真空預壓影響區(qū)土體變形機理及防治措施研究

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真空預壓法是一種有效的軟土地基處理方法，具有加荷速度快、無需堆載材料、加荷中不會出現(xiàn)地基失穩(wěn)等諸多優(yōu)點.近年來,該方法在我國機場、碼頭堆場、高速公路和新近吹填土地基處理中得到了廣泛應用.真空荷載作用下，軟土地基會產(chǎn)生向面向加固區(qū)的側(cè)向收縮變形，甚至出現(xiàn)收縮裂縫，從而對真空預壓影響區(qū)域內(nèi)的建筑物造成不利影響.目前，關(guān)于對真空預壓加固區(qū)內(nèi)土體的變形研究相對較多，其可以采用各種計算理論得到較準確的結(jié)果，而對于加固區(qū)外影響區(qū)土體的變形機理的研究還很少，還沒有實用的確定真空預壓影響范圍的計算方法.

1 真空預壓法的數(shù)值模擬方法

1) 計算方法.采用真空預壓法處理軟土地基時，一般需要打設豎向的塑料排水板.塑料排水板一方面可以縮短排水距離，另一方面也可以將地表真空荷載向下傳入深層土體.塑料排水板引起的地基固結(jié)和真空度荷載傳遞是一個三維問題.采用有限元等數(shù)值分析方法分析在大面積的軟基處理工程時，如果采用實體單元模擬塑料排水板，必然會大大增加模型的計算單元，增加計算的時間，且對計算機內(nèi)存要求甚高.因此，通常將此類問題簡化為平面應變問題.比奧固結(jié)理論較為真實的反映了地基土體的固結(jié)的全過程，因此，地基土的固結(jié)多采用比奧固結(jié)理論.

2) 排水板等效方法.把真空預壓法加固地基的固結(jié)三維問題簡化為二維固結(jié)問題，主要是將豎向排水體等效轉(zhuǎn)化二維的連續(xù)的排水墻體.“等效轉(zhuǎn)化”過程中應有以下兩種方法：一種方法是固結(jié)速度的等效轉(zhuǎn)化，另一種方法是最終固結(jié)效果的等效轉(zhuǎn)化.前一種方法要求地基的平均固結(jié)度和某一深度處的平均孔壓在轉(zhuǎn)化前后的任一時刻均相等，后一種方法要求將地基土的滲透系數(shù)和連續(xù)的排水墻體的間距進行放大，但是最終的地基固結(jié)度相同.

由于豎向排水體的間距通常較小，且連續(xù)的排水墻體的透水性能遠好于單個豎向排水體，所以在計算中，要把連續(xù)的排水墻體的間距擴大.不同學者對連續(xù)排水墻體的放大倍數(shù)進行了研究，但是每個學者的建議取值都不盡相同.閻澍旺等[1]直接將單個的砂井連成線，形成縱向砂墻；彭劼等[2]也采用類似的處理方法.沈珠江等[3]建議將連續(xù)排水墻體的間距取實際砂井間距的6～7倍.岑仰潤[4]指出連續(xù)排水墻體的間距不宜大于實際砂井間距的4倍.陳小丹等[5]提出如果取砂井間距的放大系數(shù)為實際砂井間距的3～4倍時，可以不考慮井阻的影響.沈珠江[6]在某真空預壓處理地基進行有限元仿真，取砂墻間距為砂井間距的6倍，此時，土體的宏觀滲透系數(shù)相當于放大了40倍.

趙維炳[7]推導了砂墻加固地基同時考慮豎向和水平向滲流的等應變固結(jié)理論解，并與巴隆軸對稱固結(jié)理論解進行比較，得到了砂井處理地基平面應變和軸對稱情況下的等效滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換計算公式.該公式同時考慮了地基豎向滲流、水平滲流以及砂井的涂抹效應.這一等效方法能方便地用于砂井地基的平面應變有限元數(shù)值分析.陳小丹[5]在該方法的基礎(chǔ)上推導還可以考慮井阻的砂井地基等效變換公式.

