真空預(yù)壓加固效果的影響因素研究

康旭輝

（中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海201208）

軟土是公路和民建工程中遇到最多的軟弱基地，廣泛分布在我國(guó)沿海地區(qū)，由于軟土較為軟弱，強(qiáng)度低，壓縮性高，滲透性很小等特性，極易出現(xiàn)塑性流變等問題，給道路路基和民建地基處理帶來了較大的技術(shù)難題，若對(duì)軟土特性認(rèn)識(shí)不足，地基處理不當(dāng)，技術(shù)控制不嚴(yán)，就會(huì)在筑路過程中出現(xiàn)地基因破壞失穩(wěn)而滑動(dòng)，并產(chǎn)生較大的沉降和不均勻沉降，影響工程建設(shè)和正常的使用，因此，對(duì)軟基合理而有效治理成為軟土地區(qū)工程高質(zhì)量的重要前提。

本文結(jié)合具體的工程實(shí)踐，并通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)真空預(yù)壓軟基處理中加固效果的影響因素進(jìn)行了分析。

1 真空預(yù)壓加固土體的機(jī)理

軟土地基真空預(yù)壓加固時(shí)，在抽真空后，首先在砂墊層形成的真空度，通過垂直排水通道逐漸向下延伸，同時(shí)真空度又由垂直排水通道向其四周的土體傳遞與擴(kuò)展，形成一個(gè)負(fù)壓滲流場(chǎng)，引起土中孔隙水壓力降低，形成負(fù)的超靜孔隙水壓力,從而使土體孔隙中的氣和水由土體向垂直排水通道滲流，最后由垂直排水通道匯至地表砂墊層中被泵抽出。當(dāng)產(chǎn)生負(fù)的超靜孔隙水壓力達(dá)到膜下真空度值時(shí)滲流終止。而消散的孔隙水壓力會(huì)相應(yīng)引起有效應(yīng)力的增長(zhǎng)，因而達(dá)到加固地基的作用［1］。

2 真空預(yù)壓加固效果影響因素

2.1 真空度的影響

2.1.1 真空度沿深度的傳遞。在真空預(yù)壓抽真空過程中，由于塑料排水板井阻與涂抹的作用，從實(shí)測(cè)孔隙水壓力變化資料可以看出，真空度的傳遞模式是復(fù)雜的，各學(xué)者提出的關(guān)于真空預(yù)壓中真空度的傳遞模式相差較大。而真空度傳遞的不同，也顯著的造成了分層沉降的不同，影響到真空預(yù)壓的效果［2］。

為了找出真空度沿深度傳遞對(duì)真空預(yù)壓的影響，我們找出在整個(gè)處理階段中較為典型的真空度維持較好地22#地塊的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

①由22#地塊孔壓變化率曲線可以看出，在真空預(yù)壓開始的一周，孔壓變化速度較快，與真空度變化趨勢(shì)相近，其中2～8m淺部地層變化速率最快，8～16m變化速率適中，16m以上變化速率較慢，20m以上幾乎無變化。可見負(fù)壓滲流場(chǎng)在淺層較快形成，并逐漸向深層傳遞的。

②綜合看各地塊峰值孔壓變化量并不是出現(xiàn)在最頂層土，而是一般在4～6m范圍內(nèi)。說明第一，這一土層中的滲透系數(shù)較高的黏質(zhì)粉土夾層起到了較好的水平向排水體的作用，因而體現(xiàn)了密封墻的重要性；第二，孔壓變化量并不完全由真空負(fù)壓決定，與預(yù)壓同時(shí)進(jìn)行的抽水使地下水位降低造成了土層上覆壓力的增大，即發(fā)生了“堆載效應(yīng)”，土體加固是在“堆載”的正壓和真空的負(fù)壓的共同作用下完成的。

2.1.2 真空度的穩(wěn)定性。真空預(yù)壓由于其自身機(jī)制和較長(zhǎng)時(shí)間的工期，真空度的穩(wěn)定維持相對(duì)較為困難，真空度的變化將直接導(dǎo)致土體中孔壓的變化，孔壓的變化進(jìn)一步導(dǎo)致有效應(yīng)力的變化，進(jìn)而影響到土體加固的進(jìn)程，目前幾乎沒有針對(duì)真空度不穩(wěn)定對(duì)土體加固的影響的研究。

