濱海軟土真空堆載預(yù)壓法機理及影響的數(shù)值分析

劉猛

摘要：從真空預(yù)壓的機理出發(fā)，以平面應(yīng)變固結(jié)理論為基礎(chǔ)，通過比較前人的研究成果，結(jié)合工程實例探索一種合理的真空-堆載預(yù)壓有限元計算方法。對不同性質(zhì)的土采用不同的本構(gòu)模型，考慮塑料排水板的涂抹作用， 將砂井地基等效為砂墻地基。由于抽真空過程中，砂墊層及砂井中存在一定的真空度，因此在計算中降低砂墊層及砂井的水頭來模擬其真空度。土體的滲透系數(shù)較砂井小很多，真空度在土體中損失較大，所以砂墻間土體的水頭應(yīng)高于砂井水頭來形成壓力差。通過將計算結(jié)果與實測資料進行對比，驗證了該方法可以較真實的模擬現(xiàn)場實際情況。根據(jù)土體變形規(guī)律，闡述了減小對周邊地基影響的措施，為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 軟土地基；真空預(yù)壓；有限元；水頭；周邊地基

中圖分類號： TU471.8

1 引言

真空預(yù)壓加固地基的概念是由瑞典皇家地質(zhì)學(xué)院的杰爾曼教授于1952年在美國麻省理工學(xué)院首先提出。由于早期抽真空泵效率低、密封技術(shù)及氣水分離問題等關(guān)鍵因素的制約，現(xiàn)場試驗均沒有預(yù)期的顯著，所以該法在較長一段時間內(nèi)沒有得到廣泛的應(yīng)用。20世紀80年代，以中交一航局為主，南京水利科學(xué)院土工所、天津大學(xué)參加的聯(lián)合攻關(guān)小組又重新探索研究了該項技術(shù)。解決了關(guān)鍵的抽氣設(shè)備問題，用射流泵替代了真空泵，從而解決了氣、水分離的難題，使抽真空的效率得到了很大的提高。

由于真空預(yù)壓法加固軟土地基技術(shù)具有安全、費用低、環(huán)境污染小等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于港口、機場、公路、堤壩邊坡、人工島、市政設(shè)施、工民建等地基處理中[1～2]。真空預(yù)壓法加固軟土地基，土體的受力狀態(tài)為等向受力狀態(tài)，所以土體在產(chǎn)生豎向變形的同時還會產(chǎn)生水平方向的變形，即場地沉降及水平方向的收縮變形。雖然場地變形規(guī)律有利于地基的穩(wěn)定，但如果在加固場地周邊有各種已建工程設(shè)施時，過大變形的會對其造成影響，危及建筑物安全，甚至造成管道斷裂、圍墻倒塌、路堤被毀壞等嚴重的工程事故。

本文結(jié)合工程實例，采用有限元數(shù)值模擬來分析真空預(yù)壓或真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法加固軟土地基技術(shù)對周圍環(huán)境的影響，通過對比現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)來驗證該方法的可靠性，并研究減小真空預(yù)壓影響的防護措施。

2 排水固結(jié)法機理分析

2.1 堆載預(yù)壓加固機理

堆載預(yù)壓通常以土、砂石為加壓系統(tǒng)，在加固土體中設(shè)置塑料排水板或砂井作為豎向排水系統(tǒng)。軟土地基在附加荷載作用下產(chǎn)生正的超靜孔隙壓力，砂井或塑料排水板的透水性遠大于淤泥地基的透水性，其孔隙壓力能很快得到消散，所以在土體與豎向排水體之間產(chǎn)生壓力差，孔隙水壓力和孔隙氣壓力在壓力差的作用下得到消散。根據(jù)太沙基飽和土的有效應(yīng)力原理，隨著孔隙壓力的消散，土體中的有效應(yīng)力不斷的增加，從而提高土體抗剪強度[3]。總之，堆載預(yù)壓過程是總應(yīng)力增加，并且逐漸將總應(yīng)力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的過程。

（a） 堆載預(yù)壓

（b） 真空預(yù)壓

圖1 土體單元受力狀態(tài)

荷載施加之前，天然地基土體單元處于K0應(yīng)力狀態(tài)，如圖1（a）所示。令 ， ，如圖2（a）所示，若一次施加的總附加應(yīng)力過大，有效應(yīng)力增長緩慢，總應(yīng)力初始由孔隙壓力承擔，土體很容易達到 破壞包線而發(fā)生剪切破壞。因此如圖2（b）所示，堆載預(yù)壓要分級加荷，使剪應(yīng)力增量小于抗剪強度增量[2、4]。