3) 本構(gòu)模型.采用不同的地基土體本構(gòu)模型模擬同一工程實例，計算結(jié)果往往會有很大區(qū)別.目前在數(shù)值分鐘中可采用的土體本構(gòu)模型很多，如彈性、彈塑性、粘彈塑性以及考慮土體結(jié)構(gòu)性的本構(gòu)模型等.這些本構(gòu)模型中劍橋模型和鄧肯-張模型對黏性土的描述較為合理，可以滿足工程要求，在數(shù)值計算中應用較多.摩爾-庫倫模型因為其計算參數(shù)確定較為簡單，在實際工程中得到廣泛應用，積累了大量的經(jīng)驗.

2 影響區(qū)土體變形機理分析

1) 誘導變形.加固區(qū)內(nèi)土體在抽真空作用下固結(jié)，加固邊界處加固區(qū)一側(cè)土體產(chǎn)生較大的沉降和收縮變形，邊界處原有的土壓力平衡被打破，影響區(qū)土體在主動土壓力作用下產(chǎn)生向加固區(qū)內(nèi)的水平位移，并產(chǎn)生沉降變形.這是影響區(qū)土體變形的最主要原因.王勁等[8]曾把這種作用歸結(jié)為邊界處真空負壓作用下的“側(cè)向卸載”.

2) 粘聚力傳遞.由于邊界處加固區(qū)一側(cè)土體的收縮變形，邊界外側(cè)的土體受到邊界內(nèi)側(cè)土體施加的“拉力”作用，這種拉力作用是通過粘聚力傳遞的.當加固區(qū)邊界附近土體向內(nèi)的收縮變形較大時，土體將會產(chǎn)生收縮裂縫，這些裂縫進一步阻斷了粘聚力的傳遞，因此，粘聚力只影響較深處和較遠處土體的變形.

3) 真空度的影響.真空度從加固區(qū)邊緣的排水板中向影響區(qū)內(nèi)傳遞，造成影響區(qū)內(nèi)孔隙水壓力降低，有效應力增加，土體發(fā)生收縮變形和沉降.

圖1是假定地下水位固定在地表，軟土層厚度20 m，滲透系數(shù)為5×10-7cm/s，用Flac 3D軟件計算得到的加固期末影響區(qū)內(nèi)真空度分布情況，邊界外5 m處的真空度只有5 kPa左右，可知真空度只影響邊界附近影響區(qū)土體的變形.

圖1 影響區(qū)真空度分布

4) 地下水位下降.抽真空作用使得加固區(qū)內(nèi)及邊界處孔隙水壓力降低，影響區(qū)地下水向加固區(qū)內(nèi)滲流，使得影響區(qū)地下水位下降，越靠近加固邊界下降的越多.地下水位下降導致原地下水位面以下部分土體由浮容重變?yōu)闈袢葜?，下部土體所受土壓力增加，發(fā)生固結(jié)沉降，同時也產(chǎn)生一定的側(cè)向位移.

表1統(tǒng)計了若干真空預壓加固工程中抽真空期間影響區(qū)地下水位的下降情況.由表1可知：不同工程地質(zhì)條件下，影響區(qū)地下水位下降值的差異很大.在未采取防護措施時，距離加固區(qū)邊緣較近的地方(2.0～5.0 m范圍內(nèi))，地下水位降深在0.9～3.2 m之間，降水影響范圍在10～20 m不等.

表1 真空預壓影響區(qū)地下水位下降情況

5) 地下水滲流.穩(wěn)定的滲流不會引起孔壓的改變，亦不會引起土體的變形.而真空預壓影響區(qū)內(nèi)的滲流是不穩(wěn)定的.抽真空前，地下水處于平衡狀態(tài)，沒有滲流或只有穩(wěn)定滲流存在，抽真空后，邊界處孔壓逐漸下降，影響區(qū)內(nèi)地下水開始向加固區(qū)滲流，滲流使地下水的一部分勢能轉(zhuǎn)化為動能，水頭高度下降，并對流經(jīng)的土顆粒施加動水力，影響區(qū)土體在滲流引起的動水力作用下，會發(fā)生一定的側(cè)向變形，并產(chǎn)生沉降.

滲流受水文地質(zhì)條件的影響很大，用真空預壓加固的軟基，一般滲透系數(shù)都很小，影響區(qū)向加固區(qū)的滲流量很小，且影響區(qū)土體中的水頭損失率很大，所以影響范圍一般較小，和地下水位的下降深度有關(guān)系.