在真空預(yù)壓過程中影響真空度穩(wěn)定性的因素主要是真空膜、密封溝及密封墻的密封性，施工工況，預(yù)壓進(jìn)行過程中的供電不足或者停電，射流泵工作異常等。

本文采用本次預(yù)壓加固工程中較為典型的8#，10#兩個(gè)地塊進(jìn)行對(duì)比研究。兩個(gè)地塊位置相近，地質(zhì)條件相似，工況基本相同。

從上面地塊各自典型的孔壓變化量歷時(shí)曲線可以得到：

①區(qū)塊真空度傳遞分布比較類似，峰值孔壓變化量均為-80～-90kPa,出現(xiàn)在8m以下淺層部分，8m以上部分發(fā)生相應(yīng)折減。

②從區(qū)塊的真空度波動(dòng)上看，8號(hào)地塊波動(dòng)極大，并發(fā)生了多次停泵事件。主要緣由包括停電，供電不足以及不均勻沉降造成的真空膜破裂。10號(hào)地塊相對(duì)波動(dòng)較小，盡管發(fā)生了停泵事件但是短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了修復(fù)，孔壓變化量曲線較為平穩(wěn)。

通過統(tǒng)計(jì)兩個(gè)區(qū)塊達(dá)到設(shè)計(jì)沉降值的真空預(yù)壓工期結(jié)果是8號(hào)地塊所耗工期幾近是10號(hào)地塊的1倍多。可見真空預(yù)壓施工過程中真空度的保持對(duì)工期有非常重要的影響。而工期是真空預(yù)壓工程十分重要的一個(gè)前提，并且將影響相應(yīng)工程造價(jià)。

2.2 排水板的影響

2.2.1 排水板長(zhǎng)度。在軟土地基中，隨著深度的增加，真空度逐漸減少；而在真空度的傳遞過程中都要受到介質(zhì)阻力，但不同介質(zhì)阻力對(duì)真空度分布有較大影響，因?yàn)榭v向通水能力和滲透系數(shù)的不同，一般在地基相同的深度處：膜下真空度＞塑排真空度＞砂井真空度＞淤泥真空度。其淤泥的滲透系數(shù)與通水能力與塑料排水板相差巨大，因此在地基中設(shè)置豎向塑料排水板以增大真空度的傳遞效率。而排水板長(zhǎng)度對(duì)真空度的傳遞起到多大作用，以下將通過分析6#，7#地塊的相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到：

由6#地塊可以得到在10m內(nèi)，真空度傳遞效果較好，在8m左右仍能維持50～60kPa。這主要是受10m深度的密封墻影響，使真空度損耗降低，而在10～14m范圍，真空度仍能維持在30～35kPa。但在14m以下深度，真空度快速衰減，到16m范圍僅剩10～15kPa，20m以上已經(jīng)小于10kPa。

由7#地塊可以得到在10m范圍內(nèi)，真空度普遍維持在較高的70～80kPa，這主要是受10m的水泥土攪拌樁密封墻影響，在其下隨深度減小，在10～16m范圍內(nèi)真空度逐漸衰減，在16m處為30～35kPa。而后衰減增速，18.5m處真空度整個(gè)處理過程中僅剩余20kPa，26m處為10～15kPa。

從以上地塊的孔壓變化值分布圖可以看出真空度沿深度的傳遞主要分3個(gè)區(qū)間：

①密封墻樁端深度（10m）以上地層，真空度幾乎無衰減或衰減很小。

②密封墻樁端以下深度至排水板插打深度范圍內(nèi)，真空度沿深度衰減，但衰減相對(duì)慢。

③在排水板插打深度以下，真空度衰減較快，在塑料排水板長(zhǎng)度1.5倍以上深度處真空壓力的影響已經(jīng)較為微弱了。但同時(shí)可以看出，在塑料排水板以下一定深度范圍內(nèi)仍有一定的真空度存在。

