真空預(yù)壓法加固機(jī)理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

賀亞飛 楊芳

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

真空預(yù)壓法加固機(jī)理及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

賀亞飛 楊芳

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

公路工程基礎(chǔ)面臨軟弱地基的加固問(wèn)題，地基處理的核心是處理方法的正確選擇與實(shí)施。本文針對(duì)軟土地基處理和加固，根據(jù)排水固結(jié)法原理，著重介紹真空預(yù)壓法的加固機(jī)理，通過(guò)進(jìn)一步剖析土體真空度變化，研究真空預(yù)壓法對(duì)地基周?chē)馏w變形的影響，揭示地基土體內(nèi)部有效應(yīng)力的變化，從而推導(dǎo)出真空預(yù)壓法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。通過(guò)本文的分析，正確選擇軟土地基加固的真空預(yù)壓法，規(guī)避施工過(guò)程中的不利因素，從而達(dá)到采用真空預(yù)壓法的預(yù)期目的。

排水固結(jié)法；真空預(yù)壓法；加固機(jī)理；土體變形；設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 真空預(yù)壓法

真空預(yù)壓法是軟弱地基加固中排水固結(jié)法的一種。在預(yù)壓荷載作用下，經(jīng)過(guò)一定的作用時(shí)間，地基土被壓密、沉降、固結(jié)，從而提高地基土的強(qiáng)度，減少沉降量。待沉降基本穩(wěn)定后，卸去預(yù)荷載，再建造上部結(jié)構(gòu)，從而有效保障地基的穩(wěn)定性要求和沉降變形要求。若天然土層的滲透性較小，可設(shè)置豎向排水通道，如砂井、排水板等，縮短滲透固結(jié)的時(shí)間，加速固結(jié)速率。施作的預(yù)荷載，常利用建筑物自身荷載、堆載或真空預(yù)壓等。

1.1 真空預(yù)壓法的加固機(jī)理

真空預(yù)壓法是先在待加固的軟土層頂面鋪設(shè)砂墊層，埋設(shè)垂直排水管道，然后用不透氣的封閉膜將地基土與大氣隔絕，薄膜四周埋入土中，再用抽氣裝置經(jīng)過(guò)砂墊層內(nèi)預(yù)先埋設(shè)的管道進(jìn)行抽氣，形成真空層,增加地基的有效應(yīng)力[1]。

抽氣時(shí)，地表砂墊層及豎向排水通道內(nèi)逐步變成負(fù)壓，而地基土內(nèi)部壓強(qiáng)變化不明顯，這樣就使土體內(nèi)部與砂墊層、排水通道之間形成壓強(qiáng)差。在此壓強(qiáng)差作用下，土體中的水滲向排水通道，土體逐漸固結(jié)。

在土體總應(yīng)力基本上不變的情況下，真空預(yù)壓法加固機(jī)理的實(shí)質(zhì)是降低加固區(qū)邊界上的 u值，形成 u（勢(shì)）的不均衡分布，通過(guò)最大限度發(fā)揮土體有效應(yīng)力的方法來(lái)加固土體。理論上，因密封膜將土體與大氣隔絕，則 u最大可降至絕對(duì)壓力零點(diǎn)。而實(shí)際情況中，各工作要素不可能完全處于理想狀態(tài)，因此 u的降低值有下限，故其加固效果也有限。

1.2 真空預(yù)壓法對(duì)地基土體的影響

1.2.1 加固區(qū)內(nèi)土體的固結(jié)

加固區(qū)內(nèi)土體的固結(jié)收縮會(huì)造成加固區(qū)邊緣一定范圍內(nèi)土體的位移，這種附加位移會(huì)對(duì)周邊構(gòu)筑物造成不良影響，但由于該位移僅通過(guò)土體本身的粘聚力傳遞，故一般不會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物的開(kāi)裂，裂縫也不可能發(fā)生在遠(yuǎn)離加固區(qū)的位置，而多半發(fā)生在加固區(qū)邊緣。

1.2.2 加固區(qū)外土體的固結(jié)

真空預(yù)壓開(kāi)始后，加固區(qū)內(nèi)地下水位不斷下降，造成加固區(qū)外的水位隨之降低，其降低值隨距加固區(qū)邊界距離的增大而減小。這有利于加固區(qū)周?chē)馏w的固結(jié)，但卻容易造成加固區(qū)外土體的不均勻沉降[2]。

1.2.3 側(cè)向卸載作用

對(duì)于地基來(lái)說(shuō)，加固區(qū)外的天然土體處于K0固結(jié)狀態(tài)即σ30= K0σ10，但由于真空的負(fù)壓作用，靠近加固區(qū)一側(cè)的土體相當(dāng)于荷載降低，此時(shí)處于側(cè)向卸載狀態(tài)發(fā)生固結(jié)收縮。

抽真空時(shí)，加固區(qū)內(nèi)是負(fù)壓，加固區(qū)外是正常氣壓，因此必然存在著“ 0 ”真空度點(diǎn)。在軟土地基中，真空度沿水平方向和豎直方向都存在沿程損失，故密封溝外某一距離的土層中必然存在 “ 0 ”真空度點(diǎn)，且從豎直方向上看，“ 0 ”真空度點(diǎn)自上而下連接起來(lái)應(yīng)為向加固區(qū)傾斜的一條斜線(xiàn)。對(duì)加固區(qū)邊界和“ 0 ”真空度點(diǎn)之間的土體分析，如圖 1所示，由于側(cè)向卸載作用，該土體將受到加固區(qū)內(nèi)的“吸”力作用，因而具有向內(nèi)發(fā)生位移的趨勢(shì)，當(dāng)土體所受剪應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度時(shí)，土體將會(huì)產(chǎn)生裂縫。

