开始实施。

沉降板采用20cm×20cm×0.5cm 钢板制成，并在钢板中央焊一小铁钉，以便安放塔尺，钢板下焊接两个长约25 cm 左右的“耳朵”，便于插入地下，防止移动。

4.2.
5.3施工沉降板一般情况下每100m埋设一组，左、中、右各一个，埋设后应设醒目标志，以防破坏，如有特殊情况可位置适当调整。

观测分别在埋
设后和上完砂垫层后进行，其差值为施工沉降。

填筑期间沉降板及侧向位移桩构造如图4.2.5.3
图4.2.5.3 沉降板及位移桩构造图
4.2.
5.4填筑期间沉降板及侧向位移桩布置如图4.2.5.4
图4.2.5.4 沉降板及位移桩布置埋设图
4.2.
5.5软土路段观测断面设置根据设计图要求设置,路中沉降板应避开通信管道位置，沉降板和位移边桩的布设可根据实际地形和施工情况作适当调整。

4.2.
5.6沉降板在密封膜铺完后安放。

要求在板下铺一块土工布以防损坏密封膜。

施工期间根据实际施工情况进行接长，最后一节应安置管帽。

4.2.
5.7.施工中应注意保护沉降板和侧向位移桩，避免被施工机具破坏，影响观测结果；
4.2.
5.8沉降板及侧向位移桩观测频率要求：施工期间，每填一层观测一次，路堤填高超过极限高度之后，每天观测一次，因故停止施工，每三天观测一次；预压期间，第一个月每三天观测一次，第二个月至第三个月每七天观测一次，从第四个月开始，第半个月观测一次，直到铺筑路面。

4.2.
5.10 真空度量测装置要求800m 2~1000m 2放置一个。

4.2.
5.9 施工期间，
若中桩沉降板日沉降量达
到1cm/d, 或日侧向位移
达到0.5cm ，应立即停止
加载；停止加载后，必须
每天进行观测，并且当连
续观测三天的沉降量与位
移值在控制值之内时，方
可继续进行加载。

最后将观测记录绘成图4.2.5.9,用以确定软基沉降量。

图4.2.5.9真空联合堆载预压沉降曲线图
4.2.
5.11真空度量测装置由真空表、PVC透明软管、真空度测头组成，其组成见图4.2.5.11；
4.2.
5.12 PVC软管
直接穿过密封膜引至膜外，再与真空表连接。

软管出膜要求与主管出膜要求相同，见图4.2.5.13；软管与真空表连接处要求挤上一些703硅橡胶加以密封。

图4.2.5.12真空表安装图
4.2.
5.13 真空度观
测频率规定：试抽真空期间，要求每2小时读一次并记录，以便准确测出真空压力上升过程，及时发现漏气。

当真空压力达到设计要求后， 4~6小时测读一次，并要求昼夜不间断。

将每次做的记录绘制成膜下真空度-时间过程曲线，见图4.2.5.13
图4.2.5.13膜下真空度-时间过程曲线图4.2.5.11真空度量测装置图
4.2.6真空荷载的卸除
4.2.6.1真空荷载的卸除前提是路堤填筑高程已达到设计要求的路堤高程或者路面高程，并且真空荷载始终大于80Kpa；
4.2.6.2施工监测中得到的在加固荷载下产生的路基沉降量，大于在满足设计路面高程下可能产生的固结沉降量；
4.2.6.3真空荷载的卸除的月沉降速率满足应符合表4.2.6.3的要求：
5材料
5.1塑料排水板质量要求应符合表５.１规定
5.2土工布质量要求应符合表５.2规定
注：土工布为连续长丝无纺针刺土工布
5.3砂砾材料质量要求
砂砾材料应为中砂、粗砂、级配砾石（或级配碎石）组成，最大粒径应小于50mm。

用作排水垫层时，通过5mm筛孔的粒料应在20%~50%，小于0.074mm 的料径不大于5%，其不均匀系数应大于10，曲率系数为1~3，压实后的渗透系数应大于1×10-2cm/s。

5.4主管及滤管质量要求
主管和滤管均采用公称直径75mm的真空预压工程专用PVC管，设计抗压强度≥450 Kpa（压缩量5%）。

其中主管上没有孔洞和反滤材料的包裹，滤管上均匀分布孔洞，并用针刺无纺土工布包裹，并且滤管管头一头略大。

主、滤管的连接材料，三通、四通均用76mm钢管制成，三通和四通与各管的连接是用钢丝橡胶软管制成，长度在30cm左右，同时用10号或12号铅丝绑扎。

5.5密封膜质量要求
目前国内使用的密封膜主要由聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）制成，选用和检验时应参照聚氯乙烯（PVC）土工膜的国家标准（GB/T17688-1999）和聚乙烯（PE）土工膜的国家标准（GB/T17643-1998），公路工程真空预压所用膜的厚度可适当减薄。

密封膜的施工是真空预压加固法成功的关键，热合时以平搭接，两条热合缝为好，一般搭接1.5~2cm。

要求拼接处强度高，气密性好，满足施工要求。

6机具设备
6.1挖掘机主要用于清表，挖密封沟；
6.2压路机用于压实垫层及堆载土方；
6.3真空泵市场出售的常用规格产品；
6.4插板机
目前国内很少有定型产品，大部分由施工单位自已制造或改装而成。

主要有三大类：
第一种是履带式单管或双管插板机，该机型大都产于连运港地区，打设深度可达30m左右，有振动贯入和静力压入两种打入方式；
第二种是门架式插板机，行走靠铺设的轨道，也有单管和双管之分，这类机器大都属于振动贯入式的，激振力在１KN ~2KN ，最大打设深度25m 左右；
第三种是由挖掘机或吊机改装而成，一般每次只能施打一根，行走亦靠履带，施打范围是以机身为中心，以机臂为半径的区域，施打方式为静力压入或振动贯入。

该机接地压力小，最大打设深度为20m ~25m 。

同前两种机型相比，该机型有两个特点：一是无须供电，而前两种一般需供电或自备发电机发电，功率都在30~45KW ；二是可斜打施工，可以解决在高压线附近施工的难题。

6.５手持式电动多用缝纫机用于土工布连接。

7劳动组织
7.1.1 打设排水板：每台班由4 ~5 人组成，班长1人，操机工1 人，装运工1 人，测量工1人，电工1 人。

7.1.2 真空设备安装期间每台班一般需6~8 人，正式抽真空后，1~2观察即可。

8效益分析
8.2真空工法避免了采用超载引起的超填及卸载土方。

8.3真空工法最大限度减少了施工影响范围内的土体变形。

图8.1排水板结合堆载预压沉降曲线图
8.1工期分析：图4.2.5.9和图8.1为我标段两段地质相近的软基路段分别采用真空联合堆载工法和排水板结合堆载工法进行处理后的沉降曲线。

由图上可以看出真空工法用了120天就完成了绝大部分沉降，而后者用了240天左右才完成绝大部分沉降，而且真空工法处理软基路段沉降量较排水板结合路段大，从而缩短了预压时间，节约了工期。