預壓法處理地基及固結分析①

孫 亞

(同濟大學地下建筑與工程系，上海200092)

0 引 言

1982 年我國在真空預壓的基礎上，提出了聯(lián)合堆載的加固方法.從1985 年的三月到十一月綜合項目開始了真空聯(lián)合堆載加固大的探究實驗［1］.此法即先進行真空預壓施工，而后在膜下真空度達設計需求并在確定運行平穩(wěn)的一周到兩周時間后，實施堆載預壓運行.并在工程完結以后，將真空與堆載結合使用，至達到固結度標準或者沉降速率標準時即可去除真空荷載.該方法也廣泛應用在機場［2］、建筑地基、路基等工程建設中.

1 加固機理

堆載預壓法遵從的是Terzaghi 的有效應力理論.根據(jù)圖1 可以看出，附加外部壓力之后，土體的固結就變成了孔隙水壓消除、有效應力提升與土體逐步壓密的進程.加載瞬間，堆載壓力全部由孔隙水承擔，此時孔隙水將增大.通過在地基中布置豎向砂井，增加了排水途徑，縮短了排水距離，這時土層中的空隙水主要通過砂井部分豎向排出，超空隙水壓力u 減小.根據(jù)有效應力原理，有效應力增加.地基土發(fā)生沉降，且強度增加，從而達到了加固的效果，并且可以有效減小建筑物的沉降.

真空預壓法即將軟土地基表面首先添加砂墊層，之后加入垂直排水管道，并通過隔離的封閉膜讓軟土地基同空氣分離，薄膜周圍深入地中，利用砂墊層里添加的吸水通道，使用真空裝置排除空氣與水，讓整體設備產(chǎn)生真空壓力，從而推動土體排水固結，進而提升地基的有效應力.將整體轉化真空狀態(tài)時，砂墊層和排水通道中逐步降為負壓，保持土體內(nèi)部和排水通道、墊層間產(chǎn)生壓力差.在這種情況中，土體中孔隙水持續(xù)通過通道流出，土體固結.其示意圖如圖2 所示.

圖1 堆載預壓簡圖

圖2 真空預壓簡圖

關于該方法的作用機理，其中一個理念即把膜內(nèi)外壓差當做等效荷載反應在地基土上;另一個理念即陳環(huán)等公布的負壓下固結觀念.二十世紀80年代，陳環(huán)等［3］通過一維負壓固結儀實施抽氣實驗，發(fā)現(xiàn)同樣的壓差之下，正負壓的試樣通過加固后擁有大體一致的土體參數(shù)，也就是加固意義大體一致，其土體強度的提升效果也大體一致的結果.這就說明抽真空僅僅使孔隙壓力持續(xù)變化，也就是真空預壓利用減小土體中的孔隙壓力，讓有效應力提升從而達到加固效果.閻澎叮、陳環(huán)［4］通過二軸儀實施正壓與負壓的對照實驗，發(fā)現(xiàn)正壓與負壓作用一下的固結過程大體一致.EC.Leong 等［5］用利用固結儀探究了在同種壓力中(正負壓)土樣剪切強度增加的狀況，獲得了堆載預壓加固成效高于真空預壓的加固成效的結果.龔曉南等［6］以現(xiàn)有真空預壓的研究和多孔介質(zhì)滲流理論為基點，給出了真空滲流場理論用以詮釋真空預壓加固軟土地基的機制.

從上述研究中可以看出，堆載預壓法和真空預壓法在加固機理上存在著不同，堆載預壓法可以稱為正壓固結，真空預壓法可以稱為負壓固結.從土中應力可知，堆載預壓總應力增加，隨著超靜孔隙水壓力的減少而使有效應力增加;真空預壓法總應力不變，降低孔隙壓力，而使有效應力增加.從加壓系統(tǒng)設計上，堆載預壓加載過程里剪應力提升，也許會導致土體剪切損壞，所以必須調(diào)控加載速率分級加載;真空預壓法抽真空時，剪應力不提升，無法導致土體剪切破壞，不需要控制加載速率.兩者處理深度不一樣，而且后者會引起地下水位下降，就造價方面來說也是后者比較高.

2 豎井地基固結理論

設置有豎向排水井的地基可簡稱為豎井地基.豎井排水固結法思想最初由Moran 于1925 年提出.想要讓觀測預測豎井地基的固結過程合理化，探究人員在豎井地基固結觀念角度上完成了大規(guī)模任務，獲得了許多成就.Carrillo［7］簡化了砂井地基固結方程，使得豎井地基固結問題能夠首先各自核算徑向固結與堅向固結，之后綜合獲得地基總體固結度.

1948 年Barron［8］最初針對非井阻與涂抹效果的豎井地基固結實施推斷.Yoshikuni［9］等以Biot固結理論為基礎，得到了考慮徑向和豎向組合滲流的解答.高木俊介公布了逐步加荷條件下砂井地基固結的核算方式，這種方式和Terzaghi 公布的近似修正法相比更加準確，但該方法使用范圍更加廣泛.