由以上結(jié)論可知，排水板不僅有加強(qiáng)地基土體豎向排水能力，還可以增強(qiáng)真空度沿深度的傳遞效率，相同條件下，排水板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，真空預(yù)壓影響深度越深?？梢娫谶m當(dāng)?shù)呐潘彘g距下，一定程度加長(zhǎng)排水板長(zhǎng)度可以有效地增加真空預(yù)壓的有效作用深度。

2.2.2 排水板間距。對(duì)于不設(shè)置豎向排水體，直接對(duì)天然地基加荷預(yù)壓時(shí)，采用太沙基一維固結(jié)理論方程。但對(duì)于地基中設(shè)置豎向塑料排水板進(jìn)行真空預(yù)壓時(shí)，采用太沙基三維固結(jié)理論計(jì)算。本工程徑向固結(jié)為主要因素。

其中徑向固結(jié)時(shí)間因素的表達(dá)式為：Th=Cht/de2

可以看出，固結(jié)時(shí)間與排水板影響范圍直徑的平方成正比例關(guān)系，而排水板影響范圍直徑是由排水板間距來確定的，即排水板間距越小，則相應(yīng)固結(jié)時(shí)間越短。但在實(shí)際工程中，受到排水板的井阻作用和插打排水板時(shí)的涂抹作用影響，當(dāng)排水板間距縮小到一定值時(shí)，進(jìn)一步減小排水板間距將無法再縮短固結(jié)時(shí)間。

是將排水板間距考慮入影響真空預(yù)壓工期的因素內(nèi)，將各地塊真空預(yù)壓實(shí)際作用時(shí)間按t/de2來計(jì)算，將其與目標(biāo)沉降值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在考慮排水板間距值后，目標(biāo)沉降值與預(yù)壓天數(shù)有更好的一致性，因此，在一定范圍內(nèi)減小排水板間距可以縮短真空預(yù)壓工期。

2.3 加固區(qū)面積及形狀影響

2.3.1 邊界效應(yīng)。真空預(yù)壓中的邊界效應(yīng)，主要是指真空預(yù)壓受預(yù)壓處理的邊界影響。真空預(yù)壓中邊界效應(yīng)的產(chǎn)生是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的施工技術(shù)條件下，不能保證邊界的膜面及深層土體的絕對(duì)密封，必然導(dǎo)致在邊界處真空負(fù)壓向加固區(qū)外擴(kuò)散。這種邊界損失不僅對(duì)加固區(qū)邊緣有影響，對(duì)整個(gè)場(chǎng)地的加固效果的影響也是顯著的。并且向外擴(kuò)散的真空負(fù)壓將導(dǎo)致加固區(qū)外不均勻沉降的產(chǎn)生而對(duì)周邊環(huán)境造成不良的影響。

2.3.2 加固區(qū)形狀及面積因素對(duì)本工程的影響

2.3.2.1 加固區(qū)形狀對(duì)本工程的影響

27號(hào)地塊與33號(hào)地塊的處理面積相同，目標(biāo)沉降值相同，27號(hào)地塊場(chǎng)地呈不規(guī)則六邊形，雖然27號(hào)地塊的最終最大沉降值和平均沉降值都大于27號(hào)地塊。但27號(hào)地塊使用真空泵的數(shù)量和抽真空時(shí)間卻明顯大于33號(hào)地塊，所以不能明顯比較出二者形狀不同帶來的差異。

表1 27#33#地塊相關(guān)施工參數(shù)表

2.3.2.2 加固區(qū)面積對(duì)本工程的影響

41號(hào)地塊和43號(hào)地塊的目標(biāo)沉降值與面積大小、排水板插打深度以及排水板間距相同，但是由于兩地塊的形狀有很大不同（一個(gè)長(zhǎng)寬比接近1:1，一個(gè)長(zhǎng)寬比接近1:3）導(dǎo)致二者布置的真空泵數(shù)量不同，但是41號(hào)地塊的最大沉降值卻比43號(hào)地塊的最大沉降值大85mm，筆者認(rèn)為這與地塊所處位置有關(guān)，41號(hào)地塊周圍的其他地塊對(duì)其沉降有增強(qiáng)的作用。