2.2 真空預(yù)壓加固機理

文獻[5]認為土體的固結(jié)并非總是由于外荷載作用引起。固結(jié)的必要條件是孔隙水壓力u的不平衡分布，這種不平衡必然促使孔隙水流動，但孔隙水流動并不意味著孔隙水壓力的消散。因此還需要一個充分條件，即邊界排水條件。在排水條件下，u在不平衡勢能下流動而消散， 才會增長， 的增長是土體固結(jié)的決定條件，沒有 的增長就沒有固結(jié)。真空預(yù)壓法加固軟土地基技術(shù)，其水平和豎向排水體系與堆載預(yù)壓相同，并在砂墊層上鋪設(shè)不透氣薄膜，四周埋設(shè)于密封墻內(nèi)，在總應(yīng)力不變的條件下，抽真空造成土體與豎向排水體u的不平衡分布，并在短時間內(nèi)排出水和氣，從而引起 的增長。因為u的降低有下限值，故該方法的加固效果也是有限的。

（a） 一次加載

（b） 分級加載

圖2 堆載預(yù)壓加載應(yīng)力路徑

如圖1（b）所示，真空預(yù)壓法土體單元為等向受力狀態(tài)。在 平面上，有效應(yīng)力路徑為從K0固結(jié)線上的一點出發(fā)并平行于 軸的直線（見圖3），加固土體中只發(fā)生側(cè)向收縮變形，沒有側(cè)向擠出的情況，無論 增加多少，都不會與Kf線相交。說明地基中剪應(yīng)力并沒有增大，加固過程中也不會出現(xiàn)地基失穩(wěn)的情形。所以真空預(yù)壓法不必如堆載預(yù)壓那樣分級加載，可以一次抽真空到要求的最大值[4]。

2.3 真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固機理

真空堆載聯(lián)合預(yù)壓是在真空預(yù)壓的基礎(chǔ)上，在真空度達到要求值（一般為80KPa）穩(wěn)定一段時間后，再進行堆載。真空堆載聯(lián)合預(yù)壓法的有效應(yīng)力分布如圖4所示，從圖中可知，真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓的有效應(yīng)力是真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓分別引起的有效應(yīng)力的線性疊加[2]。真空-堆載預(yù)壓法的實質(zhì)是孔隙壓力差的疊加，孔壓差的增大加速了地下水排出的速度與地基固結(jié)的過程，真空泵抽水量有所增加，土體沉降量增大，強度得到增長。該方法克服了真空預(yù)壓加固效果受限的缺點。

圖3 真空預(yù)壓應(yīng)力路徑

圖4 真空-堆載預(yù)壓的有效應(yīng)力分布

3 工程實例分析

3.1 工程概況及地質(zhì)條件

橫琴口岸及綜合交通樞紐過渡期通關(guān)設(shè)施地基處理工程位于珠海橫琴新區(qū)。地基處理場地面積約112422m2，分別位于蓮花大橋的南北兩側(cè)。場地分布情況如圖5所示，其中B-3b區(qū)采用真空-堆載預(yù)壓處理方式（見圖6），堆載高度1.7m，其余采用真空預(yù)壓處理。真空預(yù)壓水平排水通道為厚度50cm的中粗砂墊層，豎向排水通道為間距1m、正三角形布置的塑料排水板，打設(shè)深度20m。

場地原始地貌單元屬濱河平原地貌，場地內(nèi)原始地勢較低，后經(jīng)人工吹經(jīng)填、回填土抬高。根據(jù)場地巖土工程勘察報告可知場地地質(zhì)情況（見表1）。

表1. 土層計算參數(shù)

土類 厚度/m γ

/KN·m-3 c

/kpa φ

/? kx

/ cm·s-1 kv

/ cm·s-1 Es

/kpa

素填土 1.5 18.5 14 20 1.67×10-6 1.016×10-6 5000

沖填土 3.5 19.4 2 25 5.91×10-6 1.08×10-6 8210

淤泥 15 16.4 5 2.9 2.29×10-7 2.1×10-7 1930

粉質(zhì)粘土 5.5 18.6 22 19.3 1.16×10-6 1.02×10-6 4160

淤泥質(zhì)土 6 17.2 7.4 4.6 5.23×10-7 5.13×10-7 2280

粉質(zhì)粘土 7.5 18.7 22.7 19.4 1.16×10-6 1.02×10-6 4240

礫砂 20 20.2 0 34 0.5 0.45 12980

圖5 真空預(yù)壓場地分布示意圖

圖6 真空-堆載預(yù)壓示意圖

3.2有限元計算

地基處理場地B-3b區(qū)和B-4區(qū)距離大橋橋墩只有10m，真空-堆載預(yù)壓處理軟土地基對蓮花大橋的影響是不能忽視的。為了分析真空-堆載預(yù)壓對大橋的影響，建立有限元模型進行數(shù)值分析。