由最初的Terzaghi 一維固結理論進步到Biot的真三維固結理論，再到之后Barron 公布了砂井的固結理論，在這一過程中有不同的人針對固結理論給出了不同觀點，但在實際工程中，專家們更多的是使用Terzaghi 與Barron 的固結理論，之后再綜合修正系數(shù)加以修正.此外現(xiàn)在的各種關于真空預壓的規(guī)定均使真空荷載等效當做堆載實施沉降預測.一方面因為上述理論計算方面，工程經(jīng)驗較多，另一方目前其他理論尚未成熟，計算稍顯復雜，難以滿足工程需要，而有限元進行三維計算由于建模難度以及土體本構及參數(shù)選取問題未能廣泛使用.

3 固結計算

實際工程中，荷載大多是分級加載.分級加載下，工程中常用的地基固結度計算主要有下列兩種方法.

3.1 改進的太沙基法

基本思想為:各級荷載增量導致的固結進程是各自實施的;各級荷載為在加載起訖時間的中點一次瞬時加足的;其中各點時間的總平均固結度為此時每個級別荷載作用下固結度的加和.改進的太沙基法表達式為:

3.2 改進的高木俊介法

依照巴倫原理，利用多級等速加荷使砂井地基在徑向與垂直向條件下推斷出其平均固結度的精準值，其主要優(yōu)點為無需精確求取瞬時加荷條件下的地基固結度，能直接求取已修正的平均固結度，可適用于多種排水條件，具有通用性.修正后的平均固結度為:

式中，α，β 的計算公式可根據(jù)不同的排水條件，查表得到.

4 實例分析

建筑場地為近年新淤積的海灘，含水量高，壓縮性大，抗剪強度低，采用預壓法進行地基加固.軟弱土層厚度為12m，下部為不透水層.豎向排水通道采用塑料排水板，規(guī)格為100mm3.5mm，三角形布置，間距1.2m，穿透受壓土層.經(jīng)過室內(nèi)土工實驗獲得相關指標，豎向固結系數(shù)是1.1×10－3cm2/s，徑向固結系數(shù)是2.6×10－3cm2/s.加載計劃為0d ～20d，加荷50kPa;30d ～50d，加荷50kPa;70d ～90d，加荷40kPa;110d ～120d，加荷30kPa;140d ～160d，加荷20kPa.

塑料排水板換算直徑，

塑料排水板徑向排水范圍的等效直徑，

井徑比，

根據(jù)改進的高木俊介法在Excel 中輸入了公式，編制了相應的表格，計算了160d 各級荷載的固結度，如表1 所示.

表1 各級荷載固結度

5 結 論

(1)本文論述了預壓法在處理地基方面的發(fā)展過程，解釋了真空預壓與堆載預壓的鞏固原理，對真空預壓鞏固進行了深度估算，真空預壓區(qū)地下水位的變化情況以及正負壓聯(lián)合作用機理還有待進一步研究.并從應力變化，加壓系統(tǒng)的設計，處理深度等比較了兩者加固機理的不同點.

(2)目前研究者提出了許多豎井固結理論，考慮了不同的模型簡化問題，但在工程實踐中工程師們?nèi)匀粡V泛的使用Terzaghi 和Barron 固結理論然后結合修正系數(shù)進行修正方法.更加符合實際，更能滿足工程設計需要的固結理論需要進一步研究.

(3)介紹目前常用的固結計算方法，它們在長期被使用，積累了大量的經(jīng)驗.并通過工程實例，運用改進的高木俊介法進行了計算.手算過程略顯復雜，故本文編制了Excel 表格進行計算.

［1］ 唐羿生，矯德全，楊玉璽.真空聯(lián)合堆載預壓加固軟基試驗研究［J］.港口工程，1986，06:4－15.

［2］ Tang M，Shang J Q，CHU J，et al.Vacuum Preloading Consolidation of Yaoqiang Airport runway［J］.Ground and Soil Improvement，2004:44.

［3］ 陳環(huán)，鮑秀清.負壓條件下土的固結有效應力［J］.巖土工程學報，1984，6(5):39－47.

［4］ 閻澍旺，陳環(huán).用真空加固軟土地基的機制與計算方法［J］.巖土工程學報，1986，8(2):35－43.

［5］ Leong EC，Soemeitro RM，Rchardjo H.Soil Improvement by Surcharge and Vacuum Preloading［J］.Geotechnique，2000(5):601－605.

［6］ 龔曉南，岑仰潤.真空預壓加固軟土地基機理探討［J］.哈爾濱建筑大學學報，2002，35(2):7－10.

［7］ Carrillo N.Simple Two and Three Dimensional Cases In the Theory of Consolidation of Soils［J］.Journal of Mathematics and Physics，1942，21(1):1－5.

［8］ Barron R A.Consolidation of Fine－grained Soils by Drain Wells［J］.1900.

［9］ Yoshikuni H，Nakanodo H.Consolidation of Soil by Vertical Drain Wells with Finite Permeability［J］.Soil and Foundations，1974，14(2):35－46.