2.4 有關(guān)形狀系數(shù)的討論

2.4.1 傳統(tǒng)形狀系數(shù)γ

①上海市《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的場(chǎng)地形狀系數(shù)：α=F/S

②婁炎（1990）提出的場(chǎng)地形狀系數(shù)：β=F/n

式中：F—加固區(qū)面積；S—加固區(qū)周長(zhǎng)；n—加固區(qū)長(zhǎng)寬比，n=a/b（長(zhǎng)/寬）。

2.4.2 傳統(tǒng)形狀系數(shù)的局限性。統(tǒng)形狀系數(shù)在考慮面積和形狀方面有三方面明顯的缺陷：第一是面積周長(zhǎng)與長(zhǎng)寬比是分離的，第二是提出的形狀系數(shù)的量綱問題，即兩個(gè)形狀系數(shù)的量綱均不平衡；第三是在最近的大面積真空預(yù)壓工程中出現(xiàn)的，即當(dāng)邊界采取密封墻方式時(shí)，將極大影響邊界效應(yīng)的作用，繼而影響形狀系數(shù)的取值。

2.4.3 新形狀系數(shù)的討論?？紤]到傳統(tǒng)形狀系數(shù)的局限性，針對(duì)局限性的前兩點(diǎn)，我們采用與標(biāo)準(zhǔn)形狀地塊進(jìn)行比較的方式取系數(shù)，這可以一方面解決量綱問題，另一方面對(duì)面積周長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比進(jìn)行整合。當(dāng)然，在復(fù)雜大面積預(yù)壓施工條件下，場(chǎng)地存在非常復(fù)雜的影響因素，因而形狀系數(shù)很難精準(zhǔn)定量化。因而參考相關(guān)資料，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)面積為F0的場(chǎng)地，對(duì)傳統(tǒng)形狀系數(shù)改進(jìn)后如下：

這個(gè)式子的意義為，右端前半部分為相同面積情況下一個(gè)正方形的周長(zhǎng)和此場(chǎng)地周長(zhǎng)的比值，后半部分為面積的比值的倒數(shù)，整個(gè)式子即為周長(zhǎng)之比與面積之比的比值。這里的形狀系數(shù)越大，即表明相同面積條件下周長(zhǎng)越短，氣密性越好，則邊界效應(yīng)越不明顯，預(yù)壓效果就越高［3］。

3 結(jié)論

3.1真空度傳遞的不同，造成了分層沉降的不同，進(jìn)而影響到真空預(yù)壓的效果。真空預(yù)壓施工過程中真空度的保持對(duì)工期有非常重要的影響。而工期是真空預(yù)壓工程十分重要的一個(gè)前提，并且將影響相應(yīng)工程造價(jià)。

3.2相同條件下，排水板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，真空預(yù)壓影響深度越深。在適當(dāng)?shù)呐潘彘g距下，一定程度加長(zhǎng)排水板長(zhǎng)度可以有效地增加真空預(yù)壓的有效作用深度。在一定范圍內(nèi)，減小排水板間距可以縮短真空預(yù)壓工期。

3.3邊界損失不僅對(duì)加固區(qū)邊緣有影響，對(duì)整個(gè)場(chǎng)地的加固效果的影響也是顯著的。并且向外擴(kuò)散的真空負(fù)壓將導(dǎo)致加固區(qū)外不均勻沉降的產(chǎn)生而對(duì)周邊環(huán)境造成不良的影響。當(dāng)?shù)貕K面積較大時(shí)，其處理后沉降更均勻。

［1］李時(shí)亮.真空預(yù)壓加固軟土地基作用機(jī)理分析［J］.巖土力學(xué)，2008（2）.

［2］陳環(huán)，鮑秀清.負(fù)壓條件下土的固結(jié)有效應(yīng)力［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1984（5）.

［3］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（4）.