嚴格意義上講，若用有限元來分析砂井地基（塑料排水板可以等效為砂井），采用三維固結(jié)有限元進行計算比較合理[6]。但是由于三維有限元固結(jié)分析本身計算量很大，且場地砂井較密集，如此則導(dǎo)致劃分的單元數(shù)量大為增加。本文采用平面應(yīng)變有限元來分析砂井地基，因此需要將砂井地基轉(zhuǎn)化為砂墻地基[6～8]。文獻[6]將砂墻地基雙向應(yīng)變、雙向滲流等應(yīng)變固結(jié)理論解與巴隆軸對稱固結(jié)理論解相比較，得到軸對稱與平面應(yīng)變兩種情況之間的等效公式：

（1）

（2）

（3）

（4）

通過該等效公式將砂井地基轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變情況下的砂墻地基，建立有限元模型如圖7所示。模型寬度140m，其中90m為加固場地B-3b區(qū)的一半，50m為考慮影響區(qū)寬度；深度為60m，大約到礫砂層底部。

為了能夠較準確反映軟土特性，本次計算對軟土和粘性土采用了修正劍橋粘土本構(gòu)模型，對礫砂層等無粘性土采用了莫爾-庫倫本構(gòu)模型。關(guān)于真空荷載，目前規(guī)范的做法是將真空等效為堆載壓力施加在地基表面進行計算。然而，這種做法從真空預(yù)壓機理上來說是不合理的，因此本文通過降低砂墊層及排水板水頭的方式來模擬真空荷載。其中砂墊層水頭降低8m，相當于密封膜下80KPa的真空壓力。由于塑料排水板存在一定的井阻作用，真空度沿塑排深度方向的傳遞會有一定的損失，文獻[8]對工程中塑排中真空度的實測數(shù)據(jù)進行研究，表明20m深度的速料排水板底的真空度只有20KPa左右。因此，本文將塑料排水板的水頭分階段依次降低，來模擬塑排中的真空度。模型上表面為自由變形面，左、右邊界僅設(shè)置水平約束，底部約束豎向和水平位移。底部和右邊界為不透水面。加固區(qū)上表面為堆載壓力30KPa，影響區(qū)上表面壓力水頭為零。

3.3沉降分析

加固區(qū)地表沉降是固結(jié)度、地基強度、工后沉降的重要判別依據(jù)[7]。由本文方法計算結(jié)果可知，加固區(qū)場地沉降量為949mm。實測平均沉降量為891mm，實測地表沉降曲線見圖8所示。雖然計算沉降量較實測平均值大58mm，但基本趨勢是一致

圖7.真空堆載預(yù)壓有限元模型

的，并且地基有限元模型變形情況與實際情況較符合（見圖9）。結(jié)果發(fā)生偏差主要有三個方面的原因，一是土體本構(gòu)模型參數(shù)的選取不夠準確；二是數(shù)值模型不能精確的模擬實際施工過程，包括排水板施工、邊界條件的設(shè)置及荷載的施加過程；三是實測數(shù)據(jù)沒有包括排水板打設(shè)過程中產(chǎn)生的沉降，現(xiàn)有沉降量只是從抽真空開始到抽水150天的產(chǎn)生的沉降量。

圖8.B-3b區(qū)地表實測沉降曲線

圖9.場地沉降變形圖（計算值）

地基沉降等值線見圖10所示，圖中顯示地基變形情況從左到右沉降逐漸減弱，加固區(qū)中心變形量較大，邊緣變形最小。自地表往下變形量亦成減小趨勢，砂墻深度范圍內(nèi)變形較明顯，對比加固區(qū)與影響區(qū)沉降變形可知，豎向排水體系的存在對促進土體固結(jié)有顯著的作用。但加固區(qū)對周圍的影響不能忽視，影響區(qū)距離加固區(qū)邊界10m處沉降量計算值達到93mm。

圖10.地基沉降等值線圖（計算值）

3.4水平位移分析

由真空預(yù)壓法的機理可知，地基在產(chǎn)生沉降的同時還會產(chǎn)生向場地內(nèi)側(cè)的收縮變形。加固區(qū)外5m處的水平位移隨深度變化如圖11所示。從圖11可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：計算得出的深層土體水平位移較實測大，但基本趨勢是一致的，兩者都向場地內(nèi)側(cè)收縮變形。加固區(qū)邊緣地表的水平位移最大，距離加固區(qū)越遠水平位移越小，水平位移隨深度的增加也逐漸減小。加固外10m處地表水平位移計算值達125mm，由于在為10處沒有監(jiān)測點，無法與計算值進行對比。