圖1 加固區(qū)外土體受力分析

圖 1所示僅為一種理想狀況，在實(shí)際工程中，砂墊層透水性較強(qiáng)，水平方向的真空度傳遞與淤泥層必然有較大差別。另外，由于密封溝的阻斷作用，沿豎直方向的真空度分布也比較復(fù)雜的，側(cè)向卸載情況各有不同。再次，影響深度以下的土層會(huì)在一定程度上阻礙影響深度內(nèi)的土層位移。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)結(jié)果，裂縫通常產(chǎn)生在加固區(qū)外 10～20m處。據(jù)此推斷，在該范圍土體未發(fā)生改變的情況下，該處土體承受的剪應(yīng)力最大，最易產(chǎn)生裂縫，且裂縫是延續(xù)到地下一定深度的。當(dāng)裂縫產(chǎn)生并逐漸擴(kuò)大后，由于土體一定深度內(nèi)無(wú)法傳遞真空度，所以對(duì)裂縫外土體的影響將大大降低。

2 真空預(yù)壓法設(shè)計(jì)要點(diǎn)

真空預(yù)壓法的設(shè)計(jì)內(nèi)容除排水系統(tǒng)外，主要包括：密封膜內(nèi)的真空度，加固土層要求達(dá)到的平均固結(jié)度，豎向排水體的尺寸，加固后的沉降和工藝設(shè)計(jì)等。

2.1 膜內(nèi)真空度

密封膜內(nèi)達(dá)到的真空度是影響真空預(yù)壓效果的重要因素。根據(jù)國(guó)內(nèi)一些工程的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)采用合理的工藝和設(shè)備，膜內(nèi)真空度一般可維持600mmHg左右，相當(dāng)于80kPa的真空壓力，此值可作為最大膜內(nèi)設(shè)計(jì)真空度。

2.2 加固區(qū)內(nèi)要求達(dá)到平均固結(jié)度

一般可采用 80%的固結(jié)度。如工期許可，也可采用更大的固結(jié)度作為設(shè)計(jì)要求的固結(jié)度[3]。

2.3 豎向排水體

真空預(yù)壓法加固軟土地基時(shí)，必須設(shè)置豎向排水設(shè)施。由于砂井（袋裝砂井或塑料排水板）能將真空度從砂墊層中傳至土體，并將土體中的水抽至砂墊層然后排出，因此一般采用砂井或塑料排水板。若不設(shè)置砂井等就起不到加固的作用和目的。

豎向排水體的間距和地基土質(zhì)條件是抽真空時(shí)間的主要影響因素。為達(dá)到相同的固結(jié)度，豎向排水體的間距越小，則抽真空的時(shí)間越短。

2.4 沉降計(jì)算

先計(jì)算加固前構(gòu)筑物荷載下天然地基的沉降量，然后計(jì)算真空預(yù)壓期間所完成的沉降量，兩者之差即為預(yù)壓后在構(gòu)筑物使用荷載下可能發(fā)生的沉降。

預(yù)壓期間的沉降可根據(jù)設(shè)計(jì)要求達(dá)到固結(jié)度推算加固區(qū)所增加的平均有效應(yīng)力，從e-p曲線(xiàn)上查出相應(yīng)的孔隙比進(jìn)行計(jì)算。

真空預(yù)壓的總面積不得小于基礎(chǔ)外緣所包圍的面積，一般真空的邊緣應(yīng)比建筑物基礎(chǔ)外緣超出2～3m，另外，每塊預(yù)壓的面積盡可能大，彼此間可搭接或有一定間距。加固面積越大，加固面積與周邊長(zhǎng)度之比也越大，氣密性也越好，真空度也越好。

當(dāng)在加固區(qū)發(fā)現(xiàn)有透氣層和透水層時(shí)，一般可在塑料薄膜周邊采用另加水泥土攪拌樁的壁式密封措施。

3 討論及結(jié)語(yǔ)

真空預(yù)壓法在工程實(shí)際中運(yùn)用較多，但使用范圍限于軟土、粉土、雜填土、沖填土等。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較高土體的適用性還有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確定。另外，對(duì)于含水率很高的土體，真空預(yù)壓法的固結(jié)時(shí)間是工程進(jìn)度必須考慮的因素。

真空預(yù)壓法對(duì)軟土地基加固是非常高效的處理辦法，可以有效降低軟土地基的工程造價(jià)。通過(guò)本文對(duì)真空預(yù)壓法的簡(jiǎn)單分析，希望能正確選擇地基處理方案，正確使用真空預(yù)壓法，綜合考慮各種影響因素，確保工程質(zhì)量、合理工程造價(jià)、保障安全適用。

[1] 高志義.真空預(yù)壓法的機(jī)理分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1989,11：47-49

[2] 王勁，陳曉平.真空預(yù)壓法對(duì)周邊地基變形影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24：5492-5494

[3] 趙明階.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].北京：人民交通出版社，2010：327-354

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1007-6344（2015）08-0115-01