圖2 對下水位下降對影響區(qū)土體水平向有效應力的影響

3 防治措施

若真空預壓加固區(qū)附近存在已有建(構(gòu))筑物，則預壓加固過程中可能會產(chǎn)生破壞性的影響，需要采取防治措施來減小真空預壓的影響范圍，保證建筑物的安全.目前，常用的減小真空預壓影響范圍的措施主要有兩種：聯(lián)合堆載和打設隔離墻.通過數(shù)值計算，對這兩種措施的效果進行了研究分析，計算土層參數(shù)見表2，計算中假定地下水位不變，真空度在排水板深度內(nèi)均為80 kPa.

表2 土層參數(shù)

1) 聯(lián)合堆載.堆載預壓時，土體的側(cè)向變形是向加固區(qū)外擠出變形，和真空預壓剛好相反.真空聯(lián)合堆載預壓可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點，提高加固效果，又能減小真空預壓的影響范圍，真空聯(lián)合堆載預壓廣泛應用于高速公路軟基處理工程中.

計算堆載40 kPa時對真空預壓影響范圍的影響，加載方式為線性加載，從開始抽真空，歷時20 d，即加載速率2 kPa/d，計算時間為固結(jié)度達95%.

圖3為真空預壓期末影響區(qū)地表水平位移與距加固邊界距離的關(guān)系，由圖3可知：聯(lián)合堆載后，影響區(qū)土體的水平位移得到大幅減小，若堆載荷載更大，則影響區(qū)水平位移將更小.

圖3 堆載對影響區(qū)水平位移的影響

圖4顯示了限定水平位移為50 mm或30 mm時堆載對真空預壓影響范圍的影響，由圖4可知：由于堆載的存在可以大幅減小真空預壓的影響范圍.

圖4 堆載對影響范圍的影響

2) 隔離墻.隔離墻是常用的減小真空預壓影響范圍的防治措施，在加固邊界處打設一排互相咬合的樁即成為隔離墻.隔離墻可以是由黏土攪拌樁形成的密封墻，也可以是由水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、鋼板樁等形成的隔離墻，除了對影響區(qū)土體變形起阻擋作用外，還兼有密封作用.隔離墻的滲透系數(shù)都很小，能減小影響區(qū)地下水向加固區(qū)的滲流量，減小影響區(qū)地下水位的下降量，還能阻止真空度向影響區(qū)內(nèi)傳遞.

圖5顯示了隔離墻打設深度、墻體模量與真空預壓末期地表變形的關(guān)系，計算土層參數(shù)同上.隔離墻寬度設定為1 m，模量分別取100 MPa和500 MPa，參照標準為不打設隔離墻或僅打設黏土密封墻時的變形情況.由圖5可知：打設隔離墻后，可以大幅減小影響區(qū)邊界附近的水平位移，當邊界附近存在民房、道路等建筑物時可以采用打設隔離墻的方法來減小真空預壓的影響.同時，筆者還表明討論工況下，所取值的樁長、樁身模量的變化對影響區(qū)土體變形的影響不大，因此可以采用模量稍小的樁或打設多排樁來減小真空預壓的影響.

圖5 剛性隔離墻的防治效果

4 結(jié) 論

真空預壓對土體的變形影響區(qū)別于沖擊壓縮荷載對土體變形影響[16]，真空預壓影響區(qū)土體變形的主要機理如下：誘導變形是真空預壓導致影響區(qū)土體向內(nèi)收縮變形的主要原因，另外隨著真空預壓邊界收縮裂縫的出現(xiàn)，裂縫阻斷了粘聚力的傳遞，也會增加地激動收縮變形，但是其影響較小；由于地質(zhì)條

件差異，影響區(qū)地下水位下降量差異較大，地下水位下降引起影響區(qū)土體在自重作用下固結(jié)變形，滲流也對影響區(qū)土體變形有一定的影響；真空度在影響區(qū)土體內(nèi)衰減很快，僅對邊界外5 m范圍內(nèi)土體的變形有較大影響.工程實踐中聯(lián)合堆載和打設隔離墻都能大幅減小影響區(qū)邊界附近土體的水平位移.

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