圖11.深層土體水平位移

4 周圍建筑保護措施

綜述所述，真空-堆載預(yù)壓法處理軟土地基可以明顯提高土體的固結(jié)度和承載能力，但是在加固區(qū)沉降的同時，周邊地基一定范圍內(nèi)也會產(chǎn)生一定量沉降和水平位移，對周圍建筑物或構(gòu)筑物產(chǎn)生重大影響，輕者造成房屋開裂，重者導(dǎo)致倒塌。圖12為現(xiàn)場抽真空區(qū)外6m處混凝土路面產(chǎn)生了裂縫，此類裂縫在場地周邊較常見且都為環(huán)狀，可以反映出地基變形規(guī)律。

原設(shè)計方案中，蓮花大橋距離抽真空區(qū)邊界只有10m，計算可知此處的沉降為93mm，水平位移達到125mm，這對橋墩影響是比較大的，為了確保蓮花大橋的安全，采取了如下措施：

（1）劃出隔離帶。為了減輕加固區(qū)真空預(yù)壓對大橋的影響，盡量預(yù)留出足夠的安全距離。根據(jù)有限元計算結(jié)果，及專家討論會論證，將原設(shè)計方案中靠近大橋40m范圍地塊劃出不做真空堆載預(yù)壓處理，

圖12.場地周圍裂縫

改為其他處理方式。

（2）重力式攪拌樁。在加固區(qū)與大橋之間，靠近大橋區(qū)域設(shè)置一道重力式水泥攪拌樁，攪拌樁為5排，格構(gòu)式布置。設(shè)置攪拌樁一方面可以起到支擋作用，減小土體的側(cè)向位移，保證大橋橋墩的安全。另一方面，攪拌樁的滲透系數(shù)比軟土小，真空度不易向邊界外傳遞，使邊界土體的沉降和水平位移大大減小[9～10]。

（3）應(yīng)急措施。在抽水預(yù)壓過程中，對橋臺地下水位進行嚴密監(jiān)測，當?shù)叵滤陆党^控制值時，及時采取回灌措施，保持橋臺周邊水位相對穩(wěn)定。

5 結(jié)語

（1）采用有限元法進行數(shù)值分析要從真空預(yù)壓的機理出發(fā)，合理的設(shè)置邊界條件及荷載條件。本文通過降低砂墊層水頭來考慮膜下真空度，以及考慮砂墻與土體的水頭差，模擬土體固結(jié)的充分和必要條件，從計算結(jié)果來看是合理的。

（2）從有限元計算及實測數(shù)據(jù)表明，真空預(yù)壓或真空堆載預(yù)壓會產(chǎn)生較大的豎向沉降和側(cè)向收縮，且對周邊一定范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的影響。

（3）采用格構(gòu)式重力式攪拌樁不僅可以形成止水帷幕，還可以起到阻止土體側(cè)向水平位移的作用。當影響較大時，應(yīng)盡量留出足夠的安全距離，保證周邊建筑物的安全。

參考文獻：

[1] 陳遠洪，洪寶寧，龔道勇.真空預(yù)壓法對周圍環(huán)境影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2002，23（3）：382～386.

[2] 朱建才.真空聯(lián)合堆載預(yù)壓加固軟基機理及工藝研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

[3] 龔曉南.地基處理手冊[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2008.

[4] 婁炎.真空排水預(yù)壓法的加固機理及其特征的應(yīng)力路徑分析[J].南京水利科學(xué)研究院水利水運科學(xué)研究，1990（1）：99～106.

[5] 高志義.真空預(yù)壓法的機理分析[J].巖土工程學(xué)報1989，11（4）：45～56.

[6] 趙維炳，陳永輝，龔友平.平面應(yīng)變有限元分析中砂井的處理方法[J].水利學(xué)報1998，（6）：53～57.

[7] 黃雨，周子舟，柏炯等.軟土地基真空預(yù)壓加固的有限元分析[J].建筑技術(shù)，2010，41（3）：235～239.

[8] 孫立墻，閆澍旺，李偉.真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓加固吹填土地基有限元分析法的研究[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（4）：592～599.

[9] 王勁，陳曉平.真空預(yù)壓法對周邊地基變形影響的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（增2）：5490～5494.

[10] 余湘娟，吳躍東，趙圍炳.真空預(yù)壓法對加固區(qū)邊界影響的研究[J].水利學(xué)報，2002，（2）：123～128.